KR100546581B1 - Fabrication Method of Field Emission Device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저전압 구동이 가능한 전계방출소자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a field emission device capable of low voltage driving.

본 발명의 전계방출소자 제조방법은 임의의 기판 위에 음극과 구조물 박막을 적층하는 단계와, 하드마스크 패턴을 이용하여 구조물 박막을 경사지게 에칭하여 구조물을 형성하는 단계와, 이미터박막을 성막하는 단계와, 하드마스크 패턴을 제거하는 단계와, 절연막과 게이트막을 순차적으로 성막하는 단계와, 구조물 위의 절연막과 게이트막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method of manufacturing a field emission device of the present invention comprises the steps of: stacking a cathode and a structure thin film on an arbitrary substrate; forming a structure by inclining the structure thin film using a hard mask pattern; and forming a emitter thin film; Removing the hard mask pattern, sequentially forming the insulating film and the gate film, and removing the insulating film and the gate film on the structure.

본 발명에 의하면, 구조물 식각에 사용된 하드마스크를 제거한 후 절연막과 게이트막을 증착함으로써 이미터와 게이트간의 거리를 최소화할 수 있으므로 구동전압을 감소시킬 수 있게 된다. According to the present invention, the distance between the emitter and the gate can be minimized by removing the hard mask used for etching the structure and then depositing the insulating film and the gate film, thereby reducing the driving voltage.

Description

전계방출소자의 제조방법 {Fabrication Method of Field Emission Device} Fabrication Method of Field Emission Device {Fabrication Method of Field Emission Device}             

도 1은 전계방출디스플레이의 기본구조를 나타내는 단면도.1 is a cross-sectional view showing the basic structure of the field emission display.

도 2는 종래의 스핀트법에 의해 제조된 팁 형상의 전계방출소자에 대한 단면도.2 is a cross-sectional view of a tip-shaped field emission device manufactured by a conventional spin method.

도 3은 종래의 화산형 전계방출소자에 대한 단면도.3 is a cross-sectional view of a conventional volcanic field emission device.

도 4는 도 3에 도시된 화산형 전계방출소자의 제조방법을 단계적으로 나타내는 단면도.4 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing the volcanic field emission device shown in FIG.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전계방출소자의 제조방법을 단계적으로 나타내는 단면도.5 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a field emission device in accordance with an embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명><Brief description of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 하부기판 12 : 음극10: lower substrate 12: cathode

14 : 이미터 팁 16, 16A : 절연막14 emitter tip 16, 16A insulating film

18, 18A : 게이트막 20 : 상부기판18, 18A: gate film 20: upper substrate

22 : 양극 24 : 형광체22: anode 24: phosphor

26 : 진공상태의 공간 28 : 전자26: vacuum space 28: electron

30 : 가시광 32, 32B : 구조물30: visible light 32, 32B: structure

32A : 구조물 박막 34, 34A : 이미터박막32A: structure thin film 34, 34A: emitter thin film

36 : 하드마스크 패턴36: hardmask pattern

본 발명은 전계방출 디스플레이나 기타 진공중에서의 전자방출을 위해 이용되는 전계방출소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 저전압 구동이 가능한 전계방출소자의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a field emission device used for field emission display or other electron emission in vacuum, and more particularly to a method for manufacturing a field emission device capable of low voltage driving.

오늘날, 멀티미디어(Multimedia)의 발달과 함께 중요한 역할을 담당하는 디스플레이(Display)에 대한 관심과 그 중요성이 증가하고 있다. 이에 부응하여 액정디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP) 등과 같은 여러 가지의 평면형 디스플레이가 개발되어 실용화되고 있다. 그러나, 이들은 시야각, 고속응답, 고휘도, 고정세, 소비전력, 박형 등의 관점에서 아직까지 만족스러운 디스플레이를 얻을 수 없으며 박형, 중량, 소비전력 등과 같은 문제를 제외하면 현재로는 음극선관(CRT)이 가장 이상적인 디스플레이에 가깝다.Today, with the development of multimedia, the interest and importance of the display (play), which plays an important role, is increasing. In response to this, various flat panel displays, such as liquid crystal displays (LCDs) and plasma display panels (PDPs), have been developed and put into practical use. However, they have not yet achieved a satisfactory display in terms of viewing angle, high-speed response, high brightness, high definition, power consumption, and thinness. Currently, except for problems such as thinness, weight, and power consumption, cathode ray tube (CRT) This is close to the ideal display.

