JP2000173448A

JP2000173448A - 電界放射冷陰極の製造方法

Info

Publication number: JP2000173448A
Application number: JP34921698A
Authority: JP
Inventors: Nobuya Seko; 暢哉世古
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2000-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】フォトリソグラフィの解像度を越える微細な
ゲート径を実現可能な電界放射冷陰極の製造方法を提供
する。【解決手段】シリコン基板１の上に第１の絶縁層２を
成長させ、その上に第２の絶縁層３を堆積する。この上
にフォトレジストを塗布して開口を形成し、これをマス
クとして第２の絶縁層３及び第１の絶縁層２をエッチン
グする。エミッタ材料をシリコン基板１に対して垂直に
入射するように成膜すると、シリコン基板１上にはエミ
ッタ下層５ａが堆積し、第２の絶縁層２上には第１の堆
積層６ａが堆積する。シリコン基板１に垂直な軸で、シ
リコン基板１を回転させながら斜め方向から犠牲層材料
を蒸着し、犠牲層７を成膜する。犠牲層７の上に第２の
堆積層６ｂを堆積しつつ、エミッタ上層５ｂを形成す
る。最後に、リン酸で犠牲層７のアルミナを選択エッチ
ングし、第２の堆積層６ｂをリフトオフする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電界放射冷陰極の製
造方法に関し、特に導電性の基板上に形成された絶縁層
とゲート電極とに基板表面を露出する略円形の開口を開
け、その開口内において基板と電気的に接続された略円
錐状のエミッタをその頂点が開口中央の領域に位置する
よう配設したスピント型の電界放射冷陰極の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】電界放射冷陰極の特性は低電圧で大電流
が取り出せることが望ましい。その手段はファウラノル
ドハイムの式で分かるように、エミッタの仕事関数を低
くするか、エミッタ先端の電界集中係数を大きくするこ
とによって実現することができる。

【０００３】ここで、ファウラノルドハイムの式とは真
空に放出される電流密度ｊ（Ａ／ｃｍ²）を記述するも
ので、ｊ＝ＡＦ²／φ・ｅｘｐ（−Ｂφ^3/2／Ｆ），Ｆ＝βＶで表される。尚、Ａ，Ｂは定数、βは印加電圧Ｖを電界
Ｆに変換する係数である。係数βはエミッタ先端の鋭さ
やエミッタとアノードとの間の距離等の幾何学的な量に
依存して決まり、エミッタ先端の形状が鋭いほど大きく
なる。

【０００４】エミッタの仕事関数は材料及びその表面状
態で決まるので、これを低減することは簡単なことでは
ない。電界集中係数はゲートとエミッタとを近づけてエ
ミッタを尖らせることで大きくなるが、先端の先鋭化は
エミッタの形成プロセスの本質に関わる問題であり、も
っとも単純で確実に効果が上がるのはエミッタとゲート
とを近づける、スピントタイプにおいてはゲート径を小
さくすることであるといえる。

【０００５】ゲート電圧の低減は単に同じ電圧で多くの
電流を得られるだけでない。スピントタイプのような突
起の先端からエミッションを得る場合、本来電子ビーム
を取り出したい方法に対する横方向の速度成分があるこ
とは避けがたいことである。

【０００６】同じ電流であっても、低いゲート電圧で引
き出された方が横方向の速度成分を小さくすることがで
き、その後のビームの広がりを抑制することができる。
また、収束（制御）電極によってビームの発散を抑える
場合にも引き出し電圧が低く、初期の横方向の速度成分
が小さい方がその効果が大きい。

【０００７】電界放射冷陰極の応用を考えた場合に、こ
こから得られる電子ビームは進行方向に対して広がるこ
となく放射されることが望ましい。そのためにも低電圧
駆動、有効な収束効果が期待される。

【０００８】上記のエミッタの形成方法については、特
開平９−２５９７４３（以下、文献１とする）、特開平
４−２６２３３７（以下、文献２とする）、特開平５−
２１００３（以下、文献３とする）、特開平４−６７２
８（以下、文献４とする）、特開平９−２９３４５１
（以下、文献５とする）等に詳述されている。

【０００９】文献１には、エミッタ形成前の犠牲層蒸着
及びリフトオフを行う代わりにゲート上方に堆積した膜
をエッチングで取り去る方法が記載されている。これら
の方法を図２２及び図２３に示す。

【００１０】図２２にはエミッタ４７の形成と同時に堆
積した堆積層４６をエッチングしてゲート電極とする方
法が示されている。図２３ではゲート４８を別の材料で
形成してエミッタ４７を形成した後、堆積層４６をＲＩ
Ｅ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ：反応
性イオンエッチング）で除去する方法が示されている。
尚、図２２及び図２３において、４１は基板、４２はカ
ソード、４３は抵抗層、４４は絶縁層、４５は開口部を
夫々示している。

【００１１】文献２には絶縁層がオーバハングした形状
の基板に対して、「Ｐｔ−Ａｕを蒸着で」成膜すると、
図２４に示すようにカソード５４とゲート層５５とが同
時に形成することができる方法が記載されている。尚、
図２４において、５１はシリコン基板、５２はＳｉ
Ｏ₂、５３はボロンがイオン注入されたＳｉＯ₂を夫々
示している。

【００１２】文献３には、図２５に示すように、エミッ
タチップ６１を形成した後で、回転斜め蒸着でゲート開
口内面に導電材料を蒸着してゲート開口径を小さくする
という方法が記載されている。尚、図２５において、６
２は基板、６３は絶縁層、６４はゲート層、６５は放射
孔、６６は金属膜を夫々示している。

【００１３】文献４には、図２６に示すように、シリコ
ン基板７１をエッチングして錘状突起７４を残してエミ
ッタ電極とした構造において、素子構造完成後に導電物
質を蒸着してゲートを狭めるとともに、エミッタのアス
ペクト比を大きくしようという方法が記載されている。

【００１４】ゲート開口を狭める手段としてはスピント
法のエミッタ形成機構と同じであるが、錘状突起７４上
に入射する蒸着粒子の入射角は錘状突起７４の側面に対
して浅い角度で斜めに入射している。尚、図２６におい
て、７２は絶縁層、７３はゲート電極、７５は錘先端、
７６は錘状電極、７７は電極開口、７８は再堆積層、７
９は突起先端を夫々示している。

【００１５】文献５には、図２７に示すように、集束電
極８５を持つ電界放射冷陰極の製造方法を示している。
図２７（ｃ）の傘状堆積物９１は２段に形成された電極
の上段（制御電極）にマスクされて外側面が形成され、
下段（ゲート電極８３）から下へ通過してエミッタ電極
９０となる部分が抜けることで内側面が形成されたもの
である。

【００１６】尚、図２７において、８１は基板、８２は
第１の絶縁層、８４は第２の絶縁層、８６はゲート電極
の開口、８７は集束電極の開口、８８，８８Ｇは第１の
犠牲層、８９は第２の犠牲層、９２はエミッタ材料層、
θ１，θ２は入射角度を夫々示している。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のエミッ
タの形成方法では、文献１に記載の方法の場合、絶縁層
の開口断面が底の方が細くなるテーパが付いているの
で、エミッタ形成時に絶縁層の開口内壁面にエミッタ材
料が堆積し、絶縁特性を劣化させる。しかも、絶縁層表
面への入射角は極めて浅い角度となるため、膜質は極め
て疎となり、ごみの発生等の弊害を引起こす恐れがあ
る。

【００１８】また、文献１に記載の方法では絶縁層を開
口してエミッタを露出させる工程を「エッチング」であ
るとしているが、ゲート（堆積層）とエミッタとは同一
の材料であり、エッチングの選択性を確保するのが実質
上不可能である。

【００１９】さらに、文献１に記載の方法ではエミッタ
に比べて大面積のゲート（堆積層）が存在し、ローディ
ング効果でエミッタ先端が保持されるとの記述がある
が、たとえ外形が円錐状で保持されたところで、エミッ
ション特性に重要な影響を及ぼすエミッタ先端が良好な
状態（先鋭）である可能性は実質上期待できない。

【００２０】さらにまた、文献１に記載の方法ではＲＩ
Ｅで堆積層を除去するという記述があるが、ＲＩＥの特
性上、エッチングガスのイオンが基板に対して垂直成分
の大きなエネルギを持って入射し、物理的かつ化学的な
複合作用によってエッチングが進行する。したがって、
堆積層を除去できてもゲートが開口してエミッタが露出
した後、堆積層と同じ材料であるエミッタはエッチング
レートに多少の差があっても、エッチングされていく。

【００２１】文献２の記載の方法ではスピント法に属す
るエミッタの形成機構をとっている。スピント法による
エミッタ形成のメカニズムは、開口（通常はゲート）が
基板上に投影された（開口を通過した蒸着粒子のみが基
板に堆積する）ものがエミッタであり、開口部が徐々に
閉口するのにしたがってエミッタの先端が先鋭になると
いうものである。しかしながら、この文献２の記載の方
法では開口部の閉口が起きておらず、先鋭なエミッタを
形成することができないことは明らかである。

