JPH0917331A

JPH0917331A - 電界放射電子源アレイの形成方法

Info

Publication number: JPH0917331A
Application number: JP16039095A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Tajima; 勉多嶋
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 1997-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】絶縁マスクよりも小さいゲート電極の穴を有
する電界放射電子源アレイの形成方法を提供する。【構成】ウエハ１０上に絶縁マスク１２を形成する工
程と、エッチングによりウエハ上に、該ウエハの上面に
対し錐体の壁面が５５度〜７０度の傾斜角度を有する錐
体１４を形成する工程と、絶縁マスクを除去した後、錐
体を含むウエハの表面に絶縁層１６を形成する工程と、
該絶縁層上に金属電極層を形成する工程と、選択エッチ
ング法により錐体を覆っている絶縁体層をエッチング除
去して錐体を露出させる工程とを含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電界放射電子源アレ
イの形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電界放射電子源アレイの形成方法
としては、例えば、文献（９２−基−４、真空マイクロ
エレクトニクス調査報告Ｉ、１９９２年、ｐｐ．１６〜
２１）に開示されたものがある。

【０００３】この文献によると、従来の電界放射電子源
アレイは、導電性シリコン基板上に絶縁マスクを形成し
た後、異方性エッチングを行ってシリコン基板をエッチ
ングして、マスクの下側にピラミット形のエミッタ（エ
ミッタコーンともいう）を形成する。その後、マスクを
含む導電性シリコン基板の表面に絶縁層および金属電極
層を順次に堆積させた後、リフトオフ法によりエミッタ
コーンの上側にある絶縁マスク、絶縁層および金属電極
層を除去して電界放射電子源アレイを形成する。従来の
電界放射電子源アレイの形成方法では、金属電極層に形
成される穴は絶縁層マスクの直径とほぼ同径の寸法にな
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た電界放射電子源アレイの形成方法には、以下に述べる
ような問題がある。従来の形成方法では、錐体の上側に
開けられる金属電極層の穴は、絶縁マスクの直径とほぼ
同じ直径になるため、エミッタコーンの先端部と金属電
極層の穴の内壁までの距離（電界放射最短距離ともい
う。）は絶縁マスクの直径により決まる。このため、ど
うしても電界放射最短距離は長くなり、従って、電界放
射時のゲート電圧が高くなる。ゲート電圧を低減するに
は、金属電極層の穴の径を小さくする必要がある。この
ため、絶縁マスクの直径を小さくする必要があった。し
かしながら、絶縁マスクの直径を小さくするにはおのず
から限界があり、従来は絶縁マスクの直径よりも小さい
金属電極層の穴を形成することは出来なかった。

【０００５】そこで、絶縁マスク径よりも小さい金属電
極の穴を有する電界放射電子源アレイの形成方法が望ま
れていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため、この発明の電
界放射電子源アレイの形成方法によれば、ウエハ上に錐
体を形成し、該錐体の周りを絶縁層および金属電極層で
囲んで電界放射電子源アレイを形成するに当たり、ウエ
ハ上に絶縁マスクを形成する工程と、エッチングにより
ウエハに、このウエハの上面に対し錐体の壁面が５５度
〜７０度の傾斜角度を有する錐体を形成する工程と、絶
縁マスクを除去した後、錐体を含むウエハの表面に絶縁
体層を形成する工程と、絶縁体層上に金属電極層を形成
する工程と、選択エッチング法により錐体を覆っている
絶縁体層をエッチング除去して当該錐体を露出させる工
程とを含むことを特徴とする。

【０００７】

【作用】上述したように、この発明の電界放射電子源ア
レイの形成方法によれば、シリコン基板上に絶縁マスク
を形成した後、エッチングを行ってウエハの表面に、錐
体の壁面が５５度〜７０度の傾斜角度を有する錐体を形
成する。その後、絶縁マスクを除去して、錐体を含むウ
エハ上の表面に絶縁層および金属電極層を順次に形成す
る。このように、錐体の上側に金属電極層を形成したと
き、錐体の傾斜角度を高くしてあるので、錐体で覆われ
た絶縁層の裾部領域に金属電極層の段切れが発生する。

