JPH0395829A - 微小冷陰極の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔｝既要〕 微小冷陰極の製造方法に関し、 真空マイクロデバイス用の微小冷陰極を高梢度で再現性
よ《、かつ、簡易に製造することを目的とし、 シリコン基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜
をホトエッチングして、冷陰極コーンが形成される部分
に所要の大きさのマスクパターンを形成する工程と、前
記マスクパターンを設けた前記シリコン基板を熱酸化す
る工程と、前記熱酸化膜上にゲート電極膜を形成する工
程と、前記冷陰極コーンの上方の前記ゲート電極膜にゲ
ート孔を形成する工程と、前記ゲート孔を通して前記熱
酸化膜の一部をエッチング除去して前記冷陰極コーンを
露呈させる工程とを少なくとも含むように微小冷陰極の
製造方法を構戒する。

〔産業上の利用分野） 本発明は微小冷陰極の製造方法の改良に関する。

微小冷陰極は極微小のマイクロ波真空管や微小な表示素
子など，いわゆる、真空マイクロデバイス用の放射電極
として欠くことのできない構戒要素である。

真空マイクロデバイスは通常の半導体素子と異なり、微
小な真空空間を電子が移動するのを利用するので、電子
の移動度が大きく、高速・高温動作が可能で，しかも、
放射線損傷を受けにくいなどの特徴があり、今後マイク
ロ波素子，超高速演算素子，耐放射線用デハイス，耐高
温環境用デバイス，微小表示素子などへの応用が期待さ
れている。

これらの真空マイクロデバイスの殆どは現在開発段階に
あり、とくに、その心臓部をなす微小冷陰極を高精度で
再現性よく、かつ、簡易に製造する技術の開発が求めら
れている。

〔従来の技術〕

真空マイクロデバイス用の微小冷陰極の製造方法として
は幾つかの方法が提案されている。

たとえば、アルミナ基板上にＭｏ陰極膜とアルミナ絶縁
膜層とＭＯ陽極膜層を順次被着し、Ｍｏ陽極膜層の一部
にエッチング孔を形威したのち、そのエッチング孔を通
してアルくナ絶縁膜層を選択エッチングして空孔を形成
する。次いで、前記Ｍｏ陽極膜層のエッチング孔の上方
からＭｏを，また、斜め方向からアルミナを基板を回転
しながら蒸着またはスバッタして、前記空孔の底部にＭ
ｏの冷陰極コーンを形威している（Ｊ．ｏｆ　Ａｐｐｌ
．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．３９，　ｐ３５０４．１９６８
）。

あるいは、シリコン基板の等方性エッチングによりシリ
コンの冷陰極コーンを形成する方法も提案されている（
Ｍａ　ｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓ）＋ｍｐ．　，　ｖｏｌ
．７６，　ｐ２５．　１９８７）．一例として後者につ
いて以下に主な工程を追って簡単に説明する。

第３図は従来の微小冷陰極の製造方法の例を示す図であ
る。

工程（１）：シリコン基板ｌの上に、一様な厚さのＳｉ
ｎ．膜２０を公知の熱酸化法で形成する。

工程（２）：前記処理済み基板のＳｉｎ２膜２０を、公
知？ホトリソグラフィ法で所定の形状．寸法にエッチン
グしてＳｉｎ２膜マスクパターン２０′を形成する。

工程（３）：前記処理済み基板を，たとえば、ＨＦとＨ
ＮＯ，の混合液の中でシリコンのみを等方性エッチング
を行って、前記ＳｉＯ■膜マスクパターン２０’　の下
にエミックコーン６０を形成する。

工程（４）：前記処理済み基板の上方からＳｉｎｇを蒸
着あるいはスパッタして、前記エミッタコーン６０の周
囲に空間が生じるようにＳｉＯｚ膜２００を形成する。

工程（５）：前記処理膚み基板の上方からゲート電極膜
４０，たとえば、Ｍｏ膜を公知の方法で一様に被着する
。この時、Ｓｉｎ．膜マスクパターン２０′の側面の少
なくとも一部が露出されているようにする。

