JPH09213209A - 冷陰極素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｓｉ基板のエッチングを反応性イオンエッチ
ング以外の安価な方法で行うことにより、製造コストを
低減した冷陰極素子の製造方法を提供する。また、冷陰
極を複数個近接して配置した構成の冷陰極素子に適した
製造方法を提供する。 【解決手段】 ＳｉＯ₂マスク６をマスクとして例えば
弗酸溶液中でＳｉ基板１の陽極化成を行い、Ｓｉ基板１
の表面内を多孔質化する。次に、酸素雰囲気中で多孔質
シリコン層７を酸化することで多孔質シリコン酸化層８
に変換し、弗酸などのエッチング液を用いて多孔質シリ
コン酸化層８を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は主として真空マイ
クロエレクトロニクスにおける冷陰極素子の製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２１は真空マイクロエレクトロニクス
において使用される一般的な冷陰極素子１００の構成を
示す断面図である。図２１において、シリコン（Ｓｉ）
基板１の主面上に、高さ約１μｍ程度の断面形状がコー
ン形状の冷陰極２が形成されている。また、シリコン基
板１の主面上には冷陰極２を取り囲むように、熱酸化層
３、一酸化シリコン（ＳｉＯ）層４、ゲート電極として
機能するモリブデン（Ｍｏ）層５が順に連続して形成さ
れ積層構造をなしている。

【０００３】このような構造を有する冷陰極素子は、ゲ
ート電極すなわちＭｏ層５を正電位として、シリコン基
板１との間に１００Ｖ程度の電圧を印加して、冷陰極２
の先端部に１０⁷Ｖ／ｃｍ程度の強い電界を発生させ、
電界放射により先端部から電子を引き出すことで冷陰極
２を電子源として用いている。

【０００４】冷陰極素子１００の製造方法としては図２
２〜図２５に示すような方法が一般的に採用されてい
る。すなわち、Ｓｉ基板１の主面上に二酸化シリコン層
（ＳｉＯ₂）を形成した後、図２２に示す工程において
当該ＳｉＯ₂層を所望のパターンに成形してＳｉＯ₂マス
ク６を形成する。ここで、ＳｉＯ₂マスク６のパターン
形成は、半導体集積回路技術においてひろく採用されて
いる写真製版技術および反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）技術を用いて行う。

【０００５】次に図２３に示す工程において、ＳｉＯ₂
マスク６をエッチングマスクとしてＳｉ基板１をＲＩＥ
技術を用いてエッチングする。この工程により、Ｓｉ基
板１の表面は選択的に除去され、断面形状が台形状のシ
リコン突出領域２１を有する構造となる。

【０００６】次に図２４に示す工程において、Ｓｉ基板
１を酸素雰囲気中で熱酸化することによりＳｉ基板１の
表面内に熱酸化層３を形成する。その際、台形状のシリ
コン突出領域２１の両側面に形成される熱酸化層３が、
ＳｉＯ₂マスク６の直下において互いに接触するように
留意する。そのためには、ＳｉＯ₂マスク６の平面寸
法、Ｓｉ基板１のエッチング深さと横方向への広がりを
考慮して、熱酸化層の形成条件を適切に選ぶ。

【０００７】次に図２５に示す工程において、ＳｉＯ層
４を全体に渡って形成し、ＳｉＯ層４の上にＭｏ層５を
連続的に形成する。これらの形成方法として真空蒸着法
のような粒子の平均自由行程の大きい方法を採用する。
この方法では、蒸発源から飛散した被着粒子は直進する
ので、ＳｉＯ層４およびＭｏ層５は、ＳｉＯ₂マスク６
の上面上と、ＳｉＯ₂マスク６によって覆われていない
熱酸化層３上、すなわち被着粒子の進行が遮蔽されてい
ない部分とで段差を有して形成されることになる。そし
て、図２５に示すように、当該段差部の境界において
は、ＳｉＯ₂マスク６の上面上に形成されたＳｉＯ層４
およびＭｏ層５と、それ以外の部分に形成されたＳｉＯ
層４およびＭｏ層５とは隙間を有して不連続となってい
る。

【０００８】最後に、弗酸などのエッチング液中に全体
を浸し、ウエットエッチングによりＳｉＯ₂マスク６を
除去することで図２１に示す冷陰極素子１００が得られ
ることになる。

