KR0160530B1 - 미소진공 디바이스 - Google Patents

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KR0160530B1
KR0160530B1 KR1019930026690A KR930026690A KR0160530B1 KR 0160530 B1 KR0160530 B1 KR 0160530B1 KR 1019930026690 A KR1019930026690 A KR 1019930026690A KR 930026690 A KR930026690 A KR 930026690A KR 0160530 B1 KR0160530 B1 KR 0160530B1
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미츠테루 기무라
마사토 혼마
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하마다 히로시
가부시키가이샤 리코
미츠테루 기무라
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Abstract

비교적 저진공으로도 전자방출 특성을 향상시켜 전원전압을 비교적 작게 하며, 또한, 반도체의 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 형성할 수 있도록 하고, 미세하고 정도가 좋은 공중에 뜬 구조의 박막히이터를 가진 전자에미터를 가지는 미소진공 디바이스를 용이하게 대량생산 가능하게 한다.
진공중에 배치한 박막히이터 겸 전자에미터(106), 게이트(104) 및 콜렉터(102)를 가지는 미소진공 디바이스에 있어서, 박막히이터 겸 전자에미터(106)를 공중에 뜬 상태로 박막상으로 형성하고, 박막히이터 겸 전자에미터(106)가 전자를 전계 방출하도록 간극을 개재시켜 박막히이터 겸 전자에미터(106)를 게이트(104)에 근접 배치한 것이다.

Description

미소(黴小)진공 디바이스.
제1도는 본 발명에 따른 미소진공 디바이스의 구성을 나타낸 사시도이다.
제2도는 제1도에 도시한 미소진공 디바이스의 평면도(a)와 단면도(b)이다.
제3도는 제1도에 도시한 미소진공 디바이스의 제조공정을 나타낸 흐름도이다.
제4도는 제1도에 도시한 박막히이터 겸 전자에미터의 다른 형상을 나타낸 설명도이다.
제5도는 제1도에 도시한 박막히이터 겸 전자에미터의 다른 형상을 나타낸 평면도(a)와 단면도(b)이다.
제6도는 제1도에 도시한 박막히이터 겸 전자에미터의 다른 형상을 나타낸 설명도이다.
제7도는 본 발명에 따른 미소진공 디바이스의 다른 구성을 나타낸 사시도이다.
제8도는 제7도에 도시한 미소진공 디바이스의 평면도(a)와 단면도(b)이다.
제9도는 제7도에 도시한 미소진공 디바이스를 자기센서에 응용한 경우를 나타낸 회로도이다.
제10도는 본 발명에 따른 미소진공 디바이스의 다른 구성을 나타낸 평면도(a)와 단면도(b)이다.
제11도는 본 발명에 따른 미소진공 디바이스의 다른 구성을 나타낸 사시도이다.
제12도는 제11도에 도시한 미소진공 디바이스의 평면도(a)와 단면도(b)이다.
제13도는 제1도에 도시한 미소진공 디바이스를 진공 봉지(封止) 한 상태를 나타낸 설명도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100,701,900 : 기판 101,901 : 산화실리콘막
102,702 : 콜렉터 103,703 : 콜렉터 전극
104,704,904 : 게이트 105,705,905 : 게이트전극
106,706,906 : 박막히이터 겸 전자에미터
107,707,907 : 박막히이터 겸 에미터전극
108 : 산화실리콘막 109,709,909 : 간극
110,710,910 : 선단부 111,711,911 : 슬리트
708 : 몰리브덴/티탄막 908 : 질화실리콘박막
912 : 구멍 913 : 백금실리사이드
1001 : 볼록부 1201 : 실리콘팁
1202 : 오목부 1203 : 전기절연막
1301 : 차동증폭기
본 발명은 전계방출형이나 열전자, 전계방출형 전자에미터를 가지는 미소진공 디바이스에 관한 것으로, 특히 미소 삼극 진공 디바이스나 미소진공 자기 센서 등에 응용할 수 있는 미소진공 디바이스에 관한 것이다.
종래의 미소진공 디바이스에 있어서는 반도체의 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 진공중에서 실리콘 기판등에 전자에미터, 게이트 및 콜렉터를 형성 배치하고, 바늘모양이나 박막상으로 작성한 전자에미터에 게이트를 단순히 근접시켜 배치함으로써 전계방출형으로 구성한 것이 일반적이었다.
그러나, 종래의 미소진공 디바이스에 있어서의 전자에미터는 진공도가 낮아짐에 따라 전자에미터 표면에 대한 가스흡착 등에 의해 전자방출 특성이 손상된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 전자에미터 표면을 가열하여 흡착가스 등을 방출시켜 활성화시킴으로써 전자가 전계방출되기 쉬운 상태로 하거나 혹은 전자에미터를 가열함으로써 열전자가 방출되기 쉬운 상태로 하여 전계방출 시킴으로써 비교적 저진공이라도 전자방출 특성을 향상시켜 전원전압을 비교적 작게 하는 것을 제1의 목적으로 한다.
