(57)【要約】本発明の態様に従ったシステム及び方法により、カーボンナノチューブが用いられた真空装置を上手く生産することができる。一態様において、カーボンナノチューブが用いられた真空電子装置を製作する方法は、カーボンナノチューブを基板上に成長させてカソードを形成するステップと、カソード、アノード、及び、位置合わせスロットを備えた第一層を有する積層体を組み立てるステップと、積層体を組み立てるステップにおいて、小球が位置合わせスロットから突出し、それにより、第一層を隣接層から隔離するように、小球の一部を位置合わせスロットに配するステップと、積層体を真空気密容器に封止するステップとを含む。
2016504714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブが用いられた真空電子装置を製作する方法であって、
カーボンナノチューブを基板上に成長させてカソードを形成するステップと、
前記カソード、
アノード、及び、
位置合わせスロットを備えた第一層
を有する積層体を組み立てるステップと、
前記積層体を組み立てるステップにおいて、小球が前記位置合わせスロットから突出し、それにより、前記第一層を隣接層から隔離するように、前記小球の一部を前記位置合わせスロットに配するステップと、
前記積層体を真空気密容器に封止するステップと
を含む方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記積層体を組み立てるステップは、自動式又は半自動式の精密機器を用いてピックアンドプレース組み立て法で前記積層体を組み立てるステップを含む方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、前記積層体はさらに、別の電極を有する方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、前記別の電極は、抽出グリッド電極、ゲート電極、及び、集束電極のいずれかである方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記別の電極は、抽出グリッド電極及びゲート電極のいずれかであり、微細加工されたシリコングリッド及び電鋳された金属メッシュのいずれかから成る方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、前記別の電極は、電鋳された金属メッシュから成り、当該電鋳された金属メッシュは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）グリッド及び標準のフィルターメッシュのいずれかである方法。
【請求項７】
請求項３記載の方法において、前記積層体はさらに、誘電体層を有する方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、前記誘電体層は、環状マイカ及び環状セラミックのいずれかである方法。
【請求項９】
請求項７記載の方法において、前記誘電体層の厚みは、約１０μｍ〜約１００μｍである方法。
【請求項１０】
請求項７記載の方法において、前記第一層は、前記カソード、前記アノード、前記別の電極、及び、前記誘電体層のいずれかを収容する方法。
【請求項１１】
請求項７記載の方法において、前記積層体を組み立てるステップは、真空用エポキシ及び硬取り付け用機械的固定具、並びに、これらの組み合わせのいずれかを用いて、前記積層体内の前記層及び前記電極の空間的関係を規定するステップを含む方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法において、前記積層体を真空気密容器に封止するステップは、前記積層体を標準の真空管パッケージに置くステップと、前記真空管パッケージを高真空まで排気するステップと、前記真空管パッケージを密封封止するステップとを含む方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の方法において、前記積層体を真空気密容器に封止するステップは、はんだリフロー接合方式を利用するステップを含む方法。
【請求項１４】
請求項７記載の方法において、前記小球の一部を、前記位置合わせスロットに配するステップは、エンドエフェクタを用いて前記小球を前記位置合わせスロットに置くステップを含む方法。
【請求項１５】
