KR20000001615A

KR20000001615A - 필드 에미터 어레이의 제조방법

Info

Publication number: KR20000001615A
Application number: KR1019980021957A
Authority: KR
Inventors: 최준희; 박영준
Original assignee: 손욱; 삼성전관 주식회사
Priority date: 1998-06-12
Filing date: 1998-06-12
Publication date: 2000-01-15
Also published as: KR100434533B1

Abstract

본 발명에 따르면, 스핀트 방식에 의해 형성하는 것으로 배면 기판의 표면에 스트라이프 상의 음극이 다수 나란하게 형성되고, 음극의 위에는 홀이 형성된 절연체층이 형성되고, 상기 절연체층 위에 금속 게이트가 상기 절연체층의 홀에 대응하는 개구부를 갖도록 형성되며, 노출된 상기 음극의 표면에 원추형으로 형성된 첨예한 제1팁을 구비하는 필드 에미터 어레이의 제조 방법에 있어서, (가) 상기 기판을 회전시키면서 전자 빔 증착법으로 상기 팁의 선단부에 금속막층을 증착하는 단계; (나) 상기 기판을 회전시키면서 전자 빔 증착법으로 상기 제1팁을 덮어 씌우는 제2팁을 형성하는 단계; (다) 금속막 부산물층 및 상기 금속막 부산물층 상의 제2팁 부산물층을 식각하여 제거하는 단계; 및 (라) 상기 제2팁을 식각하여 다수의 첨예부를 갖는 팁을 형성하는 단계;를 포함하는 필드 에미터 어레이의 제조 방법이 제공된다.

따라서, 전계 방출을 위한 팁을 다수의 첨예부를 갖도록 형성하여 단일 팁당 전류 방출을 증가시켜 게이트 홀의 수를 줄임으로써, 전류의 누설을 방지함과 동시에, 열의 발생으로 인한 디바이스의 손상을 방지하고, 전계 분포가 조밀한 점에 그 장점이 있다.

Description

필드 에미터 어레이의 제조 방법

본 발명은 전계 방출 표시소자 등에 사용되는 것으로서, 상세하게는 전자 방출을 위한 팁을 다수의 첨예부를 갖도록 형성하여 단일 팁당 전류 방출을 증가시켜 전계 분포가 조밀한 필드 에미터 어레이의 제조 방법에 관한 것이다.

필드 에미터 어레이(Field Emitter array)는 현재 차세대 평판 표시 소자로서 주목받고 있는 전계 방출 표시소자(Field Emission Display)의 전자 방출부로서 널리 사용되고 있다.

이와 같은 필드 에미터 어레이는 그 주위에 형성되는 강한 전기장에 의해 전자들을 방출한다. 이 때, 전자들의 방출에 의한 전류 밀도는 필드 에미터 주위에 형성되는 전기장의 세기에 비례하며, 이 전기장의 세기는 필드 에미터의 기하학적 형상에 영향을 받는다.

통상적으로 전계 방출 표시소자(Field Emission Display)의 전자 방출부로서 사용되는 필드 에미터 어레이는 전자를 방출하는 요소의 끝 부분이 뽀족한 첨탑 형상을 갖춘 팁(tip) 들을 구비한 형태로 제작된다.

도 1은 종래의 스핀트 방식에 의해 제조된 필드 에미터 어레이를 나타낸 개략적 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 현재 전계 방출 표시소자용으로 널리 이용되는 스핀트(spindt) 방식의 필드 에미터 어레이는 유리 기판(11) 상에 스트라이프 상으로 다수 나란하게 형성된 음극(12)들과, 홀(14a) 내의 바닥 즉, 노출된 음극(12)의 표면에 원추형의 마이크로 팁(13)이 형성된다.

이 마이크로-팁(13)들을 에워싸도록 형성된 절연체층(14), 마이크로-팁(13)들의 상부에 전계 방출이 가능하도록 홀(14a)에 대응하는 개구부(15a)를 가지도록 절연체층(14) 상에 형성된 게이트(15)가 구비되어 있다.

이와 같은 구성을 가진 스핀트 방식의 필드 에미터 어레이 제조 방법은 다음과 같다.

