JPH0689655A - 電界放出構造体及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 新規に順序立てられた処理過程により、円錐
形または他の形のチップ構造を作るプロセスを提供する
こと。 【構成】 アモルファスシリコン又はポリシリコンに微
小構造のチップを作るためのプロセスであって、最初
に、窒化物の層がアモルファスシリコン又はポリシリコ
ン上に析出され、次に、チップ構造の基部を形成するた
めに、アモルファスシリコン又はポリシリコンを粗く型
どりする。更に、アモルファスシリコン又はポリシリコ
ン内の不純物の量によって制御される酸化物成長プロセ
スを使うことによってアモルファスシリコン又はポリシ
リコンからチップを彫り出し、その後酸化物を除去する
ことによりチップを露出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、概して、例えば真空マイクロ電
子装置で使用されるような電界放出構造に関し、さらに
詳細には、電界放出構造を作るための製作方法に関す
る。

【０００２】電界放出構造体は、マイクロ真空管を含む
様々な装置に使われてきた（電子装置に関するＩＥＥＥ
議事録１９８９年１１月１１号３６部に記載されたＷ．
Ｊ．オルビス（Ｏｒｖｉｓ）とその協力者による「マイ
クロキャビティ集積真空管」）。この種の要素（エレメ
ント）は様々な方法で作ることができる。「マイクロ電
子機械システムジャーナル」１９９２年３月１号１部に
記載されたヤノ（Ｙａｏ）、アーニー（Ａｒｎｅｙ）及
び、マクドナルド（ＭａｃＤｏｎａｌｄ）による論文
「走査探針装置用高周波二次元ナノアクチュエータの製
造」による、二次元電界放出構造の製造過程を次に示
す。

【０００３】Ａ）酸化物・窒化物・酸化物体積物を基板
上に析出し、更に、堆積物（ｓｔａｃｋ）上にアルミニ
ウムマスクを析出する過程。

【０００４】Ｂ）突出した構造を形成するためにスタッ
ク及び基板をエッチングする過程。

【０００５】Ｃ）突出構造上に側壁マスクを析出する過
程。

【０００６】Ｄ）突出構造に切り下げ（アンダーカッ
ト）構造を形成し、電界放出構造の形成を開始するため
に同位凹エッチングを実施する過程。

【０００７】Ｅ）電界放出構造の形成を終了させるため
に分離酸化を行う過程。

【０００８】Ｆ）構造を取り出すために酸化を除去する
過程。

【０００９】このプロセスによって、走査探針装置に使
用できる１対の円錐形のチップが作られる。一対の複合
チップを形成するために多くの過程（ステップ）が用い
られ、例えば同位凹エッチングを形成するような幾つか
の過程は高精度で制御および再生することが困難なの
で、このプロセスは煩雑である。

【００１０】要するに、本発明に従うと、新規に順序だ
てられた処理過程により、円錐形又は他の形のチップ構
造を作るプロセスが提供される。

【００１１】基板は、構造的な層を形成する酸化可能な
材料によって作成される。材料の酸化速度が制御可能で
あることが重要である。ここに示す例においては、酸化
速度は、材料に特定の不純物をドーピングすることによ
って制御される。不純物の濃度によって酸化速度が決定
される。

【００１２】最終的なチップ構造のおおまかなを位置決
めするために、構造的な層は、大まかな柱状またはレー
ル状に型どられる。おおまかな型どりが完成すると、構
造層を酸化することにより構造層上において酸化物バン
パを成長させる。柱状体の最上部分が柱状体の下方部分
よりもはるかに速く酸化するように、不純物レベルを制
御することによって酸化速度が制御される。従って、最
上部分は下方部分よりもはるかに速く酸化される。所定
の時間が経過すると、柱状体の最上部分は完全に酸化さ
れるが、柱状体の下方部分は比較的酸化されない。柱状
体の最上部分の酸化されない部分は鋭い尖端部またはチ
ップ（先端部）になる。尖端部の下の比較的大きい酸化
されない部分は、チップの基部または支持部を形成す
る。

【００１３】残りの過程は、酸化されないチップを露出
させるために酸化物バンパを除去する過程である。

【００１４】この手順の変形手順によって、対立する対
を構成するチップを作ることができる。この場合にも、
基板は、酸化可能な構造的な層材料によって作られる。
構造的な層は、おおまかな形の最終的な対立した対構造
を位置決めするために、大まかな形の柱状体またはレー
ルに型どられる。大まかな型どりが完了すると、構造的
な層が酸化される。酸化速度は、柱状体の中央部分が柱
状体の下方または上方いずれかの部分よりも著しく速く
酸化されるように、不純物レベルによって制御される。
従って、中央部分は下方または上方いずれかの部分より
も著しく速く酸化される。所定の時間が経過すると、柱
状体の中央部分は完全に酸化され、下方または上方いず
れかの部分は比較的酸化されないままである。柱状体の
中央部分のまわりの酸化されない部分は、２つの鋭い尖
端またはチップになる。尖端のいずれかの側の比較的大
きい未酸化部分は、チップのための基部または支持部を
形成する。以前の場合と同様に、最終過程は、未酸化チ
ップを露出するために酸化を除去する過程である。