請求項１３記載の方法において、前記エンドエフェクタは、真空ピンセット及び微細加工された動的把持装置のいずれかである方法。
【請求項１６】
請求項７記載の方法において、前記積層体を組み立てるステップはさらに、前記積層体の前記層それぞれの位置合わせ精度を試験するステップを含むこと。
【請求項１７】
請求項７記載の方法において、前記積層体を組み立てるステップはさらに、真空でのはんだリフロー又は真空用導電性エポキシを用いて、前記カソードを組み立てプラットフォームに接着するステップを含む方法。
【請求項１８】
請求項７記載の方法において、前記カーボンナノチューブを、チタンを含む基板上に成長させる方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法において、成長後の前記カーボンナノチューブを、前記基板に溶接する方法。
【請求項２０】
請求項７記載の方法において、前記小球を、前記第一層が隣接層に対して整列されるように配する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［連邦政府の援助を受けた研究又は開発に関する声明］
ここの開示されている発明は、ＮＡＳＡの契約の下で遂行されたものであり、公法９６−５１７（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．２０２）の条項に該当し、契約者は権利を保有することを選択できる。
【０００２】
本発明は概して、ナノチューブが用いられた真空電子装置の製作に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
真空電子装置とは、典型的には真空に関する電子放出原理が利用された真空装置を指す広義語である。例えば、真空装置として、ダイオード、トライオード、テトロード、及び、ペントードが製作され得る。最近では、真空電子装置内の有効な電子エミッタを提供し得るものとして、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が研究されている。具体的には、カーボンナノチューブには多くの特性が見られ、これらは、カーボンナノチューブが優れた電界エミッタとなり、真空電子装置の機能を高めることができる可能性を示唆している。カーボンナノチューブが用いられた真空電子装置が有する多数の利点から、これらを商業的に採算の取れるような形で量産できるようにする必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の態様に従ったシステム及び方法により、カーボンナノチューブが用いられた真空電子装置を上手く生産することができる。一態様において、カーボンナノチューブが用いられた真空電子装置を製作する方法は、カーボンナノチューブを基板上に成長させてカソードを形成するステップと、カソード、アノード、及び、位置合わせスロットを備えた第一層を有する積層体を組み立てるステップと、積層体を組み立てるステップにおいて、小球が位置合わせスロットから突出し、それにより、第一層を隣接層から隔離するように、小球の一部を位置合わせスロットに配するステップと、積層体を真空気密容器に封止するステップとを含む。
【０００５】
別の態様において、積層体を組み立てるステップは、自動式又は半自動式の精密機器を用いてピックアンドプレース組み立て法で積層体を組み立てるステップを含む。
【０００６】
さらに別の態様において、積層体はさらに、別の電極を有する。
【０００７】
さらに別の態様において、別の電極は、抽出グリッド電極、ゲート電極、及び、集束電極のいずれかである。
【０００８】
さらに別の態様において、別の電極は、抽出グリッド電極及びゲート電極のいずれかであり、微細加工されたシリコングリッド及び電鋳された金属メッシュのいずれかから成る。
【０００９】
さらに別の態様において、別の電極は、電鋳された金属メッシュから成り、当該電鋳された金属メッシュは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）グリッド及び標準のフィルターメッシュのいずれかである。
【００１０】
さらに別の態様において、積層体はさらに、誘電体層を有する。
【００１１】
さらに別の態様において、誘電体層は、環状マイカ及び環状セラミックのいずれかである。
【００１２】
別の態様において、誘電体層の厚みは、約１０μｍ〜約１００μｍである。
【００１３】
別の態様において、第一層は、カソード、アノード、別の電極、及び、誘電体層のいずれかを収容する。
