KR100511257B1 - 전계방출소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계방출소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 MIM(Metal Insulating Metal) 일반 오버행막들의 소재를 변경하여 에미터로부터 방출되는 전자빔의 퍼짐을 방지하도록 하는데 적당하도록 한 전계방출소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 종래 전계방출소자는 스페이서에 축적되는 전하에 의해 방출된 전자빔이 퍼지게되고, 이로 인해 고해상도 및 고휘도 소자의 제조가 어려워지며, 이를 방지하기위해 전자 방출부와 형광체 거리가 근접하도록 구성하면 고전계에 의한 아킹이 발생하게 되는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 터널 산화막 상부에 형성된 전자 방출을 위한 최상부 전극 에미터와; 상부 데이터 전극 상부에 위치하며 절연성막이 하부 과다 식각층으로 형성되고 그 상부가 도전성막으로 형성된 오버행 구조물과; 상기 오버행 구조물의 도전성막 상부에 형성되며 터널 산화막 상부의 최상부 전극과는 전기적으로 절연된 최상부 전극 주변 에미터를 포함하는 전계방출소자와 이를 제조하는 방법을 제공함으로써 상부 오버행 도전성 전극에 부극성(-) 전압을 인가하여 방출되는 전자빔의 포커스를 조절할 수 있도록 하여 공정의 복잡한 변경 없이도 혼색 없는 고해상도를 구현하는 것은 물론이고 빔의 밀도를 증가시켜 고휘도를 달성할 수 있는 효과가 있다.

Description

전계방출소자 및 그의 제조방법{FIELD EMISSION DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 전계방출소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 MIM(Metal Insulating Metal) 일반 오버행막들의 소재를 변경하여 에미터로부터 방출되는 전자빔의 퍼짐을 방지하도록 하는데 적당하도록 한 전계방출소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

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

박막 전계방출소자는 진공 속의 금속 또는 도체 표면상에 고전계가 인가될때 전자들이 금속 또는 도체로부터 진공으로 나오는 양자역학적 터널링 현상을 이용한다. 박막 전계방출소자는 전자를 공급하는 하부전극과 전자가 터널링하는 절연막, 그리고 절연막에 전계를 인가하기위한 최상부 전극으로 이루어진 금속-절연막-금속(Metal Insulating Metal:MIM) 구조이다.

도 1은 종래 전계방출소자의 단면도를 나타낸 것으로, 도시한 바와 같이 소자의 하판(캐소드)(1~11)과 소자의 상판(애노드)(14,15) 사이는 진공영역이며, 이때, 진공영역의 유지를 위해 스페이서(12)와 프릿(Frit)(13)을 설치한다.

상기 구성된 전계방출소자의 하판을 제조하는 방법을 간략히 설명한 후, 하판의 에미터 영역으로 부터 방출되는 전자빔에 관해 설명하도록 한다.

먼저, 하판 유리(1)의 상부에 차례로 SiO와 SiNx를 증착하여 제 1버퍼막(2), 제 2버퍼막(3)을 형성한 후 그 상부에 알루미늄 박막을 증착하고, 이를 패터닝하여 하부 전극(4)을 형성한다.

그 다음, 상기 하부 전극(4)의 중앙부에 포토레지스트(PR) 패턴을 형성한 후, 노출된 하부 전극(4)의 상부에 양극 산화막(5)을 형성한다.

그 다음, 상기 포토레지스트(PR)를 제거하고, 노출되는 하부 전극(4)의 상부에 양극 산화를 통해 터널 산화막(6)을 박막으로 형성한다.

그 다음, 상기 구조의 상부 전면에 차례로 이중 절연막(7), 알루미늄 상부 데이터 전극(8), 제 1오버행막(9), 그리고 제 2오버행막(10)을 순차적으로 증착한 후 데이터 전극 버스를 형성하기위한 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 제 2오버행막(10), 제 1오버행막(9)을 건식 식각하고 상부 데이터 전극(8)을 습식 식각하여 데이터 전극 버스 패턴을 형성한다.

그 다음, 상기 제 2오버행막(10)과 제 1오버행막(9)을 전자 방출부 영역에 따라 건식 식각하여 개구부를 형성하면, 제 1오버행막(9)의 식각 속도가 제 2오버행막(10)보다 빠르기 때문에 오버행 구조가 형성된다. 이를 통해 전자방출원으로 동작하는 최상부 전극(11)을 터널 산화막(6) 상부에 형성되는 것과 오버행막(10) 상부에 형성되는 것으로 분리하게 된다.

