KR100257698B1 - 화산형 실리콘 팁 필드 에미터의 제조방법 - Google Patents

화산형 실리콘 팁 필드 에미터의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 팁 표면에 플라즈마 화학증착법을 사용하여 다이아몬드상 탄소박막을 실리콘 팁 표면에 코팅하여 화산형 실리콘 팁 필드 에미터를 제조함으로써, 전자방출에 필요한 게이트 전압을 낮추고, 전자방출 밀도를 증가시키며, 에미션의 균일도가 향상된 다이아몬드상 탄소박막이 실리콘 팁 표면에 코팅된 실리콘 팁 필드에미터를 제공한다.

Description

화산형 실리콘 팁 필드 에미터의 제조방법
제1(a)도 내지 제1(g)도는 종래의 실리콘 팁 필드 에미터의 제조공정을 순차적으로 나타낸 단면도.
제2도는 종래의 실리콘 팁 필드 에미터를 갖는 전계방출 표시소자를 나타낸 단면도.
제3(a)도 내지 제3(f)도는 본 발명에 따른 다이아몬드상 탄소박막이 코팅된 화산형 실리콘 팁 필드 에미터의 제조공정을 순차적으로 나타낸 단면도.
제4도는 본 발명에 따른 팁 표면에 다이아몬드상 탄소박막이 코팅된 화산형 실리콘 팁 필드 에미터를 갖는 전계방출 표시소자를 나타낸 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100,200 : 하부기판 101,201 : 확산층
102,202 : 캐소드 전극 103,203 : 실리콘 팁 에미터
104,204 : 마스크 105 : 실리콘질화막
205 : 다이아몬드상 탄소박막 106,206 : 절연체
107,207 : 게이트 전극 108,208 : 형광체
109,209 : 애노드 전극 110,210 : 상부기판
111,211 : 애노드 전압 112,212 : 게이트 전압
213 : 평탄화층
본 발명은 실리콘 팁 필드 에미터에 관한 것으로, 특히 실리콘 팁 에미터 표면에 다이아몬드상 탄소박막이 코팅된 화산형 실리콘 팁 필드 에미터의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 실리콘 팁 필드 에미터는 제1(a)도 및 제1(g)도에 도시된 공정에 의해 제조되며, 제조된 필드 에미터를 이용한 전계방출 표시소자는 제2도에 도시된 바와 같다. 먼저 실리콘 팁 필드 에미터의 제조공정을 도면을 참조하여 설명하면 제1(a)도는 하부기판(100)을 이루는 P형 실리콘 웨이퍼에 N형 도펀트로 인(Phosphorous) 이온을 주입한 후 확산시켜 팁 에미터(103)와 캐소드 전극(102)을 형성할 수 있는 두께로 확산층(101)을 형성하고, 상기 확산층(101) 상부에 실리콘 팁 에미터(103)를 제조하기 위한 실리콘 산화막(SiO2) 마스크(104)를 형성한 공정을 나타낸 것이다. 제1(b)도는 상기 마스크(104) 하부의 확산층(101)을 반응성 이온식각(Reactive Ion Etching) 방법으로 등방성식각하여 캐소드 전극(102)과 실리콘 팁(103)을 형성한 공정을 나타낸다. 제1(c)도는 상기 실리콘 팁(103) 표면을 샤프닝(sharpen ing) 산화공정으로 팁 선단을 날카롭게 한 후, 일반적인 습식각법으로 마스크(104)와 샤프닝 산화막을 제거하고, 상기 공정에 의해 노출된 캐소드 전극(102)과 팁 에미터(103) 상부에 선택식각이 가능하도록 실리콘 질화막(105;Si3N4)과 절연층(106)을 등각(conformal)이 되도록 증착한 공정을 나타낸 것이다. 상기 실리콘 질화막(105)의 두께는 후술할 게이트 전극(107)과 팁 에미터(103) 사이의 거리를 결정한다. 상기 절연층(106)의 재료는 리플로우(reflow) 공정을 통하여 절연층(106)의 평탄화(Planarization)가 용이하게 이루어지도록 SOG(Spin-On-Glass), BPSG(Borophosphosilicat) 및 폴리이미드 등이 사용되나 BPSG가 많이 사용된다. 제1(d)도는 상기 실리콘 질화막(105) 상부에 증착되어 있는 절연층(106)을 리플로우 공정으로 평탄화시킨 것을 나타낸 것이다. 이때 BPSG의 리플로우 공정은 700∼1,000℃ 범위에서 이루어진다. 제1(e)도는 상기 평탄화된 절연층(106) 상부와 노출된 실리콘 질화막(105) 상부에 게이트 전극(107)을 등각을 갖도록 증착한 공정을 나타낸 것이다. 제1(f)도는 상기 게이트 전극(107)을 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공정으로 평탄화 되도록 식각하여 실리콘 팁 에미터(103) 표면에 코팅되어 있는 실리콘 질화막(105)을 노출시킨 공정을 나타낸 것이다. 제1(g)도는 제1(f)도의 공정에 의해 제조된 것을 습식식각법으로 실리콘 질화막(105)과 절연층(l06)의 재료인 BPSG를 연속적으로 식각하여 3극형 실리콘 팁 필드 에미터를 완성시킨 것을 나타낸 것이다.
