JPH05174703A - 電界放出型素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子放出電圧が低く、電気特性が安定した電
界放出型素子を再現性、均一性よく製造する。 【構成】 電界放出型素子を構成する冷陰極１０が、そ
の先端部に鋭く尖った突起をもち、該突起と胴体部は連
続曲線状のつながりをもつ形状を有する。その製造方法
は、シリコン基板１上にキャビティを形成し、キャビテ
ィを酸化して形成された鋳型を用いて冷陰極を形成す
る。電界放出型素子の製造は、冷陰極１０とゲート電極
１１の間隔を酸化シリコン膜９の膜厚などで決め、位置
決めはシリコン基板１中の埋め込み酸化シリコン膜や電
気化学的エッチングによるエッチストップ技術などを用
いて行う。 【効果】 冷陰極の電子放出電圧が低く、電気特性の安
定性、寿命を向上できる。先鋭な冷陰極と、冷陰極から
非常に近い位置に精度よく設置されたゲート電極とをも
つ複数の電界放出型素子を均一に再現性よく製造でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種電子信号処理回
路、電子信号増幅器等に用いて好適な、例えば、走査型
電子顕微鏡やブラウン管などに用いられる電界放出型素
子とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】集積回路製造プロセス技術を用いてシリ
コン基板やガラス基板上に形成するミクロンサイズの電
界放出型素子は、近年研究が盛んになり、冷陰極、制御
電極及び陽極で構成される真空３極管構造を形成する真
空管集積回路への応用や、平面上に冷陰極を多数配列し
相対向する面に蛍光体を設けたフラットパネルディスプ
レイへの応用など新しい応用が期待されている。

【０００３】従来の電界放出型素子及びその製造方法と
して、例えば、U.S.Patent 4,307,507(Dec.29, 1981)に
あるGrayの方法や、S.M.Zimmerman,D.B.Colavito及びW.
T.Babie によるDEVELOPMENT PROGRESS TOWARD THE FABR
ICATION OF VACUUM MICROELECTRONIC DEVICES USING CO
NVENTIONAL SEMICONDUCTOR PROCESSING (PROCEEDINGSOF
IEDM90,P.163-P.166(1990)) において提案されたもの
や、WILLIAMJ. ORVIS、CHARLES F. McCONAGHY、DINO R.
CIARLO、JICK H. YEE 及びED W. HEE による"Modeling
and Fabricating Micro-Cavity Integrated VacuumTub
es"(IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES VOL.36 N
O.11 NOVEMBER 1989)において提案されたものが知られ
ている。これらの概要を述べると次の通りである。

【０００４】最初に、Grayらにより発明された冷陰極と
その製造方法を説明する。この方法は、単結晶シリコン
基板上に形成したエッチングマスク内に、微小な開孔を
単数個、あるいは複数個設け、単結晶シリコン基板をエ
ッチングする際に、結晶方位によってエッチング速度が
異なる異方性エッチング液を利用し、底部が尖った形状
のエッチング孔を再現性よく得るというものである。

【０００５】例えば、（１００）基板を利用し、水酸化
カリウム水溶液で上述したようなエッチングを行えば、
四角錐状のエッチング孔が形成される。しかる後、冷陰
極材料を前記エッチング孔を形成した単結晶シリコン基
板上に薄膜として形成する。このとき単結晶シリコン基
板上に、なんらかの保護膜を形成してから冷陰極材料の
形成を行ってもよい。最後に、鋳型として利用した前記
単結晶シリコン基板をエッチング除去することによっ
て、冷陰極を製造する。これによって、四角錐の形状の
冷陰極が得られる。

【０００６】次に、S.M.Zimmerman らのマイクロ３極管
の製造方法を説明する。図２７〜図３１は、S.M.Zimmer
man らによって実施されたマイクロ３極管の製造プロセ
スの素子断面図である。まず図２７に示すように、単結
晶シリコン基板２３を酸化して基板２３上に酸化シリコ
ン膜１９を形成し、その上にさらに窒化シリコン膜２０
及びゲート電極となるポリシリコン膜２１を順に堆積す
る。

【０００７】次に図２８に示すように、ポリシリコン膜
２１に例えば一辺が２μｍ程度の正方形の開口２２を形
成し、その開口２２を通して窒化シリコン膜２０及び酸
化シリコン膜１９をエッチングする。

【０００８】次に図２９に示すように、減圧化学気相成
長法（ＬＰＣＶＤ法）で酸化シリコン膜２７を基板全面
に堆積すると前記開口部２２には逆円錐状に酸化シリコ
ン膜２７が形成される。しかるのち、図３０に示すよう
にＬＰＣＶＤ法でポリシリコン膜２４を基板全面に形成
すると前記逆円錐状の酸化シリコン膜２７を鋳型として
ポリシリコン２４が逆円錐状に形成されて電子放出銃で
ある冷陰極２６が形成される。

【０００９】しかるのち、図３１に示すように前記ポリ
シリコンの冷陰極２６の近辺のポリシリコン膜２４に開
口２５を形成し、その開口２５を通して最初に形成した
開口２２内に堆積された酸化シリコン膜２７をエッチン
グ除去することによって空間を形成し、アノード２３、
ゲート２１及び冷陰極２６からなるマイクロ３極管が形
成される。

【００１０】上述の従来のマイクロ３極管の製造方法に
おいては、冷陰極２６を形成する方法として、基板２３
上に形成した微小な開口部２２に、ＬＰＣＶＤ法によっ
て酸化シリコン膜２７を形成することにより、酸化シリ
コン膜２７の逆円錐状の鋳型を形成し、この鋳型上にポ
リシリコン膜を形成することによって行っている。

【００１１】次に、WILLIAM J. ORVISらのマイクロ３極
管の製造方法を説明する。

【００１２】まず、単結晶シリコン基板の全面に酸化シ
リコン膜などのエッチング保護膜を形成した後、このエ
ッチング保護膜をエッチングによりパターニングして例
えば一辺の長さが５μｍ程度の正方形のパターンを形成
する。

【００１３】次に、このエッチング保護膜をエッチング
マスクとして、例えばエチレンジアミンピロカテコール
水溶液のような、単結晶シリコンに対してエッチング速
度が結晶方位依存性（異方性）を持つ異方性エッチング
液で単結晶シリコン基板をエッチングすることにより、
このエッチング保護膜下にピラミッド型の単結晶シリコ
ンを形成し、これを電子放出銃である冷陰極とする。

【００１４】次に、この冷陰極を埋めるようにリンガラ
ス層を形成し、このリンガラス層の上にポリシリコン膜
を形成した後、このポリシリコン層をストライプ状にパ
ターニングしてゲート電極を形成するとともに、冷陰極
の先端部分のポリシリコン層にエッチングにより開口を
形成する。

【００１５】次に、このポリシリコン層上及びこのポリ
シリコン層に形成された開口の内部に２層目のリンガラ
ス層を形成し、その上に更にアノード電極となるポリシ
リコン層を形成して、最後に冷陰極の先端とゲート電極
との間及びゲート電極とアノード電極との間のリンガラ
ス層をエッチング除去する。これにより、密閉キャビテ
ィ型マイクロ３極管が形成される。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の技術には、以下の課題があった。

【００１７】Grayらの方法においては、シリコン単結晶
を異方性エッチングして形成した鋳型を利用するため、
冷陰極の形状の再現性、均一性は良好であるが、冷陰極
先端の先鋭化、微細化の向上が難しく、冷陰極に近接し
て制御電極を形成することが困難であった。

【００１８】また、この方法で形成された冷陰極先端の
角度は、異方性エッチングによって露出する結晶面のな
す角度によって決定されるため、冷陰極先端の角度を小
さくし先鋭化することが難しく、電子放出電圧の低電圧
化が困難であった。

【００１９】S.M.Zimmermanらのマイクロ３極管の製造
方法においては、シリコン基板２３上の開口２２にＬＰ
ＣＶＤ法によって酸化シリコン膜２７を堆積して形成し
た逆円錐状の鋳型は、開口２２の大きさや形状、酸化シ
リコン膜２７の形成条件、及び膜厚によってその形状が
変化するため、再現性に極めて乏しく、結果として冷陰
極２６先端の曲率半径も再現性に乏しい。また冷陰極２
６の先端部の位置も、上述した鋳型の形状の変化のため
に制御することは極めて困難であり、従ってアノード電
極となる単結晶シリコン基板２３と冷陰極２６間の距離
や、ゲート電極であるポリシリコン膜２１と冷陰極２６
の位置関係も制御できない。従って電子放出電圧が不均
一になったり、電子走行時間が素子によって異なるなど
の問題が生じ、電気的特性の安定性の面からも問題を有
していた。