【０００８】その後、選択エッチングを行って錐体を覆
っている絶縁層をエッチングして錐体を露出させる。こ
のとき、段切れされている金属電極層の錐体領域の一部
も絶縁層と一緒に除去されるので金属電極層に穴が形成
される。この金属電極層の穴は、錐体の裾部の外周距離
とほぼ同じ寸法になるので、従来の絶縁マスクの直径よ
りも小さい金属電極層の穴を形成することができる。こ
のため、電界放射最短距離が短くなり、電界放射時のゲ
ート電圧を低減できる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の電界放射
電子源アレイ（以下、ＦＥＡと称する。）の形成方法の
実施例につき説明する。尚、図１〜図５は、この発明が
理解できる程度に各構成成分の形状、大きさ及び配置関
係を概略的に示してあるにすぎない。

【００１０】１．ＦＥＡの構造の説明ＦＥＡの形成方法の説明に先立ち、図５を参照してＦＥ
Ａの構造につき説明する。図５は、ＦＥＡの構造を説明
するための切欠き斜視図である。

【００１１】この実施例のＦＥＡは、導電性のシリコン
（Ｓｉ）ウエハ上に複数の錐体（第２エミッタコーンと
もいう）１４ｂを設けてある。この実施例では、錐体１
４ｂの形状を円錐形にしてあるが、何らこの形状に限定
されるものではなく、多面体を有する錐体であっても良
い。

【００１２】また、Ｓｉウエハ１０上には絶縁層１６ａ
およびゲート電極２０を積層して設けてある。また、こ
の絶縁層１６ａおよびゲート電極２０には、錐体１４ｂ
の上側に小さな穴２２を設けてある。

【００１３】２．ＦＥＡの形成方法次に、図１〜図３を参照して、ＦＥＡの形成方法につき
説明する。尚、図１の（Ａ）〜（Ｃ）および図２の
（Ａ）〜（Ｂ）はこの実施例の形成工程を説明するため
の工程図である。

【００１４】この実施例では、ウエハ１０としてシリコ
ン（Ｓｉ）ウエハを用いる。このＳｉウエハ１０は、例
えばｎ形導電性を有し、また、Ｓｉウエハ表面の面方位
を（１００）面とし、Ｓｉウエハ１０の抵抗率を約０．
１〜０．２Ω・ｃｍとする。

【００１５】次に、このＳｉウエハ１０の表面を、乾燥
した酸素（Ｏ₂ ）雰囲気中で、熱酸化（１１００℃、２
時間）して絶縁層（シリコン酸化層）（図示せず）を形
成した後、フォトリソグラフィ法を用いて絶縁層をエッ
チングして絶縁マスク１２を形成する（図１の
（Ａ））。尚、ここでは、絶縁マスク１２の膜厚を約
０．２μｍとする。また、この実施例では、絶縁マスク
１２を円形状とし、マスクの直径を約２μｍとする。

【００１６】次に、異方性エッチングを行ってＳｉウエ
ハ１０に錐体１４を形成する（図１の（Ｂ））。このと
き、錐体１４の傾斜角度（ここで、傾斜角度とはＳｉウ
エハ１０の平面と錐体の壁面との角度をいう。）を５５
度〜７０度にする。この実施例では、錐体１４の傾斜角
度を７０度にしてある。傾斜角度を７０度にするには、
エッチング条件は以下の通りとする。

【００１７】エッチャント液：３３ｗｔ％ＫＯＨ水溶
液（ＫＯＨ＝３００ｇ、Ｈ₂ Ｏ＝６００ｇ）エッチャント温度：３９〜４１℃ エッチング速度：Ｓｉウエハの深さ方向に対し約０．
０６６μｍ／分Ｓｉウエハの横方向に対し約０．１２５μｍ／分尚、ここで述べたエッチャント液の条件は、この実施例
での最適値を示しており、ＫＯＨ水溶液の濃度を２０ｗ
ｔ％〜４０ｗｔ％の範囲に設定してあれば７０度の傾斜
角度を有する錐体１４を形成することができる。尚、こ
のような傾斜角度に設定する理由は、後工程で金属電極
層を形成した場合、錐体の裾部に金属電極層の段切れを
形成させることが出来るためである。尚、この実施例で
は、円形状の絶縁マスク１２を用いてＳｉウエハ１０を
エッチングするので、錐体１４の形状は円錐体になる。
従って、ここでは、錐体１４をエミッタコーンとも称す
る。また、Ｓｉウエハ１０とエミッタコーン１４を総称
してコーン付きＳｉウエハ１５と称する。

