JPH0652790A - 電子銃の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 均一な形状の電子銃を特殊な手法を用いるこ
となく容易に形成することができる電子銃の製造方法を
提供すること。 【構成】 シリコン基板上に形成された第１のマスク材
料内のエッチング窓を通してシリコン基板をエッチング
し、エッチング側面を露出させる工程と、前記エッチン
グ側面に第２のマスク材料を形成する工程と、前記第１
のマスク材料をパターニングする工程と、前記第１のマ
スク材料が除去された部分を通してシリコン基板をエッ
チングする工程と、前記第１のマスク材料および第２の
マスク材料を除去する工程と、該シリコン基板上に酸化
シリコン膜を成膜する工程と、該酸化シリコン膜上に導
電性膜を成膜する工程と、該導電性膜および該酸化シリ
コン膜の一部を除去してゲート電極を形成する工程とを
具備することを特徴とする電子銃の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子銃の製造方法に関
する。特に、マイクロ真空菅、各種電子信号処理回路や
電子信号増幅器、フラットパネルディスプレイ等に利用
できる電子銃の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電子銃の製造方法としては、良く
知られている方法として、スピント(C.A.Spindt)らが開
発した冷陰極エミッタの形成方法（スピント法と称す
る）がある。この方法は、まず、図１７ａに示すよう
に、基板４１上にＳｉＯ₂ 等の絶縁膜４２を成膜し、そ
の一部分に１μｍ程度の穴を開孔して、この絶縁膜上に
斜め方向から金属４３，４４を蒸着することにより絶縁
膜の開孔部から金属膜をひさし状に張り出させて、開孔
部の半径の極小さなピンホール４５を形成する。次に、
図１８ｂに示すように、基板４１に垂直な方向からエミ
ッタ（電子銃）となるＭｏ等の金属４６を蒸着する。こ
の時、Ｍｏが蒸着され厚くなるにしたがって、ピンホー
ルがその蒸着膜により塞がって行くことにより、絶縁膜
内の開孔部分に先端径が５０μｍ程度のコーン状のエミ
ッタ４７が形成され、その後、図１８ｃに示すように、
金属膜４４から上を除去することにより電子銃であるエ
ミッタを形成するものである。

【０００３】他の方法としては、テレビジョン学会誌ｖ
ｏｌ．４５，Ｎｏ．５，第６１２〜６１７頁（１９９
１）に金丸らが開示した方法として、横型の３極管素子
の製作例がある。この方法では、始めに、図１８ａに示
すように、石英基板５１上にＷ５２とＡｌ５３膜を積層
して滞積し、次にホトリソグラフィーによりパターニン
グしたフォトレジスト５４をマスクとしてＳＦ₆ ガスに
よる反応性イオンエッチングを行い、図１９ｂに示すよ
うに、Ｗ膜をエミッタ５３ａ、ゲート５３ｂ、アノード
５３ｃ電極の形状に加工する。なお、図１９ｂ´はエミ
ッタ５３ａを上から見た図である。この後、図１９Ｃに
示すように、リン酸系のエッチング液により下層のＡｌ
をエッチングし、Ｗ膜がひさし状に突き出た構造を形成
する。この方法は、電子銃となるエミッタとゲートおよ
びアノードを同時に形成するものである。

【０００４】上述の方法で、前者のスピント法において
は、ピンホールを形成するために金属膜を斜め方向より
蒸着する等の特殊な手法が必要であり、また、このピン
ホール自体もその開口径の制御が難しく大きすぎて先端
の鋭角なコーンの形成ができなかったり、ピンホールが
塞がってしまいコーン状のエミッタそのものが形成され
ない等、均一なエミッタを形成するのが難しいという問
題点がある。