【００２０】また、この方法で形成された冷陰極は、胴
体の傾斜角度が小さくなるため、抵抗が高くなりジュー
ル熱の発生により加熱され、冷陰極が破壊するという問
題があった。

【００２１】WILLIAM J. ORVISらのマイクロ３極管の製
造方法においては、冷陰極の材料として単結晶シリコン
を使用し、この単結晶シリコンをエッチングすることに
より冷陰極を形成しているが、この従来の方法で製造さ
れる密閉キャビティ型マイクロ３極管は、単結晶シリコ
ンからなる冷陰極の電子放出効率が十分に良好でないこ
とから、実用的な３極管としての特性が得られていな
い。このため、冷陰極の特性の向上が望まれていた。

【００２２】一方、冷陰極の特性は、冷陰極の材料と冷
陰極の先端の曲率半径によって主に決定される。この冷
陰極の材料としては、電子放出効率の点ではシリコンよ
りも金属や炭化金属などの方が優れているが、これらの
金属や炭化金属などの材料は、シリコンと同様のエッチ
ング法では電子放出銃の先端の曲率半径を極めて小さく
することは困難である。

【００２３】本発明は、先端の曲率半径が小さく先端部
が小さな傾斜角度の突起をもった冷陰極を形成し、ま
た、冷陰極とアノード、ゲート間の位置関係を精密に制
御し、更に、冷陰極の材料として電子放出効率の高いも
のを使用できることにより、電子放出電圧が低く、電子
放出効率の高い、電気的特性の安定した電界放出素子
と、素子を均一で再現性よく製造する方法を提供する。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明による電界放出型素子は、先端に鋭く尖った
突起と、該突起と連続曲線状のつながりをもつ形状を有
する胴体部とを備えた冷陰極を有する。

【００２５】また、本発明による冷陰極の製造方法は、
シリコン基板上、または該基板表面に絶縁膜、シリコン
薄膜のサンドイッチ構造を有するシリコン基板上にエッ
チングによりくぼみを形成し、該くぼみを酸化して第１
の酸化シリコン膜を形成する工程と、該第１の酸化シリ
コン膜上に導電膜を形成する工程と、前記第１の酸化シ
リコン膜を除去し、前記導電膜を露出させる工程とを具
備する。

【００２６】また、本発明によるマイクロ２極管の製造
方法は、シリコン基板上、または該基板表面に絶縁膜、
シリコン薄膜のサンドイッチ構造を有するシリコン基板
上にエッチングによりくぼみを形成する工程と、該くぼ
みだけを局所的に酸化し、第１の酸化シリコン膜を形成
する工程と、前記シリコン基板の前記くぼみの周囲をエ
ッチングする工程と、前記エッチングされた基板表面を
酸化し、第２の酸化シリコン膜を形成する工程と、第１
の酸化シリコン膜上に第１の導電膜を、第２の酸化シリ
コン膜上に第２の導電膜を形成する工程と、前記第１の
酸化シリコン膜を除去する工程とを具備する。

【００２７】また、本発明によるマイクロ３極管の製造
方法は、シリコン基板上、または該基板表面に絶縁膜、
シリコン薄膜のサンドイッチ構造を有するシリコン基板
上にエッチングによりくぼみを形成する工程と、該くぼ
みだけを局所的に酸化し、第１の酸化シリコン膜を形成
する工程と、前記シリコン基板の前記くぼみの周囲をエ
ッチングする工程と、前記エッチングされた基板表面を
酸化し、第２の酸化シリコン膜を形成する工程と、第１
の酸化シリコン膜上に第１の導電膜を、第２の酸化シリ
コン膜上に第２の導電膜を形成する工程と、前記第１、
第２の導電膜上に第１、第２の絶縁膜をそれぞれ形成
し、該第１、第２の絶縁膜を開口して前記第１、第２の
導電膜を露出させる工程と、前記開口を通して第１の酸
化シリコン膜を除去する工程と、真空中において絶縁膜
を堆積し、前記開口を封じる工程とを具備する。

【００２８】また、本発明によるマイクロ２極管の製造
方法は、表面に絶縁膜、導電性シリコン薄膜のサンドイ
ッチ構造を有するシリコン基板上にエッチングによりく
ぼみを形成し、該くぼみを酸化して第１の酸化シリコン
膜を形成する工程と、前記第１の酸化シリコン膜上に導
電膜を形成する工程と、前記シリコン基板を除去する工
程と、前記第１の酸化シリコン膜を除去し、前記導電膜
を露出させる工程とを具備する。

【００２９】また、本発明によるマイクロ２極管の製造
方法は、第１導電層からなるシリコン基板表面に第２導
電層を形成する工程と、該シリコン基板にエッチングに
よりくぼみを形成し、該くぼみを酸化して第１の酸化シ
リコン膜を形成する工程と、前記第１の酸化シリコン膜
上に導電膜を形成する工程と、前記第２導電層を残し第
１導電層からなるシリコン基板だけを除去する工程と、
前記第１の酸化シリコン膜を除去し、前記導電膜を露出
させる工程とを具備する。

【００３０】また、本発明による冷陰極の製造方法は、
基板をエッチングするか、または該基板上に薄膜を堆積
し、該薄膜を開口することによってくぼみを形成する工
程と、前記基板上に絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜
上にシリコン薄膜を堆積する工程と、該シリコン薄膜を
酸化し、第１の酸化シリコン膜を形成する工程と、該第
１の酸化シリコン膜上に導電膜を形成する工程と、前記
第１の酸化シリコン膜及び前記絶縁膜を除去し、前記導
電膜を露出させる工程とを具備する。

【００３１】また、本発明によるマイクロ２極管の製造
方法は、基板表面または、基板上に第１の絶縁膜、第１
の導電膜及び第２の絶縁膜のサンドイッチ構造を形成
し、前記第１の絶縁膜、第１の導電膜及び第２の絶縁膜
のサンドイッチ構造を開口することによってくぼみを形
成する工程と、前記第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を形
成する工程と、前記第３の絶縁膜上にシリコン薄膜を堆
積する工程と、前記シリコン薄膜を酸化し、第１の酸化
シリコン膜を形成する工程と、該第１の酸化シリコン膜
上に第２の導電膜を形成する工程と、前記第１の酸化シ
リコン膜及び前記第３の絶縁膜を除去し、前記第２の導
電膜を露出させる工程とを具備する。

【００３２】また、本発明によるマイクロ３極管の製造
方法は、導電性を有する基板上に第１の窒化シリコン膜
を形成する工程と、前記第１の窒化シリコン膜に第１の
開口を形成する工程と、前記第１の開口を通して前記基
板をエッチングする工程と、前記第１の開口を通して前
記エッチング後の基板を酸化し、第１の酸化シリコン膜
を形成する工程と、前記第１の窒化シリコン膜の残部を
エッチングにより除去する工程と、前記第１の窒化シリ
コン膜の除去により露出した前記基板を所望の深さにエ
ッチングする工程と、前記エッチングされた基板表面を
酸化し、第２の酸化シリコン膜を形成する工程と、前記
第１の酸化シリコン膜及び前記第２の酸化シリコン膜上
に第１の金属膜を形成する工程と、前記基板の全面に第
３の酸化シリコン膜を形成する工程と、前記第３の酸化
シリコン膜上に第２の窒化シリコン膜を形成する工程
と、前記第２の窒化シリコン膜に第２の開口を形成する
工程と、前記第２の開口を通じて、前記第３の酸化シリ
コン膜、前記第２の酸化シリコン膜および前記第１の酸
化シリコン膜をエッチングする工程と、前記基板の全面
に真空中において保護膜を形成する工程とを具備する。

【００３３】また、本発明による密閉キャビティ型マイ
クロ３極管の製造方法は、導電性を有する基板上に第１
の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上に第１
の導電膜を形成する工程と、前記第１の導電膜上に第２
の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜、前記第
１の導電膜及び前記第２の絶縁膜に第１の開口を形成す
る工程と、前記第２の絶縁膜上及び前記第１の開口の内
部にシリコン膜を形成する工程と、前記シリコン膜を熱
酸化して酸化シリコン膜にする工程と、前記酸化シリコ
ン膜を所定形状にパターニングする工程と、前記酸化シ
リコン膜上に第２の導電膜を形成する工程と、前記第２
の導電膜に第２の開口を形成する工程と、前記第２の開
口を通して前記酸化シリコン膜をエッチング除去する工
程と、真空中において前記基板の全面に保護膜を形成す
る工程とを具備する。