【００２２】文献３に記載の方法ではゲート開口に対し
てエミッタの高さを自由に選べないという問題がある。
文献３に記載の方法ではゲートの開口径を小さくするこ
とはできるが、エミッタ先端がゲート電極から十分に下
にないと、ゲートを狭める際の蒸着材料がエミッタ先端
に堆積してエミッタ先端を鈍化させてしまう。

【００２３】エミッタ先端は元のゲートの下面に近くか
つ低い位置になければならず、さらにゲートを狭める時
にゲート電極上面に堆積する膜によって、ゲート電極上
面からはかなり低い位置に先端が位置することになる。

【００２４】エミッタ先端が極端に低い場合にはエミッ
タ先端の電界集中が小さくなり、エミッション特性が低
下するだけでなく、ゲート電極へのエミッション電流の
飛び込みが大きくなり、効率の低下を引起す。

【００２５】ＰＶＤ（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（蒸着、スパッタ等）による薄
膜形成では、堆積粒子が基板に斜めに入射した場合、垂
直に入射させた場合と比べて膜質に変化が現れることが
広く知られている。

【００２６】膜質の変化とは柱状組織が入射方向に近い
角度に成長し、しかも、密度が低い“疎”な構造になる
というものである。この点については、例えば「薄膜形
成技術」（応用物理学会薄膜・表面物理分科会編、共立
出版（株）刊、１９９１年３月２５日、Ｐ．７２及び図
４．２４）等に記載されている。

【００２７】文献４に記載の方法では２回目以降の堆積
粒子が既に堆積しているエミッタの斜面上に、基板と垂
直な方向から入射する。これを、２回目以降の基板とな
るエミッタの斜面を基準に見ると、堆積粒子は“基板”
に対して垂直から大きく傾いた浅い角度で入射してくる
ことになる。ここで、斜め蒸着効果が生じると、比較的
なめらかな１回目堆積部分のエミッタ表面に多数の柱状
構造が毛羽立ったように生えた形状の２回目堆積部分が
できあがる。

【００２８】このような形状が生じることによって、機
械的強度の不足とそれによるエミッタの一部脱落→ゲー
ト−エミッタ間の短絡、極先端以外の下の部分からのエ
ミッション増加、ゲートへの飛び込み、表面積増加に伴
う吸着ガスの増加等という問題が生ずる。

【００２９】文献５に記載の方法では傘状堆積物の形成
され初め（蒸着開始）から蒸着終了までが、他の条件あ
るいは他の材料の成膜を間に入れることなく、断続的で
あっても良いが、先端部が閉口するまで継続して行われ
る。最終的には傘状堆積物が全てリフトオフの工程で除
去され、完成した品物の一部分とはなり得ない。

【００３０】そこで、本発明の目的は上記の問題点を解
消し、フォトリソグラフィの解像度を越える微細なゲー
ト径を実現することができる電界放射冷陰極の製造方法
を提供することにある。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明による電界放射冷
陰極の製造方法は、導電性の基板上に形成された絶縁層
とゲート電極とに前記基板表面を露出する略円形の開口
を開け、その開口内において前記基板と電気的に接続さ
れた略円錐状のエミッタをその頂点が前記開口中央の領
域に位置するよう配設したスピント型の電界放射冷陰極
の製造方法であって、前記エミッタ形成途中で上部堆積
膜の開口径が縮小していく過程でその上端面のみに犠牲
層を形成し、前記エミッタ先端を形成した後で前記犠牲
層に対するエッチングを行って前記犠牲層形成後に堆積
した膜を除去し、前記犠牲層形成前にゲート上方に堆積
した膜を前記ゲート電極として用いるようにしている。

【００３２】すなわち、本発明の電界放射冷陰極の製造
方法は、スピント型の電界放射冷陰極の製造工程におい
て、エミッタ形成途中で上部堆積膜の開口径が縮小して
いく過程でその上端面のみに犠牲層を形成し、さらに続
けてエミッタ先端を形成した後でリフトオフを行い、エ
ミッタ形成時の犠牲層形成前にゲート上方に堆積した膜
をゲート電極として用いている。

【００３３】本発明はスピント型の電界放射冷陰極のエ
ミッタ形成工程に準じた次のようなプロセスで構成され
る。つまり、エミッタが形成されるべき基板の上方にエ
ミッタ形成のマスクとなる開口が位置する。ここでは第
２の絶縁層またはゲート層に開口が形成されている。垂
直方向からエミッタ材料を堆積させると、この開口を通
過した成分は基板上に開口を投影するようにエミッタ下
層として堆積するが、開口以外の部分は開口を含む層の
上に第１の堆積層として堆積する。この時、開口端部で
は膜厚方向に膜が成長するとともに、開口内へ向けて一
定の割合で張り出すように成長している。

【００３４】これは開口端部をかすめるような軌道を飛
んできた堆積粒子が、開口端部に堆積するか、あるいは
堆積粒子の中の非垂直成分（蒸発源から斜めに飛び出し
たあるいは飛行途中で残留ガスあるいは堆積粒子同士で
散乱された成分）が開口部を閉める方向に成長したもの
であり、この状態の第１の堆積層の開口径は蒸着開始前
の開口径よりも小さくなっている。

【００３５】次に、回転斜め蒸着によって、第１の堆積
層の上面に犠牲層を成膜する。その後、エミッタ形成を
続けると、エミッタ下層の上にエミッタ上層が堆積し、
開口部が閉口するにいたり、先鋭なエミッタが完成す
る。また、犠牲層を選択エッチングして第２の堆積膜を
除去すると、第１の堆積膜をゲート電極としたゲート径
の小さな電界放射冷陰極が完成する。

【００３６】第１及び第２の堆積層はエミッタと同じ材
料が堆積したものであり、導電性を持っている。したが
って、これらの一部をゲート電極として使用することに
は何ら問題を生じない。

【００３７】従来のプロセスではゲート電極の開口をフ
ォトリソグラフィで形成するため、小さなゲート径を得
るためにはゲート径はフォトリソグラフィ及びエッチン
グ技術によって限界がある。しかしながら、上述した本
発明の製法によれば、フォトリソグラフィの解像度を越
えた微細なゲート径を実現することが可能となる。

【００３８】本発明は犠牲層のみを選択的にエッチング
することによって、その上方の第２の堆積層をリフトオ
フするので、エミッタに損傷を与えることがない。ま
た、本発明はゲートの厚さが第１の堆積層の膜厚のみ
（文献１では堆積層の膜厚＋エッチング量）で決まるの
で、予想しやすく制御性がよい等の点で、上記の問題を
解決しており、実現性が高い。

【００３９】ここで、本発明は文献１記載の方法と、堆
積層をゲートとして利用するという点での共通点がある
が、その実現手段（構成）が全く異なっており、文献１
とは別の技術である。

【００４０】また、本発明と文献３との相違点は、文献
３がエミッタ形成後にゲートを回転斜め蒸着で狭めてい
るのに対して、本発明ではスピント法のエミッタ形成メ
カニズムによって上方の堆積層の開口が狭まる現象を利
用してエミッタ形成と同時に、ゲートを狭めているいう
点にある。

【００４１】さらに、文献５に記載の方法に対して、本
発明では筒状堆積物の先端が閉口する前にその上面に犠
牲層を形成し、その後にエミッタ蒸着を継続し、筒状堆
積物の上層が形成され、先端部が閉口する。最終的には
犠牲層から上の上層が除去されるが、下層はゲート電極
として完成した品物の一部分として機能する。これらの
点で、文献５に記載の傘状堆積物と本発明の筒状堆積物
とは、形成されるメカニズムに共通点はあるものの、異
なる目的で使用され、異なる作用をもたらす。

【００４２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を参照して説明する。図１（ａ）〜（ｃ）及び図２
（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施例によるエミッタ
形成過程を示す断面図である。これらの図において、本
発明の第１の実施例によるエミッタ形成過程ではエミッ
タ形成を２段階で実施しており、第１段階の堆積層をゲ
ート電極とし、第２段階の堆積層は第１，２段階の途中
で成膜する犠牲層でリフトオフし、犠牲層を回転斜め蒸
着で形成している。これら図１及び図２を参照して本発
明の第１の実施例によるエミッタ形成過程について説明
する。

【００４３】まず、シリコン基板１の上に第１の絶縁層
２として熱酸化膜を０．１４μｍの厚さで成長させ、続
いて第２の絶縁層３としてシリコン窒化膜を化学的気相
成長法（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ）で０．０６μｍ堆積する。

【００４４】この上にフォトレジスト（図示せず）を塗
布し、直径０．４μｍφの開口を形成し、これをマスク
として第２の絶縁層３及び第１の絶縁層２を反応性イオ
ンエッチング（ＲＩＥ：ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥ
ｔｃｈｉｎｇ）とウェットエッチングとでエッチング
し、図１（ａ）のような形状とする。

【００４５】ここで、上記の説明ではシリコン基板１を
用いているが、シリコン基板１に限らず、金属等の導電
性材料からなる基板、あるいはセラミックやガラス等の
絶縁性材料の表面に導電性膜を付着させた基板等を用い
てもよい。

