KR100397616B1 - 전계효과전자방출소자의제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 새로운 마이크로팁 어레이의 제조 방법을 도입한 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 이 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법에 따르면, 플라즈마 강화 화학 기상 증착법에 의해 SiO2절연층을 형성하고, 스퍼터링법으로 게이트 전극 금속을 증착하면서도, 건식 식각 공정에 의한 마이크로팁 어레이를 형성할 수 있다.

Description

전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법
본 발명은 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 새로운 마이크로팁 어레이의 제조 방법을 도입한 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
종래 전계 효과 전자 방출 소자는, 제1도에 도시된 바와 같이, 기판(1) 상에 스트라이프 상의 음극(2)이 마련되고, 음극(2)의 위에는 마이크로 팁(2c)이 형성되어 있다. 상기 마이크로 팁(2c)은 상기 기판(1)과 음극(2c)의 적층 상에 마련되는 절연층(4c)의 관통공(5') 내에 마련된다. 그리고 상기 절연층(4c)의 위에는 상기 관통공(5')에 대응하는 개구부(5')를 가지는 스트라이프 상의 게이트 전극(5c)들이 적층되어 있다. 이 게이트 전극(5c)들은 스트라이프 상의 음극(2)들과 배열 방향이 서로 교차되게 형성되어 있다.
이상과 같은 구조의 종래 전계 효과 전자 방출 소자는 스트라이프상의 음극(2)들과 게이트 전극(5a)들 사이의 전위차에 의해 유도된 전계에 의해 마이크로 팁(2c)으로부터 전계 방출이 이루어진다.
이상과 같은 구조의 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법을 제2도 내지 제6도를 참조하여 설명한다.
먼저, 제2도에 도시된 바와 같이, 기판(1) 상에 음극 물질이 적층되고 패터닝되어 스트라이프 상의 음극(2)들이 형성되고, 그 상부에 마이크로팁 형성 물질(2a)이 증착된다. 다음에, 제3도에 도시된 바와같이, 마이크로팁 형성용 금속 마스크(3)가 리프트 오프(lift off) 기법에 의해 형성된다. 다음에, 제4도에 도시된 바와 같이, 건식 식각법에 의해 마이크로팁부(2b)가 형성된다. 이 때, 등방성 식각(isotropic etching)법과 이방성 식각(anisotropic etching)법이 순차로 적용되어 병 모양의 마이크로팁부(2b)가 형성된다. 다음에, 제5도에 도시된 바와 같이, 산화물 및 금속이 순차로 전자-빔 증착법에 의해 증착되어 산화물층(4a, 4b) 및 게이트 물질층(5a,5b)이 형성된다. 다음에, 제6도에 도시된 바와 같이, 마스크(3) 상부의 산화물층(4b) 및 게이트 물질층(5b)이 마스크(3)가 식각됨으로써 제거되고(리프트 오프기법), 마이크로팁부(2b)가 예리하게 되어 식각된다. 그리고, 게이트 물질층(5a)이 패터닝되어 게이트 전극(5c)들이 스트라이프 상으로 형성되고, 산화물층(4a)이 언드커팅(undercutting)되어 절연층(4c)이 형성된다.
이와 같은 제조 방법에서 마이크로팁 어레이를 제조하기 위해서는, 제5도에 도시된 바와 같은 산화물층(4a,4b) 및 게이트 물질층(5a,5b)은 방향성(directionality)을 가져야하므로 전자-빔 증착법에 의해서만 방향성 성장이 가능하게 된다. 만일, 다른 방법을 사용하여 성장시키게 되면 게이트가 연속막으로 형성되어, 제6도에 도시된 바와 같은, 마이크로팁 샤프닝(sharpening) 공정 및 게이트 패터닝 공정이 불가능하게 된다.