【００１４】
さらに別の態様において、積層体を組み立てるステップは、真空用エポキシ及び硬取り付け用機械的固定具、並びに、これらの組み合わせのいずれかを用いて、積層体内の層及び電極の空間的関係を規定するステップを含む。
【００１５】
さらに別の態様において、積層体を真空気密容器に封止するステップは、積層体を標準の真空管パッケージに置くステップと、真空管パッケージを高真空まで排気するステップと、真空管パッケージを密封封止するステップとを含む。
【００１６】
さらに別の態様において、積層体を真空気密容器に封止するステップは、はんだリフロー接合方式を利用するステップを含む。
【００１７】
別の態様において、小球の一部を、位置合わせスロットに配するステップは、エンドエフェクタを用いて小球を位置合わせスロットに置くステップを含む。
【００１８】
さらに別の態様において、エンドエフェクタは、真空ピンセット及び微細加工された動的把持装置のいずれかである。
【００１９】
さらに別の態様において、積層体を組み立てるステップはさらに、積層体の層それぞれの位置合わせ精度を試験するステップを含む。
【００２０】
さらに別の態様において、積層体を組み立てるステップはさらに、真空でのはんだリフロー又は真空用導電性エポキシを用いて、カソードを組み立てプラットフォームに接着するステップを含む。
【００２１】
別の態様において、カーボンナノチューブを、チタンを含む基板上に成長させる。
【００２２】
さらに別の態様において、成長後のカーボンナノチューブを、基板に溶接する。
【００２３】
さらに別の態様において、小球を、第一層が隣接層に対して整列されるように配する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に従った、カーボンナノチューブが用いられた真空電子装置を製作する方法を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に従った、積層体内の部品を方向付けるために用いることができるホルダーを示す図である。
【図３】本発明の実施形態に従った、トライオードハイブリッドマイクロアセンブリ積層体の層化を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に従った、小球が用いられていないトライオードハイブリッドマイクロアセンブリ積層体の層化を示す図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態に従って組み立てることができるトライオードハイブリッドマイクロアセンブリ積層体を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態に従って組み立てることができるトライオードハイブリッドマイクロアセンブリ積層体を示す図である。
【図５Ｃ】本発明の実施形態に従って組み立てることができるトライオードハイブリッドマイクロアセンブリ積層体を示す図である。
【図５Ｄ】本発明の実施形態に従って組み立てることができるトライオードハイブリッドマイクロアセンブリ積層体を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に従って実施することができるデュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に従った、組み立て後のアセンブリ積層体の試験を概略的に示す図である。
【図８Ａ】図８Ａ〜８Ｆは、本発明の実施形態に従った、ＵＶ硬化型エポキシを用いてダイオードハイブリッドマイクロアセンブリ内の部品の空間的関係を規定するステップを示す図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態に従った、ＵＶ硬化型エポキシを用いてダイオードハイブリッドマイクロアセンブリ内の部品の空間的関係を規定するステップを示す図である。
【図８Ｃ】本発明の実施形態に従った、ＵＶ硬化型エポキシを用いてダイオードハイブリッドマイクロアセンブリ内の部品の空間的関係を規定するステップを示す図である。
【図８Ｄ】本発明の実施形態に従った、ＵＶ硬化型エポキシを用いてダイオードハイブリッドマイクロアセンブリ内の部品の空間的関係を規定するステップを示す図である。
【図８Ｅ】本発明の実施形態に従った、ＵＶ硬化型エポキシを用いてダイオードハイブリッドマイクロアセンブリ内の部品の空間的関係を規定するステップを示す図である。
