KR100438835B1

KR100438835B1 - 기판에서 들뜬 구조물의 형성 방법 및 이를 적용한 들뜬구조의 게이트 전극 및 ｆｅｄ 제조방법

Info

Publication number: KR100438835B1
Application number: KR10-2001-0080907A
Authority: KR
Inventors: 박영준; 한인택
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2004-07-05
Also published as: KR20030050476A; US6780663B2; CN1276496C; CN1427437A; US20030113450A1; EP1321958A1; EP1321958B1; DE60212792T2; JP4028796B2; JP2003229046A; DE60212792D1

Abstract

기판에서 들뜬 구조물을 형성하는 방법과 이를 응용한 FED의 제조방법에 관해 개시된다. 개시된 방법은: 상기 기판 상에 소정의 반응가스에 의해 체적팽창을 야기할 수 있는 부생성물을 발생하는 체적팽창 유발층을 형성하는 단계; 상기 적층에 들뜬 구조를 얻기 위한 소재 물질층을 형성하는 단계; 상기 적층에 상기 반응가스의 공급을 위한 홀을 형성하는 단계; 상기 홀을 통해 상기 반응가스를 공급하여 이에 접촉되는 체적팽창 유발층에 의한 발생되는 부생성물에 의해 상기 소재물질층이 국부적으로 들뜨게 하는 단계; 상기 홀을 통해 상기 부생성물을 제거하여 상기 소재 물질층의 들뜬 부분이 하부의 기판으로 부터 완전히 분리되도록 하는 단계;를 포함한다.

Description

기판에서 들뜬 구조물의 형성 방법 및 이를 적용한 들뜬 구조의 게이트 전극 및 ＦＥＤ 제조방법{Method of manufacturing a floated structure from a substrate and floated gate electrode and Field Emission Device adopting the same}

본 발명은 기판의 표면에서 들뜬 상태의 돔 구조물의 형성방법과 이를 적용한 FED(Field Emission Device) 소자의 제조방법에 관한 것이다.

전계방출형 삼극부 구조의 제작은 일련의 반도체 공정 즉, 캐소드 전극 형성, 게이트 절연층의 성막, 게이트 전극 형성하는 단계를 포함한다. 그리고 상기 게이트 전극으로 부터 캐소드 전극의 상면에 까지 사진 공정 및, 건식 또는 습식 식각법에 의해 게이트 홀을 형성하여 게이트 전극의 하부에 상기 게이트홀을 통해 상기 캐소드 전극의 상면이 노출되게 하고, 그리고 상기 게이트 홀의 바닥 즉 캐소드 전극의 상면에 에미터 예를 들어 마이크로 팁 또는 CNT(carbon nano tube)를 형성하는 과정을 포함한다.

도 1과 도 2는 CNT를 전자방출원으로 적용한 일반적인 FED의 기본 얼개를 보인 개략적 단면도이며, 도 3은 미국특허 6137,213호 등에 개시된 것으로서 마이크로팁을 전자방출원으로 적용하고 특히 돔형 포커스 전극이 마련된 FED의 개략적 단면도이다. 도 1 내지 도 3에서 기능상 동일한 부분에 대해서는 도면을 통한 구조의상호 비교의 편의성을 위해 동일한 참조번호가 적용되었다.

도 1과 도 2를 참조하면, 기판(1)의 상면에 캐소드(2)가 형성되어 있고 캐소드(2) 상에 CNT(3)가 형성되어 있다. 그리고 기판(1)의 상부에는 상기 캐소드(2) 및 CNT(3)가 위치하는 게이트홀(또는 게이트 우물, 4, 4')을 제공하는 게이트 절연층(5) 및 게이트 전극(6)이 형성된다. 여기에서 도 1의 게이트 홀(4)은 항아리형으로 형성되어 있고, 도 2의 게이트 홀(4')은 수직 원통형이다. 이것은 식각법의 차이에 기인한 것으로서, 도 1의 게이트 홀(4)의 경우는 습식에 의해 형성되며, 도 2의 게이트 홀(4')의 경우는 건식법에 의해 형성된 것이다.

이러한 구조에 있어서, 상기 게이트 절연층(5)의 두께는 CNT(3)로 부터의 전자가 진행하는 거리와 관계되며, 일정한 거리 이상이 되어야 원활한 전자 방출, 제어 및 가속이 가능하게 된다. 그러나, 이러한 거리를 확보하기 위해서는 충분한 두께의 절연층(5)이 마련되어야 하는데, 단일층으로서는 그 두께의 한계가 있고, 그리고 두꺼워 질수록 비용이 증가하게 된다.

이러한 결점을 보완한 것이 도 3에 도시된 위에서 언급된 요소들에 더 하여 이들의 구조물 위에 돔형 포커싱 전극(7)을 구비하는 FED이다. 여기에서 특성상 CNT에 의한 전자방출원의 형성이 어렵고 따라서 잘 알려진 마이크로 팁(3')이 이용된다. 이러한 구조의 FED는 포커싱 전극(6)을 형성하기 위하여 포토레지스터막의 형성, 금속박막을 증착, 패터닝 등의 과정을 거치기 때문에 이에 따른 공정 시간이 길고 복잡하다. 또한 이러한 복잡한 구조는 내부 구조의 잔류 응력등에 의해 취약하여 손쉽게 변형될 수 있는 결점을 가진다. 그리고 여러개의 마이크로 팁들의 모임인 서브 픽셀을 조절하는데 있어서 균일한 전위가 걸리도록 균일한 전극의 제조에 어려움이 있다.( USP5973444 및 USP6137213 참고 )

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 것으로서 FED에 적용되는 포커스 전극등과 같이 기판으로 부터 들뜬 돔형 구조물을 용이하게 형성할 수 있는 방법 및 이를 이용한 FED의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 CNT를 전자방출원으로 적용한 일반적인 FED의 기본 얼개를 보인 개략적 단면도이다.