【０００５】後者の横型３極管の場合には、基板上の同
一平面にエミッタ、ゲートおよびアノードが並んで形成
されているために、エミッタから放射された電子がゲー
トに必要以上に多く流れてしまう等の問題があり実用的
でない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、均一な形状の電子銃を特殊な手法を用いること
なく容易に形成することができる電子銃の製造方法を提
供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記諸目的は、シリコン
基板上に形成された第１のマスク材料内のエッチング窓
を通してシリコン基板をエッチングし、エッチング側面
を露出させる工程と、前記エッチング側面に第２のマス
ク材料を形成する工程と、前記第１のマスク材料をパタ
ーニングする工程と、前記第１のマスク材料が除去され
た部分を通してシリコン基板をエッチングする工程と、
前記第１のマスク材料および第２のマスク材料を除去す
る工程と、該シリコン基板上に酸化シリコン膜を成膜す
る工程と、該酸化シリコン膜上に導電性膜を成膜する工
程と、該導電性膜および該酸化シリコン膜の一部を除去
してゲート電極を形成する工程とを具備することを特徴
とする電子銃の製造方法により達成される。

【０００８】

【作用】上述したように、本発明による製造方法によっ
て形成される電子銃のエミッタは構造は、直線状の単結
晶シリコンを利用した断面積１０００ｎｍ² 以下の柱状
の量子細線の構造と、異方性エッチングとエッチング側
面をマスキングする方法による製造方法で、その形状を
制御しながら行うものである。

【０００９】直線状の量子細線は、量子細線としての量
子効果が強く現れることが期待でき、また、本発明によ
る電子銃の製造方法では、その長さも理想的にはシリコ
ンウェーハの厚み程度の長さのものが形成可能であるの
で、ゲート電極と基板の間が大きくとることができキャ
パシタを従来より小さくすることができる。このためよ
り高速の動作が可能となる。

【００１０】本発明のよる製造方法では、電子銃のエミ
ッタとなる量子細線の形状を均一に再現性よく形成する
ために、まずシリコン基板上に比較的大きな断面積を持
つ単結晶シリコンの四角柱の構造を形成し、しかるのち
熱酸化によって柱状の単結晶シリコンを外側から適当な
深さまで酸化シリコン膜に変えていき、量子細線効果が
顕著に現れるような断面積を持つ単結晶シリコンの柱状
構造を製造する。

【００１１】一般に単結晶シリコンの柱状構造を形成す
る場合、単結晶シリコン基板上に方形状のマスクを形成
した後、単結晶シリコンをエッチングしていく。しかし
ながらウェトエッチングでアスペクト比の非常に大きな
柱状構造を形成する場合、マスクの角の部分からもエッ
チングが進行し、マスク直下のシリコン基板もエッチン
グしてしまうので、深くエッチングが進むにつれて単結
晶シリコンの柱状構造は細くなっていき、実際には大き
なアスペクト比の柱状構造は形成できない。

【００１２】アンダーエッチングを小さくするために
は、異方性エッチングが有用である。ウェットエッチン
グによる異方性エッチングは、一般に（１１１）面に対
するエッチングレートが他の面方位に対するエッチング
レートに比べて非常に遅いことを利用している。（１１
０）基板では、（１１１）面が（１１０）面に垂直に交
差しており、しかも図１６に示すように、たがいに同一
平面上にない４種の（１１１）面を側面にもつ、断面が
平行四辺形の四角柱構造ができている。従って、（１１
１）面に対して非常に遅いエッチングレートをもつ異方
性エッチング液を利用すれば、前述したような側面が
（１１１）面の四角柱構造にエッチングできる。しか
し、同一平面上にない（１１１）面同士が交差する部分
が露出していると、その部分からエッチングが進行して
まい、シリコン基板上の平面マスクでは、異方性エッチ
ング液を利用してシリコン基板に垂直にエッチングを進
行させようとしても、パターンの角の部分からアンダー
エッチングが進行し柱状構造は形成できない。従って、
（１１１）面同士が露出しないようにエッチングする必
要がある。

【００１３】この問題を解決するために、本発明による
製造方法では、４つの（１１１）面の側面の内、まず１
組の対面する（１１１）面を異方性エッチングにより露
出させ、次にもう一方の１組の対面する（１１１）面を
露出させる前に、最初に露出させた（１１１）面はエッ
チングに対して保護してしまう。このように１組の対面
する側面を保護することによって、（１１１）面同士が
交差する線をエッチング液にさらすことなしにもう一方
の側面を形成することが可能になるわけである。

