KR19980701219A - 단결정 윈도우 및 매칭 양극을 갖는 전자빔 장치(electron beam device with single crystal window andmatching anode) - Google Patents

단결정 윈도우 및 매칭 양극을 갖는 전자빔 장치(electron beam device with single crystal window andmatching anode) Download PDF

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Abstract

본 발명은 박형의 전자 침투성, 가스 불침투성, 전자 전송용 단결정막(20)을 갖는 진공튜브 전자빔 장치(15) 및 이러한 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다. 단결정막은 높은 강도로 인해 두께가 얇아지고, 얇은 두께로 인해 자유 전자의 전송율이 높아질 수 있다. 규칙적인 결정체 구조의 이러한 막은 전자 빔에 대한 장해를 최소화하지만, 가스 및 액체 분자에 대해서는 침투하기 어렵게 만든다. 단결정은 정확한 치수로 막을 이방성 에칭하고, 사용시에는 막을 통과하는 냉각 유체를 흘려보내는 마이크로채널 구조를 형성하도록 에칭된다. 도핑된 실리콘 양극(19)은 매칭 열 팽창 특성을 막에 제공할 수 있어서, 결정체 양극은 막과 일체가 될 수 있다. 이중막의 실시예에서는 냉각 유체를 한정하여 두개의 막 가까이로 냉각 유체를 통과시킨다. 이중막 구조체(도 7a, 7b)는 진공튜브내 압력과 진공튜브 주위 압력, 즉 막(20)과 막(65)간의 압력을 가질 수도 있다. 막은 증가된 강도로 인해 압착될 수도 있다. 다수의 냉각 방법이 막의 보전을 유지하는데 사용된다.

Description

단결정 윈도우 및 매칭 양극을 갖는 전자빔 장치
저압력 환경 하에서 자유 전자의 생성 및 가속이 이루어지도록 하는, 전자빔을 생성하는 진공 튜브가 공지되어 왔다. 예컨대, 텔레비젼 화상 튜브는 전자를 형광 스크린 상의 포인트로 가속시켜 가시광을 조사한다.
튜브의 저압력 환경을 최대한 이용하도록 전자빔을 진공 튜브에서 생성시키기 위해, 윈도우는 전자가 출사하는 경우 주위 압력에 의해 가스가 진입하는 것을 방지하도록 개발되어 왔다. 이러한 윈도우를 통과하는 전자빔은 윈도우를 손상시키는 열을 발생시킬 수 있기 때문에, 윈도우를 냉각시키는 수단이 또한 개발되어 왔다.
Swanson에 의한 미국 특허 제 3,486,060 호에는 엷은 냉각 가스가 금속 윈도우를 통과하도록 방향이 설정된 다수의 각진 개구를 사용하는 방법이 개시되어 있다. McCann 등에 의한 미국 특허 제 3,562,793 호에서는 주위로 가스가 통과하도록 하여 충전된 입자로 금속 윈도우를 외부적으로 냉각시킨다.
Enge에 의한 미국 특허 제 3,629,576 호는 가속기 튜브에서 사용하기 위한 포커싱 전극을 개시하고 있는데, 이 전극은 통상 충전된 입자가 통과하는 중심 개구 및 이 개구를 둘러싼 톱니형의 대칭적 변화를 갖는 플레이트와 같은 형상을 갖는다.
Daugherty에 의한 미국 특허 제 3,702,973 호에는 필라멘트로부터의 방사에 의해 발생된 전자는 양전위의 플레이트로 가속되고, 이 플레이트는 전자가 통과할 수 있는 다수의 홀을 가지며, 이 홀은 전자가 통과하여 산소와 같은 가스에 닿는 금속 격막(diaphragm)으로 덮여 있는 레이저 또는 오존 발생기가 개시되어 있다. Douglas-Hamilon에 의한 미국 특허 제 3,883,413 호는 펄스형 전자빔을 갖는 장치를 사용하여 전기장을 감쇠시키는 방법을 개시하고 있다. Orr, Jr 등에 의한 미국 특허 제 4,095,115호는 금속 윈도우 및 고속의 산소 가스 등을 이용하여 오존을 발생시키는 공동(hollow)의 음극 플라스마 방전 장치를 개시하고 있다.
Loda 등에 의한 미국 특허 제 4,409,511호는 충전 입자 가속기용 위상 전이 냉각 시스템을 개시하고 있으며, 이 냉각 시스템은 금속 또는 플라스틱으로 만들어진 충전 입자 윈도우에 증발 가능한 액체를 직접 분사하는 방식이다. Neukermans에 의한 미국 특허 제 4,468,282호는 잉크젯 프린터에 사용하는 비결정질 박막 윈도우의 제조 방법을 설명하고 있다.
lesesky에 의한 미국 특허 제 4,764,947호에는 금속 양극에 전자가 충돌함으로써 x-선이 발생되는 음극 포커싱 장치가 개시되어 있다. Franzel 등에 의한 미국 특허 제 4,825,123호는 음극 또는 필라멘트에 대한 손상을 최소화하기 위해 음극컵(cathod cup)을 2개 부분으로 만든 x-선관 제조 방법을 개시하고 있다.