또한, 반도체의 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 형성 가능하도록 하고, 미세하며 정도(精度)가 좋은 공중에 뜬 구조의 박막히이터를 가진 전자에미터를 가지는 미소진공 디바이스를 용이하게 대량생산 가능하게 하는 것을 제2의 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 진공중에 배치한 전자에미터, 게이트 및 콜렉터를 가지는 미소진공 디바이스에 있어서, 상기 전자에미터를 공중에 뜬 상태의 박막상으로 형성하고, 상기 전자에미터가 전자를 전계방출하도록 간극을 개재시켜 상기 전자에미터를 상기 게이트에 근접 배치한 것이다.
또한, 상기 박막히이터를 상기 전자에미터로서 구성하고 상기 전자에미터와 상기 콜렉터의 사이를 흐르는 전류를 상기 게이트에 인가하는 전압에 의해 변화시키며, 상기 게이트에 근접 배치하는 전자에미터의 선단부를 첨예화하고, 상기 게이트에 근접 배치하는 전자에미터의 선단부를 동일 박막히이터에 대해 복수개 설치하며, 상기 전자에미터에 형성하는 선단부에 대응하는 부분에 슬리트를 설치한 것이다.
그리고, 상기 콜렉터를 복수 근접시켜 배치하고, 상기 복수의 콜렉터에 흐르는 전자 전류의 크기로부터 외부 전계의 크기 및 외부 전계의 방향을 검출하여 상기 콜렉터를 박막상으로 구성하며, 상기 콜렉터가 절연박막을 개재시켜 복수층으로 구성되어 있는 것이다. 또한, 상기 전자에미터의 표면에 볼록부를 설치한 것이다.
또한, 표면에 오목부를 형성한 실리콘 단결정팁을 커버로 하여, 상기 오목부를 포함하는 영역을 미소진공 영역실이 되도록 진공 봉지하며, 상기 전자에미터, 게이트 및 콜렉터의 전극을 절연 박막을 개재시켜 상기 미소진공 영역의 외부로 인출하도록 구성한 것이다.
그리고, 본 발명은 진공중에 배치한 전자에미터, 게이트 및 콜렉터를 가지는 미소진공 디바이스에 있어서, 상기 콜렉터를 도체기판으로 구성하며, 상기 콜렉터상에 절연 박막을 개재시켜 게이트전극을 배치하고, 상기 게이트 전극내에 상기 콜렉터가 노출되도록 상기 절연박막에 구멍을 형성하며, 박막히이터 상에 박막상으로 형성된 전자에미터를 상기 구멍의 중앙 부근으로 배치하고, 상기 전자에미터가 전자를 전계방출하도록 상기 전자에미터를 게이트에 근접 배치한 것이다.
또한, 상기 박막히이터를 상기 전자에미터로 구성하고, 상기 전자에미터와 상기 콜렉터 사이를 흐르는 전류를, 상기 게이트에 인가하는 전압에 의해 변화시켜, 상기 구멍의 중앙 부근에 배치하는 전자에미터의 선단부를 첨예화하고, 상기 구멍의 중앙 부근에 배치하는 전자에미터의 선단부를, 동일 박막히이터에 대해 복수개 설치하고, 상기 전자에미터에 형성하는 선단부에 대응하는 부분에 슬리트를 설치한 것이다. 또한, 상기 전자에미터의 표면에 볼록부를 설치한 것이다.
그리고, 표면에 오목부를 형성한 실리콘 단결정팁을 커버로 하여, 상기 오목부를 포함하는 미소진공 영역실이 되도록 진공 봉지하고, 상기 전자에미터, 게이트 및 콜렉터의 전극을 절연박막을 개재시켜 상기 미소진공 영역의 외부로 인출하도록 구성한 것이다.
본 발명에 따른 미소진공 디바이스는 에어브릿지에 의해 전자에미터를 공중에 뜬 상태의 박막히이터 상에 박막상으로 형성하고, 혹은 박막히이터를 전자에미터로 구성하며, 간극을 개재시켜 전자에미터를 게이트에 근접 배치함으로써 전자가 전계방출하기 쉬운 상태로 하거나, 혹은 전자에미터를 가열함으로써 열전자를 방출하기 쉬운 상태로 한다.
그리고, 전자에미터와 콜렉터의 사이를 흐르는 전류를, 게이트에 인가하는 전압에 의해 변화시킨다. 또한 게이트에 근접 배치하는 전자에미터의 선단부를 첨예화함으로써 전계를 집중시켜 전자방출효과를 향상시킨다. 그리고, 게이트에 근접 배치하는 전자에미터의 선단부를 동일한 박막히이터에 대해 복수개 설치함으로써 그 부분에 전류를 많이 흐르도록 한다.