전자-빔 증착법으로 증착된 산화물은 PECVD(pecvd)법으로 증착된 산화물에 비하여 브레이크다운 세기가 1/102미만으로 보고되어 있고, 스텝 커버리지(step coverage)가 좋지 않아서 음극 단차(step) 부분 쪽으로 균열(crack)이 형성될 가능성이 커서, 마이크로팁 형성 물질 증착 공정, 게이트 물질 증착 공정 등의 금속 증착 공정이 계속 진행될 경우 균열 사이로 금속 불순물이 침투되어 제조된 소자(마이크로팁 어레이)의 전기적 특성이 저하된다. 게이트에 있어서도, 스퍼터링에 의하여 증착된 것에 비하여, 산화물에 대한 접착막 자체의 물성(막의 치밀성 저하, 즉 전자-빔 증착법의 경우 막에 columnaz 구조가 생길 경우가 많음) 및 스텝 커버리지 등 모든 것이 저하된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로, 스텝 커버리지를 최대한 줄여 치밀한 막을 가지며 그 전기적 특성이 우수한 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법은,
기판 위에 스트라이프 상의 음극들을 형성하는 단계;
상기 음극 및 노출된 기판 상에 절연물질을 증착하여 절연층을 형성하는 단계;
상기 음극들 상부의 절연층에 소정의 직경을 갖는 복수개의 홀들을 형성하는단계;
상기 홀에 의해 노출된 음극 및 절연층 상부에 마이크로팁 및 게이트 형성용 물질을 소정의 두께로 증착하는 단계:
상기 마이크로팁 형성용 물질 상에 마스크 형성용 금속층을 증착하고 포토공정을 이용하여 마이크로팁 및 게이트 형성용 마스크를 형성하는 단계;
상기 마이크로팁 및 게이트 형성용 마스크를 이용하여 상기 마이크로팁 및 게이트 형성용 물질을 식각하여 마이크로팁 및 스트라이프상의 게이트를 형성하는 단계;
상기 마이크로팁 및 게이트 형성용 마스크를 제거하여 마이크로팁 및 게이트를 완성하는 단계;를
포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 절연층은 SiO2를 플라즈마 강화 화학 기상 증착법으로 0.7∼0.8 ㎛ 의 두께로 형성되고,
상기 홀들은 정저면의 직경이 1.5∼2㎛, 정상면 직경이 3∼5㎛가 되도록 식각되며,
상기 마이크로팁 및 게이트 형성용 물질은 스퍼트링법을 사용하여 1.2∼1.5㎛ 두께로 형성하는 것이 바람직하며,
마이크로팁 및 게이트 형성용 마스크를 형성하는 단계는,
상기 마스크 형성용 금속을 증착하는 금속층 형성 서브 단계;
상기 금속층 상부에 포토레지스트를 도포하는 서브 단계;
상기 포토레지스트를 마이크로팁 및 게이트 형성용 패턴을 형성하는 서브 단계;
상기 포토레지스터 패턴을 이용하여 상기 금속층을 식각하는 서브 단계; 및
상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 서브 단계;를
포함하여 된 것이 바람직하며, 이 때, 상기 포토레지스트 패턴은 외경이 2.5∼4㎛이고 내경이 1㎛인 두 개의 동심원이 환형을 이루는 개구부가 10㎛ 이상의 간격을 두고 나란하게 배열된 형태인 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 전계 효과 전자 방출 소자 제조 방법을 상세히 설명한다.
먼저, 제7도에 도시된 바와 같이, 기판(11) 위에 스트라이프 상의 음극(12)들을 형성한 다음, 이 음극(12)들 및 노출된 기판(11) 상에 SiO2와 같은 절연 물질을 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PECVD: plasma enhanced chemical vapor deposition)으로 0.7∼0.8 ㎛ 의 두께로 증착한다. 여기서, 스트라이프 상의 음극(12)들의 전체적인 배치 형상은 제1도에 도시된 바와 같다.
다음에, 제8도에 도시된 바와 같이, 스트라이프 상의 음극(12)들 상부의 절연층(13)에 소정의 직경을 갖는 복수개의 홀(13b)들을 포토리소그래피법 및 습식 식각법을 이용하여 형성한다. 즉, 절연층(13) 상면에 포토레지스트를 도포하고 원형의 패터닝을 행한 다음, 습식 식각법으로 패턴에 따라 절연층을 식각하여 분화구모양의 홀(13b)들을 형성한다. 이 분화구 모양의 홀(13b)들은 정저면의 직경이 1.5∼2㎛가 되도록 식각하고, 정상면 직경이 3∼5㎛가 되도록 식각한다. 이 때, 포토레지스트의 패턴은 제13도에 도시된 바와 같이, 1∼1.5㎛ 정도의 좁은 직경의 개구가 10㎛ 이상의 간격을 두고 나란하게 배열된 모양의 패턴을 사용함으로써, 등방성 습식 식각에 의해 상기와 같은 큰 규격의 분화구 모양의 홀이 형성된다.
