KR100250487B1

KR100250487B1 - Fabrication method of tips for field emission device

Info

Publication number: KR100250487B1
Application number: KR1019970060287A
Authority: KR
Inventors: 강승열; 이진호; 송윤호; 조경익
Original assignee: 정선종; 한국전자통신연구원
Priority date: 1997-11-15
Filing date: 1997-11-15
Publication date: 2000-04-01
Also published as: KR19990040010A

Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a tip of a field emission component is provided to realize a tip in an electric field emission component with a low work function. CONSTITUTION: In a method for manufacturing a tip of an electric field emission component, a metal conductive board(21), a tip(22) and a transition metal(23A) are included. The tip(22) of the conic type is formed by using the E-beam evaporation on the metal conductive board(21) as molybdenum(Mo). The transition metal(23A) is layed on the upper part of the formed tip(22). In the transition metal(23A), titanium(Ti), tantalum(Ta) and zirconium(Zr) are included. The work-function of titanium(Ti) is 4.0 eV and that of tantalum(Ta) is 4.12 eV and that of zirconium(Zr) is 3.9 eV and they are high values, which don't have much difference from silicon of 4.5 eV.

Description

전계 방출 소자의 팁 제조 방법Method for manufacturing tips of field emission devices

본 발명은 전계 방출 소자(field emitter device)의 제조 방법에 관한 것으로 특히, 전계 방출 전압을 낮추고 방출 전류량을 늘리기 위한 팁 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a field emitter device, and more particularly, to a method for manufacturing a tip for lowering the field emission voltage and increasing the amount of emission current.

일반적으로 전기장은 뾰족한 부분에서 그 크기가 커지게 되는데, 전계 방출 소자에서는 이러한 성질을 이용하여 뽀족한 음극(cathod) 팁을 만들어 게이트 전극(gate electrode)에 전압을 가해 전자를 방출 하도록 한다. 그런데 팁은 그 첨예화 정도 및 구성 물질의 일함수(work function)에 따라 방출되는 전류량과 이를 일으키는 동작 개시전압(turn-on)이 좌우된다. 즉, 팁의 끝이 뾰족하고 일함수가 낮을수록 동작 개시전압은 낮아지고 그에 따라 방출 전류량도 커지게 된다.In general, the electric field is large in a sharp point, the field emission device uses this property to make a sharp cathode (cathod) tip to apply a voltage to the gate electrode to emit electrons. However, the tip depends on the degree of sharpening and the work function of the constituent material, and the amount of current to be emitted and the turn-on that causes it. In other words, the sharper the tip and the lower the work function, the lower the start voltage and the greater the amount of emission current.

도면을 통하여 설명하자면, 도 1은 종래의 기술에 의한 전계 방출 소자의 팁 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도이다. 전도성 기판(11) 상부에 끝이 뾰족하도록 제조된 전계 방출 소자의 팁(12)은 금속으로 만드는 경우가 있고, 다이아몬드, 다이아몬드상 탄소 및 GaN 등을 사용하여 제조하기도 한다. 그러나 이러한 물질은 성장이 어려워 팁(12)을 형성하는데 문제점이 발생하고, 팁(12)의 수명도 길지 않다. 따라서 몰리브덴(Mo)과 같은 금속으로 제조된 팁(12) 위에 세슘(Cs)과 같은 낮은 일함수를 갖는 물질을 얇게 증착하여 결과적으로 낮은 일함수를 갖는 팁(12)을 제조하기도 한다. 최근에는 반도체 공정을 이용하여 실리콘으로 팁(12)을 제조하기도 하는데, 발달된 반도체 기술을 이용할 수 있고, 주변의 동작 회로를 같은 기판(11) 위에 형성시킬 수 있는 장점이 있으나, 안정성이 떨어져 장시간 전기장을 가하는 경우 쉽게 열화되는 특성이 있다.Referring to the drawings, Figure 1 is a cross-sectional view for explaining a tip manufacturing method of the field emission device according to the prior art. The tip 12 of the field emission device manufactured to have a sharp tip on the conductive substrate 11 may be made of metal, and may be manufactured using diamond, diamond-like carbon, GaN, or the like. However, these materials are difficult to grow, which causes problems in forming the tips 12, and the life of the tips 12 is not long. Accordingly, a thin deposit of a material having a low work function such as cesium (Cs) on the tip 12 made of a metal such as molybdenum (Mo) may result in the production of a tip 12 having a low work function. Recently, the tip 12 may be manufactured from silicon using a semiconductor process, but an advanced semiconductor technology may be used, and an adjacent operation circuit may be formed on the same substrate 11. When an electric field is applied, it is easily deteriorated.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하여 제조가 용이하고 낮은 일함수를 갖는 전계 방출 소자의 팀을 제조하는데 그 목적이 있다.The present invention aims to solve the above problems and to manufacture a team of field emission devices that are easy to manufacture and have a low work function.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 팁 제조 방법은, 전도성 기판 상부에 원추형 팁을 형성하고, 전체 구조 상부에 천이금속을 증착하는 단계와, 급속 열처리 방법 및 플라즈마 처리 방법 중 어느 하나를 사용하여 상기 천이금속을 질화시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a tip of a field emission device, the method including: forming a conical tip on an upper portion of a conductive substrate, depositing a transition metal on the entire structure, and performing a rapid heat treatment method and a plasma treatment method. It characterized by comprising the step of nitriding the transition metal using any one.

