KR100232063B1 - 집속 전극이 있는 전계 방출 음극 - Google Patents

집속 전극이 있는 전계 방출 음극 Download PDF

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Abstract

전계 방출형 음극에 있어서, 게이트 전극의 개구부의 주변부는 기판측 상에 리세스되고, 게이트 전극의 개구부와 동일한 수의 개구부를 가진 집속 전극이 게이트 전극상에 배치된다. 또한, 게이트 전극과 집속 전극 사이에 게이트 전극의 개구부와 동일한 수의 개구부를 가진 차폐 전극이 배치된다. 상술한 구성에 따르면, 집속 수차가 감소될 수 있으며, 낮은 게이트 전극 전위에 의해 집속된 전자류가 얻어질 수 있다.

Description

집속 전극이 있는 전계 방출 음극
제1도는 일본 공개 특허 평5-343000호에 개시되어 있는 전계 방출형 냉음극을 응용한 전자총의 단면도.
제2도는 미국 특허 제5,191,217호에 개시되어 있는 전계 방출형 냉음극의 단면도.
제3도는 집속 전극을 구비한 전계 방출형 냉음극과 집속 전극을 구비하지 않은 전계 방출형 냉음극의 경우에 에미터 콘의 선단부 근방에서의 전계 분포를 도시하는 개략도.
제4도는 본 발명에 따른 제1실시예의 전계 방출형 음극의 단면 사시도.
제5도는 본 발명에 따른 제2실시예의 전계 방출형 음극의 단면 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2, 3, 7 : 절연층
5 : 캐비티 6 : 게이트 전극
8, 101, 102 : 집속전극 9 : 에미터 콘
본 발명은 전자 방출원으로서의 냉음극, 특히 집속 전극을 구비하며, 뾰족한 선단부로부터 전자를 방출시키는 전계 방출형 음극(field emission cathode)에 관한 것이다.
전계 방출형 음극은 본 기술 분야에 공지되어 있다. 또한, 전계 방출형 음극으로부터 방출된 전자는 반각(half angle) 30°의 발산각(divergence angle)을 갖는다는 것이 공지되어 있다. 그러므로, 전계 방출형 음극을 전자총에 응용하는 경우에, 전자의 흐름(이하, ″전자류″라 한다)은 냉음극이 실장된 응용예마다 제어된 상태가 되어야 한다.
즉, 냉음극을 진행파 관에 응용하는 경우에 전자류는 평행한 흐름이 되게 제어되어야 하고, 냉음극을 CRT에 응용하는 경우에 전자류는 선정된 공간에 집속되어야 한다.
게다가, 전자류가 인접 화소에 악 영향을 미치는데 대한 대응책이 필요하다. 방출된 전자류를 제어하기 위한 집속 전극(focusing electrode)을 구성하는 것이 매우 중요하다.
예를 들면, 일본 공개 특허 평5-343000호에서는, 한쌍의 집속 전극이 전계 방출형 음극의 전자 방출면의 전면에 구비되어 있는 전자총이 제안되어 있다(제1도).
이러한 예에서는, 제1 및 제2전자 빔 집속 전극(101 및 102)이 전자 방출면의 전면에 배치되어 기판(1)의 주변 구조물에 의해 지지되어 있다.
이들 전자빔 집속 전극에 최적의 전위를 인가함으로써 제1 및 제2전자빔 집속 전극(101 및 102)사이에 전자 렌즈가 형성된다. 따라서, 에미터 콘(9)로부터 방출된 전자류는 목적에 부합하여 서로간에 평행하게 진행되고 선정된 공간에 집속된다.
또한, 1993년 3월 2일자로 허여된 미합중국 특허 제5,191,217호에서는 제2도에 도시된 바와 같이, 음극의 필수부를 형성하는 집속 전극을 구비한 전계 방출형 음극이 개시되어 있다. 이러한 예에서는, 집속 전극(8)은 게이트 전극(6)의 개구부와 동축인 개구부를 가지며, 게이트 전극(6)의 전위보다 낮은 전위를 집속 전극(8)에 인가함으로써 에미터 선단부상에 전자 볼록 렌즈가 형성된다.
발산하는 전자류(divergent electron flow)를 집속하는 경우, ″전자류는 방출 되는 각도(발산각)와 전자류의 단면적의 적(product)이 항상 보존된다″에 대한 문제점이 상존한다.