【０００９】ここで、冷陰極素子１００の冷陰極２から
電子を引き出す場合には、冷陰極２の先端部とＭｏ層５
との間に印加される電界をできるだけ低くすることが望
ましいが、そのためには冷陰極２の側面が急峻な角度を
有し先端部が先鋭化していること、冷陰極２とＭｏ層５
の間隔が小さいことが必要であり、ＳｉＯ₂マスク２の
パターン幅およびＳｉ基板１のエッチング深さが１μｍ
レベルとなるような微細なパターンが要求される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように冷
陰極素子１００の従来の製造方法によれば、ＳｉＯ₂マ
スク２のパターン幅およびＳｉ基板１のエッチング深さ
が１μｍレベルの微細なパターンとなるように、ＳｉＯ
₂マスク６の成形、およびＳｉ基板１のエッチングにお
いては、装置価格が非常に高価な反応性イオンエッチン
グを用いている。そして、ＳｉＯ₂マスク６の成形と、
Ｓｉ基板１のエッチングでは通常、それぞれ異なるエッ
チングガス（反応ガス）が用いられる。例えばＳｉＯ₂
マスク６の成形にはＣＨＦ₃ガスを、Ｓｉ基板１のエッ
チングにはＳＦ₆等が用いられる。反応性イオンエッチ
ングの特徴として、対象物をエッチングする際には反応
ガスの成分元素を主成分とする反応生成物が反応糟内に
形成され、この反応生成物の存在によりエッチング条件
が左右されることから装置の管理には細心の注意と管理
が要求される。このため一般的にＳｉＯ₂のエッチング
とＳｉ基板のエッチングを同一のＲＩＥ装置で行うこと
はなされておらず、それぞれ別々のＲＩＥ装置が用いら
れる。従って、従来の製造方法においては非常に高価な
エッチング装置が少なくとも２機必要であり、反応ガス
の管理を含めた装置管理に細心の配慮が要求される等の
問題点があった。

【００１１】また、以上説明した従来の製造方法は、冷
陰極を複数個近接して配置した構成の冷陰極素子の製造
には適していなかった。

【００１２】この発明は上記の問題点を解消するために
なされたものであり、Ｓｉ基板のエッチングを反応性イ
オンエッチング以外の安価な方法で行うことにより、製
造コストを低減した冷陰極素子の製造方法を提供する。
また、冷陰極を複数個近接して配置した構成の冷陰極素
子に適した製造方法を提供する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載の冷陰極素子の製造方法は、シリコン基板の主面上に
選択的にマスク層を形成する工程(ａ)と、前記マスク層
を選択マスクとして、前記シリコン基板の表面内を選択
的に所定の厚さに多孔質化して多孔質シリコン層を形成
することで、前記シリコン基板の前記マスク層下部の表
面内に、断面形状がほぼ台形状のシリコン突出領域を形
成する工程(ｂ)と、前記多孔質シリコン層を酸化して多
孔質シリコン酸化層を形成する工程(ｃ)と、前記多孔質
シリコン酸化層を除去して、前記シリコン突出領域の表
面を含む前記シリコン基板の表面を露出させる工程(ｄ)
と、前記シリコン突出領域の表面を含む前記シリコン基
板の表面内に所定の厚さの熱酸化層を形成する工程(ｅ)
と、前記マスク層を選択マスクとして、前記熱酸化層上
に選択的に絶縁層、金属層を順に形成する工程(ｆ)と、
前記絶縁層に覆われていない前記熱酸化層、前記マスク
層を除去して、冷陰極およびゲート電極を形成する工程
(ｇ)とを備えている。

【００１４】本発明に係る請求項２記載の冷陰極素子の
製造方法は、前記工程(ｇ)が、前記マスク層上に形成さ
れた前記絶縁層および前記金属層を、前記マスク層と共
に除去する工程を有している。

【００１５】本発明に係る請求項３記載の冷陰極素子の
製造方法は、前記工程(ａ)が、前記マスク層をＳｉＯ₂
で形成する工程を有し、前記工程(ｆ)が、前記絶縁層を
ＳｉＯで形成する工程を有している。

【００１６】本発明に係る請求項４記載の冷陰極素子の
製造方法は、シリコン基板の主面上に選択的に第１のマ
スク層を形成した後、前記第１のマスク層を覆うように
選択的に第２のマスク層を形成する工程(ａ)と、前記第
１および第２のマスク層を選択マスクとして、前記シリ
コン基板の表面内を選択的に所定の厚さに多孔質化して
多孔質シリコン層を形成することで、前記シリコン基板
の前記第１および第２のマスク層下部の表面内に、断面
形状がほぼ台形状のシリコン突出領域を形成する工程
(ｂ)と、前記多孔質シリコン層を酸化して多孔質シリコ
ン酸化層を形成する工程(ｃ)と、前記多孔質シリコン酸
化層および前記第２のマスク層を除去して、前記シリコ
ン突出領域の表面を含む前記シリコン基板の表面を露出
させる工程(ｄ)と、前記シリコン突出領域の表面を含む
前記シリコン基板の表面内に所定の厚さの熱酸化層を形
成する工程(ｅ)と、前記第１のマスク層を選択マスクと
して、前記熱酸化層上に選択的に絶縁層、金属層を順に
形成する工程(ｆ)と、前記第１のマスク層、前記絶縁層
に覆われていない前記熱酸化層を除去して、冷陰極およ
びゲート電極を形成する工程(ｇ)とを備えている。

【００１７】本発明に係る請求項５記載の冷陰極素子の
製造方法は、前記工程(ｇ)が、前記第１のマスク層上に
形成された前記絶縁層および前記金属層を、前記第１の
マスク層と共に除去する工程を有している。

