KR19980042663A - 전계 방출형 냉음극과 그 제조 방법 및그것을 이용한 표시 장치 - Google Patents

전계 방출형 냉음극과 그 제조 방법 및그것을 이용한 표시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전계 방출형 냉음극에서는, 애노드 전극을 향한 모서리 부분들뿐만 아니라 평판형 게이트 전극 주위의 모든 돌출부들 및 모서리 부분들도 둔각 또는 원호상(arc-shaped)이 되도록 형성되어, 게이트 전극의 방전이 억제되어 장치의 파괴가 방지된다. 게다가, 게이트 전극의 돌출부들보다 예리한 돌출부들을 갖는 더미(dummy) 전극이 게이트 전극 주위에 제공되어, 게이트 전극의 방전이 억제될 수 있다.

Description

전계 방출형 냉음극과 그 제조 방법 및 그것을 이용한 표시 장치
본 발명은 전계 방출형 냉음극 및 그것을 이용한 표시 장치에 관한 것으로, 특히 전계 방출형 냉음극의 게이트 전극에 관한 것이다.
전계 방출형 냉음극은 예리한 원뿔 모양의 에미터 및 이 에미터에 인접하여 형성된, 서브-밀리언 오더(sub-million order)의 개구(opening)를 갖는 게이트 전극을 포함하고, 게이트 전극에 의해 에미터의 선단(tip)에 고 레벨 전계를 집중시키고, 진공 중에서 에미터의 선단으로부터 전자들을 방출시켜, 애노드 전극에서 상기 전자들을 수신하는 기능을 갖는 소자이다. 이 전계 방출형 냉음극에서는, 애노드 전극으로의 전자들의 충돌에 의해 생성된 가스 및 잔여의 가스로 인해, 진공 중에서 동작시에, 게이트 전극에서의 방전이 때때로 발생한다. 이 게이트 전극에서의 방전은 게이트 전극을 형성하는 물질의 용융에 따른 단선(breaking) 및 게이트 전극 하부의 절연막의 파괴(breakdown)로 인한 단락(short)과 같은 손상을 초래한다.
방전으로 인한 이러한 손상을 방지하기 위해, 다양한 방법들이 제안되었다. 예를 들면, 일본 특허 출원 공개 제 7-240143/1995호 공보에 개시된 종래의 전계 방출형 냉음극의 예가 도 1의 단면도 및 도 2의 평면도에 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전계 방출형 냉음극은, 지지기판으로서 역할을 하는 실리콘 기판(1); 실리콘 기판(1) 상에 형성된, 산화막과 같은 절연막(2); 절연막(2) 상에 형성되고 에미터 형성 영역에 개구를 갖는 게이트 전극(3a); 절연막(2)의 개구 내에 형성되고 실리콘 기판(1)에 접속된 에미터(5a); 및 게이트 전극(3a)을 덮도록 형성된 절연막(8)으로 구성된다. 게다가, 애노드 전극(7)이 에미터(5a)로부터 공간적으로 분리되어 게이트 전극(3a)에 대향하여 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전계 방출형 냉음극의 게이트 전극(3a)의 단면은 게이트 전극(3a)의 개구의 측면이 실리콘 기판(1)의 표면 및 절연막(8)의 상면에 거의 직각이 되는 모양을 갖는다. 게다가, 도 2에 도시된 바와 같이, 위에서 볼 때, 게이트 전극(3a)은 일반적으로 4 개의 직각 모서리들을 갖는 직사각형 부분을 포함하는 구조를 갖는다. 이러한 종래의 전계 방출형 냉음극에서는, 절연막이 게이트 전극 주위를 덮어서, 게이트 전극 근처의 잔여 가스로 인한 게이트 전극에서의 방전의 발생이 방지되고 특히 에미터와 게이트 전극 간의 방전에 기인한 소자의 파괴가 억제된다.
그러나, 전술한 종래의 전계 방출형 냉음극에는, 첫 번째로 에미터로부터 전자들을 방출시키는 데에 필요한 게이트 전압이 감소될 수 없다는 문제가 있었다. 특히, 종래의 전계 방출형 냉음극은 게이트 전극이 절연막에 의해서 둘러싸인 구조를 채택하기 때문에, 에미터와 게이트 전극간에 절연막을 피착시키기 위한 마진(margin)이 필요하게 되어, 그 마진에 해당하는 양만큼 저전압에서의 동작이 제한된다. 이러한 문제를 극복하기 위해서는, 종래의 기술에 개시된 바와 같이 전계를 향상시키기 위한 부가적인 기구가 종래의 장치에 통합되어야 하며, 이에 따라 장치 구조 및 장치를 제조하기 위한 공정이 복잡하게 되고, 이는 종래의 장치를 제조하는 데 있어서 불이익을 수반한다.