도 2는 CNT를 전자방출원으로 적용한 일반적인 다른 FED의 기본 얼개를 보인 개략적 단면도이다.

도 3은 미국특허 6137,213호 등에 개시된 것으로서 마이크로팁을 전자방출원으로 적용하고 특히 돔형 포커스 전극이 마련된 FED의 개략적 단면도이다.

도 4A 내지 도 4D는 본 발명의 방법의 기본개념을 설명하는 공정도이다.

도 5A는 본 발명의 방법에 따른 도 4C의 공정에 의해 비정질탄소(a-C)가 형성됨으로써 형성된 돔형 구조물의 외관을 보이는 SEM이다.

도 5B는 도 5A의 돔형 구조물의 내부에 a-C 부생성물이 생성 및 축적된 상태를 보이는 SEM 사진이다.

도 6A는 본 발명에 따른 도 4D의 공정 즉 산소 플라즈마에 의해 a-C 이 제거된 상태에서의 돔형 구조물의 외관을 보이는 SEM 사진이다.

도 6B는 도 6A의 돔형 구조물 내의 a-C 이 제거된 상태를 보이는 SEM 사진이다.

도 7A 내지 도 7H는 본 발명에 따른 기판에서 들뜬 구조물 및 FED 의 형성방법의 한 실시예를 보이는 공정도이다.

도 8은 본 발명에 다른 도 7H의 과정을 거쳐 CNT 가 돔형 구조물로 된 게이트 전극의 하부에 형성된 상태를 보이는 SEM 사진이다.

도 9A는 본 발명에 따라 제조된 3극구조의 FED의 얼개를 보이는 개략적 사시도이다.

도 9B는 도 9A에 도시된 FED의 개략적 단면도이다.

도 10A 내지 도 10E 는 본 발명에 따라 기판에서 들뜬 게이트 전극을 갖는 FED 을 형성하는 방법의 다른 실시예를 보이는 공정도이다.

도 11A 내지 도 11H 는 본 발명에 따른 2 중 게이트 전극을 가지는 FED의 제조 공정도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

99: 기판 100 : 베이스 적층

101 : 캐소드 102: 촉매층

103 : 비정질물질층 103': 비정질층의 우물

110 : 게이트 절연층 111 : 게이트 절연층의 개구부

120 : 촉매층 130 : 비정질실리콘

140 : 게이트전극 141 : (게이트전극의) 홀

142 : 돔형 공동부 150 : (CNT형성을 위한) 촉매층

160 : CNT 170 : 제2게이트전극

171 : 실리콘옥사이드(절연층) 172 : (더블게이트 구조에서의) 우물

180 : 포토레지스트

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

기판에 형성되는 소정의 적층에 의한 들뜬 구조를 형성하는 방법에 있어서,

상기 기판 상에 소정의 반응가스에 의해 체적팽창을 야기할 수 있는 부생성물을 발생하는 체적팽창 유발층을 형성하는 단계;

상기 적층에 들뜬 구조를 얻기 위한 소재 물질층을 형성하는 단계;

상기 적층에 상기 반응가스의 공급을 위한 홀을 형성하는 단계;

상기 홀을 통해 상기 반응가스를 공급하여 이에 접촉되는 체적팽창 유발층에 의한 발생되는 부생성물에 의해 상기 소재물질층이 국부적으로 들뜨게 하는 단계;

상기 홀을 통해 상기 부생성물을 제거하여 상기 소재 물질층의 들뜬 부분이 하부의 기판으로 부터 완전히 분리되도록 하는 단계;를 포함하는 들뜬 구조물의 형성 방법이 제공된다.

즉, 본 발명은 종래와 같이 들뜬 구조물을 형성하기 위하여 들뜬 구조물의 높이에 대응하는 두께를 가지는 소위 희생층을 형성하고 이 위에 들뜬 구조물을 목적하는 형상으로 형성하는 것이 아니라, 구조물 생성을 위한 목적층을 처음 부터 원하는 형상으로 형성하지 않고, 단순한 형태로 피복한 후 그 하부층에 의한 부생성물의 생성 및 확장에 대응하여 그 위에 형성된 물질층이 목적하는 형상으로 변형되게 하는 기술적을 적용하는 것으로서, 다양한 형태의 유형의 발명이 파생될 수 있다.

따라서, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 한 구체적인 유형에 따르면,

기판에 금속촉매층을 형성하는 단계;

상기 금속촉매층 상에 금속촉매층의 일부를 노출시키는 개구부를 가지는 비정질 물질을 형성하는 단계;

상기 기판을 가열시키면서 상기 개구부를 통해 수소 및 탄화수소 가스를 공급하여 상기 개구부의 둘레에서 상기 비정질 물질과 촉매층의 사이에 탄소층을 성장시켜 상기 비정질 물질층을 상기 기판으로부터 탄소층에 의해 들뜨게 하는 단계;

상기 개구부를 통해 탄소층을 제거하여 상기 개구부 주위에서 상기 비정질물질층을 국부적으로 기판으로 부터 들뜨게하는 단계;를 포함하는 기판에서 들뜬 상태의 돔형 구조물을 형성하는 방법이 제공된다.

