KR20000021123A - 전계방출소자와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계방출 디스플레이나 기타 진공중에서의 전자방출을 위해 이용되는 전계방출소자와 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 전계방출소자는 임의의 기판 위에 공통으로 형성된 음극과, 음극 상에 형성된 구조물과, 구조물의 측면과 음극의 표면에 도포된 이미터박막과, 구조물 주변의 이미터박막 위에 적층된 절연막과 게이트막을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 저일함수 및 고융점을 갖는 TiN 등의 재료를 이미터의 재료로 적용함으로써 구동전압, 즉 턴-온(Turn-on) 전압을 감소시킬 수 있고 방출전류를 증가시킬 수 있으며 안정적인 재료의 채용으로 인하여 이미터의 수명을 증가시킬 수 있게 된다.

Description

전계방출소자와 그 제조방법 (Field Emission Device and Fabrication Method thereof)

본 발명은 전계방출 디스플레이나 기타 진공중에서의 전자방출을 위해 이용되는 전계방출소자와 그 제조방법에 관한 것이다.

오늘날, 멀티미디어(Multimedia)의 발달과 함께 중요한 역할을 담당하는 디스플레이(Dispaly)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 없어 박형, 중량, 소비전력 등과 같운 문제를 제외하면 현재로는 음극선관(CRT)이 가장 이상적인 디스플레이 장치이다.

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 구현할 수 있는 가능성이 높다.

일반적으로, FED는 종래의 진공관과 같이 3극관이지만 열음극(Hot Cathod)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.

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 이 이미터 팁(14)의 첨예부에 인접하게 위치하는 게이트막(18)에 인가되는 전압으로 형성된 고전계에 의해 진공중으로 전자를 방출하게 된다. 이렇게, 이미터 팁(14)으로부터 방출된 전자는 음극(12)과 양극(22) 간에 인가되는 전압에 의해 가속되어 양극(12)에 형성된 형광체(24)에 충돌하여 발광시키게 된다.

이와 같이, FED에 적용되고 있는 전계방출소자로는 도 1에 도시된 바와 같이 팁(Tip) 형태가 대표적이다. 이 팁 형태의 전계방출소자는 크게 몰리브덴(Mo) 물질을 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(100℃)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 불가능함으로써 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 문제점이 있다.

한편, 고융점의 몰리브덴(Mo)을 전자빔 증착방법에 의해 팁을 형성하는 스핀트형 이미터의 경우 실리콘 팁에 비하여 팁의 수명이 긴 장점이 있으나 제조공정이 복잡하다는 문제점이 있다.

도 2를 참조하면, 스핀트법(즉, 회전증착법)에 의해 제조된 팁 형상의 전계방출소자에 대한 단면도가 도시되어 있다.

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)를 형성하게 된다. 그리고, 게이트막(18)에 증착된 몰리브덴 물질을 제거하여 전계방출소자를 완성하게 된다.

이와 같이, 스핀트형의 이미터는 몰리브덴(Mo) 막의 전자빔 증착시 빔의 각도 조절등이 요구되므로 대형 기판에 소자를 구현하는 경우 팁 형상이 불균일하여 특정 팁에만 전자방출이 집중되어 쉽게 팁이 파손되는 경우가 발생함으로써 대형의 디스플레이 제조에는 그 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. 따라서, 긴수명과 고효율의 전자방출 특성을 갖는 다양한 이미터 재료의 응용이 가능하고 유리와 같은 저가의 기판의 사용이 가능하며 쉽게 대형화가 가능하도록 제조공정이 간단하고 이미터의 균일성 확보가 용이한 새로운 형태의 이미터 구조 및 그 제조공정이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 긴수명과 고효율의 전자방출특성을 갖는 다양한 이미터 재료의 응용과 저가의 기판사용이 가능한 전계방출소자와 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 쉽게 대형화가 가능하도록 제조공정이 간단한 전계방출소자와 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이미터의 균일성 확보가 용이한 전계방출소자와 그 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 전계방출디스플레이의 기본구조를 나타내는 단면도.

도 2는 스핀트법에 의해 제조된 팁 형상의 전계방출소자에 대한 단면도.