【００１８】図３の（Ａ）および（Ｂ）は、エッチャン
ト溶液の濃度を変化させたときのエミッタコーン１４の
形状を説明する図である。図３の（Ａ）は、従来のエッ
チャント溶液の条件で形成した錐体を示している。

【００１９】従来のエッチャント溶液は、５〜１５ｗｔ
％ＫＯＨ水溶液にイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）
（２０ｗｔ％）を添加して調製する。このようなエッチ
ャント溶液を用いてＳｉウエハをエッチングした場合、
エミッタコーン１４の傾斜角度は、約５５度になる。こ
れに対してこの実施例では、エッチャント溶液を３３ｗ
ｔ％ＫＯＨ水溶液としてあるため、エミッタコーン１４
の傾斜角度は約７０度になる。また、本願発明に係る発
明者らは、エチャント溶液を２０〜４０ｗｔ％ＫＯＨ水
溶液の範囲にすることにより、エミッタコーン１４の傾
斜角度をほぼ７０度にできることを実験により確認し
た。しかし、エッチャント溶液の濃度が２０ｗｔ％以下
では、エミッタコーンの傾斜角度が鋭角にならず、この
ため、後工程で金属電極層を形成してもエミッタコーン
１４の裾部に段切れが生じない。一方、エッチャント溶
液の濃度が４０ｗｔ％以上になると、Ｓｉウエハ表面の
均一性が悪くなり、表面荒れを起こすなどＳｉウエハに
悪い影響を引き起こすので好ましくない。

【００２０】上述したような異方性エッチングを行うこ
とにより、Ｓｉウエハ１０は所定の結晶面方位に沿って
エッチングされるため、絶縁マスク１２の下側にはエミ
ッタコーン１４が形成される。このときのエッチングで
は、絶縁層マスク１２がエミッタコーン１４の先端部か
ら落下した時点をもってエッチング終了点とする。次
に、熱酸化法によりコーン付Ｓｉウエハ１５の表面に絶
縁層１６を形成する（図１の（Ｃ））。尚、この実施例
では、熱酸化により絶縁層１６で覆われたエミッタコー
ンを絶縁層付きエミッタコーン１４ａと称する。また、
このときの熱酸化の条件は、以下の通りとする。

【００２１】雰囲気ガス：乾燥した酸素（Ｏ₂ ）ガス加熱温度：１１００℃ 加熱時間：１０時間尚、この実施例では、絶縁層１６の膜厚を約０．５μｍ
とする。また、絶縁層１６をシリコン酸化層とも称す
る。

【００２２】次に、シリコン酸化層１６上にスパッタ法
を用いて金属電極層１８を形成する（図２の（Ａ））。
尚、スパッタ法による成膜条件を以下の通りとする。

【００２３】ターゲット電極：モリブデン（Ｍｏ）雰囲気ガス：アルゴン（Ａｒ）ガスＡｒ流量：２０ｓｃｃｍＲＦ電力：５００Ｗ真空圧力：０．６Ｐａ上述した成膜条件により、形成された金属電極層１８の
膜厚を約０．３μｍとする。また、この実施例では、金
属電極層１８を、モリブデン（Ｍｏ）で形成してあるの
でモリブデン（Ｍｏ）層とも称する。このＭｏ層１８を
形成することにより、Ｍｏ層１８に段切れが生じ、この
段切れによって、絶縁層付きエミッタコーン１４ａの上
側裾部に、絶縁層付きエミッタコーンを囲むほぼ円形に
近い溝１９が形成される。このとき形成された溝１９の
内側領域を凸部領域１８ａと称し、溝１９の外側領域を
平面領域１８ｂと称する。

【００２４】次に、ウエットエッチング法により段切れ
による溝１９からエッチング液（例えばフッ化水素）を
浸透させ、絶縁層１６を選択的にエッチングする。この
ような選択エッチングにより、絶縁層付きエミッタコー
ン１４ａの周辺領域の絶縁層１６が除去されてエミッタ
コーン１４ａの頭部が露出する。このとき、Ｍｏ層の凸
部領域も同時にエッチング除去され、Ｍｏ層１８に穴２
２が形成される（図２の（Ｂ））。この実施例では、絶
縁層１６から露出したエミッタコーンを第２エミッタコ
ーン１４ｂと称し、また、このとき残存した絶縁層を符
号１６ａで示す。また、残存した平面領域のＭｏ層、す
なわち、穴付きＭｏ層をゲート電極２０と称する。上述
した工程を経てＦＥＡが完成する。