【００３４】

【作用】本発明の冷陰極は、胴体部の傾斜角度（図８θ
₁ ）を大きくし、抵抗を小さくすることによってジュー
ル熱による冷陰極の加熱を抑制し、冷陰極の破壊、形状
変化や冷陰極表面からの吸着分子の脱離による真空度の
劣化等を防ぐことができる。また、冷陰極の先端部は、
小さな傾斜角度（図８θ₂ ）をもつ突起形状にして、先
端部への電界集中を増大させ電子放出電圧を低下でき
る。電子放出電圧を低下させることにより、放出電子の
もつエネルギーを低減し、真空中の気体分子の放電によ
る冷陰極の破壊等の問題を防ぐことができる。さらに、
突起と胴体部には連続曲線状のつながりをもたせ、先端
の突起部での急激な抵抗の増加を低減できる。

【００３５】次に、マイクロ３極管の製造方法を説明す
る。（１００）結晶面のＳｉ基板上に複数個の開口を有
する絶縁膜を形成し、この開口を通して水酸化カリウム
水溶液やヒドラジン水溶液等による異方性エッチング液
で単結晶シリコンをエッチングすると、（１１１）結晶
面のエッチング速度が非常に遅いためこの結晶面で囲ま
れた四角錐のキャビティが再現性よく形成される。四角
錐の幅や高さは、絶縁膜の開口の大きさで調整される。
さらに、このキャビティを酸化して冷陰極の鋳型を形成
する。シリコンを酸素や水蒸気等の酸化性雰囲気中で加
熱し酸化すると、凹形状部では、酸化によって形成され
る酸化膜中及びシリコンと酸化膜界面に応力が生じる。
この応力によって凹部の先端付近に酸化速度の低下や酸
化膜粘性流動が生じ、凹部の先端に近い部分ほど酸化膜
の膜厚が薄くなるため、深いくぼみが形成される（参考
文献 H.UMIMOTO,S.ODANAKA,I.NAKAO NUERICALSIMULATI
ON OF STRESS-DEPENDENT OXIDE GROWTH AT CONVEX AND
CONCAVE CORNERS OF TRENCH STRUCTURES IEEE,ELECTRO
N DEVICE LETTERS,VOL.10,NO.7,1989 pp.330 〜332
）。

【００３６】図８に上述の形状をコンピュータシミュレ
ーションした結果を示す。図中の点線は酸化前の単結晶
シリコンの表面の位置を表している。このＶ字型の溝を
持つ単結晶シリコンを熱酸化して形成される酸化シリコ
ン膜２８によってできる溝先端の角度θ₂ は、もともと
のＶ溝の角度θ₁ よりも小さくなり、さらに尖った溝が
形成される。このような溝に冷陰極形成のための鋳型と
して用い、後で酸化シリコン膜２８を弗酸水溶液で除去
することによって、先端の鋭く尖った曲率半径の極めて
小さい冷陰極を形成することができる。

【００３７】上述のキャビティ部のみを局所的に酸化し
た後、絶縁膜を除去しキャビティの周囲の単結晶シリコ
ン基板を水酸化カリウム水溶液、エチレンジアミンピロ
カテコール水溶液、ヒドラジン水溶液等のシリコンエッ
チング液を用いて表面から数μｍエッチングする。シリ
コン基板の表面にエッチング深さの位置まで、シリコン
基板と反対の導電型の不純物を導入しｐｎ接合を形成す
るか、または高濃度の不純物を導入した層を形成し、こ
のｐｎ接合を利用した電気化学的なエッチストップ技
術、またはエッチング速度の不純物濃度依存性を利用し
たエッチストップ技術等を利用してエッチング深さの精
度及び再現性を向上させる。このシリコンエッチングに
よってキャビティの周囲に段差が形成されるので、冷陰
極及びゲート電極となる材料を真空蒸着法あるいはスパ
ッタリング法等により堆積すると、電極材料は上述の段
差によってキャビティ上とキャビティの周囲では電気的
に絶縁され、同時に冷陰極とゲート電極が形成される。
さらに、ゲート電極は、冷陰極先端とキャビティ上の酸
化膜の厚さだけ離れた位置に自動的に配置される。

【００３８】次に、上記電極材料上に真空蒸着法あるい
はスパッタリング法等により酸化シリコン膜、窒化シリ
コン膜を順に堆積する。冷陰極に近接した位置のゲート
電極上の酸化シリコン膜、窒化シリコン膜に開口を設
け、この開口を通して弗酸水溶液で酸化シリコン膜をエ
ッチングし、冷陰極下の酸化シリコン膜を除去して冷陰
極を露出させる。最後に、上述の開口を通して開けられ
た空隙を真空状態にした後、真空蒸着法により酸化シリ
コン膜を堆積して開口を封じる。以上のようにして、シ
リコン基板をアノード電極とし、シリコン基板内に真空
に保持された空間をもつマイクロ３極管が製造される。

【００３９】本発明は、電子放出電圧が低く、電気特性
が安定した電界放出素子を再現性、均一性よく製造でき
る。

【００４０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、実施例の全図において、同一または対応す
る部分には同一の符号を付けてある。

【００４１】まず、本発明の一実施例によるマイクロ３
極管の製造工程の概要を説明する。

【００４２】本発明によるマイクロ３極管の製造工程に
おいては、電子放出銃である冷陰極の鋳型を形成するの
に、図３に示すように、Ｓｉ基板１内にエッチングによ
って鋳型を形成するためのキャビティ３を形成し、図４
に示すように、そのキャビティ３を酸化して酸化シリコ
ン膜５を形成することによって鋳型の形成を行ってい
る。このキャビティ３は、電子放出銃の先端にあたる部
分が凹形でその立体角はなるべく小さく形成されること
が好ましい。Ｓｉ基板１として面方位が（１００）の基
板を利用し、キャビティ３のエッチングに水酸化カリウ
ム水溶液やヒドラジン水溶液等を用いると、エッチング
マスクに開口されたエッチング窓の大きさによって決ま
った形状の逆ピラミッド型のキャビティを非常に再現性
よく形成することができる。

【００４３】さらにキャビティ３の酸化においては、一
般にシリコンの酸化工程では、シリコンの凹部や凸部に
おいて成長する酸化シリコン膜５内に応力が生じ、その
部分の成長速度が他の平坦な部分よりも遅くなるという
性質を利用している。その結果、図２６に示すように逆
ピラミッド型のシリコンキャビティを酸化することによ
って、その酸化によって形成された酸化シリコン膜２８
のもつ凹部の角度θ₂ は、もともとの逆ピラミッド構造
が持つ先端角度θ₁ よりも小さくなり、さらに尖った凹
部構造が形成されることになる。このような凹部に図８
に示すように、冷陰極となる材料１０を堆積し、その
後、酸化シリコン膜の鋳型を除去することによって、先
端の鋭く尖った曲率半径の極めて小さい冷陰極を形成す
ることができる。本実施例は、このような特性を有効に
活用したものである。

【００４４】次にゲート電極を形成するために、上記の
鋳型が形成された単結晶シリコン基板１を図６に示すよ
うに表面から数μｍエッチングして除去する。このエッ
チングの深さによって、図１のゲート電極１１と冷陰極
１０の位置関係が決定される。本工程における単結晶シ
リコン基板１のエッチングにおいては、上述した冷陰極
１０の鋳型である酸化シリコン膜５をエッチングせず
に、単結晶シリコン基板４のみをエッチングするような
エッチング液を利用する。

【００４５】このようなエッチング液には水酸化カリウ
ム水溶液や、エチレンジアミンピロカテコール水溶液、
ヒドラジン水溶液などがある。この工程においては予め
設定した深さだけエッチングするために、ｐｎ接合を利
用した電気化学的なエッチストップ及びドーパントの濃
度差を利用したエッチストップなどを利用することが好
ましい。

【００４６】上述の単結晶シリコン基板のエッチングの
後、図７に示すように、ゲート電極とアノード電極とな
る単結晶シリコン基板との間の絶縁層を形成するための
酸化を行い酸化シリコン膜９を形成する。単結晶シリコ
ン基板の酸化は、ＩＣ製造において確立された技術であ
り、精密な膜厚制御が可能であるので、ここで行う酸化
工程によってゲート、アノード間の位置関係は精度良く
決定される。

