JP3898243B2

JP3898243B2 - 電界効果電子放出用マイクロ・チップ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3898243B2
Application number: JP24458195A
Authority: JP
Inventors: 鍾ミン金
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 1995-03-29
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2015-09-22
Also published as: US5631519A; KR960035719A; KR100322696B1; JPH08273522A; US5580467A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界効果により電子を放出する電界効果電子放出用マイクロ・チップ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ＴＶ受像機のＣＲＴ（cathode ray tube）を代替し得る画像表示装置としての平面型画像表示素子の開発が、壁掛けＴＶ及びＨＤＴＶ用画像表示装置に適用するために活発に行われている。このような平面型画像表示装置素子としては液晶表示素子、プラズマ表示パネル、電界効果電子放出表示素子などがあり、このうち画面の明るさ及び低消費電力の利点により電界効果電子放出素子が大いに注目されている。
【０００３】
図５を参照しながら従来の垂直構造の電界効果電子放出用マイクロ・チップの構造を説明すると次の通りである。
垂直構造の電界効果電子放出用マイクロ・チップは、ガラス基板１と、このガラス基板１上に形成された陰極２と、この陰極２上に形成された電界放出用のマイクロ・チップ４と、このマイクロ・チップ４を取り囲むホール３′を有するように前記陰極２上に形成された絶縁体層３と、マイクロ・チップ４の上部に電界効果による電子放出を可能とする開口５′を有するように絶縁体層３上に形成されたゲート５より構成されている。
【０００４】
図６（ａ）は従来の水平構造の電界効果電子放出用マイクロ・チップの垂直断面図であり、図６（ｂ）は同電界効果電子放出用マイクロ・チップの平面図である。図６に示したように、水平構造の電界効果放出用マイクロ・チップは、図５に示した垂直構造の電界効果電子放出用マイクロ・チップとは異なり陰極１０と陽極８が基板６に水平に形成されていて、電子を基板と水平に放出するようになっている点にその特徴がある。
【０００５】
水平構造の電界効果電子放出用マイクロ・チップは、ガラス基板６上に絶縁体層７が形成され、この絶縁体層７上に適当な間隔を置き陰極１０及び陽極８が積層され、この陰極１０及び陽極８間の絶縁体層７には適当な深さにホール７′が形成され、このホール７′の中にゲート電極９が備えられて陰極１０から陽極８への電子放出を制御するようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示したようなシングルチップを使用する垂直構造の電界効果電子放出用マイクロ・チップでは、電子ビームの流れはゲートの開口５′のサイズに応じて定められるので、直径数十ｎｍ単位のマイクロ・チップの形成技術が必要とされる。チップのサイズ（半径）を考慮して高精密のゲート開口を形成するためにはサブミクロン単位の高度の微細工程が必要とされるので、工程上均一性が劣るだけでなく、大面積の素子を製作する場合に収率が低下するなど多くの問題が発生する。更に、マイクロ・チップの形成時、開口が大きくなるとゲートバイアス電圧のレベルが高くなって素子の駆動時に高電圧が必要になる。
【０００７】
また、図６に示したような水平構造の電界放出用マイクロ・チップは、製造工程において垂直構造の電界放出用マイクロ・チップに比して収率が高く均一な構造を有しているが、電界効果の水平的な影響は多様な方向への電子ビーム放出の応用を困難にする。即ち、電子ビームの流れが同一な水平方向に制限されるので電子ビームの応用が極めて困難になるという短所がある。
【０００８】
