KR100504782B1 - 전계 방출 소자 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 방출 소자에 관한 것으로, 특히 MIM(Metal Insulating Metal) 캐소드의 터널 산화막 특성 열화를 최소화하여 전계 방출 소자의 신뢰성과 수명을 연장하는데 적당하도록 한 전계 방출 소자 및 제조방법에 관한 것이다. 종래 전계 방출 소자는 이종 금속이 첨가된 알루미늄 합금으로 이루어진 하부 전극을 모재로 양극 산화 공정을 실시하여 터널 산화막을 형성하기 때문에 터널 산화막 내부에도 이종 금속 산화물이 포함되며, 그로인해 터널 산화막의 특성을 열화시키는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 하판 유리의 상부에 차례로 이종 금속을 첨가한 알루미늄 합금층과 순수 알루미늄층을 성막하고 패터닝하여 하부 전극층을 형성하는 단계와; 상기 순수 알루미늄층의 상부 일부를 포토레지스트 패턴으로 보호하고 상기 하부 전극을 산화시켜 양극 산화막을 형성한 후 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계와; 상기 단계로 인해 드러난 순수 알루미늄층을 모두 산화시켜 터널 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 및 제조방법을 제공함으로써 특성이 좋은 순수한 산화물을 터널 산화막으로 사용할 수 있어 소자의 신뢰성 및 수명이 개선되는 효과가 있다.

Description

전계 방출 소자 및 제조 방법{FIELD EMISSION DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 전계 방출 소자에 관한 것으로, 특히 MIM(Metal Insulating Metal) 캐소드의 터널 산화막 특성 열화를 최소화하여 전계 방출 소자의 신뢰성과 수명을 연장하는데 적당하도록 한 전계 방출 소자 및 제조방법에 관한 것이다.

다양한 표시 소자의 요구에 따라 표시 소자는 급속한 발전을 거듭해오고 있다. 최근에는 전계 방출(field emission)을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되면서, 크기 및 전력 소모를 감소시키면서도 높은 해상도를 제공할 수 있는 박막 디스플레이의 개발이 활발해지고 있다.

상기 전계 방출 소자는 다양한 형태로 연구되고 있는데, 그 중에서도 MIM(Metal Insulating Metal)을 전자 방출원으로 사용하는 전계 방출 소자는 마이크로 팁이나 카본 나노튜브를 전자 방출원으로 사용하는 전계 방출 소자에 비해 대면적 제작이 용이하고 공정이 간단한 장점이 있으므로 광범위하게 사용되고 있다.

상기 전계 방출 소자는 전자 방출원을 구비한 하판과 전자 방출원에 의해 발광하는 상판과, 상기 상판 및 하판을 지지하며 내부를 진공상태로 유지시키기위한 스페이서로 이루어져 있다.

여기서는 MIM을 전자 방출원으로 적용한 하판에 관해 논의하도록 한다.

MIM을 적용한 하판을 사용하는 전계 방출 소자는 대면적화가 용이하고 공정이 간단하다는 장점을 가지고 있지만, 그 수명은 하부 전극과 상부 전극 사이의 터널 산화막에 의해 좌우된다. 상기 터널 산화막의 두께는 일반적으로 100Å 정도이며, 상기 터널 산화막의 손실은 전체 패널의 수명과 밀접한 관계가 있다.

상기 터널 산화막은 주로 알루미늄으로 이루어진 하부 전극을 양극 산화하여 형성하는데, 신뢰성 문제를 야기하는 전자이동(electromigration), 힐록(hilllock)의 방지를 위해 순수 알루미늄에 수%의 이종 금속(Nd, Ta등)을 첨가한 알루미늄 합금을 하부 전극 형성 물질로 사용한다.

