JPH0773799A - シリコン電子銃およびその製造方法 - Google Patents

シリコン電子銃およびその製造方法

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JPH0773799A
JPH0773799A JP21659393A JP21659393A JPH0773799A JP H0773799 A JPH0773799 A JP H0773799A JP 21659393 A JP21659393 A JP 21659393A JP 21659393 A JP21659393 A JP 21659393A JP H0773799 A JPH0773799 A JP H0773799A
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JP
Japan
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silicon
electron gun
film
plane
anisotropic etching
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JP21659393A
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English (en)
Inventor
Gen Hashiguchi
原 橋口
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 特別な超高精細リソグラフィー法を用いるこ
となく均一な形状で再現性よく、かつ量産化が容易な電
子銃およびその製造方法を提供することである。 【構成】 異方性エッチングにより3つの(111)面
と等価な面を形成することにより三角錐構造の電子銃1
0を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子銃およびその製造
方法に関し、特に、真空マイクロデバイス、マイクロ真
空管、プラズマディスプレイなどの電子放出源として利
用されるシリコン製電子銃およびその製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】近年、電子放出源となる電子銃をシリコ
ンにより形成する研究が多くなされている。例えば、
H.G.Grayらが開示した方法(Technical Direst
of IVMC91,Nagahama 1991, 34 〜35頁等)やC.A.S
pindtらが開発した冷陰極エミッタ等がある。これ
らはいずれも、シリコン基板に、その先端が分子レベル
の尖鋭さとなる電子放出部(エミッタ)を形成し、この
電子放出部との間に高電界をかけるためのゲート電極を
その近傍に配置することにより電界放射により電子放出
部から電子を放射するもので、電子放出源が加熱される
こと無く電子を放出する、冷陰極型電子銃の一つであ
る。
【0003】従来の電子銃のひとつに四角錐形状(ピラ
ミッド型)の電子銃があり、その製造方法は、まず、シ
リコン基板101上にSiO2 を成膜し、これを四角形
に残しマスク102とし、シリコン基板101を異方性
エッチング液によりエッチングする。このとき、マスク
102の下は、アンダーエッチングされるので、その断
面が図7aに示すように、シリコン基板101のマスク
102と接する部分が台形の上辺となるピラミッド型と
なるように制御しながらエッチングを行う。
【0004】次に、このシリコン基板101を熱酸化し
てSiO2 膜103を形成することにより、図7bに示
すように、断面が酸化によるシリコンのくわれによっ
て、その頂点が尖鋭な断面三角形となるようにして、ピ
ラミッド型の電子銃を形成する。
【0005】次に、図7cに示すように、ゲート絶縁膜
104およびゲート電極105となる金属膜を成膜す
る。そして、マスク102(SiO2 )と熱酸化により
形成されたSiO2 膜103を除去することにより、図
7dに示すように、マスク102によってセルフアライ
ンに形成されたゲート電極105が形成されて、電子銃
に電界集中を起こさせるための電極部を形成する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の電子銃の製造方法では、マスク102の下
をアンダーエッチングする際に、マスク102との接点
であるピラミッドの上辺ができるだけ小さな点に近い状
態となったときに、エッチングを終了させることが必要
であるが、この終了点を正確に判別することは非常に難
しく、具体的には、エッチング時間(エッチング液に浸
漬している時間)を調節することにより行うのである
が、わずかな液温の変化によりエッチングレートが異な
り、エッチング液から引き出す時間の誤差によってもシ
リコンの先端がエッチングされ過ぎてマスク102が剥
がれてしまったり、また、逆にエッチングが足りず先端
が幅広く残り、以降の工程である先端部を尖鋭にするた
めの熱酸化工程が非常に長くなったりするなど、その再
現性が難しく、常に均一な形状の電子銃を得られないと
いう問題があった。
【0007】そこで、本発明の目的は、先端の尖鋭な電
子銃および再現性よく、量産化が容易な電子銃の製造方
法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
の本発明は、シリコン基板状に形成された電子銃であっ
