(57)【要約】この発明は、高周波化と高出力化の両立が図られた冷陰極電子源と、これを用いたマイクロ波管及びその製造方法を提供することを目的とする。本発明に係る冷陰極電子源においては、アスペクト比Ｒが４以上となるようにエミッタ（２４）の先端が先鋭化されているため、ゲート電極（１６）から遠ざかった分だけ、エミッタ（２４）とゲート電極（１６）と間の静電容量が小さくなっている。そのため、冷陰極電子は高周波に対応することが可能である。なお、この冷陰極電子源の陰極材料には、タングステンやシリコン等の従来の陰極材料ではなく、融点と熱伝導率の高いダイヤモンドが用いられている。そのため、エミッタ（２４）内を流れる電流の電流密度が高い場合であってもエミッタ（２４）が溶融しにくいので、この冷陰極電子源は高出力に対応することが可能である。
2004088703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドで構成され、表面に複数の微細な突起状エミッタを有する平板状のカソード電極と、
前記カソード電極表面上の前記エミッタ周囲に積層された絶縁層と、
前記絶縁層上に積層されたゲート電極とを有し、
前記カソード電極のエミッタから外部に放出される電子の量を、前記ゲート電極の印加電圧を制御することにより調整する冷陰極電子源であって、
前記エミッタは、その先端が略円錐形状に先鋭化されており、この先鋭化部分の高さをＨ、その先鋭化部分の底面の径をＬとしたときに、
Ｒ＝Ｈ／Ｌ
であらわされるアスペクト比Ｒが４以上であることを特徴とする冷陰極電子源。
【請求項２】
前記絶縁層が、ダイヤモンドで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電子源。
【請求項３】
前記ゲート電極が、ダイヤモンドで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷陰極電子源。
【請求項４】
前記カソード電極表面上における前記エミッタの密度が、１０７個／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷陰極電子源。
【請求項５】
前記エミッタの先端の曲率半径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷陰極電子源。
【請求項６】
前記絶縁層及び前記ゲート電極は、前記エミッタの径より大きい径の電子放出孔を有しており、
前記各エミッタは、前記絶縁層及び前記ゲート電極と接しないようにこの電子放出孔の内部に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷陰極電子源。
【請求項７】
前記エミッタは前記カソード電極上に複数形成されており、
前記エミッタが前記カソード電極上のある特定の点から離れるに従い、前記各エミッタの対応する前記電子放出孔に対する相対位置の、前記特定の点方向へのズレ量が大きくなることを特徴とする請求項６に記載の冷陰極電子源。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷陰極電子源を用いたことを特徴とするマイクロ波管。
【請求項９】
ダイヤモンドで構成され、表面に複数の微細な突起状エミッタを有する平板状のカソード電極と、前記カソード電極表面上の前記エミッタ周囲に積層された絶縁層と、前記絶縁層上に積層されたゲート電極とを有し、前記カソード電極のエミッタから外部に放出される電子の量を、前記ゲート電極の印加電圧を制御することにより調整する冷陰極電子源の製造方法であって、
前記冷陰極電子源の前記エミッタは、その先端が略円錐形状に先鋭化されており、この先鋭化部分の高さをＨ、その先鋭化部分の底面の径をＬとしたときに、
Ｒ＝Ｈ／Ｌ
であらわされるアスペクト比Ｒが４以上であり、
前記エミッタ表面の全体を被膜で覆うステップと、
前記カソード電極表面上の前記エミッタ周囲に前記絶縁層を積層するステップと、
前記絶縁層上にゲート電極を積層するステップと、
