KR100366694B1 - 다중팁전계방출소자의그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 팁 전계 방출 소자(field emission display) 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 평판 표시 소자(flat panel display)에 적용할 수 있도록 형성된 수많은 마이크로-팁에서 방출되는 방출 전류의 균일성(uniformity)을 대폭 개선할 수 있는 다중 팁 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 다중 팁 전계 방출 소자 및 그 제조 방법은 스트라이프 상의 음극들 하부에 티타늄 접착층을 형성하고 그 위의 텅스텐 음극들을 방사상으로 식각하고 그 하부의 티타늄 접착층을 선택적으로 식각하여 텅스텐 자체의 내부 스트레스에 의해 튀어 오르게 하여 다중 마이크로-팁을 형성하는 공정으로, 공정상 팁 끝의 사이즈를 임의로 조정할 수 있고, 또한 공정 자체가 텅스텐의 내부 스트레스와 BOE법의 특성을 이용하므로 재현성이 뛰어나며, 다중 팁이므로 출력 전류를 nA~mA 대의 광대역의 범위에서 조정 가능하며, 텅스텐-팁을 형성함으로써, 경도, 산화, 일함수 등에서 뛰어나고 전기적, 화학적, 기계적 내구성이 뛰어난 장점이 있다.

Description

다중 팁 전계 방출 소자의 그 제조 방법{manufacturing method of field emission device with multi-tips}

본 발명은 다중 팁 전계 방출 소자(field emission device)의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 평판 표시 소자(flat panel device)에 적용할 수 있도록 형성된 수많은 마이크로-팁에서 방출되는 방출 전류의 균일성(uniformity)을 대폭 개선할 수 있는 다중 팁 전계 방법 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

현재 기존 텔리비젼 수상기의 CRT(cathode ray tube)를 대신할 수 있는 화상 표시 소자로서 평면형 화상 표시 소자의 개발이 활발히 검토되어지고 있으며, 향후 벽걸이 텔리비젼 및 HDTV용 화상 표시 소자 적용을 목표로 하여 개발이 진행되고 있다. 이와 같은 평면형 화상 표시 소자로서는 액정 표시 소자(Liquid Crystal Device), 플라즈마 표시소자(Plasma Display Panel), 그리고 전계 방출 소자(Field Emission Device) 등이 있으며, 그 중에서 화면의 밝기 및 저소비 전력에 있어서 전계 방출 표시 소자가 크게 주목을 받고 있다.

제l도는 종래의 전계 방출 표시 소자의 수직 단면도이다. 여기서 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.

유리 기판(1), 이 유리 기판(1) 상에 스트라이프 상으로 형성된 음극(2)들, 음극(2)들 상에 어레이 구조로 다수 형성된 전계 방출용의 마이크로-팁(4)들, 이 마이크로-팁(4)들을 에워싸도록 상기 음극(2)들이 형성된 기판(1) 상에 형성된 절연충(3), 마이크로-팁(4)들의 상부에 전계 방출이 가능하도록 개구(6)를 가지도록 절연충(3) 상에 상기 음극(2)들과 서로 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 형성된게이트(5)들로 구성되어 있다.

이와 같은 구성의 전계 방출 표시 소자의 제조 방법에 있어서 수십 nm의 마이크로-팁 어레이 형성 기술 즉, 팁 사이즈(반경), 게이트의 개구사이즈에 따른 게이트 개구(gate aperature) 에칭 기술은 고도의 서브미크론(submicron)의 미세 공정이 필요하다. 그러나 이와 같은 공정을 하지 않으면 고압의 전압원이 필요로 되어 구동 바이어스 레벨이 높아지고, 또한 팁 반경 자체가 평판 표시 소자의 균일성에 큰 문제가 되므로 아주 까다로운 미세 공정이 필요하다.

즉, 마이크로-팁 반경 자체가 200 Å 이하로 작아져야 하고, 게이트와 마이크로-팁 간격이 서브미크론 단위 이하로 좁혀져야 한다.

그러나 실제의 공정에서는 막의 두께의 불균일성, 팁 형성에서의 불균일성 및 분할충(parting layer)의 공정상의 난점이 문제가 된다.

