KR19990043866A - 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법에 관한 것으로, 특히 종래의 메탈 팁 형성을 위한 전자-빔 주사 공정등을 생략하고, 또한 팁과 게이트간의 간격을 조절함으로써 낮은 구동전압에서도 동작할 수 있도록 제조공정을 개선함과 아울러, 소자동작의 특성을 향상시킬 수 있는 기술이다.

Description

전계방출소자의 메탈 팁 형성방법

본 발명은 전계방출소자(field emission display; 이하 FED라 칭함)의 메탈 팁 형성방법에 관한 것으로서, 특히 종래의 에치백(etch back) 공정을 개선하여 에미터(emtiier)와 게이트간의 간격을 줄이고, 메탈 팁 형성과정에서 사용되는 전자-빔 주사 공정을 사용하지 않고도 전계방출소자의 공정의 단순화 및 소자동작 특성을 향상시킬 수 있는 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법에 관한 것이다.

일반적으로 박막형 전계 방출소자는 팁의 날카로운 부분에 전계가 집중되는 현상을 이용하여 비교적 낮은 전압, 예를 들어 5∼10V 정도의 전압을 인가하여 터널효과에 의한 냉전자를 방출시키는 소자로서, 이를 이용하여 형성되는 FED는 CRT의 고선명성과 액정표시장치(liquid crystal display; 이하 LCD라 칭함)의 경박형의 장점을 모두 갖추고 있어 차세대 표시장치로서 주목받고 있다.

특히 FED는 경박형의 제작이 가능할 뿐만 아니라, LCD의 결정적인 단점인 공정수율, 제조단가 및 대형화의 문제점들을 해결할 수 있다.

즉 LCD는 하나의 단위화소라도 불량이 발생되면 제품전체가 불량 처리되지만, FED는 하나의 화소 그룹에 그보다 작은 다수개의 단위화소들이 형성되어 있어 한 두개의 단위화소에 불량이 발생하여도 화소 그룹의 동작에는 이상이 없어 제품 전체의 수율이 향상된다.

또한 FED는 LCD에 비해 구조가 간단하고, 소비전력이 작아 단가가 낮고, 휴대형 표시장치에 적합한 등의 이점이 있다.

초기의 FED는 공동에 의해 외부로 노출되어 있으며, 날카로운 부분을 갖는 원뿔형 에미터(캐소드)와, 상기 에미터의 양측에 정렬되어 있는 게이트와 상기 게이트와 일정간격 이격되어 있는 애노드(Anode)로 구성되어 각각이 CRT의 캐소드, 케이트 및 애노드와 대응된다.

상기의 FED는 애노드에 전압, 예를들어 500∼10㎸ 정도의 전압이 인가되어 케소드의 꼭지부에 집중된 전계에 의해 전자가 방출되며, 상기 방출된 전자는 양의 전압이 인가된 애노드에 의해 인도되어 애노드에 도포되어있는 형광물질을 발광시키고, 상기 게이트는 전자의 방향 및 양을 조절한다.

그러나 상기와 같은 원뿔형 캐소드를 구비하는 초기의 FED는 방출된 전자들중의 일부가 게이트로 유도되어 게이트 전류가 흘러 전자의 제어가 어렵고, 캐소드와 애노드의 사이에서 전자와 충돌하여 형성된 양이온이 캐소드와 충돌하여 소자가 파괴되므로, 이를 방지하기 위하여 소자의 내부를 고진공 상태로 유지하여야하며, 날카로운 원뿔형 캐소드의 균일한 제작이 어려운 등의 문제점이 있다.

또한 종래에는 상기 전계방출소자를 제조함에 있어서, 원뿔형 에미터를 형성하는 방법은 주로 스핀트(Spindt) 타입이 주로 사용되고 있다.

상기 스핀트 타입의 메탈 팁을 형성하기 위한 제조 공정을 첨부 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.

도 1a 내지 도 1d 는 종래기술에 따른 전계방출소자의 메탈 팁 제조공정단계를 도시한 단면도이다.

도 1a 를 참조하면, 실리콘 기판(1)위에 산화막(3)을 형성한다.

