JPH0697536A - 電界放射エミッタ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】エミッタの尖端部の尖鋭度とその尖端の位置精
度とを共に高める。 【構成】基板２１を基板ホルダ２９により保持させて中
心軸Ｏ周りに回転させると共に、直流電源３０より負電
位を絶縁基板２１の基底導体層２２に印加する。基板２
１に対し斜め方向からＡｌ₂ Ｏ₃ を蒸着させると同時
に、エミッタ２８を形成するＭｏ等の蒸発金属粒子を高
周波コイル３３によりイオン化させてエミッタ２８に蒸
着させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は真空マイクロエレクトロ
ニクス集積回路用の３極真空管等に構成される電界放射
エミッタ装置の製造方法に係り、特に、コーン形電界放
射エミッタのコーン形尖端部の尖鋭度とその尖端の形成
位置精度の向上とを共に図った電界放射エミッタ装置の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体装置は、一般に熱や放射線
に弱い上に、高周波にも限界がある。そこで、近年では
真空マイクロエレクトロニクスの分野において、耐熱性
や耐放射線性、高周波特性等に優れた種々の電子デバイ
スが提案されており、その一例として電界放射エミッタ
装置が従来より提案されている。

【０００３】この電界放射エミッタ装置は、マイクロマ
シンの歯車やモータ等のように、極微少の３極真空管等
として構成される他、ミリ波やサブミリ波単位における
高能率増幅素子、進行波管、クライストロン、後進波管
等のカソードや、冷陰極型極薄平面ディスプレイのエミ
ッタ等に好適な電子デバイスとして提案されており、そ
の構造としては図６、図７で示すSpindt-Brodie 型（St
anford Reserch In-stitute の各発明者名）型と、図
８、図９で示すGray（Naval Reserch Labora-toryの発
明者名）型とが提案されている。

【０００４】前者の電界放射エミッタ装置の構造につい
て説明すると、真空状態に密閉されたパッケージ内に収
容された例えばシリコン等の導電性基板１上には、開口
２を有したシリカ（ＳｉＯ₂ ）やアルミナ（Ａｌ
₂ Ｏ₃ ）等よりなる下部絶縁層３が形成され、またこの
下部絶縁層３の上部には、シリコン等よりなるリング形
状をなす導体層（ゲート）４が積層されている。さらに
この導体層（ゲート）４の上部には、上部絶縁層５を介
して、アノードとなる上部導体層６がゲートと同様にリ
ング状に形成されている。また、ゲート４およびアノー
ド６の中心に位置する開口２の底部の導電性基板１上に
は、円錐状のエミッタ８が形成されているものであり、
従来の３極真空管と同じくエミッタ８から放射され、ア
ノード６に入射される電子流をゲート４によって制御す
ることにより、所望の動作をなすように構成されている
ものである。

【０００５】ここで、このような電界放射エミッタ装置
を製造するプロセスについて説明すれば、下部絶縁層３
およびゲート４は、開口２を残すようにマスク処理した
上、絶縁性物質および導電性物質を順次、通常の気相成
長法（ＣＶＤ）や真空蒸着法などにより形成積層した
後、図５に示すように絶縁基板１を開口を中心として回
転させながら、その開口の直上から、ＭｏまたはＷ等の
金属粒子を蒸着させると同時に、中心軸Ｏに対し所要角
傾斜した斜め方向からＡｌ₂ Ｏ₃ 等を蒸着する。

【０００６】このとき、Ａｌ₂ Ｏ₃ の堆積が増大してい
くに従って、開口２の開口径は、その中心へ向けて次第
に縮小し、閉じていくので、この開口を通るＭｏ等のエ
ミッタ蒸発金属粒子束が次第に中心部に向けて縮径さ
れ、堆積していく。

【０００７】その結果、蒸着堆積されるエミッタ８は、
円錐形に形成されるものである。このように形成された
エミッタ８はその尖端が尖っているので、低電圧で電子
を放射でき、電子放射効率が向上する。したがって、電
子放射性能を向上させるためにはエミッタ８の尖端の尖
鋭度を高める必要がある。

【０００８】そしてこの後、上部絶縁層５上にメタライ
ズしてから、セルフアラインエッチングを行なってアノ
ード等の上部導体層６を形成する。

【０００９】一方、図８で示すGray型は、まず、〈１０
０〉Ｓｉより成る基板１１上に、例えばＳｉ₃ Ｎ₄ より
成る円板状のエッチングマスク１２を載置してから、そ
の周辺をパイロカテコール等により異方性エッチングを
行なって角錐状のエミッタ１３を形成し、その後、エッ
チングマスク１２を除去する。