工程（６）：前記処理済み基板のＳｉＯ■膜マスクパタ
ーン２０′の全てとＳｉＯ■膜２００の一部が除去され
るように、｝ＩＦを用いて選択エッチングを行い前記エ
ミッタコーン６０を空間に露出させて、シリコン基板上
にシリコンからなる微小冷陰極を形成している。

〔発明が解決しよへとする課題〕

しかし、上記の従来例，たとえば、間の垂直蒸着とアル
ミナの斜蒸着を用いる方法は工程が余りにも複雑であり
、また、シリコン基板の等方性エッチングを用いる方法
はエミッタコーン形成の再現性に乏しいなどの問題があ
り、その解決が必要となっていた。

（課題を解決するための手段） 上記の課題は、シリコン基板１上に絶縁膜２を形成する
工程と、前記絶縁膜２をホトエッチングして、冷陰極コ
ーン６が形成される部分に所要の大きさのマスクパター
ン２″を形成する工程と、前記マスクパターン２゛を設
けた前記シリコン基板１を熱酸化する工程と、前記熱酸
化膜３上にゲート電極膜４を形成する工程と、前記冷陰
極コーン６の上方の前記ゲート電極膜４にゲート孔５を
形成する工程と、前記ゲート孔５を通して前記熱酸化膜
３の一部をエッチング除去して前記冷陰極コーン６を露
呈させる工程とを少なくとも含むように微小冷陰極の製
造方法を構威することにより解決することができる。

（作用〕 本発明によれば、シリコン基板の上に冷陰極コーン６を
形成するのは熱酸化であり、したがって、製造工程の途
中では、冷陰極コーン６は各種の処理環境に曝されず、
最後にＳｉｎｇ熱酸化膜の選択エッチングにおいて初め
て空間に露呈されるので、冷陰極コーン６は極めて安定
に再現性よく形成することができる。しかも、殆ど半導
体ＩＣの製造においてよく知られた製造プロセスだけを
用いればよいので、製品の品質は安定しており，かつ、
安価に製造することができる。

（実施例） 第１図は本発明実施例の工程を示す図で、工程を追って
以下にその要点を説明する。

工程（ｌ）：厚さが，たとえば、２００μｍの低抵抗シ
リコン基板ｌの上に、絶縁膜２として，たとえば、厚さ
０．１　μｍのＳｉ３Ｎ４膜をＣＶＤ法で形成する。

工程（２）：前記処理済み基板のｙＡ縁膜２，すなわち
、Ｓｉ３Ｎ４膜上にレジストマスクを形成したあと、た
とえばイオンエッチング法により、直径が冷陰極コーン
６の高さの２倍，たとえば、２μｍφのＳｉ３Ｎ４膜か
らなる絶縁膜マスクパターン２′を形成する。

工程（３）：前記処理済み基板を，たとえば、酸素中，
約１０００’Ｃで、マスクのない部分の酸化膜の厚さが
約１μｍになるように熱酸化膜を形成する。

この時、マスク２′の下部にも酸化が進行し、図示した
ごとき円錐状のシリコンからなるコーンが再現性よく形
成される。また、シリコンは酸化してｓ　ｉＯ　ｚ　ｌ
Ｉ＊となり体積を増すのでマスク２“は上方を凹にして
彎曲する。

工程（４）：前記処理済み基板のＳｉＪｎ膜からなる絶
縁膜マスクパターン２”を，たとえば、高温のＨｓＰＯ
４水？？Ｉ液中でエッチングして除去する。

工程（５）：前記処理済み基板の上方からゲート電極膜
４，たとえば、厚さｌ００ｎｍのＭｏ膜を電子ビーム蒸
着法で一様に被着する。

工程（６）：前記処理済み基板のゲート電極膜４の所定
の部分，すなわち、冷陰極コーン６が埋め込まれた部分
の上方のＭｏ膜を、レジストマスクを用いたイオンエッ
チング法でエッチングして、直径約１．５μｍφのゲー
ト孔５を形成する。

工程（７）；前記処理済み基板のゲート孔５を通して、
熱酸化膜３を，たとえば、室温のＨＰ水溶液で選択的に
エッチング除去し、冷陰極コーン６を空間に露呈させて
、シリコン基板上に一体的に突出したシリコンからなる
微小冷陰極を形成する。

