KR100343212B1 - 수평전계효과전자방출소자및그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평면형 화상 표시 소자로서 음극 및 양극의 배치 구조가 수평하게 이루어진 수평 전계 효과 전자 방출 소자(field emission display) 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 음극 및 양극을 수평으로 형성하여 전계 효과를 수평으로 일으켜 전자를 방출하는 구조로, 리액티브 이온 에칭시 플라즈마 이온의 충돌 방향을 적절하게 조절함으로써 마이크로-팁의 각을 균일하게 제어할 수 있어서 수율이 높으며, 산화 예리화 공정과 제2금속 마스크 형성 공정시에 각각 형성되는 산화막 및 제2금속 마스크를 그대로 절연층 및 양극으로 이용함으로써 제조 공정이 훨씬 간단하게 수행되며, 형광체를 전기 이동(electrophoretic)법으로 선택적으로 양극 상에 점착시킴으로써, 깨끗한 형광체를 얻을 수 있을 뿐 만 아니라 고온에서 동작할 수 있는 실리콘 기판으로 음극을 제작하여 유리 기판에 실장함으로써, 제조 공정상의 효율이 높으며 방출 전류를 쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다.

Description

수평 전계 효과 전자 방출 소자 및 그 제조 방법

본 발명은 평면형 화상 표시 소자로서 음극 및 양극의 배치 구조가 수평하게 이루어진 수평 전계 효과 전자 방출 소자(field emission display) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

현재 기존 텔리비젼 수상기의 CRT(cathode ray tube)를 대신할 수 있는 화상 표시 소자로서 평면형 화상 표시 소자의 개발이 활발히 검토되어지고 있으며, 향후 벽걸이 텔리비젼 및 HDTV용 화상 표시 소자 적용을 목표로하여 개발이 진행되고 있다. 이와 같은 평면형 화상 표시 소자로서는 액정 표시 소자(Liquid Crystal Device), 플라즈마 표시 소자(Plasma Display Panel), 그리고 전계 방출 표시소자(Field Emission Device) 등이 있으며, 그 중에서 화면의 밝기 및 저소비 전력에 있어서 전계 방출 표시 소자가 크게 주목을 받고 있다.

제1도는 종래의 수직 전계 효과 전자 방출 소자의 수직 단면도이다. 여기서 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.

배면 유리 기판(1), 이 유리 기판(1) 상에 스트라이프 상으로 형성된 음극(2)들, 음극(2)들 상에 어레이 구조로 다수 형성된 전계 방출용의 마이크로-팁(4)들, 이 마이크로-팁(4)들을 에워싸도록 상기 음극(2)들이 형성된 기판(1) 상에 형성된 절연층(3), 마이크로-팁(4)들의 상부에 전계 방출이 가능한 개구(6)를 가지도록 절연층(3) 상에 상기 음극(2)들과 서로 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 형성된 게이트(5)들로 구성되어 있다.

이와 같은 구성의 수직 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법에 있어서 수십nm의 마이크로-팁 어레이 형성 기술 즉, 팁 사이즈(반경), 게이트의 개구 사이즈에 따른 게이트 개구(gate aperature) 에칭 기술은 고도의 서브미크론(submicron)의 미세 공정이 필요하다. 즉 마이크로-팁의 예리함(sharpness)이 동일하게 유지되지 않으면 고른 화상 표시에 큰 문제가 된다. 따라서 마이크로-팁의 예리함을 동일하게 유지하기 위한 제조 공정 상의 균일성 유지가 아주 어려운 미세 공정이 필요하다.

또한 이러한 수직 전계 효과 전자 방출 소자는 먼저 마이크로-팁을 만들고 전계효과에 의한 방출 전자가 형광체를 때려서 빛을 내므로, 형광체 도포 공정상의 적,녹,청 색의 배열(alignment)이 어렵고, 발생광이 투과하는(transmissive) 방법이므로 형광체가 아주 얇아야만 선명한 상을 볼 수 있으므로, 형광체 도포 공정도 아주 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 균일하게 전자를 방출할 수 있고 화상 표시용 형광막의 형성이 용이한 수평 전계 효과 전자 방출 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수평 전계 효과 전자 방출 소자는,

배면 기판;