【００１０】しかる後に、図９に示すように、エミッタ
１３の周りに所要の間隙を置いて、絶縁層、導体層、絶
縁層を順次成膜し、最上層よりセルフアラインエッチン
グを行なって、絶縁層１４上にエミッタ１３と同心状の
リング状のゲート１５と同リング状のアノード１６とを
それぞれ形成する。

【００１１】そして、エミッタ１３の尖端の尖鋭度をさ
らに高める場合には、エミッタ１３を熱酸化させる。す
ると、そのエミッタ１３の尖端部は基底部よりも細径で
あるので、酸化速度が基底部よりも速くなり、その分尖
鋭度が高まる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、これら電界
放射エミッタ装置の実用化のためには、一般にエミッタ
８，１３の曲率半径が最低５０オングストローム以下の
尖鋭度と所定の高さが必要であるが、前記した従来の製
造方法では係る尖鋭度と高さとを達成することが極めて
困難であるという課題がある。

【００１３】つまり、Spindt-Brodie 型では、エミッタ
８の尖端の曲率半径と、その尖端が形成される位置の精
度が共に開口２の開口の閉じていくプロセスに依存する
が、これは一般に不安定で制御し難い上に、開口２の開
口径が閉じる瞬間にエミッタ８に飛来した金属原子群が
必ずしもエミッタ８の尖端部に付着するとは限らないた
めに、エミッタ８の曲率半径が５０オングストローム以
下の尖鋭度に高めることが極めて難しい。

【００１４】また、Gray型ではエミッタ１３の尖端の曲
率半径がシリコン基板１１の異方性エッチングの状態の
みで決まってしまうため、一般には、このプロセスのみ
では必要な尖鋭度を得ることは殆ど難しい。

【００１５】そこで、本発明はこのような事情を考慮し
てなされたもので、その目的はエミッタの尖端の尖鋭度
とその位置精度を向上させ、それによりエミッタ機能を
向上させることができる電界放射エミッタ装置の製造方
法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、エミッタ８，
１３がコーン形であり、その尖端で電界強度が最大にな
る点に着目してなされたものであり、次のように構成さ
れる。

【００１７】本願の請求項１に記載の発明（以下、第１
の発明という）は、導電部を有した基板の前記導電部上
に、金属粒子を蒸着させて錐状の金属層を形成する蒸着
工程と、前記金属層が形成される導電部を中心に各々絶
縁離間した複数の導体層を形成する工程とを備えた電界
放射エミッタ装置の製造方法であって、上記蒸着工程
は、前記金属粒子をイオン化させると共に、上記導電部
の電位をその金属粒子とは異なった電位にさせて蒸着さ
せる工程を有することを特徴とする。

【００１８】また、本願の請求項２に記載の発明（以
下、第２の発明という）は、導電部を有した基板上に、
前記導電部の周囲に絶縁性物質を被着させて下部絶縁層
を形成する工程と、前記下部絶縁層上に導電性物質を被
着させて下部導体層を形成する工程と、前記導電部に対
し傾斜する方向から絶縁性物質を蒸着させ、前記下部導
体層の上部に前記導電部を外囲する方向にその絶縁性物
質を堆積させて上部導体層を形成させ、同時に前記導電
部に対し対向する方向から金属粒子を蒸着させ、その導
電部に金属層を堆積させる蒸着工程と、前記上部導体層
上に導電性物質を被着させ上部導体層を形成する工程と
を有し、上記蒸着工程は、前記金属粒子をイオン化させ
ると共に、上記導電部の電位をその金属粒子とは異なっ
た電位にさせて蒸着することを特徴とする。

【００１９】さらに、本願の請求項３に記載の発明（以
下、第３の発明という）は、導電性基板を異方性エッチ
ングさせて錐状の導電部を形成する工程と、この導電部
の周囲に絶縁性物質を被着させ絶縁層を形成する工程
と、前記絶縁層の上部に導電性物質を被着させて前記導
電部を中心に各々絶縁離間した複数の導体層を形成する
工程と、前記錐状の導電部の尖端方向からイオン化させ
た金属粒子を、その金属粒子とは異なった電位にさせた
前記導電部に蒸着させて金属層を堆積させる蒸着工程と
を有したことを特徴とする。