【００１５】図１はアモルファスシリコン又はポリシリ
コンの構造的な層を析出した後の基板の断面である。

【００１６】図２は図１に示すアモルファスシリコン又
はポリシリコンの構造的な層における不純物濃度を示す
グラフである。

【００１７】図３は窒化物析出後における図１に示す基
板の断面である。

【００１８】図４はフォトレジストの型どり後における
図３に示す基板の断面である。

【００１９】図５はアモルファスシリコン又はポリシリ
コンの構造的な層の型どりの後における図４に示す基板
の断面である。

【００２０】図６は酸化の後における図５に示す基板の
断面である。

【００２１】図７はチップ構造体を露出するために酸化
物を除去した後における図６に示す基板の断面である。

【００２２】図８はアモルファスシリコン又はポリシリ
コンの構造的な層の析出後における基板の断面である。

【００２３】図９は図８に示すアモルファスシリコン又
はポリシリコンの構造的な層における不純物濃度を示す
グラフである。

【００２４】図１０は窒化物析出後における図８に示す
基板の断面である。

【００２５】図１１はフォトレジスト型どり後における
図１０に示す基板の断面である。

【００２６】図１２はアモルファスシリコン又はポリシ
リコンの構造的な層を型どった後における図１１に示す
基板の断面である。

【００２７】図１３は酸化の後における図１２に示す基
板の断面である。

【００２８】図１４はフォトレジスト析出後における図
１３に示す基板の断面である。

【００２９】図１５はフォトレジストの型どり後におけ
る図１４に示す基板の断面である。

【００３０】図１６は金属析出後における図１５に示す
基板の断面である。

【００３１】図１７はフォトレジスト及び酸化物を除去
した後における図１６に示す基板の断面である。図１に
示すように構造体は基板１０上に作られる。基板１０と
してはケイ素が便利であるが、プロセス（処理過程）に
とって必要と言うわけではない。表面１１を備えた１．
５から２．０ミクロンの層を形成するアモルファスシリ
コン又はポリシリコン１２が、基板１０上に析出され
る。アモルファスシリコン又はポリシロコン１２の不純
物濃度プロフィル（ドーパント濃度縦断面構成）は図１
及び２に示す通りであり、アモルファスシリコン又はポ
リシリコン１２の表面１１において濃度が最も高い。不
純物濃度は、アモルファスシリコン又はポリシリコン１
２と基板１０との界面１３において最小である。この不
純物濃度は、インシチュドーピング（ｉｎ ｓｉｔｕ
ｄｏｐｉｎｇ）によるか又はイオンインプランテーショ
ン（ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）の後で拡散す
るかいずれかのプロセスにより種々の方法で達成でき
る。これらのプロセスは両方共、当該技術分野において
周知であり、標準的である。

【００３２】アモルファスシリコン又はポリシリコン１
２上に析出された厚さ０．３から０．４ミクロンの窒化
物層１６を図３に示す。インシチュドーピングでなくイ
オンインプランテーションおよびアニーリング（ａｎｎ
ｅａｌｉｎｇ）によって所定の不純物濃度プロフィル１
４を作ろうとする場合には、窒化物層１６を析出する前
にイオンインプランテーション及びアニーリング過程を
実施する。

【００３３】図４に示すように、次の過程は、従来のフ
ォトレジストプロセスによって窒化物層１６及びアモル
ファスシリコン又はポリシリコン１２を型どりする（パ
ターン）ことである。図５は、窒化物層１６及び従来の
乾式エッチング技法を用いてエッチングしたアモルファ
スシリコン又はポリシリコン１２を示す。アモルファス
シリコン又はポリシリコン層１２での不純物濃度プロフ
ィル１４によって、アモルファスシリコン又はポリシリ
コン１２の側壁は先細状に傾斜する。不純物濃度が大き
ければ、エッチングプロセスが加速される。

