(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビーム装置であって、
気体を透過させない材料から形成され、一方の端部に配置される開口部を有する室を定めるガラスからなる本体と、
前記本体に位置決めされ前記開口部を覆う結晶性基板とを含み、前記結晶性基板は前記本体に取付けられて本体とともに流体を通さない封止を形成し、前記本体は概ね気密性の室を形成し、前記結晶性基板は、前記開口部に近接して配置される薄くて電子を透過させ気体を透過させない単結晶の膜を含み、前記膜は第１および第２の対向する主表面を有し、前記電子ビーム装置はさらに、
前記膜に関して遠方に位置決めされる、前記室内で電子を発生させるための手段と、
前記電子を発生させるための手段と電気的に連絡するとともに、前記膜に向けて前記電子を加速させる、シリコンよりなる結晶性アノードとを含み、この結晶性アノードは、前記本体と前記結晶性基板との間に配され、かつ、前記本体および前記結晶性基板のそれぞれに結合されている、電子ビーム装置。
【請求項２】
前記第２の主表面に近接して少なくとも１つの支持構造が横切る開口部が貫通する前記本体に取付けられる結晶性の層をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記本体に取付けられ、前記第２の主表面に近接する開口部を定める固体の層をさらに含み、前記固体の層は前記開口部と流体で連通する複数のマイクロチャネルを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記マイクロチャネルを流れ前記第２の主表面を通過する流体をさらに含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記主表面の少なくとも１つは複数の窪んだ領域を含み、複数の窪んだ領域は前記複数の窪んだ領域を分離させる少なくとも１つの隆起部を定める、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記膜は前記第１および第２の主表面の少なくとも１つに沿い圧縮される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記アノードに接続され前記アノードに衝突する前記電子の流れをモニタするための手段をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第２の主表面に近接して間隔をおかれて設けられる、第２の、電子を透過させ気体を透過させない単結晶の膜と、
前記膜の間に配置される熱交換流体とをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記流体は前記室内の圧力よりも大きく前記本体の外側の周囲圧力よりも小さな圧力を有するため、前記流体は前記室と前記周囲圧力との間の差圧と比較し、前記膜への差圧を減じさせる、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の主表面に近接して配置される乱流を伴う流体をさらに含み、前記膜からの熱は前記第２の主表面から迅速に移動する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２の主表面に共通する温度および圧力でのならびに前記膜の融点よりも低い沸点を有する、前記第２の主表面に近接して配置される流体をさらに含み、前記流体は前記第２の主表面に近接して液体状態から気体状態へと変化するため、熱が前記膜から吸収される、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記流体は前記第２の主表面を横切り移動する流体のパルスで配置され、前記電子は前記膜を通して移動する電子パルスで配置され、前記流体パルスおよび前記電子パルスは前記膜を概ね別のときに通過する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記単結晶は本質的にＩＶ族の原子種からなる、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記単結晶は本質的にＩＩＩ族およびＶ族の原子種からなる、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は改良された窓およびアノードを有する電子ビーム管に関する。
背景技術