【００１４】図面を用いてより具体的に説明すれば、ま
ず図２に示すように、（１１０）基板上に形成されたマ
スク材３内に設けたエッチング窓４を通して、単結晶シ
リコン基板を異方性エッチングする。このとき図２のＡ
Ａ´断面では図５に示すように（１１１）面をもつ側面
５が基板に対して垂直に形成される。そして、次の工程
では図６に示すように、その側面をマスク材６によって
保護する。次に図３に示すように、マスク材３を柱状構
造の上面部だけ残しエッチング除去し、再び異方性エッ
チングを行う。これにより図３のＢＢ´断面では図７に
示すように、図５中の断面５と隣接する（１１１）面の
側面７が形成される。以上の工程によって結局側面５お
よび側面７で囲まれた単結晶シリコンの柱状構造が形成
されるわけである。最後にこの単結晶シリコンの柱状構
造を適当な厚さだけ酸化し、所定の断面積を持つ単結晶
シリコンの柱状構造を形成する。

【００１５】一般に単結晶シリコンの酸化は膜厚制御性
が極めてよいので、断面が３００ｎｍ² 以下の量子細線
が形成できる。量子細線の断面の形状は、エッチングに
よって形成する単結晶シリコンの柱状構造の断面形状
と、その後の熱酸化の条件によって制御する。単結晶シ
リコンの柱状構造の断面は上述したように平行四辺形で
あるが、高温の熱酸化を行うと角ばった部分は丸みをお
びてくる。従って、断面の平行四辺形の隣合う２つの辺
の長さが同等の場合には、高温の熱酸化によって円状の
形状になり、それらの辺の長さが異なれば楕円形の断面
形状の量子細線が形成される。一方、比較的低温（１０
００℃以下）で熱酸化を行うと、元の単結晶シリコンの
形状を保ったまま酸化される。従って、低温での熱酸化
においては細線構造のエミッタの断面形状は多角形状と
なる。

【００１６】上述のようにして細線構造のエミッタが形
成されたシリコン基板上に、酸化シリコン膜を成膜し
て、さらにこの酸化シリコン膜上にゲート電極となる導
電性膜、例えばＡｌ、Ｗ、Ｍｏ等を成膜して、その後レ
ジストを塗布して、エッチバックすることにより、該エ
ミッタ部分の導電性膜を除去し、さらに、該エミッタ部
分の酸化膜を除去することにより該エミッタ先端部を露
出することにより、電子銃が完成する。

【００１７】

【実施例】

実施例１ 図１は、本発明の実施例１によって形成されるエミッタ
部分の斜視図であり、図２から図１２は本実施例１によ
る電子銃の製造方法を説明するためのものである。ここ
で図４から図６は図２内の破線ＡＡ´で示す位置におけ
る断面図であり、図７、図８、図１１および図１２は図
３内の破線ＢＢ´で示す位置における断面図である。さ
らに図９および図１０は図３内の破線ＣＣ´で示す位置
における断面図である。

【００１８】前記図面において、１はシリコン基板であ
り、その面方位は（１１０）のものが好ましいが、後述
する単結晶シリコン量子細線を基板に対して垂直に形成
する必要がなければ（１１０）からオフした基板を利用
してもよい。本実施例１では面方位（１１０）のｎ型基
板を利用した。

【００１９】２は単結晶シリコン量子細線であり、その
長さは原理的に利用する単結晶シリコン基板の厚さ程度
のものが製造可能である。また、その断面形状は後述す
るように、平行四辺形を断面に持つ単結晶シリコンの柱
状構造を、熱酸化によって細くした結果形成される形状
になるので、酸化条件等で若干異なるが円形あるいは楕
円形、または多角形を断面に持つ形状になる。その断面
積は量子細線効果が顕著に現れるように、３００ｎｍ²
以下が好ましい。本実施例１ではエミッタとなる長さ３
μｍ、断面積約２５０ｎｍ² の量子細線を形成した。

【００２０】３はエッチングマスクであり、利用するエ
ッチング液に対して長時間耐性があることが好ましい。
その膜厚も十分にエッチングマスクとして働くように設
定する。本実施例１では窒化シリコン膜を３００ｎｍ形
成した。