또한, 종래의 전계 방출형 냉음극에는, 두 번째로 애노드 전극으로부터의 방전으로 인해 파괴가 발생하는 문제가 있었다. 특히, 게이트 전극은 절연막에 의해 보호되어, 저 전압으로 동작중에 에미터와 게이트 전극간의 방전으로 인한 파괴가 효과적으로 방지될 수 있다. 그러나, 게이트 전극을 덮는 절연막은 애노드 전극으로부터의 방전으로 인한 파괴를 방지하는 데에는 덜 효과적이어서 게이트 전극 하부의 절연막의 파괴가 일어날 가능성이 높다.
전술한 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 애노드 전극으로부터의 방전시에 게이트 전극의 파괴를 억제하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 대규모 파괴를 야기시키는 애노드 전극으로부터의 방전으로 인한 파괴를 방지할 수있는 단순한 전계 방출형 냉음극을 제공하는 것이다.
전술한 목적들을 성취하기 위해, 본 발명의 전계 방출형 냉음극은, 예리한 선단부들을 갖는 에미터(5a), 이 에미터(5a) 상에 개구를 갖는 게이트 전극(3a), 및 그 상부에 형성되어 전자 콜렉터로서 역할을 하는 애노드 전극(7)을 포함하되, 게이트 전극의 측면들 각각은 인접한 측면과 둔각을 이루며 형성되어 있다.
본 발명의 전계 방출형 냉음극은, 예리한 선단 부분을 갖는 에미터(5a), 이 에미터(5a) 상에 개구를 갖는 게이트 전극(5a), 및 그 상부에 형성되어 전자 콜렉터로서 역할을 하는 애노드 전극(7)을 포함하되, 게이트 전극의 측면들 각각은 인접한 측면과 원호상을 이루면서 형성되어 있다.
본 발명의 전계 방출형 냉음극은, 예리한 선단 부분을 갖는 에미터(5a), 이 에미터(5a) 상에 개구를 갖는 게이트 전극(3a), 및 그 상부에 형성되어 전자 콜렉터로서 역할을 하는 애노드 전극을 포함하되, 애노드 전극을 향하는 게이트 전극의 상면과 그 측면은 둔각을 이루며 절연막 상의 게이트 전극의 하면과 그 측면은 둔각을 이룬다.
본 발명의 전계 방출 냉음극은, 예리한 선단 부분을 갖는 에미터(5a), 이 에미터(5a) 상에 개구를 갖는 게이트 전극(3a), 및 그 상부에 형성되어 전자 콜렉터로서 역할을 하는 애노드 전극을 포함하되, 애노드 전극을 향하는 게이트 전극의 상면과 그 측면은 거의 원호상을 이루며 형성되고 절연막 상의 게이트 전극의 하면과 그 측면은 거의 원호상을 이루며 형성되어 있다.
본 발명의 전계 방출형 냉음극은, 애노드 전극을 향하는 상면 및 절연막 상의 하면을 갖는 게이트 전극을 포함하는데, 각 면은 적어도 하나의 측면 이상으로 구성된 그 주위에 돌출부들을 갖고, 각 측면은 인접한 측면과 둔각을 이루며 형성되어 있다.
본 발명의 전계 방출형 냉음극은, 애노드 전극을 향하는 상면 및 절연막 상의 하면을 갖는 게이트 전극을 포함하는데, 각 면은 적어도 하나의 측면 이상으로 구성된 그 주위에 돌출부들을 갖고, 각 측면은 인접한 측면과 거의 원호상을 이루며 형성되어 있다.
본 발명의 전계 방출형 냉음극은, 애노드 전극을 향하는 상면 및 절연막 상의 하면을 갖는 게이트 전극을 포함하는데, 각 면의 모서리 부분들은 거의 원호상을 이룬다.
본 발명의 전계 방출형 냉음극은, 게이트 전극 주위에 배열되어 제공되는 더미(dummy) 게이트를 포함하는데, 이 더미 게이트는, 인접한 측면과, 게이트 전극보다 더 작은 각도를 이루면서 형성된 측면들로 구성된 적어도 하나의 돌출부를 갖는다.
본 발명의 전계 방출형 냉음극은, 더미 전극의 적어도 한 부분 내에 예리한 모양으로 형성된 더비 에미터 전극을 포함하는데, 이 더미 에미터 전극은 게이트 전극으로부터 돌출되어 있다.
