JP2001216886A - 電界放出素子及びその製造方法 - Google Patents

電界放出素子及びその製造方法

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JP2001216886A JP2001000314A JP2001000314A JP2001216886A JP 2001216886 A JP2001216886 A JP 2001216886A JP 2001000314 A JP2001000314 A JP 2001000314A JP 2001000314 A JP2001000314 A JP 2001000314A JP 2001216886 A JP2001216886 A JP 2001216886A
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濬 照 崔
Shonan Sha
承 南 車
Kou Ri
亢 雨 李
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電界放出素子及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 ナノスケールの微細構造の表面粗度を有
するマイクロチップを備える。ナノチップの集成体、即
ちナノスケールの微細構造の表面粗度を有するマイクロ
チップは、低ゲート電圧下においても、放出電流が高い
ので、消費電力を減らすことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ビーム電流が高く
て低い動作電圧を有する電界放出素子（ＦＥＤ）及びそ
の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１は、従来の構造のＦＥＤが適用され
たＦＥＤパネルの概略的な断面図である。基板１上にＣ
ｒなどの金属よりなるカソード電極２が形成され、その
上に非晶質シリコン(ａ-Ｓｉ)よりなる抵抗層３が形成
される。抵抗層３上には抵抗層３の表面がその底に露出
されるウェル４ａを有するＳｉＯ２などの絶縁物質より
なるゲート絶縁層４が形成される。前記ウェル４ａの底
には前記抵抗層３上に位置するＭｏなどの金属よりなる
マイクロチップ５が位置する。一方、前記ゲート絶縁層
４上には前記ウェル４ａに対応するゲート６ａが形成さ
れたゲート電極６が形成される。そして前記ゲート電極
６の上方には所定距離を維持するアノード電極７が位置
する。前記アノード電極７は、前記基板１と共に密閉さ
れた真空空間を形成する前面板８の内面に形成される。
そして前記前面板８と基板１はスぺーサ(図示せず)など
により一定距離を維持し、その端部はシーリングにより
密閉され、カラーディスプレイ装置の場合、前記アノー
ド電極７上にまたはこれに隣接して蛍光体層(図示せず)
が形成される。
【０００３】このような従来のＦＥＤはマイクロチップ
からの電子放出量が少なく、従って高い電流の電子ビー
ムを得るためには高いゲート電圧が求められる。しか
し、ゲート電圧を一定限度以上にすれば、素子漏れ電流
及びライフタイムの問題があるためにゲート電圧を上げ
るのに限界がある。また実験的にゲート電圧の増加に従
ってアーキング頻度数が高くなることが観察された。内
部アーキングが発生すれば、電子が通過するゲート電極
６のゲート６ａの縁部で損傷が発生するが、アノード電
極７とゲート電極６の電気的ショート現象を起こすこと
によってゲート電極６に高いアノード電圧がかかり、こ
れによりゲート電極６の下部のゲート絶縁層４とウェル
４ａの底に露出された抵抗層３に損傷を与える。このよ
うな損傷の可能性はゲート及びアノード電圧が増加する
ほどさらに高くなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低動
作電圧下でも高電流の電子放出が可能な電界放出素子と
その製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明によれば、基板と、前記基板に形成されるカソ
ード電極と、前記カソード電極上に形成され、ナノスケ
ールの微細構造の表面粗度を有するマイクロチップと、