【００２０】さらにまた、本願の請求項４に記載の発明
（以下、第４の発明という）は、真空空胴容器内に配設
された被蒸着物に金属粒子を溶射して蒸着膜を形成する
真空蒸着装置であって、錐状の導電部が形成された基板
を真空空胴容器内で保持する基板ホルダと、前記真空空
胴容器内に配設され、前記錐状の導電部の尖端方向に金
属粒子を溶射する前記真空空胴容器内に配設されたるつ
ぼと、前記金属粒子を正もしくは負にイオン化するイオ
ン化装置と、前記イオン化装置の極性とは異なった極性
の電位を前記導電部に印加する電源装置と、を備えたこ
とを特徴とする。

【００２１】

【作用】電界放射エミッタ装置の製造における蒸着工程
時には、エミッタを形成するための蒸発金属粒子がイオ
ン化されると共に、この金属粒子が堆積する導電部は金
属粒子と異なる電位が印加される。

【００２２】このために、イオン化された蒸発金属粒子
が電気的吸引力により吸引されてその導電部に付着し、
コーン形（錐形）に成長していく。そのために、コーン
形状の尖端部で電界強度が益々強くなり、イオン化され
た蒸発金属粒子がその尖端部に益々集中的に蒸着されて
堆積していく。その結果、エミッタの尖端の尖鋭度が相
乗的高まる上に、その尖端の位置精度を共に高めること
ができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００２４】図２は本発明が適用される、例えばSpindt
-Brodie 型の電界放射エミッタ装置の構成を示す要部縦
断面図であり、図において、電界放射エミッタ装置２０
は絶縁基板２１上に、導電部である基底導体層２２、Ｓ
ｉＯ₂ 等より成る下部絶縁層２３、導電性金属等より成
るリング状の下部導体層２４、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等より成る上
部絶縁層２５および導電性金属等より成るリング状の上
部導体層２６をそれぞれ順次積層した構造をなしてお
り、下部導体層２４はゲートに、上部導体層２６はアノ
ードにそれぞれ構成するようになっている。

【００２５】また、リング状の下部および上部の導体層
２４，２６の中心には、金属層である円錐状のエミッタ
２８が形成されており、換言すれば導電部である基底導
体層２２上に形成されたエミッタ２８と各導体層２４，
２６層とは同心状に配置しているものである。

【００２６】そして、このように構成さたエミッタ装置
２０では、エミッタ２８に基底導体層２２を介して所要
の電圧を印加する一方、ゲート２４とアノード２６とに
所要の電圧を印加することにより、エミッタ２８から電
子を放射させてその電子流をゲート２４とアノード２６
により適宜制御することにより、例えば従来の３極真空
管のように増幅作用等をさせることができる。

【００２７】次に、このように構成された電界放射エミ
ッタ装置２０の製造方法を説明する。

【００２８】まず、絶縁基板２１の一面上に、例えば既
存の蒸着法などにより導電性物質を被着して導電部であ
る基底導体層２２を形成した後、その一部をマスクして
下部絶縁層２３およびゲートとなる下部導体層２４を積
層し、マスク除去する。すなわち、下部絶縁層２３およ
び下部導体層２４が積層されていない領域には、開口２
７が形成されており、上記工程において、この開口２７
を中心として導電部と絶縁離間した下部導体層２４が形
成されるものである。しかる後に、以下で説明する２元
蒸着工程に移行する。

【００２９】２元蒸着工程は、ＭｏまたはＷ等の金属層
であるエミッタ２８を形成する蒸発金属を開口２７内の
基底導体層２２上に蒸着せしめる工程と、上部絶縁層２
５を形成するＡｌ₂ Ｏ₃ 等をゲート２４と下部絶縁層２
３上に蒸着せしめる工程とを真空雰囲気中で同時に行な
うものである。

【００３０】つまり、図１に示すように、図示しない真
空空胴容器内の真空雰囲気中で絶縁基板２１を、その開
口２７の開口端を図中下方に向けた状態で基板ホルダ２
９により、その中心軸Ｏ周りに回転自在に保持させると
共に、電源装置３０から基底導体層２２に負電位を制御
自在に印加する。