本発明は前記のような問題点を改善するためになされたものであり、均一な電子の放出が可能であり、大面積の応用時にも収率を高く製造しうる電界放出用マイクロ・チップ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電界効果電子放出用マイクロ・チップは、基板と、該基板上に所定の食刻液に対して所定の速度以上の第１食刻速度で食刻される物質により形成された接着層と、該接着層上に前記食刻液に対して食刻されず前記接着層との内部応力が所定の大きさ以上である金属により形成された陰極と、該陰極の所定の部分を三角形に食刻することにより形成された上部へ突出されたマイクロ・チップと、該マイクロ・チップ以外の陰極上に前記食刻液に対して前記第１食刻速度以下の第２食刻速度で食刻される物質により形成されたマスクと、該マスク上に前記陰極保持用として形成された金属パターンとを具備してなることを特徴とする。
【００１０】
本発明において、前記接着層およびマスクはチタン又はアルミニウムをそれぞれ２００ｎｍ及び１００ｎｍの厚さに蒸着することが望ましく、前記陰極はタングステンを１μｍ厚さに蒸着して形成されたことが望ましく、前記マイクロ・チップは６０°〜７０°の突出角度を有することが望ましく、前記金属パターンはクロムを蒸着させて形成されることが望ましい。
【００１１】
また、本発明に係る電界効果電子放出用マイクロ・チップの製造方法は、基板上に所定の食刻液に対して所定の速度以上の第１食刻速度で食刻される物質よりなる接着層と、前記接着層との内部応力が所定の大きさ以上であり、前記食刻液に対して食刻されない金属の陰極層及び前記食刻液に対して少なくとも第１食刻速度以下の第２食刻速度で食刻される物質よりなるマスク層を順に積層する段階と、前記マスク層上に陰極保持用金属パターンを形成する段階と、前記マスク層をパターニングして三角形のマスクを形成する段階と、前記マスクを使用して陰極の露出された部分を食刻してマイクロ・チップとなる部分を形成する段階と、前記マイクロ・チップとなる部分の下部と上部の前記接着層及びマスクを所定の時間以内に食刻することにより前記マイクロ・チップとなる部分が前記内部応力により突出されるようにするマイクロ・チップ突出段階とを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記接着層及びマスク層を積層する段階はチタンまたはアルミニウムをそれぞれ２００ｎｍ及び１００ｎｍの厚さにマグネトロンスパッタリング法または電子ビーム蒸着法で蒸着することが望ましく、前記陰極層を積層する段階はタングステンを１μｍの厚さにＤＣマグネトロンスパッタリング法または電子ビーム蒸着法で蒸着することが望ましく、前記陰極保持用金属パターンを形成する段階はリフトオフ技法により行うことが望ましく、前記マスクを形成する段階は前記マスク層に所定のフォトレジストマスクを形成する段階およびこのフォトレジストマスクを利用して反応性イオンエッチング法を使用して食刻する段階とを含むことが望ましく、前記マスクを形成する段階はリフトオフ技法により行うことが望ましい。
【００１３】
また、前記マイクロ・チップとなる部分を形成する段階はＣＦ₄／Ｏ₂プラズマを使用して前記マスクを食刻することが望ましく、前記マイクロ・チップ突出段階はＨＦ：ＮＨ₄Ｆの比が７：１〜１０：１である食刻溶液を使用するバッファド・オキサイド・エッチング（ＢＯＥ；buffered oxide etching）法で食刻することが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
まず、図１を参照しながら本発明による電界効果電子放出用マイクロ・チップの構造を説明すると次の通りである。
【００１６】
本発明による電界放出用マイクロ・チップは、ガラス基板１１上に、接着層１２、陰極１３、マイクロ・チップ１３′、マスク層１４及び陰極保持層１５とが順に積層された構造よりなる。ここで、接着層１２はチタンまたはアルミニウムを２００ｎｍの厚さに蒸着させて形成される。陰極１３はタングステンを１μｍの厚さに蒸着させて形成され、マイクロ・チップ１３′は陰極１３の一部を三角形にパターニングして、６０°〜７０°垂直上向き方向に突出されるように形成される。マスク層１４は前記接着層１２と同様にチタン（Ｔｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）を蒸着、パターニングして形成され、その厚さは１００ｎｍ程度に形成される。そして、陰極支持層１５はクロム（Ｃｒ）を蒸着させ、ストライプ状にパターニングして形成する。ここで、接着層１２及びマスク層１４はそれぞれＴｉとＡｌ、ＡｌとＴｉ、ＴｉとＴｉの組合せのうちいずれか一つの組合せによりなされ、これら組合せのうち接着層およびマスク層の組合せとしてはＴｉとＡｌの組合せが最も望ましい。
【００１７】
