DE19501387A1 - Verfahren zum Bilden einer im wesentlichen gleichmäßigen Anordnung scharfer Spitzen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Techno­ logie von Anzeigen und betrifft im spezielleren die Herstellung einer Anordnung atomar scharfer Feldemis­ sionsspitzen.

Die Klarheit bzw. Auflösung einer Feldemissionsanzeige ist von einer Anzahl von Faktoren abhängig, unter denen sich auch die Schärfe der Emitterspitzen befin­ det. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf die Herstellung sehr scharfer Kathodenemitter­ spitzen gerichtet.

Auf dem Gebiet der Bildung von Kaltkathoden-Spitzen ist bisher viel Arbeit geleistet worden. Man betrachte diesbezüglich z. B. die Patente von Spindt, nämlich die US-PS′en Nr. 3,665,241, 3,755,704, 3,812,559 sowie 5,064,396. Weiterhin seien genannt die US-PS Nr. 4,766,340 mit dem Titel "Semiconductor Device having a Cold Cathode" und die US-PS Nr. 4,940,916 mit dem Titel "Electron Source with Micropoint Emissive Cathodes and Display Means by Cathodeluminescence Excited by Field Emission Using Said Source".

Ein derzeitiger Weg zur Bildung einer Anordnung von Emitterspitzen besteht in der Verwendung einer Maske sowie im Ätzen von Silizium zur Bildung einer Spitzen­ struktur, wobei die Spitze jedoch nicht vollständig ausgebildet wird. Vor dem Ätzen einer scharfen Spitze wird die Maske entfernt. Der dahintersteckende Gedanke besteht darin, den Ätzvorgang in einem Stadium abzu­ fangen, bevor die Maske von dem Scheitel der Spitze verlagert wird. Diesbezüglich wird z. B. verwiesen auf die US-PS 5,201,992 von Marcus et al mit dem Titel "Method for Making Tapered Microminiature Silicon Structures".

Gemäß der Lehre des Standes der Technik ist es erfor­ derlich, den Ätzvorgang beim oder vor dem vollstän­ digen Hinterschneiden der Maske zu beenden, um eine Verlagerung der Maske vom Scheitel zu verhindern. Wenn ein Ätzvorgang unter solchen Umständen voranschreitet, werden die Spitzen durch das Vorhandensein des Masken­ materials entlang der Seite der Spitze oder des Substrats während eines Trockenätzvorgangs schief und ungleichmäßig, und außerdem kann der Scheitel beein­ trächtigt werden, wie dies in Fig. 9 zu sehen ist. Ein derartiger Zustand führt auch zu Verunreinigungspro­ blemen aufgrund des beliebig auf dem Substrat herum­ liegenden Maskiermaterials, das Bereiche maskiert, wo keine Maskierung erwünscht ist, und ein anhaltender Ätzvorgang führt zu beliebig angeordneten, uner­ wünschten Strukturen in dem geätzten Material.

Wenn der Ätzvorgang nach dem Entfernen der Maske an­ dauert, wird die Spitze einfach stumpfer. Dies ergibt sich daraus, daß die Ätzchemikalien Material in allen Richtungen entfernen, wodurch der freiliegende Schei­ tel der Spitze beim Ätzen der Seiten angegriffen wird. Außerdem kann der Scheitel der Spitze beeinträchtigt werden, wenn die Maske aufgrund eines physikalischen Ionenbeschusses während eines Trockenätzvorgangs ver­ lagert worden ist.

Die Tendenz geht somit zum Unterätzen der Spitze (d. h. Stoppen des Ätzvorgangs, bevor eine feine Spitze am Scheitel der Spitze gebildet wird), wodurch ein Gebil­ de besteht, das als "flache Oberseite" bezeichnet wird. Danach wird typischerweise ein Oxidationsschritt zum Schärfen der Spitze durchgeführt. Diese Verfah­ rensweise führt zu ungleichmäßigen Ätzergebnissen über die Anordnung hinweg, wobei die Spitzen unterschiedli­ che Höhen und Formen aufweisen.

Wieder andere Hersteller haben die Herstellung von Spitzen durch Ätzen versucht, doch verwenden sie keine vollständige Hinterschneidung der Maske, wie dies bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durch­ geführt wird, und außerdem setzen sie den Ätzvorgang nicht wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, das den für die Herstellung erforderlichen Spielraum ermög­ licht, über die vollständige Hinterschneidung der Maske hinaus fort, ohne eine Verschlechterung der Spitze zu erleiden. Statt dessen entfernen sie die Maske vor der vollständigen Hinterschneidung der Spitze, wonach sie die Spitzen von dort aus schärfen. Die Silizium-Naßätzverfahren des Standes der Technik führen dazu, daß die Maske zum Zeitpunkt der vollstän­ digen Hinterschneidung von dem Scheitel der Spitze verlagert wird, wodurch eine Verunreinigung des Ätz­ bads, die Entstehung einer falschen Maskierung sowie eine Verschlechterung des Scheitels entstehen können.

