KR100199295B1 - Method of manufacturing field emission device - Google Patents

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KR100199295B1
KR100199295B1 KR1019960030186A KR19960030186A KR100199295B1 KR 100199295 B1 KR100199295 B1 KR 100199295B1 KR 1019960030186 A KR1019960030186 A KR 1019960030186A KR 19960030186 A KR19960030186 A KR 19960030186A KR 100199295 B1 KR100199295 B1 KR 100199295B1
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etching
diamond
sacrificial
field emission
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KR1019960030186A
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Inventor
전동렬
정복현
이승협
Original Assignee
이계철
한국전기통신공사
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Abstract

[청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야][Technical field to which the invention described in the claims belong]

전계방출소자Field emitter

[발명이 해결하고자 하는 기술적 과제][Technical Problem to Solve]

전자를 방출하는 음극과 그를 제어하는 게이트의 위치 정렬을 용이하도록 한다.This facilitates the alignment of the cathode emitting electrons and the gate controlling it.

[발명의 해결 방법의 요지][Summary of the solution of the invention]

다이아몬드상 카본으로 음극을 형성하되, 다이아몬드상 카본을 레이저 애블레이션(Laser Ablation) 방법으로 형성하여 게이트 금속막을 다이아몬드상 카본 음극에 근접되도록 미세한 위치 정렬을 이룬다.The cathode is formed of diamond-like carbon, but diamond-like carbon is formed by laser ablation to achieve a fine position alignment so that the gate metal film is close to the diamond-like carbon cathode.

[발명의 중요한 용도][Important Uses of the Invention]

전계방출소자를 사용하는 전자통신 분야Electronic communication field using field emission device

Description

전계방출소자 제조 방법Field emission device manufacturing method

본 발명은 다이아몬드상 카본막이 각 단위 화소당 전자 방출원이 되도록 하고 게이트를 붙여 전계방출을 조절하는 삼극관 구조의 전계방출소자 제조방법에 관한 것으로, 특히 다이아몬드상 카본막으로 형성된 음극과 게이트가 근접되도록 그 위치 정렬을 용이하도록 하는 전계방출소자 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a field emission device having a triode structure, in which a diamond-like carbon film serves as an electron emission source per unit pixel, and a gate is attached to control the field emission. A method for manufacturing a field emission device for facilitating the alignment thereof.

반도체에 강한 전기장이 걸리면 전자가 전위 장벽을 뚫고 진공으로 방출되는 현상을 전계방출이라 하는데, 이때 전자가 전계방출되는 시간은 10-15초이므로 이 현상을 통신용 microwave 증폭에 이용될 수 있고, 또한 방출된 전자를 형광막에 부딪치게하여 평판 표시 소자도 제작할 수 있다. 이외에도 전계방출 소자는 압력 센서, 적외선 탐지, 핵 반응으로의 입자 가속 장치, 우주개발등 거친 환경에서의 각종 센서 등에 이용될 수 있다.When a strong electric field is applied to a semiconductor, electrons are released through a potential barrier and discharged into a vacuum, which is called field emission. The electron emission time is 10-15 seconds, so this phenomenon can be used for amplifying microwaves for communication. The flat electron display can also be manufactured by making the electrons collide with the fluorescent film. In addition, the field emission device may be used for pressure sensors, infrared detection, particle acceleration devices for nuclear reactions, and various sensors in harsh environments such as space development.

종래의 전계방출소자에서는 몰리브데늄 또는 실리콘을 날카로운 바늘 모양으로 가공하고 가까운 거리에 게이트를 형성하여 전계방출 전류를 제어하였다. 그러나 몰리브데늄 또는 실리콘을 바늘로 만들기 위해서는 복잡한 공정과정을 거쳐야 하며 각각의 바늘 형태에 따라 전계방출 특성이 균일하지 못하다. 그런데 최근에 바늘모양이 아닌 편평한 다이아몬드상 카본막에서 전계방출이 가능함이 알려지면서 이 재료를 전계방출 소자에 이용하려는 연구가 활발하다. 다이아몬드상 카본을 이용하면 전계방출 원인 음극을 바늘 모양으로 만들지 않아도 되므로 공정이 훨씬 간단하고 소자의 신뢰성도 향상되기 때문이다.In the conventional field emission device, molybdenum or silicon was processed into a sharp needle shape, and a gate was formed at a close distance to control the field emission current. However, in order to make molybdenum or silicon into needles, a complicated process is required and field emission characteristics are not uniform for each needle type. However, recently, it is known that electric field emission is possible in a flat diamond-like carbon film rather than a needle shape, and studies are being actively made to use this material for field emission devices. This is because the use of diamond-like carbon eliminates the need to make the cathode, the source of field emission, into a needle shape, making the process much simpler and improving device reliability.