스핀트 방식의 필드 에미터 어레이 제조 방법은 도 2a에 도시된 바와 같이, 먼저, 유리 기판(11) 상에 음극들(12)을 스트라이프 상으로 형성하고, 그 위에 절연체층(14) 및 게이트층(15')을 순차적으로 적층한다.

다음에 포토리소그라피 공정으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 마스크(16)를 게이트층(15') 상부에 형성하고 이를 식각하여 개구부(15a)를 갖는 게이트(15)를 형성한다.

다음에, 도 2c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 마스크(16)를 제거하고, 게이트(15)를 마스크로 사용하여 절연체층(14)를 식각함으로써, 절연체(14)에 홀(14a)을 형성한다.

다음에, 도 2d에 도시된 바와 같이, 게이트(15) 상에 분할층(17)을 증착하고, 도 2e에 도시된 바와 같이, 기판(11)을 회전시키면서 음극(12)이 노출된 홀(14a)부분에 경사지게 전자-빔을 쏘아 전자 빔 증착법으로 팁(13)을 형성하는 방식이다.

다음, 분할층(17)을 에칭하여 제거함으로써, 게이트(15) 상의 마이크로 팁 형성물질(13a)도 함께 제거되게 한다.

이와 같이 함으로써, 도 1에 도시된 바와 같은 스핀트 방식의 필드 에미터 어레이를 완성한다.

그러나, 통상 필드 에미터 어레이는 2∼3 천만 개의 게이트 홀을 형성해야 하는데, 이러한 수많은 홀들을 통하여 누설전류가 생성된다면 표시소자의 누설전류로 인하여 게이트 전극과 음극간의 전압을 통상의 구동전압인 80∼90V로 유지시켜 주기 위하여 수십 ㎃의 전류를 더 인가하여야한다.

이는 전류 세기의 제곱승에 비례하는 주울(Joule)열이 발생하여 표시소자에 열에 의한 스트레스를 형성시킴으로써, 필드 에미터 어레이가 형성되어 있는 유리기판이 깨지는 문제점이 발생할 수 있다.

상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 본 발명에 따른 필드 에미터 어레이의 제조 방법은 게이트 홀의 수를 줄일 수 있도록 팁의 형상을 다수의 첨예부를 갖도록 형성하여 열에 의한 스트레스를 방지하고, 전계 분포가 조밀한 필드 에미터 어레이의 제조 방법을 제공하는 점에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 스핀트 방식에 의해 제조된 필드 에미터를 나타낸 개략적 수직 단면도이고,

도 2a 내지 도 2e는 도 1의 제조 공정을 설명하기 위한 각 공정별 수직 단면도이고,

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 필드 에미터 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 각 공정별 수직 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11,21... 기판 12,22... 음극

13... 팁 13a... 팁 형성물질

14,24... 절연체층 15,25... 게이트

16... 마스크 17... 분할층

23... 팁 27... 금속막 부산물층

28...금속막층 29... 제2팁

29a... 제2팁 부산물층

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 필드 에미터 어레이의 제조 방법은, 스핀트 방식에 의해 형성하는 것으로 배면 기판의 표면에 스트라이프 상의 음극이 다수 나란하게 형성되고, 음극의 위에는 홀이 형성된 절연체층이 형성되고, 상기 절연체층 위에 금속 게이트가 상기 절연체층의 홀에 대응하는 개구부를 갖도록 형성되며, 노출된 상기 음극의 표면에 원추형으로 형성된 첨예한 제1팁을 구비하는 필드 에미터 어레이의 제조 방법에 있어서, (가) 상기 기판을 회전시키면서 전자 빔 증착법으로 상기 팁의 선단부에 금속막층을 증착하는 단계; (나) 상기 기판을 회전시키면서 전자 빔 증착법으로 상기 제1팁을 덮어 씌우는 제2팁을 형성하는 단계; (다) 금속막 부산물층 및 상기 금속막 부산물층 상의 제2팁 부산물층을 식각하여 제거하는 단계; 및 (라) 상기 제2팁을 식각하여 다수의 첨예부를 갖는 팁을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1팁의 높이는 상기 게이트 하단부의 높이 이상이며, 상기 (나) 단계에서, 상기 금속막층은 전자 빔을 15 내지 30도로 경사지게 입사시켜 형성하고, 상기 (라) 단계에서, 상기 제2팁을 습식 에칭법으로 식각하여 제거하는 것이 바람직하다.