Die Ungleichmäßigkeit unter den Spitzen kann auch zu Schwierigkeiten bei anschließenden Herstellungsschrit­ ten führen, die bei der Bildung der Anzeige verwendet werden, wobei es sich insbesondere um solche Vorgänge handelt, bei denen eine chemisch-mechanische Planari­ sierung zur Anwendung kommt. In diesem Zusammenhang wird auf die US-PS Nr. 5,229,331 mit dem Titel "Method to Form Self-Aligned Gate Structures Around Cold Cathode Emitter Tips Using Chemical Mechanical Poli­ shing Technology" und die US-PS Nr. 5,186,670 mit dem Titel "Method to Form Self-Aligned Gate and Focus Rings" verwiesen. Eine Ungleichmäßigkeit ist besonders unangenehm, wenn sie abrupt ist, im Gegensatz zu einer allmählichen Änderung über den Wafer hinweg.

Die Herstellung einer gleichmäßigen Anordnung von Spitzen unter Verwendung derzeitiger Verfahren ist aus einer Anzahl von Gründen in einer Arbeitsumgebung be­ sonders schwer zu erreichen. Z. B. hat die einfache Ätz-Veränderlichkeit über einen Wafer hinweg einen nachteiligen Einfluß auf den Zeitpunkt, zu dem der Ätzvorgang bei den Verfahren des Standes der Technik beendet werden sollte.

Im allgemeinen ist es schwierig, Plasmaspitzen-Ätzvor­ gänge mit einer Gleichmäßigkeit zu erzielen, die besser als 5% ist, wobei Gleichmäßigkeiten von 10% bis 20% üblicher sind. Dies führt dazu, daß die "flache Oberseite" einer unter Verwendung herkömmli­ cher Verfahren geätzten Emitterspitze in ihrer Größe variiert. Außerdem variiert die zum "Schärfen" oder spitzen Ausbilden der Spitze erforderliche Oxidation um bis zu 20%, wodurch das Risiko der Ungleichmäßig­ keit unter den verschiedenen Spitzen einer Anordnung ansteigt.

Die Spitzenhöhe sowie andere kritische Abmessungen unterliegen hinsichtlich der Gleichmäßigkeit denselben Effekten. Schwankungen bei der Maskiergleichmäßigkeit und bei dem zu ätzenden Material verstärken die Probleme der Ätzgleichmäßigkeit.

Für Herstellungsstätten sind Vorgänge erforderlich, die im wesentlichen gleichmäßige und stabile Resultate schaffen. Bei der Herstellung einer Anordnung von Emitterspitzen sollten die Spitzen hinsichtlich Höhe, Seitenverhältnis, Schärfe sowie allgemeiner Formgebung gleichmäßig ausgebildet sein, wobei die Abweichung insbesondere im obersten Bereich nur minimal ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet einen Trockenätzvorgang (der auch als Plasmaätzvorgang be­ zeichnet wird) zum Herstellen scharfer Emitterspitzen. Bei einem Plasmaätzvorgang handelt es sich um das se­ lektive Entfernen von Material durch die Verwendung von Ätzgasen. Es handelt sich dabei um einen chemi­ schen Vorgang, der Plasmaenergie zum Vorantreiben der Reaktion verwendet. Diejenigen Faktoren, die die Ge­ nauigkeit des Ätzvorgangs steuern, beinhalten die Tem­ peratur des Substrats, die Eintauchzeit, die Zusammen­ setzung des gasförmigen Ätzmittels, den Druck, die aufgebrachte Hochfrequenzenergie sowie die Konfigura­ tion der Ätzgerätschaften.

Die Maskierschicht wird derart ausgebildet, daß Berei­ che des Siliziumsubstrats freiliegen, wobei das Sili­ ziumsubstrat dann zur Bildung der scharfen Emitter­ spitzen geätzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich zur Herstel­ lung scharfer Spitzen mit relativ jeglichem gegebenen Seitenverhältnis und jeglicher gegebenen Höhe unter Verwendung eines in einem einzigen Schritt (an Ort und Stelle) oder eines in mehreren Schritten ablaufenden Plasma-Trockenätzvorgangs verwenden.