【００３１】一方、絶縁基板２１の図中下方において、
基板ホルダ２９の中心軸Ｏに対し、同軸上にエミッタの
るつぼ３１を配置すると共に、所要角傾斜するＡｌ₂ Ｏ
₃ のるつぼ３２を配置し、エミッタのるつぼ３１はＭ
ｏ，Ｗ等エミッタ２８を形成するための金属を加熱溶融
させて収容し、Ｍｏ等を基底導体層２２上に蒸着せしめ
るものであり、Ａｌ₂ Ｏ₃ のるつぼ３２はＡｌ₂ Ｏ₃ 等
を加熱溶融し、Ａｌ₂ Ｏ₃ をゲート２４と下部絶縁層２
３上に蒸着させるものである。

【００３２】そして、ＭｏまたはＷ等の金属蒸気流の流
路の途中にはイオン化装置である高周波コイル３３を配
設し、これら蒸発金属粒子を通過させる際にイオン化す
るようになっている。

【００３３】そこで、両るつぼ３１，３２の蒸発源温
度、真空度、絶縁基板２１の温度、基板ホルダ２９の回
転数、高周波コイル３３に与えるパワー、直流バイアス
電圧等をコントロールしながら開口２７内の基底導体層
２２上にエミッタ蒸発金属粒子を蒸着させると共に、Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ をゲート２４と下部絶縁層２３上に蒸着させ
る。

【００３４】すると、Ａｌ₂ Ｏ₃ の蒸発金属粒子は中心
軸に対して斜めから飛来してくるので、開口２７は次第
に閉じられていく一方、換言すれば、導電部である開口
２７内の基底導体層２２を遮蔽外囲する方向にそのＡｌ
₂ Ｏ₃ は堆積しながら下部導体層２４の上部に上部絶縁
層２３が形成される一方、その開口２７を通るＭｏまた
はＷの蒸発金属粒子束はエミッタ２８が形成されるべき
位置のほぼ中心に縮径されていき、エミッタ２８が円錐
形に形成され、かつ成長していき、円錐状の金属層が形
成されることになる。

【００３５】しかも、図４に示すようにＭｏ等の蒸発金
属粒子は高周波コイル３３により正の電位を有するよう
にイオン化されており、エミッタ２８には負電位が印加
されており、エミッタ２８の尖端部でその電界強度が最
大となり、基底部等の他より電界強度が強いので、Ｍｏ
等の蒸発金属粒子の殆どがエミッタ２８の尖端部に電気
的に吸引されて付着し、堆積する。

【００３６】このために、エミッタ２８の尖端部の尖鋭
度がさらに高まるので、その尖端部の電界強度はさらに
高まり、電界の集中も増大する。このために、この尖端
部に電気的に吸引されて付着し堆積するMo等の金属粒子
量が増大して、尖端の高さを高くすることができる。

【００３７】その結果、エミッタ２８の尖端部の曲率半
径を、Ｍｏ等の原子の数個分またはその倍程度に縮径
し、５０オングストローム以下に尖鋭度を高めることが
できる上に、その尖端の位置精度を高めることかでき
る。

【００３８】また、エミッタ２８の成長速度を蒸発源温
度以外に、直流電圧バイアスにより高精度に制御するこ
とができる。

【００３９】なお、こうしてエミッタ２８と上部絶縁層
２５を形成した後は、メタライズ、セルフアラインエッ
チングを行なってアノード２６を形成する。

【００４０】図５は本発明をGray型のものに適用した場
合の要部拡大図であり、これは例えば〈１００〉Ｓｉよ
りなる導電性基板を異方性エッチングにより角錐形の導
電部４１を形成すると共に、エッチングマスク（図８で
は符号１２で示す）を除去した後、この導電部４１に蒸
着せしめるＭｏ等の蒸発金属流の粒子を高周波コイル３
３等によりイオン化する一方、導電部４１に負電位を印
加することにより、電気的吸引力によりＭｏ等の金属粒
子を導電部４１の尖端部に集中的に蒸着させてエミッタ
である金属層を形成させるものである。

【００４１】これによっても、導電部４１の電界強度が
尖端部で最大となり、電気的吸引力も他の部分より大き
くなるので、イオン化金属粒子がこの尖端部に集中的に
付着して堆積し、その結果、エミッタ４１の尖端部の尖
鋭度とその尖端の位置精度を共に高めることができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、エミッタ
を構成する金属層を形成する蒸発金属粒子をイオン化す
ると共に、このエミッタを蒸着せしめる導電部に逆の電
位を印加するので、イオン化されたエミッタ蒸発金属粒
子を導電部に電気的吸引力により吸引して蒸着させ、エ
ミッタを形成することができる。