상기와 같이 형성되는 오버행 구조를 일반 오버행(normal overhang)구조라 하며, 상부 데이터 전극(8)과 오버행 상부에 위치하는 최상부 전극(11) 간을 절연하게 된다.

그 다음, 노출된 상부 데이터 전극(8)을 습식 식각하고 그 하부의 이중 절연막(7)을 건식 식각하여 전자 방출 개구부를 형성하면서 하부 터널 산화막(6)을 노출 시킨다.

그 다음, 이전 공정에 의한 터널 산화막(6)의 손상을 복구하기 위해서 상기 터널 산화막(6)을 에치백(etchback) 및 재산화한 후 형성된 구조물 상부 전면에 Ir/Pt/Au를 증착하여 최상부 전극(11)을 형성한다.

상기와 같은 방법을 통해 전계방출소자의 하판을 형성하고, 상판 유리(14)에 형광체(15)를 형성하여 상판을 제작한다.

이후, 상기 하판에 스페이서(12)를 장착하고 진공 기밀을 유지하기위해 프릿(Frit)(13)을 설치한 후 상판을 결합하고 내부 공기를 제거하여 내부를 진공 상태로 만든다.

상기와 같이 만들어진 전계방출소자의 하부전극(4)과 상부전극(8, 11)에 전계를 걸어주면 전자가 방출되는데, 상기 전자빔은 도 1에 도시된 바와 같이 진공중에 퍼지면서 상부 형광체(15)로 진행하게 된다. 이론적으로 MIM 전계 방출소자는 자기 포커싱(self-focusing) 특성에 의해 방출되는 전자빔이 수직방향으로 가속되여 형광체(15)에 도달해야 하지만 실질적으로는 빔퍼짐이 관측된다. 이러한 빔의 퍼짐은 스페이서(12)에 축적되는 전하에 의해 발생되는데, 비록 스페이서(12)에 전극을 연결하여 축적되는 전하를 소모시킨다 할지라도 빔의 진행 방향에 영향을 미치게 된다.

예를 들어, 하판의 에미터(터널 산화막 상부의 최상부 전극)에서 애노드 전극에 위치한 형광체(13)까지의 거리가 2mm일때 빔퍼짐은 120㎛정도이다. 이러한 빔퍼짐을 방지하기위해 에미터와 형광체간의 거리를 좁히고 있지만, 에미터와 애노드간의 거리가 가까워질수록 고전계에 의한 아킹이 발생하기 쉽다.

상기와 같이 구성된 전계발광소자는 그 하판에 있어 오버행 구조를 이용하는데, 오버행을 통해 에미터와 주변 에미터를 전기적으로 절연하거나 연결하게 되는데, 전기적인 절연을 위해서는 일반 오버행(Normal Overhang) 구조를 사용하고, 전기적인 연결을 위해서는 측면 오버행(Side Overhang) 구조를 사용한다. 이러한 오버행 구조는 다층의 적층으로 구성될 수 있고 단층으로 구성될 수 있다.

이러한 오버행의 구조를 알아보도록 한다.

도 2a 내지 도 2d는 종래 사용되는 오버행의 구조들로서, 일반 오버행과 측면 오버행의 구조들을 보이고 있다.

도 2a는 일반 오버행으로서, 에미터(터널 산화막 상부에 위치한 최상부 전극)와 주변 에미터(오버행막 상부에 위치한 최상부 전극)를 절연하기위한 구조로서 전도성막과 절연막으로 이루어진 오버행 구조를 도시하고 있다. 이는 오버행막 식각 시 각 막에 대한 식각 속도를 상이하도록 하여 식각하여 형성하는 것으로, 상부에 위치한 절연막으로 인해 에미터와 주변 에미터의 절연이 이루어진다.

도 2b 역시 일반 오버행 막으로서, 오버행 구조를 이루는 층들이 모두 절연막으로 형성된 것이다. 상기 절연막들은 서로 식각비가 상이하여 하부에 위치한 절연막의 식각 속도가 빠르다.

도 2c는 측면 오버행 구조로서, 에미터와 주변 에미터가 전기적으로 연결되는 부분에 사용된다. 전기적으로 연결되므로 전도성막을 직접 사용해도 된다.

도 2d 역시 측면 오버행 구조로서, 에미터와 주변 에미터가 전기적으로 연결되는 부분에 사용되며, 여기서는 절연성막으로 형성된다.

