KR100343214B1

KR100343214B1 - 전계방출소자의제조방법

Info

Publication number: KR100343214B1
Application number: KR1019950006749A
Authority: KR
Inventors: 김종민
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 2002-11-13
Also published as: US5825126A; KR960035718A; US5772904A; JP3987591B2; JPH08273526A

Abstract

본 발명은 전계 방출 소자(field emission device)의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 음전자 친화력에 의해 낮은 일함수를 갖는 다이아몬드 박막을 마이크로-팁 형성에 사용한 다이아몬드 박막 팁을 갖는 전계 방출 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

본 방법에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법은 음전자 친화력에 의한 일함수가 낮은 다이아몬드 혹은 다이아몬드 유사 탄소를 이용하여 전자 방출용의 마이크로-팁을 제작함으로써, 아주 낮은 게이트 전압에도 전자 방출이 쉽게 일어날 뿐 만 아니라 평판형 팁의 제작도 가능하므로, 균일한 팁 형성이 용이하여 대면적의 소자를 만들기 쉬운 장점이 있다.

Description

전계 방출 소자의 제조 방법{manufacturing method of field emission device}

제1도는 종래의 수직 구조 전계 효과 전자 방출 소자의 수직 단면도이다. 여기서 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.

유리 기판(1), 이 유리 기판(1) 상에 형성된 음극(2), 이 음극(2)상에 형성된 전계 방출용의 마이크로-팁(2'), 이 마이크로-팁(2')을 에워쌓는 홀을 갖도록 상기 음극(2) 상에 형성된 절연체층(3), 마이크로-팁(2')의 상부에 전계 방출이 가능하도록 하는 개구를 갖도록 절연체층(3) 상에 형성된 게이트(4) 및 위의 마이크로-팁(2')로부터 방출되는 전자들이 적당한 운동 에너지로 형광체층(6)에 부딪힐 수 있도록 끌어 당겨주는 양극(5)으로 구성되어 있다.

이와 같이, 제1도에 도시된 바와 같은 수직 구조 전계 방출 소자의 마이크로-팁은 그 끝이 뾰족하지 않으면 안된다. 또한, 마이크로-팁으로부터의 전자 빔의 흐름이 게이트의 개구 사이즈에 따라 결정되므로, 수십nm의 마이크로-팁 형성 기술 즉, 팁 사이즈(반경) 및 게이트 개구(gate aperture) 에칭 기술은 고도의 서브미크론(submicron)의 미세공정이 필요하다. 그러므로, 공정상의 균일성 (uniformity) 및 대면적 응용시의 수율에 문제가 따르며, 이때 개구가 커지면 게이트 바이어스의 레벨이 높아져서 고전압이 필요하게 된다. 더욱이, 이와 같은 수직구조의 전계 방출 소자의 마이크로-팁은 일함수가 대체적으로 높아서 아주 높은 게이트 전극의 전압 구동이 필요한 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 일함수가 낮아서 낮은 구동 전압에서도 전자를 방출할 수 있는 마이크로-팁을 가지며, 대면적 응용시에도 수율이 높은 전계 방출 소자의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법은,

기판 상에 음극층을 증착 패턴하는 단계;

상기 음극 패턴 상에 비정질 실리콘을 증착시켜 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;

상기 비정질 실리콘층 상에 다이아몬드를 증착시켜 다이아몬드 박막을 형성하는 단계;

상기 다이아몬드 박막 상에 마스크층을 형성한 다음 식각하여 패턴하는 마스크 형성 단계;

상기 마스크를 이용하여 상기 다이아몬드 박막을 등방성 식각하여 다이아몬드 팁을 형성하는 단계;

상기 비정질 실리콘층을 식각하여 상기 다이아몬드 팁 지지부재를 형성하는 단계;

상기 다이아몬드 팁 지지부재 주위에 절연물질을 성장시켜 절연체층을 형성하는 단계;

상기 절연체층 상에 금속을 증착시켜 게이트층을 형성하는 단계;