【図８Ｆ】本発明の実施形態に従った、ＵＶ硬化型エポキシを用いてダイオードハイブリッドマイクロアセンブリ内の部品の空間的関係を規定するステップを示す図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態に従った、熱硬化型エポキシを用いてダイオードハイブリッドマイクロアセンブリ内の部品の空間的関係を規定するステップを示す図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態に従った、熱硬化型エポキシを用いてダイオードハイブリッドマイクロアセンブリ内の部品の空間的関係を規定するステップを示す図である。
【図９Ｃ】本発明の実施形態に従った、熱硬化型エポキシを用いてダイオードハイブリッドマイクロアセンブリ内の部品の空間的関係を規定するステップを示す図である。
【図９Ｄ】本発明の実施形態に従った、熱硬化型エポキシを用いてダイオードハイブリッドマイクロアセンブリ内の部品の空間的関係を規定するステップを示す図である。
【図９Ｅ】本発明の実施形態に従った、熱硬化型エポキシを用いてダイオードハイブリッドマイクロアセンブリ内の部品の空間的関係を規定するステップを示す図である。
【図９Ｆ】本発明の実施形態に従った、熱硬化型エポキシを用いてダイオードハイブリッドマイクロアセンブリ内の部品の空間的関係を規定するステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
ここで、図面を参照すると、カーボンナノチューブが用いられた真空電子装置を上手く製作するためのシステム及び方法が示されている。多くの実施形態では、カーボンナノチューブが用いられた真空電子装置の製作は、構成部品の積層体の組み立て時に、小球を用いて正確にこれらを整列させ、その後真空封止によりこれらを密封するステップを含む。多くの実施形態では、積層体内の層は、小球を収容するための位置合わせスロットを備え、それにより、構成部品の位置合わせが容易になる。いくつかの実施形態では、組み立てプロセス中に構成層の位置合わせを繰り返し評価して、許容誤差内の精度を保証する。このように、カーボンナノチューブが用いられた真空電子装置は、高精度で製作することができる。また、製作方法の多くの側面を、自動化又は少なくとも半自動化に変更することも可能である。そのため、本製作方法は、カーボンナノチューブが用いられた真空電子装置を高精度で大量生産するために用いることができる。
【００２６】
微小規模のデジタル真空電子装置は、例えば、従来のＣＭＯＳが用いられた電子装置が故障し得るような極限環境での使用が可能なことから、今まで研究されてきた。例えば、Ｈ．Ｍａｎｏｈａｒａらは、微小規模のデジタル真空逆多数決ゲートの製造を開示している（Ｈ．Ｍａｎｏｈａｒａらによる論文、Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ＳＰＩＥ、第７５９４巻、第７５９４０Ｑ−１〜７５９４０Ｑ−５頁（２０１０年））。これは、３組の電解エミッタと、３組の電解エミッタを分割する３個の別個のゲート電極構造体と、これらを覆う３個のそれぞれの部分に分割されたアノードとを有する非常に複雑な構成を実施するものである。アノードは、重複面積が減少しミラー容量が低減するように、３個の部分に分割されている。このようにして、逆多数決ゲートは高速動作を実現できる。こうした装置は、極限条件下での運転維持能力を有することから、地球外環境での動作に適し得るとＨ．Ｍａｎｏｈａｒａらは提案している。なお、Ｈ．Ｍａｎｏｈａｒａらによる論文、Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ＳＰＩＥ、第７５９４巻、第７５９４０Ｑ−１〜７５９４０Ｑ−５頁（２０１０年）を、参照により本明細書中に取り込むものとする。
【００２７】