그러나 이 재료의 단점은 패터닝이 어렵고, 따라서 가까운 거리에 게이트를 형성하기 어렵다는 점이다. 게이트가 없이 음극인 다이아몬드상 카본박막과 먼 거리에 위치한 양극에 전압을 걸어 전계방출 전류를 얻기 위해서는 고전압을 걸어야 한다. 이 경우 전계방출 소자의 이용 범위가 특히 제한될 것이다.The disadvantage of this material, however, is that it is difficult to pattern and thus difficult to form gates at close range. In order to obtain a field emission current by applying a voltage to the anode located far away from the diamond-like carbon thin film, which is a cathode, a high voltage must be applied. In this case, the use range of the field emission device will be particularly limited.

또한, 다이아몬드상 카본막을 형성하는 방법은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)이 일반적으로 이용되어 왔는데 이 경우 다이아몬드상 카본막이 소자를 형성하는 구조물의 모든 면을 구별없이 덮게 되므로 원하는 소자의 모양을 만들기가 어렵다.In addition, chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition) has been generally used to form the diamond-like carbon film. In this case, the diamond-like carbon film covers all sides of the structure forming the device without distinguishing the shape of the desired device. it's difficult.

본 발명의 목적은 다이아몬드상 카본막을 각각의 화소로 패터닝하고 마이크로미터의 거리에 게이트를 형성하여 게이트의 걸리는 낮은 전압으로도 전계방출 전류가 얻어지도록 하는 전계방출소자 제조 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a field emission device in which a diamond-like carbon film is patterned into each pixel and a gate is formed at a distance of micrometers so that the field emission current can be obtained even at a low voltage applied to the gate.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다이아몬드상 카본막을 레이저 애블레이션(Laser ablation)방법으로 증착하여 카본이 타겟으로 기판으로 직선을 날아가게 하기 때문에 새도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 음극부분에만 다이아몬드상 카본막을 형성함으로써 원하는 소자 형태를 패터닝 할 수 있고, 게이트와 음극 부분이 단절되므로 소자의 성능을 향상시킬 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention deposits a diamond-like carbon film by a laser ablation method so that carbon flies a straight line to the substrate as a target, so that a diamond-like film is used only on the cathode part using a shadow mask. By forming the carbon film, the desired device shape can be patterned, and the gate and cathode portions are disconnected, thereby improving the performance of the device.

제1a도 내지 제1l도는 본 발명의 일실시예에 따른 전계방출소자 제조 공정도.1a to 1l is a manufacturing process chart of the field emission device according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

101 : 실리콘 기판 102 : 산화막101 silicon substrate 102 oxide film

103 : 질화막 104 : 몰리브데늄막103 nitride film 104 molybdenum film

105 : 니켈막 106 : 포토레지스트105 nickel film 106 photoresist

107 : 다이아몬드상 카본막107: diamond-like carbon film

제1a도 내지 제1l도는 본 발명의 일실시예에 따른 전계방출소자 제조 공정도를 나타내는 것으로, 이를 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.1A to 1L show a field emission device manufacturing process chart according to an embodiment of the present invention, with reference to this one embodiment of the present invention will be described in detail.

먼저, 제1a도와 같이, 결정방향은 (100)이며, 비저항 5~10Ω.cm인 4인치 n형의 단결성 실리콘 기판(101)에 산화로에서 산소량 4.5sccm, 온도 1050℃의 조건으로 산화막(102)을 성장시킨다.First, as shown in FIG. 1A, the crystal direction is (100), and a 4 inch n-type unity silicon substrate 101 having a resistivity of 5 to 10? 102) grow.

이어서, 제1b도와 같이 산화막(102)상에 질화막(Si3N4)(103)을 850℃에서 저압력화학기상증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법으로 형성시킨다.Subsequently, a nitride film (Si 3 N 4 ) 103 is formed on the oxide film 102 by a low pressure chemical vapor deposition method at 850 ° C as shown in FIG.

이어서, 제1c도와 같이, 질화막(103)상에 게이트 금속막으로 이용할 몰리브데늄(Mo)막(104)을 전자선 증착법으로 증착한다.Next, as shown in FIG. 1C, a molybdenum (Mo) film 104 to be used as the gate metal film is deposited on the nitride film 103 by an electron beam deposition method.

이어서, 제1d도와 같이, 몰리브데늄막(104)상에 희생막(sacrificial layer)으로 사용될 니켈(Ni)막(105)을 전자선 증착 방법으로 증착한다.Next, as illustrated in FIG. 1D, a nickel (Ni) film 105 to be used as a sacrificial layer is deposited on the molybdenum film 104 by an electron beam deposition method.