그리고 상기 마스크를 식각하여 상기 다이아몬드 마이크로-팁 상부의 상기 절연물질 및 게이트층을 제거하는 마스크 식각 단계;를

포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 다이아몬드 박막 대신에 다이아몬드 유사 탄소막을 형성하는 것이 바람직하며,

상기 비정질 실리콘층 형성 단계는 전자빔 증착법 또는 스퍼트링법을 사용하는 것이 바람직하며,

상기 다이아몬드 박막 또는 상기 다이아몬드 유사 탄소막을 형성하는 단계는 강화 플라즈마 화학 증착법을 사용하는 것이 바람직하며,

상기 마스크 형성 단계는 리프트-오프 기법 또는 화학 식각법으로 이루어지는 것이 바람직하며,

상기 다이아몬드 팁을 형성하는 단계에서 등방성 식각은 SF₆/0₂플라즈마를 사용하는 것이 바람직하며,

상기 다이아몬드 팁 지지부재를 형성하는 단계는 SF₆/O₂플라즈마를 사용하는 등방성 식각 공정 및 CF₄/0₂플라즈마를 사용하는 이방성 식각 공정을 포함하는 것이 바람직하며,

상기 절연체층을 형성하는 단계는 자기 정렬 마스크를 이용하여 전자빔 증착을 하는 것이 바람직하며,

상기 금속 마스크는 금속 화학 식각액 및 초음파 진동을 이용하여 제거하는 것이 바람직하며,

싱기 마스크 식각 단계 다음에 버퍼드 악사이드 에천트를 사용하여 상기 절연체층을 소정량 식각하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전계 효과 전자 방출 소자 및 그 제조 방법을 설명한다.

제2도는 본 발명에 따른 평판 다이아몬드 팁을 갖는 전계 효과 전자 방출 소자의 수직 단면도이고, 제3도는 본 발명에 따른 뾰족 다이아몬드 팁을 갖는 전계효과 전자 방출 소자의 수직 단면도이다. 이 도면들을 참조하면서 전계 효과 전자 방출 소자의 구조를 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 전계 방출 소자는 유리 기판(11) 상에 스트라이프 상으로 형성된 음극(12), 홀을 가진 절연체층(13), 개구를 가진 크롬 게이트(14)가 순차로 적층된다. 그리고 절연체층(13)의 홀 및 게이트(14)의 개구에는 전자 방출용의 다이아몬드 팁(12") 및 다이아몬드 지지부재(12')가 형성되고, 그 상부에는 상기 다이아몬드 팁과 일정한 간격을 두고 대향하며, 그 대향면 상에 음극(12)과 교차하는 방향의 스트라이프 상의 양극(15)이 형성된 전면 기판(미도시)이 마련된 구조로 이루어진다.

여기서, 음극(12)은 금속을 0.5㎛ 두께로 증착시켜 형성되고, 다이아몬드 지지부재(12')는 비정질 실리콘을 1.5～2 ㎛ 증착하여 형성되며, 다이아몬드 팁(12")은 5000～10000 Å 정도 두께의 박막을 형성한 다음 식각하여 형성된다.

또한, 제2도에 도시된 바와 같이, 평판 다이아몬드 팁을 사용하는 전계 방출 소자는 평판 다이아몬드 팁 (12")이 게이트(14)에 비해 높이 차이가 별로 없으면, 음극판(12)에서 전자 누설에 의한 누설 전류가 게이트(14)로 직접 빠져 나오기 때문에, 이를 방지하기 위하여 다이아몬드 팁 지지부재(12')의 높이를 게이트(14) 보다 높이고 게이트(14)를 부(-)전압으로 구동함으로써 전자 방출을 용이하게 하는 동시에 누설 전류를 줄인다.

한편, 이와 같은 지지부재의 높이 문제를 보완하기 위하여, 제3도에 도시된 바와 같이, 뾰족 다이아몬드 팁을 사용하면 전계 강화(field enhancement) 효과를얻을 수 있어 제2도의 평판 다이아몬드 팁을 사용하는 전계 효과 전자 방출 소자와 같이 지지부재(pedestal)를 높이지 않더라도 쉽게 공정을 할 수 있는 잇점이 있다. 이때 다이아몬드 박막을 플라즈마 식각으로 폭을 좁혀서 식각하면 뾰족한 형태의 다이아몬드 팁이 형성된다.

