KR100354921B1 - 전계방출장치및그제조방법과패널디스플레이장치 - Google Patents

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Abstract

전계 방출 장치는, 절연 기판상에 방사체 물질을 배치하고, 이 방사체 물질에 마스크용 파티클을 도포하며, 상기 마스크용 파티클과 방사체 물질위에 절연막과 게이트 도전막을 도포하고, 상기 파티클을 제거하여 방사체 물질에 대한 불규칙하게 분포된 개구가 드러나도록 함으로써 제조된다. 그 결과, 저렴한 비용의 평판 패널 디스플레이를 제조하는데 사용할 수 있는 다수의 불규칙하게 분포된 방출 개구를 갖는 신규하고도 경제적인 전계 방출 장치를 얻을 수 있다.

Description

전계 방출 장치 및 그 제조 방법과 패널 디스플레이 장치
본 발명은 전계 방출장치(field emission devices)에 관한 것으로, 특히 디스플레이(displays)에 유용한 경제적인 전계 방출장치에 관한 것이다.
전계 방출 장치는 인가되는 정전계(electrostatic field)에 따라 전자를 방출한다. 이와 같은 장치는 디스플레이, 전자총 및 전자 빔 리소그래피(electron beam lithography)등의 각종 응용에 있어서 널리 유용하다. 특히 유망한 응용은, 평판 패널 디스플레이(flat panel displays)를 제조하기 위해, 어드레스 지정 가능한 어레이에서 전계 방출 장치를 사용하는 것이다. 예를 들면,본 명세서에서 참조로 하고 있는, "the December 1991 issue ofSemiconductor International., p. 11, C.A. Spindt et al.,IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 38(10), pp. 2355-2363(1991), and J. A. Castellano,Handbook of DisplayTechnology, Academic Press, New York, pp, 254-257, (1992)"을 참조하기 바란다.
종래의 전자 방출 평판 패널 디스플레이는 통상, 투명한 프론트 플레이트(front plate)상의 형광체 코팅 애노드(phosphor-coated anode)와 셀의 1개 플레이트(백 플레이트(back-plate))상에 형성된 미세한 전계 방사체 캐소우드 팁(microscopic field emitter cathode tips)의 매트릭스 어레이를 갖는 평판 진공셀(flat vacuum cell)을 포함한다. 캐소우드와 애노드의 사이는 "그리드(grid)" 또는 "게이트(gate)"라 불리워지는 도전 소자이다. 캐소우드와 게이트는 통상 수직하는 스트립들(strips)로서, 이 스트립들의 교차점이 디스플레이의 픽셀을 규정한다. 주어진 픽셀은, 그의 교차점이 픽셀을 규정하는 캐소우드 도전 스트립과 게이트 도전 스트립 사이에 전압을 인가함으로써 활성화된다. 상대적으로 높은 에너지(약 1000eV)를 방출된 전자에 전해주기 위해 더욱 포지티브인 전압이 애노드에 인가된다. 이에 대해서는 예를 들면 USP 제 4,940,916호, 제 5,129,850호, 제 5,138,237호와 제 5,283,500호를 참고하기 바란다.
이러한 종래의 평판 패널 디스플레이가 갖는 문제점은, 제조하는 것이 어렵고 많은 비용이 든다는 것이다. 종래의 방법에 있어서는, 게이트 도전체가 통상, 주목할 만한 미크론 또는 서브미크론의 최소 배선폭을 가져서 고가(高價)이며 최신기술의 리소그래피를 필요로 하였다. 따라서, 평판 패널 디스플레이용으로 경제적으로 제조할 수 있는 개선된 전자 방출장치가 필요로 되고 있다.
본 발명에 따른 전계 방출 장치는, 절연 기판상에 방사체 물질을 배치하고, 방사체 물질에 대해 마스크용 파티클(masking particles)을 도포하며, 마스크용 파티클과 방사체 물질위에 절연막과 게이트 도전막을 도포하고, 파티클을 제거하여 방사체 물질에 대해 랜덤하게 분포된 개구(apertures)를 노출시킴으로써 제조된다. 그 결과, 저렴한 비용의 평판 패널 디스플레이를 제조하는데 사용할 수 있는, 랜덤하게 분포된 다수의 방출 개구를 갖는 신규하고도 경제적인 전계 방출 장치가 얻어진다.