【００４７】以上述べた工程の後に、図８に示すよう
に、冷陰極及びゲート電極となる材料を真空蒸着法ある
いはスパッタリング法などを利用して形成する。この場
合、冷陰極の鋳型部分に堆積されたものは冷陰極１０と
なり、それ以外の基板上に堆積された材料はゲート電極
１１となる。ここでゲート電極１１は冷陰極１０に対し
て、冷陰極１０の鋳型５がマスクとなり自己整合的に形
成されることになる。従って、例えばプラネタリ方式の
真空蒸着法やスパッタリング法等を利用することによっ
て、基板に対して斜めから蒸着原子が入射するようにす
れば、原理的には冷陰極１０から冷陰極１０の鋳型の厚
さ程度の位置にゲート電極１１の端部を形成することが
可能である。

【００４８】図９に示すように酸化シリコン膜を形成
し、最後に図１３に示すように、各電極間の酸化シリコ
ン膜１２，５，９を弗酸水溶液でエッチング除去し、真
空となる空間を形成する。

【００４９】上述のように、本実施例によるマイクロ３
極管の製造方法では、極めて精密に再現性よく各電極の
位置関係及び冷陰極の形状を製造できる。以下に本実施
例をより詳細に説明する。

【００５０】図１は本発明の実施例によるマイクロ３極
管の素子断面図を示す。Ｓｉ基板１は面方位が（１０
０）の基板であり、後述するシリコン基板エッチング時
に電気化学的エッチングストップを利用する場合にはｎ
型の基板を利用する。他の方法でエッチングストップを
行う場合は必要に応じてｎ型基板を利用してもｐ型基板
を利用してもよい。本実施例においては例えば比抵抗が
０．８〜１．２Ωｃｍのｎ型基板を用いた。９は酸化シ
リコン膜であり、後述のゲート電極１１とＳｉ基板１と
の間の層間絶縁膜である。その膜厚は例えば５００ｎｍ
とした。

【００５１】１０は冷陰極であり、後述のように、ゲー
ト膜１１の形成時に同時に形成される。その材質は後述
の酸化シリコン膜アンダーエッチングに利用する弗酸水
溶液に侵されないものならよく、電子放出効率、及び安
定性などを考慮して決定する。具体的には例えばモリブ
デン膜を５００ｎｍとした。１１はゲート膜であり、前
述のようにその材質、及び膜厚は冷陰極１０と同じとな
る。具体的にはモリブデン膜が５００ｎｍとなる。

【００５２】１２は酸化シリコン膜であり、ゲート膜１
１と後述の冷陰極１０との間の層間絶縁膜である。その
膜厚は例えば７００ｎｍとした。１３は窒化シリコン膜
であり、酸化シリコン膜エッチング時の保護膜として利
用する。その膜厚は例えば３００ｎｍとする。１５は冷
陰極用電極膜であり、その材質は弗酸水溶液に侵されな
いものがよく、またその膜厚は冷陰極１０と十分なコン
トクトが得られるように設定する。具体的には、モリブ
デンを１μｍとした。

【００５３】１６は上記の酸化シリコン膜９、酸化シリ
コン膜１２及び後述する冷陰極の鋳型として利用する酸
化シリコン膜をアンダーエッチングするためのエッチン
グホールであり、その大きさがエッチング液である弗酸
水溶液の交換が十分に起こるように設定する。冷陰極１
０との距離は可能な限り近い方が好ましいが、リソグラ
フィーのパターニング時におけるマスク合わせ精度など
を考慮して決定する。またその個数は通常冷陰極１個に
対して１個以上のエッチングホールが必ず必要となる
が、レイアウトの方法によっては複数の冷陰極に対して
１個のエッチングホールを設けるようにしてもよい。具
体的には２μｍ角のエッチングホールを冷陰極１０から
２μｍ離して形成した。

【００５４】１７はアノード電極用金属膜であり、Ｓｉ
基板１とオーミック接触が形成される材料でなければな
らない。具体的には、例えばＩｎを２００ｎｍとＡｕを
３００ｎｍ形成した。

【００５５】次に、上述のように構成された実施例によ
るマイクロ３極管の製造方法を説明する。

【００５６】まず図２に示すように、ｎ型のＳｉ（１０
０）基板１の表面に具体的には例えば２μｍ角の開口３
に対して１μｍの厚さのｐ型層４をエピタキシャル成長
法により形成する。次に窒化シリコン膜２を例えばＬＰ
ＣＶＤ法、スパッタ法、またはプラズマＣＶＤ法などに
より形成する。この窒化シリコン膜２の膜厚は、後述の
ＬＯＣＯＳ酸化時におけるマスクとして十分な膜厚とす
る。具体的には窒化シリコン膜２の膜厚は３００ｎｍと
する。

【００５７】しかる後、窒化シリコン膜２にフォトリソ
グラフィにより開口３を形成する。窒化シリコン膜２の
エッチングには、リアクティブイオンエッチングが好ま
しいが、熱燐酸などを利用してもよい。開口３の大きさ
は、図３に示すように開口３の部分に形成する逆ピラミ
ッド型のキャビティの大きさを決定するものであるが、
キャビティの深さは後述する冷陰極１０と冷陰極用電極
膜１５とのコンタクト形成の容易さから、酸化シリコン
膜９とゲート膜１１と酸化シリコン膜１２の膜厚を加え
た程度が好ましい。従って上述の事項を考慮して開口３
の大きさを決定する。具体的には例えば開口３の大きさ
は２μｍ角とした。

【００５８】次に図３に示すように、上述の開口３を通
してシリコン基板１をＫＯＨ水溶液で異方性エッチング
する。このエッチングはエッチングされたシリコン基板
の側面が全部（１１１）面になったときに終了する。し
かる後、図４に示すように、上述のＫＯＨエッチングに
よって露出したシリコン基板面を熱酸化し、酸化シリコ
ン膜５を形成する。このとき上述の窒化シリコン膜２が
他の部分のマスクとして働き、開口部３に露出したシリ
コン基板面だけが酸化されることになる。具体的には例
えば酸化シリコン膜５の膜厚は５００ｎｍとした。

【００５９】しかる後、熱燐酸で上述の窒化シリコン膜
２をエッチング除去する。これにより、図４に示すよう
に開口３のキャビティ部分にだけ酸化シリコン膜が形成
され、他の部分はシリコン基板４が露出していることと
なる。

【００６０】次に、図５に示すようにシリコン基板１の
裏面に電極膜６を例えば真空蒸着法などにより形成す
る。その材質はシリコン基板１とオーミック接触が形成
できればよい。具体的には例えばＩｎを２００ｎｍとＡ
ｕを３００ｎｍ形成した。次にビニール等のアルカリ水
溶液に侵されない材質で被覆されたリード線８を例えば
銀ペーストで上述の金属膜６に張りつけ、しかる後、や
はりアルカリ水溶液に侵されない材質の保護膜７を、金
属膜６及びシリコン基板１のｎ型の部分を完全に覆うよ
うに形成する。

【００６１】次に、ＫＯＨ水溶液の中でＫＯＨ水溶液内
に設けた電極に対して１Ｖ程度の正電圧を上記リード線
８に印加してシリコン基板１をエッチングする。このエ
ッチングにおいて、ｎ型のシリコン基板部１は正に加え
られた電圧のためにエッチングされず、一方ｐ型のシリ
コン基板部４は容易にエッチングされる。従って図６に
示すようにｐ型層のみエッチングされた後、エッチング
は自動的に終了する。また酸化シリコン膜５に対するＫ
ＯＨ水溶液のエッチング速度はシリコン基板４に対する
エッチング速度よりも極めて遅いため、上述のシリコン
基板４のエッチングにおいて酸化シリコン膜５はほとん
どエッチングされずに残ることになる。

【００６２】ｐ型層４のエッチング後、保護膜７、リー
ド線８及び電極膜６をそれぞれ除去する。これらの除去
はアセトン等の有機溶剤と王水等によって行う。これに
より図６に示すような構造が形成されることとなる。

【００６３】次に、図７に示すように熱酸化法により酸
化シリコン膜９を形成し、しかる後、図８に示すよう
に、ゲート膜１１及び冷陰極１０を例えば真空蒸着法に
より形成する。ゲート膜１１及び冷陰極１０としては金
属、金属化学物及び各種半導体が利用できる。また、形
成方法として、スパッタ法でも可能である。

