KR100312187B1 - Method for fabrication field emission devices with diamond - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다이아몬드를 이용한 전계전자방출소자 제조방법에 관한것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a field electron emission device using diamond.
본 발명의 제조방법은 기판 표면을 전처리하여 미세하게 스크레치를 가하는 단계, 상기 기판에 절연막과 제 1 감광막을 차례로 증착하는 단계, 상기 제 1 감광막을 패터닝하는 단계, 상기 제 1 감광막을 마스크로 하여 상기 절연막을 식각하는 단계, 상기 제 1 감광막을 제거하는 단계, 다이아몬드를 상기 기판위에 증착하는 단계, 상기 다이아몬드를 플라즈마 식각하여 위스커를 생성시키는 단계, 상기 식각된 절연막을 제거하는 단계, 상기 위스커에 게이트 절연막, 게이트 금속막 및 제 2 감광막을 차례로 증착하는 단계, 상기 제 2 감광막을 패터닝하는 단계, 상기 제 2 감광막을 마스크로 하여 상기 게이트 금속막을 식각하는 단계와 상기 제 2 감광막을 제거하고 상기 위스커 위부분의 상기 게이트 절연막을 제거하는 단계를 포함하여 구성된다.The manufacturing method of the present invention comprises the steps of pre-treating the surface of the substrate to finely scratch, depositing an insulating film and the first photosensitive film on the substrate in turn, patterning the first photosensitive film, the first photosensitive film as a mask Etching the insulating film, removing the first photoresist film, depositing diamond on the substrate, plasma etching the diamond to generate a whisker, removing the etched insulating film, gate insulating film on the whisker Depositing a gate metal film and a second photoresist film in sequence, patterning the second photoresist film, etching the gate metal film using the second photoresist film as a mask, removing the second photoresist film, and removing the second photoresist film. And removing the gate insulating film.
본 발명의 다른 제조방법은 기판의 표면을 전처리하여 미세하게 스크레치 하는 단계, 상기 기판에 게이트 절연막, 게이트 금속막, 절연막 및 감광막을 차례로 증착하는 단계, 상기 감광막을 패터닝하는 단계, 그리고 상기 감광막을 마스크로 하여 절연막, 게이트 금속막 및 게이트 절연막을 식각하는 단계, 상기 감광막 제거후, 다이아몬드를 상기 기판위에 증착하는 단계, 상기 다이아몬드를 플라즈마 식각을 하여 위스커를 생성시키는 단계, 그리고, 상기 절연막을 제거하는 단계를 포함하여 구성된다. 만약, 상기 다이아몬드를 위스커 대신 팁의 형태로하려면, 상기 다이아몬드를 상기 기판위에 증착하는 단계 다음으로 상기 절연막을 제거한 후, 상기 게이트 금속막 및 다이아몬드에 절연막을 증착하는 단계, 상기 절연막을 패터닝하는 단계, 패싯팅(facetting) 현상을 이용하여 상기 절연막 및 다이아몬드를 식각하여 원뿔형 다이아몬드 팁을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.Another manufacturing method of the present invention comprises the steps of pre-treating the surface of the substrate to finely scratch, depositing a gate insulating film, a gate metal film, an insulating film and a photoresist film in sequence on the substrate, patterning the photoresist film, and masking the photoresist film Etching the insulating film, the gate metal film, and the gate insulating film, removing the photoresist film, depositing diamond on the substrate, plasma etching the diamond to generate a whisker, and removing the insulating film. It is configured to include. If the diamond is in the form of a tip instead of a whisker, depositing the diamond on the substrate, removing the insulating film, depositing an insulating film on the gate metal film and the diamond, patterning the insulating film, And etching the insulating film and the diamond using a facetting phenomenon to form a conical diamond tip.
이러한 방법으로 제조된 전계방출소자는 최소의 전압으로 최대의 전류를 방출할 수 있으며, 게이트 절연막을 최대한 두껍게 하여 게이트에 인가되는 전압을 크게 하면서도 게이트 누설 전류는 줄일 수 있다.The field emission device manufactured in this way can emit the maximum current with the minimum voltage, and the gate insulating current can be reduced by increasing the voltage applied to the gate by making the gate insulating film thickest.