電子ビーム発生のための真空管は、自由電子の発生および加速を低圧力環境でうまく行なうことができるので、長年にわたり知られている。たとえば、テレビ受像管のような装置では、加速された電子を用いて、後に見るための光を照射する燐光スクリーン上のポイントを励起する。
電子ビームを真空管の低圧力環境の外での使用を目的として真空管内で生成するために、電子を管の外には出すが周囲圧力の気体の侵入を妨げる窓が開発されている。そのような窓を透過する電子のビームは結果として窓を破壊する熱を生じさせる可能性があるため、このような窓を冷却する手段もまた開発されている。
米国特許第３，４８６，０６０号で、スワンソン（Swanson）は、冷却ガスの層流を金属の窓を通して導くための多数の角度をつけたオリフィスを使用することを教示している。マッカーン（McCann）他への米国特許第３，５６２，７９３号はまた、ガスの層流を用いて荷電粒子に対し外部から金属の窓を冷却することを教示している。
エンジ（Enge）への米国特許第３，６２９，５７６号は、加速器官において使用するための集束電極について述べており、この電極は一般に、荷電粒子が通過する開口部が中央にありその開口部を取囲むように窪みが対称的に変化するプレートとして成形されるものである。
ドーティ（Daugherty）他は米国特許第３，７０２，９７３号で、レーザまたはオゾン発生器について述べており、この発生器では、フィラメントから放出されることにより発生する電子が、電子を通過させる複数の孔を有し、正の電位に保たれているプレートに向かって加速され、この孔は金属の隔壁で覆われており、この隔壁を通して電子が透過し酸素のような気体に到達する。ダグラス−ハミルトン（Douglas-Hamilton）への米国特許第３，８８３，４１３号は、パルス電子ビームおよび減衰する電界を用いる装置を使用することを開示している。米国特許第４，０９５，１１５号で、オー・ジュニア（Orr, Jr.）他は、金属の窓およびオゾンを生成するための近接する高速の酸素ガスを利用する中空のカソードプラズマ放電装置を開示している。
ローダ（Loda）他への米国特許第４，４０９，５１１号は、荷電粒子加速器のための相転移冷却システムについて述べており、この冷却システムは霧状にされた気化可能な液体を金属またはプラスチックからなる荷電粒子窓に導くことを含む。米国特許第４，４６８，２８２号で、ニューカーマンズ（Neukermans）は、インクジェットプリンタにおいて使用するための非晶質の薄膜の窓を作製する方法を教示している。
米国特許第４，７６４，９４７号で、レセンスキ（Lesensky）は、金属アノードに衝突する電子によりｘ線を生成するためのカソード集束配置について教示している。フランツェル（Franzel）他への米国特許第４，８２５，１２３号は、カソードカップが２個として製造されカソードまたはフィラメントの損傷を最小限にとどめるｘ線管を製造するための方法を開示している。
ケリー（Kelley）への米国特許第５，０９３，６０２号は、非晶質の窒化ホウ素からなる電子を透過させる膜を通して導かれる電子ビームを用いて液体の分散を促進することができる、流動性材料の流れを噴霧するための装置について教示している。米国特許第５，２１０，４２６号で、イトウ（Itoh）他は、Ｔｉ−Ａｌ複合物からなる電子を透過させることができる窓を含む電子ビーム装置を教示している。最後に、ヤコブ（Jacob）他への米国特許第５，２３５，２３９号は、粒子加速器のための種々のホイル窓構造について教示している。
低電圧の電子ビームが特に所望される多数の応用例では、この分野におけるさらなる改良が要求されている。
発明の概要
本発明は電子ビーム装置において、電子を透過させ気体は透過させない窓のために単結晶の膜を用い、かつ整合結晶質アノードを用いる。このような結晶質の膜の冷却の必要性は、先行技術において典型的な金属ホイルの膜の冷却の必要性とは異なっているため、新規の冷却装置もまた開示される。
単結晶の膜の規則正しい結晶格子は、多結晶質または非晶質の材料からなる先行技術の窓よりも、電子を容易に膜を透過させ、より低い電圧を印加したり低エネルギの電子を生成したりすることを可能にする。同時に、このような膜の規則正しい結晶格子により、気体または液体の分子が膜を透過することが防止される。単結晶の強度はまた非常に優れているので、このような材料から形成される膜をさらに薄くし、さらに電子の高い透過性をもたらすことができる。このような単結晶はまた、膜を横切る電子の散乱を減少させる、比較的原子番号の小さな素子から形成することができる。ビーム発生装置において電子窓のために単結晶の膜を使用すると、その他のタイプの窓では見られない特性の組合せが得られることになる。