또한, 본 발명의 표시 장치는 본 발명의 전계 방출형 냉음극을 전자총으로서 이용한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 전계 방출형 냉음극의 기본 실시예를 도시하는 단면도이다. 도 4는 그 평면도이고, 도 3은 도 4의 A 및 B에 의해 도시된 구간의 단면도이다.
도 3a을 참조하면, 이 전계 방출형 냉음극은, 예리한 선단을 갖는 에미터(5a); 에미터(5a)를 둘러싸도록 형성된 게이트 전극(3a) 및 절연막(2); 및 게이트 전극(3a) 및 에미터(5a) 상부에 형성된 애노드 전극(7)으로 구성된다. 게이트 전극(3a)은 애노드 전극을 향한 면의 에미터측 단부에서 원호상 단면을 갖는다.
전계 방출형 냉음극의 동작 중에는, 애노드 전극(7)과 게이트 전극(3a) 사이에 100V 이상의 고전압이 인가되고, 게이트 전극(3a)과 에미터(5a) 사이에는 약 100V의 전압이 인가된다. 일반적으로, 방전 현상은 금속들의 예리한 선단부들 양자 사이에서 발생되기 쉽다고 공지되어 있다. 이 전계 방출형 냉음극의 게이트 전극(3a)은, 수평면과 측면이 직각을 이루며 형성된 단면을 갖는다는 점에서 종래의 게이트 전극과 비교해 볼 때 방전을 덜 야기시키는 형상을 가져서, 애노드 전극(7)과 게이트 전극(3a) 사이의 방전이 억제된다.
또한, 도 3b를 참조하면, 게이트 전극(3a)은 게이트 전극(3a)의 모든 모서리들이 원호상을 이루는 단면을 갖는다. 이런 모양을 갖는 게이트 전극(3a)을 이용하면, 에미터(5a)를 향한 게이트 전극(3a)의 모든 모서리들과 에미터 전극으로서 역할을 하는 실리콘 기판(1)이 원호상이기 때문에, 애노드 전극(7)에 대해서뿐만 아니라 에미터(5a)에 대해서도 방전 억제 효과가 있다.
게다가, 수평 돌출면 상의 게이트 전극(3a)의 모든 모서리들이 둔각을 이루는 응용 예가 도 6에 도시되어 있다. 이러한 모양을 갖는 게이트 전극(3a)을 이용하면, 모든 모서리들이 직각을 이루는 경우와 비교할 때, 전계 집중이 발생할 가능성이 덜 하므로, 게이트 전극의 방전으로 인한 파괴가 더 억제될 수 있다. 특히, 서로 대향하여 배치되고 고전압이 인가된 애노드 전극(7)과 게이트 전극(3a) 사이의 방전이 효과적으로 억제될 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 칩 상에 형성된 게이트 전극(3a) 및 게이트 전극(3a) 주위에 게이트 전극(3a)의 개구 내에 형성된 에미터(5a)에 부가하여, 각 모서리에 돌출부를 갖는 더미 전극(3b)을 제공하는 것이 가능한데, 돌출부의 측면은 인접한 측면과 예각을 이루면서 형성되어 있다. 이런 모양의 더미 게이트를 이용하여, 게이트 전극에 대한 방전이 더미 전극의 돌출부에 유도되어 게이트 전극의 방전이 억제된다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 전계 방출형 냉음극은, 수평 및 수직 방향의 단면들에 예각의 돌출부가 형성되어 있지 않은 게이트 전극을 포함하여, 전계 집중이 단순한 단계들을 부가함으로써 예방될 수 있고 방전의 발생이 억제될 수 있어서, 게이트 전극의 방전으로 인한 장치의 파괴가 감소된다.
게다가, 게이트 전극 주위에는, 게이트 전극의 돌출부의 모서리들보다 더 작은 내각의 적어도 하나의 돌출부를 갖는 더미 게이트가 제공되어, 게이트 전극의 방전 발생이 더미 게이트로 유도되고, 이에 따라 게이트 전극의 방전으로 인한 손상이 억제될 수 있다.
게다가, 게이트 전극의 방전으로 인한 손상을 억제할 수 있는 본 발명의 전계 방출형 냉음극은, 표시 장치, 예를 들면, 표시 장치의 수명을 연장시킬 수 있는 플랫 패널 디스플레이 또는 디스플레이용 음극관의 전자총으로서 사용된다.