상기 배면 기판 상에 그 상부가 수평 방향으로 뾰족한 마이크로-팁들이 형성된 음극들;

상기 마이크로-팁들과 대향되는 방향의 상기 음극들 저면 상에 형성된 절연층;

상기 절연층 상에 상기 마이크로-팁들과 간격을 두고 대향되게 형성된 양극들;

상기 양극들 상에 도포된 형광체;를

구비하여 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 음극은 Si로 형성된 것이 바람직하며,

상기 음극의 마이크로-팁은 경사면은 수평면으로 소정의 각도를 이루도록 형성된 것이 바람직하며,

상기 양극은 Cr 혹은 Mo으로 이루어진 것이 바람직하다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법은,

실리콘 기판 상에 제1마스크를 형성하는 단계;

상기 제1마스크를 이용하여 리액티브 이온 식각법으로 소정 각도의 방향성 식각을 행하여 마이크로-팁부를 형성하는 단계;

상기 제1마스크를 식각하고, 상기 마이크로-팁부가 형성된 반도체 기판의 표면을 산화시키는 산화 단계;

상기 산화 단계에서 형성된 산화막 중 상기 음극의 저면부 상에 형성된 산화막 상에 소정의 금속을 증착하고 패터닝하여 제2마스크들을 형성하는 단계;

상기 제2마스크들을 이용하여 상기 음극 저면 상의 산화막을 절연층으로 남기고 나머지 마이크로-팁부 상의 산화막을 제거하는 산화막 제거 단계;

상기 제2마스크들 상에 형광체를 도포하는 단계;

그리고 상기 음극 및 양극이 형성된 반도체 기판을 유리 기판 상에 실장하는 단계;를

포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제1마스크 형성 단계에서 상기 제1마스크는 Cr로 형성되는 것이 바람직하며,

상기 마이크로-팁부 형성 단계에서 상기 방향성 식각은 상기 음극의 수평면으로 부터 70˚ 각도로 행하여지는 것이 바람직하며,

상기 제2마스크들을 형성하는 단계에서 상기 제2마스크는 Cr 혹은 Mo의 금속으로 형성되 것이 바람직하며,

상기 형광체를 도포하는 단계에서 상기 형광체는 전기 이동법에 의해 점착되는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 수평 전계 효과 전자 방출 소자 및 그 제조 방법을 설명한다.

제2도는 본 발명에 따른 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 수직 단면도이다. 이 도면을 참조하면서 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 구조를 살펴보면 다음과 같다.

수평 전계 효과 전자 방출 소자는 배면 유리 기판(1), 이 배면 유리 기판(1) 상에 실리콘 기판을 식각하여 그 상부가 수평 방향으로 뾰족한 마이크로-팁이 형성된 음극(4)들, 이 음극(4)들의 저면 상에 마이크로-팁들과 일정한 간격을 두고 형성된 절연층(3), 이 절연층(3) 상에 마이크로-팁들과 일정한 간격을 두고 형성된 양극(9'), 양극(9')상에 도포된 형광체(8), 전면 유리 기판(11) 및 이 전면 유리 기판(11)을 배면 유리 기판(1)과 일정한 간격으로 대향되게 유지해주는 스페이서(10)로 구성된다. 여기서 마이크로 팁은 실리콘 기판(4)을 리액티브 이온 에칭(RIE: reactive ion etching)법으로 방향성 식각을 행하여 수평면과 약70˚ 정도의 경사면을 갖도록 형성된다.

이와 같이 구성된 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법을 제3도 내지 제10도의 제조 단계별 수직 단면도를 참조하면서 설명한다.

먼저 제3도에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(4', 실리콘 기판)상에 크롬을 전자빔 증착법 혹은 스퍼터링법으로 증착한 다음, 습식 에칭법이나 플라즈마 에칭법으로 식각하여 마이크로-팁을 형성하기 위한 제1금속 마스크(12)를 형성한다. 이와 같이 실리콘 기판(4')으로 음극(마이크로-팁)을 형성하면 소자가 고온에서도 균일하게 전자를 방출할 수 있는 잇점이 있다.