て、該電子銃が、(111)面に等価な面よりなる三角
錐構造であることを特徴とするシリコン電子銃である。
【0009】また、上記目的を解決するための本発明
は、面方位(111)シリコン基板上に耐酸化性膜を成
膜する工程と、該耐酸化性膜の一部を除去し、シリコン
面の露出した第1の窓を開ける工程と、該第1の窓部分
から露出しているシリコン面を掘り下げる工程と、該シ
リコン面を掘り下げたシリコン基板を異方性エッチング
液に浸漬して、(111)面と等価な面を露出する工程
と、該異方性エッチング液の浸漬工程により露出してい
るシリコン面に熱酸化により酸化シリコン膜を成膜する
工程と、前記耐酸化性膜の一部を除去して、前記第1の
窓を交差するような第2の窓を開ける工程と、該第2の
窓部分に露出したシリコン面を掘り下げる工程と、前記
第2の窓部分のシリコン面を掘り下げたシリコン基板を
異方性エッチング液に浸漬して、(111)面と等価な
面を露出する工程と、該異方性エッチング液の浸漬工程
により露出しているシリコン面に熱酸化により酸化シリ
コン膜を成膜する工程と、前記耐酸化性膜を除去する工
程と、該耐酸化性膜を除去する工程により露出したシリ
コン部分を掘り下げる工程と、該露出したシリコン部分
を掘り下げたシリコン基板を異方性エッチング液に浸漬
して、(111)面と等価な面を露出する工程とよりな
ることを特徴とするシリコン電子銃の製造方法である。
【0010】
【作用】上述のように構成された本発明の電子銃は、シ
リコンの(111)面と等価な面によって囲まれた三角
錐状の均一な形状であり、その先端部は3つの(11
1)と等価な面により構成されているので、先端部がよ
り尖鋭な状態で、電界集中が起きやすい形状である。
【0011】また、本発明の電子銃の製造方法は、異方
性エッチングによって電子銃を構成する(111)面と
等価な面を形成しているので、その各(111)面(お
よびこれと等価な面)は安定であり、均一な形状の三角
錐構造の電子銃を再現性よく容易に製造することができ
る。
【0012】
【実施例】以下、本発明を添付した図面を参照して説明
する。始めに、本発明の電子銃の製造方法の一実施例に
ついて説明する。
【0013】まず、図1aに示す断面図のように、(1
11)シリコン基板1上に0.01〜0.1μm程度の
SiN膜2を成膜し(SiNデポ工程)、これにレジス
ト25塗布、フォトリソグラフィーおよびRIEにより
方形状の窓3を開け(SiNパターニング工程)、さら
にSiエッチング条件によるRIEを続け、シリコン基
板を約1μmエッチングして掘り下げる(SiRIE工
程)。
【0014】このとき方形状の窓3は、図2aに示す平
面図のように、
【0015】
【外1】
【0016】次に、レジスト25を除去して、異方性エ
ッチング液に浸漬する。用いる異方性エッチング液とし
ては、他の面に比較して(111)面のエッチング速度
の非常に遅いKOH水溶液やヒドラジン水溶液、エチレ
ンジアミンピロカテコール液等を用いる。本実施例で
は、KOH水溶液が(111)面のみをエッチングせ
ず、他の方位の面をエッチングする異方性の選択性に優
れているため、KOH水溶液(60℃、30重量%)を
用いた。
【0017】これにより、図1bに示すように、SiR
IEにより形成された垂直部分が
【0018】
【外2】
【0019】次いで、熱酸化を行って、図1cに示すよ
うに、露出しているシリコン面部分にSiO2 膜4を成
膜する(熱酸化工程)。
【0020】ここまでの工程、すなわち、SiNデポ工
程、SiNパターニング工程、SiRIE工程、異方性
エッチング工程、熱酸化工程までを説明のため便宜的に
第1工程と称する。なお、図1は、図2aにおけるA−
A線での断面である。
【0021】次に、平面パターンが図2bに示す平面図
のように、窓3と交差するように上記第1工程同様に、
SiNパターニング工程によりSiN膜2に窓5を開
け、、SiRIE工程により窓5で露出しているシリコ
ン面を掘り下げ、異方性エッチ
【0022】
【外3】
【0023】そして、露出しているシリコン面に熱酸化
工程によりSiO2 膜6を成膜する。これを第2工程と
称する。
【0024】
【外4】
【0025】この第2工程でのSiRIE工程では、第
1工程で成膜したSiO2 膜4は、
【0026】
【外5】
【0027】チングマスク材)として働く。図3aにS
iRIE後の図2bのB−B線での断面図を示し、図3
に異方性エッチング、熱酸化後の図2bのC−C線での
断面を示す。
【0028】次に、SiN膜2をSiNエッチング条件
のCDEなどにより全て除去する。なお、このときSi
2 膜4および6は残っている。そして、上記第1工程
および第2工程同様に、SiRIE工程により露出して
いるシリコン面を掘り下げ、
【0029】
【外6】
【0030】以上の第1工程から第3工程によりシリコ
ン基板状に三角錐構造の電子銃10が形成される。第3
工程終了後の平面図を図4aに、図4aにおけるD−D
線での拡大断面を図4bに示す。この三角錐状電子銃1
0の高さtは、上記第1〜3工程の各SiRIE工程の
ときのエッチング深さDの3分の1となる(図4b参
照)。なお、この実施例では各第1〜3工程でのSiR
IEのエッチング深さDはほぼ同じにした。そして、S
iO2 膜4および6を除去する。SiO2 膜4および6
を除去後の断面図を図5に示す。
【0031】以上のように製造された本発明の電子銃
は、図示するように、電子銃10の線端部は尖鋭な状態
で、その先端の大きさが数nm〜数十nm程度であり、