【００４６】第１の絶縁層２は基板がシリコンでない場
合、蒸着やスパッタ、及びＣＶＤ等で堆積させるが、シ
リコン基板１の場合にも、堆積した膜を用いることが可
能である。

【００４７】第２の絶縁層３は絶縁層であるが、導電性
材料（従来の電界放射冷陰極でゲートとして用いられて
いるようなＭｏ、Ｎｂ、Ｗ、金属珪化物等）で形成して
もよい。その場合には必要に応じて予め所定の形状にパ
ターニングしておく。

【００４８】次に、エミッタ材料としてＭｏを真空蒸着
法でシリコン基板１に対して垂直に入射するように成膜
する。シリコン基板１上には開口４を通過したエミッタ
材料がエミッタ下層５ａとして堆積し、第２の絶縁層２
上には第１の堆積層６ａが堆積する。第１の堆積層６ａ
の開口径は徐々に狭まり、それに応じてエミッタ下層５
ａの直径も次第に細くなっていく。

【００４９】その傾斜はＭｏを基板温度２００℃で蒸着
した場合、円錐の先端半角で約２１゜、円錐の底面直径
に対する高さの比（アスペクト比）では約１．３になる
ことが分かっている。

【００５０】ここではＭｏを膜厚０．３２μｍにするこ
とで、エミッタ下層５ａが膜厚とほぼ同じ高さの円錐台
形状となり、第１の堆積層６ａの開口径は約０．１５μ
ｍφとなる［図１（ｂ）参照］。

【００５１】続いて、シリコン基板１に垂直な軸で、シ
リコン基板１を回転させながら斜め方向から犠牲層材料
として、酸化アルミニウム（アルミナ）を蒸着する。犠
牲層７の成膜は第１の堆積層６ａの上面及び開口部に犠
牲層７が被着し、エミッタ下層５ａの上面には被着しな
い角度で行う必要がある。すなわち、この後に形成され
る第２の堆積層６ｂを剥離し、第１の堆積層６ａをゲー
トとして使用するためであり、その時にエミッタ５が下
層と上層とに分離していまわないようにする必要がある
からである。

【００５２】具体的な条件としては、上述の寸法設定に
おいて次のようになる。シリコン基板１に垂直に犠牲層
材料を入射させた場合、当然エミッタ下層５ａの上面に
犠牲層材料が堆積する。入射角を垂直を０゜として傾斜
させていくと、図面上では、約３７．７゜の時、第１の
堆積層６ａの開口端部に遮られて、エミッタ下層５ａの
上面に犠牲層７が堆積しなくなる。

【００５３】したがって、少なくともこの角度（３７．
７゜）以上の入射角とする必要がある。ここでは、入射
角を垂直から６０゜に設定して成膜し、膜厚は同じ位置
で垂直に入射させた場合の膜厚で、０．１μｍとする。
犠牲層７は第１の堆積層６ａとその開口端部とに堆積す
る［図１（ｃ）参照］。

【００５４】さらに続いて、垂直方向からＭｏを真空蒸
着すると、犠牲層７の上に第２の堆積層６ｂが堆積され
つつ、エミッタ上層５ｂが形成される。この時の膜厚が
約０．２μｍを越えると、第２の堆積層６ｂの開口は閉
口し、先端が先鋭なエミッタ５ができあがる。Ｍｏはこ
の膜厚を越える厚さであればよい［図２（ａ）参照］。

【００５５】最後に、リン酸で犠牲層７のアルミナを選
択エッチングし、第２の堆積層６ｂをリフトオフする
と、第１の堆積層６ａをゲートとする電界放射冷陰極８
が完成する。ここで述べた条件及び寸法設定でプロセス
を行うと、約０．１５μｍφのゲート開口の高さにエミ
ッタ先端が位置する［図２（ｂ）参照］。

【００５６】第２の堆積層６ａからなるゲート電極をパ
ターニングする必要がある場合には、図２（ａ）または
図２（ｂ）の段階でフォトリソグラフィとエッチングと
を行えばよい。ここで、説明した膜厚及び寸法等は組合
せの一例であり、他の組合せであっても同様なプロセス
が可能である。

【００５７】上記のようにしてエミッタ５を形成するこ
とによって、フォトリソグラフィの解像度を越える微細
なゲート径（本発明の第１の実施例では０．４μｍの解
像力で、０．１５μｍのゲート径）が得られる。

【００５８】図３（ａ）〜（ｃ）、図４（ａ）〜
（ｄ）、図５（ａ）〜（ｃ）、図６（ａ），（ｂ）は本
発明の第２の実施例によるエミッタ形成過程を示す断面
図である。これらの図において、本発明の第２の実施例
によるエミッタ形成過程では絶縁層，導電層の構成を２
段に積層した基板を使用し、エミッタ形成を２段階で実
施しており、第１段階の最下層導電層の上に堆積した筒
状堆積物をゲート電極とし、第２段階の筒状堆積物を第
１，２段階の途中で成膜する犠牲層でリフトオフし、上
部電極の上部堆積層を最初に形成した犠牲層でリフトオ
フし、犠牲層を回転斜め蒸着で形成している。これら図
３〜図６を参照して本発明の第２の実施例によるエミッ
タ形成過程について説明する。

【００５９】まず、図３及び図４を参照して２段電極構
造の基板を作る手順について説明する。シリコン基板１
１に第１の絶縁層１２として熱酸化膜を０．１４μｍ成
長させ、その上にゲート電極１３としてタングステンシ
リサイドを０．０６μｍ、第２の絶縁層１４としてシリ
コン酸化膜を０．４８μｍ、制御電極１５としてタング
ステンシリサイドを０．１μｍ、上層酸化膜１６として
シリコン酸化膜を０．１μｍの順に夫々積層する［図３
（ａ）参照］。

【００６０】０．６μｍφの開口を持つフォトレジスト
層１７を形成し［図３（ｂ）参照］、これをマスクとし
て上層酸化膜１６、制御電極１５、第２の絶縁層１４を
夫々エッチングする［図３（ｃ）参照］。

【００６１】次に、マスク酸化膜１８をＣＶＤによっ
て、開口内部の側壁厚さが０．１μｍとなるように成長
させ［図４（ａ）参照］、ＲＩＥによってエッチバック
することで開口底部にゲート電極１３を露出させ、サイ
ドウォール１９を形成する。サイドウォール１９の内径
は０．４μｍになっている［図４（ｂ）参照］。

【００６２】サイドウォール１９をマスクとしてゲート
電極１３、第１の絶縁層１２をＲＩＥでエッチングする
［図４（ｃ）参照］。バッファードフッ酸でサイドウォ
ール１９、上層酸化膜１６を除去し、同時に第１、第２
の絶縁層１２，１４を開口内壁からエッチングし、図４
（ｄ）に示す断面形状を持つ基板が完成する。図４
（ｃ）の段階のエッチングで、基板１１が露出する直前
でエッチングを終了しておくと、この時、同時に開口底
部に基板１１を露出させることができる。

【００６３】続いて、図５及び図６を参照してエミッタ
形成の手順について説明する。図４（ｄ）の基板１１
を、基板１１に対して垂直な方向で回転させながら、斜
め方向から犠牲層材料として酸化アルミニウム（アルミ
ナ）を蒸着する。

【００６４】第１の犠牲層２０の成膜は制御電極１５の
上面及び開口部に犠牲層が被着し、ゲート電極１３の上
面には被着しない角度で行う必要がある。すなわち、こ
の後に形成される第１の堆積層２２ａを剥離できるよう
にするためであり、その時にゲート電極１３の上に堆積
した筒状堆積物下層２３が剥離されないようにする必要
があるからである。

【００６５】具体的な条件としては上述の寸法設定にお
いて次のようになる。基板１１に垂直に犠牲層材料を入
射させた場合、当然ゲート電極１３の上面に犠牲層材料
が堆積する。入射角を垂直を０゜として傾斜させていく
と、図面上では約５０゜の時、制御電極１５の開口端部
に遮られて、ゲート電極１３の上面に犠牲層が堆積しな
くなる。したがって、少なくともこの角度（５０゜）以
上の入射角とする必要がある。厳密には筒状堆積物下層
２３が堆積する部分にのみ被着しなければよいので、も
う少し小さい角度でもよいことになる。

【００６６】さらに、角度を大きくしていくと、制御電
極１５の開口に遮られる部分が開口の反対側の制御電極
１５の開口端部にかかるようになる。図面上では約８０
゜である。これよりも角度を大きくすると、開口端部全
面に第１の犠牲層２０が付着しなくなるので、後のリフ
トオフで第１の堆積膜２２ａが残る恐れがある。ここで
は、入射角を垂直から７５゜に設定して成膜し、膜厚は
同じ位置で垂直に入射させた場合の膜厚で、０．１μｍ
として、第１の犠牲層２０は制御電極１５の上面と、そ
の開口端部とに堆積させる［図５（ａ）参照］。