とりわけ、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、その多くの利点から、電子放出源として様々な微小規模のデジタル真空電子装置に利用されることが多い。例えば、ＣＮＴは、引張強さで測定した場合は、強度の最も高い材料の一つであり、弾性率で測定した場合は、剛性の最も高い材料の一つである。また、ＣＮＴは、顕著な電界放出特性を有することが分かっており、低電界強度で多くの電流を放出することができる（例えば、単一のナノチューブから、１〜３Ｖ／μｍの印加電界で〜０．１ｍＡの放出電流が得られる）。したがって、ＣＮＴは、特に、高電流濃度（ｃｍ２当たり数百〜数千アンペア）及び軽量パッケージ（高周波真空管源）が必要とされる用途に用いられる冷カソード電界放出源として魅力的である。実際に、米国特許出願第１１／１３７，７２５号（米国特許第７，８３４，５３０号として公開）において、Ｍａｎｏｈａｒａらは、良好な性能特性を有する高密度カーボンナノチューブが用いられた電界エミッタの具体的な構成を開示している。例えば、Ｍａｎｏｈａｒａらは、基板上に配された複数のＣＮＴ束を有する電界エミッタを開示しており、ここで、ＣＮＴ束の径は約１μｍ〜２μｍであり、ＣＮＴ束は互いに約５μｍの距離を置いて配され、非常に効果的な性能特性を呈示する。なお、米国特許第７，８３４，５３０号を、参照により本明細書中に取り込むものとする。
【００２８】
残念ながら、そうした構成の複雑さは、製作の観点からは不利であり得る。そのため、Ｈ．Ｍａｎｏｈａｒａらは、２０１３年３月１２日に出願の米国特許出願第１３／７９６，９４３号において、より製作し易い微小規模のデジタル真空電子装置の仕組みを提案した。なお、米国特許出願第１３／７９６，９４３号の開示内容を、参照により本明細書中に取り込むものとする。具体的には、Ｈ．Ｍａｎｏｈａｒａらは、ゲート電極を使用せずに済む微小規模のデジタル真空電子装置を開示している。しかしなお、多くの場合には、ゲート電極を使用しなければならない、より複雑な真空電子装置が必要となり得る。そのため、上述した場合であってもなお、製作の困難性は存在する。
【００２９】
重要な点として、微小規模のデジタル真空電子装置にＣＮＴを用いることにより多くの利点が得られるものの、ＣＮＴが用いられた真空電子装置の製作は困難であると考えられる。例えば、複数の電極を有する、ＣＮＴが用いられた真空電子装置を、モノリシック集積技術を用いて製作する場合は、通常用いられる処理技術が概して集約的かつ低収益な方法であることが多かった。これは、そうした複雑な装置の製作困難性と、ＣＮＴの実現に係る特定の困難性とに因るものでる。例えば、典型的に用いられる製作方法の最後のステップであることが多いＣＮＴの成長を正確に管理するステップは困難であると考えられる。また、ＣＮＴは移動する（そのため、短絡を生じることがある）ため、ＣＮＴの最終的な位置合わせを確実に正確にするためには、細心の注意を払う必要がある。こうした製作困難性により、一般的に、ＣＮＴが用いられた微小規模の電子装置を大量生産することは困難であった。
【００３０】
そこで、本発明の多くの実施形態は、上記の問題のいくつかを解決することが可能な、向上した製作方法を提供する。例えば、多くの実施形態では、構成部品は個別に製作された後、積層され、その後、真空封止により密封される。重要な点として、積層体内の部品は、これらの正確な位置合わせを容易にするような特徴構造及び／又はサブ部品を有することができる。つまり、多くの実施形態は、位置合わせスロットを含み、それにより、小球といった位置合わせ用の特徴構造を利用して位置合わせプロセスを容易にすることができる。
【００３１】
以下、カーボンナノチューブが用いられた真空電子装置を製作する方法について、より詳細に説明する。
【００３２】
［カーボンナノチューブが用いられた真空電子装置を製作する方法］
本発明の多くの実施形態において、ＣＮＴが用いられた真空電子装置の製作は効率化され、多くの場合には、装置の大量生産を促進する。多くの実施形態では、構成部品は個別に製造された後、真空気密容器に封止されることになる積層体へと組み立てられる。ここで、多くの実施形態では、積層体は、位置合わせプロセスを容易にするための特徴構造及び／又はサブ部品を有する。
【００３３】
図１には、ＣＮＴが用いられた真空電子装置を製作する方法が示されている。方法１００は、カーボンナノチューブを基板上に成長させてカソードを形成するステップ１０２を含む。ＣＮＴの成長には任意の適切な技術を用いることができ、ＣＮＴは任意の適切な形で成長させることができる。例えば、ＣＮＴを、本明細書中に組み込むものとした上記の米国特許第７，８３４，５３０号に従って成長させてもよい。すなわち、ＣＮＴを、基板上に配された複数のナノチューブ束として成長させ、ここでナノチューブ束の径は約１μｍ〜２μｍであり、ＣＮＴ束は互いに約５μｍの距離を置いて配されていることとしてもよい。米国特許第７，８３４，５３０号で説明のとおり、こうした構成により、良好な性能特性を実現することができる。