이하, 도면을 참조로 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.
도면을 참조하면, 제 1 도는 전계 방출 장치를 제조하기 위한 개선된 프로세스의 개략적인 흐름도이다. 블럭 A 로 도시한 첫번째 단계는 기판을 마련하는 것이다. 기판은, 전자 방출 물질의 도전성 유무에 따라 절연 물질(insulatingmaterial)이나 또는 도전성을 가진 코팅 절연 물질(conductively coating insulated material)일 수 있다. 최종적으로 얻어지는 장치를 디스플레이에 사용하고자 하는 경우, 기판은, 진공 밀봉 구조를 형성하도록 다른 물질들과 결합할 수 있는 글래스(glass), 세라믹 또는 실리콘 등의 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 선택적으로, 밀봉을 위해서 추가의 글래스 백 플레이트(glass backplate)가 기판 아래에 배치되는 것도 가능하다.
제 1 도에서 블럭 B로 도시한 그 다음 단계는, 방사체 물질층을 기판에 도포하는 것이다. 매우 유익하게, 방사체 물질은 원하는 패턴으로 도포된다. 방사체 물질은, 전자의 전계 유도 방출(field-induced emission)을 위해, 뾰족한 돌출부(sharp peaks) 등과 같은 다수의 뾰족한 끝을 갖는 도전성(conductive) 또는 반도전성(semiconductive) 물질이다. 돌출부들은 공지의 에칭 기술에 의해 규정될 수도 있고, 또는 매트릭스내의 해당 부분에 뾰족한 방사체 몸체를 끼워 넣어 만들어질 수도 있다.
방사체 물질은 비교적 낮게 인가되는 전계에서 전자를 방출할 수 있는 각종 물질로부터 선택할 수 있는데, 그 전계는 통상, 방사체 전극과 게이트 전극사이 거리에 대해 50 볼트/미크론 보다 작되, 바람직하게는, 산업적으로 바람직한 CMOS 형 회로 드라이브가 사용될 수 있도록 25V/㎛ 보다 작은 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 15V/㎛ 보다 작은 것이 좋다. 방사체로서 적합한 전형적인 물질로서, (화학적 기상에 의해 증착된 천연 다이아몬드 암석 또는 인조 다이아몬드로서 도핑된 또는도핑되지 않은) 다이아몬와드, 흑연과, Mo, W, Cs 등과 같은 금속과, LaB6, YB6, AlN등과 같은 화합물 또는 이들 물질의 조합(combinations)과, 그 밖에 막으로 증착된 낮은 일함수의 물질(low work function materials)을 들 수 있다. 바람직한 방사체의 기하학적 구조는 뾰족하게 돌출되고 들죽날쭉하며 박편(flaky) 또는 다면체 형상을 포함하는 것으로, 주기적으로 배열되거나 또는 랜덤하게 분포되어서, 뾰족한 돌출부에서의 전계 집중을 활용하여 저 전압으로 전계 방출 동작을 행할 수 있도록 한 것이다. 다수의 방출용 돌출부가 각 필셀을 위해 필요하므로, 다수의 뾰족한 돌출부나 다수의 다면체 파티클을 가진 연속적인 물질막이나 물질층이 사용될 수 있다. 몇몇의 n-형 다이아몬드처럼 네거티브(negative) 또는 낮은 전자 친화력을 갖는 물질들은 낮은 인가 전압에서 비교적 용이하게 전자를 방출하므로, 전계의 집중을 위해 뾰족한 돌출부를 필요로 하지 않을 수도 있다.
전류(electrical current)는 방사체 몸체의 방사체 돌출부로 흘러야하기 때문에, 사전의 단계로서 기판에 도전층을 도포하고 그것을 방사체 물질과의 접촉을 위해 패터닝하는 것이 바람직할 수도 있다. 그러나, 더 바람직하게는, 도전성 금속 파티클의 혼합물 또는 저 융점 땜납, 은-에폭시 등의 도전성 슬러리(slurry) 또는 페이스트(paste)내에서 방사체 몸체를 합성함으로써 방사체 물질 자체가 도전성을 띠도록 만드는 것이다. 저 융점 글래스의 파티클이 가열에 의한 접착력(heat-induced adhesion)을 증진시키기 위해 추가될 수도 있고, 산화 구리등과 같이 산화물로 쉽게 환원되는 산화물의 파티클이 수소의 환원에 따라 도전성을 갖는 글래스를 제공하기 위해 추가될 수도 있다. 도전성 파티클의 체적은 퍼콜레이션 한계(percolation limit)를 넘어서야 하는데, 적어도 30%이면 유익하고, 바람직하게는 최소한 45%인 것이 좋다.