즉, 소정의 발산각을 가진 전자류를 집속 전극을 사용하는 전자렌즈로 집속하는 경우에, 집속된 전자류의 양에 따라서 발산각이 매우 커진다. 예를 들면, 냉음극을 CRT에 응용하는 경우, 스크린의 중심 또는 주변부에 따라 전자류의 경로 거리(path distance)가 다르기 때문에, 전자 렌즈의 강도가 너무 약해지면 모든 스크린 상으로 빔을 집속하기 어렵다.
또한, 종래의 얼음극(hot cathode)에 있어서, 본원에서 현안으로 되고 있는 방출된 전자의 최초 속도는 열이온 에너지(thermionic energy)가 무시되는 경우에 대략 OeV가 되고, 집속 렌즈가 인가된 전위 분포(potential distribution)에 의해 전자가 진공중으로 인출되어, 거기에서 집속된다. 즉, 발산각의 측방향 성분은 오직 종래의 열음극에서 음극의 가열에 기인한 열이온 에너지의 양이 된다.
한편, 전계 방출형 냉음극에 있어서, 게이트 전극에 전자를 인가할 때 나타나는 전위로 인해 에미터 콘의 선단부에 강전계가 발생되어 터널 현상으로 인해 상술한 발산각으로 진공중으로 방출되며, 전극에 인가된 전압 값에 따라 전자류가 가속화된다.
즉, 전계 방출형 음극으로부터 방출된 전자류는, 전자가 집속 전극에 의해 발생되는 전자 렌즈에 의해 영향을 받기 전에 게이트 전극을 통과할 때 최초 속도 및 발산각을 가지기 때문에 집속되기 어렵다.
더욱이, 상기 최초 속도 및 상기 발산각을 가지는 전계 방출형 음극으로부터의 전자류는, 제1도에 도시된 바와 같이, 에미터 콘(9)으로부터 이격되어 배치된 집속 전극에 의해 전자류가 에미터 콘(6)으로부터 방출된 이후에 집속되므로, 광학 렌즈 시스템에서의 칼라 수차(color aberration)의 문제점이 발생된다.
즉, 전자류의 중앙부 근방을 통과하는 전자의 집속점과 전자류의 외주변부를 통과하는 전자의 집속점이 서로 일치하지 않는 문제점이 발생된다.
그러므로, 상기한 칼라 수차의 문제를 해소하기 위하여 에미터 콘으로부터 방출된 전자의 발산각이 감소되거나 에미터콘 근방에서 제어될 필요가 있다.
제2도에서, 에미터 콘(9)마다 집속 전극(8)을 배치하는 방법이 유용하다는 것이 고려되어 있다. 게이트 전극 (6)의 전위보다 낮은 전위가 집속 전극(8)에 인가된다.
그러나, 제2도에 도시된 전계 방출형 음극에 있어서는, 전자류를 집속할 때 에미터 콘(9)으로부터 방출되는 전류의 양이 감소된다는 문제점이 있다.
제3도에는, 집속 전극(8)을 구비한 전계 방출형 음극과 집속 전극(8)을 구비하지 않는 전계 방출형 음극의 경우에 나타나는 에미터콘(9)의 선단부 근방의 전계의 각각의 상태가 등전위선(equipotential line)으로 도시되어 있다.
제3도에서, 도면의 좌측은 음극이 집속 전극을 구비하지 않는 경우를 도시하며, 도면의 우측은 음극이 집속 전극을 구비한 경우를 각각 도시한다.
제3도의 우측에 도시된 바와 같이, 제2절연층(7)으로부터 연장되는 등전위선(14)은 에미터 콘 위에서 하향 블록 형태를 취한다. 상기 하향 볼록 등전위선(14)은, 에미터 콘(9)으로부터 방출된 전자를 집속하기 위한 전자 렌즈가 형성되어 있는 것을 나타낸다.
한편, 절연층(4)으로부터 연장되는 등전위선의 일부는 에미터 콘(9)측이 아닌 제2절연층(7)측으로 연장된다. 이는 게이트 전극(6)과 집속 전극(8) 사이에 형성된 전계가, 게이트 전극(6)과 기판(1) 사이에 인가된 에미터 콘(9)의 선단부 상의 강전계를 과도하게 제어한다는 것을 의미한다. 즉, 게이트 전극(6)의 전위보다 낮은 전위가 집속 전극(8)을 구비하지 않는 경우 나타나는 전위와 같을 때는 소량의 방출 전류만이 얻어진다는 문제점이 있게 된다.
