KR100260074B1 - 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 기판을 이용하여 제조하고, 고체전자소자를 대체할 수 있는 진공관 소자에 관한 것으로서, 특히 반도체 집적회로 제조공정의 다층 금속선 배선 형성공정을 이용하여, 진공관 소자를 평면구조로 제조함으로써, 진공관 소자의 소형화 및 집적화에 초고속화를 가능하게 하며, 간접적으로 캐소드를 가열하여 열전자 방출을 유도하는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자에 관한 것이다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 핵심내용은 실리콘 기판위에 전기적으로 절연되는 구조로 캐소드전극과 에노드전극과 게이트전극을 형성하고, 상기 캐소드전극의 상하측에는 저항가열을 위한 발열체를 형성한 후, 상기 발열체 형성부위를 포함하는 일정영역의 절연막을 제거하는 것으로, 발열체와 캐소드, 에노드 및 게이트전극을 플로우팅 시켜 형성하고, 상기 발열체와 각부 전극들에 도선을 접속하고, 다층 금속선간 배선을 위한 개구부를 통하여 전기적으로 접촉시켜서, 진공관 소자의 소형화 및 집접화와 초고속 처리속도를 가지는 초고주파 소자로의 제작을 가능하게 하는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자로 특징 지울 수 있다.

Description

열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자

본 발명은 반도체 기판을 이용하여 제조하는 고체전자 소자를 대체할 수 있는 진공관 소자에 관한 것으로, 특히 반도체 집적회로 제조공정의 다층 금속선 배선 형성공정을 이용하여 진공관 소자를 평면구조로 제조함으로써 진공관 소자의 소형화 및 집적화에 초고속화를 가능하게 하며, 간접적으로 캐소드를 가열하여 열전자 방출을 유도하는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자에 관한 것이다.

고체전자소자 또는 반도체소자가 발명된 이후, 지금까지 대표적인 능동소자로 바이폴라 트랜지스터, 전계효과 트랜지스터가 있으며, 이외에도 매우 다양한 동작특성을 갖는 소자들이 있다.

그러나 고체전자소자는 전자가 고체속을 이동할 때 격자진동, 불순물, 결함 등에 의한 산란현상으로 인하여 전자의 이동속도가 제한되고, 많은 열이 발생하여 고주파 영역에서 동작할 때 전력소모가 매우 크며, 노이즈 발생 원인으로 작용한다.

또한 고체전자소자는 온도에 따른 전자의 움직임이 매우 민감하기 때문에 사용할 수 있는 온도영역이 매우 좁고, 빛과 방사선에 의하여 발생하는 소프트 에러로 소자가 오동작하거나 성능이 현저히 감소한다.

따라서 고체전자소자는 환경적 요인에 매우 민감하여 위성통신과 자동차 내의 통신환경에서는 사용상의 제약이 많이 따르게 된다.

이상의 문제점들을 극복하기 위하여 다양한 소재와 다양한 형태의 소자들의 연구에 노력이 경주되고 있다.

지금까지 반도체 집적회로 제조공정을 이용하여 제조된 진공관 소자는 비가열 캐소드 구조로소 전계방출에 의해 전자를 방출하는 방식인 전계방출 진공관 소자가 대표적이다.

그리고 전계방출에 의한 전자의 운동을 이용하여 FED(field emission display)의 제조에 응용하기도 하고, 다이오우드 구조 또는 트라이오우드(triode), 즉 삼극진공관소자 제조에 이용하기도 한다.

이와 같은 전계방출 소자는 전자를 방출하기 위한 전극인 캐소드전극의 날카로운 정도가 전자 방출을 일으키기 위한 캐소드 전압의 크기에 매우 민감하게 연관되어 있는 공정기술로 알려져 있다.

그리고 캐소드 모양이 뾰족하고 끝 부분의 반경이 수십 Å 이하로 매우 정교하게 가공되면 될수록 캐소드에 대하여 동일한 전압이 공급되는 조건에서도 캐소드전극 팁의 끝에서 형성되는 전계의 크기는 상대적으로 증가하기 때문에 많은 수의 전자를 방출할 수 있다.

때문에 전계효과에 의한 전자방출을 위하여 제조되는 캐소드 팁의 끝부분 반경을 매우 작게 하는 것이 연구의 주요한 관심사가 되고 있다.

그렇지만 캐소드 모양 및 끝 부분의 반경이 수십 Å 이하인 경우에도 전계방출에 의해 전자를 캐소드전극으로부터 방출하기 위하여 필요한 전압의 크기는 수십볼트 이상의 전압을 필요로 하고 있는 실정이다.

또한, 캐소드전극의 모양이 매우 날카로우며 날카로운 정도에 따라 소자를 동작시키는데 필요한 전압의 크기가 매우 민감하게 변화하기 때문에 상대적으로 캐소드전극 끝부분에서의 산화와 같은 미세한 물성의 변화에도 소자의 안정도 및 재현성을 유지함에 있어서 장애요인으로 등장한다.

이와 같은 기술적 문제점들은 전계방출 진공관 소자를 상업적으로 활용함에 있어서 매우 어려운 과제이며, 동시에 전계효과 진공관 소자의 턴온(turn on) 전압을 낮추기 위하여 캐소드전극의 끝을 매우 날카롭게 가공해야 하는 기술적 어려움도 동시에 가지고 있다고 할 수 있다.

