JPH06131970A

JPH06131970A - 微小真空素子の製造方法

Info

Publication number: JPH06131970A
Application number: JP9467492A
Authority: JP
Inventors: Keizo Yamada; 恵三山田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-04-15
Filing date: 1992-04-15
Publication date: 1994-05-13

Abstract

(57)【要約】【目的】コーンの形成工程を簡単にして、歩留りを向
上する。【構成】ガラス基板６上にＣＶＤ酸化膜４、タングス
テン３、犠牲層２となるアルミニウムを順に堆積する。
この後フォトリソグラフィ工程により径０．５μｍ程度
の微細な孔７を犠牲層２に開孔し、これをマスクにタン
グステン３、酸化膜４、を順に開孔する。その後コーン
９となるモリブデン８を基板上方から垂直に蒸着する。
最後に犠牲層２をエッチングしてリフトオフしコーン９
をエミッタとする。犠牲層を二層にするとコーン全体の
曲率に対して、先端部だけ大きな曲率のエミッタができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微小真空素子の製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の真空管に代って半導体の微細加工
技術を利用した微小真空素子が開発されている。この真
空素子は冷陰極を利用するところが従来の真空管と著し
く異なるところである。従来の真空管では電子を放出さ
せるためにフィラメントを加熱して電子を熱的に励起状
態にして電子が真空中に放出し易いようにしていた。冷
陰極を用いたものはその様なフィラメントを持たず電極
の形状を工夫することで高い電界がその周りに生じ電子
を真空中に放出するようにしている。実際には先端が鋭
利なピラミッド形状を作ることで冷陰極を構成してい
る。先端の鋭利さがデバイスの特性に重要であるが、大
凡数百オングストローム以内の曲率半径が必要であると
言われている。この方式の電極の製造方法は大きく分け
て２つの方法が知られている。１つはアメリカのＳＲＩ
（ＳｔａｒｆｏｒｄＲｅｓｅｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔ
ｅ）のスピント（Ｓｐｉｎｄｔ）らによって開発された
方法（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｂｙｓ．３９，ｐ３５０４，１
９６８）で、絶縁体基板の上にモリブデンの様な高融点
金属を堆積して先端形状の鋭い構造を得るものである。
この手法を図５に示した。先ず、シリコン基板６３を用
意し、酸化膜６２を成長させる。次いでタングステン６
１を堆積する。その後、開口部６４を設けて回転斜め蒸
着を行ってアルミの犠牲層およびそのひさしを作る。次
にモリブデンを上から蒸着しコーン６７を成長させる。
最後にアルミをエッチングしてモリブデンをリフトオフ
しデバイス構造を得る。

【０００３】もう１つはアメリカのＮＲＬ（Ｎａｖａ
ｌ．Ｒｅｓ．Ｌａｂ．）のグレイ（Ｇｒａｙ）らによる
もので、シリコンの異方性エッチングを利用して先端形
状の鋭い構造を作るものである（ＩＥＤＭ．Ｔｅｃｈ．
Ｄｉｇ．ｐ７７６，１９８６）。図６にシリコンを利用
して先端鋭利な形状を作るグレイ等のプロセスを示す。
（１）先ず単結晶シリコン基板７２を用意する。次にそ
の表面にシリコン窒化膜７１をＣＶＤにより成長させ
る。（２）先端鋭利な形状を残す部分の窒化膜を残して
その他の領域の窒化膜を取り除く。（３）ヒドラジン、
エチレンジアミン等の異方性エッチング液を利用してエ
ッチングを行う。適当なところでエッチング液から引き
上げると先端鋭利なピラミッド（シリコンメサ構造７
３）が得られる。グレイ等はこの様にして出来たピラミ
ッドを利用している。（４）更に先端を鋭利にするため
に、熱酸化で余分なシリコンを酸化膜７４に変化させ先
端をより細くする。（５）次にゲートとなる電極を設け
るために、先ずＣＶＤ酸化膜７６を必要厚み積んだ後、
モリブデン等の金属を蒸着する。最後にメサ上部の窒化
膜７１をエッチングして取り除き、同時に不要なモリブ
デンも取り除くいわゆるリフトオフを行いデバイスを得
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】コーンの形状を規定す
る工程として、スピントらの方法では回転斜め蒸着法を
用いているがこれは極めて複雑な方法であり、歩留りの
低下を招く。またグレイらの方法では異方性エッチング
液を用いたエッチング工程を用いているが、基板内、基
板間、ロット間でエッチング量がばらつきコーンの形状
がばらついてしまい同じく歩留りの低下を招く。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は基板の上に絶縁
体を堆積する工程と、その上に第１の導電膜を体積する
工程と更にその上に犠牲層を堆積する工程と、犠牲層に
孔を設ける工程と、その孔をマスクにして第１の導電膜
をエッチングする工程と、この導電膜をマスクにして絶
縁膜をエッチングする工程と、第２の導電材料を堆積し
てコーンを形成し、犠牲層をエッチングしてコーン以外
の第２の導電材料をリフトオフする工程を含むことを特
徴とする微小真空素子の製造方法である。