【００１８】本発明に係る請求項６記載の冷陰極素子の
製造方法は、前記工程(ａ)が、前記第１のマスク層をＳ
ｉ₃Ｎ₄で形成する工程と、前記第２のマスク層をＳｉＯ
₂で形成する工程とを有し、前記工程(ｆ)が、前記絶縁
層をＳｉＯで形成する工程を有している。

【００１９】本発明に係る請求項７記載の冷陰極素子の
製造方法は、前記工程(ｂ)が、陽極化成法によって前記
シリコン基板を多孔質化する工程（ｂ−１）を有してい
る。

【００２０】本発明に係る請求項８記載の冷陰極素子の
製造方法は、前記工程(ｂ−１)が、弗酸、水、エチルア
ルコールを主成分として含む溶液内において、前記シリ
コン基板を陽極とし、対電極となる陰極との間に電流を
流す工程を含んでいる。

【００２１】

【発明の実施の形態】

＜実施の形態１＞ ＜工程説明＞本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施
の形態１を、製造工程を順に示した図１〜図７を用いて
説明する。まず、シリコン（Ｓｉ）基板１の主面上に二
酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層を形成した後、図１に示す
工程において当該ＳｉＯ₂層を所望のパターンに成形し
てＳｉＯ₂マスク６を形成する。ここで、ＳｉＯ₂マスク
６のパターン形成は、半導体集積回路技術においてひろ
く採用されている写真製版技術および反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）技術を用いて行う。

【００２２】次に図２に示す工程において、ＳｉＯ₂マ
スク６をマスクとして例えば弗酸溶液中でＳｉ基板１の
陽極化成を行う。陽極化成とはＳｉ基板１を陽極とし、
例えば白金電極を陰極として電源に接続し、弗酸溶液中
に浸して両極間に通電することでＳｉ基板１の表面内を
多孔質化する技術であり、陽極酸化とは同義の技術であ
る。

【００２３】陽極化成のためには、弗酸溶液として、例
えば弗酸（ＨＦ）、水（Ｈ₂Ｏ）、エチルアルコール
（Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ）を１：１：１〜６の割合で混合し、陽極
−陰極間の電流密度が、例えば３０ｍＡ／ｃｍ²程度と
なるように陽極電流を調整することでＳｉ基板１の表面
内を所定の厚さ、例えば１μｍの厚さで多孔質化するこ
とができる。なお、エチルアルコールは溶液の粘度調整
のために使用するものであり、粘度調整できるのであれ
ばエチルアルコールに限定されず、エチレングリコール
（Ｃ₂Ｈ₅ＯＯＨ）や、メチルアルコール（ＣＨ₃Ｏ
Ｈ）、あるいは他のアルコールなどでも良い。

【００２４】以下の化学式（１）および（２）に陽極化
成の反応の一例を示す。

【００２５】

【化１】

【００２６】

【化２】

【００２７】化学式（２）において示されるＳｉＦ₄＋
２ＨＦの反応により、水溶性のＨ₂ＳｉＦ₆がＳｉ基板１
の表面内に形成され、Ｈ₂ＳｉＦ₆が溶解した跡がＳｉ基
板１表面内に空間として残り、Ｓｉ基板１の表面内が多
孔質化し、多孔質シリコン層７が形成される。なお、陽
極化成は化学的に等方的に進行するのでＳｉＯ₂マスク
６に覆われた部分の一部も多孔質シリコンに変換され、
冷陰極先端の先鋭化に寄与する。

【００２８】なお、ＳｉＯ₂マスク６は弗酸に溶解する
性質を持っているが、陽極電流を大きくして短時間で化
成処理を行うことにより充分マスク作用を持たせること
ができる。また、ＳｉＯ₂マスク６が充分なマスク作用
を持たない場合、ＳｉＯ₂の代わりに弗酸に溶解しにく
い一酸化シリコンあるいは窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）を
用いてもよい。

【００２９】次に図３に示す工程において、酸素雰囲気
中で多孔質シリコン層７を酸化することで多孔質シリコ
ン酸化層８に変換する。多孔質シリコンは通常のＳｉ基
板にくらべて容易に酸化される。例えば１μｍの厚さの
多孔質シリコンの場合、７００℃ならば２〜５分程度で
酸化が完了する。

【００３０】次に図４に示す工程において、弗酸などの
エッチング液を用いて多孔質シリコン酸化層８を除去す
ることで、Ｓｉ基板１は断面形状が台形状のシリコン突
出領域２１を有する構造となる。従って、陽極化成はシ
リコン突出領域２１を形成するための工程の１つである
と言える。ここで、多孔質シリコン酸化層のエッチング
速度は通常の熱酸化層に比べて１０〜１００倍以上速
い。従って、この工程においてはエッチングマスクとな
るＳｉＯ₂マスク６が侵されることはほとんどなく、台
形状のシリコン突出領域２１の上面にＳｉＯ₂マスク６
が残ることになる。