電子ビーム装置に対し結晶質のアノードを用いることにはまた、多数の利点がある。上記のように、単結晶は優れた強度をもたらし、シリコンのような結晶はガラスに陽極結合可能なため、結晶質のアノードはガラスの真空管に対し好都合でかつ強度の高い前端部を提供できる。半導体処理技術を利用して、そのようなアノードを成形することができるので、ある実施例では、単結晶の窓を単にアノードのエッチングされた部分で形成することができる。他方、窓がアノードとは別個に形成される場合、アノードおよび窓の材料が整合する熱膨張率を有するように選択することができる。
本発明はまた、単結晶の膜およびアノードを備える電子ビーム発生装置を製造するための方法を含む。本発明のある実施例では、単結晶の膜は、シリコンウエハなどの単結晶の基板を選択的にエッチングし、所望の大きさの窓を残すことにより形成される。他の実施例では、単結晶の成長を促進する整合格子定数を有する結晶質の基板の上に単結晶の膜を成長させ、その後窓を塞いでいる基板の部分がエッチングされる。いずれの実施例でも、残余の基板は膜を真空管装置の残りの部分に取付けるための手段として働くことができ、アノードとしての働きをすることもできる。膜を囲んでいる基板をエッチングして、膜の外側表面にわたり冷却液を導くためのチャネルを形成することもできる。同様のチャネルを膜にわたって延在させ、非常にエネルギの小さな電子ビームの生成を可能にする、同じ材料からなり支持する細長い隆起部により分離される、非常に薄い窓の列を作製することができる。したがってたとえば、１つのシリコンウエハを機械加工して、真空管のための、一体化された前端部、アノード、窓、冷却および支持構造を与えることができる。
膜の冷却は種々の方法で行なうことができる。熱交換流体を種々のパターンで膜の外側表面を通るように流し、熱を膜から移動させることができる。この流体を使用中膜と同じ温度および圧力での沸点を有するように選択し、流体を気化させることにより膜から熱を吸収することができる。第２の電子を透過させることができる膜を近くに設け、流体の流れを膜の近くの領域に限定することによって双方の膜を冷却することができる。マイクロチャネルの列を膜の外側表面に隣接して形成して、冷却液の噴流が外側表面を通るように導き、膜から熱を急速に移動させることができる。膜の厚みが比較的小さく熱伝導率が高いことにより、外側表面の冷却が膜全体の冷却を迅速にもたらすようにできる。
このような電子を透過させる窓を備えるビーム発生装置により生成できる低エネルギの電子には、多数の有用性のある応用例がある。多数の低エネルギ電子を有するビームにより、重合体の架橋または切断を有利に行なうことができる。低エネルギ電子で何らかの結像の応用をうまく行なうことができる。オゾンのような揮発性の気体の発生が、液体の噴霧のように、本発明の装置を用いてまた可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の電子ビーム装置の断面の側面図である。
図２は、通常は図１に向けられる、図１の装置の最上部の断面側面図である。
図３Ａは、本発明のシリコンアノードの平面図である。
図３Ｂは、図３Ａのアノードの平面図であり、この上にマイクロチャネル冷却スロットおよび膜を含む基板が取付けられる。
図４は、リセスを分離させる隆起部を備える膜を有する、図１の装置の平面図である。
図５は、別々のアノード、膜および膜のための隆起部のあるサポートから形成される電子ビーム装置の前端部の分解斜視図である。
図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃは、図３Ｂの単結晶膜およびマイクロチャネルの形成ステップを示す。
図７Ａは、単結晶膜の対の断面の側面図である。
図７Ｂは、図７Ａの膜に近接するマイクロチャネルの断面の側面図である。
図８は、集束素子および排出の前に外側に曲げられた単結晶膜を含む電子ビーム装置の側面図である。
本発明を実施するためのベストモード
図１を参照して、電子ビーム装置１５は、種々の形状を有することが可能で、薄く単結晶で電子を透過させ気体を透過させない膜２０を中央に備える基板１９により覆われる、真空管の壁１８を有する。管の壁１８内の中央には、膜２０に面するカソード２５の開口部を除いてはカソード２５によって囲まれている長い熱電子フィラメント２２がある。フィラメント２２およびカソード２５は、接地電位に近い窓の電位に関し、−１０から−２００キロボルト（ｋＶ）の範囲をとり得る大きく負の電位で維持される。ｎ型シリコンウエハから形成できる基板１９は、フィラメント２２から電子を引き寄せるアノードの役割を果たすことができる。