최근, 차세대 디스플레이로 주목을 받고 있는 전계방출 디스플레이(Field Emission Display; 이하, FED라 한다)는 음극선관(CRT)과 동일하게 전자선에 의한 형광체 발광을 이용하고 있다. 이에 따라, FED는 음극선관(CRT)의 뛰어난 특성을 유지하면서도 화상의 뒤틀림이 없이 저소비전력의 평면형 디스플레이로 구현될 수 있는 가능성이 높다. 일반적으로, FED는 종래의 진공관과 같이 3극관이지만 열음극(Hot Cathode)을 이용하지 않고 첨예한 음극 즉, 이미터(Emitter)에 고전계를 집중하여 양자역학적인 터널(Tunnel) 효과에 의해 전자를 방출하는 냉음극을 이용하고 있다. 그리고, 이미터로부터 방출된 전자는 양극 및 음극간에 인가된 전압에 의해 가속되어 양극에 형성된 형광체막에 충돌됨으로써 형광체를 발광시키게 된다. 다시 말하여, 전자충돌에 의해 형광체를 발광시킨다는 점에서 음극선관(CRT)과 같은 원리이다. In recent years, field emission displays (hereinafter referred to as FEDs), which are attracting attention as next-generation displays, use phosphor emission by electron beams similarly to cathode ray tubes (CRTs). Accordingly, the FED is likely to be implemented as a flat panel display having low power consumption without distortion of the image while maintaining excellent characteristics of the cathode ray tube (CRT). In general, the FED is a triode like a conventional vacuum tube, but concentrates the high electric field on a sharp cathode, that is, an emitter, without using a hot cathode, and thus the electrons are attracted by a quantum mechanical tunnel effect. The cold cathode which emits is used. The electrons emitted from the emitter are accelerated by the voltage applied between the anode and the cathode and collide with the phosphor film formed on the anode to emit the phosphor. In other words, it is the same principle as the cathode ray tube (CRT) in that the phosphor emits light by electron collision.

도 1은 FED의 기본구조를 나타내는 단면도로서, 도 1에 도시된 FED는 하부기판(10) 상에 형성된 음극(12)과, 음극(12) 위에 형성된 이미터 팁(14)과, 이미터 팁(14) 주변의 음극(12) 상에 순차적으로 적층된 절연막(16) 및 게이트막(18)과, 하부기판(10)과 대향하게 배치된 상부기판(10)과, 상부기판(10) 상에 형성된 양극(22)과, 양극(22) 및 상부기판(10)의 표면에 도포된 형광체(24)를 구비한다. 그리고, FED의 내부에 마련된 공간(26)은 고진공 상태를 유지하게 된다. 도 1에 도시된 FED에서 이미터 팁(14)은 첨예부에 인접하게 위치하는 게이트막(18)에 인가되는 전압으로 형성된 고전계에 의해 진공중으로 전자를 방출하게 된다. 이렇게, 이미터 팁(14)으로부터 방출된 전자들(28)은 음극(12)과 양극(22) 간에 인가되는 전압에 의해 가속되어 양극(12)에 형성된 형광체(24)에 충돌하여 발광시킴으로서 가시광(30)이 방출되게 된다.1 is a cross-sectional view showing the basic structure of the FED, the FED shown in FIG. 1 is a cathode 12 formed on the lower substrate 10, an emitter tip 14 formed on the cathode 12, and the emitter tip (14) The insulating film 16 and the gate film 18 sequentially stacked on the cathode 12 around the upper substrate, the upper substrate 10 disposed to face the lower substrate 10, and the upper substrate 10. And a phosphor 24 coated on the surfaces of the anode 22 and the upper substrate 10. In addition, the space 26 provided inside the FED maintains a high vacuum state. In the FED shown in FIG. 1, the emitter tip 14 emits electrons into the vacuum by a high electric field formed with a voltage applied to the gate film 18 positioned adjacent to the sharp part. As such, the electrons 28 emitted from the emitter tip 14 are accelerated by the voltage applied between the cathode 12 and the anode 22 to collide with the phosphor 24 formed on the anode 12 to emit visible light. 30 will be released.