제2도는 상기 실리콘 팁 필드 에미터를 갖는 전계방출 표시소자를 나타낸 것으로써, 하부기판(100)에는 제1(a)도 내지 제1(g)도의 공정에 의해 제조된 실리콘 팁 필드 에미터가 형성되어 있고, 상부기판(110)에는 애노드 전극(109)과 화소단위의 형광체(108)가 형성되어 있으며, 상부기판(110)과 하부기판(100) 사이의 공간은 스페이서(도시되지 않음)에 의해 유지된다. 상기 전계방출 표시소자의 게이트 전극(107)에 게이트 전압(Vg;112)을 인가하면 팁 에미터(103)와 게이트 전극(107) 사이에 전기장이 작용하여 팁(103) 선단에서 전자가 방출되고, 상기 방출된 전자는 애노드전극(109)에 인가된 애노드 전압(Va;111)에 의해 가속되어 형광체(108)를 자극함으로써, 전계방출 표시소자의 기능을 수행하게 된다.
그러나, 종래의 실리콘 팁 필드 에미터는 실리콘이 금속에 비하여 에미션 전류밀도가 작기 때문에 전계방출형 디스플레이에 응용시 휘도(Brightness)가 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 실리콘 팁 에미터는 팁의 반경이 200∼400Å 정도로 매우 날카롭기 때문에 동작중에 방출되는 전자에 의하여 이온화된 기체가 충돌하여 쉽게 손상된다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 종래에 실리콘 팁 에미터의 표면에 필드 에미션 특성이 우수하고 경도가 높은 다이아몬드 박막을 코팅하려는 노력이 있어 왔다. 그러나 일반적으로 열 필라멘트(Hot filament) 화학기상 증착법(CVD)나 마이크로 웨이브 화학기상증착법에 의해 제조되는 다결정 다이아몬드 박막은 섬(island) 성장을 하므로 1000Å 이하의 두께에서는 균일한 증착이 불가능하다는 문제점이 있다. 또한 필드 에미터에서 이종 물질의 불균일한 표면코팅은 에미션 특성이 불균일해지는 결과를 나타내므로 실제로 디스플레이에 응용하기가 어렵다. 또한 제1도에서 설명한 종래의 실리콘 팁 에미터의 제조방법은 게이트 금속의 평판화를 위해서 CMP공정을 사용하는데, 상기 CMP는 고가의 장비이므로 전계방출 표시소자의 제조단가를 높인다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 실리콘 팁 필드 에미터 상부에 플라즈마 화학증착법을 사용하여 다이아몬드상 탄소(DLC;Diamondlike Carbon)박막을 코팅한 실리콘 필드 에미터를 제조함으로써, 전류-전압 특성과 에미션의 균일도 및 수명을 연장시킨 실리콘 필드 에미터를 제공하며, CMP를 사용하지 않으므로써 전계방출 표시소자의 제조단가를 낮추는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 P형 실리콘 웨이퍼 상부에 N형 도펀트로 인(Phosphorous) 이온을 주입한 후 확산시켜 확산층을 형성하는 단계와, 상기 확산층 상부에 실리콘 산화막 마스크를 형성하는 단계와, 상기 마스크 하부의 확산층을 반응성 이온식각법으로 등방성식각하여 캐소드 전극과 팁을 형성하는 단계와, 상기 팁 선단을 샤프닝 산화공정에 의해 날카롭게 형성하는 단계와, 상기 샤프닝 산화막과 마스크를 제거하는 단계와, 상기 캐소드 전극과 팁 에미터 상부에 플라즈마 화학증착법으로 다이아몬드상 탄소박막을 코팅하는 단계와, 상기 다이아몬드상 