상기한 것들 및 본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 장점들은 본 발명의 양호한 실시예의 예를 예시하는 첨부된 도면들을 참조한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 종래의 전계 방출형 냉음극의 예의 단면도.
도 2는 종래의 전계 방출형 냉음극의 예의 평면도.
도 3a 및 도 3b은 본 발명의 전계 방출형 냉음극의 제1 실시예의 단면도.
도 4는 본 발명의 전계 방출형 냉음극의 제1 실시예의 평면도.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 전계 방출형 냉음극의 제1 실시예의 제조 공정들을 도시하는 단면도.
도 6a 및 도 6b 각각은 본 발명의 전계 방출형 냉음극의 제2 실시예의 단면도 및 평면도.
도 7a 내지 도 7d은 본 발명의 전계 방출형 냉음극의 제3 실시예의 제조 공정들을 도시하는 단면도.
도 8은 본 발명의 전계 방출형 냉음극의 제3 실시예의 평면도.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 전계 방출형 냉음극의 제4 실시예의 제조 공정들을 도시하는 단면도.
도 10은 본 발명의 전계 방출형 냉음극의 제4 실시예의 단면도.
도 11은 본 발명의 전계 방출형 냉음극의 제4 실시예의 평면도.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 전계 방출형 냉음극의 제5 실시예의 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 실리콘 기판
2 : 절연막
3a : 게이트 전극
3b : 더미 전극
5a : 에미터
다음으로, 본 발명의 실시예들을 도면들을 참조하여 설명하겠다.
도 5a 내지 도 5d는 도 3a에 도시된 본 발명의 전계 방출형 냉음극의 제1 실시예의 제조 공정들을 도시하는 단면도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 먼저, 약 500nm 두께의 절연막(2)이 약 1015/㎤농도의 n형 실리콘 기판(1) 상에 형성된다. 그런 다음, W와 같은 금속막으로 형성된 전극막(3)이 스퍼터링(sputtering)과 같은 방법을 이용하여 약 200nm의 두께로 퇴적된다.
다음으로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 전극막(3)이 레지스트와 같은 마스크를 이용하여 선택적으로 에칭되어 게이트 전극(3a)이 형성된다. 또한, 게이트 전극(3a) 및 절연막(2)이 포토리소그래피 공정에서 RIE(반응성 이온 에칭)에 의해 에칭되어, 실리콘 기판(1)을 노출시키는 개구를 형성한다.
게이트 전극(3a)을 형성하기 위해 에칭을 할 때, 등방성 에칭이 수행되고 이어서 이방성 에칭이 수행되어, 게이트 전극(3a)은 그 상부의 만곡된 모서리들에 능선(ridge line)들이 없는 모양을 갖게 된다.
다음으로, 도 5c에 도시된 바와 같이, 전자빔 증착 방법에 의해, 약 100nm의 Al으로 형성된 희생층(4)이 수직 방향에 대하여 선정된 각도로 경사진 비스듬한 방향으로부터 퇴적된다. 이 공정에서는, 희생층(4)이 위로부터 비스듬한 방향으로 퇴적되기 때문에, 희생층(4)은 에미터 형성 영역이 될 노출된 실리콘 기판(1) 상에 형성되지 않고, 희생층(4)은 절연막(2)의 측벽 및 게이트 전극(3a) 상에 형성된다. 다음으로, Mo와 같은 에미터 재료층(5)이 전자빔 증착 방법에 의해 수직 방향으로부터 퇴적된다. 이 공정에서, 에미터 재료층(5)은 희생층(4) 및 실리콘 기판(1) 상에서 성장되고, 실리콘 기판(1) 상의 에미터 재료층의 모양은 원뿔 모양이 되어, 에미터(5a)가 형성된다.
다음으로, 도 5d에 도시된 바와 같이, 희생층(4)은 인산과 같은 용액 내에서에칭에 의해 제거되고, 그에 따라 희생층(4) 상의 에미터 재료층(5)이 리프트 오프되어 에미터(5a)가 노출된다.
상술된 공정들에 의해서, 도 3a에 도시된 전계 방출형 냉음극이 얻어진다.