また、これら金属組合せ間の陰極物質であるタングステン（Ｗ）はこの組合せと強い内部応力の差を有する。また、この陰極をはさむＴｉとＡｌは極めて速い食刻速度を有する。これらが食刻される際、タングステン（Ｗ）は食刻されない。したがって、マイクロ・チップ１３′はこのような陰極と接着層及びマスク層の大きい食刻速度の差と内部応力の差とを用いて形成される。即ち、パターニングされた三角形のマイクロ・チップ１３′構造の下部の接着層１２が瞬間的に食刻されると共にタングステンの強い応力により上方へ突出するように形成される。
【００１８】
このような構造の電界効果電子放出用マイクロ・チップの製造方法は次の通りである。
【００１９】
まず、ガラス基板１１上にチタン（Ｔｉ）を２００ｎｍ程度の厚さに蒸着した接着層１２を形成した後、タングステンをＤＣマグネトロン・スパッタリング法を使用して１μｍの厚さに蒸着して陰極層１３を形成する。このように形成された陰極層は工程の条件により極めて強い内部応力を有する層となり、この強い内部応力は接着層により潜在し、接着層が急速に食刻される時その潜在された応力により陰極層のチップパターンを強く突出させる。
【００２０】
次に、アルミニウムをＤＣマグネトロン・スパッタリング法または電子ビームの蒸着法を使用して１００ｎｍの厚さに蒸着してマスク層１４を形成した後、陰極保持層１５としてクロムパターンを形成する。このクロムパターンは、リフトオフ法を使用したり、クロム層を形成した後写真食刻法などでパターニングして形成するもので、マイクロ・チップが内部応力により強く突出される時、陰極が基板から離隔しないように保持する役割を果たす。
【００２１】
次に、アルミニウムマスク層１４を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ; Reactive ion etching）法（リフトオフ技法を使用する場合もある）で食刻してマイクロ・チップ形成用マスク１４′を形成する。この際、マスク１４′の平面的な形態は図２に示したように、三角形状の鋭利な形態となるように食刻する。マイクロ・チップの鋭利さの程度はこのマスクのパターン方法に従って定められる。これにより、図２及び図３に示したような電界効果電子放出用マイクロ・チップの基本構造が形成される。
【００２２】
次に、アルミニウムマスク１４′を利用してＣＦ₄／Ｏ₂プラズマでタングステン陰極層１３を食刻してマイクロ・チップ部１３′を形成した後、ＢＯＥ法でチタン接着層１２およびアルミニウムマスク１４′を瞬間的に選択食刻してマイクロ・チップ１３を形成する。この際、接着層１２が瞬間的に食刻され、タングステンの内部応力により分離されたマイクロ・チップ１３′が突き出させられてマイクロ・チップ１３′が完成される。このチタン接着層１２のエッチング率は極めて速いので短時間にエッチングを終了しうるように制御することが重要である。この際、ＢＯＥに使用される食刻溶液はＨＦ：ＮＨ₄Ｆが７：１〜１０：１の比率に混ぜられた溶液を用いる。
【００２３】
なお、接着層とマスクの食刻速度に関しては、接着層の食刻速度よりマスクの食刻速度が遅いことが望ましい。そうでないと、同一の食刻液に対して、構造的に反応面積の狭いマスクの方が接着層より速く食刻され、タングステンマイクロチップ１３’の内部応力によりマイクロチップが強く突出されて、チップが損傷するおそれがある。したがって、マスクの食刻速度より接着層の食刻速度がやや速く、結果的にほぼ同時に接着層及びマスクが食刻されるのが望ましい。この目的のため、接着層及びマスクの材料には、例えば、それぞれＴi 及びＡｌを選べばよい。ＢＯＥ法の食刻液ＨＦ：ＮＨ₄＝７：１〜１０：１に対するＴi の食刻速度はＡｌの食刻速度よりやや速いので、接着層Ｔi 及びマスクＡｌはほぼ同時に食刻されるようになり、マイクロチップ１３’が突出される際ほとんど損傷されなくなる。
【００２４】
以上のように製作された電界効果電子放出用マイクロ・チップは、図４に示したように、その上部に陽極１６を備え、その間を１０^-6torr以下の真空状態とした後、陰極保持層１５を接地とし、陽極に適当な電源電圧Ｖａを印加すれば強い電界が形成されてその強電界によりマイクロ・チップから電子が放出される。この電界効果電子放出用マイクロ・チップは応用に従って任意に平面表示素子、高出力マイクロ・ウェーブ素子、電子ビーム応用のＳＥＭ，Ｅ−ビーム応用システム素子およびマルチプルビームの放出による（圧力）センサーとして使用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明による電界効果電子放出用マイクロ・チップ及びその製造方法は、タングステン陰極およびその下部のチタン接着層とその上部のアルミニウムマスク間の食刻速度の差及び内部応力の差を大として、接着層及びマスクを瞬間的に食刻する時タングステンマイクロ・チップが内部の応力により突き出されるようにしてマイクロ・チップを形成する。