KR19990025772A - 다이아몬드 진공소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다이아몬드 진공 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 다이아몬드 박막을 전계 방출용으로 이용하는 진공 소자 제조 방법에 관한 것이다.

진공 소자는 전자의 방출 팁으로 텅스텐이나 타이타늄 합금등의 내화 금속을 사용하는데, 이들 금속의 전자방출을 위해서는 가열을 하거나 수 십 ∼ 수 백 V 이상의 높은 전압을 걸어 주어야 한다. 따라서 반도체 칩 위에 장착할 수 있는 만큼의 크기로 축소시키기도 어렵고 기대하는 만큼의 성능을 얻기가 어렵다. 또한 공정이 매우 복잡하고 정밀한 장치 및 제어기술이 필요한 문제점 및 제작 단가가 비싸고 수율도 높지 않은 것이 단점이다.

본 발명에서는, 낮은 전압에서도 전자 방출이 가능하고 화학적인 변화에 강하며 음성 전자친화력을 가지고 있는 다이아몬드를 사용하여 고속 및 고전압용 진공 소자를 제조하는 방법을 제시한다.

Description

다이아몬드 진공 소자의 제조 방법

본 발명은 다이아몬드 진공 소자(diamond vacuum device)의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 다이아몬드 박막을 전계 방출용으로 이용하는 진공 소자 제조 방법에 관한 것이다.

진공 소자는 진공관을 미세 반도체 기술로 구현한 전자 소자이다. 일반적인 종래의 진공 소자는 전자의 방출 팁으로 텅스텐이나 타이타늄 합금등의 내화 금속(refractory metal)을 사용하는데, 이들 금속의 전자방출 일함수(work function)는 일반적으로 4.0 eV ∼5.0 eV 정도이기 때문에 이를 극복하기 위해서는 가열을 하거나 수 십 ∼ 수 백 V 이상의 높은 전압을 걸어 주어야 한다. 따라서 반도체 칩 위에 장착할 수 있는 만큼의 크기로 축소시키기도 어렵고 기대하는 만큼의 성능을 얻기도 어렵다. 또한 대부분의 경우 전자가 방출하는 음극과 게이트 및 양극이 수직 방향으로 정렬되어 있어 전자의 방출이 균일하게 이루어지고 원통형의 대칭구조를 가지는 장점은 있으나, 공정이 매우 복잡하고 정밀한 장치 및 제어기술이 필요하여, 제작 단가가 비싸고 수율도 높지 않은 것이 단점이다.

본 발명에서는 종래의 고체 트랜지스터에 비하여 고속, 고전력 신호처리에 적합하며 고온이나 내화학성의 환경 조건에서 유효하게 활용될 수 있는 진공 소자 제조 방법을 제시한다. 주요 핵심 기술로는 전자음극으로 다이아몬드를 사용하며, 수평 구조의 전자흐름 방식을 채택하고, 각 전극을 진공중에 있게하는 기술이다. 즉, 반도체 공정 기술과 미세 기전기술(micromachining)을 활용하여 반도체 이전에 사용되던 진공관을 미세하게 축소한 것으로, 전자의 흐름이 진공중에서 음극으로부터 양극으로 직접 이루어지도록 하여 기생축전 효과가 없고, 열 발생이 적어서 고속의 신호처리가 가능한 진공 소자를 구현 한다. 따라서 차세대의 고속, 대용량의 통신 신호 처리를 목적으로 활용이 기대된다.

본 발명은 적은 전력으로 열발생이나 기생축전 효과 없이 고속의 신호처리가 가능한 고효율의 진공 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다이아몬드 진공 소자의 제조 방법은, 실리콘 기판 상에 산화 공정을 실시하여 실리콘 산화막을 형성한 후, 다결정 실리콘 배선층을 증착하고 음극 형태로 패터닝하는 단계와, 상기 다결정 실리콘 배선층 상부에 선택적 증착 방법으로 다이아몬드 박막을 증착하여 다이아몬드 음극을 형성하는 단계와, 상기 실리콘 산화막 상부에 내화 금속 박막을 증착한 후 패터닝 하여 게이트와 양극을 형성하되, 상기 다이아몬드 음극의 전자방출 방향에 대해 좌우로 상호 대칭적인 위치에 게이트가 형성되도록 하고 상기 다이아몬드 음극의 전자방출 방향에 양극이 형성되도록 하는 단계와, 전체 구조 상부의 외곽부에 감광막 패턴을 형성하고 그 내부의 노출된 실리콘 산화막을 식각하되, 상기 다이아몬드 음극, 게이트 및 양극 하부의 실리콘 산화막까지 식각되도록 하여 상기 다이아몬드 음극, 게이트 및 양극이 공간에 떠있도록 하는 단계와, 상기 감광막 패턴을 제거한 후, 반전 마스크 패턴을 이용하여 상기 공간 내부에 감광막을 채우는 단계와, 공간 내부에 채워진 상기 감광막을 포함하는 전체 구조 상부에 실리콘 산화막을 증착하여 진공 포장하되, 상기 양극 부분에 배출구를 형성하는 단계와, 상기 배출구를 통하여 상기 공간 내부에 채워진 감광막을 제거한 후, 다시 실리콘 산화막 이용하여 상기 배출구를 진공 밀봉하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1(a) 내지 도 1(e)는 본 발명에 따른 다이아몬드 진공 소자의 제조 방법을 설명하기위해 도시한 평면도.