도 1은 종래의 기술에 의한 전계 방출 소자의 팁 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view for explaining a tip manufacturing method of a field emission device according to the prior art.

도 2(a) 및 도 2(b)는 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 팁 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도.2 (a) and 2 (b) are cross-sectional views for explaining the tip manufacturing method of the field emission device according to the present invention.

도 3(a) 및 도 3(b)는 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 팁 제조 방법에 대한 실시 예.3 (a) and 3 (b) is an embodiment of a tip manufacturing method of the field emission device according to the present invention.

도 4(a) 및 도 4(b)는 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 팁 제조 방법에 대한 또다른 실시 예.4 (a) and 4 (b) is another embodiment of a method for manufacturing a tip of a field emission device according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

11, 21, 31 및 41 : 전도성 기판 12, 22, 32 및 42 : 팁11, 21, 31, and 41: conductive substrates 12, 22, 32, and 42: tips

23A, 23B, 35 및 43 : 천이금속 33 및 44 : 절연막23A, 23B, 35, and 43: transition metals 33 and 44: insulating film

34A, 34B 및 45 : 게이트 전극34A, 34B, and 45: gate electrode

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 2(a) 및 도 2(b)는 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 팁 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도이고, 도 3(a), 도 3(b), 도 4(a) 및 도 4(b)는 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 팁 제조 방법에 대한 실시 예이다.2 (a) and 2 (b) are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a tip of a field emission device according to the present invention, and FIGS. 3 (a), 3 (b), 4 (a) and FIG. Figure 4 (b) is an embodiment of the tip manufacturing method of the field emission device according to the present invention.

도 2(a)에 도시된 것과 같이 몰리브덴(Mo)과 같은 금속 전도성 기판(21)에 E-빔 발산(E-beam evaporation) 방법을 이용하여 원추형 팁(22)을 형성한다. 전도성 기판(21)으로 실리콘을 이용하는 경우는 실리콘을 일부 식각하여 도면과 같은 팁(22)을 형성한다. 형성된 팁(22)의 상부에 반도체 공정에서 일반적으로 사용되는 천이 금속(23A)을 증착한다. 이 때 천이 금속(23A)은 증착이 용이한 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 및 지르코늄(Zr) 등이 포함된다. 이러한 천이 금속(23A)들의 일함수는 타이타늄이 4.0 eV, 탄탈륨이 4.12 eV, 지르코늄이 3.9 eV로써 4.5 eV의 실리콘과 그다지 차이가 나지 않는 높은 값이다. 따라서 일함수를 낮게 변화시키는 공정이 요구되고 있다.As shown in FIG. 2A, the conical tip 22 is formed on the metal conductive substrate 21 such as molybdenum (Mo) by using an E-beam evaporation method. When silicon is used as the conductive substrate 21, silicon is partially etched to form a tip 22 as shown in the drawing. The transition metal 23A generally used in the semiconductor process is deposited on the formed tip 22. At this time, the transition metal 23A includes titanium (Ti), tantalum (Ta), zirconium (Zr), and the like which are easily deposited. The work function of these transition metals 23A is 4.0 eV of titanium, 4.12 eV of tantalum, and 3.9 eV of zirconium, which is a high value that does not differ from 4.5 eV of silicon. Therefore, a process for changing the work function low is required.