종래에는 상기 터널 산화막을 생성하기위해 알루미늄 합금으로 이루어진 하부 전극을 모재로 사용했으며, 이와 같은 종래 전계 방출 소자 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1a 내지 도1g는 종래 전계 방출 소자 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 하판 유리(1)의 상부 일부에 알루미늄 합금으로 하부 전극(2)을 형성하는 단계(도1a)와; 상기 하부 전극(2)의 중앙부에 포토레지스트(PR) 패턴을 형성한 후, 노출된 하부전극(2)의 상부에 양극 산화막(3)을 형성하는 단계(도1b)와; 상기 포토레지스트(PR)를 제거하고, 노출되는 하부 전극(2)의 상부에 터널 산화막(4)을 형성하는 단계(도1c)와; 상기 구조의 상부전면에 필드 절연막(5)과 상부 전극버스(6)를 순차적으로 증착하고, 패터닝하여 상기 터널 산화막(4)과 양극 산화막(3)의 노출을 차단하는 단계(도1d)와; 상기 구조의 상부에 상부 절연막(7)을 증착하고, 그 상부 절연막(7)과 하부의 상부 전극버스(6)를 패터닝하여 터널 산화막(4)의 상부측 필드 절연막(5)을 노출시키는 단계(도1e)와; 상기 필드 절연막(5)을 식각함과 아울러 상기 상부 전극버스(6)의 측면을 과도 식각하는 단계(도1f)와; 상기 구조의 상부에 금속을 증착하여, 상기 상부 절연막(7)과 노출된 터널 산화막(4) 및 필드 산화막(5) 상에 최상부 전극(8, 9)을 형성하는 단계(도1g)로 제조된다.

이하, 상기와 같이 구성된 종래 전계 방출 소자 제조방법의 일실시예를 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 도1a에 도시한 바와 같이 하판 유리(1)의 상부 일부에 수%의 이종 금속(Nd, Ta등)이 첨가된 알루미늄 합금을 증착하고, 그 증착된 알루미늄 합금을 습식 식각하여 상기 하판 유리(1)의 상부 일부에 하부 전극(2)을 형성한다.

그 다음, 도1b에 도시한 바와 같이 상기 하부 전극(2)의 중앙부에 포토레지스트(PR) 패턴을 형성한 후, 노출된 하부 전극(2)을 양극 산화법으로 산화시켜 산화 알루미늄(알루미나)인 양극 산화막(3)을 형성한다.

그 다음, 도1c에 도시한 바와 같이 상기 포토레지스트(PR)를 제거하고, 그 포토레지스트(PR)의 제거로 노출되는 하부 전극(2)의 중앙 상부에 상기 알루미늄 합금으로 된 하부 전극(2)을 모재로 양극 산화하여 터널 산화막(4)을 형성한다.

그 다음, 도1d에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부 전면에 텅스텐과 알루미늄을 성막하여 필드 절연막(5)과 상부 전극버스(6)를 형성한다.

그 다음, 상기 형성된 필드 절연막(5)과 상부 전극버스(6)를 패터닝하여 개구부가 상기 터널 산화막(4)과 양극 산화막(3)의 상부측에만 선택적으로 위치하도록 한다.

그 다음, 도1e에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부에 실리콘 질화막(SiNx)을 증착하여 상부 절연막(7)을 형성한다.

그 다음, 그 상부 절연막(7)과 하부의 상부 전극버스(6)를 패터닝하여 터널산화막(4)의 상부측 필드 절연막(5)을 노출시킨다.

그 다음, 도1f에 도시한 바와 같이 상기 필드 절연막(5)을 식각함과 아울러 상기 상부 전극버스(6)의 측면을 과도 식각한다.

그 다음, 도1g에 도시한 바와 같이, 상기 구조의 상부에 Ir/Pt/Au를 증착하여, 상기 상부 절연막(7)과 노출된 터널 산화막(4) 및 필드 절연막(5) 상에 최상부 전극(8, 9)을 형성한다.

이와 같은 과정을 통해 제조된 전계 방출 소자의 하판, 즉 캐소드가 형성된다.