또한, 전자에미터에 형성하는 선단부에 대응하는 부분에 슬리트를 설치함으로써 박막히이터 부분의 전기저항 및 열용량을 저감하고, 다른 부분보다 박막히이터 부분을 고온으로 유지할 수 있어 그만큼 소비전략을 저감한다.
그리고, 콜렉터를 박막상으로 구성하고, 이 콜렉터를 절연 박막을 개재시켜 복수층으로 구성되도록 콜렉터를 복수 근접시켜 배치하며, 복수의 콜렉터에 흐르는 전자 전류의 크기로부터 외부 전계의 크기 및 외부 전계의 방향을 검출한다.
또한, 전자에미터의 표면에 볼록부를 설치함으로써 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.
더우기, 표면에 오목부를 형성한 실리콘 단결정팁을 커버로 하여, 오목부를 포함하는 영역을 미소진공 영역이 되도록 진공 봉지한 구조로 하며, 전자에미터, 게이트 및 콜렉터의 전류를 절연 박막을 개재시켜 미소진공 영역의 외부로 인출하여 반도체의 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 미세하고 정도가 좋은 미소진공 디바이스를 용이하게 대량 생산할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미소진공 디바이스는 콜렉터를 도체 기판으로 구성하고, 콜렉터상에 절연 박막을 개재시켜 게이트전극을 배치하고, 혹은 박막히이터를 전자에미터로서 구성하며, 게이트전극 내에 콜렉터가 노출되도록 절연박막에 구멍을 형성하고, 박막히이터상에 박막상으로 형성된 전자에미터를 구멍의 중앙 부근에 배치하며, 전자에미터가 전자를 전계 방출하도록 전자에미터를 게이트에 근접 배치하도록 전자가 전계방출하기 쉬운 상태로 하거나, 혹은 전자에미터를 가열함으로써 열전자를 방출하기 쉬운 상태로 한다.
그리고, 전자에미터와 콜렉터 사이를 흐르는 전류를, 게이트에 인가하는 전압에 의해 변화시킨다. 구멍의 중앙 부근에 배치하는 전자에미터의 선단부를 첨예화함으로써 전계를 집중시켜 전자 방출효과를 향상시킨다. 또 구멍의 중앙 부근에 배치하는 전자에미터의 선단부를 동일한 박막히이터에 대해 복수개 설치함으로써 그 부분에 전류를 많이 흐르도록 한다.
전자에미터에 형성하는 선단부에 대응하는 부분에 슬리트를 설치함으로써 박막히이터 부분의 전기저항 및 열용량을 저감하여 다른 부분보다 박막히이터 부분을 고온으로 유지할 수 있어서 그만큼 소비전력을 저감한다.
전자에미터의 표면에 볼록부를 설치함으로써 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.
표면에 오목부를 형성한 실리콘 단결정 팁을 커버로 하여, 오목부를 포함하는 영역을 미소진공 영역실이 되도록 진공 봉지한 구조로 하며, 전자에미터, 게이트 및 콜렉터의 전극을 절연 박막을 개재시켜 미소진공 영역의 외부로 인출하고, 반도체의 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 미세하고 정도가 좋은 미소진공 디바이스를 용이하게 대량 생산할 수 있다.
[실시예 1]
이하, 본 발명에 따른 미소진공 디바이스의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 제1도는 본 발명에 따른 미소진공 디바이스의 일 실시예를 도시한 사시도이며, 제2a도는 제1도에 도시한 미소진공 디바이스의 평면도, 제2b도는 제2a도에 도시한 평면도의 X-X'선 단면도이다.
제1도, 제2a도, 제2b도에 있어서, (100)은 n형 실리콘 기판, (101)은 n형 실리콘 기판(100)의 표면에 형성된 산화실리콘막, (102)는 콜렉터, (103)은 콜렉터(102)의 전극인 콜렉터전극, (104)는 게이트, (105)는 게이트(104)의 전극인 게이트전극, (106)은 박막히이터 겸 전자에미터, (107)은 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 전극인 박막히이터 겸 에미터전극, (108)은 박막히이터 겸 전자에미터(106) 및 박막히이터 겸 에미터전극(107)과 산화실리콘막(101) 사이에 배치된 산화실리콘막, (109)는 게이트(104)와 박막히이터 겸 전자에미터(106) 사이에 형성되는 간극, (110)은 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 일부에 형성된 첨예화된 선단부, (111)은 이 선단부(110)의 후부에 설치된 슬리트이다.