따라서, 본원 발명의 목적은 집속 수차(focusing aberration)를 감소시킬 수 있으며, 낮은 게이트 전극 전위(low electric potential)에 의해 전자류가 집속될 수 있는 전계 방출형 음극을 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따르면, 게이트 전극의 개구부가 기판측 상에 콘-형태로 리세스되고, 게이트 전극의 개구부와 중심축이 각각 일치하는 다수의 개구부를 구비한 집속 전극은 기판상의 게이트 전극에 대향되게 배치되며, 절연층은 게이트 전극과 집속전극 사이에 배치된다.
게이트 전극의 개구부는 기판측 상에 콘-형태(cone-shape)로 리세스되고, 게이트 전극의 개구부와 중심축에서 각각 일치하는 다수의 개구부를 구비한 집속 전극은 기판상의 게이트 전극에 대향되게 배치되며, 게이트 전극의 개구부와 중심축이 각각 일치하는 다수의 개구부를 구비한 차폐 전극은 게이트 전극과 집속 전극 사이에 배치된다.
집속 전극의 전위는 게이트 전극의 전위에 대해 양성측(positive side)에 인가된다.
게이트 전극의 개구부는 기판측 상에 리세스되고, 전계 방출형 음극마다 개구부를 구비한 집속 전극은 전계 방출형 음극 상의 근접한 위치에 형성되어, 에미터 콘의 선단부마다 강 전자 렌즈(strong electron lens)가 형성되고, 발산각이 작고 수차가 아주 적은 전자빔이 얻어질 수 있다.
더욱이, 에미터 콘의 선단부는 집속 전극과 게이트 전극 사이에 발생된 전계에 의해 영향을 받지 않으며, 낮은 게이트 전극 전위에서 전자가 방출될 수 있다.
또한, 게이트 전극의 전위보다 높은 전위를 집속 전극에 인가함으로써 방출량을 제어하지 않고서도 전계 방출형 음극이 동작될 수 있다.
이하, 본원 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
제4도에 따르면, 제1절연 부재(4)가 기판(1) 상에 형성된다. 제1절연 부재(4)는 식각율이 서로 다른 2개의 절연층(2 및 3)으로 되어 있다. 특히 열산화 방법을 사용하여 단결정 실시콘의 기판상에 실리콘 이산화물 층(2)이 형성된다.
실리콘 이산화물 층(2) 상에는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법을 사용하여 질소 이산화물 층(3)이 형성된다. 실리콘 이산화물 층(2) 및 질소 이산화물 층(3) 각각의 두께는 1㎛이다.
그 후, 포토리소그래피 기술을 사용하여, 캐비티(5)가 형성되는 영역을 제외한 영역이 포토레지스트(도시하지 않음)에 의해 마스크된 후에, 실리콘 질화물 층(3)에는 습식 에칭 기술, 이온 반응성 에칭(RIE) 및 습식 에칭 기술을 결합하여 사용한 기술 및 RIE 에칭의 에칭 조건을 최적화함으로써, 홀 직경이 기판(1)쪽으로 작아지는 식으로 경사진 측면을 가진 홀이 제공된다. 실리콘 질소 피막(3)의 홀 직경은 실리콘 이산화물 층(2)에 접촉하는 표면에서는 1.5㎛, 그것의 개구부에서는 3㎛가 된다.
절연층(4) 상에는, 텅스텐 실리사이드(WSi), 몰리브덴, 텅스텐 등과 같이 0.3㎛두께의 고 융점을 가진 금속으로 제조된 게이트 전극이 형성된다.
전술한 공정은 1996년 2월 20일자로 허여된 미합중국 특허 제5,493,173호에 기재된 공정으로 대체될 수 있다.
또한, 게이트 전극상에 CVD 방법을 사용하여 실리콘 산화물로 제조된 1㎛두께의 제2절연층(7)이 제조된다. 제2절연층(7)상에는 스퍼터링 방식에 의해 텅스텐 실리사이드(WSi), 몰리브덴, 텅스텐 등과 같은 고 융점을 가진 금속으로 제조된 집속 전극(8)이 형성된다.
