KR100343220B1 - 전계방출소자의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 방출을 위한 마이크로 팁의 구조가 개선된 전계방출소자및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 전계 방출 소자는, 기판에 음극이 형성되고, 음극 위에는 하부가 원기둥형이고 그리고 상부가 원추형의 형상을 가지는 마이크로 팁이 형성된다. 그리고 상기 기판 위에는 상기 마이크로 팁이 위치하는 우물을 구비하는 절연층이 형성되고, 절연층의 위에는 상기 게이트 홀에 대응하는 관통공을 가지는 게이트 전극이 형성된다.

본 발명 전계 방출 소자는 전계 방출에 필요한 구동 전압이 기존에 비해 낮추어 지고 제작이 용이하다.

Description

전계 방출 소자의 제조 방법{manufacturing method of field effect device}

본 발명은 전계방출소자의 제조방법에 관한 것으로서, 상세히는 전자 방출팁의 구조가 개선된 전계방출소자의 제조방법에 관한 것이다.

전계방출소자는 고전계 하에서 전자를 방출하는 마이크로팁을 채용하는 것으로서, 전자를 사용하는 각종 산업기기 및 평판표시분야에 적용되고 있다.

최근에는 액정표시소자와 플라즈마 디스플레이 장치에 이은 차세대 디스플레이장치로서 전계방출효과에 의한 전계방출디스플레이 장치가 주목되고 있다.

이것은 어레인 상태로 배치된 무수한 마이크로팁으로 부터 전자를 방출시켜 이를 형광면에 충돌시키는 구조를 가지고 있는데, 마이크로팁은 하나의 화소당 다수개 모여 있는 구조를 가지는데, 화소는 매트릭스상으로 배치되는 캐소오드와 게이트 전극의 교차부 마다 하나씩 형성된다.

제1도는 스핀트(SPINDT) 방식의 종래 전계 방출소자의 발췌 단면도이다.

도시된 바와 같이, 기판(1)의 표면에 음극(2)이 형성되어 있고, 음극(1)의 위에는 공동부(또는 우물) 마련되어 있는 절연층(3)이 적층되어 있다. 상기 공동부 내에는 원추형의 마이크로 팁(5)이 마련되며 이 하단부는 음극(2)에 접촉되어 있다. 대개는 음극과 마이크로 팁(5)의 사이에는 음극의 부분별 전압 강하에 따른 전자 방출량의 불균일성을 개선하기 위한 저항층이 마련되곤 한다. 그리고, 상기 게이트 절연층(4)의 위에는 상기 공동부에 대응하는 게이트 홀을 가지는 게이트 전극(4)이 마련된다.

여기에서 주목해야 할 점은 상기 마이크로 팁의 선단부(6)가 게이트 전극(4)의 게이트 홀 내의 하부 측에 약간 진입하여 있으며, 전술한 바와 같이 마이크로 팁(5)이 전체적으로 원추형으로 형성되어 있기 때문에 상기 선단부가 직경이 너무 커서, 전자 방출에 필요한 높은 전계를 얻기 위하여 상당히 높은 고전압이 요구된다. 더욱이 마이크로 팁이 원추형이기 때문에 제조 공정 중 절연층의 공동부의 크기가 너무 커져서 그 차지 면적인 불필요하게 확장될 뿐 아니랴 마이크로 팁의 선단부의 직경 및 높이의 조절이 어려운 문제점이 있다.

미국 특허 3,755,704에서 바늘 모양의 선단부를 가지는 마이크로 팁이 제안되었으나, 실제로 그러한 형상의 마이크로 팁의 제작은 매우 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 마이크로 팁의 크기 및 높이의 조절이 용이한 전계 방출 소자의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 낮은 구동 전압 하에서도 전자방출이 가능한 전계 방출 소자의 제조 방법을 제공함에 그 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전계 방출 소자의 제조 방법은,

가. 기판에 음극을 소정 패턴으로 형성하는 단계

나. 상기 기판과 음극의 위에 절연층을 전면적으로 형성하는 단계

다. 상기 절연층 위에 게이트 전극을 형성하는 단계

라. 상기 음극의 상방에 위치하는 개구를 갖는 마스크층을 상기 절연층 위에 형성하는 단계

마. 건식 에칭법에 의해 상기 개구를 통해 노출된 상기 게이트 전극의 부분을 제거하여 게이트 전극에 게이트 홀을 형성하고, 아울러 관통공의 하부로 노출되는 절연층의 소정 깊이 깍아 내는 단계

바. 상기 마스크층을 제거하는 단계

사. 상기 게이트 전극 위에만 분리층을 형성하는 단계

아. 상기 게이트 전극의 관통공으로 노출된 상기 절연층의 부분을 건식 에칭법으로 에칭하여 기판에 대해 수직방향인 공동부를 이루는 원통형의 우물을 형성하는 단계

자. 상기 분리층에서 상기 기판 방향으로 전자방출물질을 증착하여 상기 원통형 우물의 바닥으로 부터 상기 관통공에 까지 이르는 소정 높이의 마이크로 팁을 형성하는 단계

차. 상기 분리층을 제거하여 이 분리층과 분리층 위에 형성된 전자방출물질층을 제거하는 단계

카. 습식 에칭법으로 상기 마이크로 팁 주위의 절연층을 제거하여 확대된 상기 우물의 내부로 마이크로 팁의 측면이 노출되게 하는 단계

를 구비하는 점에 그 특징이 있다.

