JPH0494033A - 微小冷陰極の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要］ 微小冷陰極の製造方法に関し、 真空マイクロデバイス用の微小冷陰極を高精度で再現性
よく、かつ、簡易に製造することを目的とし、 シリコン基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記
前記第１の絶縁膜から絶縁膜マスクパターンを形成する
工程と、前記シリコン基板をエツチングして前記絶縁膜
マスクパターンの下にコーン部を形成する工程と、エツ
チングされた前記シリコン基板の表面に熱酸化膜を形成
する工程と、前記絶縁膜マスクパターンをマスクとして
前記シリコン基板上に第２の絶縁膜とゲート電極膜を順
次形成する工程と、前記絶縁膜マスクパターンとコーン
部の熱酸化膜をエツチング除去して冷陰極ティップを形
成する工程とを含むように微小冷陰極の製造方法を構成
する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は微小冷陰極の製造方法の改良に関する。

微小冷陰極は極微小のマイクロ波真空管や微小な表示素
子など、いわゆる、真空マイクロデバイス用の放射電極
として欠くことのできない構成要素である。

真空マイクロデバイスは通常の半導体素子と異なり、微
小な真空空間を電子が移動するのを利用するので、電子
の移動度が大きく、高速・高温動作が可能で、しかも、
放射線損傷を受けにくいなどの特徴があり、今後マイク
ロ波素子、超高速演算素子、耐放射線用デバイス、耐高
温環境用デバイス、微小表示素子などへの応用が期待さ
れている。

これらの真空マイクロデバイスの殆どは現在開発段階に
あり、とくに、その心臓部をなす微小冷陰極を高精度で
再現性よく、かつ、簡易に製造する技術の開発が求めら
れている。

〔従来の技術〕

真空マイクロデバイス用の冷陰極の構造は、円錐状の冷
陰極ティップと電子引き出し用のゲート電極とにより構
成されており、冷陰極ティップとゲート電極との間に電
圧を印加すると冷陰極ティップの先端に大きな電界が加
わり電子が放出される。

微小冷陰極の製造方法としては幾つかの方法が提案され
ている。

たとえば、アルミナ基板上にＭｏ陰極膜とアルミナ絶縁
膜層とＭｏ陽極膜層を順次被着し、Ｍ。

陽極膜層の一部にエツチング孔を形成したのち、そのエ
ツチング孔を通してアルミナ絶縁膜層を選択エツチング
して空孔を形成する０次いで、前記Ｍｏ陽極膜層のエツ
チング孔の上方からＭＯを、また、斜め方向からアルミ
ナを基板を回転しなから蒸着またはスパッタして、前記
空孔の底部にＮｏの冷陰極コーンを形成している（Ｊ、
ｏｆ　Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、。

ｖｏｌ、３９．　ｐ３５０４，１９６Ｂ）。

あるいは、シリコン基板の等方性エツチングによりシリ
コンの冷陰極コーンを形成する方法も提案されている（
Ｍａｔ、Ｒｅｓ、　Ｓｏｃ、　Ｓｙ＊ｐ、　＋　ｖｏｌ
、７６＋　ｐ２５．１９８７）。−例として後者につい
て以下に主な工程を順を追って簡単に説明する。

第４図は従来の微小冷陰極の製造方法の例を示す図であ
る。

工程（１）：シリコン基板１の上に、−様な厚さの第１
の絶縁膜２．たとえば、５ｉＯ１膜を公知の熱酸化法で
形成する。

工程（２）：前記処理済み基板のＳｉ０ｇ膜を、公知の
ホトリソグラフィ法で、たとえば、円形の絶縁膜マスク
パターン２”が残るように弗酸でエツチング除去する。

工程（３）：前記処理済み基板を、たとえば、ＩＰとＨ
ＮＯ３の混合液の中でシリコンのみを等方向に化学エツ
チングして、前記絶縁膜マスクパターン２゛の下にコー
ン部６０を形成する。この時、コーン頭部から絶縁膜マ
スクパターン２”が取れてしまう前にエツチングを中止
する。

工程（４）：前記処理済み基板の上方から第２の絶縁膜
４．たとえば、Ｓｉ０ｇ膜を電子ビーム蒸着形成する。

この時、前記コーン部６ｏの周囲には図示したごとき空
間が生じる。

工程（５）：前記処理済み基板の上方からゲート電極膜
５．たとえば、Ｍｏｌ！を公知の方法で一様に被着スル
。この時、前記絶縁膜マスクパターン２゛の側面の少な
くとも一部が露出されているようにする。

工程（６）：前記処理済み基板の絶縁膜マスクパターン
２°、たとえば、ＳｉＯ２膜を弗酸（）ＩＰ）を用いて
選択的にエツチングを行い、前記コーン部６ｏの回りの
空間が外部空間に充分通じるようにする。この時、コー
ン部６０の頭部には前記絶縁膜マスクパターン２°が残
っている程度にエツチングを止める。その後で、ＩＩＦ
とｎＮｏ５の混合液の中でシリコンのみを等方的にエツ
チングして、前記コーン部６０の先端を尖らすと共に前
記絶縁膜マスクパターン２゛を切り離し除去して、シリ
コン基板上にシリコンからなる微小冷陰極を形成してい
る。