상기한 바와 같이 종래 전계 방출 소자는 이종 금속이 첨가된 알루미늄 합금으로 이루어진 하부 전극을 모재로 양극 산화 공정을 실시하여 터널 산화막을 형성하기 때문에 터널 산화막 내부에도 이종 금속 산화물이 포함되며, 그로인해 터널 산화막의 특성을 열화시키는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 이종 금속이 첨가된 알루미늄 합금층 상부에 양극 산화 공정을 위한 순수 알루미늄 층을 부가하여 하부 전극을 형성하고, 상기 순수 알루미늄 층을 양극산화하여 터널 산화막을 형성함으로써 전계 방출 소자의 신뢰성과 수명을 연장시킬 수 있는 전계 방출 소자 및 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유리 기판 상부에 형성된 도전성 합금 하부 전극과; 상기 하부 전극의 상부 일부를 제외한 영역에 형성된 합금 산화층과; 상기 합금 산화층 및 상기 제외된 하부 전극의 상부에 형성되며 상기 제외된 하부 전극 상에 형성된 부분이 터널 산화막의 역할을 하는 순수한 도전체 산화층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 이종 금속이 첨가된 도전성 물질층 상부에 산화물 형성을 위한 상기 물질과 동일한 순수한 도전성 물질층을 성막하여 하부 전극을 형성하는 단계와; 상기 순수한 도전성 물질층을 산화하여 터널 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 순수한 도전성 물질층은 터널 산화막을 형성하기위해 산화시킬 두께로 성막되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 하판 유리의 상부에 차례로 이종 금속을 첨가한 알루미늄 합금층과 순수 알루미늄층을 성막하고 패터닝하여 하부 전극을 형성하는 단계와; 상기 순수 알루미늄층의 상부 일부를 포토레지스트 패턴으로 보호하고 상기 하부 전극을 산화시켜 양극 산화막을 형성한 후 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계와; 상기 단계로 인해 드러난 순수 알루미늄층을 산화시켜 터널 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도2a 내지 도2g는 본 발명 전계 방출 소자의 제조공정 수순 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 하판 유리(11)의 상부에 차례로 이종 금속을 첨가한 알루미늄 합금층(12)과 순수 알루미늄층(13)을 성막하여 하부 전극층을 형성하는 단계(도 2a)와; 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 하부 합금 전극층(12) 및 하부 알루미늄 전극층(13)을 습식 식각하는 단계(도 2b)와; 상기 하부 알루미늄 전극층(13)의 상부 일부를 포토레지스트 패턴으로 보호한 후 상기 하부 전극층(12,13) 상단에 양극 산화막(14, 15)을 형성한 후 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계(도 2c)와; 상기 드러난 하부 알루미늄 전극층(13)을 양극 산화하여 터널 산화막을 형성하는 단계(도 2d)와; 상기 형성된 구조물 상부 전면에 차례로 필드 절연막(16) 그리고 상부 전극(17)을 형성하고 습식 식각으로 패터닝한 후 그 전면에 상부 절연막(18)을 형성하는 단계(도 2e)와; 상기 형성된 상부 절연막(18), 상부 전극(17), 그리고 필드 절연막(16)을 패터닝하여 개구부를 형성하는 단계(도 2f)와; 상기 구조물 상부 전면에 최상부 전극(19)을 형성하는 단계(도 2g)로 구성된다.

이하, 상기와 같은 구성의 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이 하판 유리(11)의 상부에 차례로 이종 금속을 첨가한 알루미늄 합금층(12)과 순수 알루미늄층(13)을 성막하여 하부 전극층을 형성한다. 상기 하판 유리(11)는 실리콘 기판과 같은 표면 거칠기를 가지는 것이 유리하다. 상기 하판 유리(11)의 상부에 무선 마그네트론 스퍼터링(Rf Magnetron Sputtering) 또는 화학 기상 증착 방법으로 이종 금속(Nd, Ta 등)이 수% 첨가된 알루미늄 합금 박막을 0.1~0.5㎛ 두께로 성막하여 하부 합금 전극(12)층을 형성하고, 그 상부에 역시 무선 마그네트론 스퍼터링 또는 화학 기상 증착 방법으로 순수한 알루미늄 박막을 적절히 성막하여 하부 알루미늄 전극(13)층을 형성한다. 상기 순수한 알루미늄 박막은 이후 터널 산화막을 양극 산화로 형성하기위해 필요한 모재로 사용하기위해 부가하는 것으로, 터널 산화막 형성에 필요한 모재만큼의 두께로 증착되어야 한다.