Die vorliegende Erfindung schafft unter bestimmten Bedingungen ein sehr großes Herstellungsfenster, ins­ besondere wenn die Spitzen in eine Schicht oder ein Substrat geätzt werden, wobei die Dicke der Schicht bzw. des Substrats während des Spitzenätzvorgangs in den unmaskierten (d. h. spitzenfreien) Bereichen nicht vollständig aufgezehrt wird.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel läuft ein Trockenätzvorgang für ca. 2,3 Minuten ab, bis die Maske hinterschnitten und eine scharfe Spitze gebildet ist. Eine Überätzung kann diesen Vorgang ohne be­ trächtliche Änderung des Erscheinungsbilds der Spitzen fortsetzen. Die Formgebung der Spitzen ist selbstwie­ derholend, da die Maske dahingehend optimiert worden ist, daß sie relativ zu der Oberseite des zu bildenden Emissionsgebildebereichs in ihrer Position bleibt. Die Spitze wird sowohl vertikal als auch horizontal geätzt, und die Formen sind in ihrem Erscheinungsbild am gleichmäßigsten, wenn die Rate des horizontalen Ätzvorgangs im Bereich eines Faktors von 4 zu der ver­ tikalen liegt, wobei die gleichmäßigsten Resultate bei einem Verhältnis der vertikalen zu der horizontalen Ätzrate von 2 : 1 erzielt werden.

Im Gegensatz zu den bisherigen Lehren beinhaltet die vorliegende Erfindung eine Trockenätzung des Scheitels der Spitze bis zur Ausbildung einer vollständigen Spitze sowie eine Weiterführung des Ätzvorgangs zur zusätzlichen Schaffung des bei der Herstellung er­ forderlichen Prozeßspielraums, und zwar in einer der­ artigen Weise, daß die Maske als Wippe in einem Gleichgewichtszustand erscheint, in dem sie im wesentlichen perfekt auf dem Scheitel der Spitze aus­ balanciert ist.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Material, aus dem die Spitzen gebildet werden, um ein Substrat aus p-leitendem 1-0-0 einkristallinem Silizium von 14-21 Ohm-cm. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt die Maske eine kreisförmige Gestalt und ist gebildet aus 0,1 µm dickem thermischen Siliziumdioxid mit einem Durchmes­ ser von 1 µm. Im Gegensatz zu den Lehren des Standes der Technik kann die Maske derartige Abmessungen auf­ weisen und aus derartigen Materialien bestehen, daß ein spezieller Ätzvorgang eines bestimmten Materials mit dieser Maske verwendet werden kann und die Maske an den Spitzen anhaftet und über eine vollständige Hinterschneidung hinaus überätzt werden kann, ohne daß die Spitzenform sowie die gleichmäßige Ausbildung der­ selben nachteilig beeinflußt werden.

Es wird angenommen, daß sich dieser Vorteil als Ergeb­ nis der Anziehungskräfte zwischen der Maske und den Spitzen ergibt, wie z. B. den van-der-Waalsschen Kräften sowie elektrostatischen und elektrochemischen Kräften.

Es wurden Versuche mit einer Reihe verschiedener Masken mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Abmessungen in Kombination mit den in der nachfolgend enthaltenen Tabelle 1 angegebenen Ätzbedingungen durchgeführt, wobei es sich bei dem Spitzenmaterial um p-leitendes 1-0-0 einkristallines Silizium von 14-21 Ohm-cm handelte. Die aus einer Stapelanordnung gebil­ dete Maske aus einer Schicht von 1 µm dickem HPR-6512- Photoresist (Hand-Photoresist) und 0,1 µm dickem ther­ mischen Siliziumdioxid hat sich zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung als unzufriedenstellend erwie­ sen. Sie wurde während des Ätzvorgangs von den Spitzen verlagert, wodurch sich schlecht ausgebildete Spitzen ergaben. Es wird angenommen, daß dieser Effekt durch die Masse der Ätzmaske beeinflußt wird.

Andere Masken, die sich zur Verwendung bei der vorlie­ genden Erfindung als unzufriedenstellend erwiesen haben, beinhalten eine Oxidmaske von 0,4 µm sowie eine ausschließlich aus HPR-6512-Photoresist gebildete Maske von 1 µm.

Eine Maske mit 0,1 µm dickem thermischen Oxid hat je­ doch sehr gute Resultate bei der vorliegenden Erfin­ dung gezeigt, wobei dies auch für eine Maske aus 0,05 µm dickem thermischen Oxid gilt.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es die Herstellung von Spitzen ermöglicht, die eine gleichmäßigere Verteilung der Spitzendimen­ sionen aufweisen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß es die Bildung einer guten Verteilung extrem scharfer Spitzen ermöglicht, die durch weitere Bear­ beitung verbessert werden können, jedoch zur Erfüllung ihrer Funktion durch bloßes Ätzen als Spitzenaus­ bildung ausgelegt sind. Noch ein weiterer Vorteil be­ steht darin, daß ein Verfahren zum Überätzen mittels eines Trockenätzvorgangs ohne wesentliche Beeinträch­ tigung der gewünschten Spitzenform geschaffen wird.

Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum Bilden einer im wesentlichen gleichmäßigen Anordnung scharfer Emitter­ spitzen. Dieses Verfahren umfaßt folgende Schritte: Strukturieren eines Substrats mit einer Maske zur Bil­ dung einer Anordnung; Trockenätzen der Anordnung zur Bildung spitz ausgebildeter Spitzen; und Entfernen der Maske, wenn im wesentlichen alle der Spitzen scharf geworden sind.

Ein weiterer Gesichtspunkt des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens beinhaltet die Bildung einer im wesentlichen gleichmäßigen Anordnung atomar scharfer Spitzen durch anhaltendes Ätzen eines maskierten Substrats bis im wesentlichen jede Spitze der Anordnung eine im wesent­ lichen gleichmäßige Form besitzt, sowie anschließendes Entfernen der Maske.

Noch ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung beinhal­ tet ein Verfahren zum Ätzen einer Anordnung scharfer Spitzen in einer derartigen Weise, daß die Spitzen im wesentlichen dieselbe Höhe und Form aufweisen, und zwar durch folgende Schritte: Maskieren eines Sub­ strats, selektives Entfernen von Bereichen des Sub­ strats unter Bildung einer Anordnung von Spitzen sowie Entfernen der Maske, wenn ein beträchtlicher Großteil der Spitzen einer auf einem Schwenkpunkt gelagerten geometrischen Ebene ähnelt.

Wenn eine Spitze scharf wird, wird der Ätzvorgang noch für eine Zeitdauer fortgesetzt, wobei die Maske der Spitze nach unten "folgt", wenn kleine Materialmengen genau von dem Scheitel der Spitze entfernt werden, während sich der Ätzvorgang bis zu einer vollständigen Hinterschneidung der Maske fortsetzt. Sobald eine Emitterspitze auf einen spitzen Punkt geätzt ist, sind ihre Abmessungen somit festgelegt. Der Ätzvorgang wird an allen Spitzen auf einem Substrat fortgeführt, bis die Spitzen scharf sind, wobei die Spitzen an diesem Punkt im wesentlichen dieselbe Höhe, dasselbe Seiten­ verhältnis und dieselbe scharfe Ausbildung aufweisen.

Es kann eine Oxidation der Spitzen verwendet werden, um mit niedrigeren elektrischen Feldern schärfere Emitter zu schaffen, die zur Erzeugung einer Emission erforderlich sind, wobei die Vorteile der Oxida­ tionsschärfung mittels des Spitzenätzvorgangs der vor­ liegenden Erfindung besser gesteuert und wirksamer ausgenutzt werden können, da die Spitzengeometrie auf­ rechterhalten wird anstatt geändert zu werden.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines maskierten Substrats beim Ätzen einer Anord­ nung von Spitzen gemäß dem Verfahren der vor­ liegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Bildelements einer Flachschirmanzeige mit Kathodenemitter­ spitzen, die durch das erfindungsgemäße Ver­ fahren hergestellt sind;

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht eines Substrats, auf das eine Maskierschicht und eine in ein Muster gebrachte Photoresist­ schicht gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht bzw. durch Aufwachsen gebildet sind;

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht des Sub­ strats der Fig. 3 nach dem selektiven Entfer­ nen der Maskierschicht durch einen Plasma- Trockenätzvorgang gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 5 eine schematische Querschnittsansicht des Ge­ bildes der Fig. 4 während des Ätzvorgangs der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine schematische Querschnittsansicht des Ge­ bildes der Fig. 5 während des Ablaufs des er­ findungsgemäßen Ätzvorgangs, unter Darstel­ lung, daß einige der Spitzen vor anderen Spitzen scharf werden;

Fig. 7 eine schematische Querschnittsansicht des Ge­ bildes der Fig. 6 während des Ablaufs des er­ findungsgemäßen Ätzvorgangs, wobei dargestellt ist, daß die Spitzen im wesentlichen gleich­ mäßig werden, während die Maske in Position angebracht ist;

Fig. 8 eine schematische Querschnittsansicht des Ge­ bildes der Fig. 7, unter Darstellung der scharfen Kathodenspitzen nach Beendigung des Ätzvorgangs und Entfernen der Maskierschicht; und

Fig. 9 eine schematische Querschnittsansicht einer fehlerhaft ausgebildeten Konstruktion, die sich ergeben würde, wenn die Maskierschicht während des Ätzvorgangs von den Spitzen ver­ lagert wird.