多数の管のピン２８が装置１５の後端部３０を貫通しており、機械的な支持をもたらし、かつフィラメント２２およびカソード２５に対する電気的接続を与える一方で、装置１５内の気密性の室を保っている。フィラメントピン３２および第２の隠されたピンが、熱電子放出により電子を発生するために、絶縁性ブロック３８内でフィラメント２２に接続される、金属−ガラス封止またはフィードスルー搬送電極３４および３６により、本体に接続される。サポートピン４０および４２は、カソード２５を支持するブロック３８を支持する。カソード２５には、フィラメント２２で発生される電子を膜２０に向けて加速するために、フィラメント２２の電位と少なくとも同じ負の電位が与えられる。ワイヤ４４は、図示されていない接続を介して負の電位をカソード２５に与え、ワイヤ４４は装置１５の後端部３０から突き出したカソードピン４６に接続されている。装置１５を１０-4Ｔｏｒｒなどの低圧にすることができ、その後ガラス封止４８が後端部３０に取付けられる。
膜２０は壁１８における開口部５０の最上部に設けられる。この図面では大きさは反映されていないが、通常はガラスからなる壁１８は、厚みｔが１から５０ミクロンであり得る膜２０よりも何倍も厚い。膜は基板１９で囲まれており、基板は膜２０の内側表面５２と共面であるが強度および壁１８への装着のために膜の外側表面５４を越えて延在する内側表面を有する。基板１９の厚みｔは、１ｍｍと１ｃｍの間の範囲とすることができる。膜２０の内側表面５２に衝突する低エネルギの電子さえもが相対的に摂動が生じていない膜２０を透過し、カソード２５およびフィラメント２２に与えられる電圧および電流から容易に予測および操作されるエネルギおよび運動量の特性で、外側表面５４から出ることができるように、膜の厚みｔは、最小にされる。しかしながら、厚みｔをあまりにも小さくすると、膜２０が一般に受ける圧力の相違および温度では、膜２０に加えられる応力が膜２０を形成する材料の強度を超えるため、膜の厚みをそれほど小さくすることはできない。この理由のため、膜２０を形成する材料の強度を最適化する必要がある。
単結晶から形成される膜２０の強度は高く、さらに膜２０の結晶格子は規則正しい原子配置を有するため電子は比較的乱されずに透過できることがわかっている。ある概算では、物質を通して移動する電子が出会う主な障害物は、その物質を形成する原子の核である。単結晶では、この核は、一連の線に整列する点の配列としておよそ考えることができる格子に配置される。同じ理由で、これら障害物のラインから外れた一連の経路が存在する。この経路を整列する軌跡を移動する電子は、薄い膜を透過する可能性が高い。電子の透過を妨げる原子核の相互作用は、原子番号が増大するにつれて増し、したがって膜２０を原子番号の低い原子から形成することが好ましい。幸運にも、ダイヤモンドおよび単結晶ホウ素窒化物のような最も硬い材料のいくつかは、およそ１２という一般に低い原子番号を有する。これらの材料はまた、熱伝導体としてではなく絶縁体として一般に振る舞う好ましい特性を有する。
さらに、単結晶の膜２０は気体の流れを透過させないという利点を有する。電子の１０００倍以上の大きさになるかもしれない気体分子は、大きすぎて単結晶格子の枠組みを通過することができない。これは、結晶構造における欠陥が気体分子が膜を曲がりくねりながら通ることを許す、多結晶の材料からなる膜と対照的である。このような欠陥は使用中伝搬する傾向があり、膜の欠陥を促進するものである。金属およびガラスなどの非晶質材料もまた、気体分子をいくらか透過させる可能性があり、これがガラスの壁１８を膜２０よりも厚くしなければならない理由の１つである。
一般に、本発明の単結晶の膜２０は、４族のダイヤモンド（Ｃ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、単結晶シリコン（Ｓｉ）、単結晶ゲルマニウム（Ｇｅ）から、または窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、リン化ホウ素（ＢＰ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの３族の材料、またはこれらの元素のうち少なくとも３つを有する化合物から形成される。これらの材料の中には、エッチングを施されることにより所望の大きさの単結晶膜２０を形成することができる基板１９として、市場で入手できるものもある。他の所望の材料は、半導体処理技術においては既知である、市場で入手可能な単結晶基板と格子が整合しているエピタキシャル成長化合物により製造できる。気体を透過させず電子を透過させる本発明の窓にとって好ましい厚みｔまで膜２０を欠陥なく単結晶成長させるには、膜２０の材料の格子定数を、基板の格子定数に０．１％内で整合させねばならない。次に基板１９をエッチングし、所望の材料からなる単結晶膜２０を形成できる。