이러한 불균일성은 평판 표시 소자로 사용될 때 휘도의 불균일을 초래하고, 초고주파 소자로 사용될 때는 전류의 방출량에 문제가 생기게 된다(klystron, or gigatoon). 이와 같이 대용량의 전류 방출이 필요한 소자 초고주파 증폭기, 기타 전자 법 응용 기기 등에서는 많은 수의 마이크로-팁 어레이가 균일하게 제작되어야 하므로 균일성의 문제가 대두되어 제작 공정상 고수율을 얻기가 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 균일하게 전자를 방출할 수 있는 다중 팁 전계 방출 소자의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

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

기판 상에 접착층을 형성하는 단계;

상기 접착층 상에 스트라이프 상의 음극들을 형성하는 단계;

상기 음극들이 형성된 상기 기판 상에 전자-빔으로 알루미늄을 증착하는 단계;

상기 중착된 알루미늄을 패터닝하여 리프트-오프 기법으로 방사상 패턴의 마스크를 형성하는 단계;

상기 마스크를 사용하여 리액티브 이온 에칭법에 의해 상기 음극들을 방사상으로 식각하여 다중 마이크로-팁이 될 부분들을 분할하는 단계;

상기 마스크를 제거하고 상기 마이크로-팁이 될 부분들이 분할된 기판 상에 절연충을 형성하는 단계;

상기 절연충 상에 상기 음극들과 서로 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 게이트들을 형성하는 단계;

상기 게이트들을 패터닝하여 리프트-오프 기법으로 전자들이 출입할수 있는 개구들을 형성하는 단계;

상기 개구들 하부의 상기 절연층을 식각하여 홀을 형성하는 단계;

상기 접착층의 소정 부분을 선택적으로 식각하여 상기 다중마이크로-팁이 될 부분들을 돌출되게 하는 다중 마이크로-팁 돌출 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 접착충을 형성하는 단계는 티타늄 또는 알루미늄을2000 Å 의 두께로 증착하는 것이 바람직하며,

상기 음극들을 형성하는 단계는 텅스텐을 1 ㎛ 의 두께로 증착하여 형성하는 것이 바람직하며,

상기 다중 마이크로-팁이 될 부분들을 분할하는 단계에서의 상기 리액티브 이온 에칭법은 CF₄/0₂플라즈마를 이용하는 것이 바람직하며,

상기 절연충을 형성하는 단계는 SiO₂를 PECVD법 또는 스퍼터링법을 사용하여 소정의 두께로 성장시켜 형성하는 것이 바람직하며,

상기 게이트들을 형성하는 단계는 Cr을 증착하여 형성하는 것이 바람직하며,

상기 홀을 형성하는 단계는 상기 SiO₂절연층을 CHF₃/O₂플라즈마를 이용한 리액티브 이온 에칭법을 사용하는 것이 바람직하며,

상기 다중 마이크로-팁을 형성하는 단계는 HF ; NH₄F 의 비가 7:1∼10:1 인 용액을 사용하는 버퍼드 옥사이드 에칭법(BOE; buffered oxide etching)법으로 식각하는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 다중 팁 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명한다.

제2도는 본 발명에 따라 제조된 다중 팁 전계 방출 소자의 수직 단면도이다. 이 도면을 참조하면서 다중 법 전계 방출 소자의 구조를 살펴보면 다음과 같다.

제2도의 전계 방출 소자는 기판(11), 이 기판(11) 상에 형성된 접착충(12), 접착충(12) 상에 스트라이프 상으로 형성된 음극(13), 이 음극(13) 일정 부분을 어레이 형태로 식각하되, 식각 부분을 방사상으로 식각하여 튀어나오게 함으로써 형성된 다중 마이크로-팁(17)들, 이 다중 마이크로-팁(17)들을 에워싸도록 형성된 절연체충(14), 다중마이크로-팁들의 상부에 전계 방출이 가능하도록 개구(18)를 가지는 게이트 전극(16')이 상기 개구(18)에 연속되는 홀(19)을 가지는 절연체충(15) 상에 형성된다. 상기 절연체충(15) 아래의 부분은 알루미늄 마스크(14')로서 그 기능 및 용도는 후에 상세히 기술된다.

상기와 같은 구조를 가지는 다중 팁 전계 방출 소자의 제조 방법은 제3도 내지 제10도를 참조하면서 설명하면 다음과 같다.

제3도 내지 제10도는 본 발명에 따른 다중 팁 전계 방출 소자의 제조 단계별 수직 단면도이다. 단, 제5도는 알루미늄 마스크의 평면도이다.