Description
본 발명은 다이아몬드를 이용한 전계전자 방출소자 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 게이트 구멍에 다이아몬드를 증착하고 공기 또는 산소가 포함된 기체 플라즈마로 식각하여 최소의 게이트 전압으로 최대의 전계방출 전자를 얻도록 하는 전계전자 방출소자 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a field electron emission device using diamond, and more particularly, depositing diamond in a gate hole and etching with a gas plasma containing air or oxygen to obtain the maximum field emission electron with a minimum gate voltage. It relates to a method for manufacturing a field electron emission device.
일반적으로, 전계전자 방출소자의 제조시 음극재료로 몰리브데늄, 실리콘 등의 재료가 많이 사용되어져 왔으나, 표면의 산화, 이온 충돌에 의한 마모, 재현성있는 공정의 어려움 등의 문제가 있다. 이때문에 주위의 기체와 반응하지 않고 가장 단단하며 열전도가 좋은 다이아몬드가 새로운 전계전자방출소자의 음극재료로 연구되어 오고 있다.Generally, molybdenum, silicon, and the like have been used as a cathode material in the manufacture of the field electron emission device, but there are problems such as oxidation of the surface, abrasion by ion collision, and difficulty in reproducible processes. For this reason, diamond, which is hard and does not react with surrounding gas, has been studied as a cathode material of a new field emission device.
이러한 전계전자 방출소자의 음극재료는 대체로 박막의 형태를 취하는데, 이것은 전계방출이 일어나는 위치가 불균일하여 전자 소자에 이용하기 어려울 뿐 아니라 게이트를 부착시키기 힘들므로 전계방출 위치를 임의로 제어하기 위해 전극을 날카롭게 만드는 시도가 이루어지고 있다. 실리콘 웨이퍼를 역 피라미드 모양으로 식각하고 그 구멍에 화학기상 증착법으로 다이아몬드를 채어넣은 후, 실리콘을 녹여 피라미드 모양의 정렬된 다이아몬드 바늘을 만드는 방법이 이용됐으나, 이 방법으로는 다이아몬드를 충분히 날카롭게 만들기 어렵고 실리콘 틀을 한번 밖에 사용할 수 없으므로 비용이 많이드는 단점이 있다.The cathode material of the field electron emission device generally takes the form of a thin film, which is difficult to use in an electronic device due to the uneven position of the field emission, and is difficult to attach the gate. Attempts are being made to sharpen. Etching the silicon wafer into an inverted pyramid shape and filling the hole with diamond by chemical vapor deposition followed by melting the silicon to form pyramid-aligned diamond needles, but this method is difficult to make the diamond sharp enough. It can be used only once, so it is expensive.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 미국 특허 4,957,591에서는 다이아몬드를 산소 플라즈마 등으로 건식 식각하여 가늘고 긴 바늘로 제조하는 방법을 제시하고 있는데, 다이아몬드의 바늘이 다결정 박막의 그레인 경계에만 무작위로 발생하기 때문에 실제로 밀도가 높고 균일한 바늘을 얻기 어렵다는 문제가 있다. 다른 방법으로 제시된 미국 특허 5,844,252에서는 다이아몬드 바늘을 건식 식각하여 게이트가 부착된 소자로 공정하는 것이 제안되었으나, 게이트 막의 하부에도 다이아몬드 박막이 존재하므로 게이트 절연막의 두께가 상대적으로 얇아져 놓은 전압을 걸 수 없고, 전압이 걸린경우에도 절연막이 파괴되거나 전류가 게이트로 누설될 가능성이 많다는 문제점이 있다.In order to solve this problem, U.S. Patent 4,957,591 proposes a method for manufacturing diamond into dry needles by dry etching with oxygen plasma, etc.The density of diamond needles is randomly generated only at grain boundaries of polycrystalline thin films. There is a problem that it is difficult to obtain a high and uniform needle. In US Patent 5,844, 252, which is proposed by another method, it is proposed to dry-etch a diamond needle to process the device with a gate. However, since a diamond thin film is also present in the lower portion of the gate film, the thickness of the gate insulating film cannot be applied. Even when a voltage is applied, there is a problem that the insulating film is broken or a current is likely to leak to the gate.