〔発明が解決しようとした課題〕

しかし、上記の従来例、たとえば、Ｍｏの垂直蒸着とア
ルミナの斜蒸着を用いる方法は工程が余りにも複雑であ
り実用的ではない。

一方、シリコン基板の等方性エツチングを用いる方法の
場合には、第３図の従来の弗硝酸エツチングによるティ
ップ形成を示す拡大図に示したように、コーン部６０が
同図（イ）の破線部に沿って正確にエツチングされた場
合に、始めて同図（ロ）に示した好ましい形状の冷陰極
ティップ６が形成されるのであるが、実際にはエツチン
グ条件のコントロール、たとえば、エツチング速度の一
様性の実現やエツチングの終点の検出が極めて難しく、
シたがって、冷陰極ティップ形成の再現性に乏しいなど
の問題があり、その解決が必要となっていた。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、シリコン基板１上に第１の絶縁膜２を形
成する工程と、前記前記第１の絶縁膜２から絶縁膜マス
クパターン２゛を形成する工程と、前記シリコン基板１
をエツチングして前記絶縁膜マスクパターン２″の下に
コーン部６ｏを形成する工程と・エツチングされた前記
シリコン基板１の表面に熱酸化膜３を形成する工程と、
前記絶縁膜マスクパターン２゛をマスクとして前記シリ
コン基板１上に第２の絶縁膜４を形成する工程と、前記
絶縁膜マスクパターン２′とコーン部６ｏの熱酸化膜３
をエツチング除去して冷陰極ティップ６を形成する工程
とを少なくとも含む微小冷陰極の製造方法により解決す
ることができる。そして、具体的には前記コーン部６０
を形成するエツチングをリアクティブイオンエツチング
で行い、さらに、前記第２の絶縁膜４の形成に引き続い
てゲート電極膜５を形成しておくことにより効果的に解
決することができる。

〔作用〕

本発明によれば、最終的な冷陰極ティップ６の形状を決
めるのは従来例のようにシリコンのコニン部６０自体の
化学的エツチングではなく、コーン部６０の円錐側面上
に形成された熱酸化によるシリコン酸化膜３の厚さであ
る。通常、シリコンの等方性エツチングのエツチング速
度をコントロールするよりも熱酸化によるシリコン酸化
膜３の厚さをコントロールする方が迩かに容易で、かつ
、再現性があるので、本発明により冷陰極ティップ６は
極めて安定に再現性よく形成することが可能となるので
ある。

追って以下にその要点を説明する。

なお、前記の諸図面で説明したものと同等の部分につい
ては同一符号を付し、かつ、同等部分についての説明は
省略する。

工程（１）：厚さが、たとえば、２００μｍの低抵抗シ
リコン基板１の上に、第１の絶縁膜２として。

たとえば、酸素中、約１０００°Ｃで厚さ５００ｎｍ程
度の熱酸化Ｓｉ０ｇ膜を形成する。

工程（２）：前記処理済み基板の第１の絶縁膜２゜すな
わち、Ｓｉ０ｇ股上にレジストマスクを形成したあと、
たとえば、ＣＦ、ガスを用いたイオンエツチング法によ
り、直径が冷陰極コーン６の高さの２倍、たとえば、２
μｍφのＳｉＯ□膜からなる絶縁膜マスクパターン２°
を形成する。

工程（３）：前記処理済み基板をエツチング、たとえば
、ＳＦ、ガスを用いてシリコンのみを等方的にリアクテ
ィブイオンエツチングして、すなわち、マスク下部がア
ンダーエツチングされるようにして、前記絶縁膜マスク
パターン２゛の下にコーン部６０を形成する。この時、
コーン頭部に、たとえば、０．３ｐｍφ程度のシリコン
が残り絶縁膜マスクパターン２”がくっついている状態
でエッチングを中止する。

リアクティブイオンエツチング（ドライエツチング）を
用いることにより、従来の弗硝酸などの化学エツチング
に比較して極めて再現性のよい円錐形のコーン部６０が
形成された。

工程（４）：前記処理済み基板を、たとえば、酸素中、
約１０００’Ｃで、マスクのない部分の酸化膜の厚さが
約１５０ｎｍになるように熱酸化膜３．たとえば、Ｓｉ
ｎ、膜を形成する。

工程（５）；前記処理済み基板の上方から第２の絶縁膜
４．たとえば、厚さ１μｍ程度のＳｉＯ蒸着膜と、ゲー
ト電極膜５．たとえば、厚さ２００ｎｍ程度のＣｒ蒸着
膜を引き続いて形成する。この時、前記コーン部６０の
周囲には図示したごとき空間が生じる。この時、前記絶
縁膜マスクパターン２゛の側面の少なくとも一部は露出
されている。