【００６４】プラネタリ方式等によりシリコン基板１に
対して斜めに原子が入射するように真空蒸着することに
より、酸化シリコン膜５で形成された逆ピラミッド型の
冷陰極の鋳型の下部までゲート膜１１が形成されるよう
にしたほうが３極管動作上好ましい。本実施例ではプラ
ネタリ方式の真空蒸着装置を利用してゲート膜１１及び
冷陰極１０を形成した。また、必要に応じてゲート膜１
１のパターニングを行ってもよい。

【００６５】しかる後、図９に示すように、酸化シリコ
ン膜１２及び窒化シリコン膜１３を例えばＬＰＣＶＤ
法、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法等により形成す
る。本実施例では、酸化シリコン膜１２及び窒化シリコ
ン膜１３ともスパッタ法により形成した。

【００６６】次に、図１０に示すように、開口１４を形
成する。この形成方法としては、フォトレジストの平坦
化効果を利用し、フォトレジストを全面に回転塗布しベ
ークした後、そのまま全面をＣＦ₄ ガスプラズマでリア
クティブイオンエッチングを行うと、セルフアライン的
に冷陰極１０が形成されている部分のみ開口１４を形成
することができる。すなわち、レジストの回転塗布にお
いては凸部は他の領域よりもレジスト膜厚が小さくなる
ため、リアクティブイオンエッチングにおいてはまずレ
ジストが徐々にエッチングされて行くわけであるが、冷
陰極１０が形成されている部分のレジストは他の領域に
比べて薄いためにまっさきにエッチングされ、従って冷
陰極１０上の窒化シリコン膜１３が露出しエッチングが
始まるわけである。これにより開口１４が形成される。
またフォトリソグラフィによってレジストをパターニン
グし、開口１４を形成することも可能である。

【００６７】次に、図１１に示すように冷陰極用電極膜
１５を形成し、必要に応じてパターニングを行う。次
に、図１２に示すように、フォトリソグラフィ及びリア
クティブイオンエッチング等により冷陰極用電極膜１５
と窒化シリコン膜１３に開口１６を形成し、しかる後、
弗酸水溶液によって酸化シリコン膜１２、酸化シリコン
膜５及び酸化シリコン膜９の一部をエッチングする。こ
のエッチングにおいては、少なくとも冷陰極１０の先端
部の酸化シリコン膜５と酸化シリコン膜９をエッチング
する。次に、図１３に示すように、シリコン基板の裏面
にアノード用電極膜１７を形成する。

【００６８】最後に、図１４に示すように、真空蒸着法
で絶縁膜１８、具体的には酸化シリコン膜を堆積し、開
口１６を酸化シリコン膜で埋め、真空に密閉されたマイ
クロ３極管の動作領域を形成する。これにより、シリコ
ン基板１を大気中にさらしてもマイクロ３極管の動作領
域は真空に保持されるため、特別な真空装置を用いずに
マイクロ３極管を使用できる。

【００６９】このようにして、本実施例においては、先
端の曲率半径が小さい冷陰極を備え、電極間の位置関係
の精度の高いマイクロ３極管を製造することができる。

【００７０】本発明の他の実施例のマイクロ２極管の製
造方法を説明する。

【００７１】図１５（ａ）乃至（ｅ）は、本実施例のマ
イクロ２極管の製造方法を示す素子断面図である。

【００７２】まず、図１５（ａ）に示すように、シリコ
ンの表面より１μｍの深さに２００ｎｍの厚さの第１酸
化シリコン膜２９を形成した（１００）ｎ型ＳＩＭＯＸ
シリコン基板３０にリン塗布拡散剤を塗布し、１５０℃
窒素雰囲気中で３０分間ベークし、次に９００℃窒素雰
囲気中で２時間拡散する。これによって、第１酸化シリ
コン膜２９上のシリコンにｎ型導電層を形成し、ゲート
電極３１とする。

【００７３】次に、ＬＰＣＶＤ法により膜厚が３００ｎ
ｍの窒化シリコン膜３２を形成する。しかる後、フォト
リソグラフィ技術を用いて、この窒化シリコン膜３２に
２μｍ角の開口３３を形成する。この開口３３を通し
て、水酸化カリウム水溶液でシリコン基板３０をエッチ
ングする。エッチングは、（１１１）結晶面３４のエッ
チング速度が非常に遅いためこの結晶面３４が露出した
ところで停止する。

【００７４】次に、図１５ｂ）に示すように、エッチン
グ後、約１５０℃に加熱された燐酸溶液で窒化シリコン
膜３２を完全に除去する。しかる後、１０００℃の水蒸
気雰囲気中でシリコン基板３０を酸化し、１μｍの第２
酸化シリコン膜３５を形成する。次に、真空蒸着法によ
り、１μｍのタングステン膜３６を堆積し、冷陰極３７
を形成する。

【００７５】次に、図１５ｃ）に示すように、ガラス基
板３８に真空蒸着法により１μｍの透明導電膜（ＩＴＯ
膜）３９を堆積する。しかる後、このガラス基板上の透
明導電膜３９と前記シリコン基板３０上のタングステン
膜３６とを銀エポキシ樹脂４０により接着する。

【００７６】次に、図１５ｄ）に示すように、酸化カリ
ウム水溶液でシリコン基板３０の裏側からシリコンをエ
ッチングし、完全除去する。この時、第１酸化シリコン
膜２９は、水酸化カリウム水溶液でほとんどエッチング
されない。

【００７７】最後に、図１５ｅ）に示すように、弗酸水
溶液で第１酸化シリコン膜２９及び冷陰極３７上の第２
酸化シリコン膜３５を除去し、ゲート電極３１及び冷陰
極３７を露出させることにより、マイクロ２極管が製造
される。

【００７８】本実施例においては、ゲート電極３１と冷
陰極３７との間隔を第２酸化シリコン膜３５の膜厚によ
り制御でき、またゲート電極３１と冷陰極３７の先端部
との位置関係を窒化シリコン膜３２の開口３３幅と第２
酸化シリコン膜３５の膜厚により制御できるので、冷陰
極３７の非常に近い位置に精度よくゲート電極３１を配
置でき、電子放出電圧の低いマイクロ２極管が再現性、
均一性よく製造できる。

【００７９】本発明の更に他の実施例のマイクロ２極管
の製造方法を説明する。

【００８０】図１６（ａ）〜（ｅ）は、マイクロ２極管
の製造方法を示す素子断面図である。

【００８１】まず、図１６（ａ）に示すように、（１０
０）ｐ型シリコン基板４１に燐塗布拡散剤を塗布し、１
５０℃窒素雰囲気中で３０分間ベークした後、９００℃
窒素雰囲気中で１時間拡散し、０．５μｍのｎ型導電層
４２を形成する。

【００８２】次に、ＬＰＣＶＤ法により窒化シリコン膜
３２を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、窒化
シリコン膜３２に２μｍ角の第１開口４３を形成する。
この第１開口４３を通して、水酸化カリウム水溶液でシ
リコン基板４１をエッチングする。エッチングは、（１
１１）結晶面３４のエッチング速度が非常に遅いためこ
の結晶面３４が露出したところで停止する。

【００８３】次に、図１６（ｂ）に示すように、エッチ
ング後、約１５０℃に加熱された燐酸溶液で窒化シリコ
ン膜３２を完全に除去する。しかる後、１０００℃の水
蒸気雰囲気中でシリコン基板４１を酸化し、０．５μｍ
の酸化シリコン膜４４を形成し、フォトリソグラフィ技
術を用いて、酸化シリコン膜４４に１ｃｍ角の第２開口
４５を形成する。

【００８４】次に、真空蒸着法により、１μｍのタング
ステン膜３６を堆積して、冷陰極３７を形成し、フォト
リソグラフィ技術を用いて、タングステン膜３６をパタ
ーニングし、ｎ型導電層４２上のタングステン膜３６と
冷陰極３７のタングステン膜３６とを分離し、電気的に
絶縁する。

【００８５】次に、図１６（ｃ）に示すように、ガラス
基板３８に真空蒸着法により１μｍの透明導電膜（ＩＴ
Ｏ膜）３９を堆積する。しかる後、このガラス基板３８
上の透明導電膜３９と前記シリコン基板３０上のタング
ステン膜３６と銀エポキシ樹脂４０により接着する。

【００８６】次に、図１６（ｄ）に示すように、ビニー
ル等のアルカリ水溶液に侵されない材質で被覆されたリ
ード線４６を銀ペーストでｎ型導電層４２上のタングス
テン膜３６に張りつけ、アルカリ水溶液で侵されない材
質の保護膜７でガラス基板３８、シリコン基板４１表面
及び外周を完全に覆う。