도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 전계방출소자를 나타낸 단면도.

도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시 예에 따른 전계방출소자의 제조방법을 단계적으로 설명하기 위한 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10, 30 : 하부기판 12, 32 : 음극

14 : 이미터 팁 16, 38 : 절연층

18, 40 : 게이트층 20 : 상부기판

22 : 양극 24 : 형광체

34 : 구조물 36 : 이미터박막

42 : 마스크패턴

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전계방출소자는 임의의 기판 위에 공통으로 형성된 음극과, 음극 상에 형성된 구조물과, 구조물의 측면과 음극의 표면에 도포된 이미터박막과, 구조물 주변의 이미터박막 위에 적층된 절연막과 게이트막을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전계방출소자 제조방법은 임의의 기판 상에 음극을 형성하는 제1 단계와, 음극 상에 마스크패턴을 이용하여 삼각형상의 단면을 갖는 구조물을 형성하는 제2 단계와, 음극의 표면의 구조물의 측면 상에 이미터박막을 도포하는 제3 단계와, 구조물 주변의 이미터박막 위에 절연막과 게이트막을 적층하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 3 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전계방출소자의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 3에 도시된 전계방출소자는 하부기판(30) 상에 형성된 음극(32)과, 음극(32) 상에 형성된 복수개의 구조물(34)과, 구조물(34)과 음극(32)의 표면에 형성된 이미터박막(36)과, 음극(32)의 이미터박막(36) 상에 적층된 절연막(38)과 게이트막(40)을 구비한다.

도 3에 도시된 전계방출소자에서 이미터박막(36)은 산화규소(SiO2), 실리콘(Si), 금속(Metal) 등과 재질로 이루어진 구조물(34)의 측면에 형성되어 있다. 이 이미터박막(36)의 재질로는 몰리브덴(Mo) 등의 금속뿐만 아니라 TiN, LaB6 등과 같은 저일함수 재료가 사용될 수 있게 된다. 그리고, 전체적인 이미터(36)는 콘(Cone) 형태의 기본 구조물(34)의 측면에 이미터가 형성된 콘-볼카노 타입(Cone-Volcano Type) 뿐만 아니라 웨지 타입(Wedge Type)과 같은 기본 구조물에 이미터가 형성된 웨지-볼카노 타입(Wedge-Volcano Type)이 가능하다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전계방출소자 제조방법을 단계적으로 설명하기 위한 단면도를 도시한 것이다.

도 4a를 참조하면, 기판(30) 상에 적층된 음극(32) 및 구조물 박막(34A)과, 구조물 박막(34A) 상에 형성된 마스크 패턴(Mask Pattern)(42)이 도시되어 있다. 기판(30)은 저가의 유리(Glass) 재질로 이루어진다. 음극(32)은 기판(32) 위에 스퍼터링(Sputtering)이나 전자빔 증착법 등과 같은 박막 성막법에 의해 형성된다. 이 음극(32)의 재질로는 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu) 등을 이용한다. 구조물 박막(34A)은 상기와 같은 박막 성막법에 의해 음극(32) 위에 형성되게 된다. 이 구조물 박막(34A)의 재질로는 산화규소(SiO2), 실리콘(Si), 기타 금속물질을 이용한다. 마스크 패턴(42)은 구조물 박막(34A)의 에칭을 위하여 형성된 것으로서, 이는 금속재질의 하드 마스크(Hard Mask)를 구조물 박막(34A) 위에 도포한 후 리소그라피(Lithography) 공정에 의해 원하는 크기 및 형태로 패턴화함으로써 형성되게 된다. 이 마스크 패턴(42)의 형태로는 원형의 디스크 형태나 직사각형의 형태가 적용될 수 있다. 여기서, 원형의 마스크 패턴(42)을 이용하여 구조물 박막(34A)를 에칭하는 경우 콘-볼카노 타입의 구조물이 형성되게 되고, 직사각형의 마스크 패턴(42)을 이용하는 경우 웨지-볼카노 타입의 구조물이 형성되게 된다. 그리고, 하드마스크의 재료로는 구조물 박막(34A)의 에칭시 에칭이 되지 않도록 에칭 선택도(Selectivity)가 물질이 사용되게 된다. 예를 들어, 에칭선택도가 큰 금속재질이나 Si3N4 등이 이용되게 된다.