あるいは、ＣＮＴを、Ｈ．Ｍａｎｏｈａｒａらによる米国特許出願第１４／０８１，９３２号に記載の手本に従って成長させてもよい。なお、米国特許出願第１４／０８１，９３２号の開示内容を、参照により本明細書中に取り込むものとする。米国特許出願第１４／０８１，９３２号には、基板を触媒でパターニングし、触媒上にカーボンナノチューブを成長させ、基板が軟化し始める程度に基板を加熱して少なくとも１本のカーボンナノチューブの少なくとも一部が軟化した基板で包囲されるようにすることにより、堅牢なカーボンナノチューブが用いられた電界エミッタを実現できることが開示されている。このようにして、カーボンナノチューブを基板に強固に付着させることができる。米国特許出願第１４／０８１，９３２号には、基板はチタンを含むことができる旨が開示されている。したがって、本発明の多くの実施形態では、基板はチタンを含む。ＣＮＴを基板上に成長させるためのいくつかの技術について説明したが、当然のことながら、本発明の実施形態によればいかなる適切な成長技術を用いてもよいことを理解されたい。
【００３４】
方法１００はさらに、カソード、アノード、及び、位置合わせスロットを備えた第一層を少なくとも有する積層体を組み立てるステップ１０４を含む。一般的に、積層体は、ＣＮＴが用いられた真空電子装置の本体を形成することができる。積層体はさらに、ＣＮＴが用いられた真空電子装置の所望の機能を実現するために、様々な構成部品のいずれかを有することができる。例えば、積層体は、追加的な電極（例えば、抽出電極、ゲート／グリッド電極、加速電極、及び／若しくは、集束電極）、誘電体層、並びに／又は、積層体内の部品を収容することができる層を有することができる。一般的に、ゲート／グリッド電極は、比較的小さな電圧の変化を許容して、非常に大きなアノード電流の変化を生じさせることができる。一方、集束電極は、電子ビームを積層体内の関連の電極に集束させて電子ビーム密度を高め、それにより、電流密度を高めるために用いることができる。抽出電極は、ゲート／グリッド電極と共に用いることができ、電流の変調に必要な電圧を（例えば、〜１Ｖに）低減するために用いることができる。例として、抽出電極及び／又はゲート電極は、微細加工されたシリコングリッド（例えば、ジェット推進研究所（ＪＰＬ）により開発されたもの）、及び、電鋳された金属メッシュ（例えば、ＴＥＭグリッド、又は、Ｂｕｃｋｂｅｅ−Ｍｅａｒｓ社といった企業から販売されたもの等の標準のフィルターメッシュ）のいずれかが挙げられる。また、誘電体層は、マイカ又はその他のマシン加工可能なセラミックであり得る。いくつかの実施形態では、誘電体層の厚みは、約１０μｍ〜約１００μｍである。
【００３５】
重要な点として、構成部品は、個別に製作された後に組み立てられる。このように、部品はそれぞれカスタマイズでき、それにより、所望の特性を得ることができる。例えば、構成部品それぞれは、その他の部品に用いられる製作技術に関係なく製作することができる。また、それぞれの部品は、特注水準の精度で製作され得る。こうした水準の柔軟性の結果、より堅牢なＣＮＴが用いられた真空電子装置の製作が可能となり得る。さらに、構成部品は個別に製作されるため、高忠実度（例えば、厳格に規定された許容誤差の範囲）での生産が可能となる。それぞれの構成部品が高忠実度で生産されると、結果として得られるＣＮＴが用いられた真空電子装置の品質が向上し得る。
【００３６】
位置合わせスロットを備えた第一層は、本発明の実施形態に従った任意の部品と結合することができる。例えば、いくつかの実施形態では、位置合わせスロットを備えた第一層は、カソードホルダーである。多くの実施形態では、位置合わせスロットを備えた第一層は、ゲートホルダーである。いくつかの実施形態では、第一層は、カソード基板である。通常、第一層は、積層体内の任意の部品により実現することができる。
【００３７】
図２は、本発明の実施形態に従った、積層体内の部品を支持するために用いることができるホルダーを示す図である。ホルダーは、例えば、本発明の実施形態に従ったカソード又はゲートを支持するために用いられる。図示の例では、ホルダー２００は、積層体内の部品を収容するための切り出し部２０２を備え、さらに、積層体内の部品の位置合わせを容易にするために用いることができる位置合わせスロット２０４を備えている。当然のことながら、位置合わせスロット２０４は、任意の適切な形状とすることができ、図２に示されている形状要素に限定されるものではないことを理解されたい。