【００６７】次に、エミッタ材料としてＭｏを真空蒸着
法で基板１１に対して垂直に入射するように成膜する。
制御電極１５上には第１の堆積層２２ａが堆積する。第
１の堆積層２２ａの開口径は徐々に狭まっていく。この
開口を通ったエミッタ材料がゲート電極１３に筒状堆積
物下層２３として堆積する。筒状堆積物下層２３の外径
は第１の堆積層２２ａの開口径に伴って細くなってい
く。筒状堆積物下層２３の内径（開口径）は第１の堆積
層２２ａの開口径と同様に徐々に狭まっていく。この開
口を通ったエミッタ材料が基板１１上にエミッタ材料が
エミッタ下層２１ａとして堆積する。エミッタ下層２１
ａの直径は筒状堆積物下層２３の内径の減少に伴って細
くなっていく。

【００６８】上述の条件で、第１の堆積層２２ａの膜厚
を０．３２μｍまで堆積すると、エミッタ下層２１ａは
膜厚とほぼ同じ高さの円錐台形状となり、筒状堆積物下
層２３は膜厚とほぼ同じ高さで厚さが約０．０８μｍの
“テーパ付き円筒状”の形状となる。この時の第１の堆
積層２２ａの開口径は約０．３４μｍφ、筒状堆積物下
層の内径は約０．１５μｍφとなる［図５（ｂ）参
照］。

【００６９】続いて、基板１１に垂直な軸で、基板１１
を回転させながら斜め方向から犠牲層材料として、酸化
アルミニウム（アルミナ）を蒸着する。第２の犠牲層２
４ａ，２４ｂの成膜は筒状堆積物下層２３の上面に第２
の犠牲層２４ｂが被着し、エミッタ下層２２ａの上面に
は被着しない角度で行う必要がある。もちろん、第１の
堆積層２２ａの上面にも第２の犠牲層２４ａとして被着
する。すなわち、この後に形成される筒状堆積物上層２
５を剥離し、筒状堆積物下層２３をゲートとして使用す
るためであり、そのときにエミッタ２１が下層と上層と
に分離してしまわないようにする必要があるからであ
る。

【００７０】具体的な条件としては、上述の寸法設定に
おいて次のようになる。基板１１に垂直に犠牲層材料を
入射させた場合、当然エミッタ下層２１ａの上面に犠牲
層材料が堆積する。入射角を垂直を０゜として傾斜させ
ていくと、図面上では、約１６．３゜の時、第１の堆積
層２２ａの開口端部に遮られてエミッタ下層２１ａの上
面に犠牲層が堆積しなくなる。

【００７１】この時、筒状堆積物下層２３の上面には第
１の堆積層２２ａに遮られずに犠牲層が堆積する。した
がって、入射角はこの角度以上である必要がある。さら
に、角度を大きくしていくと、図面上では、約２１．３
゜以上になると、筒状堆積物下層２３の上面の一部が第
１の堆積層２２ａの開口端部に遮られはじめ、この角度
以上ではあとで堆積する筒状堆積物上層２５を完全に剥
離することができなくなる。よって、上記二つの角度の
間に入射角を設定する必要がある。ここでは、入射角を
垂直から１８．５゜に設定して成膜し、膜厚は同じ位置
で垂直に入射させた場合の膜厚で、０．１μｍとする。
第２の犠牲層２４ａ，２４ｂは筒状堆積物下層２３の上
面と、第１の堆積層２２ａの上面に堆積する［図５
（ｃ）参照］。

【００７２】さらに続いて、垂直方向からＭｏを真空蒸
着すると、第１の堆積層２２ａ及び筒状堆積物下層２３
の上の第２の犠牲層２４ｂの上に第２の堆積層２２ｂが
堆積されつつ、エミッタ上層２１ｂが形成される。この
時の膜厚が約０．２μｍを越えると、筒状堆積物上層２
５の開口が閉口し、先端が先鋭なエミッタ２１ができあ
がる。Ｍｏはこの膜厚を越える厚さであればよい［図６
（ａ）参照］。

【００７３】最後に、リン酸で第１及び第２の犠牲層２
０，２４ａ，２４ｂのアルミナを選択エッチングし、第
２の堆積層２２ｂ及び筒状堆積物上層２５をリフトオフ
すると、筒状堆積物下層２３をゲートとし、０．６μｍ
φの制御電極１５を持った電界放射冷陰極２６が完成す
る。ここで、述べた条件及び寸法設定でプロセスを行う
と、約０．１５μｍφのゲート開口の高さにエミッタ先
端が位置する［図６（ｂ）参照］。

【００７４】ここで、説明した膜厚や寸法等、及び材料
構成は組合せの一例であり、他の組合せであっても同様
なプロセスが可能である。エミッタ下層２１ａ及びエミ
ッタ上層２１ｂはいずれもＭｏである例を示したが、同
じ材料や同じ電気特性（抵抗）である必要はなく、構成
元素や組成の違い、金属、合金、半導体、炭化物、酸化
物、窒化物、珪化物、等の組合せであってもよい。

【００７５】第２の絶縁層１４の厚さを変化させること
で、集束電極としての効果を変化させることができる。
第１の絶縁層１２及び第２の絶縁層１４は単一の絶縁材
料で構成されているが、複数の絶縁材料を積層して構成
してもよく、その際に開口部の内壁面はそれら複数の材
料層で同一面でなく、凹凸があっても良い。

【００７６】上記のようにしてエミッタ２１を形成する
ことによって、フォトリソグラフィの解像度を越える微
細なゲート径（本発明の第２の実施例では０．６μｍの
解像力で、０．１５μｍのゲート径）、制御電極１５を
持った構造が得られる。

【００７７】図７（ａ）〜（ｃ）、図８（ａ）〜
（ｃ）、図９（ａ），（ｂ）は本発明の第３の実施例に
よるエミッタ形成過程を示す断面図である。これらの図
において、本発明の第３の実施例によるエミッタ形成過
程では上記の本発明の第２の実施例において第１段階の
エミッタ形成後にリフトオフを行い、その後に犠牲層、
第２段階のエミッタ形成を行い、リフトオフする。これ
ら図７〜図９を参照して本発明の第３の実施例によるエ
ミッタ形成過程について説明する。

【００７８】ここで用いる基板１１は本発明の第２の実
施例と同じもので、図３及び図４に示す手順によって作
製されたものであり、寸法設定も同じものを使用するも
のとして説明を進める。また、エミッタ形成の手順も、
本発明の第２の実施例と類似した点が多いので、本発明
の第３の実施例と本発明の第２の実施例との相違点を中
心に説明する。

【００７９】まず、本発明の第２の実施例と同様にし
て、第１の犠牲層２０を蒸着し［図７（ｂ）参照］、エ
ミッタ材料としてＭｏを蒸着する［図７（ｃ）参照］。
次に、リン酸で第１の犠牲層２０のアルミナを選択エッ
チングし、第１の堆積層２２ａをリフトオフする［図８
（ａ）参照］。

【００８０】続いて、基板１１に垂直な軸で基板１１を
回転させながら斜め方向から犠牲層材料として酸化アル
ミニウム（アルミナ）を蒸着する。第２の犠牲層２４
ｂ，２４ｃの成膜は筒状堆積物下層２３の上面に第２の
犠牲層２４ｂが被着し、エミッタ下層２１ａの上面には
被着しない角度で行う必要がある。もちろん、制御電極
１５の上面にも第２の犠牲層２４ｃとして被着する。す
なわち、この後に形成される筒状堆積物上層２５及び第
２の堆積層２２ｃを剥離し、筒状堆積物下層２３をゲー
トとして使用するためであり、その時にエミッタ２１が
下層と上層とに分離してしまわないようにする必要があ
るからである。

【００８１】具体的な条件としては、上述の寸法設定に
おいて次のようになる。基板１１に垂直に犠牲層材料を
入射させた場合、当然エミッタ下層２１ａの上面に犠牲
層材料が堆積する。入射角を垂直を０゜として傾斜させ
ていくと、図面上では、約３７．６゜の時、筒状堆積物
下層２３の開口端部及び制御電極１５に遮られてエミッ
タ下層２１ａの上面に犠牲層が堆積しなくなる。

【００８２】この時、筒状堆積物下層２３の上面には制
御電極１５に遮られずに犠牲層が堆積する。したがっ
て、入射角はこの角度以上である必要がある。さらに、
角度を大きくしていくと、図面上では、約５５．４゜以
上になると、筒状堆積物下層２３の上面の一部が制御電
極１５の開口端部に遮られはじめ、この角度以上ではあ
とで堆積する筒状堆積物上層２５を完全に剥離すること
ができなくなる。したがって、上記二つの角度の間に入
射角を設定する必要がある。

【００８３】ここでは、入射角を垂直から４７゜に設定
して成膜し、膜厚は同じ位置で垂直に入射させた場合の
膜厚で、０．１μｍとする。第２の犠牲層２４ｂ，２４
ｃは筒状堆積物下層２３の上面と、制御電極１５の上面
とに夫々堆積する［図８（ｂ）参照］。