単結晶シリコンなどの単結晶材料は、半導体処理技術において既知であるように異方性エッチングを施して正確な大きさにすることができる。基板１９のエッチングは、ガラスの壁１８に取付けるためかつ強度を増大させるために膜２０のまわりで基板１９の厚い部分を残すように行なうことができる。膜２０の厚みは、基板の選択性エッチング後に残るエッチストップ層を注入することにより正確に制御できる。エッチストップ層はまた、その層に注入されるイオンが結合距離の異なる結晶格子の原子と置換わるので、膜２０に張力をかけるまたは加圧する手段をもたらす。加えて、基板１９をエッチングして、動作中に使用して流体を冷却のために膜２０の外側表面５４を通して導く１つまたは複数のチャネルを製造することができる。その代わりとして、基板をエッチングして、より厚い隆起部により分離される薄い窓の配列を作成することができる。隆起部によりもたらされる強度により、窓をより薄くすることができ、低エネルギの電子の透過を可能にする。
次に図２を参照して、この図ではカソード２５は一般的に放物線状の断面を有するように見え（図１の垂直方向に見た一般的に矩形の外形と比較した場合）、ブロック３８からアーチ型をなし、チューリップの花の花びらのようにフィラメント２２を囲んでおり、電子を一般にストライプ形状のパターンで膜２０に集束させる。曲線ＡおよびＢは、フィラメント２２から放出され、カソード２５の負の電圧と膜２０の接地電圧との間の電界により加速される電子の２つの可能な軌跡を表わしている。カソード２５は、電子をストライプ形状のパターンの長さ以内で膜２０に集束させるように働く、図１に示された端部の壁５８を有してもよい。
半導体ウエハにおいて一般に用いられるのと同様のドーピングされたシリコンからなる基板１９は、基板１９により阻止される電子の流れを測定する電流計５７および５９に接続される。基板１９に比較して膜２０は相対的に薄いため、膜２０に衝突する電子と比較して基板１９にはより多くの割合の電子が衝突して、電流を電流計５７および５９に与え、どれだけ正確に電子が膜２０に集束したかを測定できる。基板１９と比較して膜２０が相対的に薄いため、膜２０は電流の流れに対する抵抗性のバリアとして働き、そのため電流計５７における電流を電流計５９における電流と比較して、基板１９のどちら側により多くの電子が衝突しているかを測定し、電子ビームをそれに従って集束させることができる。
図３Ａは、真空管の壁１８と同様の厚みにすることができるシリコンスラブ６１の最上部を示しており、スラブ６１は、この図には示されていないが壁１８の端部に接着されるサポートとしての役割を果たす。スラブ６１は、電子を通過させる矩形の孔６２を設けるためにレーザ、鋸または他の機械加工装置を用いて切り取られている。スラブ６１はドーピングされたシリコンからなるものでもよく、アノードとして働いてもよい。スラブ６１は、好ましくは図１に示されるガラスの壁１８に陽極結合される。
図３Ｂを参照して、基板１９および膜２０はスラブ６１の最上部に、好ましくはまた陽極結合によって取付けられる。この目的のために、シリコン二酸化物ＳｉＯ2の薄膜を、スラブ６１および基板１９の近接する表面のいずれかまたは双方に成長させる。膜２０の面積は孔６２と同様小さく、一方基板１９の面積は孔６２よりも大きいので、基板１９は膜２０を支持することができ一方では電子はスラブ６１により乱されずに孔６２を通り膜に衝突する。
膜２０は、膜の幅ｗを長さｌに対して最小にしてその幅に沿うポイントでは膜の応力が低下するようにして、大きな面積で電子の透過が可能になるようにして、真空の室の損傷を回避するために、ストライプ形状をしている。膜の長さｌの両側に沿い、流体を膜２０の外側表面５４にわたって導くのに使用できる一連のマイクロチャネル６０が配置されている。マイクロチャネル６０は、半導体処理技術では既知である基板１９の異方性エッチングにより形成される。基板１９を電気的に接地させてもよく、または１つ以上の電流計に接続してもよい。