상기 제2팁의 높이는 5,000 내지 15,000Å로 형성하며, 상기 제1 및 제2팁은 몰리브데늄 내지 텅스텐 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 금속막층은 알루미늄으로 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 팁의 형상을 다수의 첨예부를 갖도록 형성하여 홀의 수를 줄임으로써, 홀의 수가 많을 시의 고유한 디바이스 리키지(leakage)에 의해 발생하는 주울열에 의한 스트레스를 방지하고, 전계 분포가 조밀한 필드 에미터 어레이의 제조 방법을 제공하는 점에 그 특징이 있다.

이러한 특징을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 필드 에미터 어레이의 제조 방법을 상세하게 설명한다.

먼저, 앞서 도시된 도 1에서와 같이, 종래의 스핀트 방식에 의해 제조된 필드 에미터 어레이가 구비된다.

스핀트(spindt) 방식에 의해 제조된 필드 에미터 어레이는 유리 기판(11) 상에 스트라이프 상으로 다수 나란하게 형성된 음극(12)들과, 음극(12)의 위에는 홀(14a)이 형성된 절연체층(14)을 형성하며, 그 위에 금속 게이트(15)가 절연체층(14)의 홀(14a)에 대응하는 개구부(15a)를 가지도록 형성하고, 홀(14a) 내의 바닥 즉, 노출된 음극(12)의 표면에 몰리브데늄(Mo) 내지 텅스텐(W)으로 이루어진 원추형의 제1팁(13)을 형성한다.

여기서, 상기 제1팁(13)의 높이는 최대 높이가 게이트의 상단부 높이 보다 300㎚가 높아야 하며, 최소 높이는 상기 절연체층(14)의 상부에 형성된 게이트(15)의 하단부 정도 높이로 형성되도록 홀(14a) 크기를 조절한다. 이러한 이유는 후술되는 금속막층(28)이 상기 제1팁(13)의 선단부에 용이하게 증착되도록 하기 위함이다.

다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 스핀트 방식에 의해 유리 기판(21) 상에 스트라이프 상으로 다수 나란하게 형성된 음극(22)들과, 홀(24a) 내의 바닥 즉, 노출된 음극(22)의 표면에 원추형의 제1팁(13)이 형성된 상기 유리 기판(21)을 회전시키면서 게이트(25) 상에 전자 빔 증착법 즉, 전자 빔을 일정각도 약 15∼30°정도로 경사지게 입사시켜 상기 제1팁(13)의 상단부에 알루미늄(Al)으로 이루어진 금속막층(28)을 증착하면 동시에 금속막 부산물층(27)이 게이트(25) 위에서 완만한 형태로 게이트(25)들을 에워싸도록 한다.

여기서, 상기 금속막 부산물층(27)은 후술되는 제2팁 부산물층(29a)을 제거하기 위한 분할층의 역할을 수행한다.

다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 유리 기판(21)을 회전시키면서 전자 빔 증착법으로 몰리브데늄(Mo) 내지 텅스텐(W)으로 이루어진 제2팁(29)을 상기 금속막층(28)이 형성된 원추형의 제1팁(13) 전면에 형성한다.

여기서, 상기 제2팁(29)의 높이는 홀(24a)의 크기에 따라서 5,000 내지 15,000Å 정도로 조절하여 후술되는 다수의 첨예부를 갖는 팁(23)의 바깥쪽 분화구의 높이를 용이하게 조절하도록 형성한다. 또한, 상기 유리 기판(21)의 회전에 의한 전자 빔 증착으로 인해 몰리브데늄의 제2팁 부산물층(29a)이 게이트(25) 상의 상기 금속막 부산물층(27) 위에서 완만한 형태로 알루미늄의 금속막 부산물층(27)들을 에워싸도록 한다.

마지막으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다수의 첨예부를 갖는 팁(23)을 형성하는 단계로서, 상술한 바와 같은 금속막 부산물층(27) 및 제2팁 부산물층(29a)과 금속막층(28)을 화학용액을 이용한 습식 에칭 공정을 수행하여 제거하고, 제2팁(29)의 상단부와 금속막층(28)을 동시에 제거하면 본 발명을 특징지우는 다수의 첨예부를 갖는 팁(23)을 형성하게 된다.