前記マイクロチップが位置する空間を提供するウェルを
備えて前記カソード電極上に形成されるゲート絶縁層
と、前記ゲート絶縁層上に形成されて前記マイクロチッ
プに対応するゲートを有するゲート電極とを備える電界
放出素子が提供される。前記本発明の電界放出素子にお
いて、前記カソード電極の上部またはカソード電極の下
部またはカソード電極の上部及び下部に抵抗層が形成さ
れていることが望ましい。
【０００６】また、前記目的を達成するために本発明に
よれば、基板上にカソード電極、ウェルを有するゲート
絶縁層、ゲートを有するゲート電極、前記ウェルの底に
露出された前記カソード電極上に位置するマイクロチッ
プを形成する段階と、前記マイクロチップを含む前記ウ
ェル内部にカーボンポリマー層を形成する段階と、前記
カーボンポリマーに対して蝕刻性を有するＯ２ガスと前
記マイクロチップに対して蝕刻性を有するガスが混合さ
れた反応ガスとを用いてプラズマエッチング法により蝕
刻を行って、前記カーボンポリマー層を除去すると共に
前記マイクロチップの表面がナノスケールの表面粗度を
有するようにマイクロチップの表面をエッチングする段
階とを含む電界放出素子の製造方法が提供される。
【０００７】前記本発明の電界放出素子の製造方法にお
いて、前記カーボンポリマー層はポリイミドまたはフォ
トレジストにより形成されることが望ましい。前記カー
ボンポリマー層は反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）
により蝕刻し、前記マイクロチップとカーボンポリマー
との蝕刻速度の差異を調節して前記マイクロチップの表
面粗度を調節し、前記蝕刻速度の調節はプラズマパワ
ー、前記反応ガス中のマイクロチップの蝕刻ガスに対す
る酸素の含量比、プラズマ工程圧力のうちの少なくとも
いずれか一つの調節によりなされることが望ましい。
尚、前記プラズマパワーとは、プラズマを構成する各種
パラメータのうち、蝕刻（エッチング）に寄与するパラ
メータの大きさ、例えばプラズマの表面密度又は大きさ
等を意味し、プラズマを生成するための投入電力等を操
作することにより可変なものである。
【０００８】また前記本発明の製造方法において、前記
マイクロチップの材質がモリブデニウム（Ｍｏ）、タン
グステン（Ｗ）、シリコン、ダイアモンドよりなるグル
ープの中から選択されたいずれか一つまたは少なくとも
二つの混合物よりなされることが望ましい。前記反応ガ
スはＯ２及びフルオリン（フッ素）系ガスの混合ガスで
あって、前記反応ガスはＣＦ４／Ｏ２、ＳＦ６／Ｏ２、
ＣＨＦ３／Ｏ２、ＣＦ４／ＳＦ６／Ｏ２、ＣＦ４／ＣＨ
Ｆ３／Ｏ２、ＳＦ６／ＣＨＦ３／Ｏ２のうち少なくとも
いずれか一つを含むことが望ましく、または前記反応ガ
スはＯ２及びクロリン（塩素）系ガスの混合ガスであっ
て、Ｃｌ２／Ｏ２、ＣＣｌ４／Ｏ２、Ｃｌ２／ＣＣｌ ４
／Ｏ２のうち少なくともいずれか一つを含むことが望ま
しい。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照しなが
ら本発明のＦＥＤとその製造方法の望ましい実施例を詳
細に説明する。図２は本発明のＦＥＤの概略的断面図で
ある。まず図２を参照すれば、基板１００上にＣｒなど
の金属よりなるカソード電極１２０が形成され、その上
に非晶質シリコンａ-Ｓｉよりなる抵抗層１３０が形成
される。抵抗層１３０上には抵抗層１３０の表面がその
底に露出されるウェル１４０ａを有するＳｉＯ２などの
絶縁物質よりなるゲート絶縁層１４０が形成される。こ
こで前記抵抗層１３０は選択的なものであって、抵抗層
１３０なく前記カソード電極１２０が前記ウェル１４０
ａを通じて露出されることができ、前記カソード電極１
２０の上下部の両側に設けられる。前記ウェル１４０ａ
の底には、前記抵抗層１３０上に位置するＭｏなどの金
属よりなるものとして、本発明を特徴づけるマイクロチ
ップ１５０が位置する。前記マイクロチップ１５０は多
数のナノチップの集成体であって、その表面がナノスケ
ールの表面粗度を有し、モリブデニウム（Ｍｏ）、タン
グステン（Ｗ）、シリコン、ダイアモンドよりなるグル
ープの中から選択されたいずれか一つまたは少なくとも