다음에, 제9도에 도시된 바와 같이, 상기 홀(13b)들에 의해 노출된 음극 및 절연층 상부에 마이크로팁 및 게이트 형성용 물질(14)을 1.2∼1.5㎛ 두께로 증착한다. 이 마이크로팁 및 게이트 형성용 물질(14)의 증착에는 스퍼터링(sputtering)법이 이용된다.
다음에, 제10도에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로팁 형성용 물질(14) 상에 마이크로팁 및 게이트 형성용 마스크(15a, 15b)를 형성한다. 이 마스크(15a, 15b)를 형성하기 위해서는, 상기 마스크 형성용 금속을 증착하여 금속층을 형성하고, 이 금속층 상부에 포토레지스트를 도포한 다음, 이 포토레지스트에 마이크로팁 및 게이트 형성용 패턴을 형성한다. 이 때, 포토레지스트의 패턴은 외경이 2.5∼4㎛이고 내경이 1㎛인 두 개의 동심원이 환형을 이루는 개구부가 10㎛ 이상의 간격을 두고 나란하게 배열된 모양이 되도록 한다. 이는 다음의 마이크로팁 및 게이트 형성 물질(14)을 건식 식각법으로 등방성 식각을 행하는 공정에서 금속 마스크 하부에 언더컷(under-cut)이 일어나는 것을 고려한 규격으로, 마이크로팁 및 게이트 형성 물질이 식각되어 개구되는 부분의 직경이 제8도에 도시된 상기 절연층(13a)에 형성된 홀(13b)의 정상면 직경(3∼5㎛) 이상으로 지나치게 확장되는 것을 방지하기 위한 것이다. 이러한 포토레지스터 패턴을 이용하여 상기 금속층을 식각하여 포토레지스트 패턴의 규격과 같은 마스크를 형성한 다음 상기 포토레지스트 패턴을 제거하여 마스크(15a, 15b)를 완성한다.
다음에, 제11도에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로팁 및 게이트 형성용 마스크(15a, 15b)를 이용하여 상기 마이크로팁 및 게이트 형성용 물질(14)을 식각하여 마이크로팁(14b) 및 스트라이프 상의 게이트(14a)를 형성한다. 여기서, 마이크로팁(14b) 및 스트라이프 상의 게이트(14a)를 형성하기 위해서는, 먼저, 등방성 식각을 행하는 건식 식각법 즉 SF6/O2플라즈마를 이용하는 리액티브 이온 에칭법을 이용하여 상기 홀의 상부(14c) 및 상기 마이크로팁의 원뿔형 첨두부를 형성하고, 이방성 식각을 행하는 건식 식각법 즉 CF4/O2플라즈마를 이용하는 리액티브 이온 에칭법을 이용하여 홀의 하부(13b) 및 상기 마이크로팁 하단의 기둥형 지지부를 형성한다.
다음에 제12도에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로팁 및 게이트 형성용 마스크(15a, 15b)를 제거하여 마이크로팁(14') 및 게이트(14a)를 완성한다. 이 때, 마이크로팁(14')은 상기 마이크로팁(14b)의 첨두부를 예리하게 식각하면서 마이크로팁 상부의 마스크(15b)를 제거하여 완성된다. 그리고 게이트 상부의 마스크(15a)가 제거되면 제14도에 도시된 바와 같이, 마이크로팁의 간격이 10㎛ 이상이고 홀의 직경이 2.5∼4㎛ 인 마이크로팁들의 어레이가 완성된다.
이상과 같은 방법으로 제조된 전계 효과 전자 방출 소자는 제1도에 도시된바와 같은 전계 효과 전자 방출 소자와 게이트 전극의 두께에 차이가 있을 뿐 구조적으로 거의 동일하다. 그리고 이와 같이 제조된 소자의 마이크로팁 어레이 상부에 형광체(미도시)가 도포된 양극(미도시)을 갖춘 전면판을 구비한 다음 그 내부를 진공 상태로 하여, 음극들을 접지하거나 - 전압으로 바이어스 전압을 인가하고, 게이트들에 +전압(80∼90V)을 인가하면, 예리한 마이크로 팁 어레이에서 전자가 방출된다. 이때 방출된 전자는 양극에 코팅된 형광체를 때려 빛을 내게된다. 이러한 구동 방식을 응용하면 화상 표시 소자로 적용 가능할 뿐 만 아니라, 형광체 대신 다른 메카니즘을 응용하면 초고주파 증폭기 및 센서로의 응용도 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법은 플라즈마 강화 화학 기상 증착법에 의해 SiO2절연층을 형성하고, 스퍼터링법으로 게이트 전극 금속을 증착하면서도, 건식 식각 공정에 의한 마이크로팁 어레이를 형성할 수 있는 잇점이 있다.