이와 같이, FED에 적용되고 있는 전계방출소자로는 도 1에 도시된 바와 같은 팁(Tip) 형태가 대표적이다. 이 팁 형태의 전계방출소자는 크게 몰리브덴(Mo) 물 질을 전자빔 증착방법에 의해 형성되는 스핀트형(Spindt Type)의 이미터와, 실리콘(Si) 기판(예컨대, 웨이퍼 또는 박막)을 건식 또는 습식 에칭공정을 이용하여 팁 형태를 형성한 후 고온(1000℃)에서 실리콘 팁의 표면을 산화시켜 열산화막을 형성한 후 산화규소(SiO2) 에칭액으로 열산화막을 제거시켜 팁을 형성하는 실리콘형의 이미터가 있다. 여기서, 실리콘형의 이미터는 팁 첨예화 공정시 고온의 열산화 공정이 요구되어 유리와 같은 대형크기의 기판 사용이 불가능하므로 디스플레이의 대형화에 한계가 있으며, 또한 실리콘 자체의 재료적인 특성에 의하여 전자방출시 팁의 끝에 열응력이 집중되어 팁이 쉽게 파손되고 잔류가스에 의해 실리콘의 표면이 쉽게 변질되어 팁의 전자방출특성이 열화되는 문제점을 안고 있다. 또한, 고융점의 몰리브덴(Mo)을 전자빔 증착방법에 의해 팁을 형성하는 스핀트형 이미터의 경우 실리콘 팁에 비하여 팁의 수명이 긴 장점이 있으나 제조공정이 복잡하다는 문제점이 있다. As such, as the field emission device applied to the FED, a tip shape as shown in FIG. 1 is representative. This tip type field emission device has a spint type emitter, which is formed of molybdenum (Mo) material by electron beam deposition, and a dry or wet type of silicon (Si) substrate (eg wafer or thin film). After forming the tip shape using an etching process, the surface of the silicon tip is oxidized at high temperature (1000 ° C.) to form a thermal oxide film, and then the silicon oxide (SiO 2) etching solution is used to remove the thermal oxide film to form the tip. There is a ruins. Here, silicon type emitters require high temperature thermal oxidation during the tip sharpening process, which makes it impossible to use large sized substrates such as glass, which limits the size of the display. Thermal stress is concentrated at the tip of the tip, so that the tip is easily broken and the surface of the silicon is easily changed by the residual gas, thereby deteriorating the electron emission characteristic of the tip. In addition, in the case of a spin type emitter in which a high melting point molybdenum (Mo) is formed by an electron beam deposition method, the tip has a longer life than the silicon tip, but there is a problem in that the manufacturing process is complicated.

도 2를 참조하면, 스핀트법(즉, 회전증착법)에 의해 제조된 팁 형상의 전계방출소자에 대한 단면도가 도시되어 있다. Referring to Fig. 2, a cross-sectional view of a tip-shaped field emission device manufactured by the spin method (i.e., rotary deposition method) is shown.

스핀트법에 의한 전계방출소자의 제조공정을 살펴보면, 우선 하부기판(10) 상에 음극(12)과 절연막(16) 및 게이트막(18)을 순차적으로 형성한 후 포토리소그라피 공정에 의해 게이트막(18)과 절연막(16)을 순차적으로 에칭함으로서 팁 형성공간을 마련하게 된다. 그 다음, 하부기판(10)을 회전시키면서 몰리브덴(Mo) 물질을 증착시켜 팁형성공간에 이미터 팁(14)을 형성하게 된다. 그리고, 게이트막(18)에 증착된 몰리브덴 물질을 제거하여 전계방출소자를 완성하게 된다.Referring to the manufacturing process of the field emission device by the spin method, first, the cathode 12, the insulating film 16, and the gate film 18 are sequentially formed on the lower substrate 10, and then the gate film ( 18) and the insulating film 16 are sequentially etched to provide a tip formation space. Subsequently, molybdenum (Mo) material is deposited while rotating the lower substrate 10 to form the emitter tip 14 in the tip forming space. Then, the molybdenum material deposited on the gate film 18 is removed to complete the field emission device.

이와 같이, 스핀트형의 이미터는 몰리브덴(Mo) 막의 전자빔 증착시 빔의 각도 조절 등이 요구되므로 대형 기판에 소자를 구현하는 경우 팁 형상이 불균일하게 된다. 이 경우, 특정 팁에만 전자방출이 집중되어 팁이 파손될 가능성이 높기 때문에 대형 디스플레이에 적용하는데는 한계가 있다. 또한, 상술한 팁 형상의 이미터의 경우 공정상 이미터의 재료로서 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si)과 같은 재료로 국한되어 TiN, LaB6 등과 같은 저일함수의 재료의 응용이 불가능하여 소자특성의 개선에는 한계가 있다. As such, the spin type emitter requires an angle adjustment of the beam when the molybdenum (Mo) film is deposited on the electron beam, and thus the tip shape is uneven when the device is implemented on a large substrate. In this case, since electron emission is concentrated only on a specific tip, there is a high possibility that the tip may be broken, and thus there is a limitation in applying to a large display. In addition, the tip-type emitter described above is limited to materials such as molybdenum (Mo) and silicon (Si) as a material of the emitter in the process, so that the application of low work function materials such as TiN and LaB6 is impossible. There is a limit to improvement.