다음에 제4도에 도시된 바와 같이, 마스크(12)를 이용하여 수평면으로 부터 약70˚ 각도의 방향성 플라즈마를 사용하는 리액티브 이온 에칭(RIE: reactive ion etching)법으로 실리콘 기판(4')을 식각하여 마이크로-팁부를 형성한다.

다음에 제5에 도시된 바와 같이, 제1금속 마스크(12)를 제거하고, 보다 예리한 마이크로-팁을 형성하기 위하여, 마이크로-팁부가 형성된 실리콘 기판(4")의 표면을 산화하여 산화층(3')을 형성한 다음 식각하는 산화 첨예화(oxidation sharpness) 공정을 실시한다. 이와 같이 하면 원자 레벨의 예리한 마이크로-팁이 형성된다.

다음에 제6도에 도시된 바와 같이, 산화층(3') 상에 크롬 혹은 몰리브덴을 증착하고 패터닝하여 제2금속 마스크(9')를 형성한다.

다음에 제7도에 도시된 바와 같이, 제2금속 마스크(9')를 이용하여 마이크로-팁부 주변의 산화층(3') 만을 식각하여 제거함으로써, 절연층(3)을 형성한다. 이 산화층(3') 식각시에 버퍼드 악사이드 에칭(BOE; buffered oxide etching) 용액인 HF : NH₄F 의 비 가 7:1~10:1인 용액에 실리콘 기판(4)을 담궈 놓으면 예리한 마이크로-팁이 노출된다. 그리 절연층(3) 형성을 위하여 산화층(3')식각에 사용된 제2금속 마스크(9')는 제거하지 않고 그대로 양극으로 사용된다. 이와 같이 산화 예리화 공정과 제2금속 마스크 형성 공정시에 각각 형성되는 산화막(3') 및 제2금속 마스크(9')를 그대로 절연층(3) 및 양극(9')으로 이용함으로써 제조 공정이 훨씬 간단하게 수행되는 잇점이 있다.

다음에, 제8도에 도시된 바와 같이, 양극(9', 제2금속 마스크) 상에 형광체(8)를 도포한다. 이 때 형광체는 제2금속 마스크(9')를 전극으로하여 전기 이동(electrophoretic)법으로 점착함으로써, 제2금속 마스크(9') 상에만 선택적으로 점착된다. 도포하는 형광체의 두께는 수직 전계 효과 전자 방출 소자에서 처럼 아주 얇아야 할 필요는 없다. 왜냐하면, 수평 구조에서는 수직 구조와 같이 형광체에서 발생된 빛이 형광체를 투과하는 것이 아니라 반사하여 전면 유리 기판으로 방출되기 때문이다.

다음에 제9도에 도시된 바와 같이, 형광체(8) 도포가 완료된 실리콘 음극(4)를 배면 유리 기판(1) 상에 실장한다.

다음에, 제10도에 도시된 바와 같이, 음극(4)이 실장된 배면 유리 기판(1)과 대향하도록 전면 유리 기판(11)을 배치하여 스페이서(10)로 봉합하고 그 내부를 진공으로 만들어 소자를 완성한다.

이렇게 제작된 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 음극(4)을 접지하고, 양극(9', 제2금속 마스크)에 적당한 전압을 인가하면 강전계에 의해 마이크로-팁(4)에서 전자들이 방출되어 형광체(8)를 때려준다. 그러면 형광체(8)는 충돌하는 전자의 에너지에 대응하는 빛을 방출하게 된다. 이 빛이 형광체를 투과하는 것이 아니라 반사적으로 전면 유리 기판(11)을 통하여 시청자의 눈으로 입사함으로써, 평면 발광 소자 혹은 평면 표시 소자로서의 기능이 발휘되는 것이다. 이러한 기능은 수직 전계 효과 전자 방출 소자를 대체하여 평면 표시 소자, 발광 소자 혹은 램프로서 광범위 하게 응용될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수평 전계 효과 전자 방출 소자는 음극 및 양극을 수평으로 형성하여 전계 효과를 수평으로 일으킴으로써, 전자를 방출하는 구조로, 리액티브 이온 에칭시 플라즈마 이온의 충돌 방향을 적절하게 조절함으로써 마이크로-팁의 각을 균일하게 제어할 수 있어서 수율이 높으며, 산화 예리화 공정과 제2금속 마스크 형성 공정시에 각각 형성되는 산화막 및 제2금속 마스크를 그대로 절연층 및 양극으로 이용함으로써 제조 공정이 훨씬 간단하게 수행되며, 형광체를 전기 이동(electrophoretic)법으로 선택적으로 양극 상에 점착시킴으로써, 깨끗한 형광체를 얻을 수 있을 뿐 만 아니라 고온에서 동작할 수 있는 실리콘 기판으로 음극을 제작하여 유리 기판에 실장함으로써, 제조 공정상의 효율이 높으며 방출 전류를 쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다.