このようにゲート絶縁膜５を第２の絶縁膜４に引き続い
て、その上に形成しておくことにより、別々に膜形成す
る場合に比較してゲート孔部分に特別のマスクを用いる
必要がなく製造工程を簡易にすることができる。

工程（６）：前記処理済み基板の絶縁膜マスクパターン
２゛、たとえば、ＳｉＯ□膜を弗酸（ＩＰ）を用いて選
択的にエツチングを行い、前記コーン部６０の回りの空
間を露出させ、さらに、引き続いて、露出したコーン部
６０の円錐側面部に形成されている熱酸化膜３　　（Ｓ
ｉＯ□膜）のエツチングを継続して完全に除去し、シリ
コン基板上にシリコンからなる冷陰極ティップ６を形成
する。

工程（７）：前記処理済み基板の第２の絶縁膜４の上に
残ったゲート電極膜５を、公知のホトリソグラフィ技術
により所定の形状にパターンエツチングしてゲート電極
パターン５°を形成すれば本発明の微小冷陰極が作製さ
れる。

上記の実施例方法により底面の直径が約１μｍ。

高さが約１μｍで先端の曲率半径が０．１μｍ以下の微
小冷陰極が再現性よく安定に形成することができた。

第２図は放出電流とゲート電圧の関係を示す図で、縦軸
に放出電流を横軸にゲート電圧をとっである。

図中、■は本発明による試料のデータ、■は従来の方法
による試料データを比較のために示したものであり、い
ずれも試作した微小冷陰極の上方に陽極を配置し陰極と
の間に５００　Ｖの電圧を印加しゲート電圧を変えて陰
陽極間の放出電流を測定したものである。なお、データ
はいずれも各１００個の試料のデータの平均値である。

図かられかるように、本発明方法による微小冷陰極は非
常に鋭い冷陰極ティップ６が再現性よ（形成されており
、従来例に比較して３０ｖ以上も低いゲート電圧で放出
電流が流れることがわかる。

以上述べた実施例は一例を示したもので、本発明の趣旨
に添うものである限り、使用する素材や個々のプロセス
など適宜好ましいもの、あるいはその組み合わせを用い
てもよいことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば最終的な冷陰極テ
ィップ６の形状を決めるのは従来例のようにシリコンの
コーン部６０自体の化学的エツチングではなく、コーン
部６０の円錐側面上に形成された熱酸化によるシリコン
酸化膜３の厚さである。

通常、シリコンの等方性エツチングのエツチング速度を
コントロールするよりも熱酸化によるシリコン酸化膜３
の厚さをコントロールする方が蟲かに容易で、かつ、再
現性があるので、本発明により冷陰極ティップ６は極め
て再現性よく安定に形成することができ、微小冷陰極の
性能・品質の向上に寄与するところが極めて大きい。

第２図は放出電流とゲート電圧の関係を示す図、第３図
は従来の弗硝酸エツチングによるティップ形成を示す拡
大図、 第４図は従来の微小冷陰極の製造方法の例を示す図であ
る。

図において、 ｌはシリコン基板、 ２は第１の絶縁膜、 ２′ は絶縁膜マスクパターン、 ３は熱酸化膜、 ４は第２の絶縁膜、 ５はゲート電極膜、 ５″ はゲート電極パターン、 ６は冷陰極ティップ、 ６０はコーン部である。

１０ｆｌ） ゲート＠九　（Ｖ） 放出電充とγ゛−ト零Ｅ量体と示７図 第　２　図 ２′ （イ） 従来の価７石肖猷丁、７＋リフ゛によ６テイ・ノフ゛が
εへ２示１才方大図鼾　　３　　図 本発明ろ汰の丈殊例のＴπト承１図 第１図 従来の１敗・トン♀陰檀製造す次０ザ・１Σホ１図帖　
４　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン基板（１）上に第１の絶縁膜（２）を形
   成する工程と、 前記前記第１の絶縁膜（２）から絶縁膜マスクパターン
   （２’）を形成する工程と、 前記シリコン基板（１）をエッチングして前記絶縁膜マ
   スクパターン（２’）の下にコーン部（６０）を形成す
   る工程と、 エッチングされた前記シリコン基板（１）の表面に熱酸
   化膜（３）を形成する工程と、 前記絶縁膜マスクパターン（２’）をマスクとして前記
   シリコン基板（１）上に第２の絶縁膜（４）を形成する
   工程と、 前記絶縁膜マスクパターン（２’）とコーン部（６０）
   の熱酸化膜（３）をエッチング除去して冷陰極ティップ
   （６）を形成する工程とを少なくとも含むことを特徴と
   した微小冷陰極の製造方法。
2. （２）前記コーン部（６０）を形成するエッチングがリ
   アクティブイオンエッチングであることを特徴とした請
   求項（１）記載の微小冷陰極の製造方法。
3. （３）前記第２の絶縁膜（４）の形成に引き続いてゲー
   ト電極膜（５）を形成しておくことを特徴とした請求項
   （１）および（２）記載の微小冷陰極の製造方法。