【００４３】また、これによりエミッタがコーン形に成
長していくと、このコーン形尖端部の電界強度が他より
も益々強くなるので、エミッタ金属粒子はエミッタの尖
端に益々集中的に吸着されて、尖端部の尖鋭度が向上す
る。

【００４４】また、イオン化されたエミッタ蒸発金属粒
子を電気的吸引力により所定箇所に蒸着させるので、エ
ミッタの尖端の位置精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電界放射エミッタ装置の製造方法
およびその真空蒸着装置の一実施例を説明する図。

【図２】図１で示す実施例が適用される電界放射エミッ
タ装置の要部縦断面図。

【図３】図１で示す一実施例の一工程を示す要部縦断面
図。

【図４】図１で示す一実施例の他の工程を示す図。

【図５】本発明の他の実施例を示す要部拡大図。

【図６】従来例の一工程を示す要部縦断面図。

【図７】図６で示す従来例の他の工程を示す要部縦断面
図。

【図８】他の従来例の一工程を示す一部拡大図。

【図９】図８で示す従来例の他の工程を示す一部拡大
図。

【符号の説明】

２０ 電界放射エミッタ装置 ２１ 絶縁基板 ２２ 基底導体層（導電部） ２３ 下部絶縁層 ２４ 下部導体層（ゲート） ２５ 上部絶縁層 ２６ 上部導体層（アノード） ２７ 開口 ２８ エミッタ（金属層） ２９ 基板ホルダ ３０ 電源装置 ３１ エミッタのるつぼ ３２ Ａｌ₂ Ｏ₃ のるつぼ ３３ 高周波コイル（イオン化装置）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電部を有した基板の前記導電部上に、
   金属粒子を蒸着させて錐状の金属層を形成する蒸着工程
   と、前記金属層が形成される導電部を中心に各々絶縁離
   間した複数の導体層を形成する工程とを備えた電界放射
   エミッタ装置の製造方法であって、上記蒸着工程は、前
   記金属粒子をイオン化させると共に、上記導電部の電位
   をその金属粒子とは異なった電位にさせて蒸着させる工
   程を有することを特徴とする電界放射エミッタ装置の製
   造方法。
2. 【請求項２】 導電部を有した基板上に、前記導電部の
   周囲に絶縁性物質を被着させて下部絶縁層を形成する工
   程と、前記下部絶縁層上に導電性物質を被着させて下部
   導体層を形成する工程と、前記導電部に対し傾斜する方
   向から絶縁性物質を蒸着させ、前記下部導体層の上部に
   前記導電部を外囲する方向にその絶縁性物質を堆積させ
   て上部導体層を形成させ、同時に前記導電部に対し対向
   する方向から金属粒子を蒸着させ、その導電部に金属層
   を堆積させる蒸着工程と、前記上部導体層上に導電性物
   質を被着させ上部導体層を形成する工程とを有し、上記
   蒸着工程は、前記金属粒子をイオン化させると共に、上
   記導電部の電位をその金属粒子とは異なった電位にさせ
   て蒸着することを特徴とする電界放射エミッタ装置の製
   造方法。
3. 【請求項３】 導電性基板を異方性エッチングさせて錐
   状の導電部を形成する工程と、この導電部の周囲に絶縁
   性物質を被着させ絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層
   の上部に導電性物質を被着させて前記導電部を中心に各
   々絶縁離間した複数の導体層を形成する工程と、前記錐
   状の導電部の尖端方向からイオン化させた金属粒子を、
   その金属粒子とは異なった電位にさせた前記導電部に蒸
   着させて金属層を堆積させる蒸着工程とを有したことを
   特徴とする電界放射エミッタ装置の製造方法。
4. 【請求項４】 真空空胴容器内に配設された被蒸着物に
   金属粒子を溶射して蒸着膜を形成する真空蒸着装置であ
   って、錐状の導電部が形成された基板を真空空胴容器内
   で保持する基板ホルダと、前記真空空胴容器内に配設さ
   れ、前記錐状の導電部の尖端方向に金属粒子を溶射する
   前記真空空胴容器内に配設されたるつぼと、前記金属粒
   子を正もしくは負にイオン化するイオン化装置と、前記
   イオン化装置の極性とは異なった極性の電位を前記導電
   部に印加する電源装置と、を備えたことを特徴とする真
   空蒸着装置。