도 2(a) 내지 도 2(e)는 도 1(a) 내지 도 1(e)의 각각을 A-A를 따라 절단한 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

11 : 실리콘 기판 11A : 실리콘 산화막

12 : 다결정 실리콘 배선층 13 : 다이아몬드 음극

14 : 양극 15 : 게이트 전극

16 및 16A : 감광막 17 : 진공 포장용 실리콘 산화막

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1(a) 내지 도 1(e)는 본 발명에 따른 다이아몬드 진공 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 평면도이고, 도 2(a) 내지 도 2(e)는 도 1(a) 내지 도 1(e)의 각각을 A-A를 따라 절단한 단면도이다.

도 2(a)와 같이 실리콘 기판(11) 상부에 산화 공정으로 실리콘 산화막(SiO₂; 11A)을 형성한 후, 고농도의 n형 다결정 실리콘 배선층(12)을 증착시킨다. 형성될 음극 모양과 같이 다결정 실리콘 배선층(12)을 패터닝 한 후, 다결정 실리콘 배선층(12)의 상부에만 선택적으로 다이아몬드 박막을 증착한다. 불산을 이용한 식각 공정으로, 다결정 실리콘 배선층(12) 상부 이외에 증착된 다이아몬드 박막을 제거하여, 도 1(a)에 도시된 것과 같이, 다이아몬드 음극(13)을 형성한다. 이 때 다결정 실리콘 배선층(12)은 다이아몬드 음극(13)과 실리콘 산화막(11A) 간의 접촉성을 향상시키며, 다이아몬드 음극(13)의 전극 배선 역할을 한다. 즉, 다이아몬드는 실리콘 산화막에서는 잘 증착되지 않으므로, 단결정이 아닌 다결정질 실리콘을 사용함으로써 다이아몬드 박막이 증착시 미세 다결정질로 성장되도록 한다.

이렇게 음극(13)이 형성된 후, 게이트와 양극을 형성하기 위하여, 고온에 강하고 내식성이 우수한 타이타늄 또는 텅스텐과 같은 내화 금속을 증착하고, 도 1(b)에 도시된 것과 같은 모양의 게이트(15) 및 양극(14)이 형성되도록 마스크 작업을 한다. 즉, 게이트(15) 금속이 다이아몬드 음극(13)의 전자방출 방향에 대해 상호 대칭적으로 위치하도록 형성한다. 이는 높은 전자의 방출 효율, 소자의 신뢰도 및 안정성을 갖게 한다. 위 공정에 있어서 게이트(15) 및 양극(14)용 내화 금속 박막은 수 ㎛ 정도의 두께로 증착하여 기판의 지지 없이도 충분한 강도를 유지하도록 한다. 도 2(b)의 단면도에서 보이는 게이트(15)는 단면 뒤쪽으로 형성되어 있는 게이트(15)를 나타낸다.

위와 같이 게이트(15)와 양극(14)이 동시에 형성된 후, 진공 소자를 구성하기 위한 방법으로, 전체 구조 상부에 도 1(c)와 같이, 감광막(16)을 형성하고, 이 감광막(16)을 마스크로 사용하여, 도 2(c)와 같이 실리콘 산화막(11A)을 습식 식각한다. 이 때 충분히 식각하여, 다이아몬드 음극(13)/다결정 실리콘 배선층(12), 게이트(15) 및 양극(14)이 모두 공간에 떠있도록 한다.

도 2(c)의 단면도 역시, 도 2(b)와 마찬가지로 단면 뒤쪽으로 형성되어 있는 게이트(15)가 보이고 있으며, 절단되어 단면으로 보이는 감광막(16) 외에 도시된 감광막(16A)은 도 1(c)와 같이 감광막(16)이 전체 구조의 외곽부에 형성됨으로써 후면에 형성된 것이 보이는 것이다.