바람직한 방법에 있어서, 방사체 물질층은 마스크를 통한 스크린 프린팅(screen printing)이나 스프레이 코팅(spray coating)에 의해 도전성 방사체 물질 페이스트를 도포함으로써 원하는 패턴으로 기판에 도포된다. 통상, 원하는 패턴은 일련의 평행한 줄무늬일 것이다. 도포 및 패터닝 후에는, 층이 건조 및 소성(baked)되며, 필요에 따라서는, 도전성을 향상시키기 위해 수소로 처리되거나 가스에 의한 가열 처리를 받게 된다. 선택적으로, 상기 층이 연속 층으로서 도포될 수도 있고, 패터닝을 필요로하는 경우에는, 종래의 포토리소그래피를 사용하여 패터닝이 실행된다.
제 1 도에서 블럭 C로 도시한 세번째 단계는, 구멍이 있는 게이트 구조(perforated gate structure)를 생성하는데 사용될 마스크용 파티클을 방사체 물질에 도포하는 것이다. 파티클은 금속(예를 들면, Al, Zn, Co, Ni), 세라믹(예를 들면, Al2O3, MgO, NiO, BN), 폴리머(예를 들면, 라텍스 구형(latex spheres))와 합성물 등의 여러 물질로부터 선택할 수도 있다. 통상, 바람직한 파티클의 크기는 0.1∼100㎛ 이며, 바람직하게는 0.3∼10㎛ 이다. 파티클은 구형이거나 불규칙한 형상일 수도 있다. 파티클은 스프레이 코팅, 스핀코팅 또는 스프링클링(sprinkling)등의 종래의 파티클 분배(dispensing) 기술에 의해 방사체 몸체의 표면에 간편하게도포된다. 파티클은, 스프레이 코팅을 위해 아세톤이나 알콜등의 휘발성 솔벤트와 혼합될 수 있고, 방사체 표면상에서의 접착력을 향상시키기 위해 소량의 유기질 바인더 물질(organic binder material)을 선택적으로 추가할 수도 있다. 휘발성 솔벤트를 건조시킨 후에, 단계 C 에서 도포된 파티클을 마스크로서 사용하여 절연막과 게이트 도전막을 증착시킨다. 그 후, 숙련자의 브러시(brush)로 털어 버림으로써 파티클이 용이하게 제거된다. 바인더 물질이 조금이라도 남아 있다면, 그것은 솔벤트나 가열 동작에 의해 모두 제거될 수 있다. 만약, Fe, Co, Ni 등의 강자성 파티클과 그들의 합금 또는 페라이트 등의 산화물이 마스크 파티클로서 사용되었다면, 마스크 파티클은 자기적 인력(magnetic pull)에 의해 제거될 수 있으므로, 파티클이 제거되지 않고 남아 있을 위험성이 줄어든다.
특히 유익한 한 가지 기술은, 파티클을 정전기적으로(electrostatically) 피복시키는 것이다. 파티클은 고 전압에서 노즐로부터의 건식으로 분무될 수 있다. 파티클이 노즐을 떠나감에 따라, 파티클은 전하를 획득할 것이고, 따라서 서로간에는 반발하면서 방사체 스트라이프(emitter stripes)로 끌려갈 것이다. 마스크 파티클 상호간의 척력(repulsion)으로 인해 방사체 물질을 가로질러서 더욱 균일한 간격이 형성될 것이고, 따라서 퍼콜레이션 한계를 초과함이 없이 즉, 게이트를 비도전성으로 만듦이 없이 마스크 파티클의 밀도를 더욱 높게 만든다. 절연마스크 파티클을 사용하는 것이 특히 유리하며, 방사체 물질상에 내려앉은(landing) 후에도 그들 전하의 일부를 유보함에 따라서, 영역내로 들어오는 파티클이 이전의 마스크 파티클과 같은 낮은 밀도를 갖도록 할 것이다.