【００８４】さらに、基板１１に垂直な軸で、基板１１
を回転させながら斜め方向から第３の犠牲層２７を蒸着
する。第３の犠牲層２７はこの後に行うエミッタ材料の
蒸着の際に、筒状堆積物下層２３の外側にエミッタ材料
が堆積しないようにする目的がある。基板１１に対して
垂直にエミッタ材料を蒸着した場合、筒状堆積物下層２
３の外側へ入射する角度は垂直に対して約６９゜にな
る。このような浅い角度で入射した場合の堆積膜は斜め
蒸着の効果によって、膜質が疎となる。この膜は、この
後で除去する工程がないために最終的に残る膜となって
しまう。

【００８５】このような疎な膜が存在することはガス吸
着、不要な突起の形成、機械的強度等の面で好ましくな
い。そこで、エミッタ材料の蒸着に先立って、筒状堆積
物下層２３の外側へエミッタ材料が到達しない程度ま
で、制御電極１５の開口を第３の犠牲層２７で小さくし
ておく。

【００８６】成膜の条件としては筒状堆積物下層２３の
上面に堆積しないようにするために、５９゜以上、制御
電極１５の開口部下端に堆積させるためには７８゜以下
にする必要がある。ここでは、７０゜の入射角で開口径
が、筒状堆積物下層２３の上端の外径と同程度になるま
で、犠牲層としてアルミナを蒸着する［図８（ｃ）参
照］。

【００８７】さらに続いて、垂直方向からＭｏを真空蒸
着すると、第３の犠牲層２７及び筒状堆積物下層２３の
上の第２の犠牲層２４ｂの上に第２の堆積層２２ｃが堆
積されつつ、エミッタ上層２１ｂが形成される。この時
の膜厚が約０．２μｍを越えると、筒状堆積物上層２５
の開口は閉口し、先端が先鋭なエミッタ２１ができあが
る。Ｍｏはこの膜厚を越える厚さであればよい［図９
（ａ）参照］。

【００８８】最後に、リン酸で第２及び第３の犠牲層２
４ｂ，２４ｃ，２７のアルミナを選択エッチングし、第
２の堆積層２２ｃ及び筒状堆積物上層２５をリフトオフ
すると、筒状堆積物下層２３をゲートとし、０．６μｍ
φの制御電極１５を持った電界放射冷陰極２６が完成す
る。ここで述べた条件及び寸法設定でプロセスを行う
と、約０．１５μｍφのゲート開口の高さにエミッタ先
端が位置する［図９（ｂ）参照］。ここで、説明した膜
厚及び寸法等は組合せの一例であり、他の組合せであっ
ても同様なプロセスが可能である。

【００８９】図１０（ａ）は本発明の第２の実施例に相
当する第２の犠牲層２４ｂを形成する時の入射角の上限
及び下限を示す図であり、図１０（ｂ）は本発明の第３
の実施例に相当する第２の犠牲層２４ｂを形成する時の
入射角の上限及び下限を示す図である。これら図１０
（ａ），（ｂ）を参照して本発明の第２の実施例と本発
明の第３の実施例との相違点について説明する。

【００９０】入射角の下限はエミッタ下層２１ａの上面
に犠牲層が堆積せず、リフトオフによってエミッタ２１
が分離してしまわないための条件であり、入射角の上限
は筒状堆積物下層２３の上面に犠牲層が堆積し、筒状堆
積物上層２５を確実に取去るための条件である。

【００９１】この２つの入射角の間で蒸着を行う必要が
あるが、実作業としてはこの角度範囲が広い方がプロセ
ス上のマージンが大きくなる。この角度差は本発明の第
２の実施例の約５゜に比べて、本発明の第３の実施例で
は約１８゜であり、３倍以上のマージンがあることが分
かる。これは単に条件設定の中心値にマージンがあるだ
けでなく、基板１１全面にわたっての一様なエミッタ形
成に対して有利である。すなわち、本発明のようなプロ
セスの場合、説明においては蒸着粒子が基板へ入射する
角度を特定の角度で記述しているが、実際の蒸着装置の
蒸発源、基板の配置を考慮すると、数１０ｍｍ程度の大
きさの蒸発源から数１００ｍｍ離れた位置にある基板へ
蒸着を行っているため、基板の中央部と周辺部分とにお
いて、実際には蒸着粒子の入射角度に違いが生じるから
である。

【００９２】上記のようにしてエミッタ２１を形成する
ことによって、フォトリソグラフィの解像度を越える微
細なゲート径（本発明の第３の実施例では０．６μｍの
解像力で、０．１５μｍのゲート径）が、しかも制御電
極１５を持った構造が得られ、プロセス上のマージンを
大きくすることができる。

【００９３】図１１（ａ）〜（ｄ）、図１２（ａ）〜
（ｃ）、図１３（ａ）〜（ｃ）、図１４（ａ），
（ｄ）、図１５（ａ）〜（ｃ）は本発明の第４の実施例
によるエミッタ形成過程を示す断面図である。これらの
図において、本発明の第４の実施例によるエミッタ形成
過程では上記の本発明の第２の実施例及び本発明の第３
の実施例においてエミッタが形成される部分を残し、他
の部分の基板を掘下げ、絶縁層で充填したような形状を
作っておく。これら図１１〜図１５を参照して本発明の
第４の実施例によるエミッタ形成過程について説明す
る。

【００９４】本発明の第４の実施例は基板部分の構成に
特徴があり、その他の部分は本発明の第２の実施例と同
じであるので、異なる部分のみについて説明する。ここ
ではＬＯＣＯＳ（ＬｏｃａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎｏ
ｆＳｉｌｉｃｏｎ）プロセスによってシリコン基板の
うち、エミッタを形成しない部分に酸化膜を成長させる
方法を用いる。

【００９５】シリコン基板３１上に窒化膜３２を成膜
し、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチング（Ｒ
ＩＥ）とによって、エミッタ形成部分に相当する位置に
窒化膜を残す［図１１（ａ）参照］。

【００９６】熱酸化を行うと、シリコン基板３１が露出
した部分から酸化が進み、エミッタを形成する部分を残
して酸化膜３０が形成される［図１１（ｂ）参照］。ケ
ミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）によって基板
表面を平坦化する［図１１（ｃ）参照］。

【００９７】この後のプロセスは図３〜図６に示す処理
と同様である。シリコン基板３１が露出した部分にエミ
ッタが形成されるように位置を合わせる。図１１〜図１
５では制御電極１５を持つ構造であるが、制御電極１５
のない本発明の第１の実施例にも適用可能である。

【００９８】ここではＬＯＣＯＳプロセスを用いたが、
フォトリソグラフィと反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）とでエミッタ形成部以外を掘下げ、絶縁材料、例え
ばＢＰＳＧ（ＢｏｒｏＰｈｏｓｐｈｏｒＳｉｌｉｃ
ａｔｅＧｌａｓｓ）をＣＶＤで形成し（リフロー）、
ＣＭＰ、というプロセスも可能である。

【００９９】図１４及び図１５のプロセスを図７〜図９
（本発明の第３の実施例）のように行えば、犠牲層形成
のマージンが大きくなる。本発明の第１〜第３の実施例
では従来の構造に比べ、ゲート−エミッタ間の絶縁膜の
厚さが薄くなっていたが、本発明の第４の実施例ではエ
ミッタ２１が形成される部分以外の部分の絶縁層の厚さ
を厚くすることができ、静電容量を低減することができ
る。

【０１００】上記のようにしてエミッタ２１を形成する
ことによって、フォトリソグラフィの解像度を越える微
細なゲート径（本発明の第４の実施例では０．６μｍの
解像力で、０．１５μｍのゲート径）が、しかも制御電
極１５を持った構造が得られ、静電容量増加を抑制する
ことができるので高周波特性に優れる。

【０１０１】図１６（ａ）〜（ｃ）及び図１７（ａ）〜
（ｃ）は本発明の第５の実施例によるエミッタ形成過程
を示す断面図である。これらの図において、本発明の第
５の実施例によるエミッタ形成過程では本発明の第１〜
第４の実施例において第１段階のエミッタ形成後にリフ
トオフを行い、その後に犠牲層、第２段階のエミッタ形
成を行い、リフトオフする。また、本発明の第５の実施
例では第２段階のエミッタ形成を傾斜の急なエミッタ形
成プロセスで行う。これら図１６及び図１７を参照して
本発明の第５の実施例によるエミッタ形成過程について
説明する。

【０１０２】本発明の第５の実施例では基本的なプロセ
スフローが本発明の第２の実施例のプロセスフローと同
じである。本発明の第５の実施例の特徴をまとめると、
最終形状［図１７（ｃ）参照］は図６（ｂ）と比べて、
エミッタ２１の先端と筒状堆積物下層（ゲート）２３と
の位置関係が同じで、エミッタ上層２１ｂのアスペクト
比が大きくなった分、第１の絶縁層１２が厚く、エミッ
タ下層２１ａの底面が下に下がったような形状である。