이와 같이 형성된 다수의 첨예부를 갖는 팁(23)을 구비한 필드 에미터 어레이는 단일 팁(tip)당 전류 방출량이 증가함으로써, 필드 에미터 어레이의 홀(14a) 개수를 줄일 수 있는 장점이 있다.

즉, 홀(14a)의 개수를 줄임으로써, 종래와는 달리 수많은 홀들을 통해 발생하는 누설전류로 인하여 요구되는 게이트(25)와 음극(22)간의 전압을 통상의 구동전압인 80∼90V로 유지시키도록 수십 ㎃의 전류를 더 인가할 필요가 없어 주울(Joule) 열의 발생으로 인한 패널의 열적 스트레스를 방지한다. 이로써, 필드 에미터 어레이가 형성되어 있는 유리 기판이 전술한 바와 같은 열적 스트레스에 의해 파손될 우려가 없다.

여기서, 전류 방출은 게이트(25)에 걸리는 정전압에 의해 필드 에미터 어레이의 팁으로부터 전자가 방출되어 보다 강한 정전압이 걸려있는 형광체 쪽으로 가속되어 충돌한다. 포울러-노드하임(Fowler-Nordheim)의 이론에 의하면 방출 전류의 전류 밀도는 전계의 세기의 제곱에 비례함을 알 수 있다.

그러므로, 전계의 세기 및 전계의 세기에 대한 전류 밀도는 전류 방출을 위한 팁의 형상에 밀접한 관계가 있다.

즉, 다수의 첨예부를 갖는 팁(23)에 의해 단일 팁당 전류 방출량이 증가하여 방출 전류의 분포가 조밀해짐으로써, 전류밀도의 균일성에 의한 패널 특성이 향상되며, 홀(14a)의 개수를 줄일 수 있어 누설전류 또한 방지할 수 있다. 또한, 다수의 첨예부를 갖는 팁(23)을 형성하기 위한 공정도 간단하여 필드 에미터 어레이의 제조가 용이하다.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 필드 에미터 어레이의 제조 방법은 전계 방출을 위한 팁을 다수의 첨예부를 갖도록 형성하여 단일 팁당 전류 방출을 증가시켜 게이트 홀의 수를 줄임으로써, 전류의 누설을 방지함과 동시에, 열의 발생으로 인한 디바이스의 손상을 방지하고, 전계 분포가 조밀한 점에 그 장점이 있다.

Claims

스핀트 방식에 의해 형성하는 것으로 배면 기판의 표면에 스트라이프 상의 음극이 다수 나란하게 형성되고, 음극의 위에는 홀이 형성된 절연체층이 형성되고, 상기 절연체층 위에 금속 게이트가 상기 절연체층의 홀에 대응하는 개구부를 갖도록 형성되며, 노출된 상기 음극의 표면에 원추형으로 형성된 첨예한 제1팁을 구비하는 필드 에미터 어레이의 제조 방법에 있어서,

(가) 상기 기판을 회전시키면서 전자 빔 증착법으로 상기 팁의 선단부에 금속막층을 증착하는 단계;

(나) 상기 기판을 회전시키면서 전자 빔 증착법으로 상기 제1팁을 덮어 씌우는 제2팁을 형성하는 단계;

(다) 금속막 부산물층 및 상기 금속막 부산물층 상의 제2팁 부산물층을 식각하여 제거하는 단계; 및

(라) 상기 제2팁을 식각하여 다수의 첨예부를 갖는 팁을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터 어레이의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1팁의 높이는 상기 게이트 하단부의 높이 이상인 것을 특징으로 하는 필드 에미터 어레이의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 (나) 단계에서,

상기 금속막층은 전자 빔을 15 내지 30도로 경사지게 입사시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터 어레이의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 (라) 단계에서,

상기 제2팁을 습식 에칭법으로 식각하여 제거하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터 어레이의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2팁의 높이는 5,000 내지 15,000Å로 형성하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터 어레이의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2팁은 몰리브데늄 내지 텅스텐 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 필드 에미터 어레이의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 금속막층은 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 필드 에미터 어레이의 제조 방법.