【００２１】４はエッチング窓であり、形状は方形状が
好ましく、エッチングマスクを間に残すように２箇所対
に平行に設ける。その間隔は後述する単結晶シリコンの
柱状構造を形成する際のエッチング時間および熱酸化の
膜厚制御性等を考慮し決定しなければならないが、０．
１μｍから５μｍ程度が好ましい。また、エッチング窓
の大きさは、製造する単結晶シリコン量子細線の本数に
よって決定し、基本的には２対のエッチング窓の間隔よ
り対向している辺の長さは長いことが要求される。上述
の辺に隣接する辺の長さに対しては基本的には制限はな
いが、エッチング液の循環を十分行えるような間隔にと
る。本実施例１では２対のエッチング窓の対向している
辺の長さを２μｍ、それに隣接する辺の長さが２μｍの
正方形とした。

【００２２】５はエッチング側面であり、通常（１１
１）面が露出している。２つのエッチング側面は互いに
平行に形成される。

【００２３】６はエッチングマスクであり、その材質は
単結晶シリコン基板をエッチングするエッチング液に対
して十分な耐性があるものならなんでもよく、また、膜
厚もエッチングに対する耐性から決定する。本実施例１
においては、酸化シリコン膜を１μｍ形成した。

【００２４】７は２回目の単結晶シリコン基板のエッチ
ングの結果露出するエッチング側面であり、２つのエッ
チング側面は平行であり、前述のエッチング側面５と隣
接して形成される。エッチング側面５とエッチング側面
７の交差する角度は７０．５度と１０９．５度である。

【００２５】８は２回目の単結晶シリコン基板エッチン
グに対するエッチングマスクであり、前述のエッチング
マスク３をエッチングし、適当な大きさとして利用す
る。従って、材質および膜厚はエッチングマスク３と同
様である。その形状は４つの（１１１）面のつくる断面
と同じものがよい。従って、内角がそれぞれ７０．５度
と１０９．５度の平行四辺形が好ましい。実際は楕円形
や種々の４辺形でも可能である。本実施例１では前述の
内角を持つ平行四辺形とした。

【００２６】９は２回の単結晶シリコン基板のエッチン
グにより形成された単結晶シリコンの四角柱構造であ
り、その側面はすべて（１１１）面であり断面は内角が
７０．５度と１０９．５度の平行四辺形である。

【００２７】１０は酸化シリコン膜であり、その膜厚に
よってエミッタの細線の太さを制御する。

【００２８】次に本実施例１による電子銃の製造方法を
説明する。まず、図２および図４に示すように、シリコ
ン（１１０）基板上に、例えば熱酸化法、ＬＰＣＶＤ法
またはスパッタリング法等でエッチングマスク３を形成
し、リソグラフィーによりエッチング窓４を形成する。
エッチングマスク３のエッチングは、例えばリアクティ
ブイオンエッチング法またはウェットエッチング法等で
行う。

【００２９】次に前記エッチング窓４を通して１回目の
単結晶シリコン基板１をエッチングする。このエッチン
グはウェットエッチングによる異方性エッチング液を利
用する。それらの異方性エッチング液には、例えば水酸
化カリウム水溶液、エチレンジアミンピロカテコール水
溶液、ヒドラジン水溶液、あるいは水酸化アンモニウム
水溶液等がある。本実施例１では７０℃の４０％水酸化
カリウム水溶液を利用し、約５μｍエッチングした。

【００３０】次に図６に示すように、例えばＬＰＣＶＤ
法、スパッタリング法、あるいは熱酸化法等でエッチン
グマスク６を形成する。本実施例１では熱酸化法により
エッチングマスク６を形成した。

【００３１】次に図３に示すように、リソグラフィーに
よりエッチングマスク３をさらにパターニングし、エッ
チングマスク８を形成し、２回目の単結晶シリコン基板
のエッチングを行う。これにより図７に示すように、単
結晶シリコンの四角柱構造が形成される。

【００３２】次に図８に示すように、エッチングマスク
８を例えばリアクティブイオンエッチング法、ウェット
エッチング法等により除去し、その後熱酸化を行う。本
実施例では、図１１に示すように、２μｍの酸化シリコ
ン膜１０を形成した。