상기 본 발명의 방법에 있어서, 상기 촉매금속은 Fe-Ni-Co 합금이며, 비정질 물질은 비정질 실리콘인 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 방법에 있어서, 상기 촉매금속은 증착법에 의해 형성되고 상기 비정질물질 또는 비정질 실리콘은 CVD(화학기상증착)법에 의해 형성되는 것이바람직하다. 또한 탄화수소 가스 및 수소 가스의 공급은 CVD 법에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

기판에 캐소드 전극을 형성하는 단계;

상기 캐소드의 상면에 촉매금속층을 형성하는 단계;

상기 적층위에 소정 두께의 비정질 물질층을 형성하는 단계;

상기 비정질물질층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;

상기 적층에 수직으로 홀을 형성하여 상기 촉매층 또는 캐소드의 표면을 국부적으로 노출시키는 단계;

상기 기판을 가열시키면서 상기 홀을 통해 수소 및 탄화수소 가스를 공급하여 상기 홀의 둘레에서 상기 비정질 물질과 그 하부 적층의 사이에 탄소층을 성장시켜 상기 비정질 물질층을 상기 기판으로부터 탄소층에 의해 들뜨게 하는 단계;

상기 홀을 통해 상기 탄소층을 제거하여, 상기 홀 주위에서 상기 비정질물질층 및 게이트 전극을 국부적으로 기판으로 부터 들뜨게하는 단계;를 포함하는 FED 에서 기판으로 부터 들뜬 구조의 게이트 전극을 제조방법이 제공된다.

상기 본 발명에 있어서, 상기 촉매금속층의 형성단계 이전에 상기 캐소드 전극 위에 상기 홀에 대응하는 더 바람직하게는 상기 홀과 동축 상에 위치하는 개구부를 가지는 소정 두께의 절연층을 형성하는 단계;가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

기판에 캐소드 전극을 형성하는 단계;

상기 캐소드 위에 소정 두께의 게이트 절연층을 형성하는 단게;

상기 게이트 절연층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;

상기 게이트 전극 상에 개구부를 가지는 소정 두께의 상부 게이트 절연층을 형성하는 단계;

상기 상부 게이트 절연층의 개구부의 바닥에 노출된 게이트 전극 상면에 촉매층을 형성하는 단계;

상기 적층 위에 소정 두께의 비정질 물질층을 형성하는 단계;

상기 비정질물질층 상에 제 2 게이트 전극을 형성하는 단계;

상기 제 2 게이트 전극에서 수직으로 하방으로 상기 개구부에 대응하는 홀을 형성하여 상기 촉매층 또는 캐소드의 표면을 국부적으로 노출시키는 단계;

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

기판에 캐소드 전극을 형성하는 단계;

상기 캐소드 위에 소정 두께의 게이트 절연층을 형성하는 단계;

상기 게이트 절연층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;

상기 비정질물질층 상에 제 2 게이트 전극을 형성하는 단계;

상기 홀을 통해 상기 탄소층을 제거하여, 상기 홀 주위에서 상기 비정질물질층 및 게이트 전극을 국부적으로 기판으로 부터 들뜨게하는 단계;

상기 홀과 상기 게이트의 상면에 포토레지스트를 공급하여 상기 홀 내에 포토레지스트를 주입하고 게이트의 상면에 소정 두께의 포토 레지스트 막을 형성하는 단계;

상기 기판의 배면으로 부터 노광하여 상기 홀 내와 그 상방에 존재하는 포토 레지를 노광시키는 단계;

상기 홀 내에서 노광된 포토레지스트를 현상해 내는 단계;

상기 적층의 위로 부터 촉매물질의 성장시켜 상기 홀의 바닥에 노출된 캐소드의 상면에 CNT 성장용 촉매층을 형성하는 단계;

상기 적층의 위로 CNT 성분 물질을 증착하여 상기 홀 바닥의 촉매층에 CNT 구조물을 형성하는 단계;

상기 홀 바깥의 적층에 존재하는 포토레지스트를 제거하여 그 상부에 형성된 촉매 물질 등의 불필요 성분을 제거하는 단계;를 포함하는 들뜬 구조의 게이트 전극을 가지는 FED 소자의 제조 방법이 제공된다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 당 기술분야에서 알려진 일반적인 기술이나 공법에 대해서는 깊이 설명되지 않을 것이다.

기본적으로 본 발명은 기판으로부터 들뜬 구조를 이룰 목적층의 하부에 비정질물질층을 마련하고 그리고 비정질 물질층의 하부에 촉매층을 마련한 상태에서 촉매층에 까지 연장되는 홀을 형성한 상태에서 탄산가스 및 수소 가스를 공급하는 것에 의해 들뜬 구조물을 형성하는 과정을 포함한다. 구조물의 들뜸은 그 하부에 위치하는 비정질층 및/또는 촉매층간의 반응에 의한 부산물이 구조물의 하부에 축적/확장되는 것에 의해 이루어진다. 이러한 본 발명의 포괄적인 개념은 도 4a 내지 도 4d와 함께 좀더 구체적으로 설명된다.