【００３８】
積層体の組み立て時には、小球が位置合わせスロットから突出するように、小球を位置合わせスロットに配する（ステップ１０６）。こうして、これら小球は積層体内の部品を空間的に方向付けるのに役立つ。図３は、本発明の実施形態に従った、小球を位置合わせスロットに配して、トライオードの形成に用いられる積層体の部品を空間的に方向付ける様子の一例を示す図である。具体的には、図示の例では、カソード３０２、カソードホルダー３０４、ゲート３０６、及び、ゲートホルダー３０８の層化が示されている。図示されているように、小球３１０を用いて、層同士の正確な位置合わせを容易に行うことができる。具体的には、図示されているように、小球３１０が位置合わせスロット３１２から突出し、それにより、隣接層間に所望の離隔距離を設けることができるように、小球３１０を位置合わせスロット３１２に配する。このように、小球により正確な位置合わせを容易にすることができる。小球は、任意の適切な技術を用いて位置合わせスロットに配することができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタを用いて小球を設置する。多くの実施形態では、エンドエフェクタは、真空ピンセット及びカスタマイズ設計された微細加工された動的把持装置のいずれかである。当然のことながら、小球を置くためのいかなる適切な技術を用いてもよい。また、留意すべき点として、小球について図示及び説明したが、任意の適切なサブ部品を用いて積層体内の層間の正確な位置合わせを容易にすることが可能である。
【００３９】
多くの実施形態では、位置合わせを容易にするために小球を用いず、代わりに、位置合わせスロットを備えた積層体内の部品により正確な位置合わせを容易にする。図４は、本発明の実施形態に従った、小球が用いられない場合の構成部品の層化を示す図である。具体的には、位置合わせスロット４０６を備えたプレートを用いてカソード基板４０２及びゲート４０４が位置合わせされている。
【００４０】
一般的には、本発明の実施形態に従って、任意の両立可能な複数の組み立て技術を組み合わせることができる。例えば、多くの実施形態では、自動化（及び／又は半自動化）機構を用いて積層体の組み立てを容易にすることができる。したがって、多くの実施形態では、構成部品の層化と共にピックアンドプレース法を用いて、本発明の実施形態に従った積層体を形成する。自動化及び／又は半自動化は、ＣＮＴが用いられた真空電子装置の大量生産を著しく促進し得る。多くの実施形態では、積層体を、組み立て後、かつ、最後の真空密封の前に接着する。例えば、多くの実施形態では、エポキシ（例えば、ＵＶ硬化型エポキシ又は熱硬化型エポキシ）を用いて積層体を接着する。多くの実施形態では、機械的に、例えば、機械的締結具を用いて積層体を接着する。多くの実施形態では、構成部品を重ねて断続的に接着する。したがって、例えばいくつかの実施形態では、積層体内の第一構成部品及び第二構成部品を重ね、（例えば、エポキシを介して）互いに接着し、その後、さらなる構成部品を追加する。ここで、さらなる構成部品を追加する場合は、これら構成部品を積層体に接着した後、さらなる構成部品を追加することができる。多くの実施形態では、組み立て中に積層体の位置合わせを断続的に確認して、位置合わせプロセスの効果を確かめる。
【００４１】
図５Ａ〜５Ｄは、本発明の実施形態に従った、ＣＮＴが用いられたトライオード真空電子装置の製作で実施される、先の図３に示されている組み立て後の積層体を示す図である。具体的には、図５Ａは組み立て後の積層体の正面図であり、図５Ｂはその上面図であり、図５Ｃはその側面図であり、図５Ｄはその断面図である。
【００４２】
積層体の組み立ては、任意の適切なベース下地基板と結合することができる。例えば、多くの実施形態では、真空でのはんだリフロー又は真空用導電性エポキシを用いて、カソード基板をアセンブリプラットフォームに接着することができる。多くの実施形態では、はんだリフロー接合を用いて、積層体を、例えば、リードレスチップキャリア（ＬＣＣ）パッケージ及びデュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）といった従来のパッケージに接着することができる。積層体の従来のパッケージへの接合は、溶剤及び／又はＯ２プラズマを用いて、４００℃で３日間、真空中でパッケージを洗浄するステップと、２ｍｍ２のＡｕ８０Ｓｎ２０プリフォームを用いて積層体をパッケージに接着するステップとを含み得る。図６は、ＤＩＰに付着された積層体を示す図である。より詳細には、ＤＩＰ６０４に接合された積層体６０２が示されている。