집속 전극이 형성된 이후에, 상기 언급한 종래의 전계 방출형 음극을 제조하는 방법과 유사하게, 포토리소그래피 기술 및 RIE 에칭과 같은 건식 에칭 기술에 의해 캐비티(5)가 형성되고, 기상 증착 방법 및 희생층 에칭과 같은 종래의 처리 방법을 행함으로써 에미터 콘(9)이 형성된다.
집속 전극(8) 및 제2 절연층(7)의 홀들은 RIE 건식 에칭시에 등방성 에칭에 의해 형성되어, 홀 직경이 3㎛가 된다. 또한, 게이트 전극의 개구부 직경은 1.5㎛이다.
게이트 전극(6)에 대략 30V가 인가될 때, 하나의 에미터 콘 당 1×10-12A의 전자 방출이 실현된다. 인가 전압을 증가시킴으로써 소망의 방출 전류를 얻을 수 있다. 예를 들면, 게이트 전극(6)에 인가되는 전압이 60 내지 80V 일 경우에는, 1㎃의 방출 전류가 하나의 방출 콘 당 1×10-7A, 10000 소자 당 1㎃가 얻어진다.
집속 전극(8)에는, 게이트 전압(VG)보다 높거나 낮은 전위중의 하나가 인가될 수 있다.
집속 전극(8)에 높은 집속 전압(VF)이 인가되는 경우에, 예를 들어 기판의 전위(VE)가 OV이고, 게이트 전극의 전위(VG)는 80V이며, 집속 전극의 전위(VF)는 200V인 경우, 발산각은, 방출된 전류량을 저감시키지 않고 집속 전극이 없을 경우 나타나는 발산각의 1/3에 상응하는 10°가 된다.
또한, 게이트 전극의 전압이 더 감소되는 경우, 발산각은 작게 된다.
이는 게이트 전극을 콘 형태로 리세싱함으로써 리세스된 게이트 전극을 따라 등전위면이 형성되어, 전자 렌즈가 형성된다는 것을 의미한다. 또한, 서로 인접되어 있는 게이트 전극과 집속 전극 사이에 전자 렌즈가 형성되기 때문에, 집속 전극을 구비하지 않은 종래의 전계 방출형 음극의 전위보다 낮은 전위를 인가함으로써 이러한 강한 전자 렌즈가 형성될 수 있다.
한편, 게이트 전압보다 낮은 전위를 집속 전극(8)에 인가하는 경우에서도, 제2도에 도시된 평행 평판형 집속 전극을 구비한 전계 방출형 음극과 비교하여 집속전극과 게이트 전극간의 전위차가 작은 조건에서 방출 전자가 집속될 수 있다. 이는 제3도에 도시된 전계 방출형 음극의 전자 방출 특성을 저하시키지 않고도 소망의 전류값과 집속도를 가지는 전자류가 얻어질 수 있다는 것을 의미한다.
즉, 제2도에 도시된 종래 기술에서는 게이트 전극(6)과 집속 전극(8)에 의해 전자 렌즈 효과가 구현되지만, 본 경우에 있어서는 기판측 상에 게이트 전극(6)을 콘 형태로 리세싱함으로써 구현되는 전자 렌즈 효과가, 게이트 전극(6)과 집속 전극(8)에 의해 실현되는 전자 렌즈 효과에 부가된다.
그러므로, 기판측 상에 게이트 전극(6)을 콘 형태로 리세싱함으로써 구현되는 전자 렌즈 효과에 따라 집속 전극(8)에 인가되는 전위를 저감시킬 필요가 없으므로, 집속 전극으로 인한 방출 전자의 제어 작용이 경감된다.
제5도는 본 발명에 따른 전계 방출형 음극의 제2실시예의 단면 사시도이다.
이 실시예에서는, 차폐 전극(10)과 제3절연층(11)은 제1실시예의 전계 방출형 음극내의 게이트 전극(6)과 제2절연층(7) 사이에 삽입되어 있다.
차폐 전극(10)은 스퍼터링 방법에 의해 형성되는 텅스텐 실리사이드(WSi), 몰리브덴, 텅스텐 등과 같은 0.3㎛ 두께의 고용점 금속으로 제조된다. 또한, 제3절연층(11)은 0.5㎛ 두께이며, CVD 방법을 사용하여 형성된 실리콘 산화물로 제조된다.