二つの混合物で形成される。一方、前記ゲート絶縁層１
４０上には前記ウェル１４０ａに対応するゲート１６０
ａが形成されたゲート電極１６０が形成される。そして
前記ゲート電極１６０の上方には、アノード電極(図示
せず)及びアノード電極がその内面に形成されるものと
して、前記基板１００と共に密閉された真空部を形成す
る前面板(図示せず)が位置する。
【００１０】以上のような構造によれば、前記マイクロ
チップ１５０がナノスケールの表面粗度、即ちナノチッ
プの集成体よりなることより、低ゲート電圧によっても
多量の電子を放出できる。従って低作動電圧により高密
度の電流が得られるので、全体の消費電力を低下させる
ことができる。
【００１１】以下、本発明のＦＥＤ製造方法の実施例を
詳細に説明する。図３に示したように、一連の工程に係
る既存の方法により基板１００上にカソード電極１２
０、抵抗層１３０、ウェル１４０ａを有するゲート絶縁
層１４０、ゲート１６０ａを有するゲート電極１６０、
前記ウェル１４０ａの底に露出された抵抗層１３０の表
面に位置するマイクロチップ１５０を順次に形成する。
【００１２】図４に示したように、前記積層上にポリイ
ミドまたはフォトレジストによるカーボンポリマー層１
９０をスピンコーティング法により所定厚さに形成す
る。前記カーボンポリマー層１９０の形成はスピンコー
ティング、ソフトベーキング、硬化過程により形成さ
れ、その厚さは３乃至１５０μｍの範囲に維持される。
【００１３】図５に示したように、前記カーボンポリマ
ー層１９０をエッチングする。この時カーボンポリマー
層１９０のエッチングはプラズマエッチング、特に反応
性イオンエッチング（ＲＩＥ）に通して乾式蝕刻し、プ
ラズマエッチング時反応ガスはＯ２を主成分とし、フル
オリン系としてＣＦ４、ＳＦ６、ＣＨＦ３を含むガス、
例えばＣＦ４／Ｏ２、ＳＦ６／Ｏ２、ＣＨＦ３／Ｏ２、
ＣＦ４／ＳＦ６／Ｏ２、ＣＦ４／ＣＨＦ３／Ｏ２、ＳＦ
６／ＣＨＦ３／Ｏ２のうち少なくともいずれか一つを含
むガスまたは前記反応ガスはＯ２及びクロリン系ガスの
混合ガスであって、Ｃｌ２／Ｏ２、ＣＣｌ４／Ｏ２、Ｃ
ｌ２／ＣＣｌ４／Ｏ２のうち少なくともいずれか一つを
含むガスである。
【００１４】Ｏ２プラズマによる乾式蝕刻時にはカーボ
ンポリマー、例えばポリイミド及びフォトレジストは所
定の表面租度、即ち、芝構造を有しながら図５に示した
ように蝕刻される。芝構造とは、局部エッチング率が違
ってエッチングされた表面が微細に粗い構造である。ま
た、フルオリン系またはクロリン系ガスにＯ２ガスを添
加する理由は、ポリイミドのエッチング率増加、カーボ
ンポリマーがエッチングされることによってマイクロチ
ップがプラズマに露出されるときに、マイクロチップの
先端部をエッチングさせるためである。ここでフォーカ
スゲート絶縁層の蝕刻時、プラズマによるマイクロチッ
プの蝕刻速度はフルオリン系またはクロリン系ガスに対
するＯ２の比率、工程圧力、プラズマパワーにより調節
される。このようにカーボンポリマー層１９０が芝構造
にエッチングされるのでマイクロチップの一部表面には
カーボンポリマーが残り、一部はなくなってマイクロチ
ップに対するマスクとして作用する。
【００１５】従って、前記のようなカーボンポリマー層
１９０の蝕刻を続ければ、カーボンポリマー層１９０が
ほとんど除去されるにつれて前記マイクロチップ１５０
の蝕刻が始まり、最終的には表面がすべすべしていた前
記マイクロチップ１５０が図２に示したように多数のナ
ノチップの集成体、即ちその表面がナノスケールの粗度
を有する構造に変わる。
【００１６】図６は、前記のような工程を経たものであ
って、基板に形成されたナノスケールの表面粗度を有す
るマイクロチップとゲート絶縁層、ゲート電極の構造を
有する電子顕微鏡写真であり、図７は、ナノスケールの
表面粗度を有するマイクロチップの電子顕微鏡による拡
大写真である。前記のような過程を通じて制作されたＦ
ＥＤをテストした結果、同一な構造の従来のＦＥＤに比
べてゲート駆動電圧が約２０Ｖ程度減少し、動作電圧が
約４０〜５０Ｖ減少した。ここで、動作電圧（ｗｏｒｋ
ｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ）とは、衝撃比（ｄｕｔｙ ｒ