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 최소전압으로 최대전류를 방출하며, 게이트 전압을 크게 하면서 게이트 누설 전류를 줄일 수 있는 최적의 구조를 갖춘 전계전자 방출 소자 제조방법을 제시하는 것을 그 목적으로 하고 있다.Accordingly, the present invention provides a method for manufacturing a field electron emission device having an optimal structure that emits a maximum current at a minimum voltage and reduces the gate leakage current while increasing the gate voltage in order to solve the above problems. It is aimed.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법은 기판 표면을 전처리하여 미세하게 스크레치를 가하는 단계, 상기 기판에 절연막과 제 1 감광막을 차례로 증착하는 단계, 상기 제 1 감광막을 패터닝하는 단계, 상기 제 1 감광막을 마스크로 하여 상기 절연막을 식각하는 단계, 상기 제 1 감광막을 제거하는 단계, 다이아몬드를 상기 기판위에 증착하는 단계, 상기 다이아몬드를 플라즈마 식각하여 위스커(whisker; 다이아몬드가 식각되어 형성되는 날카로운 바늘과 같은 뽀족한 형상 부분)를 생성시키는 단계, 상기 식각된 절연막을 제거하는 단계, 상기 위스커에 게이트 절연막, 게이트 금속막 및 제 2 감광막을 차례로 증착하는 단계, 상기 제 2 감광막을 패터닝하는 단계, 상기 제 2 감광막을 마스크로 하여 상기 게이트 금속막을 식각하는 단계와 상기 제 2 감광막을 제거하고 상기 위스커 윗부분의 상기 게이트 절연막을 제거하는 단계를 포함하여 구성된다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method of preliminarily treating a surface of a substrate, applying a fine scratch, depositing an insulating film and a first photoresist film on the substrate, and patterning the first photoresist film. 1, etching the insulating film using a photoresist film as a mask, removing the first photoresist film, depositing diamond on the substrate, and plasma-etching the diamond to form a whisker; Generating the same pointed shape), removing the etched insulating film, depositing a gate insulating film, a gate metal film, and a second photosensitive film on the whisker in turn, patterning the second photosensitive film, and forming the second photosensitive film. Etching the gate metal layer using the photosensitive layer as a mask; And removing the photoresist film and the gate insulating film over the whisker.
본 발명의 다른 제조방법은 기판의 표면을 전처리하여 미세하게 스크레치 하는 단계, 상기 기판에 게이트 절연막, 게이트 금속막, 절연막 및 감광막을 차례로 증착하는 단계, 상기 감광막을 패터닝하는 단계, 그리고 상기 감광막을 마스크로 하여 절연막, 게이트 금속막 및 게이트 절연막을 식각하는 단계, 상기 감광막 제거후, 다이아몬드를 상기 기판위에 증착하는 단계, 상기 다이아몬드를 플라즈마 식각을 하여 위스커를 생성시키는 단계, 그리고, 상기 절연막을 제거하는 단계를 포함하여 구성된다.Another manufacturing method of the present invention comprises the steps of pre-treating the surface of the substrate to finely scratch, depositing a gate insulating film, a gate metal film, an insulating film and a photoresist film in sequence on the substrate, patterning the photoresist film, and masking the photoresist film Etching the insulating film, the gate metal film, and the gate insulating film, removing the photoresist film, depositing diamond on the substrate, plasma etching the diamond to generate a whisker, and removing the insulating film. It is configured to include.