추가적인 정제(refinement)로서, 방사체 전극은 마스크 파티클과는 반대의 극성으로 차지(charge)될 수 있고, 방사체 전극 사이에 노출된 기판은 마스크 파이클과 동일한 극성으로 차지될 수 있다. 그후 소량의 파티클만이 방사체 전극사이에 내려앉게 될 것이고, 이로 인해, 게이트의 평균 종단 도전율(everage end-to-end conductivity)이 증가될 것이며, 게이트를 비도전성으로 하는 일없이 마스크 파티클의 밀도를 더욱 크게할 것이다.
결과적으로 얻어지는 구조는 제 2 도에 도시한 바와 같이, 절연 기판(10)과, 방사체층(11)과, 이 방사체층 위에 랜덤하게 분포된 마스크 파티클(12)을 포함한다.
제 1 도에서 블럭 D로 도시한 그 다음의 단계는 방사체층위에 절연막을 도포하는 것이다. 절연막은 높은 브레이크다운 전압을 갖는 전기적 절연 물질이어야 한다. 전형적인 절연 물질로서, SiO2, 글래스, 단일 또는 다수의 성분의 세라믹(산화물질과 질화물을 포함한다)과 폴리아미드(polyamides)와 같은 폴리머를 들 수 있다. 이들 막은 물리적, 화학적 또는 전기화학적 수단에 의해 증착된다. 중합체 물질의 경우, 전계 방출 장치내의 진공 시스템내로 휘발성 성분의 기체가 새는 것을 피하거나 최소화하도록 주의를 해야한다. 방사체 몸체에 게이트 전극을 근접시켜 전자 가속 효과를 최대화하면서 전압 인가시에 필요한 전기적 절연을 확보하기 위해, 요구되는 절연막의 두께가 통상 0.01∼ 5㎛이고, 바람직하게는 0.05∼ 1㎛이다.
다섯번재 단계(블럭 E)는, 게이트 도전체로서 작용하도록 절연체위에 게이트 도전체 물질의 막을 도포하는 것이다. 게이트 도전체 물질은 통상, Cu, Cr, Ni, Nb, Mo, W 등의 금속이나 그 합금으로부터 선택되지만, 산화물(예를 들면, Y-Ba-Cu-O, La-Ca-Mn-O), 질화물, 탄화물등의 높은 도전성의 비금속 화합물을 사용하는 것이 금지되지는 않는다. 요구되는 게이트 도전체의 두께는 0.05∼10㎛이고 바람직하게는 0.2 ∼ 5㎛이다. 결과적으로 얻어지는 구조가 제 3 도에 도시되어 있는데, 도면에서 절연막(30)과 게이트 도전막(31)이 제 2 도의 구조 위에 연속하여 도포되었다. 마스크 파티클(12)은 그 하부의 방사체 물질(11) 영역을 보호한다. 게이트 도전막(31)은 전자 방출층(12)의 스트라이프에 수직인 스트라이프 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다. 방사체층의 스트라이프와 게이트 도전층의 스트라이프 사이에 있는 교차점 영역은 어드레스 지정 가능한 전자 소스(addressable array of electron sources)의 어레이를 형성할 것이다.
그 다음 단계(블럭 F)는 마스크 파티클을 제거하여, rm 하부의 방사체 물질을 노출시키는 개구를 만드는 것이다. 마스크 파티클은, 파티클밑의 원래 그대로의 방사체 표면을 노출시키기 위해, 숙련자의 페인트 브러시 솔질에 의해 제거될 수 있다. 방사체층(11)이 노출되는 개구부(40)를 갖는 구조는 제 4 도에 도시된다. 불규칙한 마스크 파티클의 분포로 인해, 결과적으로 얻어지는 게이트 개구 역시, 포토리소그래피에 의해 생성된 게이트 개구에서 처럼 주기적인 분포를 갖기보다는 불규칙적인 분포를 갖는다. 바람직한 게이트 개구의 크기는 직경이 0.1∼50㎛ 인 것인데, 더 바람직하게는 0.2∼ 5㎛이다. 요구되는 천공율(fraction of theperforation)은, 게이트가 끊어지지 않고 유지되도록 퍼콜레이션 임계값 미만을 유지하면서 적어도 5%이고, 바람직하게는 적어도 20%이다. 디스플레이의 균일성(uniformity)을 위해서는 픽셀당 게이트 개구의 수가 많은 것이 바람직하다. 픽셀당 개구의 수는 적어도 50 개이고, 바람직하게는 적어도 200 개이다.