탄소박막 상부에 절연체와 게이트 전극을 팁의 형상을 따라 등각으로 증착하는 단계와, 상기 게이트 전극 상부에 포토레지스트를 증착한 후 팁 상부의 게이트 전극이 노출되도록 포토레지스트를 평탄식각하는 단계와, 상기 노출된 게이트 전극을 반응성이온 식각법으로 식각하고, 그 하부의 절연체를 습식식각하여 팁 표면에 코팅된 다이아몬드상 탄소박막의 일정부분이 노출되도록하는 단계와, 상기 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함하는 다이아몬드상 탄소박막이 코팅된 화산형 실리콘 팁 필드 에미터의 제조방법을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고로하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 종래의 3극형 실리콘 팁 필드 에미터에서 팁 에미터의 표면에 전자방출 특성이 우수하고 경도와 열전도도 특성이 우수한 다이아몬드상 탄소 박막을 증착하는 방법에 관한 것이다.
제3(a)도 내지 제3(f)도는 본 발명에 따른 다이아몬드상 탄소박막이 코팅된 화산형 실리콘 팁 필드 에미터의 제조공정을 순차적으로 나타낸 것으로써, 제3(a)도 및 제3(b)도는 상술한 종래의 실리콘 팁 필드 에미터의 제조공정과 동일한 방법으로 제조할 수 있다. 제3(c)도는 상기 실리콘 팁(203) 표면을 샤프닝(sharpen ing) 산화공정으로 팁(203) 선단을 날카롭게 한 후, 일반적인 습식식각법으로 마스크(204)와 샤프닝 산화막을 제거하고, 상기 공정에 의해 노출된 캐소드 전극(202)과 팁 에미터(203) 상부에 플라즈마 화학증착법으로 다이아몬드상 탄소박막(205)을 실리콘 팁(203)과 캐소드 전극(202) 표면에 약 1,000Å 이하의 두께로 코팅한 공정을 나타낸 것이다. 제3(d)도는 상기 다이아몬드상 탄소박막(205)의 상부에 플라즈마 화학 증착법이나 전자빔 열증착법으로 절연체(206)인 실리콘 산화막(SiO2)을 실리콘 팁 에미터(203)의 형상을 따라 등각을 갖도록 증착하고, 상기 증착된 절연체(203) 상부에 텅스텐 또는 몰리브덴을 전자빔 열증착방법으로 절연체(203)의 형상을 따라 균일한 두께로 증착하여 게이트 전극(207)을 형성한 다음, 상기 게이트 전극(207) 상부에 게이트 전극(207)을 완전히 덮을 수 있도록 평탄화층(213)으로 포토레지스를 증착한 공정을 나타낸 것이다.
이때, 절연층 형성시 다이아몬드상 탄소박막의 가열에 따른 특성변화론 최소화하기 위하여 저온공정이 가능한 플라즈마 화학 증착법이나 전자빔 열증착법을 사용한다. 또한, 평탄화층(213)인 포토레지스트는 스핀코팅 방법으로 형성한다. 제3(e)도는 상기 평탄화층(213)을 아르곤 스퍼터링 식각법에 의해 팁 에미터(203) 상부에 형성되어 있는 게이트 전극(207)의 일정부분이 노출되도록 평탄식각한 공정을 나타낸 것이고, 마지막으로 제3(f)도는 노출된 게이트 전극(207)을 반응성 이온식각법에 의해 식각한 다음, 게이트 전극(207)의 식각에 의해 노출된 절연체(206)를 습식식각으로 다이아몬드상 탄소박막(205)이 코팅된 팁(203) 선단이 노출되도록 제거한 다음, 남아있는 평탄화층(213)을 제거하여 최종적으로 다이아몬드상 탄소박막이 코팅된 화산형 실리콘 팁 필드 에미터를 완성시키는 공정을 나타낸 것이다.