그 다음, 이러한 마스크 패턴(42)를 통해 노출된 구조물 박막(34A)을 에칭하여 도 4b에 도시된 바와 같이 콘 형태의 구조물(34B)을 형성한다. 이 콘 형태의 구조물(34B)은 반응성이온에칭(RIE) 또는 습식에칭 등을 이용하여 마스크 패턴(42)을 통해 노출된 구조물 박막(34A)을 측면이 경사지게끔 에칭함으로써 형성되게 된다. 이때, 구조물(34B)의 경사도는 에칭조건을 조절하여 최적으로 설정할 수 있다. 예컨데, 반응성이온에칭(RIE)의 경우 가스종류와 농도비, 반응성이온에칭(RIE)의 전력, 진공도 등을 조절하고 습식에칭의 경우 에칭용액의 종류와 농도비, 에칭시간 등을 조절하게 된다.

도 4c를 참조하면, 구조물(34B)의 측벽과 음극(32) 빛 마스크패턴(42)의 표면에 형성된 이미터 박막(36)이 도시되어 있다. 이 이미터박막(36)은 스퍼터링 방식에 의해 구조물(34B)의 측벽과 음극(32) 및 마스크패턴(42)의 표면에 형성되게 된다. 이때, 스퍼터링의 조건 즉, 압력 및 전력 등을 조절하여 원하는 이미터 박막(36)의 두께를 설정할 수 있다. 이 이미터박막(36)의 재질로는 저일함수(예컨데, 2.9eV : 몰리브덴의 경우 4.3eV)와, 고융점(예컨데, 3000℃)의 재료적 특성을 갖는 TiN 박막 뿐만 아니라 전도성을 갖는 ZrN, HfN 등의 질화물, ZrC, HfC 등의 산화물 또는 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta) 등의 금속재질 등 다향한 재료를 적용할 수 있게 된다.

이어서, 도 4d에 도시된 바와 같이 이미터박막(36) 위에 절연막(38)과 게이트막(40)이 순차적으로 적층하게 된다. 절연막(38)은 전자빔 증착방법에 의해 이미터박막(36) 위에 형성되며 산화규소(SiO2)로 이루어진다. 게이트막(40) 또한 전자빔 증착방법에 의해 절연막(38) 위에 형성되며 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등으로 이루어진다. 이때, 구조물(34B)의 측벽에 형성된 이미터(36)에 상기 절연막(38)과 게이트막(40)이 증착되지 않도록 증착조건, 즉 증착속도와 입사빔의 각도 등을 적당히 조절한다.

그리고, 도 4e에 도시된 바와 같이 구조물(34B) 위의 마스크패턴(42)을 제거하게 된다. 이 마스크패턴(42)은 그 위의 이미터박막(36)과 절연막(38) 및 게이트막(42)과 함께 습식에칭에 의해 제거된다. 이에 따라, 별도의 리소그리피 공정이 필요없이 셀프 얼라인(Self Align)에 의해 3극 진공관(Triode) 형태가 완성되게 된다.

최종적으로, 산화규소(SiO2) 에칭액을 이용하여 이미터박막(36)의 안쪽 구조물(34B)을 에칭하여 도 4f에 도시된 바와 같이 볼카노형의 구조물(34)을 형성하게 된다. 이에 따라, 구조물(34)의 측벽에 형성된 이미터박막(36)의 두께가 얇을 경우 종래의 실리콘 팁과 같이 별도의 팁 첨예화 공정이 필요없이 고특성의 이미터 제조가 가능하게 된다.