다음에, 상기 미소진공 디바이스의 제조방법을 제3도에 도시한 흐름도에 따라 설명한다. 본 실시예에 따른 미소진공 디바이스는 공중에 뜬 구조의 박막히이터를 형성하고, 이 박막히이터 그 자체를 전자에미터로 한 경우(박막히이터 겸 전자에미터(106))의 예로서, 우선 n형 실리콘 기판(100) 표면에 약 1㎛ 두께의 산화실리콘막(101)을 형성하고(S1), 이 위에 티탄(0.05㎛ 두께)와 몰리브덴(0.2㎛ 두께)를 스퍼터링 형성하며(S2), 포토리소그래피 기술을 이용하여 게이트(104)와 콜렉터(102) 및 이들 전극인 게이트전극(105)와 콜렉터전극(103)을 패턴 형성한다(S3). 상기와 같이 몰리브덴층과 산화실리콘막 사이에 얇은 티탄층을 끼운 것은 몰리브덴층의 밀착성을 향상시키기 위함이다. 게이트(104)와 콜렉터(102)의 간격은 5-8㎛ 정도로 하고, 제2a도의 평면도에 있어서의 X-X'선 상의 게이트(104)와 콜렉터(102)의 길이는 10㎛ 로 한다.
다음에, 시료표면 전면에 알루미늄을 0.3㎛ 두께 정도로 진공 증착하여(S4), 공중에 뜬 구조의 박막히이터 겸 전자에미터(106)를 형성하기 위한 희생층으로 이용한다. 이를 위해서는 공중에 뜬 구조의 박막히이터 겸 전자에미터(106)를 형성하는 곳의 희생층 알루미늄을 그 박막히이터 겸 전자에미터(106)보다도 폭넓게 남기고, 다른 부분의 알루미늄은 에칭 제거한다. 다음에, 이 위에 산화실리콘막(108)을 0.3㎛ 두께 정도로 스퍼터링 형성하고(S5), 그 위에 박막히이터 겸 전자에미터(106)로서의 티탄(0.05㎛ 두께)와 몰리브덴(0.5 ㎛ 두께)을 스퍼터링 형성한다(S6).
그후, 포토리소그래피 기술에 의해 길이 30㎛, 폭 15㎛ 정도의 공중에 뜬 구조의 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 부분 및 이들 전극인 박막히이터 겸 에미터전극(107)의 패턴 형성을 행하고, 또한 이들 패턴 이외의 영역의 스퍼터링 산화실리콘막(108)의 에칭제거를 행하며(S7), 마지막으로 알루미늄 희생층의 제거를 행한다(S8), 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 선단부와 콜렉터(102)의 간격은 10 ㎛ 정도로 한다. 불화 수소계의 산화실리콘막(108)의 에천트에 대해 알루미늄의 에칭속도가 빠르므로 알루미늄 희생층도 거의 에칭 제거되어 박막히이터 겸 전자에미터(106)와 게이트(104)의 사이는 알루미늄 희생층의 두께에 상당하는 극히 좁은 간극(109)을 가지는 공중에 뜬 구조의 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 부분이 형성된다.
알루미늄 희생층이 잔존하기 쉬울 때에는 인산계의 알루미늄에칭액으로 알루미늄 희생층을 에칭 제거하면 좋다. 이 인산계의 알루미늄 에칭액은 산화실리콘막을 에칭하지 않으므로, 박막히이터 겸 전자에미터(106)에 밀착되어 있는 부분의 스퍼터 산화실리콘막(108)과 하부의 산화실리콘막(101)은 잔존한다.
또한, 본 실시예에서는 제1도, 제2a도에 도시한 바와 같이, 박막히이터 겸 전자에미터(106)에 전계를 집중시키기 위해 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 콜렉터(102)측으로 첨예화시킨 선단부(110)를 설치한다. 이와같이 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 선단부(110)를 첨예화시킴으로써 전계가 집중되기 쉬워 전자가 전계 방출되기 쉬워지는 상태가 없어진다.
그리고, 에어브릿지에 구성되어 있는 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 선단부(110)에 대응하는 후부에 슬리트(111)를 설치한다. 이와 같이, 슬리트(111)를 설치함으로써 박막히이터의 이 부분에 있어서의 전기저항 및 열용량을 줄여 다른 부분보다 이 부분을 고온으로 하는 효과가 있으며, 그 결과 디바이스의 소비전력을 줄일 수 있다. 미소진공 디바이스에 있어서의 진공 영역을 작기 때문에 큰 전력으로 하면, 진공실의 벽을 가열하여 불필요한 아웃 가스를 벽에서 방출시켜 진공실의 진공도가 저하하고, 진공 디바이스로서는 바람직하지 않는 상태가 발생한다. 이 때문에 본 실시예에서는 상기와 같이 슬리트(111)를 설치하여 극부적으로 저항을 높여 작은 전력에 의해 구동할 수 있도록 구성한 것이다.