In Fig. 2 ist eine repräsentative Feldemissionsanzeige dargestellt, die ein Anzeigesegment 22 verwendet. Jedes Anzeigesegment 22 ist dazu ausgelegt, ein Infor­ mations-Bildelement (Pixel) oder einen Teil eines Bildelements darzustellen, wie z. B. einen grünen Punkt eines Vollfarben-Triadenpixels aus Rot/Grün/Blau. Vorzugsweise dient eine einkristalline Siliziumschicht als Substrat 11. Alternativ hierzu kann amorphes Silizium verwendet werden, das auf ein darunterliegendes Substrat aufgebracht ist, das großteils aus Glas oder einer anderen Kombination be­ steht, und zwar unter der Voraussetzung, daß ein zum Leiten elektrischen Stroms ausgelegtes Material auf der Oberfläche des Substrats vorhanden ist, so daß sich dieses in ein Muster bringen bzw. strukturieren und zur Bildung von Mikro-Kathoden 13 ätzen läßt.

An einer Feldemissionsstelle ist eine Mikro-Kathode 13 oben auf dem Substrat 11 ausgebildet worden. Bei der Mikro-Kathode 13 handelt es sich um eine Erhebung, die eine Vielzahl von Formen aufweisen kann und z. B. nach Art einer Pyramide, konisch oder mit einer anderen Geometrie ausgebildet sein kann, die eine feine Mikro­ spitze für die Emission von Elektronen aufweist. Die Mikro-Kathode 13 umgebend ist eine Gitterstruktur 15 vorgesehen. Wenn eine Spannungsdifferenz durch eine Quelle 20 zwischen der Kathode 13 und dem Gitter 15 angelegt wird, wird ein Elektronenstrom 17 in Richtung auf einen mit Leuchtstoff beschichteten Bildschirm 16 emittiert. Der Bildschirm 16 bildet eine Anode.

Die Elektronenemissionsspitze 13 ist mit dem Substrat 11 integral ausgebildet und dient als Kathode. Das als Gitterkonstruktion ausgebildet Gate 15 dient zum Anle­ gen eines elektrischen Feldpotentials an seine jewei­ lige Kathode 13.

Eine dielektrische Isolierschicht 14 wird auf der leitfähigen Kathode 13 aufgebracht, wobei die Kathode 13 aus dem Substrat oder aus einer oder mehrerer auf­ gebrachter leitfähiger Schichten, wie einer Doppel­ schicht aus Chrom und amorphem Silizium, gebildet werden kann. Weiterhin besitzt die Isolierschicht 14 eine Öffnung an der Feldemissionsstelle.

Zwischen der Frontplatte 16 und der Basisplatte 21 befinden sich Abstandshaltergebilde 18, die die Funk­ tion haben, dem Atmosphärendruck standzuhalten, der auf die Elektroden-Frontplatte 16 als Ergebnis des Vakuums einwirkt, das zwischen der Basisplatte 21 und der Frontplatte 16 für ein korrektes Funktionieren der Emitterspitzen 13 geschaffen ist.

Die Basisplatte 21 gemäß der Erfindung umfaßt eine Anordnung von Kaltkathoden-Emissionsgebilden 13 mit adressierbarer Matrix, das Substrat 11, auf dem die Emissionsgebilde 13 gebildet sind, die Isolierschicht 14 und das Anodengitter 15.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen die Maskenabmessungen, die Ausbalancierung der Gase sowie die Parameter bei dem Plasmaätzvorgang dem Hersteller eine Festlegung und somit eine beträchtliche Steuerung der Abmessungen der Spitzen 13. Die Zusammensetzung und die Abmessungen der Maske führen zu der Fähigkeit der Maske 30 am Scheitel der Emitterspitze 13 ausba­ lanciert zu bleiben sowie während der Überätzung der Spitze 13 auf dem Scheitel der Spitze 13 zentriert zu bleiben. Der Begriff "Überätzung" bezieht sich auf die Zeitdauer, in der der Ätzvorgang fortgesetzt wird, nachdem eine im wesentlichen vollständige Hinter­ schneidung erzielt worden ist. Der Begriff "vollstän­ dige Hinterschneidung" bezieht sich auf den Punkt, bei dem die seitliche Materialentfernung der ursprüngli­ chen Abmessung der Maske 30 in seitlicher Richtung entspricht.