고체전자소자가 열전자 방출방식의 진공관 소자를 대체하여 사용되기 이전의 전자관 즉, 진공관 소자는 이극 진공관 소자, 삼극 진공관 소자, 사극 진공관 소자, 오극 진공관 소자등 제조방법에 따라 다양한 구조의 진공관 소자가 만들어져 사용되었다.

그러나 종래의 진공관 소자는 금속으로 전극을 형성한 후 원통형의 유리관에 진공상태로 밀폐하는 구조를 하고 있으므로, 진공관 소자의 크기가 매우 크고, 크기가 큰 진공관 소자의 캐소드를 가열하기 위하여 사용되는 발열체도 동시에 큰 용량을 가져야만 했다.

즉, 소형화가 곤란하였기 때문에 진공관 소자에서 방출되는 방열량도 상대적으로 증가하여 열이 많이 나는 사용상의 문제점도 가지게 되었다.

따라서 반도체 집적회로 제조공정기술을 이용한 고체전자 소자들이 가볍고, 소형화에 유리하였다.

이와 같은 이유로 고체전자소자가 널리 사용되기 시작한 이후부터 종래의 진공관 소자는 급속히 용도가 감소하였다.

가장 간단한 구조의 전자관은 캐소드(cathode;음극)와 에노드(anode 또는 plate : 양극)의 두 개의 전극을 약 10^-7torr이하의 진공의 유리관 또는 금속관내에 넣은 이극 진공관이다.

그리고 이극진공관에 한 개의 전극(그리드 또는 게이트)을 캐소드와 에노드 사이에 설치한 삼극진공관, 차폐그리드를 설치한 사극진공관 등의 구조로 종래에 사용되었다.

이외에도 증폭율을 가변할 수 있도록 제조한 가변증폭관, 사극관이면서도 오극관과 같은 억제그리드 작용을 함으로서 부성저항 특성을 제거하는 진공관 소자인 빔출력관, 복합관, 그리고 다양한 구조와 특성을 가지는 초고주파관 등이 사용된 바 있다.

특히 빔출력관은 두 개 그리드의 그물눈 피치를 맞추는 방법으로 캐소드와 에노드 사이에서 캐소드로부터 그리드 1과 그리드 2를 구성하는 진공관 소자이다.

캐소드에서 방출된 전자가 그리드 1과 그리드 2의 정전계의 영향을 받아 빛의 집속작용처럼 그리드 2와 에노드 사이에 캐소드에서 방출된 전자의 집속현상이 나타난다.

이와 같은 현상에의해 집속된 전자의 밀도가 높기 때문에 이부근의 전위는 저전위로 나타나서 마치 오극관의 억제그리드의 작용과 같이 동작함으로서 에노드에서 다시 방출되는 2차전자를 억제할 수 있다.

빔출력관의 특징은 두 개의 그리드 피치가 일치하므로 그리드 2를 흐르는 전류가 작고 효율이 우수하며, 캐소드에서 방출된 전자의 대부분은 에노드에 도달하기 때문에 에노드 전압이 낮아도 에노드 전류는 그다지 크게 변화되지 않는다.

따라서 오극진공관과 빔출력관을 비교해 보면, 차폐그리드를 흐르는 전류는 오극진공관에서는 크지만 빔출력관에서는 작으므로 빔출력관의 효율이 좋다.

전류-전압 특성에 있어서도 빔출력관의 특성이 포화시간이 짧고, 일그러짐이 적으며, 반면에 출력은 크다. 그러나 구조에 있어서는 빔출력관보다 오극진공관이 간단하여 제조하기가 용이하지만, 빔관은 두 개의 그리드 그물눈 피치를 매우 정교하게 일치시켜야 하는 등의 복잡한 구조로 인해 제조하기가 어렵다.

캐소드전극은 열전자 방출체로서 직접가열하여 전류를 흘리는 직렬형 캐소드와 간접적으로 캐소드를 가열하는 방열형 캐소드로 구분된다.

열전자를 방출하는 필라멘트로서는 텅스텐과 같은 고융점 금속소재가 주로 사용된다. 상기의 필라멘트는 소재는 열전자 방출효율은 좋지 않지만 고온에서의 동작상태가 안정되고, 기계적으로 튼튼하기 때문에 송신관 또는 X-선관 등과 같은 고전압용으로 많이 사용되었다.

이외에도 열전자 방출효율을 크게 하기 위하여 토륨을 미량 텅스텐에 첨가하거나, 니켈에 바륨 등의 알칼리 토금속을 바른 산화물 피막 캐소드가 많이 사용되었다.

본 발명은 상기한 종래의 진공관 소자의 제반 결점 및 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 진공관 소자의 소형화, 집적화를 용이하게 하고, 사용온도 범위를 고체전자 소자보다 넓게 확장시킬 수 있으며, 빛과 방사선 등에 의한 노이즈 효과 및 소프트 에러를 크게 감소 시킬 수 있고, 또한 고체전자소자 보다 산란현상이 크게 감소하여 집적화에 의한 초고속 동작의 실행을 가능하게 하므로, 기가헤르츠 이상의 초고주파 대역에서 동작하게 되는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 핵심내용은 실리콘 기판위에 전기적으로 절연되는 구조로 캐소드전극과 에노드전극과 게이트전극을 형성하고, 상기 캐소드전극의 상하측에는 저항가열을 위한 발열체를 형성한 후, 상기 발열체 형성부위를 포함하는 일정영역의 절연막을 제거하는 것으로, 발열체와 캐소드, 에노드 및 게이트전극을 플로우팅 시켜 형성하고, 상기 발열체와 각부 전극들에 도선을 접속하고, 다층 금속선간 배선을 위한 개구부를 통하여 전기적 접촉시켜 줌으로써 평면 진공관 소자를 제조하는 것으로 특징 지울 수 있다.