Kelly에 의한 미국 특허 제 5,093,602호는 액체를 용이하게 분사하도록 비결정질 붕소 질화물로 형성된 전자 투과성 막을 직접 관통하는 전자빔을 사용할 수 있는 증기 유동 물질을 분사하는 장치를 설명하고 있다. Itoh 등에 의한 미국 특허 제 5,210,426호는 Ti-Al 조성물로 형성된 전자 투과성 윈도우를 구비한 전자빔 장치를 소개하고 있다. 끝으로, Jacob 등에 의한 미국 특허 제 5,235,239호는 입자 가속기용의 갖가지 박형(foil) 윈도우 구조물을 소개하고 있다.
저전압 전자빔을 사용한 다수의 응용이 이러한 분야에서 계속적인 개선을 위한 요구를 충족하기 위해 필요하다.
본 발명은 개선된 윈도우 및 양극을 갖는 전자빔 튜브에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 전자빔 장치의 절단 측면도.
도 2는 도 1을 통상적으로 회전시켜 본 도1의 장치의 상부의 절단 측면도.
도 3a는 본 발명의 실리콘 양극의 평면도.
도 3b는 마이크로채널 냉각 슬롯을 구비한 기판 위에 있는 도 3a의 양극의 평면도.
도 4는 오목부를 분리하는 리지로 이루어진 막을 갖는 도 1의 장치의 평면도.
도 5는 양극, 막 및 막을 위한 갈빗대 모양의 지지대로 형성된 전자빔 장치의 전방단의 확대 투시도.
도 6a 내지 6c는 도 3b의 단결정막 및 마이크로채널의 형성 단계를 예시하는 도면.
도 7a는 1 쌍의 단결정막의 횡단면도.
도 7b는 도 7a의 막에 인접한 마이크로채널의 횡단면도.
도 8은 포커싱 소자 및 소개(evacuation) 전에 외측으로 굽은 단결정막을 구비한 전자빔 장치의 측면도.
본 발명은 전자 빔 장치에 전자 투과성, 가스 비투과성 윈도우용 단결정막과 매칭 결정질 양극을 사용하고 있다. 이러한 결정질 막에서 필요한 냉각 기술은 종래 기술에서의 전형적인 금속 박형 막의 냉각 방법과 다르기 때문에, 신규한 냉각 장치가 또한 개시되었다.
단결정막은 규칙적인 결정 격자를 갖기 때문에, 다결정질 또는 비결정질 물질로 만들어진 종래의 윈도우보다 전자가 막을 침투하는 것이 용이하며, 저전압을 인가시켜 낮은 에너지의 전자를 발생시키는 동시에, 가스 또는 액체 분자가 막으로침투하는 것을 방지한다. 또한, 단결정은 우수한 강도를 갖기 때문에, 이러한 물질로 형성된 막을 박형화하는 것이 가능하고, 전자의 투과성도 향상시킬 수 있다. 이 단결정은 또한 비교적 낮은 원자 번호를 갖는 원소로 형성될 수 있어서, 막을 통과하는 전자가 흩어지는 것을 감소시킬 수 있다. 빔 발생 장치의 전자 윈도우에 단결정막을 사용함으로써 다른 타입의 윈도우에서는 발견되지 않는 일단의 특성을 갖게 된다.
전자빔 장치에 결정질 양극을 사용하면 다수의 장점을 갖게된다. 상기와 같이, 단결정은 우수한 강도를 가지며, 실리콘 등의 단결정은 유리에 양극성 접합이 가능하므로, 결정질 양극은 편리하고 강한 유리 진공튜브의 전방단을 형성시킬 수 있다. 이러한 양극을 만드는데 반도체 처리 기술을 사용할 수 있어서, 일실시예에서는 단결정 윈도우가 양극의 에칭된 부분에 간단히 형성될 수 있었다. 하지만, 윈도우가 양극로부터 분리되어 형성되는 경우에는, 양극과 윈도우의 물질은 열 팽창 계수가 매칭되도록 선택될 수 있다.