기판에 형성되는 소정의 적층에 의한 들뜬 구조를 형성하는 방법에 있어서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 적층구조에서 한 적층인 베이스 적층(100), 예를 들어 FED에서 Cr 로 된 캐소드(101)에 촉매층(102)을 형성한다. 여기에서 베이스적층(100)은 특별한 의미가 있는 것이 아니고 들뜬 구조물을 지지하는 어떠한 적층 또는 구조물도 이의 대상이 될 수 있다. 바람직하기로는 Ni, Fe, Cr 중의 적어도 어느 하나를 포함하는 금속 예를 들어 소위 Invar 라 불리는 Fe-Ni-Co 합금에 상기 촉매층(102)을 형성하고 촉매층(102)의 위에는 비정질물질층(103), 예를 들어 비정질 실리콘(a-Si)을 형성한다. 여기에서 상기 촉매층(102)과 비정질물질층(103)은 본 발명에서 체적팽창 유발층의 기능을 가진다. 이 체적 팽창 유발층은 전술한 바와 같이 소정의 반응가스, 예를 들어 뜨거운 탄산가스 구체적으로는 소정 비율의 일산화탄소와 수소가스와의 반응에 의해 부생성물, 예를 들어 비정질 탄소(a-C)를 생성한다. 이때에 a-C 의 효과적인 생성을 위하여 소정 온도이상으로 승온시킨 후 일정시간 유지 및 감온의 과정을 수행한다. 이러한 비정질탄소의 생성은 후술하는 목적하는 형태로 들뜬 구조로 변형되는 소재 물질층을 들뜨게 하여 변형시킨다. 즉, 도 4b에 도시된 바와 같이 비정질 물질층(103)으로 부터 상기 촉매층(102)의 표면 또는 베이스적층(100)에 까지 홀 또는 우물(103')을 형성한 후 일산화탄소와 수소가스를 공급하면 도 4c에 도시된 바와 같이 부생성물 즉 a-C 이 a_Si의 하부에서 생성, 축적, 팽창된다. 따라서 a-Si 은 돔형상을 변형되고 도 4d에 도시된 바와 같이 a-C 이 제거되면 a-Si의 들뜬 부분은 베이스 적층(100)으로 부터 완전히 들뜬 상태가 된다. a-C의 제거는 뜨거운 수소나 산소 플라즈마 공급에 의해 상기 a-C를 CO₂등의 가스 상태로 산화시켜 제거할 수 있다. 그외에 고온 소성 공정 수소 플라즈마 등으로 제거할 수 도 있다.

도 5A는 도 4C의 공정에 의해 상기와 같은 본 발명의 방법에 의해 a-C 형성된 상태에서 이에 의해 형성된 돔형 구조물의 외관을 보이는 SEM이며, 도 5B는 돔형 구조물의 내부에 a-C 부생성물이 생성 및 축적된 상태를 보이는 SEM 사진이다.

도 6A는 도 4D의 공정 즉 산소 가스에 의해 a-C 이 제거된 상태에서의 돔형 구조물의 외관을 보이는 SEM 사진이며, 도 6B는 돔형 구조물 내의 a-C 이 제거된 상태를 보이는 SEM 사진이다. 도 6B에 도시된 바와 같이 돔형 구조물의 바닥에 a-C 이 잔류한다. 이러한 a-C 잔류량은 목적하는 소자가 허용하는 범위 내가 되도록 조절되어야 할 것이다.

이상과 같은 들뜬 구조물의 형성은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어 FED 에서처럼 전자방출원으로부터 소정의 거리를 유지해야 하는 게이트 전극, 또는 웨이퍼 레벨로 MEMS 기술에 의한 입체 구조물 예를 들어 RF 스위치의 구동전극 (moving electrode or contact) 등의 형성에 적용될 수 있다. 전술한 포괄적인 본 발명의 방법은 구체적인 적용분야에 제한되지 않고 이를 응용한 모든 분야 걸쳐 그 기술적 범위를 포괄한다.

도 7a 내지 도 7h는 본 발명에 따른 들뜬 구조의 게이트 전극을 구비하는 FED의 제조방법의 한 실시예의 공정도로서 베이스 적층(100) 또는 캐소드(101)를 지지하는 기판은 편의상 생략되었다. 이 기판은 잘 알려진 바와 같이 유지 또는 석영등으로 형성될 수 있다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 캐소드(101)의 위에 개구부(111)을 가지는 SiO₂게이트 절연층(110)을 형성한다. 이 게이트 절연층(110)의 형성에는 CVD 에 의한SiO₂증착, 포토레지스트 등의 마스크 형성을 위한 사진공정, 마스크를 이용한 패턴닝을 위한 식각공정 등이 수반된다.

도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(110)의 개구부(111) 안쪽의 바닥에 촉매층(120)을 형성한다. 이때에 촉매층(120)은 상기 절연층(110) 형성시 사용되는 마스크층을 이용하여 리프트 오프하게 되면 개구부(111)의 안쪽 바닥 득 캐소드(100)의 노출면에만 형성된다.

도 7c에 도시된 바와 같이, 상기 적층 위에 비정질실리콘(a-Si, 130) 및 게이트 전극(140)을 순차적으로 적층한다. 비정질 실리콘(130)은 CVD 법에 의해 형성되며, 게이트 전극(140)은 Al, Cr 등을 이용한 스퍼터링법 또는 전자빔 증착법 등에 의해 형성될 수 있다. 게이트전극(140)은 당연히 FED 에서 요구하는 설계대로 패터닝 되어야 할 것이며, 이의 패터닝에 대해서는 설명되지 않는다.

도 7d에 도시된 바와 같이, 상기 게이트 전극(140)으로 부터 캐소드(100)의 표면에 이르는 홀 또는 우물(141)을 형성한다. 이때에 캐소드(100)의 표면 까지 홀(141)이 형성될 수 도 있으나 경우에 따라서는 촉매층(110)의 상면에 까지 홀(141)이 형성될 수 있다. 도 5d에서 홀(141) 바닥 부분의 점선은 촉매층(110)이 제거되지 않고 잔류할 수 있다는 것을 의미한다.