【００３１】次に図５に示す工程において、台形状のシ
リコン突出領域２１を有するＳｉ基板１を酸素雰囲気中
で熱酸化することによりＳｉ基板１の表面内に熱酸化層
３を形成する。その際、台形状のシリコン突出領域２１
の両側面内に形成される熱酸化層３が、ＳｉＯ₂マスク
６の直下において互いに接触するように留意する。その
ためには、ＳｉＯ₂マスク６の平面寸法、Ｓｉ基板１の
エッチング深さと横方向への広がりを考慮して、熱酸化
層３の形成条件を適切に選ぶ。

【００３２】次に図６に示す工程において、絶縁層であ
る一酸化シリコン（ＳｉＯ）層４を全体に渡って形成
し、ＳｉＯ層４の上に金属層であるＭｏ層５を連続的に
形成する。これらの形成方法として真空蒸着法のような
粒子の平均自由行程の大きい方法を採用する。この方法
では、蒸発源から飛散した被着粒子は直進するので、Ｓ
ｉＯ層４およびＭｏ層５は、ＳｉＯ₂マスク６の上面上
と、ＳｉＯ₂マスク６によって覆われていない熱酸化層
３上、すなわち被着粒子の進行が遮蔽されていない部分
とで段差を有して形成されることになる。そして、図６
に示すように、当該段差部の境界においては、ＳｉＯ₂
マスク６の上面上に形成されたＳｉＯ層４およびＭｏ層
５と、それ以外の部分に形成されたＳｉＯ層４およびＭ
ｏ層５とは隙間を有して不連続となっている。

【００３３】次に図７に示す工程において、弗酸などの
エッチング液中に全体を浸し、ウエットエッチングによ
りＳｉＯ₂マスク６を除去する。ここで、エッチング液
はＳｉＯ層４およびＭｏ層５の不連続部の隙間を通って
浸透し、ＳｉＯ₂マスク６を溶解する。これによりＳｉ
Ｏ₂マスク６上のＳｉＯ層４およびＭｏ層５が剥離し除
去されることになる。なお、ＳｉＯ層４は弗酸には侵さ
れない。これはいわゆるリフトオフと呼ばれている方法
である。このとき、露出した熱酸化層３も同時に除去さ
れ、先端部が先鋭な冷陰極２を有した冷陰極素子１００
が得られる。

【００３４】＜特徴的作用効果＞以上説明した本発明に
係る冷陰極素子の製造方法の実施の形態１においては、
Ｓｉ基板１のエッチングを、反応性イオンエッチングに
より一度に行う代わりに、まず、陽極化成法によりＳｉ
基板１を選択的に多孔質シリコン層７に変換し、次に多
孔質シリコン層７を多孔質シリコン酸化層８に変換した
後、化学的な湿式エッチングにより多孔質シリコン酸化
層８のみを除去することで、Ｓｉ基板１を断面形状が台
形状のシリコン突出領域２１を有する構造にしているこ
とが特徴である。陽極化成法および多孔質シリコン酸化
層のエッチングに必要な装置は、通常の化学処理設備だ
けであり特に高価な設備は不用である。また、多孔質シ
リコン層７の酸化に必要な酸化炉は熱酸化層３の形成に
用いる酸化炉を兼用することができる。

【００３５】従って、工程数が増加するという一面を有
してはいるものの、高価なＲＩＥ装置は１機で済むの
で、冷陰極素子の製造コストを低減できるという利点を
有している。また、通常の化学処理設備や酸化炉の保守
・管理はＲＩＥ装置に比べてはるかに容易であり、保守
・管理に費やすコストも低減され、この点からも冷陰極
素子の製造コストを低減できることになる。

【００３６】＜実施の形態２＞本発明に係る冷陰極素子
の製造方法の実施の形態１においては、単一の冷陰極２
を形成する場合について説明したが、実用的には冷陰極
を複数個近接して配置した構成の冷陰極素子を用いる。
そして、単位面積当りの冷陰極数、すなわち冷陰極の密
度が高いほど、冷陰極素子としての電流密度が大きくな
るので、冷陰極間の距離を可能な限り近づけることが要
求される。この場合、単に実施の形態１において説明し
た冷陰極素子の製造方法を適用するだけでは以下に説明
するような問題が発生する。

【００３７】図８〜図１１は、本発明に係る冷陰極素子
の製造方法の実施の形態１を適用して、冷陰極を複数個
近接して配置した構成の冷陰極素子２０を製造する場合
の工程を順に示した図である。

【００３８】まず、Ｓｉ基板１の主面上に二酸化シリコ
ン（ＳｉＯ₂）層を形成した後、形成すべき複数個の冷
陰極の配置に合わせて当該ＳｉＯ₂層を複数に分割成形
してＳｉＯ₂マスク６１を形成する。ここで、ＳｉＯ₂マ
スク６１のパターン形成は、写真製版技術およびＲＩＥ
技術を用いて行う。

【００３９】次に図８に示す工程において、ＳｉＯ₂マ
スク６１をマスクとして例えば弗酸溶液中でＳｉ基板１
の陽極化成を行ってＳｉ基板１の表面内を選択的に多孔
質化し、多孔質シリコン層７１を形成する。なお陽極化
成の方法は実施の形態１を用いて説明した方法と同じで
あるので重複する説明は省略する。