도 1b 를 참조하면, 상기 산화막(3)의 상부에 금속(5)을 게이트 전극으로 증착하고, 그 상부에 홀 형성을 위한 감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 그리고 상기 감광막 패턴을 이용하여 상기 금속층(5)에 식각한 후, 그 하부의 산화막(3)을 식각하여 소정크기 예컨데, 약 1㎛ 에 가까운 홀(6)을 형성한다.

도 1c 를 참조하면, 전자-빔 주사기(electorn-beam evaporator)를 이용하여 소정금속 예컨데, Al 금속을 경사증착시켜 Al 금속층(7)을 형성한다. 이때 상기 Al 금속층(7)은 분리층(partition layer)으로서의 역할을 하게 된다.

도 1d 를 참조하면, 전체구조 상부에서 소정금속을 상기 홀(6) 내부로 수직 증착시켜 경사증착된 상기 Al 층(7)에 의해 그 입구의 공간이 점차적으로 줄어들며 홀(6)의 내부에 메탈 팁(11)이 형성되도록 한다.

다음, 에치백 공정으로 상기 Al 금속층(7)을 제거하여 메탈 팁(11)이 노출되도록 한다.

상기와 같은 종래의 전계방출소자 제조공정에 있어서는 메탈 팁의 형성후 분리층의 제거(lift off) 과정에서 팁의 쇼트(short) 내지 변형 등으로 인해 팁의 제조수율이 낮아지는 문제가 있다.

또한 Al 으로 형성된 팁은 경도(hardness)가 약하여 구동중 형광체 및 진공중의 이온입자로 인한 재 스퍼트(resputter)되기 쉬운 약점을 가지고 있는 등의 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 종래의 메탈 팁 형성을 위한 전자-빔 주사 공정등을 생략하고, 또한 팁과 게이트간의 간격을 조절함으로써 낮은 구동전압에서도 동작할 수 있도록 제조공정을 개선함과 아울러, 소자동작의 특성을 향상시킬 수 있도록 하는 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법을 제공함에 있다.

도 1a 내지 도 1d 는 종래기술에 따른 전계방출소자의 메탈 팁 제조공정단계를 도시한 단면도

도 2a 내지 도 2h 는 본 발명의 기술에 따른 전계방출소자의 메탈 팁 제조공정단계를 도시한 단면도

도 3 은 본 발명의 방법에 따라 메탈 팁이 완성된 전계방출소자의 사시도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1, 21 : 기판 3 : 실리콘 산화막

5 : 메탈 6 : 홀

7,25 : Al 금속 9 : Mo

23 : 제1 금속층(Cr) 27 : 제1산화막(디스크 마스크) 29 : 알루미나(Al₂O₃) 31 : DLC

33 : 폴리이미드 35 : 제2산화막

37 : 제2금속층(Mo) 39 : 감광막

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본발명에 따른 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법의 특징은,

유리기판상에 소정금속을 스퍼터링하여 소정 두께의 제 1 금속층을 형성하는 단계와,

상기 제 1 금속층 상부에 Al 금속 스퍼터링하여 일정 두께의 Al 금속층을 형성하는 단계와,

상기 Al 금속층 상부에 제1 산화막을 소정두께로 형성한 후, 패터닝하여 소정 직경의 산화막 디스크 마스크를 형성하는 단계와,

상기 산화막 디스크 마스크를 이용하여 하부의 Al 금속층을 등방성 식각하여 에미터 팁을 형성하는 단계와,

상기 Al 메탈 팁 표면에 Al 금속층을 산화시켜 알루미나(Al₂O₃)를 형성하는 단계와,

상기 전체 구조물을 BHF 용액에 담궈 상기 알루미나층과 상기 산화막 디스크 마스크를 제거하는 단계와,

상기 노출된 Al 메탈 팁의 전면에 DLC를 전면 도포하는 단계와,

상기 DLC가 전면 코팅된 구조의 상부에 폴리이미드로 메우되, 상기 메탈 팁의 선단부 아래까지 메우는 단계와,

전체구조 상부에 소정 두께의 제2 산화막을 형성한 후, 그 상부에 소정금속을 증착하여 제2 금속층을 형성하는 단계와,

상부층에 감광막을 형성한 후, 상부 감광막이 형성되지 않는 제2 금속층의 상부 돌출부위를 식각한 다음, 그 하부의 제2 산화막을 식각해내는 단계와,

상부의 감광막을 제거하는 단계를 포함함에 있다.