【０１０３】エミッタ下層２１ａは基板温度２００℃
で、先端半角が約２１゜、アスペクト比が約１．３、膜
厚が０．３２μｍで形成される［図１６（ｃ）参照］。
また、エミッタ上層２１ｂは基板温度４００℃で、先端
半角が約１２．５゜、アスペクト比が約２．２６、膜厚
が約０．３８μｍで形成される。この時、筒状堆積物上
層２５が閉口し、蒸着膜厚は０．４５μｍに設定する。
その場合、エミッタ上層２１ｂはエミッタ下層２１ａに
比べて、傾斜の急な形状となる［図１７（ｂ）参照］。

【０１０４】本発明の第５の実施例では第１の絶縁層１
２の厚さを０．１４μｍから０．３１μｍに厚くするこ
とで、エミッタ上層２１ｂを高くすることができる。こ
の時、第１の絶縁層１２を厚くすることで、静電容量を
低減することが可能となる。

【０１０５】また、エミッタ下層２１ａの上面と筒状堆
積物下層２３の上面との段差が他の実施例と比べて大き
くなるので、第２の犠牲層２４ａ，２４ｂを形成する時
の入射角マージンを大きくすることができる［図１７
（ａ）参照］。

【０１０６】この場合、本発明の第５の実施例では犠牲
層材料の入射角の下限が１３．６゜（本発明の第２の実
施例では１６．３゜）であり、この角度において犠牲層
材料の入射が第１の堆積層２２ａで遮られる。また、本
発明の第５の実施例では犠牲層材料の入射角の上限が２
１．３゜（本発明の第２の実施例では２１．３゜）であ
り、そのマージンは７．７゜（本発明の第２の実施例で
は５゜）である。よって、本発明の第５の実施例では犠
牲層材料の入射角を垂直から１７．５゜に設定して成膜
している。

【０１０７】図１６及び図１７に示す本発明の第５の実
施例では制御電極１５を持つ構造であるが、制御電極１
５のない本発明の第１の実施例にも適用可能であり、第
１の絶縁層１２が本発明の第２の実施例と比べて約２倍
以上になるので、ゲート−エミッタ間の静電容量を小さ
くすることができ、高周波特性に優れる。

【０１０８】本発明の第５の実施例ではゲート電極とエ
ミッタ電極との最短距離がゲート開口部にあるので、ゲ
ート−エミッタ間の不要な放電を低減することができる
［図１７（ｃ）のｘ部参照］。

【０１０９】本発明の第５の実施例では筒状堆積物下層
２３とエミッタ上層２１ｂとのなす角が平行でなく、先
端が狭まっているので［図１７（ｃ）参照］、エミッタ
２１の先端での電界集中が高まり、低電圧化が可能とな
る。

【０１１０】図１８（ａ）〜（ｃ）、図１９（ａ）〜
（ｃ）、図２０（ａ），（ｂ）は本発明の第６の実施例
によるエミッタ形成過程を示す断面図である。これらの
図において、本発明の第６の実施例によるエミッタ形成
過程では上記の本発明の第５の実施例と同様に、第２段
階のエミッタ形成を、傾斜の急なエミッタ形成プロセス
で行い、第２段階のエミッタ形成を基板温度が第１段階
よりも高くなるようにする（Ｍｏの場合、２００℃に対
して４００℃）。また、本発明の第６の実施例では第５
の実施例において、第１段階のエミッタ形成後にリフト
オフを行い、その後に犠牲層、第２のエミッタ形成を行
い、リフトオフする。これら図１８〜図２０を参照して
本発明の第６の実施例によるエミッタ形成過程について
説明する。

【０１１１】本発明の第６の実施例では基本的なプロセ
スフローが本発明の第３及び第５の実施例のプロセスフ
ローと同じである。本発明の第６の実施例の特徴は、第
５の実施例において第３の実施例と同様に、第１段階の
エミッタ形成後にリフトオフを行い、その後に犠牲層、
第２のエミッタ形成を行うところにある［図１８
（ｃ）、図１９（ａ）参照］。

【０１１２】また、エミッタ下層２１ａは基板温度２０
０℃で、先端半角が約２１゜、アスペクト比が約１．
３、膜厚が０．３２μｍで形成され［図１８（ｃ）参
照］、エミッタ上層２１ｂは基板温度４００℃、先端半
角が約１２．５゜、アスペクト比が約２．２６、膜厚が
約０．３８μｍで形成される。この時、筒状堆積物上層
２５が閉口し、蒸着膜厚は０．４５μｍに設定する。そ
の場合、エミッタ上層２１ｂはエミッタ下層２１ａに比
べて、傾斜の急な形状になる［図２０（ａ）参照］。

【０１１３】本発明の第６の実施例では第５の実施例と
同様に、第１の絶縁層１２の厚さを０．１４μｍから
０．３１μｍに厚くすることで、エミッタ上層２１ｂを
高くすることができる。こうして、第１の絶縁層１２を
厚くすることで、静電容量を低減することが可能とな
る。

【０１１４】また、本発明の第６の実施例では第５の実
施例と比べて、エミッタ下層２１ａの上面と筒状堆積物
下層２３の上面との段差が大きくなるので、第２の犠牲
層２４ｂを形成する時の入射角マージンをさらに大きく
することができる［図１９（ｂ）参照］。

【０１１５】この場合、本発明の第６の実施例では犠牲
層材料の入射角の下限が２２．７゜（本発明の第５の実
施例では１３．６゜）であり、この角度において犠牲層
材料の入射が筒状堆積物下層２３で遮られる。また、本
発明の第６の実施例では犠牲層材料の入射角の上限が５
５．４゜（本発明の第５の実施例では２１．３゜）であ
り、そのマージンは３２．６゜（本発明の第５の実施例
では７．７゜）である。よって、本発明の第６の実施例
では犠牲層材料の入射角を垂直から３９゜に設定して成
膜している。

【０１１６】本発明の第６の実施例では第３の犠牲層２
７の設定［図１９（ｃ）参照］は本発明の第３の実施例
における第３の犠牲層２７の設定［図８（ｃ）参照］と
同じである。

【０１１７】したがって、本発明の第６の実施例では本
発明の第５の実施例の効果に加えて、第２の犠牲層２４
ａ，２４ｂの形成時の角度マージンが約３２゜となり、
基板全面にわたって安定した素子形成が容易となる。

【０１１８】図２１（ａ）は本発明の第５の実施例に相
当する第２の犠牲層２４ｂを形成する時の入射角の上限
及び下限を示す図であり、図２１（ｂ）は本発明の第６
の実施例に相当する第２の犠牲層２４ｂを形成する時の
入射角の上限及び下限を示す図である。これら図２１
（ａ），（ｂ）を参照して本発明の第５の実施例と本発
明の第６の実施例との相違点について説明する。

【０１１９】入射角の下限はエミッタ下層２１ａの上面
に犠牲層が堆積せず、リフトオフによってエミッタ２１
が分離してしまわないための条件であり、入射角の上限
は筒状堆積物下層２３の上面に犠牲層が堆積し、筒状堆
積物上層２５を確実に取去るための条件である。

【０１２０】この２つの入射角の間で蒸着を行う必要が
あるが、実作業としてはこの角度範囲が広い方がプロセ
ス上のマージンが大きくなる。この角度差は本発明の第
５の実施例の約７．７゜に比べて、本発明の第６の実施
例では約３２．６゜であり、４倍以上のマージンがある
ことが分かる。これは単に条件設定の中心値にマージン
があるだけでなく、基板１１全面にわたっての一様なエ
ミッタ形成に対して有利である。

【０１２１】このように、スピント型の電界放射冷陰極
の製造工程において、エミッタ形成途中で上部堆積膜の
開口径が縮小していく過程でその上端面のみに犠牲層を
形成し、さらに続けてエミッタ先端を形成した後でリフ
トオフを行い、エミッタ形成時にゲート上方に堆積した
膜をゲート電極として用いることによって、フォトリソ
グラフィの解像度を越えた微細なゲート径を実現するこ
とができる。

【０１２２】つまり、エミッタ５，２１が形成されるべ
き基板１，１１の上方にエミッタ形成のマスクとなる開
口が位置する。ここでは第２の絶縁層またはゲート層
３，１３に開口が形成されている垂直方向からエミッタ
材料を堆積させると、この開口を通過した成分は基板
１，１１上に開口を投影するようにエミッタ下層５ａ，
２１ａとして堆積するが、開口以外の部分は開口を含む
層の上に第１の堆積層６ａ，２２ａとして堆積する。こ
の時、開口端部では膜厚方向に膜が成長するとともに、
開口内へ向けて一定の割合で張り出すように成長してい
る。

【０１２３】これは開口端部をかすめるような軌道を飛
んできた堆積粒子が、開口端部に堆積するか、あるいは
堆積粒子の中の非垂直成分（蒸発源から斜めに飛び出し
たあるいは飛行途中で残留ガスあるいは堆積粒子同士で
散乱された成分）が開口部を閉める方向に成長したもの
であり、この状態の第１の堆積層６ａ，２２ａの開口径
は蒸着開始前の開口径よりも小さくなっている。