【００４０】次に、酸素雰囲気中で多孔質シリコン層７
１を酸化することで多孔質シリコン酸化層８１に変換し
た後、弗酸などのエッチング液を用いて多孔質シリコン
酸化層８１を除去することで、Ｓｉ基板１は断面形状が
台形状のシリコン突出領域２１を複数有する構造とな
る。

【００４１】次に図９に示す工程において、台形状のシ
リコン突出領域２１を有するＳｉ基板１を酸素雰囲気中
で熱酸化することによりＳｉ基板１の表面内に熱酸化層
３１を形成する。その際、台形状のシリコン突出領域２
１の両側面内に形成される熱酸化層３１が、ＳｉＯ₂マ
スク６１の直下において互いに接触するように留意す
る。そのためには、ＳｉＯ₂マスク６１の平面寸法、Ｓ
ｉ基板１のエッチング深さと横方向への広がりを考慮し
て、熱酸化層の形成条件を適切に選ぶ。

【００４２】次に図１０に示す工程において、絶縁層で
あるＳｉＯ層４１を全体に渡って形成し、ＳｉＯ層４１
の上に金属層であるＭｏ層５１を連続的に形成する。こ
れらの形成方法として真空蒸着法のような粒子の平均自
由行程の大きい方法を採用する。この方法では、蒸発源
から飛散した被着粒子は直進するので、ＳｉＯ層４１お
よびＭｏ層５１は、ＳｉＯ₂マスク６１の上面上と、Ｓ
ｉＯ₂マスク６１によって覆われていない熱酸化層３１
上、すなわち被着粒子の進行が遮蔽されていない部分と
で段差を有して形成されることになる。そして、図１０
に示すように、当該段差部の境界においては、ＳｉＯ₂
マスク６１の上面上に形成されたＳｉＯ層４１およびＭ
ｏ層５１と、それ以外の部分に形成されたＳｉＯ層４１
およびＭｏ層５１とは隙間を有して不連続となってい
る。

【００４３】次に図１１に示す工程において、弗酸など
のエッチング液中に全体を浸し、ウエットエッチングに
よりＳｉＯ₂マスク６１を除去することで冷陰極２を複
数個近接して配置した構成の冷陰極素子２０が得られ
る。

【００４４】ここで問題となるのは、複数の冷陰極２を
近接して形成する場合、ＳｉＯ₂マスク６１も複数近接
して形成されることになる。従って、ＳｉＯ₂マスク６
１間の間隔は狭くなり、冷陰極２間における一酸化層シ
リコン層４１およびＭｏ層５１の形成がＳｉＯ₂マスク
６１の張り出し部分に妨げられて、一酸化層シリコン層
４１およびＭｏ層５１の断面形状が矩形形状とはなら
ず、三角形に近い形状となり、著しい場合にはＭｏ層５
１はほとんど形成されず、最終的にゲート電極が形成で
きないことになる。この問題は、図２２〜図２５を用い
て説明した冷陰極素子１００を製造するための従来の方
法においても同様に発生することは説明するまでもな
い。

【００４５】本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施
の形態２はこのような問題を解消するものであり、冷陰
極を複数個近接して配置した構成の冷陰極素子に適した
製造方法を提供するものである。

【００４６】＜工程説明＞本発明に係る冷陰極素子の製
造方法の実施の形態２を、製造工程を順に示した図１２
〜図２０を用いて説明する。まず、Ｓｉ基板１の主面上
にシリコン窒化層（Ｓｉ₃Ｎ₄）を形成した後、図１２に
示すように、形成すべき複数個の冷陰極の配置に合わせ
て当該Ｓｉ₃Ｎ₄層を複数に分割成形してＳｉ₃Ｎ₄マスク
９を形成する。ここで、Ｓｉ₃Ｎ₄マスク９は、後に説明
する理由により台形状のシリコン突出領域２１の上面上
から張り出す部分が少なくなるように形成する。

【００４７】次にＳｉ₃Ｎ₄マスク９の全面を覆うように
二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層を形成した後、図１３に
示す工程において、当該ＳｉＯ₂層を個々のＳｉ₃Ｎ₄マ
スク９を選択的に覆うように所望のパターンに成形し
て、ＳｉＯ₂マスク６２を形成する。なお、形成順序か
らＳｉ₃Ｎ₄マスク９を第１のマスク、ＳｉＯ₂マスク６
２を第２のマスクと呼んでも良い。

【００４８】ここで、ＳｉＯ₂マスク６のパターン形成
は、半導体集積回路技術においてひろく採用されている
写真製版技術および反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）
技術を用いて行う。

【００４９】次に図１４に示す工程において、ＳｉＯ₂
マスク６２をマスクとして例えば弗酸溶液中でＳｉ基板
１の陽極化成を行ってＳｉ基板１の表面内を選択的に多
孔質化し、多孔質シリコン層７１を形成する。なお陽極
化成の方法は実施の形態１を用いて説明した方法と同じ
であるので重複する説明は省略する。