前記エミッタを覆う前記被膜をエッチング除去するステップとを有することを特徴とする冷陰極電子源の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、電子ビームを放出する冷陰極電子源と、これを用いたマイクロ波管及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、進行波管（ＴＷＴ）やクライストロンなどのマイクロ波管には、集束型の熱陰極電子源や円錐状の微小エミッタを有する冷陰極電子源が用いられており、冷陰極は例えば下記非特許文献１等に開示されている。この冷陰極（カソード電極及びエミッタ（電子放出電極））は、一般に、タングステン、モリブデン等の耐熱金属材料や、シリコン等の半導体材料といった材料で構成される。【０００３】  このマイクロ波管を高周波化する方法としては、エミッタから放出される電子の量を調整するゲート電極と、エミッタ及びカソード電極との間の静電容量を小さくする方法が一般に知られている。そこで、下記非特許文献２に開示された冷陰極電子源５０においては、絶縁層５２を厚くしてゲート電極５４とカソード電極５６とを離間させることで、ゲート電極５４とカソード電極５６との間の静電容量の低減が図られている（図９参照）。また、この冷陰極電子源５０では、エミッタ５８上端の一部分のみを先鋭化し、残りの大部分を太い円柱のままにしたエミッタ形状が採用することで、エミッタ５８内を流れる電流の電流密度を下げて、エミッタ５８の溶融防止が図られている。【０００４】  なお、ゲート電極とカソード電極等との間の静電容量を低減する他の例としては、下記特許文献１に開示されている冷陰極電子源などがあり、この冷陰極電子源６０では、エミッタ６２から離れるに従って絶縁層６４を段階的に厚くすることにより、ゲート電極６６とエミッタ６２及びカソード電極６８との間の静電容量の低減が図られている（図１０参照）。【０００５】  特許文献１：日本国特許公開公報  特開平９−８２２４８号公報【０００６】  特許文献２：日本国特許公開公報  特開２００１−２０２８７１号公報【０００７】  特許文献３：日本国特許公開公報  特開平８−２５５５５８号公報【０００８】  非特許文献１：Ｎｉｃｏｌ  Ｅ．ＭｃＧｒｕｅｒ，Ａ  Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｃａｔｈｏｄｅ，“Ｊｏｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ”，３９（１９６８），ｐ．３５０４−３５０５．【０００９】  非特許文献２：Ｎｉｃｏｌ  Ｅ．ＭｃＧｒｕｅｒ，Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ  ｆｏｒ  ａ  １−ＴＨｚ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，“ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ”，３８（１９９１），ｐ．６６６−６７１．
【発明の開示】
【００１０】  しかしながら、前述した従来の冷陰極電子源には次のような問題があった。すなわち、図９に示した冷陰極電子源５０では、カソード電極５６とゲート電極５４との間の静電容量は低減されているが、エミッタ５８とゲート電極５４との間の静電容量に関しては何ら考慮されていないため、この冷陰極電子源５０は高周波のマイクロ波管に十分対応できるものではなかった。また、マイクロ波管の高出力化にはエミッタ内を流れる電流の電流密度を高くすることが有効であることが知られているが、従来の陰極材料のタングステンやシリコンで構成されたエミッタは熱伝導率が低く、１０〜１００Ａ／ｃｍ２程度の電流密度で放熱限界（溶融限界）に達するため、それ以上に電流密度を上げることは困難であった。
【００１１】  なお、ダイヤモンドを用いた冷陰極は、例えば上記特許文献２に開示されており、ダイヤモンドを用いたマイクロ波管の冷陰極は、例えば上記特許文献３に開示されている。
【００１２】  本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、高周波化と高出力化の両立が図られた冷陰極電子源と、これを用いたマイクロ波管及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】  本発明に係る冷陰極電子源は、ダイヤモンドで構成され、表面に複数の微細な突起状エミッタを有する平板状のカソード電極と、カソード電極表面上のエミッタ周囲に積層された絶縁層と、絶縁層上に積層されたゲート電極とを有し、カソード電極のエミッタから外部に放出される電子の量を、ゲート電極の印加電圧を制御することにより調整する冷陰極電子源であって、エミッタは、その先端が略円錐形状に先鋭化されており、この先鋭化部分の高さをＨ、その先鋭化部分の底面の径をＬとしたときに、
Ｒ＝Ｈ／Ｌ
であらわされるアスペクト比Ｒが４以上であることを特徴とする。