また、マスクの形態を調整することにより、マイクロ・チップの鋭利さを任意に調整することができる。そして、工程自体がタングステン内部のストレスとＢＯＥ法の特性を用いているので再現性が優秀であり、多重チップなので出力電流をｎＡ〜ｍＡの広帯域の範囲で調整可能であり、マイクロ・チップの形成にタングステンを使用するので硬度、酸化、仕事関数などにおいて優れ、電気的、化学的、機械的な耐久性も優秀である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電界効果電子放出用マイクロ・チップの斜視図である。
【図２】図１の電界効果電子放出用マイクロ・チップの製造工程を示す部分切開斜視図である。
【図３】図２のＡ〜Ａ′線に沿って切開した部分の垂直断面図である。
【図４】本発明による電界効果電子放出用マイクロ・チップの駆動方法を説明するための斜視図である。
【図５】従来の電界効果電子放出用マイクロ・チップの垂直断面図である。
【図６】従来の水平構造の電界効果電子放出用マイクロ・チップの垂直断面図および平面図である。
【符号の説明】
１１ガラス基板
１２接着層
１３陰極層
１３′ マイクロ・チップ部
１４アルミニウムマスク層
１４′ アルミニウムマスク
１５陰極保持層
１６陽極

Claims

基板と、
所定の食刻液に対して第１食刻速度で食刻されるチタンまたはアルミニウムを前記基板上に所定の厚さに蒸着して形成された接着層と、
前記食刻液で食刻されず、タングステンを所定の厚さに蒸着して形成され、前記接着層のチタンとタングステンとの組み合わせによる内部応力の差を有する陰極と、
前記陰極の所定の部分を三角形に食刻することにより形成された上部へ突出されたマイクロ・チップと、
前記食刻液に対して前記第１食刻速度以下の第２食刻速度で食刻されるアルミニウムを前記マイクロ・チップ以外の陰極上に所定の厚さに蒸着されて形成されたマスクと、
前記陰極保持用として前記マスク上に形成された金属パターンと、
を具備することを特徴とする電解効果電子放出用マイクロ・チップ。
前記マイクロ・チップは、所定の突出角度を有することを特徴とする請求項１記載の電解効果電子放出用マイクロ・チップ。
前記突出角度は、６０°〜７０°であることを特徴とする請求項４記載の電解効果電子放出用マイクロ・チップ。
前記金属パターンは、クロムにより形成されたことを特徴とする請求項１記載の電解効果電子放出用マイクロ・チップ。
基板と、所定の食刻液に対して第１食刻速度で食刻されるチタンまたはアルミニウムを前記基板上に所定の厚さに蒸着してなる接着層と、タングステンを所定の厚さに蒸着して形成され、前記接着層のチタンと前記タングステンとの組み合わせによる内部応力の差を有し、前記食刻液に対して食刻されない陰極層、及び前記食刻液に対して第１食刻速度以下の第２食刻速度で食刻されるアルミニウムを前記マイクロ・チップ以外の陰極上に所定の厚さに蒸着されてなるマスク層を順に積層する段階と、
前記マスク層上に陰極保持用金属パターンを形成する段階と、
前記マスクをパターニングして三角形のマスクを形成する段階と、
前記マスクを使用して陰極の露出された部分を食刻してマイクロ・チップとなる部分を形成する段階と、
前記マイクロ・チップとなる部分の下部及び上部の前記接着層及びマスクを所定の時間以内に食刻することにより前記マイクロ・チップとなる部分が前記内部応力により突出されるようにするマイクロ・チップの突出段階と、
を含むことを特徴とする電解効果電子放出用マイクロ・チップの製造方法。
前記陰極層を積層する段階は、タングステンを所定の厚さにＤＣマグネトロンスパッタリング法または電子ビーム蒸着法で蒸着することを特徴とする請求項５記載の電解効果電子放出用マイクロ・チップの製造方法。
前記マスク層を積層する段階は、チタンまたはアルミニウムを所定の厚さにマグネトロンスパッタリング法または電子ビーム蒸着法で蒸着することを特徴とする請求項５記載の電解効果電子放出用マイクロ・チップの製造方法。
前記マスクを形成する段階は、
前記マスク層に所定のフォトレジストマスクを形成する段階と、
このフォトレジストマスクを用いる反応性イオンエッチング法を使用して前記マスク層を食刻する段階と、
を含むことを特徴とする請求項５記載の電解効果電子放出用マイクロ・チップの製造方法。
前記マイクロ・チップとなる部分を形成する段階は、ＣＦ_４／Ｏ_２プラズマを使用して前記マスクを食刻することを特徴とする請求項５記載の電解効果電子放出用マイクロ・チップの製造方法。