이러한 팁형 전계방출소자의 단점을 해결하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같은 화산형 전계방출소자가 등장하게 되었다. 화산형 전계방출소자는 저가의 대면적 유리기판의 사용이 가능하고, 별도의 팁 첨예화 공정이 없이 이미터구조물(34)을 에칭에 의해 식각하고 구조물 측면에 스퍼터링에 의해 TiN 등과 같은 저일함수 및 고융점의 재료를 성막하여 이미터(32)를 형성하고 전자빔 증착에 의한 셀프얼라인먼트 법으로 절연막(16)과 게이트막(18)을 형성함으로써 트라이오드(Triode) 구조의 전계방출소자를 쉽게 제작할 수 있는 특징이 있다. 이러한 화산형 이미터는 구조상 팁형 이미터에 비하여 전자방출면적이 증가하여 방출전류가 증가하기 때문에 고효율의 소자제작이 가능하게 되고, 화학적/기계적 안정성이 높은 재료를 이미터(32) 재료로 응용할 경우 장시간의 수명을 갖는 안정적인 전계방출소자를 제작할 수 있는 이점이 있다.In order to solve the shortcomings of the tip type field emission device, a volcanic field emission device as shown in FIG. 3 has emerged. The volcanic field emission device can use a low-cost, large-area glass substrate, etch the emitter structure 34 by etching without sputtering, and by sputtering the side surface of the structure, low work function and high Forming an emitter 32 by forming a material having a melting point and forming an insulating film 16 and a gate film 18 by a self-alignment method by electron beam deposition can easily produce a triode-type field emission device. There is a characteristic. Such volcanic emitters have a higher electron emission area compared to tip-type emitters, resulting in higher emission currents, which makes it possible to manufacture devices with high efficiency, and when chemical / mechanical stability materials are used as emitters (32) for a long time. There is an advantage that can be produced a stable field emission device having a lifetime of.

도 4를 참조하면, 도 3에 도시된 화산형 전계방출소자의 제조방법이 단계적으로 도시되어 있다.Referring to FIG. 4, a method of manufacturing the volcanic field emission device shown in FIG. 3 is illustrated in stages.

도 4(a)에 도시된 바와 같이 하부기판(10) 상에 음극(12)으로 알루미늄(Al) 등의 전극을 스퍼터링(Sputtering)이나 전자빔 증착법 등과 같은 박막 성막법을 이용하여 형성한다. 연속적으로 음극(12) 위에 실리콘(Si), 몰리브덴(Mo) 등의 금속재질의 구조물 박막(32A)을 형성한다. 구조물 박막(32A) 위에 구조물박막(32A) 식각을 위한 하드마스크 패턴(Hard Mask Pattern; 36)을 형성하게 된다. 이 하드마스크 패턴(36)은 하드마스크 박막을 도포한 후 리소그라피(Lithography) 공정을 이용한 후 원하는 크기 및 형태로 패턴화함으로써 형성된다. 하드마스크 패턴(44)의 재료로는 소자를 이루고 있는 각 재료와 에칭 선택도(Selectivity)가 큰 SiO2, Si3N4, 금속재질 등이 이용된다. 그 다음, 하드마스크 패턴(36)을 통해 노출된 구조물박막(32A)을 반응성이온에칭(RIE) 또는 습식에칭 등을 이용하여 측면이 경사가 지도록 에칭함으로써 (b)에 도시된 바와 같이 측면이 경사가 진 구조물(32B)을 형성한다. 이러한 구조물(32B) 및 하드마스크 패턴(36)의 표면에 (c)에 도시된 바와 같이 이미터박막(34, 34A)을 스퍼터링 방법을 이용하여 성막하게 된다. 이 경우, 압력 및 파워 등과 같은 스퍼터링 조건을 조절하여 이미터박박(34, 34A)의 두께를 조절한다. 이미터박막(34, 34A)의 재료로는 저일함수(예컨대, TiN의 경우 2.9eV, 몰리브덴의 경우 4.3eV)와, 고융점(예컨대, 3000℃)의 재료적 특성을 갖는 TiN 박막뿐만 아니라 전도성을 갖는 ZrN, HfN 등의 질화물, ZrC, HfC 등의 탄화물 또는 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta) 등의 금속 등 다양한 재료가 이용될 수 있다. 이러한 이미터박막(34, 34A) 위에 (d)에 도시된 바와 같이 SiO2 등의 재질의 절연막(16, 16A)과 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등의 재질의 게이트박막(18, 18A)을 전자빔 증착방법을 이용하여 순차적으로 증착하게 된다. 이어서, (e)에 도시된 바와 같이 구조물(32B) 위의 하드마스크 패턴(364)을 그 위에 적층된 이미터박막(34A), 절연막(16A)과 게이트박막(18A)과 함께 습식에칭에 의해 제거하게 된다. 이 결과, 별도의 리소그라피 공정이 필요없이 셀프얼라인먼트에 의해 트라이오드(Triode) 형태가 완성되어진다. 최종적으로, SiO2 에칭액으로 이미터박막(34) 안쪽의 구조물(32B)을 에칭함으로써 (f)에 도시된 바와 같이 최종적인 트라이오드(Triode) 형태의 전계방출소자를 완성하게 된다. As shown in FIG. 4A, an electrode such as aluminum (Al) is formed on the lower substrate 10 using a thin film deposition method such as sputtering or electron beam deposition. On the cathode 12, a structure thin film 32A made of metal such as silicon (Si) and molybdenum (Mo) is formed. A hard mask pattern 36 for etching the structure thin film 32A is formed on the structure thin film 32A. The hard mask pattern 36 is formed by applying a hard mask thin film and then using a lithography process to pattern the film to a desired size and shape. As the material of the hard mask pattern 44, each material constituting the device, SiO 2, Si 3 N 4, or a metal material having a large etching selectivity is used. Next, the sidewall is inclined as shown in (b) by etching the structure thin film 32A exposed through the hard mask pattern 36 so that the side is inclined by using reactive ion etching (RIE) or wet etching. To form the structure (32B). The emitter thin films 34 and 34A are formed on the surface of the structure 32B and the hard mask pattern 36 by the sputtering method as shown in (c). In this case, the thickness of the emitter foils 34 and 34A is adjusted by adjusting sputtering conditions such as pressure and power. The materials of the emitter thin films 34 and 34A are conductive as well as a TiN thin film having a low work function (for example, 2.9 eV for TiN and 4.3 eV for molybdenum) and high melting point (for example, 3000 ° C.). Various materials such as nitrides such as ZrN and HfN, carbides such as ZrC and HfC, or metals such as molybdenum (Mo), chromium (Cr), and tantalum (Ta) may be used. As shown in (d) on the emitter thin films 34 and 34A, the insulating films 16 and 16A made of SiO2 and the like, and the gate thin films 18 and 18A made of chromium (Cr) and molybdenum (Mo). Are sequentially deposited using an electron beam deposition method. Subsequently, as shown in (e), the hard mask pattern 364 on the structure 32B is wet-etched together with the emitter thin film 34A, the insulating film 16A, and the gate thin film 18A stacked thereon. Will be removed. As a result, the triode form is completed by self-alignment without the need for a separate lithography process. Finally, by etching the structure 32B inside the emitter thin film 34 with SiO 2 etchant, the final triode type field emission device as shown in (f) is completed.