도 7e은 상기 촉매층(110) 및 비정질 물질 즉 비정질 실리콘(130)에 의한 부생성물 즉 a-C 의 생성에 의한 채적팽창을 도시한다. 도 5e에 도시된 바와 같이, 상기 홀(141)의 상부로 부터 CVD 장치등에 의해 뜨거운 일산화탄소와 수소 가스가 공급되면 홀(141)을 통해 노출된 촉매층(110) 과 비정질 실리콘(130)이 반응하여 비정질 실리콘(130)의 하부에 부생성물인 비정질 탄소(a-C)가 생성 누적되며 따라서 그 상부의 비정질 실리콘(130) 및 게이트 전극(140)이 돔형으로 변형된다.

이어서 도 7f에 도시된 바와 같이 상기 홀(141)을 통해 H₂또는 O₂플라즈마 등이 공급되면 비정질 실리콘(130)의 하부에 축적되었던 비정질탄소(a-C)가 분해 제거되고 따라서 돔형으로 변형된 비정질 실리콘 및 게이트 전극(140)이 캐소드(101)로 부터 들뜬 상태가 되고 따라서 돔형 공동부(142)가 형성된다. 이때에 전술한 바와 같이 돔형 구조물의 내부 바닥에 a-C 이 잔류할 수 있으며, 이 잔류량은 적절히 조절되어야 할 것이다.

이 공정까지가 FED 에서 들뜬 구조의 게이트 전극을 형성하는 본 발명의 한 실시예이다. 이 이후의 공정은 상기와 같은 과정을 통해 얻은 들뜬 구조의 게이트 전극을 가지는 FED 제조 방법의 한 실시예가 된다.

도 7g에 도시된 바와 같이 돔형 공동부(142)의 바닥 즉 캐소드(101)의 상면에 CNT 증착을 위한 촉매층(150)을 형성한다. 이 촉매층(150)의 형성에는 일반적으로 이용되는 포토레지스트를 이용한 리프트오프법에 의해 수행될 수 있다.

도 7h에 도시된 바와 같이 상기 촉매층(150) 상에 일반적인 방법 예를 들어 DC-PECVD 법등에 의해 CNT(160)를 형성하여 목적하는 3극구조의 전계방출소자를 완성한다.

도 8은 도 7h의 과정을 거쳐 CNT 가 돔형 구조물로 된 게이트 전극의 하부에 형성된 상태를 보이는 SEM 사진이다. 도시된 바와 같이 충분한 량의 CNT가 성장되어 있고, 그리고 그 주위에는 a-C가 잔류함을 확인할 수 있다.

도 9a 게이트 절연층이 필요없고 게이트 전극의 돔형 구조부외의 부분이 캐소드와 같은 평면상에 위치하는 FED 의 개략적 얼개를 보이는 사시도이며, 도 9b는 도 9a의 단면도이다. 이러한 구조의 FED는 도 10과 함께 설명되는 공정에 의해 얻어진다.

먼저 도 9a와 도 9b를 참조하면, 기판(99)의 상면에 캐소드(101)가 일방향으로 연장되어 이에 교차하는 방향으로 게이트 전극(140)이 연장된다. 실제적으로는 다수의 캐소드와 이와 직교하는 게이트 전극이 격자상으로 배치되며, 도 9a 및 도 9b에서는 하나의 삼극부를 위한 구조만 도시되어 있다. 캐소드(100)와 게이트 전극(140)이 같은 평면상에 위치하고, 캐소드(101)와 게이트 전극(140)의 교차부에서는 게이트 전극(140)이 아치형 또는 브리지형태로 형성되어 캐소드(101)로 부터 이격되어 있다. 그리고 게이트 전극(140)에서 캐소드(101)와 교차되는 부위에 게이트 또는 게이트 홀(141)이 형성되어 있고, 그 하방에 전자방출원으로서 CNT(160)가 마련된다. 상기 게이트 전극(140)의 하부에는 게이트 전극(140)의 변형을 위해 a-C 의 생성 및 축적에 이용되는 비정질실리콘(130)이 마련되어 있다.

이하 도 9a 및 도 9b에 도시된 본 발명에 따른 FED의 제조 공정을 살펴본다.

역시 도 10a 내지 도 10e 에서는 하나의 단위 삼극부의 구조에 대해서만 도시된다.

도 10a에 도시된 바와 같이 기판(99) 상에 스트립상의 캐소드(101)를 형성한다. 이때에 캐소드 물질의 증착, 증착된 캐소드 물질층의 패터닝과정이 수행된다.

도 10b에 도시된 바와 같이 상기 캐소드(101) 상에 촉매층(120)을 형성한다.이때 역시 촉매물질의 전면 증착과정과 캐소드(101) 상의 일부에만 잔류시키는 패터닝과정이 수행된다.

도 10c에 도시된 바와 같이, 상기 기판(99) 상 전면에 비정질실리콘(130)을 증착하고, 패터닝과정을 통해 상기 촉매층(120)을 노출시키는 개구부(131)를 형성한다. 개구부(131)의 형상은 사각형이 바람직하나 필요에 따라 다른 형태로 형성될 수 도 있다. 상기 비정질실리콘(130) 위에는 게이트 전극을 위한 금속층이 형성되고, 상기 촉매층(120)을 노출시키는 개구부가 금속층에도 역시 같이 형성되며, 여기에서는 생략된다.

도 10d에 도시된 바와 같이, CVD 장치 등에서 고온의 H₂가스와 CO 가스를 공급하여 전술한 바와 같은 과정을 통해 비정질탄소(a-C)를 생성 축적시켜 상기 비정질실리콘(130)을 돔형태로 변형시킨다.