이 방법에 의해서, 방전이 거의 생기지 않도록 그 상면의 능선들이 둥그스름한 모양을 갖는 게이트 전극(3a)이 쉽게 얻어질 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(3a)의 상면 및 하면 상의 능선들이 둔각 또는 원호상을 이루는 소자를 제조하기 위해서는, 하층으로서 다결정 실리콘막 및 상층으로서 WSi막으로 구성된 다층 구조를 갖는 전극막(3)에 대하여 SF6 등을 이용한 건식 에칭을 이용하는 경우, 장치는 에칭속도의 차를 이용하여 제조될 수 있다. 다른 방법으로서, 장치는 에칭속도를 변화시키기 위해 전극막 내의 불순물 농도를 변화시킴으로써도 제조될 수 있다. 예를 들면, 그 중앙부에 p형 고농도층을 갖는 다결정 실리콘막이 전극막으로서 사용되고 이방성 KOH와 같은 알칼리 용액이 사용되는 경우, 고농도 p형 영역에 대한 에칭속도가 느려지고, 선택적 에칭이 가능하게 되어, 원하는 모양이 얻어질 수 있다. 게다가, n형 불순물 원자들이 고농도로 그 상면 및 하면에 부가된 전극막에서도, 에칭속도가 빠른 고농도 영역이 더 에칭되어, 원하는 모양이 얻어질 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.
도 6a는 제2 실시예의 단면도이다. 구조는 단면으로 도시되어 있고, 이 구조는 능선 부분들이 직각을 이루도록 도 5d의 게이트 전극(3a)의 모양을 변화시킴으로써 얻어질 수 있다. 도 6b는 제2 실시예의 평면도이다. 도 6b에서, 게이트 전극(3a)의 모서리 부분들은 위에서 볼 때 둔각을 이루도록 설계되어 있다. 제1 실시예에서는, 예각으로 이루어진 모서리 부분들이 존재하지 않는다. 이 실시예에서는, 위에서 볼 때 모서리 부분들이 둔각을 이룬다. 따라서, 애노드 전극과 게이트 전극간의 방전이 억제될 수 있다. 위에서 볼 때의 모서리 부분들은 둔각이 아닌 원호상을 가질 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시예를 설명한다.
도 7a 내지 도 7d은 제3 실시예의 전계 방출형 냉음극의 제조 공정들을 도시하는 단면도이다.
먼저, 도 7a에서 도시된 바와 같이, 산화막과 같은 약 500nm 두께의 절연막(2)이 약 1015/㎤의 농도를 갖는 n형 실리콘 기판(1) 상에 형성된다. 그런 다음, W와 같은 금속막으로 형성된 전극막(3)이 스퍼터링과 같은 방법에 의해서 약 200nm의 두께로 퇴적된다.
다음으로, 도 7b에 도시된 바와 같이, 전극막(2)이 레지스트와 같은 마스크를 이용하여 선택적으로 에칭되어, 게이트 전극(3a) 및 더미 전극(3b)이 형성된다. 게다가, 게이트 전극(3a) 및 절연막(2)은 포토리소그래피 공정에서 RIE 방법을 이용하여 에칭되어, 실리콘 기판(1)을 노출시키는 개구를 형성한다.
다음으로, 도 7c에 도시된 바와 같이, 전자빔 증착 방법을 이용하여, Al로 형성된 희생층(4)이 수직 방향으로부터 경사진 비스듬한 방향으로부터 약 100nm의 두께로 퇴적된다. 이 단계에서는, 희생층이 위에서부터 비스듬하게 퇴적되기 때문에, 희생층(4)은 에미터 형성 영역이 될 노출된 실리콘 기판(1) 상에 형성되지 않고 희생층(4)은 절연막(2)의 측벽, 게이트 전극(3a) 및 더미 전극(3b) 상에 형성된다. 다음으로, 예를 들면, Mo와 같은 에미터 재료층(5)이 전자빔 증착 방법을 이용하여 수직 방향으로부터 퇴적된다. 이 공정에서, 에미터 재료층(5)은 희생층(4) 및 실리콘 기판(1) 상에 성장하고, 실리콘 기판(1) 상에 위치한 에미터 재료층 부분의 모양은 원뿔 모양으로 되어, 에미터(5a)가 형성된다.
다음으로, 도 5d에 도시된 바와 같이, 희생층(4)은, 예를 들면, 인산 용액 내에서 에칭에 의해 제거된다. 따라서, 희생층(5) 상의 에미터 재료층(5)이 리프트 오프되어 에미터(5a)가 노출된다. 제3 실시예의 평면도가 도 8에 도시되어 있다. 도 8의 라인 A-B를 따라 절취된 단면도가 도 7d에 도시되어 있다.