이와 같이, 종래의 화산형 전계방출소자의 제조공정은 전자빔 증착방법에 의한 절연막 및 게이트박막 증착시 구조물 식각에 이용되는 하드마스크 패턴의 하단 부위에는 증착이 이루어지지 않는 전자빔 특성을 이용하여 손쉽게 트라이오드 구조를 제조할 수 있는 이점이 있다. 이러한 구조의 전계방출소자에서 구동전압은 이미터와 게이트의 간격(d)을 좁게 할수록 낮아지게 된다. 그러나, 종래의 전계방출소자 제조방법에서 이미터와 게이트의 간격이 구조물 식각에 사용된 하드마스크 패턴의 크기에 의존하게 되는데, 그 간격을 줄이는데는 한계가 있으므로 구동전압이 높은 단점이 있다. 또한, 종래의 구조물 식각용 하드마스크 패턴 크기를 균일하게 하여도 에칭공정상의 문제로 구조물간의 형상이 불균일해지는 경우 이미터와 게이트간의 거리도 불균일해지기 때문에 전계방출소자의 특성이 불균일해지는 단점이 있다.As described above, the conventional volcanic field emission device fabrication process is easily triode using an electron beam characteristic that is not deposited on the lower portion of the hard mask pattern used for etching the insulating film and the gate thin film by the electron beam deposition method. There is an advantage in that the structure can be manufactured. In the field emission device of such a structure, the driving voltage becomes lower as the distance d between the emitter and the gate is narrowed. However, in the conventional field emission device manufacturing method, the distance between the emitter and the gate depends on the size of the hard mask pattern used to etch the structure. However, there is a limitation in reducing the gap, which leads to a high driving voltage. In addition, even when the size of the conventional hard mask pattern for structure etching is uniform, the distance between the emitter and the gate becomes uneven when the shape between the structures becomes uneven due to the problem of the etching process, so that the characteristics of the field emission device become uneven. .