제1도는 본 발명에 따른 상하 발열방식에 의한 캐소드 구조의 진공관 소자 평면도이다.

제2도는 본 발명에 따른 열전자 방출 방향의 반대면에서 방열체를 근접 구성하는 캐소드 구조의 진공관 소자의 평면도이다.

제3(a)도는 제1도의 a-a′선 단면도이다.

제3(b)도는 제1도의 b-b′선 단면도이다.

제3(c)도는 제1도의 c-c′선 단면도이다.

제4(a)도는 제2도의 a′-a′선 단면도이다.

제4(b)도는 제2도의 b-b′선 단면도이다.

제4(c)도는 제2도의 c-c′선 단면도이다.

제5도는 제1도의 진공관 소자의 등가도이다.

제6도는 제2도의 진공관 소자의 등가도이다.

제7(a)도는 제1도의 진공관 소자의 동작원리도이다.

제7(b)도는 제1도의 진공관 소자에 대해 이중 게이트 구조를 갖는 진공관 소자의 동작원리도이다.

제8(a)도는 제2도의 진공관 소자의 동작원리도이다.

제8(b)도는 제2도의 진공관 소자에 대해 이중 게이트 구조를 갖는 진공관 소자의 동작원리도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 18,33,56 : 실리콘 기판 2, 19,40,65,83,92 : 캐소드 전극

3, 20,85,94 : 에노드 전극 4, 21,84,93 : 게이트 전극

5, 7,22,23,82,91 : 발열체 6, 17 : 산화막 제거영역(진공영역)

8, 10,11,12,24∼27, 54,55,76∼80,87∼89 : 전극(도선)

13~16, 28~31,39,43,44,46,51~53,62,69,63,70,74,75 : 개구부

9, 32,50 : 캐소드립

34,38,45,57,61,68 : 산화막(절연막)

35,58 : 하부발열체 36,59 : 하부게이트전극

37,60 : 하부에노드전극 41,66 : 중앙게이트전극

42,67 : 중앙에노드전극 47,71 : 상부발열체

48,73 : 상부에노드전극 49,72 : 상부게이트전극

64 : 중앙발열체 81,90 : 전원공급원

86,95 : 밀폐영역 96,99 : 하부게이트전극

97,100 : 중앙게이트전극 98,101 : 상부게이트전극

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여, 본 발명을 설명한다.

제1도는 상하 방열방식에 의한 캐소드 구조의 진공관 소자 평면도로서, 실리콘 기판(10) 위에서 전기적으로 절연된 구조를 유지하도록 캐소드전극(2)과 에노드전극(3)과 게이트전극(4)을 형성하고, 상기 캐소드전극(2)의 상부와 하부에서만 저항 가열에 의한 국부적 열을 발생시켜, 상기 캐소드전극(2))을 가열하기 위해 도선의 단면적이 넓은 부분의 발열체(7)와 도선의 단면적이 상대적으로 작은 발열체(5)를 각각 구성하고, 일정 영역(6)에서의 절연막을 제거하는 방법으로 발열체 및 각부 전극들이 공간적으로 떠있는 구조를 형성하고, 각부분 전극들 및 발열체를 전기적으로 연결하기 위한 도선(8),(10),(11),(12)들, 그리고 다층 금속선간의 연결 및 도선과 전극들간의 전기적 접촉을 위한 개구부(13), (14), (15), (16)들을 포함하는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자를 나타내고 있다.

이러한 진공관 소자는 전계방출 진공관 소자와는 달리 발열체(5), (7)에 의한 캐소드전극(2)의 가열방법에 의한 임의의 온도로 가열된 캐소드전극(2)에서 열전자를 방출하고, 방출된 열전자는 에노드전극(2)으로 전달되는 진공관 소자를 나타낸 것이다.

이 때, 열전자가 가장 많이 방출되는 부분인 캐소드 팁(9)과 게이트전극(4)간의 평면거리는 상기 진공관 소자의 전달이득과 깊은 상관관계가 있으며, 평면거리가 줄어들수록 소자의 전달이득은 증가한다.

캐소드전극(2)을 가열하기 위한 발열체(5), (7)는 캐소드전극(2) 상부와 하부에 위치하도록 하고, 발열체(5), (7)을 구성하는 두 개의 전기적 접촉을 위한 접촉점(14)을 포함하는 두 개의 전극(12) 양단에 전류를 흘림으로서 캐소드전극(2) 상부와 하부에 위치한 발열체(5), (7)에서 열이 발생하도록 설계하고 있으며, 캐소드전극(2) 상부 및 하부에서만 도선저항에 의한 많은 열이 발생할 수 있도록 도선의 면적을 작게 하는 방법을 사용하고 있다.

그리고 열이 많이 발생하는 발열체(5), (7)에서 캐소드전극(2)으로 열이 많이 전달될 수 있도록 발열체(5), (7)와 캐소드전극(2)간의 수직거리를 전기적 절연이 유지되는 범위에서 짧게 유지시킬 것이 요구된다.

또한 캐소드전극(2)은 발열체(5), (7)에서 열을 조금만 전달받아 고온으로 빠른 시간내에 도달할 수 있도록 금속막의 두께를 작게 구성하여 서멀캐패시터(thermal capacity)를 작게 하며, 동시에 캐소드 팁(9)의 날카로운 정도를 크게하여 보다 낮은 캐소드전극(2)과 에노드전극(3)간의 전압에서도 많은 수의 열전자를 빠른 시간에 방출할 수 있는 잇점을 동시에 가질 수 있게 한다.