【００８７】しかる後、リード線４６の付いたシリコン
基板４１と白金電極を８５℃、４０％水酸化カリウム水
溶液中に入れ、白金電極に対しリード線４６に約１Ｖの
正電圧を印加して、シリコン基板４１を電気化学的にエ
ッチングする。シリコン基板４１のエッチングが進行
し、ｎ型導電層４２が露出するとｎ型導電層４２が陽極
酸化されシリコンエッチングが自動的にストップするた
め、ｐ型シリコンは完全に除去され、ｎ型導電層４２だ
け残る。シリコンエッチング後、加熱したトリクレン中
に入れて保護膜７、リード線４６を除去する。

【００８８】最後に、図１６（ｅ）に示すように、冷陰
極３７上の酸化シリコン膜４４を除去し、冷陰極３７を
露出させることにより、マイクロ２極管が製造される。

【００８９】本実施例においては、ゲート電極と冷陰極
３７の先端部との位置関係が拡散やイオン注入等の不純
物導入技術をもちいて形成したｎ型導電層４２の厚さ、
窒化シリコン膜３２の第１開口４３の幅及び酸化シリコ
ン膜４４の膜厚により制御できるので、電子放出電圧の
低いマイクロ２極管が再現性、均一性よく製造できる。

【００９０】本発明の更にまた他の実施例のマイクロ３
極管の製造方法を説明する。

【００９１】図１７乃至図２５は、本発明のマイクロ３
極管の断面図を示す。図１７において、４７はアノード
電極としての基板を示す。この基板４７は導電性を有す
ることが必要であるが、アノード電極として働けばよい
ので、全体が導電性材料からなる基板ではなく、例えば
ガラス基板やセラミック基板の全面に金属膜を形成した
ものを用いても良く、更には、上記金属膜をパターニン
グしたものを用いてもよい。本実施例では、この基板４
７として、例えば結晶面方位が（００１）で比抵抗が
０．８〜１．２Ωｃｍのｎ型単結晶シリコン基板を用い
た。

【００９２】４８は酸化シリコン膜であり、この酸化シ
リコン膜４８の膜厚は、後述するゲート膜４９とアノー
ド電極としての基板４７との間に印加される動作電圧に
対して絶縁破壊に充分に耐えられるような膜厚に設定す
る。具体的には、この酸化シリコン膜４８の膜厚は例え
ば５００ｎｍとする。なお、酸化シリコン膜４８の代わ
りに例えば窒化シリコン膜のような絶縁膜を用いても良
い。

【００９３】４９はゲート膜であり、このゲート膜４９
は、後述する酸化シリコン膜５６，５８（図２４参照）
のエッチング時に用いられる弗化水素酸水溶液に容易に
侵されないことが要求される。具体的には、ゲート膜４
９として、例えば膜厚が３００ｎｍのポリシリコン膜を
用いる。

【００９４】５０は窒化シリコン膜であり、この窒化シ
リコン膜５０は、ゲート膜４９と後述の冷陰極との間の
層間絶縁膜となる。この窒化シリコン膜５０の膜厚は、
ゲート膜４９と冷陰極５２ａとの間の絶縁耐圧が十分高
くなるように設定する。具体的には、この窒化シリコン
膜５０の膜厚は例えば５００ｎｍとする。

【００９５】５１は酸化シリコン膜４８、ゲート膜４９
及び窒化シリコン膜５０に形成した開口である。この開
口５１は、後述の冷陰極５２ａの形成時に用いられるも
のであり、その大きさはゲート電極４９と冷陰極５２ａ
との位置関係及び全体のプロセスとの兼ね合いから最適
になるように設定する。また、この開口５１の形状は、
冷陰極５２ａの形状をも決定する一つのファクターであ
るので、実験的に最適化する必要がある。具体的には、
この開口５１は、例えば一辺が２μｍの正方形の形に形
成する。

【００９６】５２は冷陰極の導電膜である。そして、開
口５１の上方の部分におけるこの導電膜５２に冷陰極５
２ａが形成されている。この冷陰極５２ａ以外の部分の
導電膜５２は、冷陰極５２ａの電極である。この導電膜
５２は、冷陰極５２ａの放出電流を多くするために仕事
関数ができるだけ小さいことが好ましく、更に、後述の
酸化シリコン膜のエッチング時に用いられる弗化水素酸
水溶液に侵されないものを用いる。もちろん、この導電
膜５２としては、炭化金属やほう化金属などを用いるこ
とも可能である。

【００９７】５２ｂは、後述の冷陰極形成時に鋳型とし
て用いた酸化シリコン膜５６及び酸化シリコン膜５８
（図２４参照）をエッチング除去する際に用いたエッチ
ングホールである。このエッチングホール５２ｂの大き
さ及び個数は、エッチング液の交換が充分に行われるよ
うに設定する。具体的には、このエッチングホール５２
ｂは、例えば開口５１の中心から５μｍ離れた位置に、
一辺３μｍの開口を２個対称に形成する。

【００９８】５３はパッシベーション及び真空封入のた
めの保護膜であり、この保護膜５３としては、できるだ
け高い真空度の真空雰囲気で形成することができ、しか
もクラックなどの発生によって真空が破られることを避
けるために応力が小さいものを用いるのが好ましい。こ
の保護膜５３の膜厚は、冷陰極用の導電膜５２に形成さ
れた開口５２ｂが完全に封止される膜厚に設定する。具
体的には、この保護膜５３として、例えばスパッタリン
グ法により膜厚が２μｍの酸化シリコン膜を用いる。

【００９９】５４はアノード電極としての基板４７のバ
ックコンタクト電極である。基板４７としてｎ型単結晶
シリコン基板を用いる場合には、ｎ型単結晶シリコン基
板とオーミック接合が得られるように、このバックコン
タクト電極５４として、例えば膜厚が１５０ｎｍのイン
ジウム膜と膜厚が３００ｎｍの金膜との２層膜を用い
る。なお、ガラス基板などの絶縁性基板上に金属膜を形
成したものを基板４７として用いる場合には、表面側か
らこの基板４７に対するコンタクトを取ることができる
ので、このバックコンタクト電極５４は形成する必要が
ない。

【０１００】次に、上述のように構成した本実施例によ
る密閉キャビティ型マイクロ３極管の製造方法を図１８
乃至図２５を参照して説明する。

【０１０１】まず、図１８に示すように、例えばｎ型単
結晶シリコン基板ような基板４７の全面に、例えば熱酸
化法、スパッタ法、減圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ）法、プ
ラズマＣＶＤ法などにより酸化シリコン膜４８を形成す
る。

【０１０２】次に、酸化シリコン膜４８の全面に、ＬＰ
ＣＶＤ法、スパッタリング法などによりゲート膜４９を
形成した後、例えば、後に３極管の電気特性を調べるた
めに外部電極とのコンタクトを取ることができるように
このゲート膜４９をリソグラフィ及びエッチングにより
所定形状にパターニングする。なお、３極管の電気特性
を調べる必要がない場合には、このゲート膜４９のパタ
ーニングを行う必要はない。

【０１０３】次に、図１９に示すように、窒化シリコン
膜５０を基板全面にＬＰＣＶＤ法、スパッタリング法な
どにより形成する。

【０１０４】次に、図２０に示すように、この窒化シリ
コン膜５０上に、冷陰極形成用の開口５１に対応する部
分が開口したレジストパターン５５をリソグラフィによ
り形成する。

【０１０５】次に、このレジストパターン５５をマスク
として窒化シリコン膜５０、ゲート膜４９及び酸化シリ
コン膜４８を例えばリアクティブイオンエッチング（Ｒ
ＩＥ）法により順次エッチングして、図２１に示すよう
に、開口５１を形成する。

【０１０６】次に、このレジストパターン５５を除去し
た後、図２２に示すように、基板全面に酸化シリコン膜
５６をスパッタリング法、ＬＰＣＶＤ法などにより形成
する。この酸化シリコン膜５６は、後述のシリコン膜５
７の酸化時に、開口５１の側壁に露出しているゲート膜
４９の保護膜として用いられるものである。従って、こ
の酸化シリコン膜５６の膜厚は、この酸化時に酸化反応
種がゲート膜４９に達しないような膜厚に設定する。具
体的には、この酸化シリコン膜５６の膜厚は例えば５０
０ｎｍとする。