또한 본 발명은 단결정막과 양극을 구비한 전자빔 발생 장치의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에서, 원하는 치수의 윈도우를 형성하기 위해 실리콘 웨이퍼 등의 단결정 기판을 선택적으로 에칭하는데 단결정막이 적합하다. 다른 실시예에서, 단결정막은 단결정 형성을 촉진하는 매칭 격자 상수를 갖는 결정질 기판상에 형성되고, 윈도우를 차단하는 기판 부분이 에칭 제거된다. 이러한 실시예들에서 형성된 기판은 진공튜브 장치의 나머지 부분에 막을 부착하기 위한 수단으로서 작용할 수 있고, 양극로서 작용할 수도 있다. 또, 막을 둘러싸고 있는 기판은 막의 외표면을 통과하여 냉각 유체를 분출시키기는 채널을 형성하도록 에칭될 수 있다. 매우 낮은 에너지의 전자빔을 발생시키는 유사한 채널이 초박형 윈도우의 배열을 생성하여 동일 물질의 지지 돌출부에 의해 분리된 막을 지나 연장될 수 있다. 그러므로, 예컨대, 단일 실리콘 웨이퍼는 진공튜브에 일체형의 전방단, 양극, 윈도우, 냉각 및 지지 구조물을 제공하도록 만들어질 수 있다.
각종의 기술을 이용하여 막을 냉각할 수 있다. 열 교환 유체는 막으로부터 열을 빼앗기 위해 막의 외표면을 통과하여 각종의 패턴으로 흐를 수 있다. 이러한 유체를 사용할 때 막과 공통의 온도와 압력에서의 끓는점을 갖도록 선택될 수 있어서, 유체를 증발시켜 열이 막으로부터 흡수될 수 있다. 제 2 전자 투과성 막은 막의 유체의 흐름을 한정하도록 인접 영역 가까이에 위치되어 2개의 막을 모두 냉각시킨다. 마이크로채널 배열은 막으로부터 열을 급속히 빼앗기 위해 외표면 전체에 냉각 유체를 직접 분사하도록 막의 외표면의 근처에 형성될 수 있다. 막의 비교적 얇은 두께와 높은 열 전도성은 외표면을 냉각시켜 막 전체를 신속하게 냉각시킨다.
전자 투과 윈도우 등의 빔 발생 장치에 의해 발생될 수 있는 낮은 에너지의 전자는 다수의 유용한 용도를 갖는다. 중합체의 교차 결합 또는 분해는 대다수의 낮은 에너지 전자를 갖는 빔에 의해 바람직하게 행해질 수 있다. 특정 이미지 용도 또한 낮은 에너지의 전자를 가지고서 적절하게 행해질 수 있다. 본 발명의 장치를 사용하여 액체를 원자화시키는 것과 같이, 오존 등의 휘발성 가스를 발생시킬 수 있다.
도 1에 있어서, 전자빔 장치(15)는 각종의 모양을 갖을 수 있는 진공튜브 벽(18)을 구비하고, 그 중심에는 박형의 전자 투과성, 가스 비투과성 단결정막(20)을 갖는 기판(19)으로 덮여있다. 튜브벽(18)내의 중심에는 막(20)을 향하고 있는 음극(25)의 개구를 제외하고, 음극(25)으로 둘러싸인 연장된 열이온 필라멘트(22)가 있다. 필라멘트(22) 및 음극(25)은 그라운드 전위에 가까운 윈도우의 전위에 비해 -10 내지 -200 킬로볼트(kV)의 높은 음전위에서 유지된다. n-형 실리콘 웨이퍼로 만들어질 수 있는 기판(19)은 필라멘트(22)로부터 전자를 끌어당기는 양극로서 작용할 수 있다.
다수의 튜브 핀(28)이 장치(15)의 후방단(30)을 관통하여 기계적으로 지지하고 필라멘트(22)와 음극(25)을 전기적으로 연결하는 동시에, 장치(15)내에 가스 밀폐 챔버(tight-chamber)를 형성한다. 필라멘트 핀(32)과 제 2 히든 핀은 열이온 방사로써 전자를 발생시키기 위해 전기 절연성 블록(38)내에서 필라멘트(22)와 연결된 금속-유리 시일(metal-to-glass seal) 또는 피드-스루 캐리(feed-through carrying) 전극(34,36)의 수단으로 몸체와 연결된다. 지지핀(40,42)은 음극(25)을 차례로 지지하는 지지 블록(38)을 제공한다. 음극(25)은 필라멘트(22)에서 발생된 전자를 막(20)을 향해 가속시키도록 필라멘트(22)의 전기 전위만큼의 음의 전기 전위를 갖고 형성된다. 전선(44)은 도면에 도시하지 않은 연결을 통해 음극(25)에 음전위를 제공하고, 장치(15)의 후방단(30)으로부터 돌출된 음극 핀(46)에 접속된다. 장치(15)는 유리 시일(48)이 후방단(30)에 부착된 후, 펌핑되어 10-4토르 정도의 저압으로 낮아질 수 있다.