이를 위하여 캐소드전극을 형성하기 위한 금속막 배선형성 공정에서 금속막의 두께를 수백Å이하로 얇게 제조하는 것이 유리하다.

캐소드전극에서의 전자방출에 대한 관계식은 다음과 같다.

여기서,을 나타내고, T는 절대온도, q는 단위전하, ø_B는 일함수, E는 캐소드전극와 에노드전극간의 전계, ε₀는 진공중의 유전율, k는 볼쯔만 상수, m^*는 전자의 질량, h는 프랑크 상수를 나타낸다.

(1) 식에서 캐소드전극과 에노드전극 사이의 전계(E)에 의한 전계방출로 전자가 전류(J)에 기여하는 비율보다는 열전자 방출 방식에 의한 전자의 전류 기여도가 (1)식의 온도함수(T²)에 의해 더 크다는 것을 확인할 수 있다.

즉 동일한 전계조건에서 전계방출에 의한 진공관 소자 보다 열전자 방출에 의한 진공관 소자의 턴온 전압이 낮다는 것을 나타내고 있으며, 제1도의 구조로부터 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자를 용이하게 구성할 수 있다.

또한, 캐소드 팁(9)의 날카로운 정도를 크게 할수록 캐소드 팁(9)에서의 전계는 동일한 전압조건에서 더 커지게 되고, 따라서 식(1)에 의해 전자방출이 용이해지므로 낮은 턴온전압을 갖는 진공관 소자를 제조할 수 있으며, 캐소드전극(2)을 형성하기 위한 금속선 배선형성 공정에서 금속막의 두께를 수백Å이하로 얇게 제조하는 방법으로 턴온전압이 낮은 평면 진공관 소자를 제조할 수 있다.

반도체 집적회로 제조공정 중 다층 금속선 형성방법으로 제조된 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자는 소자의 각부 전극간 거리를 최소화함으로서 소비전력 및 소자의 동작속도를 극대화 할 수 있는 구조를 하고 있으며, 기존의 고체전자소자 제조에 있어서 다양한 반도체 층을 구성하기 위한 불순물 확산 등의 소자 제조공정을 피할 수 있다.

또 전자의 이동속도가 진공중을 비행함으로서 매우 빠르며, 격자진동, 불순물, 결함 등의 산란현상에 의한 효과가 매우 줄어들게 된다.

그리고 방사선 등에 의한 소프트 에러가 줄어들며, 소자의 동작온도가 상온보다는 매우 높은 영역에서 동작하므로 외부온도 효과 등에 의한 소자의 동작특성 변화가 매우 적고, 노이즈 발생원인도 크게 감소하게 된다.

이와 같은 상기 진공관 소자의 동작 특성 중 전자가 진공중을 비행하는 속도가 반도체 속을 비행하는 속도 보다 매우 빠르기 때문에 진공관 소자의 크기를 반도체 고체전자소자의 크기로 제조하는 경우 진공관 소자의 동작속도는 기존의 화합물 반도체를 이용하여 구현할 수 있는 동작속도 보다 매우 빠르게 되며, 진공관 소자의 동작주파수 영역을 GHz대 이상의 초고주파 영역으로 확대할 수 있다.

따라서 최근의 통신용 부품으로서 평면 진공관 소자를 이용하는 경우 MODFET(modulation doped field effect transistor)나 전계효과 트랜지스터 등의 고체전자소자를 대체할 수 있다.

진공관 소자는 전계효과 트랜지스터와 같이 높은 입력임피던스를 가지는 소자로서 MMIC(monolithic microwave integrated circuit)의 증폭단 등에 유용하게 사용될 수 있다.

또한 진공관 소자의 동작원리는 반도체를 이용한 고체전자소자보다 매우 간단하기 때문에 고체전자소자를 대체하여 사용하는 것이 용이하며, 집적회로 제조과정에서도 매우 쉽게 이해되고 사용될 수 있다.

제2도는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자에 대한 또 다른 실시예의 구조를 보이고 있다. 여기에서는 열전자 방출 방향과의 반대면에서 발열체를 근접되게 구성하는 캐소드 구조의 진공관 소자의 평면도를 보이고 있는데, 앞에서 설명한 제1도의 구조에서와 동일한 효과를 유지하면서 캐소드 가열방법은 상기의 제1도와 다르게 구성하고 있다.

실리콘 기판(18)에서 전기적으로 절연된 구조를 유지하며서 캐소드전극(19)과 에노드전극(20)과 게이트전극(21)을 형성한다. 그리고 캐소드전극(19)을 중심으로 에노드전극(20)과 반대방향에서 저항가열에 의한 국부적 열이 발생하여 캐소드전극(19)을 가열시키도록 도선의 단면적이 넓은 부분의 발열체(22)와 도선의 단면적이 상대적으로 작은 발열체(23)를 각각 구성하되, 상기 발열체(23)를 캐소드전극(19)에 근접하게 위치시킨다. 이후 일정 영역(17)에서의 절연막을 제거하여 상기 발열체(22),(23) 및 각부 전극들이 공간적으로 떠있는 구조를 형성하고, 각 부분 전극들 및 발열체를 전기적으로 연결하기 위한 도선(24),(25),(26),(27)들, 그리고 다층 금속선간의 연결 및 도선과 전극들간의 전기적 접촉을 위한 개부부(28),(29),(30),(31)들로 구성하여 진공관 소자로 동작할 수 있도록 한 또 다른 평면 진공관 소자를 나타내는 것이다.