상기와 같이 종래에 사용되는 오버행막의 구조 중에서 일반 오버행막의 구조들은 상부층이 모두 절연막으로 되어 있다.

상기한 바와 같이 종래 전계방출소자는 스페이서에 축적되는 전하에 의해 방출된 전자빔이 퍼지게되고, 이로 인해 고해상도 및 고휘도 소자의 제조가 어려워지며, 이를 방지하기위해 전자 방출부와 형광체 거리가 근접하도록 구성하면 고전계에 의한 아킹이 발생하게 되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 오버행 구조를 형성하는 적층막의 구성 소자를 변경하는 것으로 에미터 역할을 하는 최상부 전극과 오버행 구조 상부에 위치하는 최상부 전극의 절연을 유지하면서도 전자빔의 포커스를 조절할 수 있는 부극성 전극을 오버행 구조에 포함시킨 전계방출소자 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명은, 터널 산화막 상부에 형성된 전자 방출을 위한 최상부 전극 에미터와; 상부 데이터 전극 상부에 위치하며 절연성막이 하부 과다 식각층으로 형성되고 그 상부가 도전성막으로 형성된 오버행 구조물과; 상기 오버행 구조물의 도전성막 상부에 형성되며 터널 산화막 상부의 최상부 전극과는 전기적으로 절연된 최상부 전극 주변 에미터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 오버행 구조물 상부에 형성된 최상부 전극 주변 에미터 및 이와 전기적으로 접촉된 오버행 구조물의 도전성막은 부극성 전압을 제공하는 전원과 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 터널 산화막 및 절연막 상에 형성된 상부 데이터 전극 상부에 절연막을 형성하는 단계와; 상기 절연막 상부에 부극성 전압을 제공하기위한 도전성막을 형성하는 단계와; 상기 절연막과 도전성막을 식각하여 일반 오버행 구조를 형성하는 단계와; 상기 오버행 구조에 의해 노출된 하부 막들을 식각하여 전자 방출 개구부를 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부 전면에 최상부 전극을 성막하여 개구부 내부와 개구부 외부에 형성되는 최상부 전극이 단차로 인해 서로 절연되도록 하면서 오버행 구조의 상부 도전성막과 그 상부에 잔류하는 최상부 전극 물질이 개구부를 둘러싸도록 하는 단계와; 상기 오버행 구조의 상부 도전성막에 부극성 전압을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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

먼저, 본 발명에서 사용할 오버행 구조를 설명하고, 이를 적용하는 일 실시예의 제조 수순을 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에서 사용할 오버행 구조로서, 최상부 전극의 증착에 의해 생성되는 에미터와 주변 에미터를 절연시키는데 사용하기위한 일반 오버행 구조이다.

도시한 바와 같이 적층막으로 이루어지고, 하부 층이 과다 식각되어 단층을 형성하는 구조적 측면은 종래와 동일하지만, 그 구성 성분이 상부층이 도전성막으로 되어 있고, 하부층이 절연막으로 이루어졌다는 것에서 종래와 상이하다.

상기 도전성막의 식각 속도가 느리고 절연막의 식각 속도가 빠른 식각 가스를 이용하여 형성해야 한다는 제조상의 변경이 요구되며, 상기 도전성막에 부극성 전원을 인가해야 한다는 동작상의 변화가 요구된다.

상기 도전성막은 이후 증착되는 최상부 전극의 주변 에미터와 연결되며, 이를 통해 부극성 전원을 인가하게 되면 전자빔이 방출되는 전자 방출 개구부를 둘러싼 부극선 전계를 형성할 수 있게 된다. 이를 통해 빔의 퍼짐 각도를 조절하여 포커스를 형광체로 집중할 수 있게 된다.

본 발명의 상이한 구성을 가진 오버행 구조를 적용한 일 실시예의 제조 수순을 단계적으로 설명하도록 한다.