막(20)은 벽(18)의 개구(50) 위에 설치된다. 도면에 규격을 도시하지는 않았지만, 통상 유리로 만들어지는 벽(18)은 막(20)보다 수 배 두꺼워서, 두께 t는 1 이하에서 50 미크론 이상까지 될 수 있다. 막을 둘러싸고 있는 기판(19)은 막(20)의 내표면(52)과 동일 평면상의 내표면을 갖지만, 벽(18)에 강도 및 부착을 위해 막의 외표면(54)을 넘어 연장된다. 기판(19)은 1mm에서 1cm 이상까지의 두께 t를 갖을 수 있다. 막의 두께 t는 음극(25)과 필라멘트(22)에 발생된 전압 및 전류로부터 용이하게 예견되고 조작되는 에너지 및 운동 특성으로 인해 낮은 에너지의 전자일지라도 막(20)의 내표면에 충돌하여 비교적 교란됨이 없이 외표면(54)으로 침투하여 막(20)을 통과하도록 최소화된다. 그러나, 막(20)에 가해진 압력이 막(20)을 형성하는 물질의 강도를 초과하는, 공통적으로 실험된 압력차 및 온도에서는 두께 t가 아주 작게 만들어질 수는 없다. 그러므로, 막(20)을 형성하는 물질의 강도가 최적화된다.
단결정으로 형성된 막(20)은 고강도이고 또, 전자가 막(20)의 결정 격자의 원자 배치 순서 때문에 비교적 안정되게 관통하는 것을 알 수 있다. 제 1 근사화에 있어, 물체를 통과하는 전자가 부딪히게 되는 주요 장해는 물체를 형성하는 원자의 핵들이다. 단결정에서, 이러한 핵들은 일련의 선상에 정렬된 점들의 배열로서 격자 배열로 대략적으로 고려될 수 있다. 동일한 표시로써, 장해에 대해 이러한 선으로 자유로운 일련의 경로를 표시한다. 이러한 경로로 정렬된 궤도를 이동하는 전자는 높은 박막 투과성을 가진다. 전극 투과에 대향하는 원자핵의 상호 작용은 원자 번호가 증가함에 따라 증가되어, 낮은 원자 번호의 원자로 형성되는 막(20)에 바람직하다. 다이아몬드 및 단결정 붕소 질화물 등의 공지된 고강도의 물질 중 일부는 통상 약 12 정도의 낮은 원자 번호를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 물질들은 또한 통상 전기적으로는 절연체이지만 기계적으로는 열전도체로서 동작하는 편리한 특성을 가진다.
또한, 단결정막(20)은 가스 흐름에 대해 침투하기 어렵다는 장점을 가진다. 전자보다 천 배 이상 큰 가스 분자는 단결정 격자의 프레임워크를 관통하기에는 너무 크다. 이것은 단결정 구조의 결함이 가스 분자로 하여금 막을 감싸게 하는 다결정질 물질로 만들어진 막과는 대조를 이룬다. 이러한 결함은 사용하는 동안에 전파되는 경향이 있어 막의 오류를 유발한다. 금속 및 유리와 같은 비결정질 물질은 일부 가스 분자의 침투를 허용하므로, 유리벽(18)이 막(20)보다 두껍게 만들어져야 하는 한가지 원인이다.
통상, 본 발명의 단결정막(20)은 다이아몬드(C), 탄화 실리콘(SiC), 단결정 실리콘(Si), 단결정 게르마늄(Ge) 등의 Ⅳ족 물질, 또는 붕소 질화물(BN), 알루미늄 질화물(AlN), 갤륨 비화물(GaAs), 갤륨 질화물(GaN) 또는 세 개 이상의 이러한 원소의 조성물 등의 Ⅲ-Ⅴ족 물질로 형성된다. 이러한 물질 중의 일부는 원하는 치수의 단결정막(20)을 형성하도록 에칭될 수 있는 기판(19)과 같이 상업적으로 이용이 가능하다. 다른 필요한 물질이 반도체 공정 분야에서 공지된 바와 같이, 상업적으로 이용가능한 단결정 기판에 매칭되는 격자의 조성물을 에피텍셜하게 형성시킴으로써 생성될 수 있다. 본 발명의 전자 침투성 및 가스 불침투성 윈도우에 적합한 두께로 결함-제거 단결정막(20)의 형성함에 있어, 막(20) 물질의 격자 상수는 1 %의 1/10 이내로 기판의 격자 상수와 매칭된다. 기판(19)은 원하는 물질로 형성된 단결정막(20)을 남겨두고 에칭 제거될 수 있다.