위와 같이 형성된 공간을 진공 포장하는 방법이 도 2(d)에 도시되어 있다. 도 2(c)의 감광막(16)을 제거한 후, 동일한 형태의 반전 마스크를 사용하여, 위의 실리콘 산화막(11A) 식각 공정에서 형성된 공간에, 도 2(d)와 같이, 감광막(16A)을 채운다. 즉, 다이아몬드 음극(13)/다결정 실리콘 배선층(12), 게이트(15) 및 양극(14)이 떠있는 공간 내부에 감광막(16B)을 채운 후, 전체 구조 상부에 실리콘 산화막(17)을 증착하여, 도 1(d)에 도시된 것과 같이, 진공 포장한다. 이 때, 양극(14) 부분에 증착된 진공 포장용 실리콘 산화막(17)의 일부를 식각하여, 후속 공정에서 감광막(16B)을 제거할 수 있도록 배출구를 만든다. 이 배출구를 도 2(d)에 도시하였다.

위와 같이 형성된 배출구를 통하여 내부 공간에 들어있던 감광막(16B)을 습식 식각 방법으로 제거한다. 그리고 다시 도 1(e)와 같이, 실리콘 산화막(17)을 두껍게 증착하여 완전 밀봉한다. 이 때 실리콘 산화막(17)을 증착하는 공정을 진공 중에서 실시하여, 도 2(e)와 같이 소자의 내부 공간이 진공이 되도록 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전자가 방출되는 음극재료에 다이아몬드를 적용하여, 전자방출 일함수를 일반적인 금속보다 훨씬 낮추었으며, 특히 다이아몬드 음극은 음성의 전자 친화력(Negative Electron Affinity)을 가지기 때문에 낮은 전압을 걸어도 높은 전류가 방출된다. 또한 경도가 높고 내화학성 및 내식성이 강하므로 열화 현상이 없어 영구적인 수명이 가능하다.

본 발명에서는 게이트 전극을 음극의 좌우에 대칭적으로 배치하여 전자의 흐름이 수평으로 이루어지는 구조를 선택함으로써 전자방출의 효율을 높이고, 신뢰도 및 안정성을 증가시켰다. 또한 음극, 게이트 및 양극이 모두 허공에 떠있게 하기 위하여 감광재(photoresist)를 희생층(sacrificing material)로 하여 실리콘 산화막을 증착시킨 후, 감광재를 제거하는 방법을 적용함으로써, 진공관의 작동을 그대로 구현할 수 있으며 기존의 반도체 공정을 그대로 응용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 실리콘 기판 상에 산화 공정을 실시하여 실리콘 산화막을 형성한 후, 다결정 실리콘 배선층을 증착하고 음극 형태로 패터닝하는 단계와,

   상기 다결정 실리콘 배선층 상부에 선택적 증착 방법으로 다이아몬드 박막을 증착하여 다이아몬드 음극을 형성하는 단계와,

   상기 실리콘 산화막 상부에 내화 금속 박막을 증착한 후 패터닝 하여 게이트와 양극을 형성하되, 상기 다이아몬드 음극의 전자방출 방향에 대해 좌우로 상호 대칭적인 위치에 게이트가 형성되도록 하고 상기 다이아몬드 음극의 전자방출 방향에 양극이 형성되도록 하는 단계와,

   전체 구조 상부의 외곽부에 감광막 패턴을 형성하고 그 내부의 노출된 실리콘 산화막을 식각하되, 상기 다이아몬드 음극, 게이트 및 양극 하부의 실리콘 산화막까지 식각되도록 하여 상기 다이아몬드 음극, 게이트 및 양극이 공간에 떠있도록 하는 단계와,

   상기 감광막 패턴을 제거한 후, 반전 마스크 패턴을 이용하여 상기 공간 내부에 감광막을 채우는 단계와,

   공간 내부에 채워진 상기 감광막을 포함하는 전체 구조 상부에 실리콘 산화막을 증착하여 진공 포장하되, 상기 양극 부분에 배출구를 형성하는 단계와,

   상기 배출구를 통하여 상기 공간 내부에 채워진 감광막을 제거한 후, 다시 실리콘 산화막 이용하여 상기 배출구를 진공 밀봉하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다이아몬드 진공 소자의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다결정 실리콘 배선층은 고농도로 n^-이온이 도핑된 다결정 실리콘 이고 상기 내화 금속 박막은 타이타늄 또는 텅스텐인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 진공 소자의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 내화 금속 박막은 기판의 지지 없이도 충분한 강도를 유지할 수 있도록 수 ㎛ 정도의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 진공 소자의 제조 방법.