상기 본 발명의 전제 방출 소자 및 그 제조 방법에 있어서, 상기 음극은 ITO 에 의해 형성되며, 스트라이프 상으로 다수 마련되고, 상기 게이트 전극도 Cr 에 의해 형성되며, 이 게이트 전극은 상기 음극과 마찬가지로 스트라이프 상으로서 상기 음극에 대해 직교되는 방향으로 배치된다. 상기 절연층은 SiO₂를 증착하여 얻은 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전계 방출 소자 및 제조 방법을 상세히 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 구조를 살펴보면, 제2도에 도시된 바와 같다.

기판(10)의 표면에 스트라이프 상의 ITO 음극(20)이 형성되어 있고, 음극(10)의 위에는 우물 또는 공동부(70)가 마련되어 있는 게이트 절연층(30)이 적층되어 있다. 상기 공동부(70) 내에는 본 발명을 특징지우는 마이크로 팁(5)이 마련되어 있는데 음극(2)에 접촉되어 있는 하부(51)는 원기둥상이며, 그 상부(52)는 원뿔상이다. 도면에는 미도시되어 있지만 상기 마이크로 팁(50)의 하부에는 저항층이 개재되어 있어서 음극(20)에 대해 간접적으로 접속된다. 한편, 상기 절연층(30)의 위에는 Cr 등의 금속으로 된 게이트 전극(40)이 형성된다. 상기 게이트 전극(40)은 상기 음극(20)에 직교되는 방향으로 다수 나란하게 설치되어 음극(20)과의 교차부 마다 하나의 화소를 마련한다.

이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 전계 방출 소자는 마이크로 팁(50)의 하부(51)가 원기둥형으로 되고 있고, 그리고 실제 전자방출이 일어나는 그 상부(52) 만이 원뿔상이다. 이 원뿔상의 상부 선단의 그 직경이 종래 단순 원뿔상 마이크로 팁의 그것에 비해 직경이 매우 작게 된다. 실제 측정에 의하면, 종래 마이크로 팁의 경우 1000Å이었는데 반해 본 발명의 200Å 정도로 매우 낮게 나타났다. 따라서, 이러한 미세한 선단부에 의하면, 종래 마이크로 팁의 경우 100 볼트 전후의 전압에서 5 ×10⁷V/CM 정도의 전계가 나타나는데 반해 본 발명의 경우 8 ×10⁷V/CM 정도의 매우 강한 전계가 나타났다. 따라서 이러한 강한 전계의 형성에 의하면, 전자방출에 필요한 전압의 강하가 가능하게 되는데 기존의 100볼트 전후에서 60볼트 전후로 낮출수 있게 되었다.

이하 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 제조방법의 한 실시예를 상세히 설명한다.

제3도에 도시된 바와 같이, 유리 기판(10) 위에 인듐 틴옥사이드(ITO) 박막을 일정 방향으로 형성하여 음극(20)을 얻는다. 이때에 음극(20)은 스트립 상으로서 다수 나란한 스트라이프상으로 배치된다.

제4도에 도시된 바와 같이, 상기 음극(20)의 위에 화학적 증착법(CVD) 또는이온빔 성막법(IBE)을 SiO₂를 증착하여 절연층(30)을 얻는다. 이때에 SiO₂의 증착 두께는 1 ㎛ 정도가 되도록 한다.

제5도에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(30)의 위에 상기 음극(20)에 직교하는 방향으로 배치되는 스트라이프상 게이트 전극(40)을 Cr로 형성한다. 게이트 전극(40)는 전자빔증착법을 적용하여 형성하며, 이때에 그 두께는 2500Å정도가 되도록 한다.

제6도에 도시된 바와 같이, 상기 게이트 전극(40)의 위에 일정 직경의 개구부(81)를 가지는 포토마스크층(80)을 형성한다.

상기 포토마스크층(80)은 포토레지스트를 스핀 코팅법을 코팅한 후 일반적인 포토리소그래피법에 의해 상기 개구부(81)를 형성한다.