【００５０】次に図１５に示す工程において、酸素雰囲
気中で多孔質シリコン層７１を酸化することで多孔質シ
リコン酸化層８１に変換する。

【００５１】次に図１６に示す工程において、弗酸など
のエッチング液を用いて多孔質シリコン酸化層８１を除
去する。その際、ＳｉＯ₂マスク６２も除去することで
Ｓｉ基板１は断面形状が台形状のシリコン突出領域２１
を複数有する構造となる。ここで、先に説明したよう
に、弗酸などのエッチング液を用いた場合、多孔質シリ
コン酸化層８１とＳｉＯ₂マスク６２とではエッチング
速度に大きな違いがあるが、エッチング時間を長くする
などしてＳｉＯ₂２を除去することは可能である。な
お、Ｓｉ₃Ｎ₄マスク９は弗酸には侵されないので、台形
状のシリコン突出領域２１の上面にはＳｉ₃Ｎ₄マスク９
が残る。

【００５２】次に図１７に示す工程において、台形状の
シリコン突出領域２１を有するＳｉ基板１を酸素雰囲気
中で熱酸化することによりＳｉ基板１の表面内に熱酸化
層３１を形成する。その際、台形状のシリコン突出領域
２１の両側面内に形成される熱酸化層３１が、Ｓｉ₃Ｎ₄
マスク９の直下において互いに接触するように留意す
る。そのためには、Ｓｉ₃Ｎ₄マスク９の平面寸法、Ｓｉ
基板１のエッチング深さと横方向への広がりを考慮し
て、熱酸化層の形成条件を適切に選ぶ。

【００５３】次に図１８に示す工程において、ＳｉＯ層
４１を全体に渡って形成し、ＳｉＯ層４１の上にＭｏ層
５１を連続的に形成する。これらの形成方法として真空
蒸着法のような粒子の平均自由行程の大きい方法を採用
する。この方法では、蒸発源から飛散した被着粒子は直
進するので、ＳｉＯ層４１およびＭｏ層５１はＳｉ₃Ｎ₄
マスク９の上面上と、Ｓｉ₃Ｎ₄マスク９によって覆われ
ていない熱酸化層３１上、すなわち被着粒子の進行が遮
蔽されていない部分とで段差を有して形成されることに
なる。そして、図１８に示すように、当該段差部の境界
においては、Ｓｉ₃Ｎ₄マスク９の上面上に形成されたＳ
ｉＯ層４１およびＭｏ層５１と、それ以外の部分に形成
されたＳｉＯ層４１およびＭｏ層５１とは隙間を有して
不連続となっている。

【００５４】ここで、次の工程において行われるリフト
オフのスペーサとなるＳｉ₃Ｎ₄マスク９は、台形状のシ
リコン突出領域２１の上面上から張り出す部分が少なく
なるように形成されているので、Ｓｉ₃Ｎ₄マスク９の上
面上以外におけるＳｉＯ層４１およびＭｏ層５１が、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄マスク９の張り出し部分に妨げられることなく形
成され、ＳｉＯ層４１およびＭｏ層５１の断面形状を矩
形形状とすることができる。

【００５５】次に図１９に示す工程において、Ｓｉ₃Ｎ₄
マスク９上のＳｉＯ層４１およびＭｏ層５１リフトオフ
を行うが、この場合、燐酸などのエッチング液を用いる
ことでＳｉ₃Ｎ₄マスク９以外の部分は化学的に侵される
ことはなく、Ｓｉ₃Ｎ₄マスク９のみが除去される。

【００５６】次に図２０に示す工程において、弗酸など
のエッチング液を用いてウエットエッチングにより露出
した熱酸化層３１を除去することで、先端部が先鋭な冷
陰極２が複数個近接して配置された構成の冷陰極素子２
００が得られる。

【００５７】＜特徴的作用効果＞以上説明した本発明に
係る冷陰極素子の製造方法の実施の形態２によれば、Ｓ
ｉ基板１を選択的に陽極化成するためのマスク、すなわ
ちＳｉＯ₂マスク６２と、ＳｉＯ層４１およびＭｏ層５
１の選択形成のためのマスク、すなわちＳｉ₃Ｎ₄マスク
９をそれぞれ形成する。ここで、Ｓｉ₃Ｎ₄マスク９を、
台形状のシリコン突出領域２１の上面上から張り出す部
分が少なくなるように形成することで、Ｓｉ₃Ｎ₄マスク
９の上面上以外におけるＳｉＯ層４１およびＭｏ層５１
が、Ｓｉ₃Ｎ₄マスク９の張り出し部分に妨げられること
なく形成されるので、ゲート電極が形成できないといっ
た不具合が防止され、冷陰極２を複数個近接して配置
し、冷陰極の密度を高めた構成の冷陰極素子の製造を確
実に行うことができる。

【００５８】なお、ＳｉＯ₂マスク６２およびＳｉ₃Ｎ₄
マスク９を形成するためには、それぞれ異なるＲＩＥ装
置を使用するが、Ｓｉ₃Ｎ₄マスク９の厚さは、例えば１
０００オングストローム程度であり、Ｓｉ基板を１μｍ
程度エッチングする必要があった従来の製造方法に比べ
てエッチングが容易となり、エッチングに費やす時間を
低減して、冷陰極素子の製造コストを低減できるという
利点も有している。