図４では、単結晶膜２０の代替実施例は、強度を増すために膜２０を横切る一連の畝または隆起部６３を有しており、隆起部６３の間の膜２０の窪み６４を薄くすることができる。一連の隆起部および窪みは、マイクロチャネルの形成と同様エッチングにより形成される。膜２０の長さｌに沿い、窪み６４は隆起部６３よりも５倍から１０倍幅が広く、したがって膜２０に衝突するほとんどの電子は、窪み６４を通して通過する。上記のように、基板１９はスラブ６１の最上部に装着されるが、この場合スラブ６１はより大きな孔を有しており、より大きな膜２０を可能にしている。窪み６４は各々、約数百μｍの、窓の長さｌに沿う大きさおよび１から数ｍｍをとり得る幅ｗの大きさを有してもよい。隆起部６３は各々、窪み６４と同様の幅ｗに沿う大きさ、および長さｌに沿う窪み６４の大きさの５分の１から１０分の１の長さｌに沿う大きさを有する。窪み６４の厚みは、長さｌおよび幅ｗに直交する方向に、０．５μｍと５μｍとの間の範囲の厚みを有してもよい。
図５は代替実施例の分解図であり、シリコンまたは適合するその他の材料からなるさらなる層５６が孔６２の上方でスラブ６１と基板１９との間に挟まれている。層５６は、薄くストライプ形状の膜２０に近接し、これを支持する一連の隆起部５３を有する。膜２０を有しているので、図示のようにこの実施例におけるサポート隆起部５３および孔６２が別の層にあることにより、別々の層を異なる装置およびプロセスで別々に刻むことができるので、より効率的な製造が可能である。好ましくは、スラブ６１、層５６および基板１９はすべてシリコンから形成され、壁はパイレックスガラスから形成されるので、異なる要素の熱膨張係数は共通する動作温度で整合し、電子ビーム装置１５は広範囲にわたる温度変化に耐えることができる。
図６Ａ−６Ｃでは、図３Ｂの膜２０を形成するのに使用されるプロセスが示されており、このプロセスは、膜２０がエピタキシャル成長する結晶基板１９を示す図６Ａで始まる。基板１９の結晶格子が、膜２０の結晶構造を決定する。この理由のため、膜の材料の結晶格子は、基板の結晶格子と整合する必要があり、一方基板は単結晶である必要はなく、膜が上で成長する表面は欠陥のない結晶性パターンを表わさねばならない。このような格子整合および欠陥のない表面を与えられると、欠陥のない単結晶を、半導体プロセス技術には一般的である、低圧化学蒸着（ＬＰ−ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）またはその他の技術により成長させることができる。図６Ｂは図６Ａに関し垂直に反転させたものであり、基板１９は膜２０の幅ｗを横切るようにエッチングされている。図６Ｃでは、基板１９および膜２０は図６Ｂに関して垂直方向に向けられており、マイクロチャネル６０の配列が膜２０の長さｌに沿い基板１９に異方性エッチングされている。
その代わりに、シリコンなどの市場で入手できる単結晶基板１９を、所望の大きさの膜２０を残す量だけ異方性エッチングし、所望であればマイクロチャネルまたは他の構造を形成するようにエッチングすることができる。この実施例では、図６Ａの層２０はまた、ドーピングされたウエハ１９におけるエッチストップ層を示している。このようなエッチストップ層２０は、ウエハ１９の導電型と比較して反対の導電型のイオンを層２０に注入することによって形成できる。この方法はまた、膜に伸長または圧縮をもたらすのに使用できる。たとえばもし、ウエハ１９が主としてシリコンであるかｎ型の導電性のためにヒ素イオンでドーピングされ、膜２０になるエッチストップ層が、ｐ型導電性のためにホウ素でドーピングされるならば、結晶格子のエッチストップ層２０は、ホウ素の結合距離はヒ素の結合距離よりも小さいため、ｎ型のウエハ１９よりも結合距離が短くなる傾向がある。その結果膜２０に張力がもたらされる。なぜなら膜の結合が機械的に優性なウエハ１９の結合距離に見合うように延ばされるためである。他方、膜２０がヒ素でドーピングされ、ウエハ１９がホウ素でドーピングされている場合、この反対の結果が生まれ、膜２０はウエハ１９により圧縮状態にされる。
図７Ａおよび７Ｂは、本発明の代替の電子窓実施例を示しており、第２の単結晶の電子を透過させ気体を透過させない膜６５および基板６７が、膜２０および基板１９と整列している。図７Ａでは、第２の膜６５は第１の膜２０から間隔が設けられており、冷却液は膜２０および６５の間で流れることができる。膜２０および６５は非常に薄く熱伝導性があるため、主表面の冷却が膜全体を迅速に冷却することになる。膜２０および６５の間に冷却液を流すことにより、この液体を主表面近くで通過させて冷却を促進することができる。図７Ｂは、図７Ａの膜２０および６５ならびに基板１９および６７の断面図を示しており、マイクロチャネル６０の壁が基板６７のマイクロチャネル７０の壁と整列して、支持をもたらし、かつ液体が膜２０および６５間の空間に出入りすることを可能にしている。