【０００６】また本発明は、基板の上に絶縁膜を堆積す
る工程と、その上に第１の導電膜を堆積する工程と更に
その上に第１の犠牲層を堆積する工程と、第１の犠牲層
に第１の開孔を設ける工程と、その上に第２の犠牲層を
堆積する工程と、第２の犠牲層の第１の開孔の上に第２
の開孔を設ける工程と、第２の開孔をマスクにして第２
の導電体を堆積して小さなコーン形成する工程と、第２
の犠牲層をエッチングして第２の導電体をリフトオフす
る工程と、第１の開孔をマスクにして前記小さなコーン
の上にさらに第２の導電体を堆積してそれより大きなコ
ーンを形成する工程と、第１の犠牲層をエッチングして
コーン以外の第２の導電体をリフトオフする工程、を含
むことを特徴とする微小真空素子の製造方法である。

【０００７】この方法で犠牲層に設ける孔の孔径を第１
の犠牲層と第２の犠牲層で変えてもよい。

【０００８】また本発明は基板の上に第１の絶縁膜を堆
積する工程と、その上に第２の膜を堆積し、第２の膜に
開口した後開口部に露出した第１の絶縁膜をエッチング
して取り除き、その上に導電膜を堆積しかつその一部分
を酸化または窒化する工程を行った後、酸化または窒化
された領域をエッチングによって取り除くことを特徴と
する。

【０００９】

【作用】近年の急速なフォトリソグラフィー技術の進歩
により、サブミクロンオーダーのパターニングが容易に
行えるようになってきた。そのため、１０年前では前述
のスピント等の開発した回転斜め蒸着法によるプロセス
を利用しないと１ミクロン以下の口径を持つ孔を作るこ
とが出来なかったが、現在では直接１ミクロン以下の孔
を設けることが出来る。本発明では、その技術にサイド
エッチングを利用して犠牲層あるいは絶縁薄膜のひさし
を作っている。また、犠牲層を多層にして用いることに
よって、エミッタ形成蒸着を同じ場所に対して複数回行
えるため、エミッタの形状を変えることが出来る。

【００１０】従来、リフトオフプロセスによって最終的
に取り除かれていた蒸着法を酸化エッチングプロセスを
加えることによって、所望の厚み減らし、しかも、その
工程でエミッタの先端鋭利度を向上させることが出来
る。

【００１１】

【実施例】図１に本発明の第１の実施例を示した。この
例ではガラス基板を利用する場合を示した。先ず、導電
体層５をガラス基板６上に設ける。その上に絶縁体層、
例えばＣＶＤ酸化膜（ＳｉＯ₂膜）４を形成する。その
上にゲートとなる導電体膜、例えばタングステン３、犠
牲層２であるアルミニウムの順で堆積する。この後通常
のフォトリソグラフィによって径０．５ミクロン程度の
孔７をつくる。この孔をマスクとしてＣＦ₄を用いたリ
アクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）で犠牲層２を開
孔する。そのあと同じガスでタングステン３をエッチン
グする。この時に少しサイドエッチングが起こるように
する。次にエッチングガスを変えて、酸化膜４をエッチ
ングする。この場合には必ずしも垂直にエッチングする
必要はなく、等方性エッチングを行ってもよい。フォト
レジストを剥離した後モリブデン８などのコーン９形成
金属を基板上方から垂直に蒸着する。最後に犠牲層２で
あるアルミニウムをエッチングしてコーン以外の部分の
モリブデン８をリフトオフし微小真空素子を得る。

【００１２】図２には本発明の第２の実施例を示した。
ガラス基板３６上に導電体層３５酸化膜３４、タングス
テン３３、第１の犠牲層３２を順に堆積して、フォトレ
ジスト３１を用いてパターニングを行う（（ａ）図）。
第１の犠牲層に孔３７を開けた後、第２の犠牲層４０を
堆積する（（ｂ）図）。次いで第２の犠牲層に孔を開け
て、モリブデンを蒸着する。この工程により小さなコー
ン３９が出来上がる（（ｃ）図）。次いで、モリブデン
層を第１の犠牲層と共にリフトオフする。次に、モリブ
デンもしくは他の導電性材料を上方より蒸着し、コーン
を成長させる（（ｄ）図）。最後に第２の犠牲層４０と
共にモリブデン層３８をリフトオフして、デバイス形状
を得る（ｅ）図。

【００１３】この例では多層膜にした犠牲層に設ける孔
の径を異ならせたものを利用していることが特徴であ
る。実際にコーンの形成に効果のある孔径は両者のうち
小さい方なので、孔の大きさの順番はどちらでも良いが
第１の犠牲層を取り除くことによって、異なった孔径が
露出する必要があるため、小さい孔が上にあることが望
ましい。又、小さい孔径が上にある場合には小さい孔を
マスクとして利用し、１枚マスクでセルフアライン効果
により多層膜の孔径を決定できる。この様にした犠牲層
を利用するとコーン全体の曲率に対して先端部だけ大き
な曲率を持った構造のエミッタを得ることが出来る。