그 다음, 도 2b에 도시한 바와 같이 포토레지스트를 스핀 코팅하고 노광 및 현상한 후 하부 알루미늄 전극(13) 및 하부 합금 전극(12)을 식각하는데 질산, 인산, 초산의 혼합용약을 이용하여 습식 식각한다.

그 다음, 도 2c에 도시한 바와 같이 포토레지스트 패턴을 상기 하부 알루미늄 전극(13)의 상부 중앙, 즉 이후 터널 산화막이 형성될 부분에 적용하여 해당 부분의 하부 알루미늄 전극(13)을 보호한 후 양극 산화를 통해 드러난 하부 합금 전극(12)의 측면 및 하부 알루미늄 전극(13)의 드러난 상부에 양극 산화막(14, 15)을 약 100nm 두께로 형성하고 포토레지스트 패턴을 제거 한다. 상기 양극 산화막(14, 15)은 하부 알루미늄 전극(13)의 드러난 상부와 그 하부 및 측면의 하부 합금 전극(12)을 모재로 형성된다. 그로 인해 순수 알루미늄을 모재로 하는 양극 산화막(15)의 위치는 그 하부까지 투과되는 산소 이온으로 생성된 양극 산화막(14)에 의해 상승하게 된다.

상기 양극 산화는 인산 또는 옥살산 용액 중에서 알루미늄 합금/순수 알루미늄(12, 13)이 증착된 시편을 양극으로 하고, 백금을 반대편 음극으로 하여 양단에 약 30~160V의 직류 전압을 가하는 것으로 알루미늄을 산화시켜 Al₂O₃의 양극 산화막(14, 15)을 형성한다. 물론, 알루미늄 합금의 경우 혼합된 수%의 이종 금속에 대한 산화물이 양극 산화막 일부(14)에 포함된다.

그 다음, 도 2d에 도시한 바와 같이 상기 포토레지스트 패턴에 의해 보호된 순수한 알루미늄(13)을 시편으로 하여 양극 산화를 실시하여 터널 산화막을 형성한다. 상기 양극 산화는 인산 또는 옥살산 용액 중에서 순수한 알루미늄(13) 시편을 양극으로 하고, 백금을 반대편 음극으로 하여 양단에 약 30~160V의 직류 전압을 가하는 것으로 알루미늄을 산화시켜 Al₂O₃의 터널 산화막을 형성한다. 상기 터널 산화막이 순수한 알루미늄 전극(13)층을 모재로 형성되므로 상기 순수한 알루미늄 전극(13)은 모두 순수한 알루미나로 변화하여 특성이 좋은 터널 산화막이 되며, 그 하부에 존재하는 하부 합금 전극(12)은 전자이동 및 힐록을 방지하여 신뢰성을 그대로 유지하게 된다. 상기 공정을 통해 순수한 알루미늄층은 더이상 존재하지 않는다.

그 다음, 도 2e에 도시한 바와 같이 무선 마그네트론 스퍼터링 또는 화학 기상 증착 방법으로 SiO₂, SiNx 등의 필드 절연막(16)과 알루미늄 상부 전극(17)을 각각 10~50nm, 100~500mm 두께로 증착하고, 포토레지스트 패턴을 통해 상부 전극(17)과 필드 절연막(16)을 식각하는데, 알루미늄 상부 전극(17)은 인산, 질산, 초산의 혼합용액으로 습식 식각한다. 그 다음 그 상부 전면에 상부 절연막(18)을 성막하는데, 무선 마그네트론 스퍼터링 또는 화학 기상 증착 방법으로 SiO₂를 100~500nm 두께로 증착한다.