膜２０および６５の間に形成されるプレナムを、真空管１５内の圧力と真空管１５の外の周囲圧力との間の圧力で維持することができる。この圧力整合方法のお蔭で、膜２０および６５各々を薄くできる。なぜなら、各膜にわたる圧力の相違が小さくなり、この圧力の相違により生じる応力に耐えるのに必要な厚みに膜２０および６５の厚みを減じることができるからである。
膜２０または膜２０および６５の冷却は、種々の方法で行なうことができる。マイクロチャネル６０に、外側表面５４近くでその表面５４と平行の高速の流れとして外側表面を通るように導かれる高速の流体を与えることができる。この方法では、外側表面に近接しその表面からの熱の流れを妨害する流体の層流に共通する、停滞した一般的に熱伝導性のない層は、形成されない。他方、外側表面５４のまわりに配置されるマイクロチャネル６０を、表面５４近くの圧力よりも低い圧力で維持し、表面５４から流体を吸引し、その表面５４からの流体により得られる熱を同様に取除くことができる。最高の電流密度になり最高の加熱を受ける表面の一部になりやすい、外側表面５４の中央近くに冷却液を導入し、冷却液がマイクロチャネル６０に向かい外側に移動するときに膜を均一的に冷却することができる。マイクロチャネル６０を用いて少量の気化可能な液体を外側表面５４に与えて、特に外側表面が内側表面５２の上方に垂直方向である場合に、液体の薄膜を外側表面５４の上に形成できる。液体の薄膜は、膜内ではなくメカニズムでの気化による好ましい熱交換特性を有することができる。冷却のために外側表面５４に与えられる液体が、装置１５の動作を妨げる残留物を残さないことが重要である。高純度の不活性ガスを、高純度の水、アルコール、またはその他の非粘性の液体のように、冷却のために使用することができる。冷却液を、表面５４から離れた場所よりも大きな圧力で外側表面５４に与えて、既知の熱力学の法則に従い、液体の膨張により、液体によりさらなる冷却がもたらされるようにすることができる。こうした何らかの冷却方法は、上記の、外側表面５４に近接する種々の構成と液体で通じるように接続された、市場で利用できる液体（気体または液体）ポンプを用いて可能である。
図８を参照して、本発明の他の実施例は、電子を膜２０に向けてより良く集束させるように電子の軌跡を制御するのに使用できる、１対の集束プレート７８およびいくつかの磁気コイル８０の巻線を有している。集束プレート７８はカソード２５から間隔が置かれており、ピン８２および８３を通して、ビームを膜２０に集束させるのに必要な作動電圧を供給できる。フィラメント２２および膜２０の間の想像上のラインと概ね同軸である軸を有するコイル８０にＤＣ電流を与えることにより、電子はカソード２５により膜２０に向けて加速されるが、そのラインから方向を変えて離れ、膜に向かうラインのまわりで螺旋状に進む。さらに、コイル８０の数個の巻線により発生する磁界は、コイル８０内で巻線近くで最も強くなり、フィラメント２２および膜２０を接続する想像上のライン近くでは弱くなり、それによって電子をさらに膜２０に向けて集束させる。
真空管装置１５内よりも外側では圧力が大きいため一般に内側に曲げられる膜２０は、この実施例では装置１５の排気の前に外に向けて曲げられている。後に、装置１５から排気されるとき、曲げられた膜２０は平らに引っ張られ膜２０を強化する。この「予め曲げておくこと」は、たとえば、シリコン二酸化物ＳｉＯ2の薄い層を、単結晶シリコン膜２０の内側表面になるところの上に、上昇させた温度で成長させることによって可能である。
上昇させた成長温度から温度が低下するにつれて、シリコンよりも熱膨張係数の高い酸化物層は、シリコンよりも収縮し、膜２０が酸化物層に対するシリコンの圧縮のために外側に曲がることになる。装置１５がその後真空になるとき、膜２０のシリコンはさらに、膜２０が平らになるにつれて圧縮される。膜はさらに、膜２０を含む層のガラスの壁１８への陽極結合に続き、壁１８が冷却の際に膜２０よりも収縮するにつれて、同様の効果によりさらに圧縮する。圧縮した膜２０は、張力の下に引き延ばされる同様の膜よりも強く、圧縮された膜２０は張力の下で増加する孔を発生させることは少ない。膜圧縮のための他の手段は、上昇させた温度で膜が結合される膜１８または基板１９よりも熱膨張係数が低い単結晶膜２０材料を選択すること、または膜にドーパントを注入することを含む。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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