【００４３】
積層体を組み立てた後、かつ、真空密封パッケージに封止する前に、有効性の確認試験を行うことができる。図７は、本発明の実施形態に従った、デュアルインラインパッケージに付着された後の、積層体の試験に用いることができる試験リグを示す図である。具体的には、試験リグ７００は、積層体７０２及びアノード７１０を有する。また、積層体７０２そのものは、カソード７０４及びグリッド電極７０６を有し、デュアルインラインパッケージに接合されている。ワイヤ接合接触面７１２は、積層体の試験のために、グリッド及びアノードに電気的結合されている。
【００４４】
積層体は、真空気密容器に封止することができる（ステップ１０８）。任意の適切な封止技術を用いることができる。例えば、いくつかの実施形態では、積層体を標準の真空管パッケージに置き、パッケージ内に（所望の程度の）真空を生成させ、その後、真空管パッケージを密封封止する。多くの実施形態では、積層体を真空気密容器に封止すると共に、はんだリフロー接合方式を実施する。多くの実施形態では、ゲッターを真空管パッケージに投入して、真空度を保持する。
【００４５】
いくつかの実施形態では、（対応するパッケージに接合されていてもよい）積層体を、２００℃、１０−６トールで９６時間、焼成するステップと、ゲッターを４００℃未満で加熱するステップと、ＩＲシャッターを用いて真空管封止を加熱から保護するステップと、蓋を３００℃まで冷却するステップと、蓋を３００℃、１０−６トールではんだ付けするステップにより封止を実現する。ただし、当然のことながら、本発明の実施形態によれば任意の適切な封止技術を用いることができる。
【００４６】
本発明の実施形態に従った、ＣＮＴが用いられた真空電子装置を上手く製作するための方法に係る以下の例を参照すれば、本発明の範囲についてより良い理解がなされるであろう。具体的には、図８Ａ〜８Ｆは、ＵＶ硬化型エポキシを用いてダイオードの構成部品を互いに接着させて、真空封止される積層体を形成する製作方法に関する。より詳細には、図８Ａ〜８Ｂは、ＵＶ硬化型エポキシをカソードに塗布するステップを示す図である。図８Ｃ〜８Ｄは、その後の、マイカスペーサーのエポキシ被覆カソードへの堆積を示す図である。図８Ｅ〜８Ｆは、その後の、アノードの堆積を示す図である。ここで、アノードは、ＵＶ硬化型エポキシを用いてマイカスペーサーに接着される。
【００４７】
同様に、図９Ａ〜９Ｆは、熱硬化型エポキシを用いた、ＣＮＴが用いられたダイオード真空電子装置の基礎として用いられる積層体の組み立てを示す図である。具体的には、図９Ａは、ＭＣ７８８０のカソードへのトッド状の堆積を示す図であり、図９Ｂは、マイカスペーサーのカソードへの堆積を示す図であり、図９Ｃは、マイカスペーサーのカソードへの付着を示す図であり、図９Ｄは、ＭＣ７８８０のマイカスペーサーへのドット状の堆積を示す図であり、図９Ｅは、アノードのマイカスペーサーへの付着を示す図であり、図９Ｆは、ダイオードアセンブリのホットプレート上での硬化を示す図である。
【００４８】
当然のことながら、上述した例は例示にすぎず、包括的なものではないことを理解されたい。本発明の実施形態によれば、積層体内の構成部品を接着するための任意の適切な技術を用いることができる。さらに一般的には、上述したシステム及び方法は例示にすぎないことを理解されたい。一般的に、これまでの説明から判断できるように、上述した概念は本発明の実施形態に従った様々な構成で実施することができる。例えば、上述した方法は、ダイオード及びトライオードの製作に限定されず、本発明の実施形態によれば、いかなるＣＮＴが用いられた真空電子装置であっても製作することができる。例えば、テトロード及びペントードが製作され得る。したがって、本発明の特定の具体的な側面についてここまで説明してきたが、多くの追加的な変更及び変形例が当業者には明らかであろう。本発明は、具体的に記載した通り以外の形で実施できるものである。先述したように、本発明の実施形態は、あらゆる点で例示にすぎず、限定的なものではないと理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【国際調査報告】
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