【０１０７】次に、ポリシリコン膜あるいはアモルファ
スシリコン膜のようなシリコン膜５７を基板全面に例え
ばＣＶＤ法により形成する。このシリコン膜５７の膜厚
は、前述の開口５１の径及び深さに応じて最適に設計す
る必要があり、後述のようにこのシリコン膜５７を酸化
したときに、開口５１が逆錐状に埋められるような膜厚
に設定する。具体的には、このシリコン膜５７の膜厚は
例えば５００ｎｍとする。

【０１０８】次に、図２３に示すように、シリコン膜５
７を全て熱酸化して酸化シリコン膜５８とする。この熱
酸化は、例えば１１００℃のバーニング酸化を２０分行
う。この場合、開口５１の側面から成長してくる酸化シ
リコン膜５８が出会う場所では、この酸化シリコン膜５
８に大きな応力が生じること及びこの酸化シリコン膜５
８の表面からシリコン膜５７までの距離が長くなるため
に酸化反応種の供給が少なくなることにより、成長速度
が遅くなる。その結果、開口５１の部分におけるこの酸
化シリコン膜５８の表面には、先端が極めて鋭い逆錐状
の凹部が形成される。この逆錐状の形状の凹部の部分の
酸化シリコン膜５８が冷陰極形成用の鋳型となる。

【０１０９】次に、図２４に示すように、開口５１を含
む犠牲層となる領域のみ残すように酸化シリコン膜５６
及び酸化シリコン膜５８をフォトリソグラフィ及びエッ
チングによりパターニングする。この犠牲層となる領域
の大きさは、この犠牲層を除去したときに、後述するエ
ッチングホール５２ｂと開口５１とがつながるように設
定する。

【０１１０】次に、冷陰極及びその電極となる導電膜５
２を基板全面に、例えば電子ビーム（ＥＢ）蒸着法、ス
パッタリング法などにより形成した後、この導電膜５２
のパターニングを行う。このパターニングは、上述の犠
牲層となる領域の酸化シリコン膜５６及び酸化シリコン
膜５８を導電膜５２が完全に被覆するように行う。次
に、リソグラフィ及びエッチングにより、この導電膜５
２にエッチングホール５２ｂを形成する。

【０１１１】次に、導電膜５２をマスクとして、エッチ
ングホール５２ｂを通して、弗化水素酸水溶液でエッチ
ングを行うことにより、図２５に示すように、犠牲層
（酸化シリコン膜５６及び酸化シリコン膜５８）をすべ
てエッチング除去する。

【０１１２】次に、図１７に示すように、基板全面にス
パッタリング法、ＥＢ蒸着法などにより例えば酸化シリ
コン膜のような保護膜５３を形成して、真空封止及びパ
ッシベーションを行う。この後、基板４７の裏面に例え
ばインジウムと金を蒸着法により形成してバックコンタ
クト電極５４を形成する。これにより、目的とする倒立
型の密閉キャビティ型マイクロ３極管が完成される。

【０１１３】以上に説明したように、本実施例によれ
ば、シリコン膜５７を熱酸化することにより形成される
酸化シリコン膜５８のうち開口５１の内部の表面に、先
端が極めて鋭い逆錐状の形状のホールが形成され、この
ホールを鋳型として冷陰極５２ａが形成されるので、先
端の曲率半径が極めて小さい冷陰極５２ａを形成するこ
とができるとともに、冷陰極５２ａの材料として金属や
炭化金属等の電子放出効率が高いものを用いることがで
きる。これにより、極めて電子放出効率の高い冷陰極を
形成することができ、従って、特性の優れたマイクロ３
極管を製造することができる。

【０１１４】上述のようにして製造した密閉キャビティ
型マイクロ３極管の電気特性を測定したところ、例え
ば、相互コンダクタンスが２５μＳ、電流増幅率が２０
程度の値が得られた。

【０１１５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の冷陰極
は、先端部に胴体部よりも鋭い突起を設けることによ
り、電子放出電圧を低電圧化し、冷陰極本体の電気抵抗
を小さくできるので、放出電子のエネルギーを小さくで
き、高エネルギー電子の衝突によるアノード電極材料か
らの吸着分子や電極材料の脱離による真空度の劣化、高
エネルギー電子と気体分子の衝突による放電等による冷
陰極の損傷や破壊、ジュール熱による冷陰極の加熱から
生じる吸着分子の脱離、冷陰極先端部の形状の変形や破
壊等防ぐことができ、電界放出素子の電気特性の安定性
や寿命を向上させることができる。

【０１１６】また、本発明の電界放出型素子の製造方法
は、冷陰極を異方性エッチングによるエッチストップ及
びシリコンの酸化を用いて形成することにより、冷陰極
形状の再現性、均一性をよくし、冷陰極先端の先鋭化を
実現できる。また、ゲート電極と冷陰極の間隔を酸化シ
リコン膜の膜厚で制御し、ゲート電極と冷陰極の先端部
の位置関係がシリコン基板中の埋め込み酸化シリコン膜
や電気化学的エッチングによるエッチストップ技術等を
用いて制御するので、冷陰極から非常に近い位置に精度
よくゲート電極を配置でき、電子放出電圧の低いマイク
ロ２極管が再現性、均一性よく製造できる。さらに、電
子放出効率の優れた金属や炭化金属等の各種の電界放出
素子に最も適した冷陰極材料を利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例により製造されるマイクロ３
極管を示す素子断面図である。

【図２】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方法
の工程を示す素子断面図である。

【図３】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方法
の工程を示す素子断面図である。

【図４】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方法
の工程を示す素子断面図である。

【図５】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方法
の工程を示す素子断面図である。

【図６】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方法
の工程を示す素子断面図である。

【図７】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方法
の工程を示す素子断面図である。

【図８】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方法
の工程を示す素子断面図である。

【図９】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方法
の工程を示す素子断面図である。

【図１０】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方
法の工程を示す素子断面図である。

【図１１】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方
法の工程を示す素子断面図である。

【図１２】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方
法の工程を示す素子断面図である。

【図１３】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方
法の工程を示す素子断面図である。

【図１４】本発明の一実施例のマイクロ３極管の製造方
法の工程を示す素子断面図である。

【図１５】本発明の他の実施例のマイクロ２極管の製造
方法の工程を示す素子断面図である。

【図１６】本発明の更に他の実施例のマイクロ２極管の
製造方法の工程を示す素子断面図である。

【図１７】本発明の更にまた他の実施例による製造され
るマイクロ３極管を示す素子断面図である。

【図１８】本発明の更にまた他の実施例のマイクロ３極
管の製造方法の工程を示す素子断面図である。

【図１９】本発明の更にまた他の実施例のマイクロ３極
管の製造方法の工程を示す素子断面図である。

【図２０】本発明の更にまた他の実施例のマイクロ３極
管の製造方法の工程を示す素子断面図である。

【図２１】本発明の更にまた他の実施例のマイクロ３極
管の製造方法の工程を示す素子断面図である。

【図２２】本発明の更にまた他の実施例のマイクロ３極
管の製造方法の工程を示す素子断面図である。

【図２３】本発明の更にまた他の実施例のマイクロ３極
管の製造方法の工程を示す素子断面図である。

【図２４】本発明の更にまた他の実施例のマイクロ３極
管の製造方法の工程を示す素子断面図である。

【図２５】本発明の更にまた他の実施例のマイクロ３極
管の製造方法の工程を示す素子断面図である。

【図２６】逆ピラミッド型凹部への酸化シリコン膜の形
成を説明する素子断面図である。

【図２７】従来の製造方法の工程を示す素子断面図であ
る。

【図２８】従来の製造方法の工程を示す素子断面図であ
る。

【図２９】従来の製造方法の工程を示す素子断面図であ
る。

【図３０】従来の製造方法の工程を示す素子断面図であ
る。

【図３１】従来の製造方法の工程を示す素子断面図であ
る。

【符号の説明】

１ ｎ型Ｓｉ（１００）基板 ２ 第１の窒化シリコン膜 ３ 第１の開口 ４ ｐ型Ｓｉ層 ５ 第１の酸化シリコン膜 ６ 金属膜 ７ 保護膜 ８ リード線 ９ 第２の酸化シリコン膜 １０ 冷陰極 １１ ゲート膜 １２ 第３の酸化シリコン膜 １３ 窒化シリコン膜 １４ 第２の開口 １５ 冷陰極用電極膜 １６ 第３の開口 １７ アノード電極用金属膜 １８ 絶縁膜 １９ 酸化シリコン膜 ２０ 窒化シリコン膜 ２１ ポリシリコン膜 ２２ 冷陰極形成用開口 ２３ シリコン基板 ２４ ポリシリコン膜 ２５ エッチング用開口 ２６ 冷陰極 ２７ 酸化シリコン膜 ２８ 酸化シリコン膜 ２９ 第１酸化シリコン膜 ３０ （１００）ｎ型ＳＩＭＯＸシリコン基板 ３１ ゲート電極 ３２ 窒化シリコン膜 ３３ 開口 ３４ （１１１）結晶面 ３５ 第２酸化シリコン膜 ３６ タングステン膜 ３７ 冷陰極 ３８ ガラス基板 ３９ 透明導電膜（ＩＴＯ膜） ４０ 銀エポキシ樹脂 ４１ （１００）ｐ型シリコン基板 ４２ ｎ型導電層 ４３ 第１開口 ４４ 酸化シリコン膜 ４５ 第２開口 ４６ リード線 ４７ 基板 ４８ 酸化シリコン膜 ４９ ゲート膜 ５０ 窒化シリコン膜 ５１ 開口 ５２ 導電膜 ５２ａ 冷陰極 ５３ 保護膜 ５６ 酸化シリコン膜 ５７ シリコン膜 ５８ 酸化シリコン膜