제4도는 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 선단부의 다른 구성을 나타낸 설명도로서, 본 실시예에 있어서는 선단부(110)와 슬리트(111)의 선단전부폭(a)을 좁게 형성함과 동시에, 선단부(110)와 슬리트(111)의 선단후부폭(b)을 넓게 형성하여(ab), 선단부(110) 부근의 발열을 특히 크게 한 것이다. 여기서 박막히이터는 몰리브덴/티탄 혹은 백금/티탄의 이중층으로 구성할 수도 있다. 또한, 금속은 온도가 상승하면 늘어뜨려지므로, 이들 금속제 박막히이터의 하부에는 산화실리콘막 등의 전기절연성을 배치하여 고융점의 단단한 재료를 밀착시켜 지지하는 것이 바람직하다.
제5a도, 제5b도는 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 선단부의 다른 구성을 나타낸 설명도로서, 이 실시예에 있어서는 선단부(110)의 하부에는 산화실리콘막을 제거한 상태로 형성되어 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 선단부(110)에 밀착된 산화실리콘막이 없으므로, 특히 이 부분의 온도가 상승하기 쉬워 박막히이터의 저소비전력화를 도모할 수 있다.
제6도는 전자에미터 부분의 다른 구성을 도시한 사시도로서, 도면에 있어서, (106a)는 박막히이터, (106b)는 전자에미터이다. 상기 실시예에 있어서는 박막히이터 겸 전자에미터(106)로서 박막히이터와 전자에미터를 일체 성형하고 있었으나, 제6도에 도시한 실시예에 있어서는 박막히이터(106a)의 위에 전자에미터(106b)를 형성하고 있다. 또한, 여기서 전자에미터(106b)는 일함수가 작은 산화바륨 혹은 산화토륨의 스퍼터막을 이용하고 있다. 이상의 구성에 있어서, 백금/티탄으로 구성되는 박막히이터(106a)에 의해, 예를 들어 산화바륨에 의해 구성된 전자에미터(106b)가 가열되면, 전자에미터(106b) 쪽이 일함수가 작아지므로, 콜렉터(102)로 정의 전압을 인가했을 때에는 도시한 화살표방향으로 전자에미터(106b)로부터 전자가 전계 방출된다.
[실시예 2]
제7도는 본 발명에 따른 미소진공 디바이스의 다른 실시예를 나타낸 사시도로서, 제8a도는 제7도에 나타낸 미소진공 디바이스의 평면도, 제8b도는 제8a도에 도시한 평면도의 Y-Y'단면도이다.
제7도, 제8a도, 제8b도에 있어서, (701)은 석영에 의해 구성되는 기판, (702)는 콜렉터, (703)은 콜렉터(702)의 전극인 콜렉터전극, (704)는게이트, (705)는 게이트(704)의 전극인 게이트전극, (706)은 박막히이터 겸 전자에미터, (707)은 박막히이터 겸 전자에미터(706)의 전극인 박막히이터 겸 에미터전극, (708)은 박막히이터 겸 에미터전극(707)과 기판(701) 사이에 배치된 몰리브덴/티탄막, (709)는 게이트(704)와 박막히이터 겸 전자에미터(706) 사이에 형성되는 간극, (710a),(710b)는 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 일부에 형성되어 첨예화된 선단부. (711a),(711b)는 이 선단부 (710a),(710b)의 후부에 설치된 각각 선단부(710a),(710b)에 대응하는 슬리트이다.
다음에, 박막히이터 겸 에미터전극(707)과 기판(701) 사이에 배치된 몰리브덴/티탄막(708)에 대해 설명한다. 이와 같이 박막히이터 겸 전자에미터(706)의 전극부분이 이중구조(박막히이터 겸 에미터전극(707)과 몰리브덴/티탄막(708), 상기 몰리브덴/티탄막(708)은 티탄의 얇은 층 위에 몰리브덴 박막을 겹친 구조이며, 이 티탄은 기판(701)과의 밀착성을 향상시킨다. 또한, 몰리브덴/티탄막(708)의 상부에 있는 박막히이터 겸 에미터전극(707)은 예를 들어 백금/티탄 혹은 인듐틴악사이드(Indium Tin Oxide)등에 의해 구성한다. 이 경우, 상기 몰리브덴/티탄막(708)은 미소진공 디바이스의 제조공정상 게이트전극(705), 콜렉터전극(703)의 전극재료로 이루어진다.
다음에, 콜렉터(702)의 구성에 대해 설명한다. 콜렉터(702)는 제7도, 제8b도에 도시한 바와 같이, 제1콜렉터(702a)와 제2콜렉터(702c)가 전기절연박막층(702b)을 개재시켜 층상으로 구성되어 있다. 이 구성에 따르면, 박막히이터 겸 전자에미터(706)로부터 방출되는 전자선이 피검출자장에 의한 로렌츠력에 의해 한쌍의 콜렉터(702a),(702c)중 한쪽에 많이 포집되어 콜렉터(702a),(702c)를 흐르는 전류변화로부터 자장을 검출할 수 있다.