【０１２４】次に、回転斜め蒸着によって、第１の堆積
層６ａ，２２ａの上面に犠牲層７，２４ａ，２４ｂを成
膜する。その後、エミッタ形成を続けると、エミッタ下
層５ａ，２１ａの上にエミッタ上層５ｂ，２１ｂが堆積
し、開口部が閉口するにいたり、先鋭なエミッタ５，２
１が完成する。また、犠牲層７，２４ａ，２４ｂを選択
エッチングして第２の堆積膜６ｂ，２２ｂを除去する
と、第１の堆積膜６ａ，２２ａをゲート電極としたゲー
ト径の小さな電界放射冷陰極が完成する。

【０１２５】第１の堆積層６ａ，２２ａ及び第２の堆積
層６ｂ，２２ｂはエミッタ５，２１と同じ材料が堆積し
たものであり、導電性を持っている。したがって、これ
らの一部をゲート電極として使用することには何ら問題
を生じない。

【０１２６】従来のプロセスではゲート電極の開口をフ
ォトリソグラフィで形成するため、小さなゲート径を得
るためにはゲート径はフォトリソグラフィ及びエッチン
グ技術によって限界がある。しかしながら、上述した本
発明の製法によれば、フォトリソグラフィの解像度を越
えた微細なゲート径を実現することが可能となる。

【０１２７】本発明は犠牲層７，２４ａ，２４ｂをエッ
チングすることによって、その上方の第２の堆積層６
ｂ，２２ｂをリフトオフするので、エミッタ５，２１に
損傷を与えることがない。また、本発明はゲートの厚さ
が第１の堆積層６ａ，２２ａの膜厚のみで決まるので、
予想しやすく制御性がよい等の点で、上記の問題を解決
しており、実現性が高い。

【０１２８】尚、請求項の記載に関連して本発明はさら
に次の態様をとりうる。

【０１２９】（１）導電性の基板上に形成された絶縁層
とゲート電極とに前記基板表面を露出する略円形の開口
を開け、その開口内において前記基板と電気的に接続さ
れた略円錐状のエミッタをその頂点が前記開口中央の領
域に位置するよう配設したスピント型の電界放射冷陰極
の製造方法であって、前記エミッタ形成途中で上部堆積
膜の開口径が縮小していく過程でその上端面のみに犠牲
層を形成する工程と、前記エミッタ先端を形成した後で
前記犠牲層に対するエッチングを行って前記犠牲層形成
後に堆積した膜を除去する工程とを有し、前記犠牲層形
成前にゲート上方に堆積した膜を前記ゲート電極として
用いるようにしたことを特徴とする電界放射冷陰極の製
造方法。

【０１３０】（２）前記導電性の基板は、表面に導電性
材料の膜が形成された基板であることを特徴とする
（１）記載の電界放射冷陰極の製造方法。

【０１３１】（３）前記エミッタは、真空蒸着法によっ
てその上方に設けられた開口を通過した蒸着粒子が堆積
する際に前記開口を徐々に小さくすることで略円錐状に
形成するようにしたことを特徴とする（１）または
（２）記載の電界放射冷陰極の製造方法。

【０１３２】（４）前記エミッタの形成を２回に分けて
行う際に、１回目のエミッタ形成と２回目のエミッタ形
成との間で前記１回目のエミッタ形成で形成されたエミ
ッタ下層に堆積せずかつ前記１回目のエミッタ形成で堆
積された第１の堆積層に犠牲層を回転斜め蒸着で堆積す
る工程と、前記２回目のエミッタ形成で堆積された第２
の堆積層を前記犠牲層に対するエッチングで除去する工
程とを含み、前記第１の堆積層を前記ゲート電極として
用いるようにしたことを特徴とする（３）記載の電界放
射冷陰極の製造方法。

【０１３３】（５）前記ゲート電極の上に絶縁層と導電
層とからなる制御電極を形成するようにしたことを特徴
とする（１）から（３）のいずれか記載の電界放射冷陰
極の製造方法。

【０１３４】（６）前記エミッタの形成を２回に分けて
行う際に、前記制御電極の上に第１の犠牲層を形成する
工程と、１回目のエミッタ形成と２回目のエミッタ形成
との間で前記１回目のエミッタ形成で形成されたエミッ
タ下層に堆積せずかつ前記１回目のエミッタ形成で前記
開口内に堆積された筒状堆積物下層に第２の犠牲層を回
転斜め蒸着で堆積する工程と、前記２回目のエミッタ形
成後に前記第１及び第２の犠牲層に対するエッチングで
前記２回目のエミッタ形成で前記筒状堆積物下層に堆積
された筒状堆積物上層と前記制御電極上の堆積物とを除
去する工程とを含むことを特徴とする（５）記載の電界
放射冷陰極の製造方法。

【０１３５】（７）前記エミッタの形成を２回に分けて
行う際に、前記制御電極の上に第１の犠牲層を形成する
工程と、１回目のエミッタ形成後に前記第１の犠牲層に
対するリフトオフで前記１回目のエミッタ形成で前記制
御電極上に堆積された第１の堆積層を除去する工程と、
前記１回目のエミッタ形成と２回目のエミッタ形成との
間で前記１回目のエミッタ形成で形成されたエミッタ下
層に堆積せずかつ前記１回目のエミッタ形成で前記開口
内に堆積された筒状堆積物下層に第２の犠牲層を回転斜
め蒸着で堆積する工程と、前記２回目のエミッタ形成の
後に前記第１及び第２の犠牲層に対するエッチングで前
記２回目のエミッタ形成で前記筒状堆積物下層に堆積さ
れた筒状堆積物上層と前記２回目のエミッタ形成で前記
制御電極上に堆積された第２の堆積層とを除去する工程
とを含むことを特徴とする（５）記載の電界放射冷陰極
の製造方法。

【０１３６】（８）前記２回目のエミッタ形成の前に前
記制御電極上に犠牲層を形成し、この部分の開口径を前
記筒状堆積物下層の上端外径程度まで狭めておくように
したことを特徴とする（７）記載の電界放射冷陰極の製
造方法。

【０１３７】（９）前記基板上の前記エミッタが形成さ
れる部分以外の部分の導電層表面を低くして絶縁材料で
充填することで前記エミッタと前記ゲート電極との間の
絶縁層の厚さを厚くするようにしたことを特徴とする
（１）から（８）のいずれか記載の電界放射冷陰極の製
造方法。

【０１３８】（１０）前記エミッタが形成される部分以
外の部分の絶縁層は、ＬＯＣＯＳ（ＬｏｃａｌＯｘｉ
ｄａｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎ）プロセスで形成
するようにしたことを特徴とする（９）記載の電界放射
冷陰極の製造方法。

【０１３９】（１１）前記２回目のエミッタ形成は前記
１回目のエミッタ形成とは用いる材料を異なるようにし
たことを特徴とする（４）から（１０）のいずれか記載
の電界放射冷陰極の製造方法。

【０１４０】（１２）前記２回目のエミッタ形成は前記
１回目のエミッタ形成とは製法及び条件を異なるように
したことを特徴とする（４）から（１１）のいずれか記
載の電界放射冷陰極の製造方法。

【０１４１】（１３）前記１回目のエミッタ形成で形成
されたエミッタの斜面の傾斜に比べて前記２回目のエミ
ッタ形成で形成されたエミッタの斜面の傾斜を垂直に近
づけるようにしたことを特徴とする（４）から（１２）
のいずれか記載の電界放射冷陰極の製造方法。

【０１４２】（１４）前記基板にシリコンを用いかつ前
記エミッタにモリブデンを用いるとともに、前記１回目
のエミッタ形成を基板温度Ｔ１℃、前記２回目のエミッ
タ形成を基板温度Ｔ２℃で行う際に、Ｔ１及びＴ２をと
もに常温から５２５℃の範囲でかつＴ１＜Ｔ２とするよ
うにしたことを特徴とする（１３）記載の電界放射冷陰
極の製造方法。

【０１４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、導
電性の基板上に形成された絶縁層とゲート電極とに基板
表面を露出する略円形の開口を開け、その開口内におい
て基板と電気的に接続された略円錐状のエミッタをその
頂点が開口中央の領域に位置するよう配設したスピント
型の電界放射冷陰極の製造方法において、エミッタ形成
途中で上部堆積膜の開口径が縮小していく過程でその上
端面のみに犠牲層を形成し、エミッタ先端を形成した後
で犠牲層に対するエッチングを行って犠牲層形成後に堆
積した膜を除去し、犠牲層形成前にゲート上方に堆積し
た膜をゲート電極として用いることによって、フォトリ
ソグラフィの解像度を越えた微細なゲート径を実現する
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施例による
エミッタ形成過程を示す断面図である。

【図２】（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施例による
エミッタ形成過程を示す断面図である。

【図３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施例による
エミッタ形成過程を示す断面図である。

【図４】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施例による
エミッタ形成過程を示す断面図である。

【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施例による
エミッタ形成過程を示す断面図である。

【図６】（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施例による
エミッタ形成過程を示す断面図である。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の実施例による
エミッタ形成過程を示す断面図である。

【図８】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の実施例による
エミッタ形成過程を示す断面図である。