フロントページの続き (72)発明者 河村 和彦 川崎市中原区井田1618番地 新日本製鐵株 式会社先端技術研究所内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端に鋭く尖った突起と、該突起と連続
   曲線状のつながりをもつ形状を有する胴体部とを備えた
   冷陰極を有する電界放出型素子。
2. 【請求項２】 シリコン基板上、または該基板表面に絶
   縁膜、シリコン薄膜のサンドイッチ構造を有するシリコ
   ン基板上にエッチングによりくぼみを形成し、該くぼみ
   を酸化して第１の酸化シリコン膜を形成する工程と、 該第１の酸化シリコン膜上に導電膜を形成する工程と、 前記第１の酸化シリコン膜を除去し、前記導電膜を露出
   させる工程とを具備することを特徴とする冷陰極の製造
   方法。
3. 【請求項３】 シリコン基板上、または該基板表面に絶
   縁膜、シリコン薄膜のサンドイッチ構造を有するシリコ
   ン基板上にエッチングによりくぼみを形成する工程と、 該くぼみだけを局所的に酸化し、第１の酸化シリコン膜
   を形成する工程と、 前記シリコン基板の前記くぼみの周囲をエッチングする
   工程と、 前記エッチングされた基板表面を酸化し、第２の酸化シ
   リコン膜を形成する工程と、 第１の酸化シリコン膜上に第１の導電膜を、第２の酸化
   シリコン膜上に第２の導電膜を形成する工程と、 前記第１の酸化シリコン膜を除去する工程とを具備する
   ことを特徴とするマイクロ２極管の製造方法。
4. 【請求項４】 シリコン基板上、または該基板表面に絶
   縁膜、シリコン薄膜のサンドイッチ構造を有するシリコ
   ン基板上にエッチングによりくぼみを形成する工程と、 該くぼみだけを局所的に酸化し、第１の酸化シリコン膜
   を形成する工程と、 前記シリコン基板の前記くぼみの周囲をエッチングする
   工程と、 前記エッチングされた基板表面を酸化し、第２の酸化シ
   リコン膜を形成する工程と、 第１の酸化シリコン膜上に第１の導電膜を、第２の酸化
   シリコン膜上に第２の導電膜を形成する工程と、 前記第１、第２の導電膜上に第１、第２の絶縁膜をそれ
   ぞれ形成し、該第１、第２の絶縁膜を開口して前記第
   １、第２の導電膜を露出させる工程と、 前記開口を通して第１の酸化シリコン膜を除去する工程
   と、 真空中において絶縁膜を堆積し、前記開口を封じる工程
   とを具備することを特徴とするマイクロ３極管の製造方
   法。
5. 【請求項５】 表面に絶縁膜、導電性シリコン薄膜のサ
   ンドイッチ構造を有するシリコン基板上にエッチングに
   よりくぼみを形成し、該くぼみを酸化して第１の酸化シ
   リコン膜を形成する工程と、 前記第１の酸化シリコン膜上に導電膜を形成する工程
   と、 前記シリコン基板を除去する工程と、 前記第１の酸化シリコン膜を除去し、前記導電膜を露出
   させる工程とを具備することを特徴とするマイクロ２極
   管の製造方法。
6. 【請求項６】 第１導電層からなるシリコン基板表面に
   第２導電層を形成する工程と、 該シリコン基板にエッチングによりくぼみを形成し、該
   くぼみを酸化して第１の酸化シリコン膜を形成する工程
   と、 前記第１の酸化シリコン膜上に導電膜を形成する工程
   と、 前記第２導電層を残し第１導電層からなるシリコン基板
   だけを除去する工程と、 前記第１の酸化シリコン膜を除去し、前記導電膜を露出
   させる工程とを具備することを特徴とするマイクロ２極
   管の製造方法。
7. 【請求項７】 基板をエッチングするか、または該基板
   上に薄膜を堆積し、該薄膜を開口することによってくぼ
   みを形成する工程と、 前記基板上に絶縁膜を形成する工程と、 該絶縁膜上にシリコン薄膜を堆積する工程と、 該シリコン薄膜を酸化し、第１の酸化シリコン膜を形成
   する工程と、 該第１の酸化シリコン膜上に導電膜を形成する工程と、 前記第１の酸化シリコン膜及び前記絶縁膜を除去し、前
   記導電膜を露出させる工程とを具備することを特徴とす
   る冷陰極の製造方法。
8. 【請求項８】 基板表面または、基板上に第１の絶縁
   膜、第１の導電膜及び第２の絶縁膜のサンドイッチ構造
   を形成し、前記第１の絶縁膜、第１の導電膜及び第２の
   絶縁膜のサンドイッチ構造を開口することによってくぼ
   みを形成する工程と、 前記第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を形成する工程と、 前記第３の絶縁膜上にシリコン薄膜を堆積する工程と、 前記シリコン薄膜を酸化し、第１の酸化シリコン膜を形
   成する工程と、 該第１の酸化シリコン膜上に第２の導電膜を形成する工
   程と、 前記第１の酸化シリコン膜及び前記第３の絶縁膜を除去
   し、前記第２の導電膜を露出させる工程とを具備するこ
   とを特徴とするマイクロ２極管の製造方法。
9. 【請求項９】 導電性を有する基板上に第１の窒化シリ
   コン膜を形成する工程と、 前記第１の窒化シリコン膜に第１の開口を形成する工程
   と、 前記第１の開口を通して前記基板をエッチングする工程
   と、 前記第１の開口を通して前記エッチング後の基板を酸化
   し、第１の酸化シリコン膜を形成する工程と、 前記第１の窒化シリコン膜の残部をエッチングにより除
   去する工程と、 前記第１の窒化シリコン膜の除去により露出した前記基
   板を所望の深さにエッチングする工程と、 前記エッチングされた基板表面を酸化し、第２の酸化シ
   リコン膜を形成する工程と、 前記第１の酸化シリコン膜及び前記第２の酸化シリコン
   膜上に第１の金属膜を形成する工程と、 前記基板の全面に第３の酸化シリコン膜を形成する工程
   と、 前記第３の酸化シリコン膜上に第２の窒化シリコン膜を
   形成する工程と、 前記第２の窒化シリコン膜に第２の開口を形成する工程
   と、 前記第２の開口を通じて、前記第３の酸化シリコン膜、
   前記第２の酸化シリコン膜および前記第１の酸化シリコ
   ン膜をエッチングする工程と、 前記基板の全面に真空中において保護膜を形成する工程
   とを具備することを特徴とするマイクロ３極管の製造方
   法。
10. 【請求項１０】 導電性を有する基板上に第１の絶縁膜
    を形成する工程と、 前記第１の絶縁膜上に第１の導電膜を形成する工程と、 前記第１の導電膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と、 前記第１の絶縁膜、前記第１の導電膜及び前記第２の絶
    縁膜に第１の開口を形成する工程と、 前記第２の絶縁膜上及び前記第１の開口の内部にシリコ
    ン膜を形成する工程と、 前記シリコン膜を熱酸化して酸化シリコン膜にする工程
    と、 前記酸化シリコン膜を所定形状にパターニングする工程
    と、 前記酸化シリコン膜上に第２の導電膜を形成する工程
    と、 前記第２の導電膜に第２の開口を形成する工程と、 前記第２の開口を通して前記酸化シリコン膜をエッチン
    グ除去する工程と、 真空中において前記基板の全面に保護膜を形成する工程
    とを具備する密閉キャビティ型マイクロ３極管の製造方
    法。