먼저 제3도에 도시된 바와 같이, 기판(11) 상에 티타늄 접착(titanium adhesion)층(12)을 2000 Å 정도의 두께로 증착법으로 적층한 다음, 텅스텐을 1 ㎛ 의 두께로 증착한 다음 스트라이프 상으로 식각하여 음극들(13)을 형성하고, 다음에 A1을 전자-빔으로 증착하여 알루미늄충(14)을 형성한다.

다음에 제4도에 도시된 바와 같이, 알루미늄충(14)을 식각하여 다중마이크로-팁 형성용 알루미늄 마스크(14')를 형성한다. 이 때 마스크(14')의 평면적 모양은 제5도에 도시된 바와 같은 모양이 되도록 방사상으로 식각한다, 이 알루미늄 마스크(14')는 리프트-오프(lift-off) 기법으로 형성하기도 한다. 여기서 제4도는 제5도의 a-a'라인을 절단한 단면도이다.

다음에 제6도에 도시된 바와 같이, 알루미늄 마스크(14')를 이용하여 텅스텐음극(13)을 CF₄/O₂플라즈마에 의한 RIE(reactive ion etching)법에 의해 방사상으로 식각하여 삼각형의 다중 마이크로-팁 모양을 형성한다.

다음에 제7도에 도시된 바와 같이, 다중 마이크로-팁 모양이 형성된 기판 상에 절연층(15)을 1㎛ 정도의 두께가 되도록 SiO₂를 사용하여 중착시키고, 그 위에 다시 게이트 전극(16)을 Cr을 사용하여 중착한 다음, 상기 음극(13)들과 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 식각하여 게이트 전극(16)들을 형성한다. 이 게이트 전극(16)들은 리프트-오프 기법으로 형성할 수도 있다.

다음에, 제8도에 도시된 바와 같이, 다중 마이크로-팁 상의 Cr 게이트 전극(16)에 개구(18)를 형성하여 전자를 방출할 수 있는 통로를 형성한다. 다음에 제9도에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(16')들의 개구(18) 하부의 절연충(15)을 CHF₃/O₂플라즈마를 이용한 RIE법으로 식각하여 홀(19)을 형성한다.

다음에, 제10도에 도시된 바와 같이, BOE(buffered oxide etching)법으로 티타늄 접착충(12)을 선택적으로 식각하여 다중마이크로-팁들을 형성하여 소자를 완성한다, 이때 이 티타늄 접착충(12)의 에칭율(식각 속도)를 매우 빠르게 하여, 짧은 시간에 에칭을 끝낼 수 있도록 함으로써, 접착충(12)이 식각되면 텅스텐의 내부 스트레스에 의해 삼각형으로 다중 분할된 팁들이 튀어 오르게 한다.

여기서 식각 속도는 매우 빠르므로 정밀하게 제어하는 것이 중요하다. 그리고 BOE에 사용되는 식각 용액은 HF:NH₄F가 7:1~10:1 의 비율로 섞인 용액을 사용한다.

이렇게 제작된 다중 팁 전계 방출 소자의 다중 텅스텐 마이크로-팁 에미터의 기하학적 특성은 텅스텐 음극충의 고유한 내부 스트레스에 의해 결정된다. 이러한 소자의 내부를 10^-6∼10^-7torr의 진공 상태로 하고, 게이트 전극을 +전위로 하고 음극을 -전위로 또는 접지하여 약 10~100 V 정도의 전압에서 인가하면 강전계에의해 마이크로-팁에서 전자들이 방출된다. 이 때 전자 방출의 정도는 텅스텐의 패턴에 따른 마이크로-팁(에미터)의 수와 게이트와 팁 끝과의 거리에 의해 제어된다.

또한 다중 팁에 의한 단 게이트 홀 패턴에서의 고전류 방출이 가능하므로 소자의 응용에 따라 임의로 평면 표시 소자, 고출력 마이크로웨이브 소자, 전자빔 응용의 SEM, E-beam 응용 시스템 소자 및 멀티플 빔 방출에 의한 (압력)센서로 사용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 팁 전계 방출 소자의 제조 방법은 스트라이프 상의 음극들 하부에 티타늄 접착충을 형성하고 그 위의 텅스텐 음극들을 방사상으로 식각하고 그 하부의 티타늄 접착충을 선택적으로 식각하여 텅스텐 자체의 내부 스트레스에 의해 튀어 오르게 하여 다중 마이크로-팁을 형성하는 공정으로, 공정상 팁 끝의 사이즈를 임의로 조정할 수 있고, 또한 공정 자체가 텅스텐의 내부 스트레스와 BOE법의 특성을 이용하므로 재현성이 뛰어나며, 다증팁이므로 출력 전류를 nA~mA 대의 광대역의 범위에서 조정 가능하며, 텅스텐-팁을 형성함으로써, 경도, 산화, 일함수 등에서 뛰어나고 전기적, 화학적, 기계적 내구성이 뛰어난 장점이 있다.