따라서, 본 발명의 목적은 저전압 구동이 가능하고 균일한 전자방출 특성을 가질 수 있도록 하는 전계방출소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a field emission device which enables low voltage driving and has a uniform electron emission characteristic.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전계방출소자 제조방법은 임의의 기판 위에 음극과 구조물 박막을 적층하는 단계와, 하드마스크 패턴을 이용하여 구조물박막을 경사지게 에칭하여 구조물을 형성하는 단계와, 이미터박막을 성막하는 단계와, 하드마스크 패턴을 제거하는 단계와, 절연막과 게이트막을 순차적으로 성막하는 단계와, 구조물 위의 절연막과 게이트막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above objects, the method for manufacturing a field emission device according to the present invention comprises the steps of laminating a cathode and a structure thin film on any substrate, and forming a structure by inclining the structure thin film using a hard mask pattern, Forming an emitter thin film, removing a hard mask pattern, sequentially forming an insulating film and a gate film, and removing the insulating film and the gate film on the structure.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.Other objects and advantages of the present invention in addition to the above object will be apparent from the description of the preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 5를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 5.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 화산형 전계방출소자의 제조방법이 단계적으로 도시되어 있다.Referring to FIG. 5, a method of manufacturing a volcanic field emission device according to an embodiment of the present invention is illustrated in stages.

우선적으로, (a)에 도시된 바와 같이 하부기판(10) 상에 알루미늄(Al) 등의 재질의 음극(12)을 스퍼터링(Sputtering)이나 전자빔 증착법 등과 같은 박막 성막법을 이용하여 형성한다. 연속적으로 음극(12) 위에 실리콘(Si), 몰리브덴(Mo) 등의 금속재질의 구조물 박막(32A)을 형성한다. 구조물 박막(32A) 위에 후공정에서 구조물 박막(32A) 에칭을 위하여 하드마스크 패턴(36)을 형성하게 된다. 이 하드마스크 패턴(36)은 하드마스크 박막을 도포한 후 리소그라피(Lithography) 공정을 이용한 후 원하는 크기 및 형태로 패턴화함으로써 형성된다. 하드마스크 패턴(36)의 재료로는 구조물박막(32A) 에칭시 에칭되지 않도록 에칭 선택도(Selectivity)가 큰 SiO2, Si3N4, 금속재질 등이 이용된다. First, as shown in (a), a cathode 12 made of aluminum (Al) or the like is formed on the lower substrate 10 by using a thin film deposition method such as sputtering or electron beam deposition. On the cathode 12, a structure thin film 32A made of metal such as silicon (Si) and molybdenum (Mo) is formed. The hard mask pattern 36 is formed on the structure thin film 32A for etching the structure thin film 32A in a later process. The hard mask pattern 36 is formed by applying a hard mask thin film and then using a lithography process to pattern the film to a desired size and shape. As the material of the hard mask pattern 36, SiO 2 , Si 3 N 4 , or a metal material having a high etching selectivity is used so as not to be etched when the structure thin film 32A is etched.

그 다음, 하드마스크 패턴(36)을 통해 노출된 구조물 박막(32A)을 반응성이온에칭(RIE) 또는 습식에칭 등을 이용하여 측면이 경사가 지도록 에칭함으로써 (b)에 도시된 바와 같이 측면이 경사가 진 구조물(32B)을 형성한다. 이 경우, 구조물(32B)의 경사도는 에칭조건을 조절하여 최적으로 설정할 수 있다. 예컨대, 반응성이온에칭(RIE)을 이용하는 경우 가스종류와 농도비, 반응성이온에칭(RIE)의 전력, 진공도 등을 조절하고 습식에칭을 이용하는 경우 에칭용액의 종류와 농도비, 에칭시간 등을 조절하여 구조물(32B)이 최적의 형상을 갖도록 한다.Next, the sidewalls are inclined as shown in (b) by etching the structure thin film 32A exposed through the hard mask pattern 36 to be inclined by side using reactive ion etching (RIE) or wet etching. To form the structure (32B). In this case, the inclination of the structure 32B can be optimally set by adjusting the etching conditions. For example, in case of using reactive ion etching (RIE), the gas type and concentration ratio, power and vacuum degree of reactive ion etching (RIE) are controlled, and in case of wet etching, the type and concentration ratio of etching solution, etching time, etc. 32B) has an optimal shape.

이러한 구조물(32B) 및 하드마스크 패턴(36)의 표면에 (c)에 도시된 바와 같이 이미터박막(34, 34A)을 스퍼터링 방법을 이용하여 성막하게 된다. 이 경우, 압력 및 파워 등과 같은 스퍼터링 조건을 조절하여 이미터박박(34, 34A)의 두께를 조절한다. 이미터박막(34, 34A)의 재료로는 저일함수(예컨대, TiN의 경우 2.9eV, 몰리브덴의 경우 4.3eV)와, 고융점(예컨대, 3000℃)의 재료적 특성을 갖는 TiN 박막뿐만 아니라 전도성을 갖는 ZrN, HfN 등의 질화물, ZrC, HfC 등의 탄화물 또는 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta) 등의 금속 등 다양한 재료가 이용될 수 있다. The emitter thin films 34 and 34A are formed on the surface of the structure 32B and the hard mask pattern 36 by the sputtering method as shown in (c). In this case, the thickness of the emitter foils 34 and 34A is adjusted by adjusting sputtering conditions such as pressure and power. The materials of the emitter thin films 34 and 34A are conductive as well as a TiN thin film having a low work function (for example, 2.9 eV for TiN and 4.3 eV for molybdenum) and high melting point (for example, 3000 ° C.). Various materials such as nitrides such as ZrN and HfN, carbides such as ZrC and HfC, or metals such as molybdenum (Mo), chromium (Cr), and tantalum (Ta) may be used.