도 10e에 도시된 바와 같이, 사진공정을 통해 비정질실리콘(130) 및 게이트전극(미도시)을 패터닝하고, 소위 에치백(etch-back) 예를 들어 소성 장치, 수소 또는 산소 플라즈마를 통해 상기 비정질 실리콘 하부의 a-C을 제거한다.

이와 같은 공정을 거친 후 캐소드 상면에 CNT 형성을 한 촉매층 형성 및 CNT 성장 과정을 통해 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같은 구조의 FED를 얻는다. 여기에서 도 10e의 에치백 과정에서 에치백의 두께를 적절히 조절하여 a-C의 형성시 사용된 촉매층(120)이 잔류될 경우, CNT를 위한 촉매층을 별도로 형성할 필요가 없게 된다.

이하에서는 보다 효율적인 전자방출을 위한 더블게이트 방식 또는 포커싱 전극을 가지는 FED의 제법에 대해 설명된다.

도 11a에 도시된 바와 같이 기판(99)에 소정의 과정, 예를 들어 전술한 바와 같은 과정을 통해 캐소드(101), 게이트 절연층(110) 및 게이트 전극(140)을 형성하고, 게이트 전극(140)의 위에는 소정 직경(d)의 개구부를 가지는 절연층 예를 들어 실리콘 옥사이드(171)를 형성하고 그리고 그 안쪽 바닥에는 a-C 생성을 위한 촉매층(120)을 형성하고 그 위에 비정질물질, 예를 들어 비정질실리콘(130) 및 제2게이트전극 또는 포커스 전극(170)을 형성한다. 이러한 적층구조는 일반적으로 알려진 방법에 의해 수행될 수 있으며 상기 게이트 절연층(140) 위의 적층 구조는 앞에서 충분히 설명되었다.

도 11b에 도시된 바와 같이, 상기 적층에 수직으로 우물(172)을 형성한다. 이때에 우물(172)은 상기 실리콘 옥사이드(171)의 개구부의 중앙에 위치하며, 그 바닥에는 캐소드(101)가 노출되어 있다.

도 11c에 도시된 바와 같이 CVD 장치에서 CO + H₂가스를 우물(172)내로 공급하여 촉매층(120)과의 반응에 의해 비정질 실리콘(130)의 하부에 a-C 가 생성 및 축적되게 하여 그 상부의 적층들이 돔형으로 변형되게 한다.

도 11d에 도시된 바와 같이 전술한 바와 같은 에치백에 의해 상기 a-C를 제거하여 상기 비정질실리콘(130)의 하부에 돔형 공동부(174)가 마련되게 한다.

도 11e에 도시된 바와 같이 상기 적층의 위에서 포토레지스트를 공급하여 상기 우물(172)과 돔형 공동부(174)내를 충전시키고 최상위의 제2게이트전극(170)의 위에 리프트 오프를 위한 희생층(180)을 형성한다.

도 11f에 도시된 바와 같이, 상기 우물(172)내의 포토레지스트를 사진 공정 및 식각 공정에 의해 제거한다. 이때에 돔형 공동부 내의 포토레지스트는 제거되지 않는다.

도 11g에 도시된 바와 같이, 상기 우물(172)의 바닥 즉 캐소드의 상면에 CNT 형성을 위한 촉매층(150)을 형성한다. 이때에 촉매물질(150')은 제2게이트 전극(170)위의 포토레지스트(180)상에도 형성된다.

도 11h에 도시된 바와 같이, 우물(172) 바닥의 촉매층(150) 상에 PE-CVD 법에 의해 CNT(160)를 성장시켜 목적하는 더블 게이트 또는 포커스 전극을 가지는 4극 구조의 FED를 완성한다.

상기한 바와 같이 본 발명은 종래의 방법과는 달리 구조물 생성을 위한 목적층을 처음 부터 원하는 형상으로 형성하지 않고, 단순한 형태로 피복한 후 그 하부층에 의한 부생성물의 생성 및 확장에 대응하여 그 위에 형성된 물질층이 목적하는 형상으로 변형되게 하는 기술을 적용한다. 이 기술은 본질적으로 촉매층의 도움으로 야기되는 부생성물에 의해 적층 구조 중에 목적으로 하는 한 부분을 변형시키며, 이러한 변형을 통해서 기판으로부터 들뜬 구조물을 형성한다.

본 발명에 따르면 동일한 평면에 있으면서도 게이트 전극과 캐소드간 소정의 전위차를 갖는 삼극관 구조의 제작이 기존공정에 비해 용이하고, 팽창 층으로 사용된 a-Si을 저항층의 역할을 하는 구조로도 활용도 가능하다. 적용 형태에 따라 절연층 없이 진공 공간에 의해 전기적 요소, 예를 들어 캐소드와 게이트 전극을 절연시킴으로써 전자방출 특성을 향상시킨다. 또한 더블 게이트 방식의 FED의 제작시 자기정렬의 특성이 이용되기 때문에 균일한 특성의 발휘가 가능하고, 제작이 용이하다. 그리고 CVD를 이용하므로 선택적인 CNT 성장 특성을 이용하므로 성막 또는 에칭시 박막의 두께나 성장조건의 제어에 의해 효과적으로 구조 및 특성의 제어가 가능하다. 그리고 종래의 방법에 비해 선택적으로 홀 하나 마다, 또는 서브픽셀(subpixel)을 단위로 하는 영역을 커버하는 구조의 제작이 가능하고 상대적으로 여러단계의 공정단계를 생략하여 진행 할 수 있다. 그리고 열리는 모양 즉 개구부의 형상 이나 크기에 제약이 없으며 이의 조절을 통해서 다양한 구조의 제작이 용이하다. 또한 촉매층의 두께를 조절하거나 CVD의 공정조건을 조절하여 구조의 공간이나 높이 또는 깊이의 조절이 가능하다. 그리고 응용적인 측면에서 공간적으로 형성된 구조를 다양한 반도체 공정 기술을 적용하여 MEMS등의 새로운 구조 제작에 적용이 가능하다.

몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 단지 넓은 발명을 예시하고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 배열에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 이는 다양한 다른 수정이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자 에게 일어날 수 있기 때문이다.

Claims

기판에 형성되는 소정의 적층에 의한 들뜬 구조를 형성하는 방법에 있어서,

상기 기판 상에 소정의 반응가스에 의해 체적팽창을 야기할 수 있는 부생성물을 발생하는 체적팽창 유발층을 형성하는 단계;

상기 적층에 들뜬 구조를 얻기 위한 소재 물질층을 형성하는 단계;

상기 적층에 상기 반응가스의 공급을 위한 홀을 형성하는 단계;

상기 홀을 통해 상기 반응가스를 공급하여 이에 접촉되는 체적팽창 유발층에 의해 발생되는 부생성물에 의해 상기 소재물질층이 국부적으로 들뜨게 하는 단계;

상기 홀을 통해 상기 부생성물을 제거하여 상기 소재 물질층의 들뜬 부분이 하부의 기판으로 부터 완전히 분리되도록 하는 단계;를 포함하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성 방법.
제 1 항에 있어서,

체적팽창 유발층은 촉매층과 이에 접촉되는 비정질물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성방법.
제 2 항에 있어서,

상기 촉매층은 Ni, Fe, Co 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속인 것을 특징으로 하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 비정질물질은 비정질실리콘인 것을 특징으로 하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성방법.
제 1 항에 있어서,

상기 부생성물을 제거하는 과정은 소성과정 및 가스플라즈마에 의한 소결 중의 어느 하나로 수행되는 것을 특징으로 하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 반응가스는 일산화탄소와 수소가스의 혼합체인 것을 특징으로 하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성방법.
제 6 항에 있어서,

상기 반응가스는 CVD 방법에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성방법.
기판에 촉매층을 형성하는 단계;

상기 촉매층 상에 촉매층의 일부를 노출시키는 개구부를 가지는 비정질 물질층을 형성하는 단계;

상기 개구부를 통해 수소 및 탄화수소 가스를 포함하는 반응가스를 공급하여 상기 개구부의 둘레에서 상기 비정질 물질층과 촉매층의 사이에 비정질탄소를 생성축척시켜 소정의 탄소층을 형성함으로써 상기 비정질 물질층을 상기 기판으로 부터 상기 탄소층에 의해 들뜨게 하는 단계;

상기 개구부를 통해 상기 탄소층을 제거하여 상기 개구부 주위에서 상기 비정질 물질층을 국부적으로 기판으로 부터 들뜨게하는 단계;를 포함하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성방법.
제 8 항에 있어서,

상기 비정질물질층은 비정질실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성방법.
제 8 항에 있어서,

상기 촉매층은 Ni, Fe, Co 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속인 것을 특징으로 하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 탄소층을 제거하는 과정은 소성과정 및 가스플라즈마에의한 소결 중의 어느 하나로 수행되는 것을 특징으로 하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성방법.
제 8 항 내지 제 11 항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 반응가스는 일산화탄소와 수소가스의 혼합체인 것을 특징으로 하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성방법.
제 12 항에 있어서,

상기 반응가스는 CVD 방법에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 기판에서 들뜬 구조물의 형성방법.
기판에 캐소드 전극을 형성하는 단계;

상기 캐소드의 상면에 촉매금속층을 형성하는 단계;

상기 적층위에 소정 두께의 비정질 물질층을 형성하는 단계;

상기 비정질 물질층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;

상기 적층에 수직으로 홀을 형성하여 상기 촉매층 또는 캐소드의 표면을 국부적으로 노출시키는 단계;

상기 홀을 통해 수소 및 탄화수소 가스를 포함하는 반응가스를 공급하여 상기 홀의 둘레에서 상기 비정질 물질층과 그 하부 적층의 사이에 탄소층을 성장시켜 상기 비정질 물질층을 상기 기판으로부터 탄소층에 의해 들뜨게 하는 단계;

상기 홀을 통해 상기 탄소층을 제거하여, 상기 홀 주위에서 상기 비정질물질층 및 게이트 전극을 국부적으로 기판으로 부터 들뜨게하는 단계;를 포함하는 FED 에서 기판으로 부터 들뜬 구조의 게이트 전극의 제조방법.
제 14 항에 있어서,

상기 촉매금속층의 형성단계 이전에 상기 캐소드 전극 위에 상기 홀에 대응하는 더 바람직하게는 상기 홀과 동축 상에 위치하는 개구부를 가지는 소정 두께의 절연층을 형성하는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 FED 에서 기판으로 부터 들뜬 구조의 게이트 전극의 제조방법.
제 14 항에 있어서,

상기 촉매금속층은 Ni, Fe, Co 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속인 것을 특징으로 하는 FED 에서 기판으로 부터 들뜬 구조의 게이트 전극의 제조방법.
제 14 항에 있어서,

상기 비정질물질층은 비정질실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 FED 에서 기판으로 부터 들뜬 구조의 게이트 전극의 제조방법.
제 14항에 있어서,

상기 탄소층을 제거하는 과정은 소성과정 및 가스플라즈마에 의한 소결 중의 어느 하나로 수행되는 것을 특징으로 하는 FED 에서 기판으로 부터 들뜬 구조의 게이트 전극의 제조방법.
제 14 항 내지 제 18 항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 반응가스는 CVD 방법에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 FED 에서 기판으로 부터 들뜬 구조의 게이트 전극의 제조방법.
기판에 캐소드 전극을 형성하는 단계;