【図９】（ａ），（ｂ）は本発明の第３の実施例による
エミッタ形成過程を示す断面図である。

【図１０】（ａ）は本発明の第２の実施例に相当する第
２の犠牲層を形成する時の入射角の上限及び下限を示す
図、（ｂ）は本発明の第３の実施例に相当する第２の犠
牲層を形成する時の入射角の上限及び下限を示す図であ
る。

【図１１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施例によ
るエミッタ形成過程を示す断面図である。

【図１２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第４の実施例によ
るエミッタ形成過程を示す断面図である。

【図１３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第４の実施例によ
るエミッタ形成過程を示す断面図である。

【図１４】（ａ），（ｄ）は本発明の第４の実施例によ
るエミッタ形成過程を示す断面図である。

【図１５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第４の実施例によ
るエミッタ形成過程を示す断面図である。

【図１６】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第５の実施例によ
るエミッタ形成過程を示す断面図である。

【図１７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第５の実施例によ
るエミッタ形成過程を示す断面図である。

【図１８】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第６の実施例によ
るエミッタ形成過程を示す断面図である。

【図１９】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第６の実施例によ
るエミッタ形成過程を示す断面図である。

【図２０】（ａ），（ｂ）は本発明の第６の実施例によ
るエミッタ形成過程を示す断面図である。

【図２１】（ａ）は本発明の第５の実施例に相当する第
２の犠牲層を形成する時の入射角の上限及び下限を示す
図、（ｂ）は本発明の第６の実施例に相当する第２の犠
牲層を形成する時の入射角の上限及び下限を示す図であ
る。

【図２２】（ａ）〜（ｄ）は従来例によるエミッタの形
成と同時に堆積した堆積層をエッチングしてゲート電極
とする方法を示す図である。

【図２３】（ａ）〜（ｅ）は従来例によるゲートを別の
材料で形成してエミッタを形生した後、堆積層を反応性
イオンエッチングで除去する方法を示す図である。

【図２４】従来例によるカソードとゲート層とを同時に
形成する方法を示す図である。

【図２５】従来例によるエミッタチップを形成した後で
回転斜め蒸着でゲート開口内面に導電材料を蒸着してゲ
ート開口径を小さくする方法を示す図である。

【図２６】従来例による素子構造完成後に導電物質を蒸
着してゲートを狭めるとともにエミッタのアスペクト比
を大きくする方法を示す図である。

【図２７】（ａ）〜（ｃ）は従来例による集束電極を持
つ電界放射冷陰極の製造方法を示す図である。

【符号の説明】

１，１１シリコン基板２，１２第１の絶縁層３第２の絶縁層またはゲート電極４開口５，２１エミッタ５ａ，２１ａエミッタ下層５ｂ，２１ｂエミッタ上層６ａ，２２ａ第１の堆積層６ｂ，２２ｂ第２の堆積層７犠牲層８，２６電界放射冷陰極１３ゲート電極１４第２の絶縁層１５制御電極１６上層酸化膜１７フォトレジスト層１８マスク酸化膜１９サイドウォール２０第１の犠牲層２３筒状堆積物下層２４ａ，２４ｂ，２４ｃ第２の犠牲層２５筒状堆積物上層２７第３の犠牲層３０酸化膜３１シリコン基板３２窒化膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性の基板上に形成された絶縁層とゲ
ート電極とに前記基板表面を露出する略円形の開口を開
け、その開口内において前記基板と電気的に接続された
略円錐状のエミッタをその頂点が前記開口中央の領域に
位置するよう配設したスピント型の電界放射冷陰極の製
造方法であって、前記エミッタ形成途中で上部堆積膜の
開口径が縮小していく過程でその上端面のみに犠牲層を
形成し、前記エミッタ先端を形成した後で前記犠牲層に
対するエッチングを行って前記犠牲層形成後に堆積した
膜を除去し、前記犠牲層形成前にゲート上方に堆積した
膜を前記ゲート電極として用いるようにしたことを特徴
とする電界放射冷陰極の製造方法。
【請求項２】前記導電性の基板は、表面に導電性材料
の膜が形成された基板であることを特徴とする請求項１
記載の電界放射冷陰極の製造方法。
【請求項３】前記エミッタは、真空蒸着法によってそ
の上方に設けられた開口を通過した蒸着粒子が堆積する
際に前記開口を徐々に小さくすることで略円錐状に形成
するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項
２記載の電界放射冷陰極の製造方法。
【請求項４】前記エミッタの形成を２回に分けて行う
際に、１回目のエミッタ形成と２回目のエミッタ形成と
の間で前記１回目のエミッタ形成で形成されたエミッタ
下層に堆積せずかつ前記１回目のエミッタ形成で堆積さ
れた第１の堆積層に犠牲層を回転斜め蒸着で堆積し、前
記２回目のエミッタ形成で堆積された第２の堆積層を前
記犠牲層に対するエッチングで除去することで前記第１
の堆積層を前記ゲート電極として用いるようにしたこと
を特徴とする請求項３記載の電界放射冷陰極の製造方
法。
【請求項５】前記ゲート電極の上に絶縁層と導電層と
からなる制御電極を形成するようにしたことを特徴とす
る請求項１から請求項３のいずれか記載の電界放射冷陰
極の製造方法。
【請求項６】前記エミッタの形成を２回に分けて行う
際に、前記制御電極の上に第１の犠牲層を形成し、１回
目のエミッタ形成と２回目のエミッタ形成との間で前記
１回目のエミッタ形成で形成されたエミッタ下層に堆積
せずかつ前記１回目のエミッタ形成で前記開口内に堆積
された筒状堆積物下層に第２の犠牲層を回転斜め蒸着で
堆積し、前記２回目のエミッタ形成後に前記第１及び第
２の犠牲層に対するエッチングで前記２回目のエミッタ
形成で前記筒状堆積物下層に堆積された筒状堆積物上層
と前記制御電極上の堆積物とを除去するようにしたこと
を特徴とする請求項５記載の電界放射冷陰極の製造方
法。
【請求項７】前記エミッタの形成を２回に分けて行う
際に、前記制御電極の上に第１の犠牲層を形成し、１回
目のエミッタ形成後に前記第１の犠牲層に対するエッチ
ングで前記１回目のエミッタ形成で前記制御電極上に堆
積された第１の堆積層を除去し、前記１回目のエミッタ
形成と２回目のエミッタ形成との間で前記１回目のエミ
ッタ形成で形成されたエミッタ下層に堆積せずかつ前記
１回目のエミッタ形成で前記開口内に堆積された筒状堆
積物下層に第２の犠牲層を回転斜め蒸着で堆積し、前記
２回目のエミッタ形成の後に前記第１及び第２の犠牲層
に対するエッチングで前記２回目のエミッタ形成で前記
筒状堆積物下層に堆積された筒状堆積物上層と前記２回
目のエミッタ形成で前記制御電極上に堆積された第２の
堆積層とを除去するようにしたことを特徴とする請求項
５記載の電界放射冷陰極の製造方法。
【請求項８】前記２回目のエミッタ形成の前に前記制
御電極上に犠牲層を形成し、この部分の開口径を前記筒
状堆積物下層の上端外径程度まで狭めておくようにした
ことを特徴とする請求項７記載の電界放射冷陰極の製造
方法。
【請求項９】前記基板上の前記エミッタが形成される
部分以外の部分の導電層表面を低くして絶縁材料で充填
することで前記エミッタと前記ゲート電極との間の絶縁
層の厚さを厚くするようにしたことを特徴とする請求項
１から請求項８のいずれか記載の電界放射冷陰極の製造
方法。
【請求項１０】前記エミッタが形成される部分以外の
部分の絶縁層は、ＬＯＣＯＳ（ＬｏｃａｌＯｘｉｄａ
ｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎ）プロセスで形成する
ようにしたことを特徴とする請求項９記載の電界放射冷
陰極の製造方法。
【請求項１１】前記２回目のエミッタ形成は前記１回
目のエミッタ形成とは用いる材料を異なるようにしたこ
とを特徴とする請求項４から請求項１０のいずれか記載
の電界放射冷陰極の製造方法。
【請求項１２】前記２回目のエミッタ形成は前記１回
目のエミッタ形成とは製法及び条件を異なるようにした
ことを特徴とする請求項４から請求項１１のいずれか記
載の電界放射冷陰極の製造方法。
【請求項１３】前記１回目のエミッタ形成で形成され
たエミッタの斜面の傾斜に比べて前記２回目のエミッタ
形成で形成されたエミッタの斜面の傾斜を垂直に近づけ
るようにしたことを特徴とする請求項４から請求項１２
のいずれか記載の電界放射冷陰極の製造方法。
【請求項１４】前記基板にシリコンを用いかつ前記エ
ミッタにモリブデンを用いるとともに、前記１回目のエ
ミッタ形成を基板温度Ｔ１℃、前記２回目のエミッタ形
成を基板温度Ｔ２℃で行う際に、Ｔ１及びＴ２をともに
常温から５２５℃の範囲でかつＴ１＜Ｔ２とするように
したことを特徴とする請求項１３記載の電界放射冷陰極
の製造方法。