【００５９】

【発明の効果】本発明に係る請求項１記載の冷陰極素子
の製造方法によれば、工程(ｂ)においてシリコン基板の
表面内に多孔質シリコン層を形成し、工程(ｃ)において
当該多孔質シリコン層を酸化して多孔質シリコン酸化層
とするので、工程(ｄ)における多孔質シリコン酸化層の
除去にはコスト的に安価なウエットエッチング法を使用
することができ、ＲＩＥ法によりシリコン基板を直接に
エッチングしてシリコン突出領域を形成する場合に比べ
て冷陰極素子の製造コストを低減できる。

【００６０】本発明に係る請求項２記載の冷陰極素子の
製造方法によれば、マスク層上に形成された絶縁層およ
び金属層をマスク層と共に除去するので、絶縁層および
金属層を個々に除去する場合に比べて工程を簡略化でき
る。

【００６１】本発明に係る請求項３記載の冷陰極素子の
製造方法によれば、マスク層をＳｉＯ₂で形成し、絶縁
層をＳｉＯで形成するので、例えば弗酸などを用いるこ
とで絶縁層を侵さずにマスク層および絶縁層に覆われて
いない熱酸化層のみを除去することが可能となる。

【００６２】本発明に係る請求項４記載の冷陰極素子の
製造方法によれば、第１および第２のマスク層をシリコ
ン突出領域形成のために使用し、第１のマスク層よりも
小さい第２のマスク層のみを絶縁層および金属層の選択
形成のために使用するので、複数個のシリコン突出領域
が近接して形成される場合に、近接する第２のマスク層
間の間隔が狭くて、絶縁層および金属層の形成が妨げら
れるといった問題が解消され、ゲート電極となるべき金
属層が形成できないといった不具合が防止されるので、
冷陰極を複数個近接して配置し、冷陰極の密度を高めた
構成の冷陰極素子の製造を確実に行うことができる。ま
た、工程(ｄ)における多孔質シリコン酸化層の除去には
コスト的に安価なウエットエッチング法を使用すること
ができ、ＲＩＥ法によりシリコン基板をエッチングして
シリコン突出領域を形成する場合に比べて冷陰極素子の
製造コストを低減できる。

【００６３】本発明に係る請求項５記載の冷陰極素子の
製造方法によれば、第１のマスク層上に形成された絶縁
層および金属層を第１のマスク層と共に除去するので、
絶縁層および金属層を個々に除去する場合に比べて工程
を簡略化できる。

【００６４】本発明に係る請求項６記載の冷陰極素子の
製造方法によれば、第１のマスク層をＳｉ₃Ｎ₄で形成
し、第２のマスク層をＳｉＯ₂で形成し、絶縁層をＳｉ
Ｏで形成するので、工程(ｄ)において、例えば弗酸など
を用いることで第１のマスク層を侵すことなく、多孔質
シリコン酸化層および第２のマスク層をともに除去する
ことができ、工程(ｇ)において、例えば燐酸などを用い
ることで絶縁層を侵さずに第１のマスク層のみを除去す
ることが可能となる。

【００６５】本発明に係る請求項７記載の冷陰極素子の
製造方法によれば、シリコン基板の多孔質化に、装置構
成、工程において比較的簡便な陽極化成法を用いるの
で、冷陰極素子の製造コストを低減できる。

【００６６】本発明に係る請求項８記載の冷陰極素子の
製造方法によれば、シリコン基板の多孔質化のためのよ
り具体的な構成が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施の
形態１の１工程を説明する図である。