제4도는 제3(a)도 내지 제3(f)도의 공정으로 제조된 다이아몬드상 탄소박막이 코팅된 화산형 실리콘 팁 필드 에미터를 이용한 전계방출 표시소자를 나타낸 것으로써, 하부기판(200)에는 본 발명에 의해 제조된 다이아몬드상 탄소박막(205)이 팁(203) 표면에 코팅된 실리콘 팁 필드 에미터가 형성되어 있고, 상부기판(210)에는 애노드 전극(209)과 화소단위의 형광체(208)가 형성되어 있으며, 상부기판(210)과 하부기판(200) 사이의 공간은 스페이서(도시되지 않음)메 의해 유지된다. 상기 전계방출 표시소자의 게이트 전극(207)에 게이트 전압(Vg;212)을 약 100V 인가하면 팁 에미터(203)와 게이트 전극(207) 사이에 1V/Å 이상의 전기장이 작용하여 팁(203)의 선단에서 전자가 방출되고, 상기 방출된 전자는 애노드 전극(209)에 인가된 애노드 전압(Va;211)에 의해 가속되어 형광체(208)를 자극함으로써, 전계방출 표시소자의 기능을 수행하게 된다.
상술한 바와 같이는 실리콘 팁 에미터의 표면에 다이아몬드상 탄소박막을 코팅 함으로써 전자방출에 필요한 문턱장(threshold field)이 감소하여 게이트 전압을 낮출 수 있고, 전자방출 전류밀도가 증가하며, 에미션의 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 실리콘 팁 에미터 동작중에 생성되는 이온들의 충돌에 대하여 에미터의 선단을 보호함으로써, 필드 에미터의 신뢰도와 수명을 향상시키고, 탄소박막의 표면에 기체의 흡착 및 탈착현상이 감소하므로 방출전류의 안정성이 향상되어 노이즈를 줄일 수 있다.
또한 플라즈마 화학증착법으로 제조한 다이아몬드상 탄소박막은 실리콘 팁 표면에 1,000Å 이하의 두께로 균일하게 증착할 수 있어 다결정 다이아몬드 박막 증착시보다 에미션의 균일도가 향상된다.
또한, 평탄화층으로 포토레지스트를 형성하고 게이트 전극을 아르곤 스퍼터링 방법으로 식각함으로써, 고가의 CMP 장비를 사용하지 않기 때문에 전계방출 표시소자의 제조단가를 낮출 수 있다.

Claims (4)

  1. P형 실리콘 웨이퍼 상부에 N형 도펀트로 인 이온을 주입한 후 확산시켜 확산층을 형성하는 단계와, 상기 확산층 상부에 실리콘 산화막 마스크를 형성하는 단계와, 상기 마스크 하부의 확산층을 반응성 이온식각법으로 등방성식각하여 캐소드 전극과 팁을 형성하는 단계와, 상기 팁 선단을 샤프닝 산화공정에 의해 날카롭게 형성하는 단계와, 상기 샤프닝 산화막과 마스크를 제거하는 단계와, 상기 캐소드 전극과 팁 에미터 상부에 플라즈마 화학증착법으로 다이아몬드상 탄소박막을 코팅하는 단계와, 상기 다이아몬드상 탄소박막 상부에 절연체와 게이트 전극을 팁의 형상을 따라 등각으로 증착하는 단계와, 상기 게이트 전극 상부에 평탄화층을 증착한 후 팁 상부의 게이트 전극이 노출되도록 평탄화층을 평탄식각하는 단계와, 상기 노출된 게이트 전극을 반응성이온 식각법으로 식각하고, 그 하부의 절연체를 습식식각하여 팁 표면에 코팅된 다이아몬드상 탄소박막의 일정부분이 노출되도록하는 단계와, 상기 평탄화층을 제거하는 단계를 포함하는 다이아몬드상 탄소박막이 코팅된 화산형 실리콘 팁 필드 에미터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 평탄화층의 재료는 포토레지스트를 사용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소박막이 코팅된 화산형 실리콘 팁 필드 에미터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 평탄화층의 평탄식각방법은 아르곤 스퍼터링을 이용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소박막이 코팅된 화산형 실리콘 팁 필드 에미터의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 절연층의 형성방법은 저온공정이 가능한 플라즈마 화학증착법 또는 전자빔 열증착법을 사용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소박막이 코팅된 화산형 실리콘 팁 필드 에미터의 제조방법.
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