【００１４】  この冷陰極電子源においては、アスペクト比Ｒが４以上となるようにエミッタの先端が先鋭化されている。このアスペクト比Ｒは、エミッタの先鋭化部分の高さＨの、その底面の径Ｌに対する比率であり、そのエミッタの鋭さを表している。すなわち、同一の長さを有するエミッタでは、アスペクト比４未満のエミッタよりアスペクト比４以上のエミッタの方が先鋭化部分の底面が下方にあることになる。したがって、アスペクト比４以上のエミッタは、ゲート電極から遠ざかった分だけ、エミッタとゲート電極と間の静電容量が小さくなる。そのため、本発明に係る冷陰極電子源は高周波に対応することが可能である。なお、この冷陰極電子源の陰極材料には、タングステンやシリコン等の従来の陰極材料ではなく、融点と熱伝導率の高いダイヤモンドが用いられている。そのため、エミッタ内を流れる電流の電流密度が高く、発熱が激しい場合であってもエミッタが溶融しにくいので、この冷陰極電子源は高出力に対応することが可能である。
【００１５】  また、絶縁層が、ダイヤモンドで構成されていることが好ましい。この場合、絶縁層とカソード電極との熱膨張係数が同一又は同等であるため、温度変化による絶縁層とカソード電極との界面における剥離の発生が抑制される。また、絶縁層に高い熱伝導率を有するダイヤモンドを採用することにより、エミッタから放出される熱を吸収してエミッタの冷却を促進させることができる。
【００１６】  また、ゲート電極が、ダイヤモンドで構成されていることが好ましい。この場合、ゲート電極と絶縁層との熱膨張係数が同一又は同等であるため、温度変化による、ゲート電極と絶縁層との界面における剥離の発生が抑制される。また、ゲート電極に高い熱伝導率を有するダイヤモンドを採用することにより、ゲート電極の熱による変形が抑制される。さらに、ダイヤモンドは高い融点を有しているため、ゲート電極の溶解の発生が抑制される。
【００１７】  また、カソード表面上におけるエミッタの密度が、１０７個／ｃｍ２以上であることが好ましい。この場合、エミッタの密度を高くすることで、カソード電極からの電子放出量を増加させることができる。
【００１８】  また、エミッタの先端の曲率半径が１００ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、エミッタから放出される電子の放出効率の向上が図られる。
【００１９】  また、絶縁層及びゲート電極は、エミッタの径より大きい径の電子放出孔を有しており、各エミッタは、絶縁層及びゲート電極と接しないようにこの電子放出孔の内部に配置されていることが静電容量を小さくする上で好ましい。この場合、エミッタのショートが大幅に抑制される。
【００２０】  また、エミッタはカソード電極上に複数形成されており、エミッタがカソード電極上のある特定の点から離れるに従い、各エミッタの対応する電子放出孔に対する相対位置の、特定の点方向へのズレ量が大きくなることが好ましい。この場合、いわゆる静電レンズ効果により、電子放出孔から放出される電子が特定の点上に集束するため、冷陰極電子源から得られる電流の電流密度が向上する。
【００２１】  本発明に係るマイクロ波管は、上記冷陰極電子源を用いたことを特徴とする。上記冷陰極電子源は高周波及び高出力に対応することが可能なため、マイクロ波管にこの冷陰極電子源を用いた場合、周波数及び出力の向上を図ることができる。
【００２２】  本発明に係る冷陰極電子源の製造方法は、ダイヤモンドで構成され、表面に複数の微細な突起状エミッタを有する平板状のカソード電極と、カソード電極表面上のエミッタ周囲に積層された絶縁層と、絶縁層上に積層されたゲート電極とを有し、カソード電極のエミッタから外部に放出される電子の量を、ゲート電極の印加電圧を制御することにより調整する冷陰極電子源の製造方法であって、冷陰極電子源のエミッタは、その先端が略円錐形状に先鋭化されており、この先鋭化部分の高さをＨ、その先鋭化部分の底面の径をＬとしたときに、
Ｒ＝Ｈ／Ｌ
であらわされるアスペクト比Ｒが４以上であり、エミッタ表面の全体を被膜で覆うステップと、カソード電極表面上のエミッタ周囲に絶縁層を積層するステップと、絶縁層上にゲート電極を積層するステップと、エミッタを覆う被膜をエッチング除去するステップとを有することを特徴とする冷陰極電子源の製造方法。