上記の実施例方法により底面の直径が約１μｍ５高さが
約ｌμｍで先端の曲率半径が０．１　μｍ以下の微小冷
陰極が再現性よく安定に形成することができた。

第２図は本発明の他の実施例の工程を示す図である。

なお、前記実施例材の図面で説明したものと同等の部分
については同一符号を付し、かつ、同等の部分について
の説明は省略する。

本実施例では絶縁膜２として、厚さ０．５μｍのＳｉＪ
４膜をＣＶＤ法で形成する。すなわち、前記実施例の場
合の５倍の厚さにしてある。

工程（３）まではＳｉＪ４膜の厚さが異なるだけで他は
同一であるが、ＳｉＪ＜膜が厚いので前記実施例の場合
ほどマスク２′の彎曲は生じない。

本実施例の工程（４）では前記絶縁膜マスクパターン２
′を除去せずに、直接基板の上方からゲート電極膜４，
たとえば、厚さ１００ｎｍのＭｏ膜を電子ビーム蒸着法
で被着する。この時、Ｓｉ３Ｎ４膜は厚いので、その側
面は露出されたま＼である。

次いで、工程（５）で上記処理済み基板上の　絶縁膜マ
スクパターン２゛を，たとえば、高温の８３ＰＯ４水溶
液中でエッチングして除去する。この時、マスク２”上
のＭｏ膜は一緒に剥離して除去されてゲート孔５が形成
される。

あとは前記最初の実施例と同様にゲート孔５を通して熱
酸化膜エッチングを行えば、冷陰極コーン６が空間に露
呈し、シリコン基板上に一体的に突出したシリコンから
なる微小冷陰極が形成される。本実施例ではゲート電極
膜４は、絶縁膜マスクパターン２″をマスクとしたリフ
トオフ形成により行うので、ｌマスクプロセスで形成で
き工程が短縮されるという特散がある。

以上述べた実施例は一例を示したもので、本発明の趣旨
に添うものである限り、使用する素材や個々のプロセス
など適宜好ましいもの、あるいはその組み合わせを用い
ることができることは言うまでもない。

？発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、シリコン基板の
上に冷陰極コーン６を形成するのは熱酸化であり、した
がって、熱酸化と冷陰極コーンとが同時形成され製造工
程が簡易である。しかも、製造工程の途中では、冷陰極
コーン６は各種の処理環境に曝されず、最後にＳｉＯ■
熱酸化膜の選択エッチングにおいて初めて空間に露呈さ
れるので、冷陰極コーン６は極めて安定に再現性よく形
成することができる。しかも、殆ど半導体ＩＣの製造に
おいて、よく知られた製造プロセスだけを用いればよい
ので、製品の品質は安定であり．かつ、安価に製造する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の工程を示す図、第２図は本発明
の他の実施例の工程を示す図、第３図は従来の微小冷陰
極の製造方法の例を示す図である。 図において、 ■はシリコン基板、 ２は絶縁膜、 ２゜は絶縁膜マスクパターン、 ３は熱酸化膜、 ４はゲート電極膜、 ５はゲート孔、 ６は冷陰極コーンである。 ｉ８−尤２月太かき仔″１の工禾１色示　１　はη第　
　１　　図 本危哨の｛ｔ２０笑児伊１の工ｆＬえ示１０舅　　）Ｌ
ＵｊＪ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 シリコン基板（１）上に絶縁膜（２）を形成する工程と
   、前記絶縁膜（２）をホトエッチングして、冷陰極コー
   ン（６）が形成される部分に所要の大きさのマスクパタ
   ーン（２′）を形成する工程と、 前記マスクパターン（２′）を設けた前記シリコン基板
   （１）を熱酸化する工程と、 前記熱酸化膜（３）上にゲート電極膜（４）を形成する
   工程と、 前記冷陰極コーン（６）の上方の前記ゲート電極膜（４
   ）にゲート孔（５）を形成する工程と、前記ゲート孔（
   ５）を通して前記熱酸化膜（３）の一部をエッチング除
   去して前記冷陰極コーン（６）を露呈させる工程とを少
   なくとも含むことを特徴とした微小冷陰極の製造方法。