이와 같은 구조의 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법을 제4도 내지 제8도를 참조하면서 설명한다.

제4도 내지 제8도는 본 발명에 따른 다이아몬드 팁을 갖는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 공정별 수직 단면도이다.

먼저, 제4도에 도시된 바와 같이, 기판(11) 상에 금속을 증착하고 패턴하여 스트라이프 상의 음극층(12)을 형성하고, 이 음극 패턴(12) 상에 비정질 실리콘을 전자빔 증착법 또는 스퍼트링법을 사용하여 약 1.5～2 ㎛ 두께로 증착시켜 비정질 실리콘층(12')을 형성한다. 다음에 비정절 실리콘층(12') 상에 다이아몬드 또는 다이아몬드 유사 탄소를 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD: plasma enhanced chemical vapor deposition)법으로 다이아몬드 박막 혹은 다이아몬드 유사 탄소막(12")을 5000～10000 Å 두께로 형성하고, 그 상부에 리프트-오프 기법이나 화학식각법으로 크롬 마스크(17)를 형성한다.

다음에 마스크(17)를 이용하여 다이아몬드 박막(12")을 등방성 식각(isotropic etching)하여, 제5도에 도시된 바와 같이, 다이아몬드 팁(12')을 형성한다. 이 때 다이아몬드 박막은 SF₆/O₂플라즈마를 사용하여 등방성 식각한다.

다음에 비정질 실리콘층(12')을 먼저 SF₆/O₂플라즈마를 사용하여 적당하게 등방성 식각을 한 다음(이 때 다이아몬드와 실리콘의 식각 선택도는 낮을 수록 좋다), CF₄/0₂플라즈마를 사용하여 이방성 식각(anisotropic etching)을 행하여, 제6도에 도시된 바와 같이, 병모양의 다이아몬드 지지부재(12')를 형성한다.

다음에 다이아몬드 팁 지지부재(12") 주위에 각각 절연물질 및 금속을 전자빔 증착기로 증착시켜, 제7도에 도시된 바와 같이, 절연체층(13) 및 게이트(14)를 형성한다. 이 때 자기 정렬 마스크(self-aligned mask)가 이용된다.

다음에 크롬 마스크(17)를 식각하여 다이아몬드 마이크로-팁 (12") 상부의 절연물질(13') 및 게이트층(14')을 제거하여, 제8도에 도시된 바와 같이, 다이아몬드 팁이 노출되도록 한다. 이 때 크롬 마스크(17)는 금속 화학 식각액에 기판을 담군 상태에서 초음파 진동을 식각액에 가하는 방법을 사용한다.

다음에 기판을 버퍼드 악사이드 에천트(BOE; buffered oxide etchant)에 넣어 절연체층을 약간 식각해 낸 다음, 상기 다이아몬드 팁이 형성된 배면 기만(11)과 일정한 간격을 두고 대량되도록 음극과 교차하는 방향의 스트라이프 상의 양극(15)이 형성된 전면 기판(미도시)을 배치하고 그 가장자리를 밀봉하여 내부를 진공 상태로 만들어 소자를 완성한다.

이상과 같이 제작된 전계 효과 전자 방출 소자는, 제8도에 도시된 바와 같이, 그 내부를 10^-6～10^-7torr 이하의 진공 상태로 한 다음, 게이트 전극에 바이어스 전압을 가하고 음극을 접지하여 양극에 적당한 전원 전압(Va)을 인가하면 다이아몬드 팁에 강전계가 발생되어 팁에서 전자들이 방출된다. 이 전계 효과 전자 방출 소자는 평판 표시 소자, 초고주파 응용 소자, SEM, E-beam 응용 소자 마이크로 센서 등에 응용될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전계 효과 전자 방출 소자 및 그 제조 방법은 음전자 친화력에 의한 일함수가 낮은 다이아몬드 혹은 다이아몬드 유사 탄소를 이용하여 전자 방출용의 마이크로-팁을 제작함으로써, 아주 낮은 게이트 전압에도 전자 방출이 쉽게 일어날 뿐만 아니라 평판형 팁의 제작도 가능하므로, 균일한 팁 형성이 용이하여 대면적의 소자를 만들기 쉬운 장점이 있다.