제1도는 종래의 전계 효과 전자 방출 소자의 개략적 발췌 사시도,
제2도 내지 제6도는 제1도의 전계 효과 전자 방출 소자의 마이크로팁 어레이의 제조 단계별 공정후의 단면도,
제7도 내지 제12도는 본 발명에 따른 전계 효과 전자 방출 소자 마이크로팁의 제조 단계별 공정후의 단면도,
제13도는 제10도 게이트 형성시의 포토레지스터의 패터닝 사이즈를 나타내는 개략적 사시도,
그리고 제14도는 제12도의 공정후의 마이크로팁의 개략적 모습을 나타내는 발췌 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1. 기판 2. 음극
2a. 마이크로팁 형성 물질층 2b. 마이크로팁부
2c. 마이크로팁 3. 마스크
4a, 4b. 산화물층 4c. 절연층
5a. 게이트 5b. 게이트 형성 물질
5'. 관통공, 개구부 11. 기판
12. 음극 13. 게이트 형성 물질
13a. 절연층 14. 마이크로팁 및 게이트 형성 물질
14a. 게이트 14b. 마이크로팁부
15a, 15b. 마스크

Claims (10)

  1. 기판 위에 스트라이프 상의 음극들을 형성하는 단계;
    상기 음극 및 노출된 기판 상에 절연물질을 증착하여 절연층을 형성하는 단계;
    상기 음극들 상부의 절연층에 소정의 직경을 갖는 복수개의 홀들을 형성하는 단계;
    상기 홀에 의해 노출된 음극 및 절연층 상부에 마이크로팁 및 게이트 형성용 물질을 소정의 두께로 증착하는 단계;
    상기 마이크로팁 형성용 물질 상에 마스크 형성용 금속층을 증착하고 포토공정을 이용하여 마이크로팁 및 게이트 형성용 마스크를 형성하는 단계;
    상기 마이크로팁 및 게이트 형성용 마스크를 이용하여 상기 마이크로팁 및 게이트 형성용 물질을 식각하여 마이크로팁 및 스트라이프 상의 게이트를 형성하는 단계;
    상기 마이크로팁 및 게이트 형성용 마스크를 제거하여 마이크로팁 및 게이트를 완성하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 SiO2를 플라즈마 강화 화학 기상 증착법으로 0.7∼0.8㎛ 의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홀들은 정저면의 직경이 1.5∼2㎛, 정상면 직경이 3∼5㎛가 되도록 식각되는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로팁 및 게이트 형성용 물질은 스퍼트링법을 사용하여 1.2∼1.5㎛ 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    마이크로팁 및 게이트 형성용 마스크를 형성하는 단계는,
    상기 마스크 형성용 금속을 증착하는 금속층 형성 서브 단계;
    상기 금속층 상부에 포토레지스트를 도포하는 서브 단계;
    상기 포토레지스트를 마이크로팁 및 게이트 형성용 패턴을 형성하는 서브 단계;
    상기 포토레지스터 패턴을 이용하여 상기 금속층을 식각하는 서브 단계; 및
    상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 서브 단계;를
    포함하여 된 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 포토레지스트 패턴은 외경이 2.5∼4㎛이고 내경이 1㎛인 두개의 동심원이 환형을 이루는 개구부가 10㎛ 이상의 간격을 두고 나란하게 배열된 형태인 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로팁 및 스트라이프 상의 게이트를 형성하는 단계는, 등방성 식각제를 사용하는 건식 식각법으로 식각하여 상기 홀의 상부 및 상기 마이크로팁의 원뿔형 첨두부를 형성하는 서브 단계; 및
    이방성 식각제를 사용하는 건식 식각법으로 식각하여 상기 홀의 하부 및 상기 마이크로팁 하단의 기둥형 지지부를 형성하는 서브 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 등방성 식각제를 사용하는 건식 식각법은 SF6/O2플라즈마를 이용하는 리액티브 이온 에칭법인 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 이방성 식각제를 사용하는 건식 식각법은 CF4/O2플라즈마를 이용하는 리액티브 이온 에칭법인 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  10. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    마이크로팁 및 게이트를 완성하는 단계는,
    상기 마이크로팁의 첨두부를 예리하게 식각하면서 상기 마이크로팁 상부의 마스크를 제거하는 서브 단계; 및
    상기 게이트 상부의 상기 마스크를 제거하는 서브 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
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