이하, 본 발명에 따른 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2a 내지 도 2h 는 본 발명의 방법에 전계 방출소자의 메탈 팁형성 공정단계를 도시한 단면도이다.

먼저, 유리기판(21)상에 소정금속 예컨데, 크롬(Cr)을 스퍼터링하여 소정 두께 예컨데, 약 2000∼3000Å 두께로 도포하여 제1 금속층(23)을 형성한다. 다음 상기 제1 금속층(23) 상부에 Al 금속(25)을 동일하게 스퍼터링하여 약 1∼2 ㎛ 두께의 Al 금속층(25)을 형성한다. 그 후, 상기 Al 금속층(25) 상부에 제1산화막을 소정두께 예컨데, 약 1500∼2000Å의 두께로 형성한 후, 패터닝하여 대략 1 ㎛ 내외의 직경을 갖는 디스크 마스크(27)를 형성한다.

이때 상기 제1산화막 형성시 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)방법으로 형성한다. (도 2a 참조)

다음 상기 산화막 디스크 마스크(27)를 이용하여 하부의 Al 금속층(25)을 등방성 식각하되, Al 금속층(25) 상부의 네크(neck) 부위가 800∼1,000Å 되기까지 식각한다.

이때 상기 등방성 식각으로서 습식식각이나 반응성 이온식각(reactive ion etching; 이하 RIE라 칭함) 등의 방법으로 식각하여 에미터 팁을 형성한다.(도 2b 참조)

다음 팁 형상으로 형성된 Al 금속층(25)의 상부 표면에 소정의 혼합물속에서 양극 산화법을 수행하여 상기 Al 표면(25)에 알루미나(Al₂O₃)를 형성한다.

이때 상기 혼합용액은 에틸렌 글리콜과 약 3%의 타타락 에시드(tartaric acid)가 섞인 암모니아 혼합물을 사용한다.(도 2c 참조)

다음 상기 Al 금속층(25)을 깊이 산화시켜 형성된 알루미나층(29)과 상기 산화막 디스크 마스크(27)를 제거하기 위해 BHF(Buffered HF)용액에 담궈 제거한다.(도 2d 참조)

노출된 Al 팁(25)의 전면에 DLC(Diamond Like Carbon)(31)를 전면 도포한다.(도 2e 참조)

상기 DLC(31)가 전면 코팅된 구조의 상부에 SOG(Spin On Glass) 법을 이용하여 폴리이미드(Polyimid)로 메우되, 메탈 팁(26)의 단부 아래까지 메운다.

그 후 다시 전체구조 상부에 소정 두께의 제2산화막(35)을 형성하고, 그 상부에 소정금속 예컨데, Mo 을 약 3,000Å 의 두께로 증착하여 제2 금속층(37)을 형성한다.

이때, 상기 제2산화막(35)의 형성은 실리콘 산화막으로 하고, 산화막 형성두께는 상기 폴리이미드(33)의 상부와 노출된 메탈 팁(26)의 상단부까지 완전히 덮을 정도의 두께로 하며, 메탈 팁(26)이 위치한 상부부위는 도시된 바와 같이 상부로 돌출되어 나온다..(도 2f 참조)

다음 상부층에 감광막(39)을 형성한 후, 상부 감광막(39)이 형성되지 않는 상부 돌출부위를 메탈 에쳔트(Metal Etchant) 속에서 식각하여 상부의 금속 즉, Mo (37)를 제거한 다음, 계속하여 그 하부의 산화막(35)도 식각해낸다.

이때 식각되어 제거되는 부위의 형상은 도 2g 의 라인(40)과 같이 된다. (도 2g 참조)

다음 상부의 감광막(39)을 제거해낸다. (도 2h 참조)

한편 도 3 은 본 발명의 방법에 따라 메탈 팁이 완성된 전계방출소자의 사시도이다.

상기와 같은 본 발명의 메탈 팁 형성공정단계에서는, 종래의 Spindt 방법을 사용할 경우 필수적으로 메탈 팁 형성을 위해 필수적으로 수행되는 전자-빔 주사공정을 줄일 수 있으며, 동시에 유리기판의 사용으로 대면적의 필드 에미터 어래이를 형성할 수 있다. 또한 DLC를 증착하여 낮은 구동전압을 사용할 수 있도록 하는 특징이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전계 방출표시소자의 메탈 팁 형성방법은 다음과 같은 몇가지의 효과를 가진다.