【００３３】次に、図１２に示すように、該酸化シリコ
ン膜１０を除去した後、真空蒸着法により酸化シリコン
膜１１を堆積させる。この酸化シリコン膜１１の膜厚
は、本実施例１では２〜３程度とした。そして、この酸
化シリコン膜１１上に、ゲート電極１２となるＮｉを真
空蒸着法により成膜した。これによって、エミッタであ
る細線とゲート電極間の距離は約０．１〜１μｍ程度と
なる。

【００３４】次に、エミッタ上部に堆積した酸化シリコ
ン膜１１およびゲート電極膜１２を除去するため、弗酸
水溶液で酸化シリコン膜１１の一部を除去し、図１３に
示すように、エミッタ先端部を露出させる。

【００３５】以上の工程によって、長さ約５０μｍ、断
面積約２５０ｎｍ² の単結晶シリコン量子細線のエミッ
タ２とその周辺部にゲート電極１２を持つ電子銃が形成
できた。

【００３６】実施例２ 実施例１で述べた工程において、図２に示した１回目の
単結晶シリコン基板のエッチングに対するエッチング窓
４を、図１４に示すように複数本並列に横に長くして形
成し、さらに、２回目の単結晶シリコン基板のエッチン
グに対するエッチングマスク８を、図１５に示すよう
に、複数個形成することによって、エミッタとなる単結
晶シリコン量子細線をアレイ状に複数本形成した。本実
施例２では、縦横２μｍ間隔で２５００本の単結晶シリ
コン量子細線エミッタを形成した。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明における電
子銃の製造方法では、シリコン基板に対して直立してい
る柱状構造のエミッタをもつ電子銃を再現性よく、かつ
均一に形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明における電子銃のエミッタ部分の斜視
図である。

【図２】 本発明による実施例１を説明するための断面
図である。

【図３】 本発明による実施例１を説明するための断面
図である。

【図４】 本発明による実施例１を説明するための断面
図である。

【図５】 本発明による実施例１を説明するための断面
図である。

【図６】 本発明による実施例１を説明するための断面
図である。

【図７】 本発明による実施例１を説明するための断面
図である。

【図８】 本発明による実施例１を説明するための断面
図である。

【図９】 本発明による実施例１を説明するための断面
図である。

【図１０】 本発明による実施例１を説明するための断
面図である。

【図１１】 本発明による実施例１を説明するための断
面図である。

【図１２】 本発明による実施例１を説明するための断
面図である。

【図１３】 本発明による実施例１を説明するための断
面図である。

【図１４】 本発明による実施例２を説明するための断
面図である。

【図１５】 本発明による実施例２を説明するための断
面図である。

【図１６】 たがいに同一平面上にない４種の（１１
１）面を側面にもつ平行四辺形の四角柱構造の断面図で
ある。

【図１７】 従来の製造方法を説明するための断面図で
ある。

【図１８】 他の従来の製造方法を説明するための断面
図である。

【符号の説明】

１…シリコン基板、 ２…単結晶シリコン量
子細線、３…エッチングマスク、 ４…エッチン
グ窓、５…１回目のエッチングによって露出するエッチ
ング側面、６…エッチング保護膜、７…２回目のエッチ
ングによって露出するエッチング側面、８…エッチング
マスク、 ９…単結晶シリコンの柱状構造、１０…
酸化シリコン膜、 １１…酸化シリコン膜、１２…
ゲート電極、 １３…レジスト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板上に形成された第１のマス
   ク材料内のエッチング窓を通してシリコン基板をエッチ
   ングし、エッチング側面を露出させる工程と、前記エッ
   チング側面に第２のマスク材料を形成する工程と、前記
   第１のマスク材料をパターニングする工程と、前記第１
   のマスク材料が除去された部分を通してシリコン基板を
   エッチングする工程と、前記第１のマスク材料および第
   ２のマスク材料を除去する工程と、該シリコン基板上に
   酸化シリコン膜を成膜する工程と、該酸化シリコン膜上
   に導電性膜を成膜する工程と、該導電性膜および該酸化
   シリコン膜の一部を除去してゲート電極を形成する工程
   とを具備することを特徴とする電子銃の製造方法。