제 5 도는 단계 F 후의 또다른 형태의 구조를 도시한 것으로, 도면에서 방사체층(11)은 불연속적 (또는 비도전성)이고, 방사체 돌출부(emitter points)에 전류를 공급하기 위해 도전층(50)상에 도포되었다. 도전층은 방사체층(11)의 도포보다 앞선 단계에서 기판(10)에 도포될 수 있다. 불연속한 방사체 파티클은 화학 기상 증착등의 얇은 파이버 프로세싱(thin fiber processing)에 의하거나, 또는 다이아몬드나 흑연등의 전자 방출 파티클의 스프레이 코팅이나 스크린 프린팅에 의해 마련될 수도 있다.
제 6 도 및 제 7 도에 도시한 것은 약 x4500 의 배율로 확대된 마스크된 구조의 전형적인 주사형 전자 현미경(scanning electron microscopy; SEM)을 사용한 현미경 사진(photomicrographs)이다. 미세한 알루미늄 파티클이 아세톤과 혼합되어 글래스 기판상에 스프레이 코팅되었고, 솔벤트가 건조에 혀용되었다. 그 후, 마스크 파티클로 부분적으로 덮힌 글래스 기판은 Cu 소스를 이용한 열 기상 증착(thermal evaporation deposition)에 의해 두께 1㎛의 Cu 막으로 코팅되었다. 제 6 도는 Cu 막이 증착된 후의, 마스크 파티클을 갖는 기판의 SEM 사진이다. 섀도 효과(shadow effect)때문에, 마스크 파티클 아래의 기판 영역은 도전체로 코팅되지 않는다. 제 7 도는 숙련자의 브러시를 사용하여 파티클을 부드럽게 솔질하여 제거한 후를 도시한 것으로, (2∼4㎛크기의) 구멍(holes)만이 남게 된다. 이렇게 미세한 크기로 구멍을 뚫은 금속층은 다중 채널 게이트 구조(multi-channel gate structure)로 적합하다. 따라서, 미크론 치수의 개구가 있는, 구멍뚫린(perforated) 게이트 구조를, 값비싼 포토리소그래피 공정을 사용하는 일없이 제조할 수 있다.
디스플레이에 응용하는 경우, 디스플레이의 각 픽셀의 방사체 물질(냉음극(cold cathode))은 특히 디스플레이 품질의 균일성을 평균적으로 확보하기 위해, 여러 개의 전자 방출 돌출부로 이루어지는 것이 바람직하다. 가속 게이트 전극이 근접하여(통상적으로 대략 미크론 치수의 간격) 존재함으로서 저 인가 전압에도 효과적인 전자 방출이 달성되므로, 다수의 전자 방출 소스의 능력을 최대로 이용하도록, 주어진 방사체 몸체 전반에 다수의 게이트 개구를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 전계 방출 장치내의 각각의 (100㎛의) 사각형 픽셀은 픽셀 당 2500개 정도의 다이아몬드 아일랜드 방출 돌출부(diamond island emitting points)를 포함할 수 있다. 방출 효율을 최대로 하기 위해서는 게이트 개구를 가능한 많이 갖는, 미세한 크기 즉, 미크론 크기의 게이트 구조를 갖는 것이 바람직하다. 유익하게는, 게이트 개구가, 방사체와 게이트 사이의 간격과 거의 동일한 직경을 갖는다.
최종 단계는, 종래의 방식으로 전자 방출장치의 제조를 완성하는 것이다. 이 단계는 일반적으로, 애노드를 형성하는 것과, 이 애노드를 진공 실(vacuum seal)내에서 냉음극 방출 물질로부터 거리 간격을 두고 위치시키는 것을 포함한다. 평판패널 디스플레이의 경우는, 제 1 도의 프로세스에 의해 마련된 장치를 사용하여 전형적인 평판 패널 디스플레이를 도시하고 있는 제 8 도의 구조를 제조함으로써 완성된다.