제7도에 도시된 바와 같이, 에칭법에 의해 상기 개구부(81)를 통해 개구부(81) 바닥에 노출되어 있는 게이트 전극(40)의 부분을 제거하여 게이트 홀(41)을 형성한다. 이때에 게이트 홀(41) 의 바닥으로 노출되는 절연층(30)도 약간 깍아 낸다. 적용되는 에칭법으로는 건식 에칭법을 적용하며, 특히 반응성 이온 에칭법(RIE)을 사용한다.

제8도에 도시된 바와 같이, 상기 마스크층(80)을 제거한다. 이때에 제거법으로는 용제를 이용한 습식 에칭법을 사용한다.

제9도에 도시된 바와 같이, 마스크층(80)이 제거된 상기 게이트 전극(40)의 위에 분리층(10)을 형성한다. 이때에 분리층(90)은 게이트 전극(40)의 위에만 형성된다. 분리층(90)을 형성함에 있어서는 기판(10)을 회전시키면서 기판(10)의 수직선에 대해 15˚경사진 방향으로 금속, 예를 들어 A1을 증발시켜 증착시킴으로써 분리층(90)이 상기 게이트 전극(40)의 관통공에 대응하는 관통공(91)을 갖도록 한다.

제10도에 도시된 바와 같이, 반응성 이온 에칭법 등의 건식 에칭법으로 상기 분리층(90)의 관통공(91)과 게이트 전극(40)의 게이트 홀(41)를 통하여 상기 게이트 절연층(30)에 수직의 공동부를 형성하는 원통형 우물(31)을 형성한다.

제11도에 도시된 바와 같이, 전자 빔 증착기를 사용하여 Mo 등의 전자 방출 물질을 증착하여 상기 우물(31)의 바닥에 상기 게이트 전극(40)의 게이트 홀(41)에 이르는 마이크로 팁(50)을 형성한다. 이때에 전자방출물질의 증착에 의해 상기 분리층(90) 위에는 불필요한 희생층(100)도 같이 형성된다.

제12도에 도시된 바와 같이, 리프트-오프법에 상기 분리층(90)을 제거하여 이 위에 형성된 희생층(100)을 제거한다.

제13도에 도시된 바와 같이, 습식 식각 방법으로 상기 마이크로 팁(50)을 에워싸는 절연층을 소정 두께 에칭하여, 마이크로 팁(50)의 측면이 노출되게 한다.

이상과 같은 제조 방법에 의하면, 하부는 원기둥상이며 상부는 원뿔상인 마이크로 팁의 제조가 가능하다.

이와 같이 제조된 본 발명 전계 방출 소자는 전술한 바와 같이, 상부 선단부의 반경이 기존의 1000Å 정도에서 약 200Å이 되었고, 게이트 홀(41)의 직경이 기존의 1.0-1.2㎛ 에서 0.8-1.0㎛로 좁아짐으로써, 전계 방출에 필요한 마이크로 팁의 전계값이 100볼트 전후의 전압 하에 기존의 5×10⁷V/Cm 정도에서 8×10⁷V/Cm 정도의 강전계가 나타나게 됨으로써 구동 전압을 기존의 100V 전후에서 60V 전후까지 낮출 수 있게 되었다.

제1도는 종래 스핀트 방식의 전계 방출 소자의 개략적 단면도,

제2도는 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 개략적 단면도, 그리고

제3도 내지 제13도는 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 제조 공정도이다.

Claims (1)

1. 가. 기판에 음극을 소정 패턴으로 형성하는 단계

   나. 상기 기판과 음극의 위에 절연층을 전면적으로 형성하는 단계

   다. 상기 절연층 위에 게이트 전극을 형성하는 단계

   라. 상기 음극의 상방에 위치하는 개구를 갖는 마스크층을 상기 절연층 위에 형성하는 단계

   마. 건식 에칭법에 의해 상기 개구를 통해 노출된 상기 게이트 전극의 부분을 제거하여 게이트 전극에 게이트 홀을 형성하고, 아울러 관통공의 하부로 노출되는 절연층의 소정 깊이 깍아 내는 단계

   바. 상기 마스크층을 제거하는 단계

   사. 상기 게이트 전극 위에만 분리층을 형성하는 단계

   아. 상기 게이트 전극의 관통공으로 노출된 상기 절연층의 부분을 건식 에칭법으로 에칭하여 기판에 대해 수직방향인 원통형의 우물을 형성하는 단계

   자. 상기 분리층에서 상기 기판 방향으로 전자방출물질을 증착하여 상기 원통형 우물의 바닥으로 부터 상기 관통공에 까지 이르는 소정 높이의 마이크로 팁을 형성하는 한계

   차. 상기 분리층을 제거하여 이 분리층과 분리층 위에 형성된 전자방출물질층을 제거하는 단계

   카. 습식 에칭법으로 상기 마이크로 팁 주위의 절연층을 제거하여 확대된 우물의 내부로 마이크로 팁의 측면이 노출되게 하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자의 제조 방법.