더 상세히 설명한다. 미소진공 디바이스에 있어서의 콜렉터(702)를 예를 들어 0.2㎛ 두께 정도로 스퍼터링이나 CVD등에 의한 산화실리콘막 등의 전기절연박막층(702b)를 끼워 이중층으로 형성해두고 전자방출시키면, 이 미소진공 디바이스를 고감도의 자기센서로서 이용할수 있다. 박막히이터 겸 전자에미터(706)와 근접 배치된 두 개의 콜렉터(702a),(702c)로 향하는 전자빔에 수직으로 그리고, 두개의 콜렉터(702a),(702c) 중에 평행인 자계 성분은 로렌츠력에 의해 어느 한쪽 콜렉터로 많이 전자빔이 모이도록 편향하므로, 두개의 콜렉터(702a),(702c)를 흐르는 전류를 비교하면 자계의 크기 및 그 방향까지 검출할 수 있다. 그 결과, 고감도 고속응답의 초소형 자기센서를 얻을 수 있다.
제9도는 상기 제7도, 제8a도, 제8b도에 따른 미소진공 디바이스를 자기센서에 응용한 예를 나타내는 구체적인 회로도로서, 도면에 있어서 두개의 콜렉터(702a),(702c)에 흐르는 전류 ( I₁),( I₂)의 크기를 차동증폭기(1301)에 의해 차동 증폭한다. 전류 ( I₁),( I₂) 중 어느쪽이 큰가에 따라 자장(B)의 방향을 검출할 수 있으며, 또한 전류 ( I₁),( I₂)의 차의 크기로부터 자장(B)의 크기를 검출할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 박막히이터 겸 전자에미터(706)에는 그 일부에 2개의 첨예화된 선단부(710a),(710b)가 형성되어 있다. 이는 1개의 선단부가 형성되어 있는 것과 비교하여 2개의 선단부(710a),(710b)에 전자 전류가 많이 흐르도록 한 것이다. 또한, 제8b도에 도시한 바와 같이 선단부(710a),(710b),(710c)의 하부에 있어서의 브릿지를 지지하기 위한 질화실리콘막 혹은 산화실리콘막이 제거되어 있으므로, 영용량이 작고 고온이 되고 쉬우므로 소비전력이 적어도 된다는 효과가 있다.
[실시예 3]
제10a도, 제10b도는, 본 발명에 따른 미소진공 디바이스의 다른 실시예를 나타내는 사시도로서, 제10a도는 미소진공 디바이스의 평면도, 제10b도는 제10a도에 나타낸 평면도의 Z-Z' 단면도이다.
제10a도, 제10b도에 있어서, (900)은 n형 실리콘 기판, (901)은 n형 실리콘 기판(900)의 표면에 형성된 산화실리콘막, (904)는 링상의 게이트, (905)는 게이트(904)의 전극인 게이트전극, (906)은 박막히이터 겸 전자에미터, (907)은 박막히이터 겸 전자에미터(906)의 전극인 박막히이터 겸 에미터전극, (908)은 박막히이터 겸 전자에미터(906) 및 박막히이터 겸 에미터전극(907)과 산화실리콘막(901) 사이에 배치된 질화실리콘박막, (909)는 게이트(904)와 박막히이터 겸 전자에미터(906) 사이에 형성되는 간극, (910)은 박막히이터 겸 전자에미터(906)의 일부에 형성된 첨예화된 선단부, (911)은 이 선단부(910)의 후부에 설치된 슬리트. (912)는 게이트(904), 산화실리콘막(901), n형 실리콘 기판(900)을 통해 설치된 구멍, (913)은 구멍(912)에 배치된 콜렉터로서의 백금실리사이드이다. 또한, 구멍(912)의 직경은 상대적으로 작은 쪽이 전계 집중을 위해서 좋고, 2㎛ 정도로 형성된다.
다음에, 동작에 대해 설명한다. 이 실시예는 n형 실리콘 기판(900)을 콜렉터전극으로서 이용하는 미소진공 디바이스의 예로서, 링상의 게이트(904)로의 박막히이터 겸 전자에미터(906)에 대한 인가전압을 변화시킴으로써 박막히이터 겸 전자에미터(906)으로부터의 전자의 인출량을 변화시키므로, 삼극진공관으로서 기능할 수 있다. 여기서 상기 게이트(904)는 박막히이터 겸 전자에미터(906)으로부터의 전자인출전극으로서 기능하고 있다.
이 실시예에 있어서의 특징은 첫째로 전자에미터가 히이터로서 구성되어 있는 점, 둘째로, 콜렉터에 저저항이 될 수 있는 금속실리사이드(본 실시예에서는 백금실리사이드를 사용하고 있다)를 사용하고 있는 점, 셋째로, 게이트전극 형성시에 그 하부의 백금실리사이드의 콜렉터전극을 셀프얼라인먼트에 의해 형성할 수 있는 점이다. 이는, 예를 들어 게이트전극(905)용의 백금을 전자빔 증착 형성했을 때 구멍(912)의 주위의 산화실리콘막(901)이 오버-행의 상태가 되어 있으며, 상기 게이트전극과 하부(구멍(912)의 내부의) 백금실리사이드(913)의 콜렉터는 도통하지 않도록 형성될 수 있음에 의한 것이다.