본 발명의 또 다른 제조방법은 기판의 표면을 전처리하여 미세하게 스크레치 하는 단계, 상기 기판에 게이트 절연막, 게이트 금속막, 제 1 절연막 및 감광막을 차례로 증착하는 단계, 상기 감광막을 패터닝하는 단계, 상기 감광막을 마스크로 하여 제 1 절연막, 게이트 금속막 및 게이트 절연막을 식각하는 단계, 상기 감광막 제거후, 다이아몬드를 상기 기판위에 증착하는 단계, 상기 제 1 절연막을 제거하는 단계, 상기 게이트 금속막 및 다이아몬드에 제 2 절연막을 증착하는 단계, 상기 제 2 절연막을 패터닝하는 단계, 패싯팅(facetting) 현상을 이용하여 상기 제 2 절연막 및 다이아몬드를 식각하여 다이아몬드 팁을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.Another manufacturing method of the present invention comprises the steps of pre-treating the surface of the substrate to finely scratch, depositing a gate insulating film, a gate metal film, a first insulating film and a photoresist film sequentially on the substrate, patterning the photoresist film, the photosensitive film Etching the first insulating film, the gate metal film and the gate insulating film as a mask, removing the photoresist film, depositing diamond on the substrate, removing the first insulating film, removing the first insulating film, And depositing a second insulating film, patterning the second insulating film, and etching the second insulating film and diamond by using a faceting phenomenon to form a diamond tip.
이와같은 방법으로 전계전자 방출소자를 제조할 경우, 반도체 소자 공정에서 사용하는 리소그라피 방법을 사용하지 않고 금속막을 마스크로 사용하기 때문에 비교적 날카로운 바늘을 얻을 수 있으므로 낮은 전압에서 많은 전류를 방출할 수 있고, 게이트 절연막을 두께를 조절하여 인가 전압을 크게하면서 게이트 누설전류를 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.When the field electron emission device is manufactured in this manner, a relatively sharp needle can be obtained because the metal film is used as a mask without using the lithography method used in the semiconductor device process, and thus a large amount of current can be emitted at a low voltage. By controlling the thickness of the gate insulating film, it is possible to obtain an effect of reducing the gate leakage current while increasing the applied voltage.
도 1a 내지 도 1l은 본 발명에 따른 실시예 1에 의한 전계전자 방출소자 제조방법의 공정도1a to 1l is a process diagram of a method for manufacturing a field electron emission device according to Example 1 according to the present invention
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 실시예 2에 의한 전계전자 방출소자 제조방법의 공정도.Figure 2a to 2g is a process chart of the method for manufacturing a field electron emission device according to the second embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3i는 본 발명에 따른 실시예 3에 의한 전계전자 방출소자 제조방법의 공정도.Figure 3a to 3i is a process chart of the method for manufacturing a field electron emission device according to the third embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings the present invention will be described in detail.
실시예 1Example 1
도 1a 내지 도 1l에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 1에 따르면, 우선적으로 다이아몬드를 성장시키기 위하여 실리콘 또는 유리 기판(10) 표면을 전처리하여 미세한 스크레치를 가하는 단계(도 1a), 상기 전처리된 기판(10)에 다이아몬드 위스커(whisker)를 패턴하기 위하여 실리콘 산화막 등의 게이트 절연막(11)과 제 1 감광막(12)을 차례로 증착하는 단계(도 1b), 상기 제 1 감광막(12)을 패터닝하는 단계(도 1c). 