JPH06131970A - 微小真空素子の製造方法 - Google Patents

微小真空素子の製造方法

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JPH06131970A
JPH06131970A JP9467492A JP9467492A JPH06131970A JP H06131970 A JPH06131970 A JP H06131970A JP 9467492 A JP9467492 A JP 9467492A JP 9467492 A JP9467492 A JP 9467492A JP H06131970 A JPH06131970 A JP H06131970A
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JP
Japan
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sacrificial layer
cone
depositing
film
etching
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Withdrawn
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JP9467492A
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English (en)
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Keizo Yamada
恵三 山田
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NEC Corp
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NEC Corp
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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
(Starford ReserchInstitut
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 (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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