이어서, (d)에 도시된 바와 같이 구조물박막(32A) 에칭시 사용된 하드마스크 패턴(36)을 습식에칭 방법을 이용하여 제거하게 된다. 이 경우, 하드마스크(36) 위에 증착된 이미터박막(34A)도 함께 제거된다.Subsequently, as shown in (d), the hard mask pattern 36 used to etch the structure thin film 32A is removed using a wet etching method. In this case, the emitter thin film 34A deposited on the hard mask 36 is also removed.

그리고, 이미터박막(34) 및 구조물(32B) 위에 (e)에 도시된 바와 같이 절연막(16, 16A)과 게이트박막(18, 18A)을 순차적으로 증착하게 된다. 이 경우, 절연막(16, 16A)은 전자빔 증착법, 스퍼터링, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 등을 이용하여 증착 가능하지만, 게이트박막(18, 18A)은 증착시 입자의 직진성이 큰 전자빔 증착법 또는 열(Thermal) 증착법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 증착하게 된다. 게이트박막(18, 18A) 증착시 구조물(32B) 측면의 경사가 심하고 구조물(32B)의 단차가 큰 경우 전자빔 증착의 특성상 구조물 상부에 증착된 게이트박막(18A)과 구조물(32B) 측면에 증착된 게이트박막(18) 사이에 일정간격으로 불연속 부분이 발생하게 되므로 이미터(34)와 게이트(16)간의 거리도 일정간격으로 유지된다. 이 경우, 이미터(34)와 게이트(16)의 간격은 종래의 하드마스크 패턴(36)이 남아 있는 상태에서 절연막과 게이트박막을 증착하였을 때의 이미터와 게이트의 간격에 비하여 매우 짧은 거리이며, 이미터들 간에 있어서도 구조물의 에칭형상에 무관하게 일정 간격을 유지하게 된다. 이 결과, 이미터와 게이트 간격의 감소에 의해 구동전압을 감소시킬 수 있으며, 이미터와 게이트 간격이 일정하게 유지되므로 전자방출특성의 균일성이 향상되게 된다. 절연막의 재료로는 SiO2, Al2O3, Ta2O5 등과 같은 통상의 절연재료가 이용된다. 게이트의 재료로는 절연막 등과 습식에칭 선택도가 크고 화학적, 열적 안정성이 큰 Ta, Mo, Nb, Cr, W 등의 금속을 이용한다. As shown in (e), the insulating films 16 and 16A and the gate thin films 18 and 18A are sequentially deposited on the emitter thin film 34 and the structure 32B. In this case, the insulating films 16 and 16A may be deposited using electron beam deposition, sputtering, chemical vapor deposition (CVD), etc., but the gate thin films 18 and 18A may be deposited by electron beam deposition having a high linearity of particles during deposition. Alternatively, the deposition may be performed using any one of thermal deposition. When the gate thin films 18 and 18A are deposited, the slope of the side of the structure 32B is severe and the step 32 of the structure 32B is large. Since a discontinuous portion is generated at regular intervals between the gate thin films 18, the distance between the emitter 34 and the gate 16 is also maintained at a constant interval. In this case, the distance between the emitter 34 and the gate 16 is a very short distance compared to the distance between the emitter and the gate when the insulating film and the gate thin film are deposited with the conventional hard mask pattern 36 remaining. In addition, the distance between the emitters is maintained regardless of the etching shape of the structure. As a result, the driving voltage can be reduced by reducing the emitter and gate spacing, and the uniformity of the electron emission characteristic is improved because the emitter and gate spacing are kept constant. As the material of the insulating film, a conventional insulating material such as SiO 2, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, or the like is used. As the gate material, a metal such as Ta, Mo, Nb, Cr, W, etc., which has a large selectivity in wet etching and a high chemical and thermal stability, is used as the gate material.