구체적으로 말하면, 투명한 절연기판(81)상에 형성된 애노드 도전체(80)가 형광층(phosphor layer)(82)과 같이 마련되어, 제 4 도의 장치(또는, 제 5 도의 장치)로부터 거리 간격을 두고 떨어져서 지지 필러(support pillars)(83)위에 탑재된다. 애노드와 방사체 사이의 공간은 밀봉 및 진공으로 되어 있고, 전원 공급 장치(84)에 의해 전압이 공급되고 있다. 활성화된 냉음극의 전자 방사체(11)로부터 전계 방출된 전자(field-emitted electrons)는, 각 픽셀상의 다수의 개구(40)로부터 천공된 게이트 전극(perforated gate electrode)(31)에 의해 가속되어, 애노드 기판(81)(바람직하게는 글래스 면 플레이트(glass face plate))상에 코팅된 애노드 도전층(80)(통상, 인듐-주석-산화물등의 투명한 도전체)쪽으로 이동한다. 형광층(82)은 전자 방사체 장치와 애노드 사이에 배치된다. 가속된 전자가 형광체를 때려서 디스플레이 이미지(image)가 생성된다. 형광층(82)은 공지의 TV 스크린 기술(TV screen technology)을 사용하여 애노드 도전체(80)상에 증착될 수 있다.
제 9 도는 제 8 도의 장치내의 x-y 매트릭스 디스플레이를 형성하는 방사체 어레이의 칼럼(columns)(90)과 게이트 도전체 어레이의 로우(rows)(91)를 도시한 것이다. 이러한 로우와 칼럼은 저렴한 방사체 물질 스크린 프린팅(예를 들면, 100㎛의 폭을 가짐)과, 100㎛의 넓이의 평행한 간극을 갖는 스트립 금속 마스크(strip metal mask)를 이용한 게이트 도전체의 물리적 기상 증착에 의해 마련될 수 있다.게이트의 특정 칼럼과 방사체의 특정 로우의 기동 전압에 따라서, 칼럼과 로우의 교차점에서 특정한 픽셀이 선택적으로 활성화되어, 전자를 방출시켜서 그 픽셀위의 형광 디스플레이 스크린을 활성화시키게 된다.
미세 라인 리소그래피(fine-line lithography)를 배제시킴으로써 간편성, 저렴한 비용 및 환경 쓰레기의 저감 외에도, 제 1 도의 파티클-마스크 기술은, 방사체의 높이나 폭에 있어서 실재의 변화에 관계없이 절연 및 게이트 도전막의 정합적 증착(conformal deposition)을 제공하는 장점이 있다. 예를 들면, 방사체 몸체는, 다이아몬드 파티클(전계 방출용임), 금속 또는 도전성 파티클(전기 도전용임), 글래스 프릿(glass frits)(글래스 백 플레이트에 대한 접착을 위해 부분적 또는 완전히 용융(melting)함), 유기질 바인더(organic binder)(스크린 프린팅동안의 점도(viscosity) 제어용임)와 솔벤트(바인더 용해(dissolution)용임)의 혼합물을 사용하는, 저렴한 비용의 스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 프로세스에 의해 구성될 수도 있다. 만약, 스크린의 프린트되어 경화된 방사체 스트립이 높이 50㎛와 폭 100㎛의 치수를 갖는다면, 예를 들면 높이에 있어서 적어도 1-5㎛의 치수변화를 예상할 수가 있다. 약 1㎛ 정도 또는 그 보다 작은, 요구되는 게이트-방사체 간격의 관점에서 볼때, 방사체에서의 이러한 높이 변화는, 게이트 구조가 정합적으로 이루어져 1㎛ 정도의 거리를 유지하지 않는 한, 제품의 신뢰성의 국면에서 허용되지 않는다.
전술한 바와 같이 미크론 레벨의 천공된 게이트 구조를 생성하는 프로세스는, 프로세싱(processing)과 구조 및 형상에 있어서의 많은 가능한 변동 사항중 일예일 뿐이다. 예를 들면, 절연막이나 게이트 도전막중 하나가 선택적으로 화학적 에칭되어, 다른 에칭되지 않은 물질들을 더 많이 노출시킬 수도 있다. 다른 예로서, 마스크 파티클위에 절연막과 게이트 도전막을 증착시키는 것이 한 번 이상 반복되어, 방출된 전자빔의 궤도를 형성하기 위한 또는 3 극관(triode) 동작을 위한 다층 게이트 개구를 생성할 수도 있다. 또 다른 예로서, 마스크 파티클이, 제 3 도의 절연막 및 도전막이 이미 증착된 후에 도포될 수도 있고, 그 후, 에칭 차단(etch-blocking) 마스크 물질(산(acid)에 내성을 갖는 중합체나 무기질 물질)의 층이 증착이나 스프레이 코팅에 의해 마스크 파티클위에 증착될 수도 있다. 마스크 파티클은 솔질이 실행되어 에칭 차단층내에 개구를 남기게 되어, 에칭 마스크를 규정하게 된다. 그 후, 에칭 차단 마스크층에 의해 덮여지지 않은 영역은 에칭되는데, 예를 들면 Cr 등의 금속성 게이트 도전막은 질산에 의해 에칭될 수 있고, 글래스등의 절연막은 플루오르화 수소산에 의해 에칭되어 게이트 개구를 생성함으로써, 그 하부의 방사체 물질을 노출시키게 된다. 그 후, 에칭 차단 마스크는 예를 들면 솔벤트에 의해 제거된다.