이러한 구조의 진공관 소자는 전계방출 진공관 소자와는 달리 발열체(22),(23)에 의한 캐소드전극(19) 가열방법에 의해 임의의 온도로 가열된 캐소드전극(19)에서 열전자를 방출하고 방출된 열전자는 에노드전극(20)으로 전달되게 된다.

이 때 열전자가 가장 많이 방출되는 부분인 캐소드 팁(32)과 게이트전극(21)간의 평면거리는 상기 진공관 소자의 전달이득과 깊은 상관관계가 있으며, 평면거리가 줄어들수록 소자의 전달이득은 증가한다.

동시에 캐소드전극(19)을 가열하기 위한 발열체(22),(23)을 캐소드전극(19)을 중심으로 게이트전극(21)과 반대방향에 위치시킴으로서 전자(22),(23)와 게이트전극(21)간의 평면거리를 발열체(22),(23)와 캐소드전극(19)간의 평면거리보다 길게 할 수 있어 게이트전극(21)이 발열체(22),(23)에 의해 가열되는 것을 억제한다.

발열체(22),(23)는 반도체 집적회로 제조공정 중 다층 금속선 형성방법을 통해 여러 층의 금속선을 공중에 떠있는 구조로 배치시키고, 각층의 금속선은 그의 너비가 넓은 금속선 부분(22)으로부터 캐소드전극에 가까워질수록 그 너비를 점차 줄여서, 금속도선을 흐르는 전류의 단면적 감소효과를 이용하여 도선의 단면적이 좁은 부분(23)에 전류가 흐를 때 저항가열이 이루어지게 함으로써 국부적인 열이 많이 발생할 수 있게 한다.

또, 각 층간의 발열체(22),(23)를 전기적으로 연결하기 위해 개구부(28)를 통하여 전기적 접촉을 실시한다.

캐소드전극(19)의 모양은 발열체(22),(23)로부터 열을 전달받아 쉽게 전자를 방출할 수 있도록 개구부(29)에서의 캐소드전극(19) 폭으로부터 캐소드 팁(32)에 가까워질수록 점점 너비를 작게하고, 동시에 금속막의 두께를 작게 구성함으로써 서멀캐패시티를 작게 하여, 가열된 캐소드전극(19)에서 열전자 방출이 용이하도록 캐소드 팁(32)을 톱니모양으로 형성한다.

이를 위하여 캐소드전극(19)을 형성하기 위한 금속막 배선형성 공정에서는 금속막의 두께를 수백 Å이하로 얇게 제조하는 것이 유리하다.

반도체 집적회로 제조공정 중 다층 금속선 형성기법을 통하여 제조된 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자는 소자의 각부 전극간 거리를 최소화시킴으로서 소비전력 및 소자의 동작속도를 극대화할 수 있는 구조를 하고 있다.

제3(a)도는 제1도의 a-a′선 단면구조도이고, 제3(b)도는 제1도의 b-b′선 단면구조도이며, 제3(c)도는, 제1도의 c-c′선 단면구조도이다.

제3(a)도, 제3(b)도, 제3(c)도에서는 도선과 기판 또는 도선과 도선 사이의 전기적 절연을 위하여 각층의 금속선 사이에서 산화막(34),(38),(45)을 형성한다.

따라서, 실시예에서 사용한 실리콘 기판(33)을 대체하기 위해 절연기판을 사용하여 상기의 진공관 소자를 제조할 수도 있다.

반도체 집적회로 제조공정의 다층 금속선 형성공정에서는 실시예에 따라 3층으로 구성한다.

그리고 두 번째 금속선 형성공정, 즉 3층의 금속선 중 가운데 위치한 금속선 형성공정에서 캐소드전극(40)을 구비하고, 캐소드(40)과 외부와의 전기적 접촉을 위하여 개구부(43)을 개구한 후 금속선으로 도선(46)을 형성하며, 금속선의 두께를 매우 얇게 형성하여 캐소드팁(50)의 날카로운 정도를 향상시킬 수 있다.

캐소드 전극(40)의 상부와 하부에 캐소드를 가열하기 위한 상부발열체(47)와 하부발열체(35)를 구성하고 상부와 하부의 발열체를 전기적으로 접촉시키기 위해 개구부(53)을 개구한 후, 금속선 형성공정을 실시한다.

게이트전극(36),(41),(49)은 각각의 금속선 형성공정마다 하부게이트전극(36) 가운데게이트전극(41) 및 상부게이트전극(49)을 형성하여 3층구조로 형성하고, 각각의 게이트전극(36),(41),(49) 사이의 수직거리를 동일하게 유지하며, 각각의 게이트전극(36),(41),(49)들을 전기적으로 접촉하기 위하여 개구부(51),(52)를 개구한 후, 금속선 형성공정을 실시한다.

에노드전극(37),(42),(48)은 각각의 금속선 형성공정에서 하부 에노드전극(37) 중앙에노드전극(42) 및 상부에노드전극(48)을 각각 형성하고, 이 때 각각의 에노드전극(37),(42),(48)들이 전기적으로 접촉되도록 개구부(39),(44)를 개구한 후, 금속선 형성공정을 실시한다.

그리고 마지막 금속선 형성공정인 3번째 금속선 형성공정에서 진공관 소자와 외부의 전기적 신호를 연결할 목적으로 제조하는 도선(54),(55)들을 형성한다.