【図２】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施の
形態１の１工程を説明する図である。

【図３】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施の
形態１の１工程を説明する図である。

【図４】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施の
形態１の１工程を説明する図である。

【図５】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施の
形態１の１工程を説明する図である。

【図６】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施の
形態１の１工程を説明する図である。

【図７】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施の
形態１の最終工程を説明する図である。

【図８】 冷陰極を複数個近接して有する冷陰極素子を
製造する１工程を説明する図である。

【図９】 冷陰極を複数個近接して有する冷陰極素子を
製造する１工程を説明する図である。

【図１０】 冷陰極を複数個近接して有する冷陰極素子
を製造する１工程を説明する図である。

【図１１】 冷陰極を複数個近接して有する冷陰極素子
を製造する最終工程を説明する図である。

【図１２】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施
の形態２の１工程を説明する図である。

【図１３】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施
の形態２の１工程を説明する図である。

【図１４】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施
の形態２の１工程を説明する図である。

【図１５】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施
の形態２の１工程を説明する図である。

【図１６】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施
の形態２の１工程を説明する図である。

【図１７】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施
の形態２の１工程を説明する図である。

【図１８】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施
の形態２の１工程を説明する図である。

【図１９】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施
の形態２の１工程を説明する図である。

【図２０】 本発明に係る冷陰極素子の製造方法の実施
の形態２の最終工程を説明する図である。

【図２１】 一般的な冷陰極素子の構成を説明する図で
ある。

【図２２】 一般的な冷陰極素子の従来の製造方法の１
工程を説明する図である。

【図２３】 一般的な冷陰極素子の従来の製造方法の１
工程を説明する図である。

【図２４】 一般的な冷陰極素子の従来の製造方法の１
工程を説明する図である。

【図２５】 一般的な冷陰極素子の従来の製造方法の１
工程を説明する図である。

【符号の説明】

１ Ｓｉ基板、３，３１ 熱酸化層、４，４１ ＳｉＯ
層、５，５１ Ｍｏ層、６，６１，６２ ＳｉＯ₂マス
ク、７，７１ 多孔質シリコン層、８，８１多孔質シリ
コン酸化層、９ Ｓｉ₃Ｎ₄マスク、２１ シリコン突出
領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥田 莊一郎 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 (ａ)シリコン基板の主面上に選択的にマ
   スク層を形成する工程と、 (ｂ)前記マスク層を選択マスクとして、前記シリコン基
   板の表面内を選択的に所定の厚さに多孔質化して多孔質
   シリコン層を形成することで、前記シリコン基板の前記
   マスク層下部の表面内に、断面形状がほぼ台形状のシリ
   コン突出領域を形成する工程と、 (ｃ)前記多孔質シリコン層を酸化して多孔質シリコン酸
   化層を形成する工程と、 (ｄ)前記多孔質シリコン酸化層を除去して、前記シリコ
   ン突出領域の表面を含む前記シリコン基板の表面を露出
   させる工程と、 (ｅ)前記シリコン突出領域の表面を含む前記シリコン基
   板の表面内に所定の厚さの熱酸化層を形成する工程と、 (ｆ)前記マスク層を選択マスクとして、前記熱酸化層上
   に選択的に絶縁層、金属層を順に形成する工程と、 (ｇ)前記絶縁層に覆われていない前記熱酸化層、前記マ
   スク層を除去して、冷陰極およびゲート電極を形成する
   工程とを備える冷陰極素子の製造方法。
2. 【請求項２】 前記工程(ｇ)は、前記マスク層上に形成
   された前記絶縁層および前記金属層を、前記マスク層と
   共に除去する工程を有する請求項１記載の冷陰極素子の
   製造方法。
3. 【請求項３】 前記工程(ａ)は、 前記マスク層をＳｉＯ₂で形成する工程を有し、 前記工程(ｆ)は、 前記絶縁層をＳｉＯで形成する工程を有する請求項１記
   載の冷陰極素子の製造方法。
4. 【請求項４】 (ａ)シリコン基板の主面上に選択的に第
   １のマスク層を形成した後、前記第１のマスク層を覆う
   ように選択的に第２のマスク層を形成する工程と、 (ｂ)前記第１および第２のマスク層を選択マスクとし
   て、前記シリコン基板の表面内を選択的に所定の厚さに
   多孔質化して多孔質シリコン層を形成することで、前記
   シリコン基板の前記第１および第２のマスク層下部の表
   面内に、断面形状がほぼ台形状のシリコン突出領域を形
   成する工程と、 (ｃ)前記多孔質シリコン層を酸化して多孔質シリコン酸
   化層を形成する工程と、 (ｄ)前記多孔質シリコン酸化層および前記第２のマスク
   層を除去して、前記シリコン突出領域の表面を含む前記
   シリコン基板の表面を露出させる工程と、 (ｅ)前記シリコン突出領域の表面を含む前記シリコン基
   板の表面内に所定の厚さの熱酸化層を形成する工程と、 (ｆ)前記第１のマスク層を選択マスクとして、前記熱酸
   化層上に選択的に絶縁層、金属層を順に形成する工程
   と、 (ｇ)前記第１のマスク層、前記絶縁層に覆われていない
   前記熱酸化層を除去して、冷陰極およびゲート電極を形
   成する工程とを備える冷陰極素子の製造方法。
5. 【請求項５】 前記工程(ｇ)は、 前記第１のマスク層上に形成された前記絶縁層および前
   記金属層を、前記第１のマスク層と共に除去する工程を
   有する請求項４記載の冷陰極素子の製造方法。
6. 【請求項６】 前記工程(ａ)は、 前記第１のマスク層をＳｉ₃Ｎ₄で形成する工程と、 前記第２のマスク層をＳｉＯ₂で形成する工程とを有
   し、 前記工程(ｆ)は、 前記絶縁層をＳｉＯで形成する工程を有する請求項４記
   載の冷陰極素子の製造方法。
7. 【請求項７】 前記工程(ｂ)は、 （ｂ−１）陽極化成法によって前記シリコン基板を多孔
   質化する工程を有する請求項１または請求項４記載の冷
   陰極素子の製造方法。
8. 【請求項８】 前記工程(ｂ−１)は、 弗酸、水、エチルアルコールを主成分として含む溶液内
   において、前記シリコン基板を陽極とし、対電極となる
   陰極との間に電流を流す工程を含む請求項７記載の冷陰
   極素子の製造方法。