그 다음, 도 2f에 도시한 바와 같이 포토레지스트 패턴을 이용하여 상부 절연막(18)을 CF₄ 와 O₂의 혼합 분위기에서 반응성 이온 식각(RIE)하여 개구부를 형성하고, 드러난 상부 전극(17)을 인산, 질산, 초산의 혼합용액으로 습식 식각하여 개구부를 형성한 후 필드 산화막(16)의 일부를 CF₄ 와 O₂의 혼합 분위기에서 반응성 이온 식각(RIE)하여 개구부를 형성한다.

그 다음, 도 2g에 도시한 바와 같이 무선 마그네트론 스퍼터링 또는 화학 기상 증착 방법으로 최상부 전극(19)을 증착하는데, 상기 최상부 전극(19)은 Ir, Pt, Au의 연속막을 사용한다.

전술한 방법을 통해 전계 방출 소자의 신뢰성과 수명에 직접적으로 영향을 미치는 터널 산화막을 순수한 알루미나로 형성할 수 있으며, 순수한 알루미나 형성의 모재가되는 순수한 알루미늄은 산화 공정에서 모두 알루미나로 변환되기 때문에 하부 전극은 알루미늄 합금 만으로 형성되어 전자 이동이나 힐록과 같이 신뢰성을 저하시킬 수 있는 현상을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 도전성 물질로 알루미늄을 예로 들어 설명하고 있지만, 알루미늄이 아닌 다른 도전성 물질을 이용하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있다는 것은 당 업자들에게 명백하다.

상기한 바와 같이 본 발명 전계 방출 소자 및 제조 방법은 이종 금속이 첨가된 도전성 물질층 상부에 산화물 형성을 위한 순수한 도전성 물질층을 성막하여 하부 전극을 형성한 후, 상기 순수한 도전성 물질층을 산화하여 터널 산화막을 형성하도록 함으로써 특성이 좋은 순수한 산화물을 터널 산화막으로 사용할 수 있어 소자의 신뢰성 및 수명이 개선되는 효과가 있다.

도1a 내지 도1g는 종래 전계 방출 소자의 제조공정 수순단면도.

도2a 내지 도2g는 본 발명 전계 방출 소자의 제조공정 수순단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

11:하판 유리 12:하부 합금 전극

13:하부 알루미늄 전극 14:합금 양극 산화막

15:알루미늄 양극 산화막 16:필드 절연막

17:상부 전극 18:상부 절연막

19:최상부 전극

Claims (4)

1. 유리 기판 상부에 형성된 도전성 합금 하부 전극과;

   상기 하부 전극의 상부 일부를 제외한 영역에 형성된 합금 산화층과;

   상기 합금 산화층 및 상기 제외된 하부 전극의 상부에 형성되며 상기 제외된 하부 전극 상에 형성된 부분이 터널 산화막의 역할을 하는 순수한 도전체 산화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
2. 이종 금속이 첨가된 도전성 물질층 상부에 산화물 형성을 위한 상기 물질과 동일한 순수한 도전성 물질층을 성막하여 하부 전극을 형성하는 단계와; 상기 순수한 도전성 물질층을 산화하여 터널 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 제조 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 순수한 도전성 물질층은 터널 산화막을 형성하기위해 산화시킬 두께로 성막되는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 제조 방법.
4. 하판 유리의 상부에 차례로 이종 금속을 첨가한 알루미늄 합금층과 순수 알루미늄층을 성막하고 패터닝하여 하부 전극을 형성하는 단계와;

   상기 순수 알루미늄층의 상부 일부를 포토레지스트 패턴으로 보호하고 상기 하부 전극을 산화시켜 양극 산화막을 형성한 후 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계와;

   상기 단계로 인해 드러난 순수 알루미늄층을 산화시켜 터널 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 제조 방법.