ａｔｉｏ）１／９０、周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）６
０Ｈｚで０．３ｍＡの放出電流値（ｅｍｉｓｓｉｏｎ
ｃｕｒｒｅｎｔ）が得られる電圧を意味する。前述され
たようにプラズマ条件に従って、マイクロチップとカー
ボンポリマー層の蝕刻比または蝕刻速度を適当に調節す
ることにより、マイクロチップの高さ、マイクロチップ
のナノスケールの表面粗度を調節できる。前記蝕刻速度
の調節はプラズマパワー、前記反応ガス中のマイクロチ
ップの蝕刻ガスに対する酸素の含量比、プラズマ工程圧
力のうちのいずれか一つの調節によってなされるように
する。
【００１７】図８は、従来の電界放出素子とその素子を
前記のような本発明の製造工程により処理した後の電流
-電圧特性線図である。図８に示したように、本発明の
電界放出素子は従来の電界放出素子に比べて同一電圧下
で最大１０倍以上の電流を示すことが分かる。図９と図
１０は、特に輝度均一度が悪い従来の電界放出素子とそ
の素子を本発明の製造工程により処理した後の輝度均一
度をデジタルカメラで撮影した写真である。図９と図１
０を比べて分かるように、輝度均一度が非常に不良な従
来の電界放出素子も、本発明の製造工程による処理後輝
度均一度が非常によくなって良質の特性を示すことが分
かる。本発明は図面に示した実施例を参考して説明され
たが、これは例示的なことに過ぎなく、当該技術分野で
通常の知識を有する者であればこれより多様な変形及び
均等な他の実施ができるということが理解できるであろ
う。従って本発明の保護範囲は特許請求の範囲のみによ
り決まるべきである。
【００１８】
【発明の効果】以上のような本発明の電界放出素子は、
すべすべした構造の従来の電界放出素子のマイクロチッ
プとは違って、微細な多数のナノチップの集成体、即ち
ナノスケールの表面粗度を有するマイクロチップを備
え、従って低ゲート電圧下でも高電流密度を示し、結果
的に高輝度を示す。また、このように低動作電圧下で高
輝度を示すので、動作電圧を低下させることによって、
内部アーキングの可能性を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の電界放出素子の概略的な断面図である。
【図２】本発明の電界放出素子に係る実施例の概略的な
断面図である。
【図３】本発明の電界放出素子の製造工程図である。
【図４】本発明の電界放出素子の製造工程図である。
【図５】本発明の電界放出素子の製造工程図である。
【図６】本発明の電界放出素子の製造方法により製造さ
れた電界放出素子の断面構造を示す電子顕微鏡写真であ
る。
【図７】本発明の電界放出素子の製造方法により製造さ
れた電界放出素子のマイクロチップの構造を示す電子顕
微鏡写真である。
【図８】従来の電界放出素子とその素子を本発明により
処理した後の電流-ゲート電圧線図である。
【図９】悪い輝度均一度を有する従来の電界放出素子の
前面写真である。
【図１０】図９に示された従来の電界放出素子を本発明
により処理した後の前面写真である。
【符号の説明】
１００ 基板 １２０ カソード電極 １３０ 抵抗層 １４０ ゲート絶縁層 １４０ａ ウェル １５０ マイクロチップ １６０ａ ゲート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 李 亢 雨 大韓民国 京畿道 水原市 八達区 霊通 洞 964−５番地 住公アパート 516棟 102号

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板と、 前記基板に形成されるカソード電極と、 前記カソード電極上に形成され、ナノスケールの微細構
    造の表面粗度を有するマイクロチップと、 前記マイクロチップが位置する空間を提供するウェルを
    備えて前記カソード電極上に形成されるゲート絶縁層
    と、 前記ゲート絶縁層上に形成されて前記マイクロチップに
    対応するゲートを有するゲート電極とを備えることを特
    徴とする電界放出素子。
  2. 【請求項２】 前記カソード電極の上部またはカソード
    電極の下部またはカソード電極の上部及び下部に抵抗層