상기 캐소드 위에 소정 두께의 게이트 절연층을 형성하는 단계;

상기 게이트 절연층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;

상기 게이트 전극 상에 개구부를 가지는 소정 두께의 상부 절연층을 형성하는 단계;

상기 상부 절연층의 개구부의 바닥에 노출된 게이트 전극 상면에 촉매층을 형성하는 단계;

상기 적층 위에 소정 두께의 비정질 물질층을 형성하는 단계;

상기 비정질물질층 상에 제 2 게이트 전극을 형성하는 단계;

상기 제 2 게이트 전극에서 수직으로 하방으로 상기 개구부에 대응하는 홀을 형성하여 상기 촉매층 또는 캐소드의 표면을 국부적으로 노출시키는 단계;

상기 기판을 가열시키면서 상기 홀을 통해 수소 및 탄화수소 가스를 포함하는 반응가스를 공급하여 상기 홀의 둘레에서 상기 비정질 물질과 그 하부 적층의 사이에 탄소층을 성장시켜 상기 비정질 물질층을 상기 기판으로부터 탄소층에 의해 들뜨게 하는 단계;

상기 홀을 통해 상기 탄소층을 제거하여, 상기 홀 주위에서 상기 비정질물질층 및 게이트 전극을 국부적으로 기판으로 부터 들뜨게하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 FED 에서 기판으로 부터 들뜬 구조의 게이트 전극을 제조방법.
제 20 항에 있어서,

상기 촉매층은 Ni, Fe, Co 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속인 것을 특징으로 하는 FED 에서 기판으로 부터 들뜬 구조의 게이트 전극의 제조방법.
제 20 항에 있어서,

상기 비정질물질은 비정질실리콘인 것을 특징으로 하는 FED 에서 기판으로 부터 들뜬 구조의 게이트 전극의 제조방법.
제 20항에 있어서,

상기 탄소층을 제거하는 과정은 소성과정 및 가스플라즈마에의한 소결 중의 어느 하나로 수행되는 것을 특징으로 하는 FED 에서 기판으로 부터 들뜬 구조의 게이트 전극의 제조방법.
제 20 항 내지 제 23 항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 반응가스는 CVD 방법에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 FED 에서 기판으로 부터 들뜬 구조의 게이트 전극의 제조방법.
기판에 캐소드 전극을 형성하는 단계;

상기 캐소드 위에 소정 두께의 게이트 절연층을 형성하는 단게;

상기 게이트 절연층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;

상기 게이트 전극 상에 개구부를 가지는 소정 두께의 상부 게이트 절연층을 형성하는 단계;

상기 상부 게이트 절연층의 개구부의 바닥에 노출된 게이트 전극 상면에 촉매층을 형성하는 단계;

상기 적층 위에 소정 두께의 비정질 물질층을 형성하는 단계;

상기 비정질 물질층 상에 제 2 게이트 전극을 형성하는 단계;

상기 제 2 게이트 전극에서 수직으로 하방으로 상기 개구부에 대응하는 홀을 형성하여 상기 촉매층 또는 캐소드의 표면을 국부적으로 노출시키는 단계;

상기 기판을 가열시키면서 상기 홀을 통해 수소 및 탄화수소 가스를 포함하는 반응가스를 공급하여 상기 홀의 둘레에서 상기 비정질 물질층과 그 하부 적층의 사이에 탄소층을 성장시켜 상기 비정질 물질층을 상기 기판으로부터 탄소층에 의해 들뜨게 하는 단계;

상기 홀을 통해 상기 탄소층을 제거하여, 상기 홀 주위에서 상기 비정질 물질층 및 게이트 전극을 국부적으로 기판으로 부터 들뜨게하는 단계;

상기 홀과 상기 게이트의 상면에 포토레지스트를 공급하여 상기 홀 내에 포토레지스트를 주입하고 게이트의 상면에 소정 두께의 포토 레지스트 막을 형성하는 단계;

상기 홀 내에 위치하는 포토레지스트를 제거하는 단계;

상기 적층의 위로 부터 촉매물질의 성장시켜 상기 홀의 바닥에 노출된 캐소드의 상면에 CNT 성장용 촉매층을 형성하는 단계;

상기 적층의 위로 CNT 성분 물질을 증착하여 상기 홀 바닥의 촉매층에 CNT 구조물을 형성하는 단계;

상기 홀 바깥의 적층에 존재하는 포토레지스트를 제거하여 그 상부에 형성된 촉매 물질 등의 불필요 성분을 제거하는 단계;를 포함하는 들뜬 구조의 게이트 전극을 가지는 FED 소자의 제조 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 촉매층은 Ni, Fe, Co 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속인 것을 특징으로 하는 들뜬 구조의 게이트 전극을 가지는 FED 소자의 제조 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 비정질물질층은 비정질실리콘로 형성된 것을 특징으로 하는 들뜬 구조의 게이트 전극을 가지는 FED 소자의 제조 방법.
제 25항에 있어서,

상기 탄소층을 제거하는 과정은 소성과정 및 가스플라즈마에의한 소결 중의 어느 하나로 수행되는 것을 특징으로 하는 들뜬 구조의 게이트 전극을 가지는 FED 소자의 제조 방법.
제 25 항 내지 제 28 항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 반응가스는 CVD 방법에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 들뜬 구조의 게이트 전극을 가지는 FED 소자의 제조 방법.