단결정 실리콘 등의 단결정 물질은 반도체 공정 분야에 공지된 바와 같이 정확한 치수로 이등방성 에칭될 수 있다. 기판(19)은 유리벽(18)에 부착하고 강도를 더하기 위해 막(20) 주변의 기판(19)의 두꺼운 부분이 남겨지도록 에칭될 수 있다. 막(20)의 두께는 기판이 선택적으로 에칭된 후에도 계속 남아있는 에칭 정지층을 삽입함으로써 정밀하게 제어될 수 있다. 에칭 정지층은 또 상이한 결합 길이를 갖는 결정 격자의 원자를 대체하는 에칭 정지층에 삽입된 이온과 같이, 막(20)을 신장하거나 압축하는 수단을 제공한다. 또한, 기판(19)은 막(20)의 외표면(54)을 통과하여 냉각시키는 유체를 안내하는 동작 동안 사용되는 채널 또는 채널들을 생성하도록 에칭될 수 있다. 이와 반대로, 기판은 두꺼운 립(ribs)에 의해 이격된 얇은 윈도우의 배열을 생성하도록 에칭될 수도 있다. 립에 의해 제공되는 강도는 윈도우를 더욱 얇아지게 하여, 더 낮은 에너지의 전자가 침투할 수 있다.
도 2에 있어서, 음극(25)은 막(20)에 일반적인 줄무니형 패턴으로 전자를 포커스하기 위해 튜울립 꽃의 꽃잎처럼 블록(38)과 필라멘트(22) 주변에서 아치를 이루는 포물선형 단면(도 1의 수직인 방향에서는 일반적으로 직사각형의 외형으로 보이는데 반해)을 갖는다. 곡선 A 및 B는 필라멘트(22)로부터 방사되고 음극(25)의 음전압과 막(20)의 그라운드 전압간의 전기장에 의해 가속된 전자의 2개의 가능한 궤도를 나타낸다. 음극(25)은 막(20)에 줄무니형 패턴의 길이 이내로 전자를 포커스하도록 작용하는, 도 1에 도시한 종단 벽(58)을 가질 수 있다.
반도체 웨이퍼에 공통적으로 사용되는 도핑된 실리콘 등으로 만들어질 수 있는 기판(19)은 기판(19)에 의해 차단되는 전자의 전류를 측정하는 전류계(57,59)와 접속된다. 기판(19)에 비해 상대적으로 얇은 막(20)의 두께 때문에, 막(20)에 충돌하는 전자에 비해 훨씬 큰 기판(19)에 충돌하는 전자의 백분율은 전류계(57,59)에 전류를 공급하여, 막(20)에 포커스되는 전자가 정확하게 측정될 수 있다. 기판(19)에 비해 상대적으로 얇은 막(20)의 두께는 막(20)이 전류 흐름에 대해 저항성 배리어로서 작용하게 하므로, 전류계(57)의 전류는 기판(19)의 보다 많은 전자가 충돌하는 측면을 측정하기 위해 전류계(59)의 전류와 비교될 수 있고, 이에 따라서 전자빔이 포커스된다.
도 3a는 진공튜브벽(18)과 비슷한 두께의 실리콘 슬랩(61)의 상부를 도시하고, 이 슬랩(61)은 도면에는 도시하지 않은 벽(18)의 종단에 접합된 지지부로서 작용한다. 슬랩(61)은 전자가 통과할 수 있게 직사각형 홀(62)을 만들기 위해 레이저, 톱 또는 다른 매칭 장치로 절단되었다. 슬랩(61)은 도핑된 실리콘으로 만들어질 수 있고 양극으로서 작용할 수 있다. 슬랩(61)은 도 1에 도시한 유리벽(18)에 적절하게 양극성 접합된다.
도 3b에 있어서, 기판(19) 및 막(20)은 슬랩(61)의 상단에 양극성 접합에 의해 다시 적절하게 설치된다. 이러한 용도로, 이산화실리콘(SiO2)의 박막이 슬랩(61)과 기판(19)의 인접한 일 또는 양 표면상에서 신장될 수 있다. 막(20)이 홀(62)과 같이 작은 면적을 갖는 반면, 기판(19)은 홀(62)보다 큰 면적을 가지므로, 기판(19)이 막(20)을 지지하게 하는 동시에 전자가 홀(62)을 통과하여 슬랩(61)에 의해 안정된 막에 충돌한다.
막(20)은 막의 길이 l에 비해 막의 폭 w을 최소화함으로써 전자의 전이를 위해 면적이 커지게하기 위한 줄무늬형 막이고, 막의 응력은 막의 폭에 따라 점들에서 낮아지므로, 진공 챔버의 파손을 방지한다. 막(20)의 외표면(54) 전체에 유체를 보내는데 사용될 수 있는 일련의 마이크로채널(60)이 막의 양측의 길이 l을 따라 분포된다. 마이크로채널(60)은 반도체 분야에 공지된 바와 같이 기판(19)의 이등방성 에칭에 의해 형성된다. 기판(19)는 전기적으로 접지되거나 하나 이상의 전류계와 접속된다.