이어서, (f)에 도시된 바와 같이 구조물(32B) 위에 적층된 절연막(16A)과 게이트박막(18A)을 절연막(16A)의 Etchant를 사용하여 제거하게 된다. 이와 동시에 이미터 주위에 성막된 절연막 일부를 에칭해 내어 절연막 표면을 타고 게이트로 흘러나가는 누설전류가 감소되도록 한다. 끝으로, SiO2 에칭액으로 이미터박막(34) 안쪽의 구조물(32B)을 에칭하여 (f)에 도시된 바와 같이 화산형 구조물(32)을 형성함으로써 트라이오드(Triode) 형태의 전계방출소자를 완성하게 된다. Subsequently, as shown in (f), the insulating film 16A and the gate thin film 18A stacked on the structure 32B are removed using the etchant of the insulating film 16A. At the same time, a portion of the insulating film deposited around the emitter is etched to reduce the leakage current flowing through the insulating film surface to the gate. Finally, the structure 32B inside the emitter thin film 34 is etched with SiO 2 etchant to form the volcanic structure 32 as shown in (f) to complete the triode type field emission device. Done.

이와 같이, 화산형 방출소자에 있어서 종래의 제조방법에서는 절연막과 게이트막을 전자빔 증착방법에 의해 증착한 후 구조물 식각에 사용된 하드마스크를 제거하는 반면에, 본 발명에 따른 전계방출소자 제조방법은 구조물 식각에 사용된 하드마스크를 제거한 후 절연막과 게이트막을 전자빔 증착법 등에 의해 성막하게 된다. 이 결과, 하드마스크 패턴에 의한 이미터와 게이트간의 거리제한이 없어지게 되므로 이미터와 게이트간의 거리를 최소화할 수 있게 된다.As described above, in the conventional manufacturing method of the volcanic emission device, the insulating film and the gate film are deposited by the electron beam deposition method to remove the hard mask used for etching the structure, whereas the method of manufacturing the field emission device according to the present invention is a structure. After removing the hard mask used for etching, the insulating film and the gate film are formed by electron beam deposition. As a result, since the distance limitation between the emitter and the gate due to the hard mask pattern is eliminated, the distance between the emitter and the gate can be minimized.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전계방출소자 제조방법에 의하면 구조물 식각에 사용된 하드마스크를 제거한 후 절연막과 게이트막을 증착함으로써 하드마스크 패턴에 의한 이미터와 게이트간의 거리제한 없이 이미터와 게이트간의 거리를 최소화할 수 있으므로 구동전압을 감소시킬 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 전계방출소자 제조방법에 의하면 게이트와 이미터간의 거리를 일정하게 할 수 있으므로 전자방출특성이 균일한 소자를 제작할 수 있게 된다. As described above, according to the method of manufacturing the field emission device according to the present invention, by removing the hard mask used for etching the structure and depositing an insulating film and a gate film, the distance between the emitter and the gate is not limited by the distance between the emitter and the gate by the hard mask pattern. Since the distance can be minimized, the driving voltage can be reduced. In addition, according to the method for manufacturing a field emission device according to the present invention, since the distance between the gate and the emitter can be made constant, a device having a uniform electron emission characteristic can be manufactured.                     

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification but should be defined by the claims.

Claims (5)

임의의 기판 위에 음극과 구조물 박막을 적층하는 단계와,Stacking a cathode and a structure thin film on any substrate; 하드마스크 패턴을 이용하여 상기 구조물 박막을 경사지게 에칭하여 구조물을 형성하는 단계와,Diagonally etching the structure thin film using a hard mask pattern to form a structure; 이미터박막을 성막하는 단계와,Depositing an emitter thin film, 상기 하드마스크 패턴을 제거하는 단계와,Removing the hard mask pattern; 절연막과 게이트막을 순차적으로 전면 도포하는 단계와,Sequentially applying the entire insulating film and the gate film; 상기 구조물 위의 절연막과 게이트막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법. And removing the insulating film and the gate film on the structure. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이미터박막은 스퍼터링 방법에 의해 성막되는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.And said emitter thin film is formed by a sputtering method. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 게이트막은 증착시 입자의 직진성이 큰 전자빔 증착법 및 열 증착법 중 어느 하나에 의해 성막되는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.The gate film is a field emission device manufacturing method characterized in that the film is formed by any one of the electron beam evaporation method and thermal evaporation method having a large linearity of the particles during deposition. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 절연막과 게이트막을 제거하는 단계는Removing the insulating film and the gate film 상기 이미터박막 주위에 성막된 절연막 일부를 에칭하는 단계와,Etching a portion of the insulating film formed around the emitter thin film; 상기 이미터박막 안쪽 구조물의 선단을 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법. And etching the tip of the emitter thin film inner structure. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 게이트박막의 재료로는 상기 구조물 및 절연막과 습식에칭 선택도가 크고, 화학적 및 열적 안정성이 큰 금속막을 이용하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.The material of the gate thin film manufacturing method of the field emission device, characterized in that the structure and the insulating film and the wet etching selectivity, a metal film having a large chemical and thermal stability is used.
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