Fig. 3 zeigt das Substrat 11, bei dem es sich um amor­ phes Silizium über Glas, um Polysilizium oder irgend­ ein anderes Material handeln kann, aus dem sich die Emitterspitzen 13 herstellen lassen. Bei dem vorlie­ genden Ausführungsbeispiel wird von Spitzen 13 gespro­ chen, doch es ist auch möglich, eine Mikrobearbeitung von scharfen Kanten durch das erfindungsgemäße Verfah­ ren durchzuführen. Die scharfen Kanten dienen dann alternativ als Emitter bei Feldemissionsvorrichtungen.

Die vorliegende Erfindung verwendet ein Substrat 11, das bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel einkri­ stallines Silizium umfaßt. Ein aufgebrachtes Material, wie z. B. Polysilizium oder amorphes Silizium oder Kohlenstoff oder ein anderes Metall oder ein anderes geeignetes Material kann jedoch auch als Substratmate­ rial verwendet werden. Typischerweise handelt es sich dabei um Halbleiter-Wafer, obwohl auch andere Materia­ lien, wie z. B. Silizium auf Saphir (SOS), verwendet werden kann. Der Begriff "Wafer" soll sich daher auf das Substrat 11 beziehen, auf dem die Emitterspitzen 13 gemäß der Erfindung gebildet werden.

Auf das Substrat 11 wird eine Maskierschicht 30 aufge­ bracht oder durch Aufwachsen gebildet. Bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren wird eine 0,1 µm dicke Schicht aus Siliziumdioxid 30 auf dem Wafer gebildet, wobei diese Schicht als Maskierschicht 30 dient. Die Spit­ zengeometrien und Abmessungen sowie die Konditionen für den Ätzvorgang variieren in Abhängigkeit von der Art des für die Bildung der Spitzen 13 verwendeten Materials, da die speziellen elektrochemischen, elek­ trostatischen und van-der-Waalsschen Kräfte sowie die interaktiven Oberflächenkräfte in Abhängigkeit von dem Material variieren.

Die Maskierschicht 30 kann aus irgendeinem geeigneten Material gebildet werden, und zwar derart, daß ihre Dicke ausreichend groß ist, um zu vermeiden, daß sie während des Ätzvorgangs vollständig aufgezehrt wird, jedoch wiederum nicht so dick ist, daß die Haftkräfte überwunden werden, die sie während des gesamten Ätz­ vorgangs in der korrekten Position in bezug auf die Spitzen 13 halten.

Eine Photoresistschicht 32 oder ein anderes schützen­ des Element wird auf der Maskierschicht 30 in ein Muster gebracht, falls das gewünschte Maskiermaterial sich nicht direkt in ein Muster bringen oder aufbrin­ gen läßt. Wenn die Photoresistschicht 32 in ein Muster gebracht bzw. strukturiert wird, handelt es sich bei den am meisten bevorzugten Formen um Punkte oder Kreise.

Es ist ins Auge gefaßt, daß zukünftige Ausführungsfor­ men die Verwendung des Photoresist 32 als eigentliche Maske 30 beinhalten, wobei das Photoresist optimierte Eigenschaften und Abmessungen besitzt, welche ermögli­ chen, daß die Maske 32 nach der Erzielung einer voll­ ständigen Hinterschneidung an der Spitze 13 ausbalan­ ciert bzw. im Gleichgewicht bleibt.

Der nächste Schritt bei dem Verfahren ist die selekti­ ve Entfernung der Maske 30 in den Bereichen, die nicht durch das Photoresistmuster 32 bedeckt sind, wie dies in Fig. 4 zu sehen ist. Die selektive Entfernung der Maske 30 erfolgt vorzugsweise durch einen chemischen Naßätzvorgang. Bei einer Siliziumdioxidmaske 30 kann eine wäßrige HF-Lösung verwendet werden, jedoch kann auch irgendeine andere, in der Industrie bekannte, geeignete Technik verwendet werden, wie z. B. auch ein physikalischer Entfernungsvorgang oder ein Plasma ver­ wendender Entfernungsvorgang.

Bei einem Plasmaätzverfahren beinhalten die typischen zum Ätzen von Siliziumdioxid verwendeten Ätzmittel Chlor und Fluor, und typische Gaszusammensetzungen beinhalten CF₄, CHF₃, C₂F₆ und C₃F₈, wobei die genann­ ten Materialien und Gase jedoch nicht als abschließend zu verstehen sind. Fluor mit Sauerstoff kann ebenfalls zur Ausführung des Ätzschrittes der Oxidmaske ver­ wendet werden. In unseren Experimenten wurden CF₄, CHF₃ und Argon verwendet. Die Ätzgase sind gegenüber Silizium selektiv, und die Ätzrate von Oxid ist in der Technik bekannt, so daß sich der Endpunkt des Ätz­ schrittes berechnen läßt.