도 4에 있어서, 단결정막(20)의 대체 실시예는 강도를 증가시켜 일련의 리지 또는 립(63)을 가지므로써, 립들(63)간의 막(20)의 리세스(64)를 얇아지게 한다. 일련의 립과 리세스는 마이크로채널의 형성과 유사하게 에칭에 의해 형성된다. 막(20)의 길이에 따라, 리세스(64)는 립(63)의 5 배 내지 10 배의 폭이되어, 막(20)에 충돌하는 대부분의 전자가 리세스(64)를 통과하게 한다. 앞서와 같이, 기판(19)은 슬랩(61)의 상부에 설치되고, 이 경우 슬랩(61)은 보다 큰 막(20)에 보다 큰 홀을 갖는다. 리세스(64)는 각각 대략 수 백 ㎛의 윈도우 길이 l에 따른 치수를 갖고 1 내지 몇 mm의 폭 w을 스팬(span)하는 치수를 가진다. 립(63)은 각각 리세스(64)와 유사하게 폭 w을 따른 치수를 갖고, 리세스(64)의 치수의 1/5 내지 1/10이 되는 길이 l에 따른 치수를 갖는다. 리세스(64)는 길이 l과 폭 w과 직교하는 방향으로 0.5㎛ 내지 5㎛의 두께를 갖는다.
도 5는 실리콘 또는 다른 호환 물질의 잉여층(56)이 슬랩(61)과 기판(19)사이의 홀(62) 위에 샌드위치된 대체 실시예의 분해도이다. 이 층(56)은 얇은 줄무늬형 막(20)과 이웃하여 지지하는 일련의 립(53)을 가진다. 이 실시예에서 나타낸 바와 같이 막(20), 지지 립(53) 및 홀(62)을 개별의 층에 가지는 것은 개개의 층이 다른 장치 및 공정과 독립적으로 연합(sculpted)될 수 있어, 보다 능률적인 제조를 가능케 한다. 슬랩(61), 층(56) 및 기판(19)은 모두 실리콘으로 만들어지고, 벽은 Pyrex 유리로 만들어지므로, 다른 원소의 열팽창계수가 공통의 작동 온도로 매칭되어 전자빔 장치(15)가 광범위한 온도 변화를 견딜 수 있게된다.
도 6a 내지 6c에 도 3b의 막(20)을 형성하는 과정을 나타내고, 도 6a에서 시작하여 에피텍셜하게 신장한 막(20) 위의 결정질 기판(19)을 도시한다. 기판(19)의 결정 격자는 막(20)의 결정질 구조를 결정하기 때문에, 막의 물질의 결정 격자는 기판의 결정 격자와 매칭되야 하지만 기판이 단결정일 필요는 없고, 막의 표면은 결함을 제거한 결정질 패턴을 생성하도록 신장된다. 소정의 격자 매칭과 결함 제거 표면, 결함 제거 단결정은 저압의 화학적 증착법(LP-MOCVD)에 의해 신장될 수 있고, 분자 빔 에피텍시(MBE) 또는 다른 기술은 반도체 공정 분야에서 공통적이다. 도 6a에 관해 수직으로 반전된 도 6b에서는, 기판(19)이 막(20)의 폭 w에 대해 에칭 처리된다. 도 6c에서, 기판(19) 및 막(20)은 도 6b에 대해 수직이고, 마이크로채널(60)은 기판(19)에 막(20)의 길이 l을 따라 이등방성 에칭되어 배열된다.
이와 반대로, 실리콘과 같은 상업적으로 이용가능한 단결정 기판(19)이 원하는 치수만큼의 막(20)을 형성하기 위해 이등방성 에칭될 수 있고, 필요한 경우는 마이크로채널 또는 다른 구조물을 생성하도록 에칭될 수 있다. 이 실시예에서 도 6a의 층(20)은 도핑된 웨이퍼(19)의 에칭 방지층을 나타내기도 한다. 이러한 에칭 방지층(20)은 웨이퍼(19)의 도전성 타입의 이온에 대하여 층(20)에 비도전성 타입의 이온을 삽입함으로써 형성될 수 있다. 이러한 기술은 막에 응력 또는 압력을 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 예컨대, 웨이퍼(19)가 n-형의 전도율로 원래의 실리콘을 비소 이온으로 도핑한 실리콘이고, 에칭 방지층은 p-형의 전도율로 붕소로 도핑한 막(20)인 경우, 결정 격자의 에칭 방지층(20)은 붕소가 비소보다 작은 접합 길이를 갖기 때문에 n-형 웨이퍼(19)보다 작은 접합 길이를 갖게 될 것이다. 이것은 막(20)에 응력을 제공하여, 그 접합부가 연장되어 기계적으로 양호한 웨이퍼(19)의 접합 길이를 확보시킨다. 한편, 막(20)이 비소로 도핑되고 웨이퍼(19)가 붕소로 도핑된 경우, 웨이퍼(19)에 의해 막(20)이 압력을 받게되어 반대의 결과가 발생할 것이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 전자 윈도우의 대체 실시예로서 막(20) 및 기판(19)으로 조정된 제 2 의, 전자 침투성 및 가스 불침투성의 단결정막(65) 및 기판(67)을 도시한다. 도 7a에서 제 2 막(65)은 제 1 막(20)으로부터 이격되어 막(20)과 막(65)간에 냉각 유체가 흐르게 함을 알 수 있다. 막(20,65)은 얇고 열전도성이므로 주표면을 냉각시켜 전체막을 빨리 냉각시킨다. 막(20)과 막(65)간에 냉각 유체를 통과시킬 때, 유체는 각각의 막의 주표면에 가깝게 통과될 수 있어서 냉각 성능을 향상시킨다. 도 7b는 기판(67)의 마이크로채널(70)의 벽과 결합된 마이크로채널(60)의 벽과 함께 도시한, 막(20)과 막(65)간의 공간으로 유체를 유입 및 유출시키고 지지시키는 도 7a의 막(20,65)과 기판(19,67)의 단면도이다.