【００２３】  この冷陰極電子源の製造方法においては、アスペクト比が４以上のエミッタを被膜で覆った後、その周囲に絶縁層及びゲート電極を積層するので、フォトリソグラフィを用いた製造方法のように精度よくエミッタの位置だしをおこなう必要がない。そのため、簡便な方法でエミッタの周囲に絶縁層及びゲート電極を積層することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】  図１は、本発明の実施形態に係る冷陰極電子源の概略斜視図である。【００２５】  図２は、図１の冷陰極電子源の要部（Ｘ）拡大図である。【００２６】  図３Ａは、図１の冷陰極電子源の製造手順を示した図である。【００２７】  図３Ｂは、図１の冷陰極電子源の製造手順を示した図である。【００２８】  図３Ｃは、図１の冷陰極電子源の製造手順を示した図である。【００２９】  図３Ｄは、図１の冷陰極電子源の製造手順を示した図である。【００３０】  図３Ｅは、図１の冷陰極電子源の製造手順を示した図である。【００３１】  図４Ａは、図１の冷陰極電子源の製造手順を示した図である。【００３２】  図４Ｂは、図１の冷陰極電子源の製造手順を示した図である。【００３３】  図４Ｃは、図１の冷陰極電子源の製造手順を示した図である。【００３４】  図４Ｄは、図１の冷陰極電子源の製造手順を示した図である。【００３５】  図４Ｅは、図１の冷陰極電子源の製造手順を示した図である。【００３６】  図５は、エミッタ形状の一例を示した図である。【００３７】  図６は、電子放出孔の配置の一例を示した図である。【００３８】  図７は、本発明の実施形態に係るマイクロ波管を示した概略断面図である。【００３９】  図８Ａは、冷陰極電子源の異なる製造手順を示した図である。【００４０】  図８Ｂは、冷陰極電子源の異なる製造手順を示した図である。【００４１】  図８Ｃは、冷陰極電子源の異なる製造手順を示した図である。【００４２】  図８Ｄは、冷陰極電子源の異なる製造手順を示した図である。【００４３】  図８Ｅは、冷陰極電子源の異なる製造手順を示した図である。【００４４】  図８Ｆは、冷陰極電子源の異なる製造手順を示した図である。【００４５】  図８Ｇは、冷陰極電子源の異なる製造手順を示した図である。【００４６】  図９は、従来の冷陰極電子源の一例を示した図である。【００４７】  図１０は、従来の冷陰極電子源の一例を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】  以下、添付図面を参照して本発明に係る冷陰極電子源と、これを用いたマイクロ波管及びその製造方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。【００４９】  図１は、本発明の実施形態に係る冷陰極電子源１０の概略構成図である。この冷陰極電子源１０は、円形平板状のカソード電極１２と、カソード電極１２上に形成された円形平板状の絶縁層１４と、この絶縁層１４上に形成された円形平板状のゲート電極１６とを備えており、所定距離だけ離間して対面する環状の集束電極１８に向けて電子を放出する。絶縁層１４及びゲート電極１６には、マトリクス状に並ぶ電子放出孔２０が形成されている。この電子放出孔２０の位置に対応するカソード電極１２表面には、後述のエミッタが形成されている。【００５０】  また、カソード電極１２は、外部電源Ｖ１のマイナス極と電気的に接続されている。また、ゲート電極１６は外部電源Ｖ２と電気的に接続されている。【００５１】  この冷陰極電子源１０においては、外部電源Ｖ１からカソード電極１２に電子が供給されると、カソード電極１２表面に形成されたエミッタから集束電極１８に向けて電子が放出される。その際、ゲート電極４６への印加電圧を外部電源Ｖ２で変えて、各電子放出孔２０周辺の電界を変化させることで、電子放出孔２０から放出される電子の遮断や放出量の調整がおこなわれる。【００５２】  カソード電極１２及びゲート電極１６は導電性のダイヤモンドで構成されており、絶縁層１４は絶縁性のダイヤモンドで構成されている。このように、カソード電極１２、ゲート電極１６及び絶縁層１４が同じダイヤモンド材料で構成されているため、各要素１２，１４，１６の熱膨張係数は略同一である。したがって、冷陰極電子源１０の温度環境が広い範囲で変化した場合であっても、各要素１２，１４，１６の互いの境界面における剥離の発生が抑制される。【００５３】  また、絶縁層１４及びゲート電極１６に高い熱伝導率と融点とを有するダイヤモンドを採用することにより、ゲート電極１６の熱による変形が抑制されると共に、絶縁層１４及びゲート電極１６各々がエミッタ２４から放出される熱を吸収してエミッタ２４の冷却を促進させることができる。なお、従来の絶縁層は、二酸化ケイ素や窒化ケイ素などで構成されていたため、熱伝導率が低く、エミッタを効率よく冷却することができなかった。