제1도는 종래의 전계 방출 소자의 수직 단면도이고,

제2도는 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 수직 단면도이다.

제3도 내지 제10도는 본 발명에 따른 다중 팁 전계 방출 표시 소자의 제조공정 단계별 수직 단면도로서,

제3도는 알루미늄 막을 형성한 후의 수직 단면도,

제4도는 알루미늄 막을 식각하여 마스크를 형성한 후의 수직 단면도,

제5도는 알루미늄 마스크의 평면도,

제6도는 알루미늄 마스크를 이용하여 다중 팁 형성을 위한 음극 분할 후의 수직 단면도,

제7도는 절연층 및 게이트 전극충을 순차 적층한 후의 수직 단면도,

제8도는 게이트 전극충을 식각하여 개구를 형성한 후의 수직단면도,

제9도는 절연충을 식각하여 홀을 형성한 후의 수직 단면도,

제10도는 접착층을 식각하여 다중 팁이 돌출되게 하여 소자를 완성한 후의 수직 단면도이다.

Claims (10)

1. 기판 상에 접착층을 형성하는 단계;

   상기 접착층 상에 스트라이프 상의 음극들을 형성하는 단계;

   상기 음극들이 형성된 상기 기판 상에 전자-빔으로 알루미늄을 증착하는 단계:

   상기 증착된 알루미늄을 패터닝하여 리프트-오프 기법으로 방사상 패턴의 마스크를 형성하는 단계;

   상기 마스크를 사용하여 리액티브 이온 에칭법에 의해 상기 음극들을 방사상으로 식각하여 다중 마이크로-팁이 될 부분들을 분할하는 단계;

   상기 마스크를 제거하고 상기 마이크로-팁이 될 부분들이 분할된 기판 상에 절연충을 형성하는 단계;

   상기 절연충 상에 상기 음극들과 서로 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 게이트들을 형성하는 단계;

   상기 게이트들을 패터닝하여 리프트-오프 기법으로 전자들이 출입할수 있는 개구들을 형성하는 단계;

   상기 개구들 하부의 상기 절연층을 식각하여 홀을 형성하는 단계;

   상기 접착충의 소정 부분을 선택적으로 식각함으로써, 접착충의 내부 스트레스에 의해 기판의 상방으로 튀어 오르게 하고 이에 의해 상기 다중 마이크로-팁이 될 부분들을 돌출되게 하는 다중 마이크로-팁 돌출 단계;를

   포함하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 전계 방출 소자의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 접착층을 형성하는 단계는 티타늄 또는 알루미늄을 소정의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 전계 방출 소자의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 음극들을 형성하는 단계는 텅스텐을 소정의 두께로 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 전계 방출 소자의 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 마스크를 형성하는 단계는 사진 식각법을 사용하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 전계 방출 소자의 제조 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 다중 마이크로-팁이 될 부분들을 분할하는 단계에서의 상기 리액티브 이온 에칭법은 CF₄/O₂플라즈마를 이용하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 전계 방출 소자의 제조 방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 절연충을 형성하는 단계는 SiO₂를 PECVD법 또는 스퍼터링법을 사용하여 소정의 두께로 성장시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 팁전계 방출 소자의 제조 방법.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 게이트들을 형성하는 단계는 Cr을 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 전계 방출 소자의 제조 방법.
8. 제 1항의 제 6항에 있어서,

   상기 홀을 형성하는 단계는 상기 SiO₂절연충을 CHF₃/O₂플라즈마를 이용한 리액티브 이온 에칭법을 사용하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 전계 방출 소자의 제조 방법.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 다중 마이크로-팁을 형성하는 단계는 버퍼드 옥사이드에칭(BOE; buffered oxide etchins)법으로 식각하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 전계 방출 소자의 제조 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 버퍼드 옥사이드 에칭법은 HF : NH₄F 의 비가 7:1~10:1 인용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 다중 팁 전계 방출 소자의 제조방법.