첫째, 메탈 팁을 형성하기 위해 사용하던 종래의 전자-빔 주사공정을 생략함으로 제조공정의 단순화로 인한 제조원가를 낮출 수 있다.

둘째, 종래의 메탈 팁 형성과정에서 팁 형성후 팁의 상부에 형성된 분리층을 벗겨내는(lift off) 과정에서 팁의 쇼트 내지는 팁의 제조수율이 낮아지는 문제를 본 발명에서는 근본적으로 해결하였다.

셋째, 에치백 공정을 이용하므로 팁과 게이트간의 조절하므로써 낮은 구동전압에서 동작할 수 있는 FEA 구조물을 제조할 서 있다.

넷째, Al 팁은 경도(hardness)가 약해서 구동중 형광체 및 진공중의 이온입자에 의한 재 스퍼터링되기 쉬운 약점을 DLC 코팅으로 Al 팁을 보할 수 있다.

다섯째, Al 메탈 팁을 깊이 산화시키는 과정(shapening oxidation) 후 BHF 용액에 의해 형성된 Al 팁의 날카로움(sharpeness)는 다소 무뎌질 수 있으나 DLC 코팅으로 낮은 구동전압으로 높은 방출특성을 나타내게 함으로 메탈 팁 단부의 무뎌짐을 보상할 수 있다.

여섯째, 유리기판위의 가공이므로 대면적의 FEA(Field Emitter Array) 제조를 가능하게 한다.

Claims (8)

1. 유리기판상에 소정금속을 스퍼터링하여 소정 두께의 제 1 금속층을 형성하는 단계와,

   상기 제 1 금속층 상부에 Al 금속 스퍼터링하여 일정 두께의 Al 금속층을 형성하는 단계와,

   상기 Al 금속층 상부에 제1 산화막을 소정두께로 형성한 후, 패터닝하여 소정 직경의 산화막 디스크 마스크를 형성하는 단계와,

   상기 산화막 디스크 마스크를 이용하여 하부의 Al 금속층을 등방성 식각하여 에미터 팁을 형성하는 단계와,

   상기 Al 메탈 팁 표면에 Al 금속층을 산화시켜 알루미나(Al₂O₃)를 형성하는 단계와,

   상기 전체 구조물을 BHF 용액에 담궈 상기 알루미나층과 상기 산화막 디스크 마스크를 제거하는 단계와,

   상기 노출된 Al 메탈 팁의 전면에 DLC를 전면 도포하는 단계와,

   상기 DLC가 전면 코팅된 구조의 상부에 폴리이미드로 메우되, 상기 메탈 팁의 선단부 아래까지 메우는 단계와,

   전체구조 상부에 소정 두께의 제2 산화막을 형성한 후, 그 상부에 소정금속을 증착하여 제2 금속층을 형성하는 단계와,

   상부층에 감광막을 형성한 후, 상부 감광막이 형성되지 않는 제2 금속층의 상부 돌출부위를 식각한 다음, 그 하부의 제2 산화막을 식각해내는 단계와,

   상부의 감광막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 금속층의 금속으로 Cr 을 사용하고, 그 두께는 2000∼3000Å 로 하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 산화막은 실리콘 산화막으로 형성하고, 그 두께를 2000∼3000Å 로 하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 Al 금속층을 식각하여 에미터 팁을 형성할 습식식각이나 RIE 방법으로 하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 Al 금속층을 등방성 식각하여 에미터 팁을 형성할 시, 에미터 팁의 상부의 네크(neck) 부위의 폭이 800∼1,000Å 되기까지 식각하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 팁 형상의 Al 금속표면에 알루미나(Al₂O₃)를 형성하기 위해 사용되는 혼합용액은 에틸렌 글리콜과 약 3%의 타타락 에시드(tartaric acid)가 섞인 암모니아 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 DLC가 코팅된 전면에 폴리이미드를 SOG 법을 이용하여 메우는 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2금속층은 Mo 금속으로 형성되고, 그 두께는 2000∼3,000Å 의 두께로 하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 메탈 팁 형성방법.