さらに、従来の絶縁層の材料に用いられるＳｉＯ２の絶縁破壊電界は１０５ｃｍ／Ｖからせいぜい１０７ｃｍ／Ｖ程度であるが、ダイヤモンドの絶縁破壊電圧は１０７ｃｍ／Ｖ超と高いため、ダイヤモンドで構成された絶縁層１４は、ゲート電圧とカソード電圧との間の電圧が高い場合であっても破壊されにくい。【００５４】  また、ゲート電極１６の材料として金属材料を用いた場合には、アーク放電などの異常動作が起きた場合、溶解したゲート電極１６の金属が広く飛散すると共に周囲の部材に付着し、ゲート電極１６とカソード電極１２とが短絡してしまうことがあったが、ゲート電極１６を融点の高いダイヤモンドで構成することにより、ゲート電極１６の溶融が起こりにくく、ゲート電極１６と���ソード電極１２との間の短絡の発生が抑制される。さらに、ダイヤモンドは高い融点を有しているため、ゲート電極の溶解の発生が抑制される。【００５５】  ダイヤモンドに導電性を与えるため、ダイヤモンドにはホウ素、リン、硫黄、リチウム等をドーピングしている。導電性を有するダイヤモンドを得る別の方法としては、結晶粒界にグラファイト成分を有する多結晶ダイヤモンドを用いてもよい。また、ダイヤモンド表面に水素終端処理を施すことにより、表面導電層を形成してもよい。さらに、ダイヤモンド内にイオン打ち込みなどでグラファイト成分を形成し、電流通過領域を形成してもよい。なお、本明細書中における「ダイヤモンド」には、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンドが含まれるものとする。【００５６】  次に、カソード電極１２のエミッタについて説明する。図２は、図１の要部（Ｘ）
拡大図である。【００５７】  図２に示すように、カソード電極１２に形成されたエミッタ２４は、先端側の円錐形状の先鋭化部分２４Ａと、固定端側の円筒形状の非先鋭化部分２４Ｂとで構成されている。このエミッタ２４は、後述する方法でカソード電極１２をエッチングすることで形成されており、カソード電極同様、導電性ダイヤモンドで構成されている。そして、例えば、先鋭化部分２４Ａの長さＨは４μｍ、先鋭化部分２４Ａの底面（先鋭化部分２４Ａと非先鋭化部分２４Ｂとの境界面）の径Ｌは１μｍであり、長さＨを径Ｌで割って求められるアスペクト比Ｒ（＝Ｈ／Ｌ）は４とすることが好ましい。このアスペクト比Ｒは、エミッタ２４の鋭さを表す値であり、この値が大きいほどエミッタ２４は鋭いことを示す。【００５８】  そして、アスペクト比Ｒが４であるエミッタ２４においては、従来のエミッタ形状（図の符号２５参照）に比べて、エミッタ２４の円錐斜面部分がゲート電極１６から遠くなるため、その分だけ、エミッタ２４とゲート電極１６と間の静電容量が低減されている。なお、従来のエミッタ材料（陰極材料）であるタングステンやシリコンでは、エミッタ内を流れる電流の電流密度が１０〜１００Ａ／ｃｍ２程度で溶融してしまうため、エミッタのアスペクト比を４以上にすることは非常に困難であったが、エミッタの材料として、熱伝導率、化学的安定性に優れたダイヤモンドを用いた場合には、カソード電極１２のエミッタ２４内を流れる電流の電流密度を高くしても損傷しにくい。【００５９】  また、エミッタ２４及びカソード電極１２がダイヤモンドで構成されている場合、低い印加電圧で電子放出が起こる。これは、ダイヤモンドの仕事関数が低いことによるものであり、この場合、エミッタ２４の発熱が少なく、また電子放出のための消費電力量が少ない。【００６０】  一般に、冷陰極電子源１０が形成する電界により、冷陰極電子源１０周囲の正に帯電した荷電子がエミッタ２４をスパッタして、エミッタ２４の寿命を短くしてしまうことが知られているが、耐スパッタ損傷性が高いダイヤモンドで構成されたエミッタ２４によれば長寿命を実現することができる。【００６１】  また、先鋭化部分２４Ａと非先鋭化部分２４Ｂとを合わせたエミッタ２４の高さＤ及び絶縁層１４の厚さは、ともに約８μｍである。このように、絶縁層１４の厚さが厚いため、カソード電極１２とゲート電極１６との間の静電容量のさらなる低減が図られている。さらに、非先鋭化部分２４Ｂの太さが十分に太く、エミッタ２４内を流れる電流の電流密度が低減されているため、エミッタ２４の溶解がさらに抑制されることとなる。【００６２】  また、エミッタ２４の先端の曲率半径は、２０ｎｍ以下となっている。このように、エミッタ２４の先端の曲率半径が１００ｎｍ以下であるため、電界集中して、エミッタから放出される電子の放出効率が向上する。さらに、エミッタ２４の間隔は３μｍであり、カソード電極１２表面におけるエミッタ２４その密度はおよそ１１１１万個／ｃｍ２であった。