【００２５】この実施例では、電界放射最短距離は、第
２エミッタコーン１４ｂの先端からゲート電極２０の穴
２２の内壁までの距離となる。また、ゲート電極２０の
穴２２は、Ｍｏ層１８の段切れされた溝１９の外周寸法
とほぼ同じ寸法になるので、ゲート電極２０の穴２２の
内径を従来の絶縁マスクの直径よりも小さくすることが
できる。このように、電界放射最短距離が小さくなる
分、ゲート電圧を低くしてもエミッタコーンの先端部か
ら電子を放射させることが可能になるので、ＦＥＡの効
率が著しく向上する。

【００２６】次に、図４を参照して、ＦＥＡの動作につ
き説明する。ゲート電極２０の表面に直流電源２３の正
電圧側の端子（図示せず）を接続する。更に、Ｓｉウエ
ハ１０裏面に直流電源２３の負電圧側の端子（図示せ
ず）を接続する。また、直流電源２３の負電圧側を接地
（０Ｖ）しておく。このＦＥＡを真空中に設置して、ゲ
ート電極２０に正電圧を印加すれば、所定のゲート電圧
下でトンネル現象により第２エミッタコーン１４ｂの先
端部から電子が放射される。

【００２７】上述した実施例では、エミッタコーン１４
に円錐体を用いた例について説明したが、何ら円錐体に
限定されるものではなく、例えば多面体を有する錐体で
あっても良い。

【００２８】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の電界放射電子源アレイの形成方法によれば、Ｓ
ｉウエハに形成される錐体は、絶縁マスクよりも小さく
なる。この錐体を含むＳｉウエハの表面に絶縁層および
金属電極層を形成した場合、錐体を有する金属電極層の
裾部に段切れが発生する。その後、エッチングにより段
切れされた金属電極層の溝からエッチング液を進行させ
て、錐体の上側にある絶縁層と除去する。このとき、錐
体領域の金属電極層も除去されて金属電極層に穴が形成
される。金属電極層の穴は、錐体の裾部の外周の大きさ
とほぼ同じ大きさになるので、金属電極層の穴を従来の
穴（絶縁マスク直径とほば同じ直径）に比べて小さくす
ることができる。このため、電界放射最短距離（錐体の
先端部から金属電極層の穴の内径までの最短距離）も短
くなり、ゲート電圧を低くしても電界放射を行うことが
できるので、電界放射電子源アレイの効率は著しく向上
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）〜（Ｃ）は、この発明の電界放射電子源
アレイの形成方法を説明するために供する工程図であ
る。

【図２】（Ａ）〜（Ｂ）は、図１に続く、形成方法を説
明するための工程図である。

【図３】（Ａ）〜（Ｂ）は、エッチャント濃度によるエ
ミッタコーンの形状を説明するための説明図である。

【図４】電界放射電子源アレイの動作を説明するための
図である。

【図５】この発明に用いた電界放射電子源アレイの構造
を説明するための切欠き斜視図ある。

【符号の説明】

１０：Ｓｉウエハ１２：絶縁マスク１４：エミッタコーン１４ａ：絶縁層付きエミッタコーン１４ｂ：第２エミッタコーン１５：コーン付きＳｉウエハ１６：絶縁層１８：金属電極層２０：ゲート電極２２：穴２３：直流電源２４：接地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウエハ上に錐体を形成し、該錐体の周り
を絶縁層および金属電極層で囲んで電界放射電子源アレ
イを形成するに当たり、（ａ）ウエハ上に絶縁マスクを
形成する工程と、（ｂ）エッチングにより前記ウエハ
に、該ウエハの上面に対し錐体の壁面が５５度〜７０度
の傾斜角度を有する当該錐体を形成する工程と、（ｃ）
前記絶縁マスクを除去した後、前記錐体を含む前記ウエ
ハの表面に絶縁層を形成する工程と、（ｄ）該絶縁層上
に金属電極層を形成する工程と、（ｅ）選択エッチング
法により前記錐体を覆っている前記絶縁層をエッチング
除去して前記錐体を露出させる工程とを含むことを特徴
とする電界放射電子源アレイの形成方法。
【請求項２】請求項１に記載の電界放射電子源アレイ
の形成方法において、前記（ｂ）の工程において、前記
錐体を形成するときのエッチング液として２０〜４０ｗ
ｔ％水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いることを特
徴とする電界放射電子源アレイの形成方法。