【００３４】次に、アモルファスシリコン又はポリシリ
コン１２は酸化されて、図６に示すような酸化物バンパ
２０に成長する。酸化物バンパの成長および制御につい
ては、両方共参考資料として本明細書に参照済みのボル
（Ｂｏｌ）及びケーミング（Ｋｅｍｉｎｇ）による両方
共に「高速ＶＬＳＩ ＳＡＳＭＥＦＥＴへの成長酸化物
バンパインシュレータ」と題する米国特許４，４００，
８６６及び４，３７５，６４３において検討されてい
る。不純物濃度が最も大きい場所において、酸化物バン
パの成長速度がより大きい。図１及び２において、不純
物濃度は、アモルファスシリコン又はポリシリコン１２
の表面１１において最も大きい。酸化物バンパ２０は、
アモルファスシリコン又はポリシリコン１２の表面１１
の近傍において、最も速くかつ最も厚く成長する。アモ
ルファスシリコン又はポリシリコン１２の表面１１上の
窒化物層１６は、酸化物バンパ２０の形状に影響する。
酸素は窒化物を酸化しないので、窒化物層１６上には酸
化物は成長しない。アモルファスシリコン又はポリシリ
コン１２が窒化物層１６によって保護されるために酸素
の界面１３に沿って拡散する能力が低下するので、アモ
ルファスシリコン又はポリシリコン１２を酸化させる酸
素の能力は、アモルファスシリコン又はポリシリコン１
２と窒化物層１６との界面１３において低下する。この
現象は、ＣＭＯＳ又はＮＭＯＳ ＬＯＧＯＳプロセスに
おけるいわゆる「鳥のくちばし」形成に影響する現象に
非常に類似する。酸化速度は、界面１３の幾分下の部分
において最も大きく、不純物濃度の低下と共に低下す
る。酸化物バンパ２０が成長するにつれて、残りのアモ
ルファスシリコン又はポリシリコン１２は、基部２４及
び鋭い頂点２６を有するチップ構造２２を形成する。酸
化物バンパ２０及びアモルファスシリコン又はポリシリ
コン１２は、例に示すように、部分的、或いは、疑似的
な放物線関係を形成する。酸化速度についてはよく解明
されており、従って容易に制御可能であるので、チップ
構造２２の大きさ及び形状は精密に制御できる。

【００３５】最終段階において、図７に示すように、伝
統的な周知の過程によって酸化物および窒化物の層が除
去され、完全に形成されたチップ構造２２が露出した状
態となる。

【００３６】前述のプロセス順序は、１つの単一チップ
を製造するために必要な過程を示したものである。前記
の処理過程をわずかな修正すれば、対立する一対のチッ
プを製造することができる。対立する１対のチップを製
造するプロセス順序においては、前記の場合と類似する
構造体には前記の場合と同じ参照番号を用い、「ａ」を
付記して対立する１対のチップを製造する過程に属する
ことを示す。

【００３７】この場合にも、図８に示すように、構造体
は、基板１０ａ上に作られる。基板１０ａとしてはケイ
素が便利であるが、プロセス（処理過程）にとって必要
と言うわてではない。表面１１ａを有するアモルファス
シリコン又はポリシリコン１２ａの層は、基板１０ａ上
に析出される。アモルファスシリコン又はポリシリコン
１２ａの不純物濃度プロフィル１４ａは図８及び９に示
す通りであり、濃度はアモルファスシリコン又はポリシ
リコン１２ａの中央の近くで最も高い。不純物濃度は、
アモルファスシリコン又はポリシリコン１２と基板１０
ａとの界面１３及びアモルファスシリコン又はポリシリ
コン１２ａの表面１１ａにおいて最も低い。この不純物
濃度は、インシチュドーピングによるか又はイオンイン
プランテーションの後でアニーリングするかいずれかの
プロセスにより種々の方法で達成できる。これらのプロ
セスは両方共、当該技術分野において周知であり、標準
的である。

【００３８】図１０に示す窒化物層１６ａは、アモルフ
ァスシリコン又はポリシリコン１２ａ上に析出されたも
のである。インシチュドーピングでなくイオンインプラ
ンテーションおよびアニーリングによって所定のドーパ
ント濃度プロフィル１４ａを作ろうとする場合には、窒
化物層１６ａを析出する前にイオンインプランテーショ
ン及びアニーリング過程を実施する。

【００３９】図１１に示すように、次の過程は、従来の
フォトレジストプロセスによって窒化物層１６及びアモ
ルファスシリコン又はポリシリコン１２を型どりする
（パターン）ことである。図１２は、窒化物層１６及び
従来の乾式エッチング技法を用いてエッチングしたアモ
ルファスシリコン又はポリシリコン１２を示す。アモル
ファスシリコン又はポリシリコン層１２ａは、アモルフ
ァスシリコン又はポリシリコン１２ａが不純物濃度プロ
フィルル１４ａであるために、側壁はわずかに凹面状と
なる。不純物濃度が大きくなれば、エッチングプロセス
が加速される。