このように、冷陰極電子源１０はエミッタ２４の密度が高いため、カソード電極１２から多くの電子が放出される。また、エミッタ２４は、電子放出孔２０の内部で絶縁層１４及びゲート電極���６と接しないように配置されているため、エミッタのショートが大幅に抑制されている。【００６３】  以上の冷陰極電子源の製造方法について、図３Ａ〜図３Ｅを参照しつつ説明する。【００６４】  まず、熱フィラメントＣＶＤ法、マイクロ波ＣＶＤを用いた気相合成法や、高圧合成法を用いて、カソード基板の基となるダイヤモンドプレート３０を作製する。そして、このダイヤモンドプレート３０を、ＣＦ４と酸素との混合ガスを用いたＲＩＥ法でエッチングして、上述した形状を有するエミッタ２４を形成する（図３Ａ参照）。なお、エミッタの形成方法は、ＲＩＥ法に限定されず、例えば、イオンビームエッチング法などでもよい。【００６５】  次に、スパッタ法を用いて、エミッタ２４の表面にＳｉＯ２膜（被膜）３２を被覆する（図３Ｂ参照）。この状態で、カソード電極１２の表面に、熱フィラメントＣＶＤ法を用いて絶縁性ダイヤモンドを積層し、ＳｉＯ２膜３２で被覆されたエミッタ２４の高さより低い絶縁層１４を形成する（図３Ｃ参照）。カソード電極１２に絶縁層１４を積層した後、この絶縁層１４の上に、熱フィラメントＣＶＤ法を用いて導電性ダイヤモンドを、ＳｉＯ２膜３２で被覆されたエミッタ２４が埋没してしまわない厚さだけ積層し、ゲート電極１６を形成する（図３Ｄ参照）。そして、最後にエミッタ２４を覆うＳｉＯ２膜３２をフッ酸でエッチング除去することにより、冷陰極電子源１０の製造が完了する（図３Ｅ参照）。なお、絶縁層１４及びゲート電極１６の厚さは、適宜変更してもよい。【００６６】  このような製造方法を採用することで、フォトリソグラフィを用いた従来の製造方法に比べて比較的悪い位置精度でも絶縁層１４及びゲート電極１６を形成することができる。ここで、参考のために、フォトリソグラフィを用いた冷陰極電子源の製造方法を示す。図４Ａ〜図４Ｅは、フォトリソグラフィを用いた冷陰極電子源の製造方法を示した図である。この方法では、まず、カソード電極１２の全体に、エミッタ２４が埋没する程度に絶縁層１４を積層する（図４Ａ参照）。そして、その絶縁層１４上にゲート電極１６となる金属膜１６Ａを積層し、さらにその上にフォトレジスト３３を積層する（図４Ｂ参照）。このフォトレジスト３３を積層した後、エミッタ領域３３ａ以外の部分を露光し現像することにより、エミッタ領域３３ａのフォトレジスト３３を除去する（図４Ｃ参照）。そして、このエミッタ領域３３ａの金属膜１６Ａ及び絶縁層１４を適当なエッチング液又はエッチングガスを用いてエッチング除去する（図４Ｄ参照）。最後に、フォトレジスト３３を除去して、冷陰極電子源１０の製造が完了する（図４Ｅ参照）。【００６７】  しかし、この方法では、上記のようにゲート電極１６と絶縁層１４とが、カソード電極１２のダイヤモンドと異なる材料でなければ作製は難しい。特に、絶縁層１４にダイヤモンドを用いた場合には、ドーパントが異なるだけのダイヤモンド製絶縁層１４とダイヤモンド製エミッタ２４のエッチング選択比が低いため、尖鋭なエミッタ２４を得るのが困難である。また、フォトリソグラフィを用いた冷陰極電子源１０の製造方法では、エミッタ領域３３ａの位置だしをおこなう必要があり、サブμｍ以下オーダの高度な位���出し技術が要求される。このような高精度の位置出しにおいては、高価な露光装置が必要となる上に、生産性が非常に低い。一方、図３Ａ〜図３Ｅに示した製造方法によれば、ＳｉＯ２膜が略均一の厚さでエミッタ２４を覆うので、高精度の位置だし及び位置合わせをする必要がない。そのため、ＳｉＯ２膜を用いる製造方法によれば比較的簡便な方法でエミッタ２４の周囲に絶縁層１４及びゲート電極１６を積層することができる。また、ダイヤモンドからなるカソード電極１２上に、ダイヤモンドの絶縁層１４をホモエピタキシャル成長させることで、従来材料からなる絶縁層よりも構造が緻密になり、高電圧に起因する絶縁層破壊の破壊強度が向上する。なお、エミッタ２４を覆う被膜は、ＳｉＯ２膜に限定されず、例えば、Ａｌ２Ｏ３膜のような酸化膜でもよい。【００６８】  以上、詳細に説明したように、冷陰極電子源１０は、アスペクト比Ｒが４であるダイヤモンドからなエミッタ２４を有しているため、高出力化が図られていると共に、カソード電極１２とゲート電極１６と間の静電容量の低減による高周波化が図られている。【００６９】  なお、エミッタ２４の形状は上述した形状に限らず、絶縁層１４の厚さを厚くしない場合には、図５に示すように、非先鋭化部分を有しないエミッタ形状であってもよい。