상기 제 1 감광막(12)을 마스크로 하여 상기 게이트 절연막(11)을 식각하는 단계(도 1d), 상기 제 1 감광막(12)을 제거하는 단계(도 1e), 다이아몬드(13)를 실리콘 혹은 유리 기판(10)위에 증착하는 단계(도 1f), 상기 기판(10)에 음 바이어스를 걸고 기체 플라즈마로 상기 다이아몬드(13)를 식각하여 위스커(13a)를 생성시키는 단계(도 1g), 상기 위스커(13a)가 생성된 후에 상기 절연막(11) 제거하는 단계(도 1h), 상기 위스커(13a)위에 게이트로 사용될 게이트 절연막(14), 게이트 금속막(15) 및 2 감광막(16) 차례로 증착하는 단계(도 1i), 상기 제 2감광막(16)을 패터닝하는 단계(도 1j), 상기 제 2 감광막(16)을 마스크로 하여 상기 게이트 금속막(15)을 식각하는 단계(도 1k)와 상기 제 2 감광막(16)을 제거하고 상기 위스커(13a) 윗부분의 상기 게이트 절연막을 제거하는 단계(도 1l)를 거쳐 다이아몬드 바늘 삼극관 소자가 완성된다.According to Embodiment 1 of the present invention as shown in FIGS. 1A-1L, a step of pretreating the surface of the silicon or glass substrate 10 to apply a fine scratch to preferentially grow diamond (FIG. 1A), the pretreated Depositing a gate insulating film 11 such as a silicon oxide film and the first photosensitive film 12 in order to pattern a diamond whisker on the substrate 10 (FIG. 1B), and patterning the first photosensitive film 12. Step (FIG. 1C). Etching the gate insulating film 11 using the first photosensitive film 12 as a mask (FIG. 1D), removing the first photosensitive film 12 (FIG. 1E), and the diamond 13 in silicon or glass Depositing on the substrate 10 (FIG. 1F), applying a negative bias to the substrate 10, and etching the diamond 13 with a gas plasma to generate a whisker 13a (FIG. 1G), wherein the whisker ( After the 13a is formed, the insulating layer 11 is removed (FIG. 1H), and the gate insulating layer 14, the gate metal layer 15, and the second photosensitive layer 16 are sequentially deposited on the whisker 13a. (I), patterning the second photosensitive film 16 (FIG. 1J), etching the gate metal film 15 using the second photosensitive film 16 as a mask (FIG. 1K), and the second 2 removing the photoresist film 16 and removing the gate insulating film on the upper portion of the whisker 13a (FIG. 1L) Diamond needles triode device is completed.
실시예 2Example 2
도 2a 내지 도 2g에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 2에 따르면, 우선적으로 다이아몬드를 성장시키기 위하여 실리콘 또는 유리 기판(20) 표면을 전처리 하여 미세한 스크레치를 가하는 단계(도 2a), 상기 전처리된 기판(20)에 게이트 절연막(21), 게이트 금속막(22), 절연막(23), 감광막(24)을 차례로 증착하는 단계(도2b), 상기 감광막(24)을 패턴닝하는 단계(도 2c), 상기 감광막(24)을 마스크로 하여 상기 절연막(23), 상기 게이트 금속막(22), 상기 게이트 절연막(21)을 식각하는 단계(도 2d), 상기 감광막(24)을 제거하고, 다이아몬드(25)를 기판(20)위에 증착하는 단계(도 2e), 상기 다이아몬드(25)를 플라즈마 식각하여 위스커(25a)를 생성시키는 단계(도 2f), 상기 절연막(23)을 제거하는 단계(2g)를 거쳐 다이아몬드 바늘 삼극관 소자가 완성된다.According to the second embodiment of the present invention as shown in Figs. 2a to 2g, a step of pretreating the surface of the silicon or glass substrate 20 to apply a fine scratch to preferentially grow diamond (Fig. 2a), the pretreatment Depositing a gate insulating film 21, a gate metal film 22, an insulating film 23, and a photosensitive film 24 on the substrate 20 in sequence (FIG. 2B), and patterning the photosensitive film 24 (FIG. 2C). ), Etching the insulating film 23, the gate metal film 22, and the gate insulating film 21 using the photosensitive film 24 as a mask (FIG. 2D), removing the photosensitive film 24, and removing diamond. Depositing 25 on the substrate 20 (FIG. 2E), plasma etching the diamond 25 to generate a whisker 25a (FIG. 2F), and removing the insulating film 23 (2g). The diamond needle triode element is completed.