막(20)과 막(65)간에 형성된 채워진 공간(plenum)은 진공튜브(15)내부의 압력과 진공튜브(15) 외부의 실제 주변 압력에서 유지될 수 있다. 이러한 압력 매칭 기술 때문에, 막(20,65)은 각각 박형화될 수 있고, 각각의 막에 대한 압력차가 낮아지므로, 이러한 압력차에 의해 야기되는 응력을 견디기 위해서는 막(20,65)의 두께가 감소되야 한다.
막(20) 또는 막(20,65)의 냉각은 다양한 방법으로 행해질 수 있다. 마이크로채널(60)은 유체를 높은 속도로 외표면(54)에 가깝고 평행하게 통과시키는, 고속의 유체 흐름을 제공할 수 있다. 이 방식에서는, 외표면에 이웃하고 외표면으로부터 열의 흐름을 차단하는 유체의 층형 흐름에 공통인 정체된, 통상의 비열전도성층(non-thermally conductive layer)을 형성하지 못한다. 그러나, 외표면(54) 주변에 배치된 마이크로채널(60)은 외표면(54) 부근의 압력보다 낮은 압력에서 유지될 수 있어, 표면(54)으로부터 유체를 빨아들이고 표면(54)으로부터 습득되는 유체에 의해 열을 빼앗는다. 냉각 유체는 고전류 밀도 및 고열을 받는 표면 부분처럼 그 중심 근처의 외표면(54)에 삽입될 수 있어서, 유체가 마이크로채널(60)을 향해 외부로 통과함에 따라 일정하게 막을 냉각시킨다. 마이크로채널(60)은 액체의 엷은 막이 외표면(54)에 형성되도록, 특히 외표면이 상기 내표면(52)에 수직일 경우에 소량의 증발 가능한 액체를 공급하는데 사용될 수 있다. 액체의 엷은 막은 막 내에서보다 메니스커스(meniscus)에서 기화되기 때문에 양호한 열교환 특성을 갖는다. 냉각을 위해 외표면(54)에 공급된 유체가 장치(15)의 작동을 지연시키는 잔여부를 남기지 않는다는 것은 중요하다. 고순도 불활성 가스는 고순도 물, 알코올, 또는 다른 비-점성 액체처럼, 냉각용으로 사용될 수 있다. 냉각 유체가 표면(54) 끝의 압력보다 높은 압력에서 외표면(54)에 공급될 수 있으므로, 유체의 확산으로 인해 유체에 의한 추가의 냉각처리가 열역학의 공지된 방식에 따라서 행해진다. 이러한 냉각 방법 중의 어느 것도 공지되고 상업적으로 이용가능한, 상기의 각종의 구성체에 외표면(54)에 인접하여 유체를 전달하도록 접속된 유체(가스 또는 액체) 펌프로 달성될 수 있다.
도 8에 있어서, 본 발명의 또다른 실시예는 막(20)을 향한 전자를 양호하게 포커스하기 위해 전자의 궤도를 제어하는데 사용될 수 있는 한 쌍의 포커스판(78) 및 자기 코일(80)의 몇 개의 권선을 도시한다. 포커스판(78)은 음극(25)로부터 분리되고 막(20)에 빔을 포커스할 때 필요한 차분 전압으로 핀(82,83)을 통해 공급될 수 있다. 필라멘트(22)와 막(20) 간의 가상선과 통상 동축인 축을 갖는 코일(80)에 DC 전류를 인가하여 음극(25)으로 막(20)을 향해 전자를 가속화하면서 막을 향하는 선과 이 선 주위의 나선과의 각을 만든다. 또한, 코일(80)의 소수의 권선에 의해 발생된 자기장은 권선 근처의 코일(80)에서 더 강해지고, 필라멘트(22)와 막(20)을 접속하는 가상선 근처에서 약해지므로, 전자를 막(20)을 향해 포커싱한다.