    が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電
    界放出素子。
  3. 【請求項３】 基板上にカソード電極、ウェルを有する
    ゲート絶縁層、ゲートを有するゲート電極、前記ウェル
    の底に露出された前記カソード電極上に位置するマイク
    ロチップを形成する段階と、 前記マイクロチップを含む前記ウェル内部にカーボンポ
    リマー層を形成する段階と、 前記カーボンポリマーに対して蝕刻性を有するＯ２ガス
    と前記マイクロチップに対して蝕刻性を有するガスが混
    合された反応ガスとを用いてプラズマエッチング法によ
    り蝕刻を行って、前記カーボンポリマー層を除去すると
    共に前記マイクロチップの表面がナノスケールの表面粗
    度を有するようにマイクロチップの表面をエッチングす
    る段階とを含むことを特徴とする電界放出素子の製造方
    法。
  4. 【請求項４】 前記カーボンポリマー層はポリイミドま
    たはフォトレジストにより形成されることを特徴とする
    請求項３に記載の電界放出素子の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記カーボンポリマー層は反応性イオン
    エッチング法（ＲＩＥ）により蝕刻することを特徴とす
    る請求項３または請求項４に記載の電界放出素子の製造
    方法。
  6. 【請求項６】 前記マイクロチップとカーボンポリマー
    との蝕刻速度の差異を調節して前記マイクロチップの表
    面粗度を調節することを特徴とする請求項５に記載の電
    界放出素子の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記蝕刻速度の調節はプラズマパワー、
    前記反応ガス中のマイクロチップの蝕刻ガスに対する酸
    素の含量比、プラズマ工程圧力のうちの少なくともいず
    れか一つの調節によりなされることを特徴とする請求項
    ６に記載の電界放出素子の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記マイクロチップの材質がモリブデニ
    ウム（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、シリコン、ダイア
    モンドよりなるグループの中から選択されたいずれか一
    つまたは少なくとも二つの混合物よりなり、前記反応ガ
    スはＯ２及びフルオリン系ガスの混合ガスであることを
    特徴とする請求項５に記載の電界放出素子の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記反応ガスはＣＦ４／Ｏ２、ＳＦ６／
    Ｏ２、ＣＨＦ３／Ｏ２、ＣＦ４／ＳＦ６／Ｏ２、ＣＦ４
    ／ＣＨＦ３／Ｏ２、ＳＦ６／ＣＨＦ３／Ｏ２のうち少な
    くともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項８に
    記載の電界放出素子の製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記マイクロチップの材質がモリブデ
    ニウム（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、シリコン、ダイ
    アモンドよりなるグループの中から選択されたいずれか
    一つまたは少なくとも二つの混合物よりなり、前記反応
    ガスはＯ２及びクロリン系ガスの混合ガスであることを
    特徴とする請求項５に記載の電界放出素子の製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記反応ガスはＣｌ２／Ｏ２、ＣＣｌ
    ４／Ｏ２、Ｃｌ２／ＣＣｌ４／Ｏ２のうち少なくともい
    ずれか一つを含むことを特徴とする請求項１０に記載の
    電界放出素子の製造方法。
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