電子放出のための電界集中が起き易い構造である。
【0032】次に、上述のようにして形成された電子銃
に、ゲートおよびアノードなどの電極を形成する方法に
ついて、その一例を説明する。
【0033】まず、図6aに示すように、基板1全面に
層間絶縁膜となるSiO2 膜11と、電極となる金属膜
12を成膜し、さらに、レジスト25を塗布する。
【0034】次いで、図6bに示すように、レジスト2
5をエッチバックして、電子銃の三角錐によって盛り上
がった部分の金属膜12をレジスト面から露出させる。
【0035】次いで、図6cに示すように、レジスト2
5面より露出している金属膜12をCDEまたはRIE
によりエッチングし、次いで、基板1を希弗酸水溶液ま
たはフッ化アンモニウム水溶液等のSiO2 エッチング
液に浸漬して、金属膜12をエッチングした部分に露出
しているSiO2 膜11をエッチングして、電子銃10
の先端を露出させる。そして、レジスト25を除去す
る。なお、金属膜12として本実施例では、モリブデン
を用いたが、他に例えばクロム、ニッケル、タンタル、
ニオブ、タングステンなどでもよい。
【0036】また、上記の電極は一層であるが、エミッ
タ(電子銃)、ゲート、アノードの3極構造とする場合
には、層間絶縁膜と金属膜を2層積層してから、上記同
様にレジスト塗布およびエッチバックを行った後、各層
の金属膜および層間絶縁膜をエッチングを繰り返すこと
により形成できる。
【0037】以上ように三角錐状の電子銃の盛り上がり
を利用して、レジストエッチバックを行うことで、容易
に電子銃のゲートやアノードとなる電極を電子銃先端の
ごく近傍に形成することができる。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の電子銃
は、その先端部が3つの(111)と等価な面により構
成されていて、より尖鋭な状態で電界集中が起きやすい
形状であので、電子を放出させるのに必要の電力が少な
くてすみ、効率よく電子を放出させることが可能であ
る。
【0039】また、本発明のシリコン電子銃の製造法
は、超高精度のリソグラフィー装置やMOCVD装置な
どを用いることなく、異方性エッチングにより(11
1)面と等価な面を形成しているので、形のそろったシ
リコン電子銃を容易に量産化することが可能であり、量
産化のための設備投資も比較的少なくてすむ。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による電子銃の製造方法を用いた一実
施例を工程順に説明するための断面図である。
【図2】 本発明による電子銃の製造方法を用いた一実
施例を工程順に説明するための平面図である。
【図3】 本発明による電子銃の製造方法を用いた一実
施例を工程順に説明するための図1に続く断面図であ
る。
【図4】 本発明による電子銃の製造方法を用いた一実
施例を工程順に説明するための図2に続く平面図(図4
a)と部分拡大断面図(図4b)である。
【図5】 本発明による電子銃の製造方法を用いた一実
施例を工程順に説明するための図3に続く断面図であ
る。
【図6】 本発明による電子銃の製造方法を用いた一実
施例を工程順に説明するための図5に続く断面図であ
る。
【図7】 従来の電子銃の製造方法を工程順に説明する
ための断面図である。
【符号の説明】
1…シリコン基板、 2、7…S
iN膜、3、5、8…窓、
4、6、11…SiO2 膜、10…電子銃、
12…金属膜。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン基板状に形成された電子銃であ
    って、該電子銃が、(111)面に等価な面よりなる三
    角錐構造であることを特徴とするシリコン電子銃。
  2. 【請求項2】 面方位(111)シリコン基板上に耐酸
    化性膜を成膜する工程と、 該耐酸化性膜の一部を除去し、シリコン面の露出した第
    1の窓を開ける工程と、 該第1の窓部分から露出しているシリコン面を掘り下げ
    る工程と、 該シリコン面を掘り下げたシリコン基板を異方性エッチ
    ング液に浸漬して、(111)面と等価な面を露出する
    工程と、 該異方性エッチング液の浸漬工程により露出しているシ
    リコン面に熱酸化により酸化シリコン膜を成膜する工程
    と、 前記耐酸化性膜の一部を除去して、前記第1の窓を交差
    するような第2の窓を開ける工程と、 該第2の窓部分に露出したシリコン面を掘り下げる工程
    と、 前記第2の窓部分のシリコン面を掘り下げたシリコン基
    板を異方性エッチング液に浸漬して、(111)面と等
    価な面を露出する工程と、 該異方性エッチング液の浸漬工程により露出しているシ
    リコン面に熱酸化により酸化シリコン膜を成膜する工程
    と、 前記耐酸化性膜を除去する工程と、 該耐酸化性膜を除去する工程により露出したシリコン部
    分を掘り下げる工程と、 該露出したシリコン部分を掘り下げたシリコン基板を異
    方性エッチング液に浸漬して、(111)面と等価な面
    を露出する工程とよりなることを特徴とするシリコン電
    子銃の製造方法。
JP21659393A 1993-08-31 1993-08-31 シリコン電子銃およびその製造方法 Withdrawn JPH0773799A (ja)

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