진공튜브 장치(15) 내부보다 외부의 압력이 크기 때문에 내측으로 굽어지는 막(20)은 이 실시예에서 장치(15)가 진공상태가 되기 전에 외측으로 굽어짐을 알 수 있다. 다음에, 장치(15)에서 공기를 빼낼 때, 굽어진 막(20)이 삽입되어 막(20)을 평평하게 강화시킨다. 이러한 선굽힘(prebowing)은 예컨대, 상승한 온도에서 단결정 실리콘막(20)의 내표면이 되는 이산화실리콘 SiO2의 얇은 층을 신장시킴으로써 달성될 수 있다.
실리콘보다 높은 열팽창계수를 갖는 산화층을 신장시키는 상승 온도로부터 온도가 감소됨에 따라 실리콘보다 더 수축되어, 실리콘의 압축으로 인하여 막이 산화층에 대해 외측으로 굽는다. 장치(15)가 진공 상태가된 후, 막(20)의 실리콘이 평평해진 막(20)처럼 압축된다. 이 막은 유리벽(18)에 막(20)을 포함하는 층의 양극성 접합과 유사한 효과에 의해 더욱 압축되어, 냉각 동안에 벽(18)이 막(20)보다 더 수축한다. 압축된 막(20)은 응력에 의해 전달되는 홀을 전개하는 것과 달리 압축된 막(20)이 응력에 의해 연장된 유사한 막보다 더 강해짐을 알 수 있다. 막을 압축하는 다른 수단은 단결정막(20) 물질을 벽(18) 또는 기판(19)보다 열팽창 계수가 작아지게 하여 막이 상승된 온도에서 접합하거나 막에 불순물을 첨가하는 것이다.

Claims (16)

  1. 통상적으로 진공 챔버를 한정하고, 상기 챔버에 이웃하는 제 1 주표면과 제 2 주표면을 가지는 전자 침투성 및 가스 불침투성의 얇은 단결정막을 포함하는 가스 불침투성 몸체와;
    상기 막과 떨어져 배치되어 상기 챔버내에 전자를 발생시키는 발생 수단과,
    상기 막과 떨어져 배치되고 상기 막 근처 전위 보다 작은 음전위를 유지하는 음극을 포함하고, 상기 전자를 상기 막쪽으로 가속화시키는 가속화 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전자를 상기 막쪽으로 가속화시키는 상기 수단은 상기 막에 접속된 결정체 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 주표면에 이웃하는 적어도 하나의 지지 구조체에 의해 형성된 개구에 의해 관통된 상기 몸체에 부착된 결정체층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 몸체에 부착되어 상기 제 2 주표면에 이웃하는 개구를 한정하는 고체층을 추가로 포함하며, 상기 고체층은 상기 개구와 서로 유체를 전달하는 다수의 마이크로채널을 가지는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 마이크로채널에 흘러 상기 제 2 주표면을 지나가는 유체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 주표면 중 적어도 한 표면은 다수의 리세스를 분리하는 적어도 하나의 리지를 가지는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 막은 상기 제 1 및 제 2 주표면 중 적어도 하나의 표면을 따라 압축되는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 양극에 접속되어 상기 양극에 충돌하는 상기 전자의 흐름을 모니터하는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 주표면에 가깝게 이격되어 있는 전자 침투성 및 가스 불침투성을 갖는 단결정막과, 상기 막 사이에 배치된 열 교환용 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 유체는 상기 챔버내의 압력 보다 크고 상기 몸체 외부의 주위 압력 보다 작은 압력을 가지므로, 상기 챔버 압력과 상기 주위 압력 사이의 압력에 비해 상기 막의 차동 압력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 주표면에 이웃하게 배치된 격한 흐름의 유체를 추가로 포함하며, 상기 막으로부터의 열은 상기 제 2 주표면으로 빨리 전달되는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 주표면에 이웃하게 배치되어, 상기 제 2 주표면에 대해 공통인 온도와 압력에서의 끊는점 및 상기 막 보다 낮은 녹는점을 가지는 유체를 추가로 포함하며, 상기 제 2 주표면에 이웃하는 상기 유체는 액체 상태에서 가스 상태로 변화하면서 상기 막으로부터 열을 흡수하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 유체는 상기 제 2 주표면을 통과하는 유체 펄스에 배치되고 상기 전자들은 상기 막을 통과하는 전자 펄스에 배치되며, 상기 유체 펄스 및 상기 전자 펄스는 통상적으로 별개의 시간에서 상기 막을 통과하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 단결정은 본질적으로 Ⅳ족 원자종으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 단결정은 본질적으로 Ⅲ 및 Ⅴ족 원자종으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
  16. 제 2 항에 있어서, 상기 양극은 주로 실리콘인 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
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