また、電子放出孔の位置関係は、上述したようなマトリクス配列に限らず、図６に示すような点対称配列であってもよい。すなわち、カソード電極上のある特定の点（エミッタ２４Ｃの中心）から離れたエミッタ２４は、特定の点からの距離に応じた分だけ、対応する電子放出孔２０に対してズレている。そして、このズレは、エミッタ２４が特定の点から離れるに従い、対応電子放出孔２０のエミッタ２４に対する相対位置が特定の点から離れる方向である。このようにゲート電極１６の電子放出孔２０を配置し、ゲート電極１６にプラスの電圧を印加した場合、エミッタ２４から放出される電子は、エミッタ２４に近いゲート電極１６の縁の電界の影響を大きく受け、その縁の方向に放出方向が湾曲する。そのため、電子放出孔２０から放出される電子は上述の特定の点方向に集束し（静電レンズ効果）、冷陰極電子源１０から得られる電流の電流密度が向上する。なお、このようにエミッタ２４が電子放出孔２０の中心位置にない場合には、上述した被膜を用いる製造方法（図３Ａ〜図３Ｅ参照）ではなく、フォトリソグラフィを用いる製造方法（図４Ａ〜図４Ｅ参照）を利用する。【００７０】  続いて、上述した冷陰極電子源１０を利用したマイクロ波管（進行波管）について、図７を参照しつつ説明する。図７は、冷陰極電子源１０を利用したマイクロ波管３４を示した概略構成図である。【００７１】  このマイクロ波管３４においては、冷陰極電子源１０のカソード電極１２の面１２ａから放出された電子は、ウエーネルト電極３６、陽極３８並びに冷陰極電子源１０で形成された電界によって集束され、冷陰極電子源１０から離れるに従って径が縮小し、陽極３８の中心孔を通り抜ける。このようにして電子流（電子ビーム）は、磁石４０で作られる磁力線の影響を受け、一定ビーム径に集束されながら螺旋４２の内側を通り、コレクタ４４に達する。なお、螺旋４２を通り抜ける途��で、螺旋４２に沿って進む入力電磁波と電子ビームとが相互に作用し、電子ビーム中の直流エネルギを電磁波のエネルギに変換してこれを増幅する。このとき、電子線を高周波で変調すれば、Ｓ／Ｎ比の優れた増幅信号が得られる。【００７２】  このようなマイクロ波管３４に冷陰極電子源１０を用いた場合、上述したように冷陰極電子源１０は高周波及び高出力に対応できるため、マイクロ波管の周波数及び出力の向上を図ることができる。例えば、従来の進行波管では、ｋＷ級の出力を出せる最高周波数は１００ＧＨｚ程度であり、ジャイロトロンでもｋＷが出せるのは３００ＧＨｚ程度であった。ここで、冷陰極電子源１０のエミッタのアスペクト比を４以上にして静電容量を１／４程度に低下させた場合、電子ビームの変調周波数を従来の４倍にしても、電力損失を従来程度に抑制することができる。従って、従来ジャイロトロンでも実現が困難な４００ＧＨｚという高周波数及びその周波数に対応する高出力領域まで、マイクロ波管３４の周波数及び出力を向上させることができる。【００７３】  本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、エミッタ２４のアスペクト比Ｒは４に限定されず、４より大きい値でもよい。このようなアスペクト比を有するエミッタを形成することにより、冷陰極電極のさらなる高周波化が図られる。また、冷陰極電子源１０は、マイクロ波管３４だけでなく、ＣＲＴや電子線露光用電子源など、高周波、高出力を必要とするあらゆる電子放出装置に用いることができる。【００７４】  次に、上述した冷陰極電子源及びマイクロ波管の実施例を示す。【００７５】  （実施例１）  実施例として、カソード電極及びエミッタを導電性ダイヤモンドで作製した。その方法を以下に示す。【００７６】  まず、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて、（１００）配向のＩｂ単結晶ダイヤモンドの上に、ホウ素をドープしたダイヤモンド薄膜をホモエピタキシャル成長させた。成膜の条件は以下のとおりである。【００７７】  ダイヤモンドの合成に用いるガスの流量と組成は、水素ガス（Ｈ２）流量を１００ｓｃｃｍとし、ＣＨ４とＨ２との比は６：１００である。また、ホウ素（元素記号：Ｂ）ドーピングガスには、ジボランガス（Ｂ２Ｈ６）を用いた。このジボランガスとＣＨ４ガスとの流量比は１６７ｐｐｍである。また、このときの合成圧力は４０Ｔｏｒｒである。本実施例に用いたマイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚ、出力は３００Ｗであり、ダイヤモンド合成中の試料温度は８３０℃であった。