이어서, 제1e도와 같이, 니켈막(105)상에 저속 500rpm으로 5초, 고속 4000rpm으로 35초간 스피너(Spinner)를 회전시켜 포토레지스트(106)를 도포한다.Next, as shown in FIG. 1E, a spinner is rotated on the nickel film 105 for 5 seconds at a low speed of 500 rpm and 35 seconds at a high speed of 4000 rpm to apply the photoresist 106.

이어서, 제1f와 같이, 도포된 포토레지스트를 95℃에서 30분간 소프트 베이킹(soft baking)한 후, 얼라이너(aligner)를 이용하여 9.5초 간 선택 노광시킨 다음, 물과 AZ-500MIF 현상액을 1 : 6으로 혼합한 현상액에서 70초간 현상하여 포토레지스트 패턴(106a)을 형성한다. 이 포토레지스트 패턴(106a)은 게이트 패터닝을 위한 게이트 마스크이다.Subsequently, as in 1f, the applied photoresist is soft baked at 95 ° C. for 30 minutes, followed by selective exposure using an aligner for 9.5 seconds, and then water and AZ-500MIF developer are subjected to 1 exposure. : It is developed for 70 second in the developer mixed with 6 :, and the photoresist pattern 106a is formed. This photoresist pattern 106a is a gate mask for gate patterning.

이어서, 제1g도와 같이, 포토레지스트 패턴(106a)을 마스크로 하여 니켈막(105)을 건식식각하여 니켈막 패턴(105a)을 형성하고, 포토레지스트 패턴을 제거한다.Next, as shown in FIG. 1G, the nickel film 105 is dry-etched using the photoresist pattern 106a as a mask to form the nickel film pattern 105a, and the photoresist pattern is removed.

이어서, 제1h도와 같이, 게이트 금속막인 몰리브데늄막(104)을 HNO3, HF, CH3COOH 용액이 혼합된 습식식각 용액에서 습식식각하여 몰리브데늄막 패턴(104a)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1H, the molybdenum film 104, which is a gate metal film, is wet-etched in a wet etching solution in which HNO 3 , HF, and CH 3 COOH solutions are mixed to form the molybdenum film pattern 104a.

이어서, 제1l도와 같이, 질화막(103)을 건식식각 방법으로 식각하여 질화막 패턴(103a)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 1L, the nitride film 103 is etched by a dry etching method to form the nitride film pattern 103a.

이어서, 제1j와 같이, BOE(buffered-oxide-etchant)에 웨이퍼를 딥(dip)하여 산화막(102)을 습식식각하는데, 이때 습식식각되는 정도를 조절하여 니켈막 패턴(105a)의 측벽으로부터 가상된 수직 연장선에서 산화막 패턴(102a)의 측벽이 더 식각되도록하여, 이후의 다이아몬드상 카본의 레이저애블레이션 증착시 새도우 마스크 역할을 하도록 한다.Subsequently, as in the first j, the oxide film 102 is wet-etched by dipping the wafer into a buffered-oxide-etchant (BOE), wherein the degree of wet etching is controlled to virtually remove the wafer from the sidewall of the nickel film pattern 105a. The sidewalls of the oxide layer pattern 102a are further etched at the vertical extension line to serve as a shadow mask during subsequent laser ablation deposition of diamond-like carbon.

이어서, 제1k와 같이, 레이저 애블레이션 증착법으로 다이아몬드상 카본막(107)을 전체구조 상부에 증착하는데, 이때, 카본이 타겟에서 직선으로 날아오므로 패턴 기둥의 측벽에는 다이아몬드상 카본막(107)이 증착되지 않고 편면상에서 노출되는 부위에만 증착된다.Subsequently, as in 1k, the diamond-like carbon film 107 is deposited on the entire structure by a laser ablation deposition method. At this time, since the carbon flows straight from the target, the diamond-like carbon film 107 is formed on the sidewall of the pattern pillar. It is deposited only on the portions exposed on one side without being deposited.

이어서, 제1l도와 같이, 니켈막 패턴(105a)을 리프트-오프(lift-off)시켜, 니켈막 패턴(105a)과 그 상부에 증착된 다이아몬드상 카본막(107)을 제거한다. 그러면 결국, 도면에 도시된 바와 같이 전계방출원인 다이아몸드상 카본막(107)과 게이트인 몰리브데늄막 패턴(104a)이 근접되게 형성되게 된다.Next, as shown in FIG. 11, the nickel film pattern 105a is lifted off to remove the nickel film pattern 105a and the diamond-like carbon film 107 deposited thereon. As a result, as shown in the drawing, the diamond-like carbon film 107 serving as the field emission source and the molybdenum film pattern 104a serving as the gate are formed to be close to each other.

