KR20000041636A - 평면형 비임 진공관 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체기판 또는 절연기판을 이용하여 제조하는 고체전자소자를 대체할 수 있는 진공관 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 절연기판(11) 위에 화학기상증착법으로 실리콘 산화막(1)을 일정 두께로 형성하는 공정과; 텅스텐, 크롬, 몰리브덴 등의 일함수가 작은 금속재료를 RF스퍼트링방법으로 도포하고 사진식각방법을 사용하여 선택영역 이외의 부분을 식각하는 방법으로 한층의 금속선을 형성하는 공정과; 실리콘 산화막을 도포하고 전기적 접촉을 위한 개구부를 사진식각방법을 사용하여 일정영역을 개구한 후 금속막을 동일한 두께로 도포한 다음 사진식각방법을 사용하여 선택 영역 이외의 부분은 제외하고 금속부분을 식각하는 방법으로 금속선을 형성하는 공정과; 금속선을 형성하는 공정을 순차적으로 수회 실시하는 방법에 의해 다층 금속선을 형성하는 공정으로 이루어져 비임 진공관 소자를 평면형으로 제조할 수 있으며, 비임 진공관 소자가 갖는 여러 가지 장점들을 반도체 집적회로 제조공정에 사용하여 제조할 수 있는 장점이 있는 것이다.

Description

평면형 비임 진공관 소자 및 그 제조방법

본 발명은 반도체기판 또는 절연기판을 이용하여 제조하는 고체전자소자를 대체할 수 있는 진공관 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 반도체 집적회로 제조공정의 다층 금속선 배선 형성공정을 이용하여 진공관소자를 평면구조로 제조하는 방법에 의해 진공관 소자의 소형화 및 집적화 하는 것이 용이하며, 동시에 플레너(planar) 공정특성을 이용하여 비임 진공관소자의 그리드 1,2의 그물눈을 수백nm 정도까지 정교하게 제조하는 것이 용이한 평면형 비임 진공관 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

고체전자소자 또는 반도체소자가 발명된 이후 지금까지 대표적인 능동소자로 바이폴라 트랜지스터, 전계효과 트랜지스터가 있으며, 이외에도 매우 다양한 동작특성을 갖는 소자들이 있다. 그러나 고체전자소자는 전자가 고체속을 이동할 때 격자진동, 불순물, 결함등에 의한 산란현상으로 인하여 전자의 이동속도가 제한되고, 많은 열이 발생하여 고주파 영역에서 동작할때 전력소모가 매우 크며, 노이즈 발생원인으로도 작용한다. 또한 고체전자소자는 온도에 따른 전자의 움직임이 매우 민감하기 때문에 사용할 수 있는 온도영역이 매우 좁고, 빛과 방사선에 의하여 발생하는 소프트 에러로 소자가 오동작하거나 성능이 현저히 감소한다. 따라서 고체전자소자는 환경적 요인에 매우 민감하여 위성통신과 자동차내의 통신환경에서는 사용상의 제약이 많이 따르게 된다. 이상의 제 문제점들을 극복하기 위하여 다양한 소재와 다양한 형태의 소자들이 연구되고 있다.

지금까지 반도체 집적회로 제조공정을 이용하여 연구된 진공관 소자는 비가열 캐소드 구조로서 전계방출에 의해 전자를 방출하는 방식인 전계방출 진공관 소자가 대표적이다. 그리고 전계방출에 의한 전자의 운동을 이용하여 FED(field emission display)의 제조에 응용하기도 하고, 다이오드 구조 또는 트라이오드(triode) 즉 삼극진공관소자 제조에 이용하기도 한다. 이와같은 전계방출 소자는 전자를 방출하기 위한 전극인 캐소드전극의 날카로운 정도가 전자방출을 일으키기 위하여 캐소드 전압의 크기에 매우 민감하게 연관되어 있는 공정기술로 알려져 있다. 그리고 캐소드 모양이 뾰족하고 끝 부분의 반경이 수십 Å이하로 매우 정교하게 가공되면 될수록 캐소드에 대하여 동일한 전압이 공급되는 조건에서도 캐소드 전극 팁의 끝에서 형성되는 전계의 크기는 상대적으로 증가하기 때문에 많은 수의 전자를 방출할 수 있다. 때문에 전계효과에 의한 전자방출을 위하여 제조되는 캐소드 팁의 끝 부분 반경을 매우 작게 하는 것이 연구의 주요한 관심사가 되고 있다. 그렇지만 캐소드 모양 및 끝 부분의 반경이 수십 Å이하인 경우에도 전계방출에 의해 전자를 캐소드 전극으로부터 방출하기 위하여 필요한 전압의 크기는 수십 볼트 이상의 전압을 필요로 하고 있는 실정이다.