도4a 내지 도4g는 본 발명 전계방출소자 일 실시예의 제조공정 수순단면도로서, 도시한 바와 같이 하판 유리(21)의 상부에 차례로 제 1버퍼막(22), 제 2버퍼막(23)을 형성한 후 그 상부 일부에 하부 전극(24)을 형성하는 단계(도4a)와; 상기 하부 전극(24)의 중앙부에 포토레지스트(PR) 패턴을 형성한 후, 노출된 하부전극(24)의 상부에 양극 산화막(25)을 형성하는 단계(도4b)와; 상기 포토레지스트(PR)를 제거하고, 노출되는 하부 전극(24)의 상부에 터널 산화막(26)을 형성하는 단계(도4c)와; 상기 구조의 상부 전면에 차례로 이중 절연막(27), 상부 데이터 전극(28), 제 1오버행막(29), 그리고 제 2오버행막(30)을 순차적으로 증착한 후 상기 제 2오버행막(30), 제 1오버행막(29)을 건식 식각하고 상부 데이터 전극(28)을 습식 식각하여 데이터 전극 버스 패턴을 형성하는 단계(도4d)와; 상기 제 2오버행막(30)과 제 1오버행막(29)을 전자 방출부 영역에 따라 식각하여 오버행 구조를 형성하는 단계(도4e)와; 상기 노출된 상부 데이터 전극(28)을 돌출된 일부만 노출시키며 습식 식각하고 그 하부의 이중 절연막(27)을 건식 식각하여 전자 방출 개구부를 형성하면서 하부 터널 산화막(26)을 노출 시키는 단계(도4f)와; 상기 터널 산화막(26)을 에치백(etchback) 및 재산화하여 터널 산화막(26)을 복구한 후 형성된 구조물 상부 전면에 최상부 전극(31)을 형성하는 단계(도4g)로 제조된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 전계방출소자 제조방법의 일실시예를 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이 하판 유리(21)의 상부에 차례로 SiO와 SiNx를 증착하여 제 1버퍼막(22), 제 2버퍼막(23)을 형성한 후 그 상부에 무선 마그네트론 스퍼터링 또는 화학 기상 증착 방법으로 알루미늄 박막을 증착하고, 이를 패터닝하여 하부 전극(24)을 형성한다.

그 다음, 도 4b에 도시한 바와 같이 상기 하부 전극(24)의 중앙부에 포토레지스트(PR) 패턴을 형성한 후, 노출된 하부 전극(24)의 상부에 양극 산화막(25)을 형성한다. 상기 양극 산화는 인산 또는 옥살산 용액 중에서 알루미늄 하부 전극(24) 시편을 양극으로 하고, 백금을 반대편 음극으로 하여 양단에 약 30~160V의 직류 전압을 가하는 것으로 알루미늄을 산화시켜 Al₂O₃의 양극 산화막(25)을 약 1000Å 정도 형성한다.

그 다음, 도 4c에 도시한 바와 같이 상기 포토레지스트(PR)를 제거하고, 노출되는 하부 전극(24)의 상부에 양극 산화를 통해 터널 산화막(26)을 박막으로 형성한다. 이 경우 양극 산화 전력을 약 10V 정도로 사용하며 100Å 정도 형성한 Al₂O₃ 터널 산화막(26)은 대단히 얇기 때문에 공정중 손상의 위험이 많으며, 그로인해 절연이 파괴되는 경우가 발생하게 된다.

그 다음, 도 4d에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부 전면에 차례로 이중 절연막(27), 알루미늄 상부 데이터 전극(28), 절연성 제 1오버행막(29), 그리고 도전성 제 2오버행막(30)을 순차적으로 증착한 후 데이터 전극 버스를 형성하기위한 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 도전성 제 2오버행막(30), 절연성 제 1오버행막(29)을 건식 식각하고 상부 데이터 전극(28)을 습식 식각하여 데이터 전극 버스 패턴을 형성한다.

상기와 같이 본 발명에서는 하부에 위치하는 제 1오버행막(29)으로 절연막을 사용한다. 이를 이용하여 상부 데이터 전극(28)과 그 상부에 형성되는 제 2오버행막(30)을 절연하게 된다. 상기 제 2오버행막(30)은 도전성 물질로 형성하며, 일반적인 오버행의 상부 적층막과는 그 용도가 상이한 전계 제공층이므로 제공할 부전압에 의한 전계를 형성하기에 알맞은 두께로 형성한다. 상기 절연성 제 1오버행막(29)은 상기 도전성 제 2오버행막(30)에 비해 식각 속도가 빠른 것이 바람직하다.

그 다음, 도 4e에 도시된 바와 같이 상기 도전성 제 2오버행막(30)과 절연성 제 1오버행막(29)을 전자 방출부 영역에 따라 건식 식각하여 개구부를 형성하는데, 동일한 식각 환경에서 상기 제 2오버행막(30)과 제 1오버행막(29)을 동시에 식각하는 경우 식각 비율이 틀리게 되어 절연성 제 1오버행막(29)이 과다 식각된다. 혹은 상이한 식각 단계를 통해 각각 식각할 수 있으며, 이 경우에도 절연성 제 1오버행막(29)이 제 2오버행막(30)보다 더 식각되도록 한다.