また、合成後の薄膜は３０μｍであった。【００７８】  次に、このダイヤモンドをエッチングしてエミッタを形成した。その形成方法は、まず、スパッタ法でＡｌを０．５μｍ成膜し、フォトリソグラフィで直径１．５μｍのドットを作製した。次に、容量結合型ＲＦプラズマエッチング装置を用いて、ＣＦ４とＯ２ガスとの流量比１：１００、ガス圧力２Ｐａ、高周波電力２００Ｗの条件下でエッチングをおこない、エミッタを形成した。形成されたエミッタの形状は、先鋭化部部の底辺の幅（Ｌ）が０．９μｍ、高さ（Ｄ）が約８μｍ、傾斜部分の高さ（Ｈ）が４μｍであった。すなわち、アスペクト比Ｒは４．４であった。また、このエミッ���の間隔は３μｍであり、その密度はおよそ１１１１万個／ｃｍ２であった。【００７９】  （実施例２）  実施例として、マイクロ波管に用いる冷陰極電子源を作製した。以下にその方法を示す。【００８０】  まず、（１１１）配向のＩｂ単結晶ダイヤモンド基板に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いてリン（元素記号：Ｐ）ドープダイヤモンド薄膜を形成した。合成条件は、水素ガスを流量４００ｓｃｃｍ、ＣＨ４とＨ２との比０．０７５：１００である。また、ドーピングガスはＰＨ３（ホスフィン）を用いた。なお、ＰＨ３とＣＨ４との流量比を１０００ｐｐｍとした。合成圧力は８０Ｔｏｒｒ、マイクロ波出力は５００Ｗであり、合成中の試料温度は９００℃であった。また、合成した薄膜の膜厚は１０μｍであった。【００８１】  次に、このダイヤモンドをエッチングしてエミッタを形成した。その形成方法は、まず、Ａｌをスパッタ法で０．５μｍ成膜し、フォトリソグラフィで直径２．５μｍのドットを形成した。そして、容量結合型ＲＦプラズマエッチング装置を用いて、ＣＦ４とＯ２との流量比を１：１００、ガス圧力を２５Ｐａ、高周波電力２００Ｗとしてエッチングをおこない、エミッタを形成した。形成されたエミッタの形状は、底辺の幅（Ｌ）が１．２μｍ、エミッタの高さ（Ｄ）及び傾斜部分の高さ（Ｈ）が約５μｍであった。すなわち、このエミッタの側面は、エミッタの先端から底辺までほぼ傾斜しており、アスペクト比Ｒは約４．２である。【００８２】  次に、絶縁層の形成に先立ち、スパッタ法を用いて、エミッタ表面にのみＳｉＯ２膜を成膜した。以下、この成膜の手順について、図８Ａ〜図８Ｇを参照しつつ詳細に説明する。まず、エミッタ２４の表面にＳｉＯ２膜（被膜）３２ａを被覆する（図８Ａ参照）。これにレジスト３２ｂを塗布した後（図８Ｂ参照）、酸素プラズマでレジスト３２ｂをエッチングして、ＳｉＯ２３２ａの頭頂部分を露出させる（図８Ｃ参照）。この上にスパッタでＭｏレジスト３２ｃを成膜する（図８Ｅ参照）。これをアセトンで超音波洗浄すると、Ｍｏレジスト３２ｃが除去されて突起周辺のみＭｏレジスト３２ｃが残留する（図８Ｆ参照）。これをフッ酸でエッチングすると、フッ酸に不溶なＭｏがマスクとなって突起周辺のみＳｉＯ２３２ａが残留する。これを王水でエッチングすると、エミッタ２４はＳｉＯ２３２ａのみで被覆された状態となる（図３Ｇ参照）。この状態で、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置に絶縁層用ダイヤモンドを成膜すると、ＳｉＯ２膜がマスクとなり、エミッタ以外の部分に絶縁性ダイヤモンドが形成される。成膜条件は、ジボランガスを用いない点でのみ、上述した実施例１と異なる。また、絶縁性ダイヤモンド（絶縁層）の膜厚は４．８μｍであった。【００８３】  さらに、ボロンドープダイヤモンドを０．２μｍ成膜してゲート電極を形成した。ゲート電極の電子放出孔の直径（Ｇ）は、約１μｍであった。【００８４】  このように形成した導電性ダイヤモンドに、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを成膜して制御用の電極を形成し、図７に示すマイクロ波管３４に電子源１０として取り付けた。電子源１０からは、連続動作で１５０Ａ／ｃｍ２の電子線が安定して得られた。電子線は、螺旋（低速波回路）４２を通過中に入力信号��相互作用を起こし、増幅された信号を出力した。
【産業上の利用可能性】
【００８５】  本発明によれば、高周波化と高出力化の両立が図られた冷陰極電子源と、これを用いたマイクロ波管及びその製造方法が提供される。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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