제4(a)도는 제2도의 a-a′선 단면구조도이고, 제4(b)도는 제2도의 b-b′선 단면구조도이며, 제4(c)도는 제2도의 c-c′선 단면구조도이다. 도4(a),(b),(c)에서 도선과 기판 또는 도선과 도선사이의 전기적 절연을 위하여 각층의 금속선 사이에서 산화막(57),(61),(68)을 사용한다.

따라서 실시예에서 사용한 실리콘 기판(56)을 대체하기 위해 절연기판을 사용하여 상기의 진공관 소자를 제조할 수 있다.

반도체 집적회로 제조공정의 다층 금속선 형성공정에서는 실시예에 따라 3층으로 구성한다.

그리고 두 번째 금속선 형성공정 즉, 3층의 금속선 중 가운데 위치한 금속선 형성공정에서 캐소드전극(65)을 구비하고, 금속선의 두께를 매우 얇게 형성하는 방법으로 캐소드전극(65)에서의 전자방출 효율을 향상시킬 수 있다.

캐소드전극(65)과 근접한 위치에 캐소드전극(65)을 가열하기 위한 상부발열체(71)와 중앙발열체(64) 그리고 하부발열체(58)를 구성하고 각각의 발열체(58),(64),(71)들을 전기적으로 접촉시키기 위해 개구부(62),(69)를 개구한 후, 금속선 형성공정을 실시한다.

게이트전극(59),(66),(72)은 각각의 금속선 형성공정마다 하부게이트전극(59), 중앙게이트전극(66) 및 상부게이트전극(72)을 형성하여 3층 구조로 형성하고, 각각의 게이트전극(59),(66),(72) 사이의 수직거리를 동일하게 유지하며, 각각의 게이트전극(59),(66),(72)들을 전기적으로 접촉하기 위하여 개구부(74),(75)를 개구한 후 금속선 형성공정을 실시한다.

에노드전극(60),(67),(73)은 각각의 금속선 형성공정에서 하부에노드(60), 중앙에노드전극(67) 및 상부에노드전극(73)을 각각 형성하고, 이 때 각각의 에노드전극(60),(67),(73)들이 전기적으로 접촉되도록 개구부(60),(70)를 개구한 후, 금속선 형성공정을 실시한다.

그리고 마지막 금속선 형성공정인 3번째 금속선 형성공정에서 진공관 소자와 외부와 전기적 신호를 연결하기 위해 도선(76),(77)들을 형성한다.

제5도는 제1도의 진공관 소자의 등가 모형도이다.

이는 진공으로 밀폐된 공간(86)에서 캐소드전극(83)을 전기적으로 연결하기 위한 도선(78)과 캐소드전극(83)을 가열하기 위한 발열체(82)를 구비하고, 전원공급원(81)에서 발열체에 전력을 공급하는 구조와 게이트전극(84)를 전기적으로 연결하기 위한 도선(79)과 에노드전극(85)을 전기적으로 연결하기 위한 도선(80)을 구비하는 구조를 가진다.

또한, 전자를 방출하는 것이 용이하고 발열체로부터 전달받은 열에 의해 빠른 시간에 고온에 도달할 수 있도록 하는 가는선 구조의 캐소드전극(83)을 구비하고 있다.

발열체로부터 캐소드전극(83)으로 쉽게 열이 전달되게 하기 위해 캐소드전극(83) 주위에서 국부적인 열이 많이 발생할 수 있도록 가는 선으로 구비된 발열체(82)와, 캐소드전극(83)에서 방출되는 전자의 방출효율을 제어하는 효과를 가진 게이트전극(84)와, 캐소드전극(83)에서 진공영역으로 방출되어 공간전하를 형성하거나 진공중을 비행중인 전자를 받아들이는 에노드전극(85)을 구비하고 있다.

상기 게이트전극(84)과 캐소드전극(83)간의 동작전압에 따라 캐소드전극(83)에서의 전자방출효율을 제어함으로서 증폭효과를 얻을 수 있으며, 종래의 진공관 소자와 유사한 동작특성을 얻을 수 있게 된다.

제6도는 제2도의 진공관 소자의 등가 모형도이다. 여기에서는 진공으로 밀폐된 공간(95)에서 캐소드전극(92)을 전기적으로 연결하기 위한 도선(87)과 캐소드전극(92)을 가열하기 위한 발열체(91)를 구비하고, 전원공급원(90)에서 발열체에 전력을 공급하는 구조와 게이트전극(93)을 전기적으로 연결하기 위한 도선(88)과 에노드전극(94)를 전기적으로 연결하기 위한 도선(89)을 구비하는 구조를 가진다.

또한, 전자를 방출하는 것이 용이하고, 발열체(91)로부터 전달받은 열에 의해 빠른 시간에 고온에 도달할 수 있도록 하는 가는선 구조인 캐소드전극(92)을 구비하고 있으며, 발열체(91)로부터 캐소드전극(92)으로 쉽게 열이 전달될 수 있도록 캐소드전극(92) 주위에서 국부적인 열이 많이 발생되는 가는 선으로 구비된 발열체(91)와, 캐소드전극(92)에서 방출되는 전자의 방출 효율을 제어하는 게이트전극(93)와, 캐소드전극(92)에서 진공영역으로 방출되어 공간전하를 형성하거나 진공중을 비행중인 전자를 받아들이는 에노드전극(94)을 구비하고 있다.