Alternativ hierzu kann auch ein Oxid-Naßätzvorgang unter Verwendung üblicher Oxidätzchemikalien durch­ geführt werden.

In diesem Stadium wird die Photoresistschicht 32 ent­ fernt. Fig. 4 zeigt die Maskenkonstruktion 30 vor dem Siliziumätzschritt.

Ein Plasmaätzvorgang mit Selektivität gegenüber der Ätzmaske 30 wird zur Bildung der Spitze verwendet, wobei im Fall von Silizium vorzugsweise ein Plasma verwendet wird, das ein fluoriertes Gas, wie z. B. SF₆, NF₃ oder CF₄ in Kombination mit einem chlorierten Gas, wie z. B. HCl oder Cl₂ verwendet. In am meisten bevor­ zugter Weise umfaßt das Plasma eine Kombination aus SF₆ und Cl₂ mit einem Zusatzstoff, wie z. B. Helium.

Der Ätzvorgang dauert an, bis alle der Spitzen 13 auf einem Wafer die Maske 32 vollständig hinterschnitten haben, wie dies in den Fig. 5 bis 7 zu sehen ist. Es wird dabei angenommen, daß van-der-Waals-Kräfte, elek­ trostatische und elektrochemische Anziehung und/oder Oberflächenanziehungskräfte eine Rolle bei der Befe­ stigung der Maske in Position während des anhaltenden Ätzvorgangs spielen.

Im folgenden sind die Bereiche von Parametern für das in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Verfahren angegeben. Diese beinhalten einen Bereich von Werten, der während der Charakterisierung des Verfahrens un­ tersucht wurde, sowie einen Bereich von Werten, der die besten Ergebnisse für Spitzen 13 ergab, die von 0,70 µm bis 1,75 µm hoch waren und deren Maße an der Basis 1 µm bis 1,5 µm betrugen. Für den Durchschnitts­ fachmann ist hierbei erkennbar, daß sich die Werte zur Erzielung von Spitzen mit anderen Höhen- und Breiten­ abmessungen variieren lassen.

Tabelle 1

In obiger Tabelle gelten die mit der Einheit cm³/min versehenen Werte jeweils bei Standardbedingungen, d. h. Raumtemperatur und normalem Druck.

Die Versuche wurden auf einer Lam-490-Ätzvorrichtung mit gesteigerter Kühlung durchgeführt. Die untere Elektrode wurde im wesentlichen im Bereich von 21°C gehalten. Es wird jedoch angenommen, daß eine Lam-480 oder Lam-490-Ätzvorrichtung ohne gesteigerte Kühlung ebenfalls in den angegebenen Bereichen arbeiten würde.

Das primäre Mittel zum Steuern des Verhältnisses von Höhe zu Breite der durch das erfindungsgemäße Verfah­ ren gebildeten Spitzen 13 besteht in der Kombination der zugeführten Gase, Leistung sowie des Drucks während des Plasmaätzvorgangs der Spitzen 13.

Die Fähigkeit zum Fortsetzen des Ätzvorgangs bis zu dessen Ende (d. h. über eine vollständige Hinter­ schneidung hinaus) mit minimalen Veränderungen hin­ sichtlich der funktionsgemäßen Formgebung innerhalb der Zeitdauer, zwischen der die erste Spitze 13 bis zu der letzten Spitze 13 scharf werden, schafft ein Ver­ fahren, bei dem alle Spitzen in einem Feld im wesent­ lichen identische Eigenschaften aufweisen. Spitzen mit gleichmäßiger Höhe und Schärfe werden durch sorgfäl­ tige Auswahl des Materials, der Größe und der Dicke der Maske 30 erzielt.

Nachdem die Anordnung bzw. das Feld der Emitterspitzen 13 hergestellt worden ist und die erwünschten Abmes­ sungen erzielt worden sind, läßt sich die Oxidmasken­ schicht 30 entfernen, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Die Maskierschicht 30 läßt sich durch ein beliebiges der in der Technik allgemein bekannten Verfahren ver­ wenden, z. B. durch einen Naßätzvorgang, der eine Fluorwasserstoffsäurenlösung (HF-Lösung) oder eine andere Mischung verwendet, die HF enthält.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß alle der ein­ gangs genannten US-Patente mit ihrem gesamten Inhalt durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gemacht werden.