실시예 3Example 3
도 3a내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 3에 따르면, 기판(30)의 표면을 전처리하여 미세하게 스크레치 하는 단계(도 3a), 상기 기판(30)에 게이트 절연막(31), 게이트 금속막(32), 제 1 절연막(33) 및 감광막(34)을 차례로 증착하는 단계(도 3b), 상기 감광막(34)을 패터닝하는 단계(도 3c), 상기 감광막(34)을 마스크로 하여 제 1 절연막(33), 게이트 금속막(32) 및 게이트 절연막(31)을 식각하는 단계(도 3d), 상기 감광막(34) 제거후, 다이아몬드(35)를 상기 기판위에 증착하는 단계(도 3e), 상기 제 1 절연막(33)을 제거하는 단계(도 3f), 상기 게이트 금속막(32) 및 다이아몬드(35)에 제 2 절연막(36)을 증착하는 단계(3g), 상기 제 2 절연막(36)을 패터닝하는 단계(3h), 패싯팅(facetting) 현상을 이용하여 상기 제 2 절연막(36) 및 다이아몬드(35)를 식각하여 원뿔형 다이아몬드 팁(35a)을 형성하는 단계(3i)를 거쳐 다이아몬드 삼극관 소자가 완성된다.According to the third embodiment of the present invention as shown in FIGS. 3A to 3, a step of finely scratching the surface of the substrate 30 by pretreatment (FIG. 3A), the gate insulating layer 31 on the substrate 30, Depositing the gate metal film 32, the first insulating film 33, and the photosensitive film 34 in sequence (FIG. 3B), patterning the photosensitive film 34 (FIG. 3C), and using the photosensitive film 34 as a mask. Etching the first insulating film 33, the gate metal film 32 and the gate insulating film 31 (FIG. 3D), removing the photosensitive film 34, and depositing diamond 35 on the substrate (FIG. 3e), removing the first insulating film 33 (Fig. 3f), depositing a second insulating film 36 on the gate metal film 32 and the diamond 35 (3g), and the second insulating film Step 3h of patterning 36, the second insulating layer 36 and the diamond 35 are etched using faceting to form a conical diamond tip 3. A diamond triode element is completed through step 3i of forming 5a).
상기 실시예 1, 2 및 3에서 이용되는 재료들에 대해서는 다음과 같은 방법을 사용한다.For the materials used in Examples 1, 2 and 3, the following method is used.
상기 게이트 절연막(14, 21, 31)에 있어서, 게이트 절연막(14, 21, 31)의 두께가 너무 두꺼우면 다이아몬드 위스커(13a, 25a) 및 팁(35a)의 길이가 길어져야 하므로 문제가 되고, 너무 얇으면 절연 파괴가 쉽게 일어나기 때문에 충분한 전압을 걸 수 없으므로 수 ㎛내외의 두께가 적당하다.In the gate insulating layers 14, 21, and 31, if the thicknesses of the gate insulating layers 14, 21, and 31 are too thick, the length of the diamond whiskers 13a, 25a and the tip 35a becomes long, which is a problem. If too thin, dielectric breakdown easily occurs, so a sufficient voltage cannot be applied, so a thickness of several micrometers is appropriate.
또한 상기 게이트 금속막(15, 21, 31)은 다이아몬드 건식 식각시 마스크 물질의 자동 공급원이 되도록하여 플라즈마 이온에 의해 스퍼터링되어 다이아몬드 위스커(13a, 25a) 및 팁(35a)의 옆면에 얇게 증착되어 바늘이 더 이상 식각되지 않도록 보호막을 형성하는 역할을 하므로 이를 고려하여 충분히 두껍게 증착한다. 그러나 게이트 금속막(15, 22, 31)이 너무 두꺼우면 방출되는 전자의 양과 궤적에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있으므로 다이아몬드 바늘식각 도중에 스퍼터링되어 없어질 양과 공정이 끝난 후 완성된 소자가 가져야 할 최적 두께를 고려하여 적당하게 증착한다.In addition, the gate metal layers 15, 21, and 31 are sputtered by plasma ions to be an automatic source of mask material during diamond dry etching, and are deposited thinly on the side surfaces of the diamond whiskers 13a, 25a and the tip 35a. Since it serves to form a protective film so as not to be etched any more, it is deposited sufficiently thick in consideration of this. However, if the gate metal films 15, 22, and 31 are too thick, they may adversely affect the amount and trajectory of the emitted electrons, so that the amount of sputtered and lost during diamond needle etching and the optimum thickness of the finished device after the process is finished In consideration of the appropriate deposition.