상기, 게이트전극(93)과 캐소드전극(92)간의 동작전압에 따라 캐소드전극(92)에서의 전자방출효율을 제어함으로서 증폭효과를 얻을 수 있으며, 종래의 진공관 소자의 유사한 동작특성을 나타내게 된다.

제7(a)도는 제1도의 진공관 소자의 동작원리이고, 제7(b)도는 제1도의 진공관 소자에 대하여 이중 게이트 구조를 하는 진공관 소자의 동작원리도이다.

제3(a)도의 동일한 구조인 제7(a)도에서는 캐소드전극(40)에 대하여 양(+)의 전압을 게이트전극(36),(41),(49)에 걸면 캐소드전극(40)으로부터 많은 수의 전자가 방출되고, 캐소드전극(40)에 대한 게이트전극(36),(41),(49)의 양(+)의 전압 크기보다 큰 크기인 양(+)의 전압을 에노드전극(37),(42),(48)에 인가함으로서 캐소드전극(40)에서 방출된 전자들이 대부분 게이트전극(36),(41),(49)을 통과하여 에노드전극(37),(42),(48)으로 하게 비행하게 된다.

제7(b)도는 게이트전극1(36),(41),(49)과 게이트전극 2(차폐게이트전극)(96),(97),(98)를 갖는 이중 게이트전극을 구비함과 동시에 반도체 집적회로 제조공정의 금속선 형성공정을 통하여 두 개의 게이트전극을 동시에 제조하는 방법으로 그물 눈을 일치시킴으로서 캐소드전극(40)에서 방출된 전자가 에노드전극(36),(41),(49)으로 비행하면서 전자가 접속되는 효과를 동시에 얻을 수 있도록 한다.

상기의 제7(b)도에서 나타낸 진공관 소자의 동작특성은 두 개의 그리드의 그물눈 피치를 맞추는 방법으로 캐소드와 에노드 사이에서 캐소드로부터 그리드 1과 그리드 2를 구성하는 진공관 소자인 빔출력관과 유사한 평면 진공관 소자로서 특성을 가진다.

따라서 캐소드전극(40)에서 방출된 전자가 게이트전극1(36),(41),(49)과 게이트전극2(96),(97),(98)의 정전계의 영향을 받아 빛의 집속작용처럼 게이트전극2(96),(97),(98)와 에노드전극(37),(42),(48) 사이에서 전자의 집속현상이 나타난다.

이와 같은 현상에 의해 집속된 전자의 밀도는 높으므로 이 부근의 전위는 저전위로 나타나서 마치 오극관의 억제그리드의 작용과 같이 에노드에서 방출된 2차 전자를 억제할 수 있다.

즉, 이중 게이트 구조의 진공관 소자는 두 개의 게이트전극 피치가 일치하므로 게이트전극2(96),(97),(98)를 흐르는 전류의 크기가 작고, 동작효율이 우수하며, 캐소드전극(40)에서 방출된 전자의 대부분은 에노드전극(37),(42),(48) 에 도달하기 때문에 에노드 전압이 낮아도 에노드 전류는 그다지 크게 변화되지 않는다.

그러므로 이중게이트 구조의 진공관 소자는 차폐게이트전극(게이트전극2)를 흐르는 전류가 작고, 효율이 좋으며, 전류-전압 특성에 있어서도 포화시간이 짧고, 일그러짐이 적으며, 반면에 출력은 크고, 두 개의 게이트전극 그물눈을 일치시키는 것이 매우 용이하기 때문에 제조방법도 쉬운 장점이 있다.

제8(a)도는 제2도의 진공관 소자의 동작원리도이고, 제8(b)도는 제2도의 진공관 소자에 대하여 이중 게이트 구조를 하는 진공관 소자의 동작원리도이다.

제4(a)도와 동일한 구조인 제8(a)도에서 캐소드전극(65)에 대하여 양(+)의 전압을 게이트전극(59),(66),(72)에 걸면, 캐소드전극(65)으로부터 많은 수의 전자가 방출되고, 캐소드전극(65)에 대한 게이트전극(59),(66),(72)의 양(+)의 전압 크기보다 큰 크기의 양(+)의 전압을 에노드전극(60),(67),(73)에 인가하면, 캐소드전극(65)에서 방출된 전자들이 대부분 게이트전극(59),(66),(72)을 통과하여 에노드전극(60),(67),(73)으로 비행한다.

제8(b)도는 게이트전극1(59),(66),(72)과 게이트전극2(차폐게이트전극)(99),(100),(101)를 갖는 이중게이트 전극을 구비함과 동시에, 반도체 집적회로 제조공정의 금속선 형성공정을 통하여 두 개의 게이트전극을 동시에 제조하는 기법을 통하여 그물 눈을 일치시킴으로서, 캐소드전극(65)에서 방출된 전자가 에노드전극(60),(67),(73)으로 비행하면서 전자가 집속되는 효과를 동시에 얻을 수 있다.

상기의 제8(b)도에서 나타낸 진공관 소자의 동작특성은 두 개 그리드의 그물눈 피치를 맞추는 방법으로 캐소드와 에노드 사이에서 캐소드로부터 그리드 1과 그리드 2를 구성하는 진공관 소자인 빔출력관과 유사한 평면 진공관 소자로서의 특성을 가진다.

따라서 캐소드전극(65)에서 방출된 전자가 게이트전극1(59),(66),(72)과 게이트전극2(99),(100),(101)의 정전계의 영향을 받아 빛의 집속작용처럼 게이트전극2(99),(100),(101)와 에노드전극(60),(67),(73) 사이에서 전자의 집속현상이 나타난다.