도 2(b)는 이러한 요구에 따라, 암모니아 또는 질소 분위기의 급속 열처리 방법을 이용하여 천이금속(23A)을 질화 처리한 단면도이다. 이러한 방법으로 질화된 천이금속(23B)은 원래의 천이금속에 비하여 낮은 일함수를 갖게 된다. 즉, 질화타이타늄(TiN)의 일함수는 2.92 eV, 질화탄탈륨(TaN)은 2.2 eV, 질화지르코늄(ZrN)은 2.92 eV 로써, 월등히 낮은 일함수를 갖게 됨을 알 수 있다. 이러한 질화처리된 천이금속(23B)은 기계적 강도가 뛰어나고 녹는점이 높아서 많은 전류가 흘러 열이 발생하여도 안정성이 뛰어나고, 전기전도성도 뛰어난 장점을 가지고 있다. 질화 공정에 있어서 급속 열처리 방법 대신 플라즈마 처리에 의한 방법이 이용되기도 하는데, 이 방법은 일함수를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 팁 표면의 불순물도 함께 제거되어 소자의 안전적인 동작에 도움이 된다.2B is a cross-sectional view of nitriding the transition metal 23A using a rapid heat treatment method in an ammonia or nitrogen atmosphere in accordance with such a request. The transition metal 23B nitrided in this manner has a lower work function than the original transition metal. That is, it can be seen that the work function of titanium nitride (TiN) is 2.92 eV, the tantalum nitride (TaN) is 2.2 eV, and the zirconium nitride (ZrN) is 2.92 eV. The nitrided transition metal 23B has an excellent mechanical strength and a high melting point, so that even when a large amount of current flows, heat is excellent, and electrical conductivity is also excellent. In the nitriding process, a method of plasma treatment may be used instead of the rapid heat treatment method, which not only lowers the work function but also removes impurities from the tip surface, thus helping to safely operate the device.

위와 같은 방법으로 제조된 팁을 삼극구조(triode) 형태의 전계 방출 소자에 적용하는 방법을 설명하고자 한다.It will be described how to apply the tip manufactured by the above method to the triode-type field emission device.

도 3(a)에 도시된 것과 같이, 전도성 기판(31) 상부에 팁(32)을 형성한 후, 절연막(33) 및 게이트 전극(34A)을 순차로 형성한다.As shown in FIG. 3 (a), after the tip 32 is formed on the conductive substrate 31, the insulating film 33 and the gate electrode 34A are sequentially formed.

다음 공정으로 본 발명에 따른 방법을 이용하여 팁(32) 상부에 천이금속을 증착하고 질화 처리를 실시한다. 도 3(b)는 질화 처리 후의 단면도로써, 질화된 천이금속(35)과 게이트 전극(34A)의 상부 노출된 표면이 질화되어 질화막(34B)이 형성되어 있음을 알 수 있다. 게이트 전극(34A) 표면에 생성된 질화막(34B)은 전계 방출 소자를 완성하는 이 후의 공정에서 식각되는데, 제조 공정에 따라 식각 공정이 용이하지 않은 경우 다음과 같은 방법으로 제조할 수도 있다.In the next step, a transition metal is deposited on the tip 32 using a method according to the present invention and subjected to nitriding. FIG. 3B is a cross-sectional view after the nitriding process, and it can be seen that the nitrided film 34B is formed by nitriding the upper exposed surface of the nitrided transition metal 35 and the gate electrode 34A. The nitride film 34B formed on the surface of the gate electrode 34A is etched in a subsequent process of completing the field emission device. If the etching process is not easy according to the manufacturing process, it may be manufactured by the following method.