상기 공정에서 다이아몬드(13, 25, 35)는 방출된 전자 빔이 너무 퍼지지 않는 범위에서 최소의 게이트 전압으로 최대의 전계방출 전자를 얻을 수 있는 최적의 소자 구조가 되도록 다이아몬드를 적당한 높이까지 자라도록 조절한다.In this process, the diamonds 13, 25 and 35 are adjusted to grow the diamond to an appropriate height so that the optimum device structure can be obtained to obtain the maximum field emission electrons with the minimum gate voltage in the range where the emitted electron beam does not spread too much. do.
상기 실시예 1 및 2에 있어서, 상기 공정에서 통상의 리소그라피 방법을 사용하지 않고 산소 플라즈마에 견딜 수 있는 금속 박막을 얇게 코팅하여 마스크로 사용한다. 상기 다이아몬드(13, 25)에 소량의 금속을 스퍼터링 또는 열 증착 방법으로 코팅하면 클러스터 형태로 증착이 되는 데 상기 클러스터의 크기는 수십 nm이며, 간격은 100nm미만이므로 이를 마스크로 하여 식각을 하면 직경 수십 nm, 간격100nm미만의 다이아몬드 위스커(25a, 35a)를 만들 수 있다.In Examples 1 and 2, a thin film of a metal thin film capable of withstanding oxygen plasma is used as a mask without using a conventional lithography method in the above process. When a small amount of metal is coated on the diamonds 13 and 25 by sputtering or thermal vapor deposition, deposition is performed in the form of clusters. The size of the clusters is several tens of nm, and the interval is less than 100 nm. Diamond whiskers 25a and 35a less than 100 nm apart can be made.
그리고, 다이아몬드 위스커(13a, 25a)의 방향이 식각 이온의 입사각에 나란하므로 기판을 기울이거나 전극의 방향을 조절하여 이온 입사각을 바꿈으로 위스커의 방향을 임의로 정할 수 있다.In addition, since the directions of the diamond whiskers 13a and 25a are parallel to the incident angles of the etch ions, the direction of the whiskers can be arbitrarily determined by tilting the substrate or adjusting the direction of the electrode to change the ion incident angle.
다이아몬드 위스커(13a, 25a)의 식각도중에 기판 장착대를 마스크의 재료인 Mo등의 금속물질로 만들어 마스크 금속을 미리 증착하지 않고 기판 근처의 적당한 위치에 놓아둔 금속 덩어리가 다이아몬드 식각을 위한 플라즈마에 의해 스퍼터링되어 위스커 옆면에 증착되게 한다.During the etching of the diamond whiskers 13a and 25a, a mass of metal made of a metal material such as Mo, which is a mask material, and placed in a proper position near the substrate without depositing the mask metal by the plasma for diamond etching Sputtered to deposit on the whisker side.
마스크 제거후 다이아몬드 위스커(13a, 25)를 더 날카롭게 하려면, 이온 충돌에 의한 스퍼터링 정도가 이온 입사가 90도일때 보다 70도정도일 때가 크므로 다이아몬드 위스커와 나란한 방향에서 입사하는 이온빔으로 다이아몬드 바늘을 스퍼터링하면 된다. 이때, 오랜동안 이온빔 처리를 하면 위스커가 손상되므로 주의한다.To sharpen the diamond whiskers 13a and 25 after removing the mask, the sputtering by ion bombardment is greater than 70 degrees when the ion incidence is 90 degrees, so the diamond needle is sputtered with an ion beam incident in the direction parallel to the diamond whisker. Just do it. At this time, the whisker will be damaged if the ion beam treatment is performed for a long time.
상기 실시예 1, 2 및 3에 있어서, 식각이 끝난후 다이아몬드 위스커(13a, 25a) 및 팁(35a)위에 마스크 물질을 습식 또는 건식 방법으로 제거하고 플라즈마나 이온빔으로 처리하여 더 날카롭게 한다. 이런 방법으로 위스커 및 팁을 처리하면 다이아몬드 위스커 및 팁의 전기 전도도를 향상시킬 수 있다.In Examples 1, 2 and 3, after the etching is completed, the mask material is removed on the diamond whiskers 13a, 25a and the tip 35a by a wet or dry method and treated with a plasma or an ion beam to make it more sharp. Handling whiskers and tips in this way can improve the electrical conductivity of diamond whiskers and tips.