Das spezielle Verfahren zum Erzeugen scharfer Emitter­ spitzen zur Verwendung bei Flachschirmanzeigen, wie es vorstehend veranschaulicht und ausführlich offenbart worden ist, ist zwar zur Erzielung der genannten Ziele und Vorteile in vollster Weise in der Lage, jedoch versteht es sich, daß dieses Verfahren lediglich als Veranschaulichung der derzeit bevorzugten Ausführungs­ formen der Erfindung zu verstehen ist, wobei die ange­ gebenen Konstruktionsdetails oder Ausführungsdetails nicht als Einschränkung zu verstehen sind. Z. B. ist das erfindungsgemäße Verfahren im Hinblick auf die Herstellung gleichmäßiger Anordnung scharfer Emitter­ spitzen zur Verwendung bei Flachschirmanzeigen be­ schrieben worden, wobei der Durchschnittsfachmann je­ doch erkennt, daß ein solches Verfahren auch bei anderen Feldionisierungsgebilden und Elektronen emittierenden Gebilden sowie bei der Mikrobearbeitung von Strukturen zur Anwendung kommen kann, bei denen es erwünscht ist, eine scharfe Spitze zu haben, wie z. B. bei einer Sondenspitze oder einer Vorrichtung.

Claims (10)

1. Verfahren zum Bilden einer im wesentlichen gleich­ mäßigen Anordnung scharfer Emitterspitzen (13), gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Maskieren eines Substrats (11) zur Bildung einer maskierten Anordnung;
Plasmaätzen des Substrats (11) zur Bildung einer Anordnung spitzer Spitzen (13), wobei die Plasma­ ätzung des Substrats (11) bis nach einer vollstän­ digen Hinterschneidung andauert und dabei die Maske (30) auf den spitzen Spitzen (13) im Gleich­ gewicht bleibt; und
Entfernen der Maske (30), nachdem im wesentlichen alle der Spitzen (13) scharf geworden sind, wobei die Spitzen (13) als Elektronenemitter (13) wirken.

2. Verfahren zum Bilden einer im wesentlichen gleich­ mäßigen Anordnung scharfer Spitzen (13), gekenn­ zeichnet durch folgende Schritte:
Maskieren eines Substrats (11);
Ätzen des maskierten Substrats (11) zur Bildung einer Anordnung scharfer Spitzen (13), wobei der Ätzvorgang so lange andauert, bis ein Großteil der Spitzen (13) der Anordnung nach einer vollständi­ gen Hinterschneidung im wesentlichen gleichmäßig scharf geworden ist, wobei die Maske (30) auf den Spitzen (13) im Gleichgewicht bleibt; und
Entfernen der Maske (30).

3. Verfahren zum Ätzen einer Anordnung scharfer Spitzen (13) in einer derartigen Weise, daß die Spitzen (13) im wesentlichen dieselbe Höhe und Form besitzen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Maskieren eines Substrats (11);
selektives Entfernen von Bereichen des Substrats zur Bildung einer Anordnung von mit einer Maske (30) bedeckten Spitzen (13), wobei das selektive Entfernen von Bereichen des Substrats (11) bis nach einer vollstandigen Hinterschneidung andauert und die Maske (30) dabei auf den mit der Maske bedeckten Spitzen (13) im Gleichgewicht bleibt; und
Entfernen der Maske (30), wenn ein beträchtlicher Großteil der mit einer Maske bedeckten Spitzen (13) einer auf einen Schwenkpunkt gelagerten Ebene ähnelt.

4. Verfahren zur Mikrobearbeitung einer sich ver­ jüngenden Struktur (13), gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Maskieren eines Substrats (11), das aus amorphem Silizium und/oder einkristallinem Silizium gebildet ist; und
Plasmaätzen des Substrats (11) über seine voll­ ständige Hinterschneidung hinaus, während die Maske (30) auf dem sich verjüngenden Scheitel der Struktur (13) im Gleichgewicht bleibt und wobei es sich bei der Struktur (13) um eine Spitze und/oder eine Kante handelt.

5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Maske (30) eine harte Maske verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (30) in ein Muster in Form einer Anordnung von Kreisen ge­ bracht wird, die einen Durchmesser in etwa im Bereich von 1 µm aufweisen.

7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Trockenätzvor­ gang ein Fluorkohlenwasserstoff und ein Inertgas verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte be­ trächtliche Großteil der Spitzen (13) eine im we­ sentlichen identische Höhe besitzt.

9. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anordnen von Siliziumdioxid auf dem Substrat vor dem Maskieren, wobei das Siliziumdioxid eine Tiefe in etwa im Bereich von 0,1 µm aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Maskiervorgang die Aufbringung einer Resistschicht (32) auf dem Sili­ ziumdioxid (30) beinhaltet.