[실시예 4]
제11도는 본 발명에 따른 미소진공 디바이스의 다른 실시예를 나타낸 사시도로서, 제12a도는 제11도에 도시한 미소진공 디바이스의 평면도, 제12b도는 제12a도에 도시한 평면도의 W-W' 단면도이다. 제1도 및 제2a도, 제2b도에 도시한 구성과 동일한 부분은 동일 번호를 이용하여 나타내며 그 설명을 생략한다.
상기 실시예에서는 공중에 뜬 구조의 금속(몰리브덴/티탄)으로 이루어진 박막히이터 겸 전자에미터(106)의 기계적 강도를 증가시키기 위해, 스퍼터링 형성한 산화실리콘막(108) 대신에, 예를 들어 산화알루미늄막 등의 고융점 절연박막층을 이용하거나, 혹은 이들 절연박막층을 처음부터 이용하지 않고 금속(몰리브덴/티탄)으로 이루어진 박막 히이터 겸 전자에미터(106)만으로 하여, 그 대신 기계적 강도를 증가시키기 위해 공중에 뜬 구조 부분에 파형 함석과 같은 요철을 형성하여 실효적인 두께를 가지도록 하면 좋다.
제11도, 제12a도, 제12b도를 이용하여 상세히 설명한다. 도면에 있어서, (1001)은 박막히이터 겸 전자에미터(106)에 설치된 볼록부이다. 이와같은 볼록부를 박막히이터 겸 전자에미터(106)에 설치함으로써 얇은 박막히이터로도 변형의 발생이 억제된다. 이 때문에 게이트(104)와 박막히이터 겸 전자에미터(106) 사이의 간격 (0.5㎛ 정도)을 유지할 수 있어 보다 얇게 형성할 수 있으며, 히이터의 소비전력을 적게 할 수 있다.
다음에, 제1도, 제2a도, 제2b도에 도시한 미소진공 디바이스를 예로 들어 진공실의 형성에 대해 제13도를 참조하여 설명한다.
이상과 같이 형성된 박막히이터 겸 전자에미터(106), 게이트(104), 콜렉터(102)를 가지는 미소디바이스를 10-6Torr로 진공 봉지하여 미소진공 디바이스로서 형성한다. 박막히이터 겸 전자에미터(106)에 전류를 흘려 약300도로 가열하고, 박막히이터 겸 전자에미터(106)에 대해 게이트(104)가 정으로 약20V가 되도록 전압을 인가하면, 박막히이터 겸 전자에미터(106)와 콜렉터(102) 사이에는 안정적으로 약 1 ㎂의 전류가 흘러 안정된 상태에서 전자에미터로서 동작시킬 수 있다.
초소형의 진공실을 형성하기 위해, 예를 들어 실리콘팁(1201)에 에칭에 의해 오목부(1202)를 형성하고, 이를 캡으로 하여 진공중(10-1Torr정도)에서 봉지한다. 전극등의 요철은 있지만, CVD등으로 봉지하는 곳에는 전기절연막(예를 들어 산화실리콘막이나 질화실리콘막:1203)을 1 ㎛ 두께로 커버해 두고, 니켈 스퍼터링 후 저융점금속(예를 들어, 주석, 납)으로 니켈막상에 요철이 메워질 정도의 두께로 진공증착 등에 의해 형성해두고, 또한 캡 측도 마찬가지로 접합면(봉지의 주위면)에 금속화하여 진공중에서 승온하여 봉지한다.
이상 설명한 바와 같이, 상기 각 실시예에 있어서는 진공중에 배치한 전자에미터, 게이트 및 콜렉터 중 전자에미터를 공중에 뜬 상태의 박막히이터 상에 박막상으로 형성하거나, 혹은 이 박막히이터 그 자체로 구성하며, 게이트는 전자에미터에 간극을 두어 근접 배치시킨 구조이며, 반도체의 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 용이하게 형성할 수있다.
또한, 전자에미터를 공중에 뜬 구조의 박막히이터에 형성하였으므로 박막히이터의 열용량을 작게 할 수 있음과 동시에, 열컨덕턴스를 작게 할 수 있어 작은 소비전력으로 커다란 온도상승을 얻을 수 있다.