본 발명의 전계 방출 장치는 또한, 평판 패널 디스플레이, 전자 빔총, 마이크로파 전력 증폭기 튜브, 이온 소스를 포함하는 각종 장치에 유용하고, 전자-리소그래피(electron-lithography)용 전자를 위한 매트릭스-어드레스 지정 가능 소스(matrix-addressable source)로서도 유용하다(P. W. Hawkes의 "Advances in Electronics and Electron Physics", Academic Press, New York, Vol. 83, pp. 75-85 and p. 107, (1992) 참조할 것). 후자의 장치에서는, 선택된 로우와 칼럼의 활성화에 의해 특정한 소정의 픽셀로부터 전자가 방출되고, 예를 들면 초고밀도 회로의 패터닝을 위해 (폴리메틸 메타크릴산염(PMMA)등과 같은) 전자-감응성 리소그래피 레지스트 물질(electron-sensitive lithography resist material)의 선택적인 에칭이 달성된다. 이러한 특징은, 통상적으로 주사 절차(scanning procedure)를 사용하여 패턴을 기입함으로써 VLSI Technology" by S.M. Sze, McGraw Hill, New York, 1988, p. 155 and p.165에 기술되어 있는 바와 같이 처리량이 훨씬 떨어지는 종래의 전자 빔 리소그래피 장치보다 더 유리한 것이다.
본 발명의 전계 방출 장치는, 매트릭스 어드레스 지정 가능 이온 소스 장치로서 사용될 때, 활성화된 픽셀 영역으로부터 전자를 방출하고, 방출된 전자는 주위 가스 분자와 충돌하여 이온화를 초래한다.
제 1 도는 전계 방출 장치를 제조하기 위한 개선된 프로세스의 흐름도,
제 2 도 내지 제 4 도는 여러가지 제조단계에 있어서의 전계 방출 장치의 개략적인 단면도,
제 5 도는 제 4 도 구조의 다른 실시예를 도시한 도면,
제 6 도 및 제 7 도는 제 1 도의 프로세스에 있어서 유용한 파티클의 마스킹효과를 설명하는 주사형 전자 현미경 사진,
제 8 도는 제 1 도의 프로세스에 의해 제조된 전계 방출 장치를 사용한 평판패널 디스플레이의 단면도,
제 9 도는 제 8 도의 디스플레이에 사용된 전계 방출 장치의 개략적인 상면도
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 기판 11 : 방사체층
12 : 전자 방출 30 : 절연막
31 : 게이트 도전막 40 : 개구부

Claims (23)

  1. 전계 방출 장치의 제조 방법에 있어서,
    전자 방사체 물질층(a layer of electron emitter material)을 기판상에 도포하는 단계와,
    상기 방사체 물질에 마스크용 파티클(masking particles)을 도포하는 단계와,
    상기 마스크용 파티클과 상기 방사체 물질위에 절연 물질 및 도전성 물질의 연속 층을 도포하는 단계와,
    상기 마스크용 파티클을 제거하여, 그 하부의 상기 방사체 물질에 대한 개구(apertures)가 드러나도록 하는 단계와,
    상기 장치를 완성하는 단계를 포함하는
    전계 방출 장치 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 방사체 물질 도포 단계 이전에, 상기 기판에 도전층을 도포하는 단계를 더 포함하는 전계 방출 장치 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 방사체 물질층은, 전자 방출 물질을 포함하는 도전성슬러리(conductive slurry)를 도포함으로써 도포되는 전재 방출 장치 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크용 파티클은 정전기적으로(electrostatically) 도포되는 전계 방출 장치 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크용 파티클은 파티클의 사이즈가 0.1∼100 마이크로미터 범위인 전계 방출 장치 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크용 파티클은 솔질(brushing)에 의해 제거되는 전계 방출 장치 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크용 파티클은 자성을 띠고(magnetic), 자기적인 인력(magnetic pulling)에 의해 제거되는 전계 방출 장치 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 방사체 물질층을 패터닝하는 단계를 더 포함하는 전계 방출 장치제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 물질층을 패터닝하는 단계를 더 포함하는 전계 방출 장치 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 방사체 물질층을 제 1 의 일련의 평행한 줄무늬(stripes)로 패터닝하는 단계와,
    상기 도전성 물질층을, 상기 제 1 의 일련의 줄무늬와 교차하는 제 2 의 일련의 평행한 줄무늬로 패터닝하는 단계를 더 포함하는 전계 방출 장치 제조 방법.