본 발명은 다이아몬드상 카본막을 전계방출소자로 이용하면 실리콘 전계방출소자의 재료적인 단점을 보완할 수 있으며, 쉬운 공정으로 다이아몬드상 카본 음극에 게이트를 형성함으로써 낮은 전압으로 소자를 구동할 수 있어 전계방출소자의 응용 범위를 넓힐 수 있다.According to the present invention, when the diamond-like carbon film is used as the field emission device, the material shortcomings of the silicon field emission device can be compensated. The application range of the device can be extended.

또한, 다이아몬드상 카본막을 레이저 애블레이션 방법으로 증착하기 때문에, 다이아몬드상 카본막이 게이트 옆면에 붙지 않으므로 게이트와 음극 부분의 전기적 분리를 용이하게 실시할 수 있다.In addition, since the diamond-like carbon film is deposited by the laser ablation method, since the diamond-like carbon film does not adhere to the gate side surface, electrical separation between the gate and the cathode portion can be easily performed.

Claims (10)

반도체 기판 상에 제1절연막, 제2절연막, 게이트 금속막 및 희생막을 차례로 형성하는 단계; 상기 희생막 상에 게이트 마스크 패턴을 형성하고 상기 희생막을 식각한 다음 상기 게이트 마스크 패턴을 제거하는 단계; 상기 희생막의 식각으로 노출된 상기 게이트 금속막을 식각하는 단계; 상기 게이트 금속막의 식각으로 노출된 상기 제2절연막을 식각하는 단계; 상기 제2절연막의 식각으로 노출된 상기 제1절연막을 식각하되, 상기 식각되어 패터닝된 니켈막의 측벽으로부터 가상된 수직 연장선에서 제1절연막의 측벽이 더 식각되도록 식각하는 단계; 레이저 애블레이션 증착법으로 다이아몬드상 카본막을 형성하는 단계; 및 상기 패터닝된 니켈막을 리프트-오프시켜 상기 패터닝된 니켈막 상부의 다이아몬드상 카본막과 상기 패터닝된 니켈막을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진 전계방출소자 제조 방법.Sequentially forming a first insulating film, a second insulating film, a gate metal film, and a sacrificial film on the semiconductor substrate; Forming a gate mask pattern on the sacrificial layer, etching the sacrificial layer, and then removing the gate mask pattern; Etching the gate metal layer exposed by etching the sacrificial layer; Etching the second insulating layer exposed by etching the gate metal layer; Etching the first insulating layer exposed by the etching of the second insulating layer, wherein the sidewalls of the first insulating layer are etched at a vertical extension line imaginary from the sidewalls of the etched and patterned nickel film; Forming a diamond-like carbon film by laser ablation deposition; And removing the patterned nickel film and the diamond-like carbon film on the patterned nickel film by lifting off the patterned nickel film. 제1항에 있어서, 상기 반도체 기판은 실리콘 기판은 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조 방법.The method of claim 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon substrate. 제2항에 있어서, 상기 제1절연막은 산화로에서 산소량 4.5sccm, 온도 1050℃의 조건으로 성장시킨 산화막인 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조 방법.The method of claim 2, wherein the first insulating film is an oxide film grown on an oxide furnace under a condition of 4.5 sccm of oxygen and a temperature of 1050 ° C. 4. 제3항에 있어서, 상기 제2절연막은 화학기상증착법에 의한 질화막인 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조 방법.4. The method of claim 3, wherein the second insulating film is a nitride film by chemical vapor deposition. 제1항에 있어서, 상기 게이트 금속막은 몰리브데늄(Mo)인 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조 방법.The method of claim 1, wherein the gate metal layer is molybdenum (Mo). 제1항에 있어서, 상기 희생막은 니켈(Ni)인 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조 방법.The method of claim 1, wherein the sacrificial film is nickel (Ni). 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 게이트 금속막과 상기 희생막은 전자선 증착법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조 방법.The method of manufacturing a field emission device according to claim 5 or 6, wherein the gate metal film and the sacrificial film are formed by an electron beam deposition method. 제1항에 있어서, 상기 게이트 마스크 패턴은 포토레지스트 패턴인 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조 방법.The method of claim 1, wherein the gate mask pattern is a photoresist pattern. 제5항에 있어서, 상기 몰리브데늄막의 식각인 HNO3, HF 및 CH3COOH 용액이 혼합된 습식식각 용액에서 습식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조 방법.The method of claim 5, wherein the HNO 3 , HF, and CH 3 COOH solutions, which are etching the molybdenum film, are wetted in a mixed wet etching solution. 제4항에 있어서, 상기 산화막의 식각은 BOE에서 습식식각으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조 방법.The method of claim 4, wherein the etching of the oxide layer is performed by wet etching in a BOE.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108220915A (en) * 2017-12-30 2018-06-29 天津大学 A kind of micro- increase and decrease material composite manufacturing method of Graphics-oriented thin diamond film preparation

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