이 실시예에서는, 게이트 전극에 전기적으로 접속되지 않은 더미 전극(3b)이 게이트 전극(3a) 주위에 형성된다. 더미 전극(3b)에 예각의 돌출부를 형성함으로써, 더미 전극(3b)이 게이트 전극(3a)보다 전자를 방전하기 쉬워서, 게이트 전극(3a)이 보호된다. 이 실시예에서는, 게이트 전극(3a)의 모서리 부분들이 원호상을 이룬다. 그러나, 게이트 전극(3a)의 모서리 부분들이 각도를 갖는 돌출부인 경우, 게이트 전극(3a)의 모서리 부분들이 더미 게이트(3b)의 돌출부들보다 더 큰 각도를 갖는 한, 게이트 전극(3a)의 모서리 부분들이 원호상으로 되어 있는 경우와 유사하게 동일한 효과가 나타난다. 게다가, 더미 전극(3b)에는 내주 및 외주 양방에 예각을 갖는 돌출부들이 제공된다. 더미 게이트(3b)의 모양은 이에 제한되지 않고, 예각들을 갖는 돌출부들이 당연하게 외주에 제공될 수 있다. 예를 들면, 게이트 전극(3a)에 인접한 더미 전극(3b)의 모서리 부분들이 둔각으로 이루어진 경우, 게이트 전극(3a)이 방전시 파괴에 의해 덜 영향을 받는다는 장점이 있다. 게다가, 더미 전극(3b)이 게이트 전극(3a)을 완전히 둘러싸도록 설계되어 있지만, 더미 게이트(3b)의 모양은 이에 국한되지 않는다. 더미 전극(3b)은 게이트 전극(3a) 을 부분적으로 둘러싸도록 형성될 수 있다. 게다가, 이 실시예가 단면으로 봤을 때 모서리 부분들이 둔각을 이루는 제1 실시예와 조합되어 사용되는 경우, 게이트 전극에 대한 방전 억제 효과가 더욱 증가된다.
다음으로, 본 발명의 제4 실시예를 도 9a 내지 도 9c 및 도 10을 참조하여 설명하겠다.
먼저, 산화막과 같은 약 500nm 두께의 절연막(2)이 열산화에 의해서 약 1015/㎤의 농도의 n형 실리콘 기판(1) 상에 형성된다. 그런 다음, W와 같은 금속막으로 형성된 전극막(3)이 스퍼터링 방법 등에 의해 약 200nm의 두께로 퇴적된다. 전극막(3)은 레지스트와 같은 마스크를 이용하여 에칭되어, 게이트 전극(3a)이 도 9a에 도시된 바와 같이 형성된다.
다음으로, Al로 형성된 희생층(6)이 스퍼터링 방법, 전자빔 증착 방법 등에 의해서 약 500nm의 두께로 퇴적되고 레지스트가 형성된다. 포토리소그래피 방법에 의해 더미 전극(3b) 상에 개구가 형성되고, 희생층(6)이 더미 전극(3b)이 노출되도록 선택적으로 에칭된다. 게다가, 포토리소그래피 방법에 의해서 희생층(6), 게이트 전극(3a) 및 절연막(2)을 에칭함으로써 개구가 형성되는데, 이 부분은, 도 9b에 도시된 바와 같이, 에미터 형성 영역에 해당한다.
다음으로, Mo 등으로 형성된 에미터 재료층(5)이 전자빔 증착 방법에 의해 수직 방향으로부터 퇴적된다. 이 단계에서, 에미터 재료층(5)은 희생층(6), 노출된 더미 전극(3b) 및 노출된 실리콘 기판(1) 상에 퇴적된다. 더미 전극(3b) 및 실리콘 기판(1) 상의 에미터 재료층(5)의 부분들은 원뿔 모양으로 형성되고, 에미터 재료들(5)의 그 부분들이, 도 9c에 도시된 바와 같이, 더미 에미터(5b) 및 에미터(5a)이다.
다음으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 희생층(6)은 인산과 같은 용액 내에서 에칭에 의해 제거된다. 따라서, 희생층(6) 상의 에미터 재료층(5)이 리프트 오프되어 에미터(5a)가 노출된다. 게다가, 예각 모양을 갖는 더미 에미터(5b)가 더미 전극(3b) 상에 형성된다.