이와 같은 현상에 의해 집속된 전자의 밀도는 높으므로 이 부근의 전위는 저전위로 나타나서 마치 오극관의 억제그리드의 작용과 같이 에노드에서 방출된 2차 전자를 억제할 수 있다.

즉, 이중 게이트 구조의 진공관 소자는 두 개의 게이트전극 피치가 일치하므로 게이트전극2((99),(100),(101)를 흐르는 전류의 크기가 작고, 동작효율이 우수하며, 캐소드전극(65)에서 방출된 전자의 대부분은 에노드전극(60),(67),(73)에 도달하기 때문에 에노드 전압이 낮아도 에노드 전류는 그다지 크게 변화되지 않는다.

이상에서 설명한 바와 같이 같은 본 발명의 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자에 의하면, 동일한 전계조건 하에서 캐소드전극에서 방출되는 열전자에 의해 진공관 소자의 턴온전압을 전계방출에 의한 진공관 소자의 턴온 전압보다 작게 할 수 있고, 캐소드전극 금속막의 두께를 수백 Å이하로 형성하는 금속막 배선형성 공정에 의해 진공관 소자의 동작효율을 증가시킬 수 있으며, 반도체 집적회로 제조공정을 통하여 평면구조로 진공관 소자를 제조하여 진공관 소자의 크기를 작게 할 수 있어 진공관 소자의 소비전력 절감효과와 동작속도의 개선효과 외에 제조가 간단해지는 효과가 나타나게 된다.

특히, 본 발명 소자는 고체전자소자보다 넓은 동작온도 범위를 가지며, 소프트에러에 강하고, 동작속도가 빠르기 때문에 초고주파용 소자로 응용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 반도체 기판 위에서 전기적으로 절연된 상태의 금속선들에 의해 진공관 소자가 동작함으로 실리콘기판 이외의 절연기판상에서도 용이하게 제조할 수 있는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자 그리고 이중게이트전극의 게이트 피치가 일치하는 구조를 하는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자에 의해 에노드 전극에서 방출되는 2차 전자를 억제하여 오극관의 억제그리드처럼 동작함으로서 차폐게이트전극을 흐르는 전류가 작고, 전류-전압 포화시간이 짧으며, 일그러짐이 적고, 출력은 오극진공관 보다 크며, 반도체 집적회로 제조공정기술에 의해 두 개의 게이트전극 그물눈을 일치시키는 제조방법이 쉬운 장점이 있다.

Claims (5)

1. 실리콘 기판(1)위에 전기적으로 절연되는 구조로 캐소드전극(2)과 에노드전극(3)과 게이트전극(4)을 형성하고, 상기 캐소드전극(2)의 상하측에는 저항가열을 위한 발열체(7),(5)를 형성한 후, 상기 발열체 형성 부위를 포함하는 일정영역(6)의 절연막을 제거하는 것으로, 발열체와 캐소드, 에노드, 및 게이트전극을 플로우팅시켜 형성하고, 상기 발열체와 각부 전극들에 도선(8),(10),(11),(12)을 접속하고, 다층 금속선간 배선을 위한 개구부(13),(14),(15),(16)를 통하여 전기적으로 접속시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 발열체를 전자폭주에 의한 저항가열을 위해 단면적이 넓은 부분(7)과 상대적으로 좁은 부분(5)으로 구성하는 것을 특징으로 하는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자.
3. 제1항에 있어서, 게이트전극1(36),(41),(49)과 게이트전극(96),(97),(98)를 갖는 이중게이트 전극을 구비하고, 반도체 집적회로 제조공정의 금속선 형성공정을 통하여 두 개의 게이트 전극을 동시에 제조하여, 그들의 그물 눈을 일치시킴으로서 캐소드전극(40)에서 방출된 전자가 에노드전극(36),(41),(49)으로 비행하면서 전자가 집속되게 한 것을 특징으로 하는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자.
4. 실리콘 기판(18) 위에서 전기적으로 절연된 구조의 캐소드전극(19), 에노드전극(20) 및 게이트전극(21)과, 상기 캐소드전극(19)를 중심으로 에노드전극(20)과 반대방향에서 저항가열에 의한 국부적 열을 발생시켜 캐소드전극(19)을 가열하기 위해 도선의 단면적이 넓은 부분의 발열체(22)와 도선의 단면적이 상대적으로 작은 발열체(23)를 각각 구비하고, 발열체(23)를 캐소드전극(19)에 근접하게 위치시켜 일정영역(17)에서의 절연막을 제거하여, 발열체(22),(23) 및 각부 전극들이 공간적으로 떠있는 구조를 형성하고, 각 부분 전극들 및 발열체를 전기적으로 연결하기 위한 도선(24),(25),(26),(27)과 다층 금속선간의 연결 및 도선과 전극간들간의 전기적 접촉을 위해 개구부(28),(29),(30),(31)를 형성하여 제조되는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자.
5. 제4항에 있어서, 상기 게이트전극은 게이트전극1(59),(66),(72)과 게이트전극2(99),(100),(101)를 갖는 이중 게이트 전극을 구비하고, 반도체 집적회로 제조 공정의 금속선 형성공정을 통하여 두 개의 게이트 전극을 동시에 제조하여 그물 눈을 일치시킴으로서 캐소드전극(65)에서 방출된 전자가 에노드전극(60),(67),(73)으로 비행하면서 전자가 집속되게 한 것을 특징으로 하는 열전자 방출 구조의 평면 진공관 소자.