제1도는 종래의 수직 전계 효과 전자 방출 소자의 수직 단면도이고,

제2도는 본 발명에 따른 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 수직 단면도,

제3도 내지 제10도는 본 발명에 따른 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조공정 단계별 수직 단면도로서,

제3도는 금속 마스크를 형성한 후의 수직 단면도,

제4도는 리액티브 이온 에칭법에 의한 방향성 플라즈마 식각 공정 단계의 수직 단면도,

제5도는 금속 마스크를 제거하고 방향성 식각된 기판을 산화한 후의 수직 단면도,

제6도는 산화막을 선택적으로 식각하여 절연층 패턴을 형성한 후의 수직 단면도,

제7도는 절연층 상에 양극(금속 마스크)을 형성한 후의 수직 단면도,

제8도는 게이트 전극 상에 형광체를 코팅한 후의 수직 단면도,

제9도는 형광체 도포가 끝난 음극 반도체 기판을 배면 유리 기판에 봉합(seaiing)한 후의 수직 단면도,

그리고 제10도는 전면 유리기판을 스페이서로 고정하여 소자를 완성한 후의수작 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1. 배면 유리 기판 2. 음극

3. 절연체층 4. 마이크로-팁(음극)

5. 게이트 6. 홀

7. 개구 8. 형광체

9. 양극 10. 스페이서

11. 전면 유리 기판 12. 제1금속 마스크

9'. 제2금속 마스크(양극)

Claims (9)

1. 배면기판;

   상기 배면 기판 상에 그 상부가 수평 방향으로 뾰족한 마이크로-팁들이 형성된 음극들;

   상기 마이크로-팁들과 대향되는 방향의 상기 음극들 저면 상에 형성된 절연층;

   상기 절연층 상에 상기 마이크로-팁들과 간격을 두고 대향되게 형성된 양극들;

   상기 양극들 상에 도포된 형광체;를

   구비하여 된 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 음극은 Si로 형성된 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 음극의 마이크로-팁은 경사면은 수평면으로 소정의 각도를 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 양극은 Cr 혹은 Mo으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자.
5. 반도체 기판 상에 제1마스크를 형성하는 단계;

   상기 제1마스크를 이용하여 리액티브 이온 식각법으로 소정 각도의 방향성 식각을 행하여 마이크로-팁부를 형성하는 단계;

   상기 제1마스크를 식각하고, 상기 마이크로-팁부가 형성된 반도체 기판의 표면을 산화시키는 산화 단계;

   상기 산화 단계에서 형성된 산화막 중 상기 음극의 저면부 상에 형성된 산화막 상에 소정의 금속을 증착하고 패터닝하여 제2마스크들을 형성하는 단계;

   상기 제2마스크들을 이용하여 상기 음극 저면 상의 산화막을 절연층으로 남기고 나머지 마이크로-팁부 상의 산화막을 제거하는 산화막 제거 단계;

   상기 제2마스크들 상에 형광체를 도포하는 단계;

   그리고 상기 음극 및 양극이 형성된 반도체 기판을 유리 기판 상에 실장하는 단계;를

   포함하는 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1마스크 형성 단계에서 상기 제1마스크는 Cr로 형성되는 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
7. 제5항에 있어서,

   상기 마이크로-팁부 형성 단계에서 상기 방향성 식각은 상기 음극의 수평면으로 부터 70˚ 각도로 행하여지는 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
8. 제5항에 있어서,

   상기 제2마스크들을 형성하는 단계에서 상기 제2마스크는 Cr 혹은 Mo의 금속으로 형성되 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
9. 제5항에 있어서,

   상기 형광체를 도포하는 단계에서 상기 형광체는 전기 이동법에 의해 점착되는 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.