【００４０】次に、図１３に示すように、アモルファス
シリコン又はポリシリコン１２ａは酸化される。不純物
濃度が最も大きい場所において、酸化物バンパの成長速
度がより大きい。図８及び９を参照して、不純物濃度
は、アモルファスシリコン又はポリシリコン１２ａの中
央近傍において最も大きい。酸化物バンパ２０ａは、ア
モルファスシリコン又はポリシリコン１２ａの中央近傍
において、最も速くかつ最も厚く成長する。酸化速度
は、アモルファスシリコン又はポリシリコン１２の中央
近傍において最も大きく、不純物濃度が低下すると共に
低下する。酸化物が成長するにつれて、残りの酸化され
ないアモルファスシリコン又はポリシリコン１２ａは、
２つの基部２４ａ及び２つの鋭い頂点２６ａを有する２
つの対立したチップ構造体２２ａを形成する。酸化物バ
ンパ２０ａ及びアモルファスシリコン又はポリシリコン
１２ａは、部分的、或いは、疑似的な放物線関係を形成
する。酸化速度についてはよく解明されており、従って
容易に制御可能であるので、チップ構造２２ａの大きさ
及び形状は精密に制御できる。

【００４１】図１４に示すように、高原化されたフォト
レジスト２８層は、露出表面上でスピンされる。この過
程は、上側チップをレバーの腕に取り付ける方法を提供
するために行われる。図１５において、上側チップの基
部２４ａ上に窒化物層１６が現れるように、フォトレジ
スト２８はエッチングされる。次に図１６に示すよう
に、最初に窒化物層１６が除去され、フォトレジスト２
８及び上側チップの基部２６ａの表面上に金属３０又は
他の材料の層が析出される。

【００４２】基板の他の部分、又は、基板上の酸化物又
は他の構造体に付着させるために金属３０が、任意の従
来の方法によって型どられた後で、図１７に示すように
一対の対立したチップ２２ａを露出させるために、フォ
トレジスト２８及び酸化物バンパ２２ａを除去すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】アモルファスシリコン又はポリシリコンの構造
的な層を析出した後の基板の断面である。

【図２】図１に示すアモルファスシリコン又はポリシリ
コンの構造的な層における不純物濃度を示すグラフであ
る。

【図３】窒化物析出後における図１に示す基板の断面で
ある。

【図４】フォトレジストの型どり後における図３に示す
基板の断面である。

【図５】アモルファスシリコン又はポリシリコンの構造
的な層の型どりの後における図４に示す基板の断面であ
る。

【図６】酸化の後における図５に示す基板の断面であ
る。

【図７】チップ構造体を露出するために酸化物を除去し
た後における図６に示す基板の断面である。

【図８】アモルファスシリコン又はポリシリコンの構造
的な層の析出後における基板の断面である。

【図９】図８に示すアモルファスシリコン又はポリシリ
コンの構造的な層における不純物濃度を示すグラフであ
る。

【図１０】窒化物析出後における図８に示す基板の断面
である。

【図１１】フォトレジスト型どり後における図１０に示
す基板の断面である。

【図１２】アモルファスシリコン又はポリシリコンの構
造的な層を型どった後における図１１に示す基板の断面
である。

【図１３】酸化の後における図１２に示す基板の断面で
ある。

【図１４】フォトレジスト析出後における図１３に示す
基板の断面である。

【図１５】フォトレジストの型どり後における図１４に
示す基板の断面である。

【図１６】金属析出後における図１５に示す基板の断面
である。

【図１７】フォトレジスト及び酸化物を除去した後にお
ける図１６に示す基板の断面である。

【符号の説明】

１０ 基板，１１ 表面，１２ アモルファスシリコン
又はポリシリコン，１３ 界面，１４ 濃度プロフィ
ル，１６ 窒化物層，２０ 酸化物バンパ，２２チップ
構造，２４ 基部，２６ 頂点，２８ フォトレジス
ト，３０ 金属

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ａ．全体的に平面状の表面から伸延する壁手段を持つ構
   造部材を提供する過程を有し、前記側壁は全体的に平面
   状の表面から間隔を保って全体的に平面状の表面に平行
   な表面を持ち、前記側壁は前記の壁手段の一部分が前記
   側壁の残りの部分の不純物濃度よりもより高い不純物濃
   度を有するバンパの成長を制御する材料を持つ前記の表
   面の間に配置されるような濃度勾配を持つバンパ成長制
   御材料を持ち、 ｂ．前記の壁手段を前記バンパ手段に変換するために前
   記の壁手段の中にバンパ手段を成長させる過程を有し、
   前記壁手段の未変換部分上に少なくとも１つの先細状チ
   ップを形成するために比較的濃度の高いバンパ成長制御
   材料の部分において完全な変換を生じさせ、前記壁手段
   の残りの部分においてはより低い完全度の変換を生じさ
   せ、 ｃ．先細状チップが露出するように前記の壁手段から前
   記の壁手段を除去する過程を有することからなるチップ
   形成のプロセス。