상기 제 3 실시예에서는 상기 제 2 절연막(36)의 패싯팅 현상을 이용하여 다이아몬드 팁을 형성하는 것이므로, 상기 제 2 절연막(36)의 두께를 조절하면 원뿔형 다이아몬드 팁의 각도나 측면 경사각의 조절이 가능하다. 즉, 제 2 절연막의 두께가 증가할수록 제 2 절연막 하부의 다이아몬드가 노출되는 데까지 걸리는 시간이 길어지므로 원뿔형 다이아몬드 팁(35a)의 측면경사가 심해지며, 그 결과 날카로운 팁을 얻을 수 있다.In the third embodiment, since the diamond tip is formed by using the faceting phenomenon of the second insulating film 36, by adjusting the thickness of the second insulating film 36, the angle of the conical diamond tip or the side inclination angle is adjusted. It is possible. That is, as the thickness of the second insulating film increases, the time taken for the diamond beneath the second insulating film to be exposed increases, so that the side slope of the conical diamond tip 35a is increased, and as a result, a sharp tip can be obtained.
이렇게 만든 소자에서는 한 게이트 구멍에 다이아몬드 위스커가 여러개 생성되므로 게이트에 가까운 음극 바늘에서 나온 전자는 옆으로 퍼질 수 있다. 이를 방지하려면 위에서 게이트 절연막과 게이트 금속막을 쌓는 것을 두 번 이상 반복하여 다층의 막을 쌓은 뒤 위에서 언급한 바와 같은 방법으로 가장 아래 층에 형성되 게이트 금속막까지만 다이아몬드를 증착하여 위스커 및 팁을 만들고 두 번째 이상의 금속막에는 적당한 전압을 인가하여 전계방출된 전자의 궤적을 조절하는 전자 렌즈로 사용할 수 있다.The device creates multiple diamond whiskers in one gate hole, so electrons from the cathode needle close to the gate can spread to the side. To prevent this, repeat stacking the gate insulating film and the gate metal film two or more times, stacking the multilayer film, and forming a whisker and a tip by depositing diamond only to the gate metal film, which is formed in the bottom layer in the same manner as mentioned above. The metal film can be used as an electronic lens for controlling the trajectory of the field emission electrons by applying an appropriate voltage.
위와 같은 방법으로 제작된 다이아몬드 음극 전계방출 소자는 게이트가 부착된 삼극관이어서 이극관보다 낮은 전압으로 전자를 방출시킬 수 있으므로 소자의 구동 전압이 낮아진다. 또한 다이아몬드 음극 위스커 삼극관은 다이아몬드 위스커의 높이, 종횡비, 뾰족한 정도, 밀도 등을 임의로 조절할 수 있으므로 최소의 전압으로 최대의 전류를 얻을 수 있도록 최적화된 구조를 가진 전계방출 삼극관을 제조하는 데 유리하다. 이렇게 제작된 다이아몬드 음극 전계방출 소자는 전계방출 평판 디스플레이, 액정 디스플레이의 뒷면 발광 장치, 초소형 고효율 마이크로 웨이브 증폭장치, 초소형 전자총 및 이온총 등의 전자 방출 소자에 이용될 수 있다.The diamond cathode field emission device fabricated as described above is a triode tube with a gate, so that electrons can be emitted at a lower voltage than the dipole tube, thereby lowering the driving voltage of the device. In addition, since the diamond cathode whisker triode can arbitrarily adjust the height, aspect ratio, sharpness, density, etc. of the diamond whisker, it is advantageous to manufacture a field emission triode having an optimized structure to obtain the maximum current at the minimum voltage. The diamond cathode field emission device manufactured as described above may be used in electron emission devices such as a field emission flat panel display, a rear light emitting device of a liquid crystal display, an ultra small high efficiency microwave amplifier, an ultra small electron gun, and an ion gun.
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