도 11에는, 본 발명의 제4 실시예의 전계 방출형 냉음극의 평면도가 도시되어 있다. 도 10은 도 11의 라인 A-B를 따라 절취된 단면도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 더미 전극(3b)은 게이트 전극(3a) 주위에 배치되고, 게이트 전극(3a)보다 더 높은 돌출부들이 더미 전극(3b)의 부분들 상에 형성되며, 이 실시예의 경우, 예리한 지붕 모양 및 원뿔 모양의 에미터들(5b)이 형성되어 있다. 따라서, 높이 방향으로 예리한 돌출 구조를 갖는 더미 에미터(5b)로부터의 방전이 지배적이고 게이트 전극의 방전은 상술된 평판형 구조의 예에서보다 억제된다. 이 실시예에서는, 더미 에미터(5b)가 에미터 형성 공정을 이용하여 형성되지만, 레이저 CVD 기술을 이용하여 더미 전극(3b) 상에 더미 에미터(5b)가 선택적으로 형성되는 방법이 사용될 수도 있다. 게다가, 게이트 전극(3a)이 제1 실시예에서와 같이 모서리 부분들이 둔각을 이루는 단면 모양을 갖도록 형성되어, 게이트 전극의 방전이 억제될 수 있다.
다음으로, 제5 실시예의 제조 공정들을 도 12a 및 도 12b에 도시된 부분적인 도면들을 이용하여 설명하겠다.
이 전계 방출형 냉음극은 산화막과 같은 약 500nm 두께의 절연막(2)이 열산화에 의해서 약 1015/㎤의 농도의 n형 실리콘 기판(1)의 표면 상에 형성되고, Mo으로 형성된 에미터(5a)가 실리콘 기판(1) 상에 형성되고, 에미터(5a)를 둘러싸는 약 200nm 두께의 게이트 전극(3a) 및 예리한 능선 부분들을 갖는 사다리꼴 더미 전극(3b)이 형성되는데, 상기 더미 전극(3b)은 게이트 전극(3a) 주위에 배치되고 부분적으로 게이트 전극(3a)보다 더 두껍다. 사다리꼴 더미 전극(3b)은 더 두꺼운 부분에 더미 전극 물질을 폭을 변화시키면서 선택적으로 적재함으로써 형성될 수 있다. 또한, 이 방법에서는, 더미 전극이 높이 방향으로 예리한 모양을 갖기 때문에, 제4 실시예에서와 동일한 효과가 얻어질 수 있고, 더미 전극의 방전이 게이트 전극에서보다 우선적으로 발생하여, 게이트 전극의 방전이 억제되는 결과를 가져온다. 게다가, 게이트 전극(3a)의 단면 모양을 둔각으로 설정함으로써, 방전 억제 효과가 증가될 수 있다.
이상의 설명에서, 에미터는 Mo와 같은 금속막으로 형성된다. 그러나, 본 발명에서는, 에미터 물질이 금속 물질에 국한되지 않고, 실리콘을 예리한 모양으로 만듦으로써 형성된 에미터가 전계 방출형 냉음극에 적용될 수 있다. 게다가, 실리콘 상에 금속 박막을 코팅함으로써 형성된 에미터도 전계 방출형 냉음극에 사용될 수 있다.
게다가, 본 발명의 응용 분야는 전계 방출형 냉음극을 전자총으로서 이용하는 표시 장치이다. 이 표시 장치는 통상적으로 진공 중에서의 동작을 요하기 때문에, 전자총을 표시 장치에 통합시킨 후에는 교환하는 것이 어렵다. 특히, 플랫 패널 디스플레이의 경우, 장치는 방전 파괴로 인해 단락되어 장치가 망가진다. 전자총으로서 방전 전류의 양은 파괴 위치에서 변하고, 주변부들 간의 휘도의 차가 생기거나 다크 포인트가 남게되어, 장치의 동작 불량이 발생한다. 이러한 상황이 발생하는 경우, 본 발명의 전계 방출형 냉음극이 전자총으로서 플랫 패널 디스플레이에 적용되면, 다수의 전자총들이 파괴없이 동작한다. 따라서, 표시 장치의 표시 동작은 오랜 시간 동안 지속될 수 있어서 장치의 수명이 연장될 수 있다. 본 발명의 전계 방출형 냉음극이 표시 장치로서 플랫 패널뿐만 아니라 디스플레이용 음극관(CRT)에도 사용될 수 있다는 것을 주지해야 한다.
여기에 개시된 본발명의 전계 방출형 냉음극에는 변화 및 변형이 있을 수 있다는 것이 당 기술에 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 의도하는 바는, 이러한 모든 변형 및 변화들이 첨부된 청구 범위의 범주 내에 포함되어야 한다는 것이다.

Claims (12)

  1. 전계 방출형 냉음극에 있어서,
    예리한 선단(tip)을 갖는 원뿔 모양의 에미터; 및
    상기 에미터 상에 개구를 갖고 90°미만의 각도를 이루는 선단이 없는 주변 돌출부를 갖는 게이트 전극을 포함하며,
    상기 게이트 전극에 의해 집중된 전계에 의해 상기 에미터의 선단으로부터 방출된 전자들을 수신하는 애노드 전극이 상기 에미터로부터 떨어져 배치된 것을 특징으로 하는 전계 방출형 냉음극
  2. 제1항에 있어서, 상기 게이트 전극의 상기 돌출부의 선단은 위에서 볼 때, 둔각을 이루거나 원호상을 나타내는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 냉음극.