그 다음, 도 4f에 도시된 바와 같이 상기 노출된 상부 데이터 전극(28)을 습식 식각하고 그 하부의 이중 절연막(27)을 건식 식각하여 전자 방출 개구부를 형성하면서 하부 터널 산화막(26)을 노출 시킨다.

그 다음, 도 4g에 도시된 바와 같이 선행 공정에 의한 터널 산화막(26)의 손상을 복구하기 위해서 상기 터널 산화막(26)을 에치백(etchback)하여 손상된 부분을 제거하고 하부 전극(24)을 시편으로 양극 산화하여 터널 산화막(26)을 복구한 다음, 구조물 상부 전면에 Ir/Pt/Au를 증착하여 최상부 전극(31)을 형성한다.

이후, 상기 제조된 하판을 이용하여 전계발광소자를 형성하고, 이를 구동시키면서 상기 도전성 제 2오버행막(30)에 부극성(-) 전압을 적절히 인가한다. 상기 제 2오버행막(30)은 전자 방출 개구부를 둘러싸면서 형성되어 있으므로 개구부의 하부 에미터로부터 방출되는 전자빔은 상기 제 2오버행막(30)으로 둘러싸여진 부분을 지나게 된다. 이 경우 인가된 부극성 전계에 의해서 전자빔이 반발하여 중심으로 모이게 된다. 그에 따라 에미터와 형광체의 거리가 정해지면 인가하는 부극성 전압에 따라 전자빔의 도달 포커스 조절이 가능해 진다.

상기한 바와 같이 본 발명 전계방출소자는 오버행 적층 구조를 하부층을 절연층으로 하고 상부층을 도전층으로하여 형성한 후 상부 오버행 도전성 전극에 부극성(-) 전압을 인가하여 방출되는 전자빔의 포커스를 조절할 수 있도록 함으로써 공정의 복잡한 변경 없이도 혼색 없는 고해상도를 구현하는 것은 물론이고 빔의 밀도를 증가시켜 고휘도를 달성할 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래 전계방출소자의 구조를 보인 단면도.

도2a 내지 도2d는 종래 오버행 구조들을 보인 단면도.

도3은 본 발명 오버행 구조를 보인 단면도.

도4a 내지 도4g는 본 발명 전계방출소자의 제조공정 수순단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

21:하판유리 22:제 1버퍼막

23:제 2버퍼막 24:하부 전극

25:양극 산화막 26:터널 산화막

27:이중 절연막 28:상부 데이터 전극

29:제 1오버행막 30:제 2오버행막

31:최상부 전극

Claims (4)

1. 터널 산화막 상부에 형성된 전자 방출을 위한 최상부 전극 에미터와;

   상부 데이터 전극 상부에 위치하며 절연성막이 하부 과다 식각층으로 형성되고 그 상부가 도전성막으로 형성된 오버행 구조물과;

   상기 오버행 구조물의 도전성막 상부에 형성되며 터널 산화막 상부의 최상부 전극과는 전기적으로 절연된 최상부 전극 주변 에미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 오버행 구조물 상부에 형성된 최상부 전극 주변 에미터 및 이와 전기적으로 접촉된 오버행 구조물의 도전성막은 부극성 전압을 제공하는 전원과 연결되는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
3. 터널 산화막 및 절연막 상에 형성된 상부 데이터 전극 상부에 절연막을 형성하는 단계와;

   상기 절연막 상부에 부극성 전압을 제공하기위한 도전성막을 형성하는 단계와;

   상기 절연막과 도전성막을 식각하여 일반 오버행 구조를 형성하는 단계와;

   상기 오버행 구조에 의해 노출된 하부 막들을 식각하여 전자 방출 개구부를 형성하는 단계와;

   상기 구조물 상부 전면에 최상부 전극을 성막하여 개구부 내부와 개구부 외부에 형성되는 최상부 전극이 단차로 인해 서로 절연되도록 하면서 오버행 구조의 상부 도전성막과 그 상부에 잔류하는 최상부 전극 물질이 개구부를 둘러싸도록 하는 단계와;

   상기 오버행 구조의 상부 도전성막에 부극성 전압을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 절연막은 도전성막에 비해 빠른 식각 속도를 가지며, 이들을 동시에 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조 방법.