그리고, 박막히이터는 외부로부터 광조사 등에 의해 가열하여도 좋지만, 전류를 흘려 주울 열로 가열해도 된다. 전계방출형으로 하여도, 열전자. 전계방출형으로 해도 전자에미터의 일함수가 작은 쪽이 전자방출하기 쉬우므로, 일함수가 적은 산화바륨이나 산화토륨 등의 산화물을 박막히이터 상에 박막 형성하여 이를 전자에미터로서 이용해도 된다. 공중에 뜬 구조가 박막히이터에 형성한 전자에미터의 콜렉터 측의 선단은 상기와 같이 박막이면서도 뾰족한 형태로 하는 편이 전계가 집중되어 전자방출 효과가 좋아진다.
게다가, 공중에 뜬 구조의 전자에미터의 뾰족한 형태부 부근에만 1㎛ 이하의 간극을 두어 게이트를 형성한 편이 전자에미터와 게이트의 내압의 관점에서 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 미소진공 디바이스는 전자에미터 표면을 가열하고, 흡착가스 등을 방출시켜 활성화시킴으로써, 전자가 전계방출하기 쉬운 상태로 하거나, 혹은 전자에미터를 가열함에 의해 열전자가 나오기 쉬운 상태로 하여 전계방출시킴으로써 비교적 저진공으로도 전자방출 특성을 향상시켜 전원전압을 비교적 작게 할 수 있다.
또한, 반도체의 마이크로 머니싱 기술을 이용하여 형성할 수 있도록 하여 미세하고 정도가 좋은 공중에 뜬 구조의 박막히이터를 가진 전자에미터를 가지는 미소진공 디바이스를 용이하게 대량생산 가능하게 할 수 있다.

Claims (19)

  1. 진공중에 배치한 전자에미터, 게이트 및 콜렉터를 가지는 미소진공 디바이스에 있어서, 상기 전자에미터를 공중에 뜬 상태의 박막히이터 상에 박막상으로 형성하고, 상기 전자에미터가 전자를 전계방출하도록 간극을 개재시켜 상기 전자에미터를 상기 게이트에 근접 배치한 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 박막히이터를 상기 전자에미터로서 구성하는 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전자에미터와 상기 콜렉터의 사이를 흐르는 전류를 상기 게이트에 인가하는 전압에 의해 변화시키는 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 게이트에 근접 배치되는 전자에미터의 선단부를 첨예화하는 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 게이트에 근접 배치하는 전자에미터의 선단부를, 동일 박막히이터에 대해 복수개 설치한 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전자에미터에 슬리트를 설치하는 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 콜렉터를 복수 근접시켜 배치하고, 상기 복수의 콜렉터에 흐르는 전자 전류의 크기로부터 외부 자계의 크기 및 외부 자계의 방향을 검출하는 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 콜렉터를 박막상으로 구성하는 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 콜렉터가 절연박막을 개재시켜 복수층으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전자에미터의 표면에 볼록부를 설치한 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 표면에 오목부를 형성한 실리콘 단결정칩을 커버로 하여, 상기 오목부를 포함하는 영역을 미소진공 영역실이 되도록 진공 봉지하며, 상기 전자에미터, 게이트 및 콜렉터의 전극을 절연 박막을 개재시켜 상기 미소진공 영역의 외부로 인출하도록 구성한 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  12. 진공중에 배치한 전자에미터, 게이트 및 콜렉터를 가지는 미소진공 디바이스에 있어서, 상기 콜렉터를 도체 기판으로 구성하고, 콜렉터상에 절연 박막을 개재시켜 게이트전극을 배치하며, 상기 게이트전극 내에 상기 콜렉터가 노출되도록 절연박막에 구멍을 형성하고, 박막히이터 상에 박막상으로 형성된 전자에미터를 구멍의 중앙 부근에 배치하며, 상기 전자에미터가 전자를 전계 방출하도록 전자에미터를 게이트에 근접 배치한 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  13. 제12항에 있어서 상기 박막히이터를 상기 전자에미터로서 구성하는 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  14. 제12항에 있어서, 상기 전자에미터와 상기 콜렉터 사이를 흐르는 전류를 상기 게이트에 인가하는 전압에 의해 변화시키는 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  15. 제12항에 있어서, 상기 구멍의 중앙 부근에 배치하는 전자에미터의 선단부를 첨예화하는 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  16. 제12항에 있어서, 상기 구멍의 중앙 부근에 배치하는 전자에미터의 선단부를 동일한 박막히이터에 대해 복수개 설치한 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  17. 제12항에 있어서, 상기 전자에미터에 슬리트를 설치하는 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  18. 제12항에 있어서, 상기 전자에미터의 표면에 볼록부를 설치하는 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
  19. 제12항에 있어서 표면에 오목부를 형성한 실리콘 단결정칩을 커버로 하여, 상기 오목부를 포함하는 영역을 미소진공 영역실이 되도록 진공 봉지하며, 상기 전자에미터, 게이트 및 콜렉터의 전극을 절연 박막을 개재시켜 상기 미소진공 영역의 외부로 인출하도록 구성한 것을 특징으로 하는 미소진공 디바이스.
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