도 4(a) 및 도 4(b)는 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 팁 제조 방법에 대한 또다른 실시 예로써, 먼저 도 4(a)와 같이, 팁이 형성된(42) 전도성 기판(41)에 천이금속(43)을 증착한 후, 질화처리하여 일함수가 낮은 팁을 형성한 후, 도 4(b)에 도시된 것과 같이, 절연막(44) 및 게이트 전극(45)을 형성할 수도 있다.4 (a) and 4 (b) is another embodiment of the method for manufacturing a tip of the field emission device according to the present invention. First, as shown in FIG. 4 (a), the tip is formed 42, the conductive substrate 41 After depositing the transition metal (43) in (), and then nitriding to form a tip having a low work function, as shown in Figure 4 (b), the insulating film 44 and the gate electrode 45 may be formed have.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전도성 기판 위에 금속이나 실리콘을 이용하여 팁을 형성하고, 그 위에 천이금속과 같이 증착이 용이한 물질을 얇게 증착한 후, 이것을 급속 열처리 또는 플라즈마 처리를 이용하여 낮은 일함수를 갖는 질화막으로 변환시키다. 따라서 종래의 기술에 의해 제조된 팁보다 증착 두께가 얇기 때문에 균일성 확보가 쉽다. 또한 열적 안정성과 물리적 강도가 크므로 오랜 시간동안 전계 방출을 시켜도 안정적인 동작을 유지할 수 있다.As described above, according to the present invention, a tip is formed on the conductive substrate by using metal or silicon, and a thin layer of an easy-to-deposit material such as transition metal is deposited on the conductive substrate, and then a low temperature is formed by rapid heat treatment or plasma treatment. Convert to nitride film with work function Therefore, since the deposition thickness is thinner than the tip manufactured by the prior art, it is easy to ensure uniformity. In addition, the thermal stability and physical strength is large, it can maintain a stable operation even if the field emission for a long time.

이러한 팁의 안정성은 전계 방출 소자를 디스플레이에 이용하는 경우 낮은 전압에서 높은 전류량을 얻을 수 있도록 하므로 저전력화가 가능하도록 하는 탁월한 효과가 있다.The stability of these tips allows the use of field emission devices in displays to achieve high currents at low voltages, resulting in lower power.

Claims

전도성 기판 상부에 원추형 팁을 형성하고, 전체 구조 상부에 천이금속을 증착하는 단계와,Forming a conical tip over the conductive substrate and depositing a transition metal over the entire structure;

급속 열처리 방법 및 플라즈마 처리 방법 중 어느 하나를 사용하여 상기 천이금속을 질화시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자의 팁 제조 방법.Nitriding the transition metal using any one of a rapid heat treatment method and a plasma treatment method.

제 1 항에 있어서,The method of claim 1,

상기 전도성 기판은 금속이고, 상기 원추형 팁은 전도성 기판에 E-빔 발산 방법을 적용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자의 팁 제조 방법.The conductive substrate is a metal, and the conical tip is a tip manufacturing method of the field emission device, characterized in that formed by applying the E-beam divergence method on the conductive substrate.

제 1 항에 있어서,The method of claim 1,

상기 전도성 기판은 실리콘이고, 상기 원추형 팁은 전도성 기판의 일부를 식각하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자의 팁 제조 방법.The conductive substrate is silicon, and the conical tip is formed by etching a portion of the conductive substrate tip manufacturing method of the field emission device.

제 1 항에 있어서,The method of claim 1,

천이 금속은 타이타늄, 탄탈륨 및 지르코늄중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자의 팁 제조 방법.And the transition metal is any one of titanium, tantalum and zirconium.

제 1 항에 있어서,The method of claim 1,

상기 급속 열처리 방법 및 플라즈마 처리 방법은 암모니아 가스 및 질소 가스 분위기 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자의 팁 제조 방법.The rapid heat treatment method and the plasma treatment method is a tip manufacturing method of the field emission device, characterized in that using at least one of ammonia gas and nitrogen gas atmosphere.