  3. 제2항에 있어서, 상기 게이트 전극의 단면은 둔각을 이루거나 원호상을 나타내는 상기 주변 돌출부의 선단을 갖는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 냉음극.
  4. 제1항에 있어서, 상기 게이트 전극보다 더 작은 내각(interior angle)을 이루는 돌출부를 갖는 더미(dummy) 전극이 상기 게이트 전극 주위에 형성되는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 냉음극.
  5. 전계 방출형 냉음극에 있어서,
    예리한 선단을 갖는 원뿔 모양의 에미터;
    상기 에미터 상에 개구를 갖는 평판형 게이트 전극; 및
    상기 게이트 전극 주위에 형성된 더미 전극을 포함하며,
    상기 게이트 전극에 의해 집중된 전계에 의해 상기 에미터의 선단으로부터 방출된 전자들을 수신하는 애노드 전극이 상기 에미터로부터 떨어져 배치된 것을 특징으로 하는 전계 방출형 냉음극.
  6. 제5항에 있어서, 상기 더미 전극은 상기 게이트 전극보다 더 작은 내각을 갖는 돌출부를 갖는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 냉음극.
  7. 제4항에 있어서, 수평 및 수직 방향으로의 상기 더미 전극의 단면 모양들은 상기 게이트 전극보다 더 작은 적어도 한 내각을 갖는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 냉음극.
  8. 제1항에 기재된 전계 방출형 냉음극이 전자총으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 표시 장치는 플랫 패널 디스플레이(flat pannel display)인 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 표시 장치는 디스플레이용 음극관인 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  11. 전계 방출형 냉음극을 제조하는 방법에 있어서,
    n형 실리콘 기판의 표면 상에 절연막을 형성하고 후속하여 전극막을 퇴적하는 단계;
    전극막을 마스크로서 이용하여 등방성 에칭을 수행하고 후속하여 이방성 에칭을 수행하여 선택적으로 에칭하여 게이트 전극을 형성하고, 포토리소그래피 방법에 의해 상기 게이트 전극을 에칭하고, 반응성 이온 에칭 방법에 의해 상기 절연막을 에칭하여 개구를 형성하는 단계;
    전자빔 증착 방법을 이용하여, 수직 방향으로부터 선정된 각도만큼 경사진 비스듬한 방향으로부터 희생층을 퇴적하는 단계;
    전자빔 증착 방법을 이용하여 수직 방향으로부터 에미터 재료층을 퇴적하고, 상기 희생층 및 상기 에미터 재료층을 성장시켜서 상기 실리콘 기판 상에 원뿔 모양의 에미터를 형성하는 단계; 및
    상기 희생층을 에칭 용액 내에서 제거하여, 상기 희생층 상에서 상기 에미터 재료층을 리프트 오프(lift off)하여 상기 에미터를 노출시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 냉음극 제조 방법.
  12. 전계 방출형 냉음극을 제조하는 방법에 있어서,
    n형 실리콘 기판 상에 약 500nm의 두께의 절연막을 형성하고 약 200nm의 두께로 전극막을 퇴적하는 단계;
    상기 전극막을 선택적으로 에칭하여 게이트 전극 및 더미 전극을 형성하고 상기 게이트 전극 및 상기 절연막을 에칭하여 실리콘 기판을 노출시키는 개구를 형성하는 단계;
    에미터 형성 영역이 될 상기 노출된 실리콘 기판이 아닌 상기 절연층의 측벽, 상기 게이트 전극 및 상기 더미 전극 상에, 전자빔 증착 방법을 이용하여 수직 방향으로부터 선정된 각도만큼 경사진 비스듬한 방향으로부터 약 100nm의 두께로 희생층을 퇴적하는 단계;
    전자빔 증착 방법을 이용하여 수직 방향으로부터 에미터 재료층을 퇴적하고, 희생층 및 에미터 재료층을 성장시켜서 상기 실리콘 기판 상에 원뿔 모양의 에미터를 형성하는 단계; 및
    상기 희생층을 에칭용액 내에서 제거하고 상기 희생층 상에서 상기 에미터 재료층을 리프트 오프하여 상기 에미터를 노출시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 냉음극 제조 방법.
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