또한, 이미터(36) 성막의 구조물로서 절연체인 산화규소(SiO2) 대신에 전기전도 및 열전달이 용이한 몰리브덴(Mo)과 크롬(Cr) 등의 금속재질을 사용할 수도 있다. 이 경우, 이미터(36)로의 전류공급을 원할하게하여 전자방출시 이미터에 누적된 열을 쉽게 기판(30) 쪽으로 방출시킬 수 있으므로 이미터(36)의 수명면에서도 유리하게 된다. 그리고, 구조물(34)의 선택에 따라 이미터(36) 및 게이트(40)의 재료는 구조물(34)과 에칭선택도가 큰 재료를 선택해야 하며, 구조물(34)은 에칭시 에칭면이 깨끗하고 에칭조건에 의해 쉽게 구조물(34)의 측면 경사도가 조절되는 재료를 선택하는 것이 좋다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전계방출소자와 그 제조방법에 의하면 저일함수 및 고융점을 갖는 TiN 등의 재료를 이미터의 재료로 적용함으로써 구동전압, 즉 턴-온(Turn-on) 전압을 감소시킬 수 있고 방출전류를 증가시킬 수 있으며 안정적인 재료의 채용으로 인하여 이미터의 수명을 증가시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 전계방출소자와 그 제조방법에 의하면 스퍼터링에 의한 이미터박막의 두께 조절만으로도 첨예한 이미터를 제조하는 것이 가능하여 종래의 실리콘 팁과 같이 열산화공정에 의한 팁의 첨예화 공정이 불필요하므로 대형화에 적합한 저가의 유리기판을 사용할 수 있게 된다.

더불어, 본 발명에 따른 전계방출소자와 그 제조방법에 의하면 셀프 얼라인에 의해 간단하게 3극 진공관 구조의 소자제작이 가능하여 제조원가의 측면에서도 유리하며, 종래의 팁 타입에 비해 전자방출 면적이 증가하여 방출전류가 크고 안정적인 고특성의 소자제작이 가능하게 된다.

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.

Claims (15)

1. 임의의 기판 위에 공통으로 형성된 음극과,

   상기 음극 상에 형성된 구조물과,

   상기 구조물의 측면과 음극의 표면에 도포된 이미터박막과,

   상기 구조물 주변의 이미터박막 위에 적층된 절연막과 게이트막을 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 구조물은 절연물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 구조물은 전기전도 및 열전달이 용이한 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 이미터박막은 저일함수 및 고융점의 특성과 전도성을 갖는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 구조물은 콘-볼카노(Cone-volcano) 형상인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 구조물은 웨지-볼카노(Wedge-volcano) 형상인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
7. 임의의 기판 상에 음극을 형성하는 제1 단계와,

   상기 음극 상에 마스크패턴을 이용하여 삼각형상의 단면을 갖는 구조물을 형성하는 제2 단계와,

   상기 음극의 표면의 구조물의 측면 상에 이미터박막을 도포하는 제3 단계와,

   상기 상기 구조물 주변의 이미터박막 위에 절연막과 게이트막을 적층하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제2 단계는

   상기 음극 상에 구조물박막을 형성하는 단계와,

   상기 구조물박막 위에 마스크패턴을 형성하는 단계와,

   상기 마스크패턴을 이용한 리소그파피공정에 의해 상기 구조물박막을 에칭하여 상기 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 마스크패턴이 원형의 형태인 경우 상기 구조물은 콘(Cone) 형상인 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 마스크패턴이 직사각형의 형태인 경우 상기 구조물은 웨지(Wedge) 형상인 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
11. 제 7 항에 있어서,

    상기 구조물의 재료로는 절연물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
12. 제 7 항에 있어서,

    상기 구조물의 재료로는 전기전도 및 열전달이 용이한 금속재질을 이용하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
13. 제 7 항에 있어서,

    상기 이미터박막의 재료로는 저일함수 및 고융점의 특성과 전도성을 갖는 재질을 이용하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
14. 제 7 항에 있어서,

    상기 이미터박막은 스퍼터링 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
15. 제 7 항에 있어서,

    상기 4단계는

    상기 이미터박막 상에 전자빔 증착공정을 이용하여 절연막과 게이트막을 순차적으로 적층하는 단계와,

    상기 구조물 위에 적층된 마스크패턴과 절연막 및 게이트막을 제거하는 단계와,

    상기 이미터박막 안쪽의 구조물의 끝부를 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.