제1도는 종래의 전계 효과 전자 방출 소자의 수직 단면도이고,

제2도는 본 발명에 따른 평판 다이아몬드 팁을 갖는 전계 효과 전자 방출 소자의 수직 단면도이고,

제3도는 본 발명에 따른 뾰족 다이아몬드 팁을 갖는 전계 효과 전자 방출 소자의 수직 단면도이고,

제4도 내지 제8도는 본 발명에 따른 다이아몬드 팁을 갖는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 공정별 수직 단면도로서,

제4도는 크롬 마스크 형성후의 수직 단면도이며,

제5도는 플라즈마 식각에 의한 다이아몬드 팁 형성후의 수직 단면도이며,

제6도는 플라즈마 식각에 의한 실리콘의 이방성 및 등방성 기둥 형성 후의 수직 단면도이며,

제7도는 절연체층 및 금속을 증착한 후의 수직 단면도이며,

그리고 제8도는 형광체를 도포한 양극판을 설치하여 완성된 소자의 수직 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1. 배면 유리 기판 2. 음극(cathode)

2'. 마이 크로-팁 (음극) 3. 절연체층

4. 게이트 5. 양극판

6. 형광체

11. 배면 유리 기판 12. 음극(cathode)

12'. 실리콘층 (음극) 12". 다이아몬드-팁(음극)

13. 절연체층 13'. 절연체

14. 게이트 14'. 게이트 물질

15. 양극판 16. 형광체

17. 크롬 마스크

Claims

기판 상에 음극층을 증착 패턴하는 단계;

상기 음극 패턴 상에 비정질 실리콘을 증착시켜 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;

상기 비정질 실리콘층 상에 다이아몬드를 증착시켜 다이아몬드 박막을 형성하는 단계;

상기 다이아몬드 박막 상에 마스크층을 형성한 다음 식각하여 패턴하는 마스크 형성 단계;

상기 마스크를 이용하여 상기 다이아몬드 박막을 등방성 식각하여 다이아몬드 팁을 형성하는 단계;

상기 비정질 실리콘층을 식각하여 상기 다이아몬드 팁 지지부재를 형성하는 단계;

상기 다이아몬드 팁 지지부재 주위에 절연물질을 성장시켜 절연체층을 형성하는 단계;

상기 결연체층 상에 금속을 증착시켜 게이트층을 형성하는 단계;

그리고 상기 마스크를 식각하여 상기 다이아몬드 마이크로-팁의 상기 절연물질 및 게이트층을 제거하는 마스크 식각 단계;를

포함하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 다이아몬드 박막 대신에 다이아몬드 유사 탄소막을 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 비정질 실리콘층 형성 단계는 전자빔 증착법 또는 스퍼트링법을 사용하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 다이아몬드 박막 또는 상기 다이아몬드 유사 탄소막을 형성하는 단계는 강화 플라즈마 화학 증착법을 사용하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 마스크 형성 단계는 리프트-오프 기법 또는 화학 식각법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 다이아몬드 팁을 형성하는 단계에서 등방성 식각은 SF₆/0₂플라즈마를사용한는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 다이아몬드 팁 지지부재를 형성하는 단계는 SF₆/O₂플라즈마를 사용하는 등방성 식각 공정 및 CF₄/0₂플라즈마를 사용하는 이방성 식각 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 절연체층을 형성하는 단계는 자기 정렬 마스크를 이용하여 전자빔 증착을 하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 금속 마스크는 금속 화학 식각액 및 초음파 진동을 이용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 마스크 식각 단계 다음에 버퍼드 악사이드 에천트를 사용하여 상기 절연체층을 소정량 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.