  11. 전계 방출 장치에 있어서,
    전자 방출 물질층을 지지하는 기판과,
    상기 전자 방출 물질층과 전기적으로 접촉하기 위한 수단과,
    상기 전자 방출 물질 위에 놓여지되, 상기 전자 방출물질에 대해 불규칙하게 분포된 개구(apertures)를 포함하는, 절연 물질 및 도전성 물질의 연속 층을 포함하는 전계 방출 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 절연층의 두께는 0.01∼5마이크로미터의 범위내에 있는 전계 방출 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 도전체층의 두께는 0.2∼5 마이크로미터의 범위내에 있는 전계 방출 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 개구는 상기 도전층내에서, 직경이 주로 0.1∼50마이크로미터의 범위에 있는 구멍(perforations)을 형성하는 전계 방출 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 개구는 상기 도전층내에서 퍼콜레이션 임계값(percolation threshold) 미만을 유지하면서 적어도 5%의 천공율(perforation fraction)을 형성하는 전계 방출 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 전자 방출 물질은 다이아몬드, 흑연, Mo, W. Cs, LaB6, YB6, 또는 AIN으로 이루지는 군(group)에서 선택된 물질인 전계 방출 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 전자 방출 물질층과 상기 도전성 물질층은 다수의 어드레스 지정 가능한 교차점 영역(addressable intersecting regions)을 규정하도록 패터닝되는 전계방출 장치.
  18. 제 11 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에에 따른 전계 방출 장치를 포함하는 디스플레이 장치.
  19. 투명한 프론트 플레이트(front plate)상의 형광 코팅 애노드와 셀의 백플레이트(back-plate)상의 전계 방사체 캐소우드의 어레이를 갖는 진공셀을 포함하고, 상기 애노드와 상기 캐소우드 사이에는 1 개 이상의 도전 게이트층이 배치되며, 상기 캐소우드와 상기 게이트는 디스플레이용 픽셀을 규정하는 패턴으로 형성되는 유형의 평판 패널 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 게이트 층이, 상기 전계 방사체 캐소우드의 대한 개구(apertures)를 제공하기 위해, 직경이 주로 0.1∼50 마이크로미터의 범위내에 있는 불규칙하게 분포되어 있는 구멍(perforations)을 포함하는 평판 패널 디스플레이 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    픽셀을 규정하는 상기 게이트층의 부분은 직경이 0.1∼50 마이크로미터의 범위내에 있는 적어도 50 개의 불규칙한 구멍을 갖는 평판 패널 디스플레이 장치.
  21. 기판상에 전자 방출 물질의 층을 도포하는 단계와, 상기 방출 물질위에 절연 물질의 층과 도전 물질의 층을 도포하는 단계와, 상기 도전 물질과 상기 절연 물질을 통해 전자 방출 물질에 이르는 개구(apertures)를 형성하는 단계를 포함하는 전계 방출 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 개구 형성 단계는, 불규칙하게 분포되어 있는 개구를 규정하기 위해 대상물(workpiece)의 표면에 마스크용 파티클을 도포하는 단계를 포함하는 전계 방출장치 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 마스크용 파티클은, 상기 절연층을 도포하기 전에, 상기 방사체 물질에 도포되는 전계 방출 장치 제조 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 마스크용 파티클은, 에칭 마스크로서 작용하는 추후의 에칭 차단층이 도포되기 전에, 상기 도전 물질에 도포되는 전계 방출 장치 제조 방법.
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