【００１４】同じ大きさの孔を設けた場合にも従来とは
異なった効果があり、コーンの高さを２倍に出来る効果
がある。これは、同じ場所に２回蒸着したのと同じなの
で、形状は両者の重ねあわせになりコーンの高さが２倍
になる。もちろん途中で蒸着を止めれば所望の高さのコ
ーンを形成できる。

【００１５】図３〜４に第３の実施例を示した。先ずシ
リコン基板４１上に絶縁体であるシリコン酸化膜４２を
ＣＶＤ等で設ける（（ａ）図）。次いでその上にシリコ
ン窒化膜４３を設ける（（ｂ）図）。その窒化膜４３を
開孔して（（ｃ図）、開口部４４に露出した酸化膜４２
をエッチングして取り除く（図４（ａ））。酸化膜４２
は等方性のエッチングで取り除くと窒化膜４３のひさし
を得ることができる。次にポリシリコン４５を上方より
垂直に蒸着して孔を塞ぐ。次にポリシリコンを所定量酸
化して、その酸化膜４６をエッチングして取り除きコー
ン４７を得る。最後に堆積したポリシリコンをエッチン
グして所定の配線とする。窒化膜４３の代りに金属膜を
用いることもできる。この例ではコーン４７をすべてポ
リシリコンで形成したが、まず金属を蒸着してその上に
薄くポリシリコンを蒸着して二層構造にすれば抵抗を下
げることができる。

【００１６】

【発明の効果】本発明の製造方法を利用すると、従来非
常に複雑であった回転蒸着工程やばらつきの大きい異方
性エッチング工程が不要でエミッタの製造が非常に簡単
になり、歩留りが向上する効果がある。

【００１７】多層の犠牲層を利用すると、エミッタ蒸着
条件を変更しなくても縦横比、先端の角度の異なる種々
の形状エミッタが得られる。

【００１８】また基板がガラスでも通常の半導体プロセ
スと全くコンパチビリティーを保ったまた製造できるた
め大面積化に有利である。先端のみを尖らし、他の部分
を太くすることが可能なため、耐熱性の高いエミッター
を得ることが出来る。

【００１９】また従来の方法ではゲートをコーンの根元
よりも中心に寄せて設けることが不可能であったが、図
４に述べた発明によればゲート４８をエミッタ（コーン
４７近傍まで容易に接近させることができるため、駆動
電圧を非常に下げることが可能である。又、犠牲層を利
用せずにスピント型のエミッタを作ることが出来るた
め、非常に効率良くデバイスを作ることが可能である。
酸化膜の代りに他の膜を利用しても同様の効果を得るこ
とが出来る。よって、最後の酸化工程にかえて窒化を行
なっても同様の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示した製造工程図であ
る。

【図２】本発明の第２の実施例を示した製造工程図であ
る。

【図３】本発明の第３の実施例を示した製造工程図であ
る。

【図４】本発明の第３の実施例を示した製造工程図であ
る。

【図５】従来例を示した製造工程図である。

【図６】従来例を示した製造工程図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の上に絶縁体を堆積する工程と、そ
の上に第１の導電膜を堆積する工程と更にその上に犠牲
層を堆積する工程と、犠牲層に孔を設ける工程と、その
孔をマスクにして第１の導電膜をエッチングする工程
と、この導電膜をマスクにして絶縁膜をエッチングする
工程と、第２の導電材料を堆積してコーンを形成し、犠
牲層をエッチングしてコーン以外の第２の導電材料をリ
フトオフする工程を含むことを特徴とする微小真空素子
の製造方法。
【請求項２】基板の上に絶縁膜を堆積する工程と、そ
の上に第１の導電膜を堆積する工程と更にその上に第１
の犠牲層を堆積する工程と、第１の犠牲層に第１の開孔
を設ける工程と、その上に第２の犠牲層を堆積する工程
と、第２の犠牲層の第１の開孔の上に第２の開孔を設け
る工程と、第２の開孔をマスクにして第２の導電体を堆
積して小さなコーン形成する工程と、第２の犠牲層をエ
ッチングして第２の導電体をリフトオフする工程と、第
１の開孔をマスクにして前記小さなコーンの上にさらに
第２の導電体を堆積してそれより大きなコーンを形成す
る工程と、第１の犠牲層をエッチングしてコーン以外の
第２の導電体をリフトオフする工程、を含むことを特徴
とする微小真空素子の製造方法。
【請求項３】犠牲層に設ける孔の孔径を第１の犠牲層
と第２の犠牲層で変えたことを特徴とする請求項２に記
載の微小真空素子の製造方法。
【請求項４】基板の上に第１の絶縁膜を堆積する工程
と、その上に第２の膜を堆積し、第２の膜に開口した
後、開口部に露出した第１の絶縁膜をエッチングして取
り除き、その上に導電膜を堆積した後にその一部分を酸
化または窒化する工程を含み、酸化または窒化された領
域をエッチングによって取り除くことを特徴とする微小
真空素子の製造方法。