제1실시예의 제조 공정에서 스퍼터링 방식에 의해 제조된 게이트 전극(6)의 층상에 차폐층(10) 및 제3절연층(11)이 형성된다. 차폐층(10)은, 게이트 전극(6)의 개구부를 형성할 때 건식 에칭에 의해 사이드-에칭(side-etching)되며, 게이트전극(6)의 개구부 직경이 1.5㎛인데 비해, 차폐 전극(10)의 개구부 직경은 1.6㎛가 된다.
게이트 전극(6)과 집속 전극(8)에 인가된 전압은 제1실시예의 전계 방출형 음극의 인가 전압과 유사하다. 또한 차폐 전극(10)에는 게이트 전극(6)의 전위와 동일한 전위(Vs) 또는, 게이트 전극(6)과 집속 전극(8)에 인가된 전위의 중간 전위가 인가된다.
양호하게는, 중간 전위는 게이트 전압(VG)보다 높은 대략 10V이다.
부가적으로, 본 발명에 따른 실시예의 전계 방출형 음극에서는 상술한 물질, 및 크기 및 인가 전압 등의 수치는 많은 경우의 예로서 인용되고 있을 뿐이며, 본 발명을 한정하고자 하는 의도는 아니다.
상술한 바와 같이, 기판(1)측 상에 게이트 전극(6)을 리세싱 함으로써 다음의 3가지의 장점이 얻어진다.
먼저, 게이트 전극(6)을 리세싱함으로써 전자 렌즈가 구현될 수 있다. 그러므로, 상기한 바와 같이, 게이트 전극(6)에 양 전위를 인가하여 전자의 방출을 제어 하지 않고도 어느 정도까지는 전자류의 집속을 얻을 수 있으며, 실장 방법 및 응용예에 따라 소망의 전자원으로서 사용될 수 있다.
그 후, 게이트 전극(6)의 전위보다 낮은 저 전위를 집속 전극(8)의 인가함으로써 전자 렌즈가 구현되는 경우에, 에미터 콘(9)의 선단부에 대한 집속 전극의 영향이 감소되고, 전류의 방출량이 저감되는 것을 방지할 수 있다.
제2실시예의 차폐 전극(10)을 구비하면 이러한 장점은 더욱 현저하게 얻어질 수 있다.
또한, 집속 전극(8)에서 볼 때 게이트 전극(6)이 분리되는 방향으로 만곡되는 구성에 따르면, 게이트 전극(6)과 기판(1) 사이에 형성되는 전계가 집속 전극(8)의 응용에 따른 전계의 영향을 경감시키는 효과를 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 전계 방출형 음극에 있어서, 집속 수차(focussing aberration)가 감소될 수 있으며, 집속된 전자류는 낮은 게이트 전극(6)전위에 의해 얻어질 수 있다.

Claims (4)

  1. 표면이 전기적으로 도전성인 기판, 상기 기판의 상기 전기적으로 도전성 표면 상에 형성되고, 내부의 캐비티 에지에 의해 한정된 게이트 전극 캐비티의 개구부를 가진 전극을 구비한 제1절연층, 상기 캐비티 에지에 인접한 상기 제1절연층 상에 환형부(annular portion)가 형성되어 있으며 상기 캐비티 에지 주위에 리세스되어 있는 게이트 전극, 상기 리세스된 부분을 제외한 상기 게이트 전극 상에 형성된 제2절연층, 상기 제2절연층 상에 형성된 집속 전극, 및 상기 캐비티내에 배치되며, 상기 기판의 상기 전기적으로 도전성인 표면에 전기적으로 접속된 에미터를 구비한 것을 특징으로 하는 전계 방출형 음극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 차폐 전극 및 , 상기 게이트 전극과 상기 제2절연층 사이에 배치된 제3절연층을 더 구비한 것을 특징으로 하는 전계 방출형 음극.
  3. 제1항에 있어서, 상기 집속 전극에 인가된 전위는 상기 게이트 전극에 인가된 전위보다 높은 것을 특징으로 하는 전계 방출형 음극.
  4. 제1항에 있어서, 상기 게이트 전극의 상기 리세스된 부분은 콘 형태(cone-shaped)로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 음극.
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