또한 캐소드 전극의 모양이 매우 날카로우며 날카로운 정도에 따라 소자를 동작시키는데 필요한 전압의 크기가 매우 민감하게 변화하기때문에 상대적으로 캐소드전극 끝부분에서의 산화와 같은 미세한 물성의 변화에도 소자의 안정도 및 재현성을 유지함에 있어서 장애요인으로 등장한다. 이와 같은 기술적 문제점들은 전계방출 진공관 소자를 상업적으로 활용함에 있어서 매우 어려운 과제이며, 동시에 전계효과 진공관소자의 턴온(turn on) 전압을 낮추기 위하여 캐소드 전극의 끝을 매우 날카롭게 가공해야 하는 기술적 어려움도 동시에 가지고 있다고 할 수 있다.

고체전자 소자가 열전자 방출 방식의 진공관소자를 대체하여 사용되기 이전의 전자관 즉 진공관소자는 이극진공관 소자, 삼극 진공관 소자, 사극 진공관소자, 오극진공관 소자등 제조방법에 따라 다양한 구조의 진공관소자가 만들어져 사용되었다. 그러나 종래의 진공관 소자는 금속으로 전극을 형성한 후 원통형의 유리관에 진공상태로 밀폐하는 구조를 하고 있으므로 진공관 소자의 크기가 매우크고 크기가 큰 진공관소자의 캐소드를 가열하기 위하여 사용되는 발열체도 동시에 큰 용량을 가져야만 했다. 즉 소형화가 곤란하였기 때문에 진공관소자에서 방출되는 방열량도 상대적으로 증가하여 열이 많이 나는 사용상의 문제점도 가지게 되었다.

따라서 반도체 집적회로 제조공정기술을 이용한 고체전자소자들이 가볍고, 소형화에 유리하였다. 이와 같은 이유로 고체전자 소자가 널리 사용되기 시작한 이후부터 종래의 진공관소자는 급속히 용도가 감소하였다. 가장 간단한 구조의 전자관은 캐소드(cathode:음극)와 애노드(anode 또는 plate:양극)의 두개의 전극을 약 10^-7torr 이하의 진공의 유리관 또는 금속관내에 넣은 이극진공관이다. 그리고 이극진공관에 한개의 전극(grid 또는 gate)을 캐소드와 에노드 사이에 설치한 삼극진공관, 차폐그리드를 설치한 사극진공관 등의 구조로 종래에 사용되었다. 이외에도 증폭율을 가변할 수 있도록 제조한 가변증폭관, 사극관이면서도 오극관과 같은 억제그리드 작용을 함으로서 부성저항 특성을 제거하는 진공관소자인 빔(beam)출력관, 복합관, 그리고 다양한 구조와 특성을 가지는 초고주파관등이 사용된 바 있다. 특히 빔출력관은 4극관이면서도 5극관과 같은 억제그리드 작용을 함으로서 부성저항특성을 제거하는 진공관이다. 억제그리드의 원리를 설명하면 캐소드에서 방출된 전자가 그리드 1과 그리드 2의 정전계의 영향을 받아 빛의 집속작용 처럼 그리드 2와 애노드 사이에서 전자의 집속현상이 나타난다. 이와 같은 현상에 의해 집속된 전자의 밀도는 높으므로 이부근의 전위는 저전위로 나타나서 마치 오극관의 억제그리드의 작용과 같이 애노드에서 방출된 2차전자를 억제할 수 있다. 빔출력관의 특징은 두개의 그리드 피치가 일치하므로 그리드 2를 흐르는 전류가 작고 효율이 우수하며, 캐소드에서 방출된 전자의 대부분은 애노드에 도달하기 때문에 애노드 전압이 낮아도 애노드 전류는 그다지 크게 변화되지 않는다. 따라서 오극진공관과 빔출력관을 비교해보면, 차폐그리드를 흐르는 전류는 오극진공관에서는 크지만 빔출력관에서는 작으므로 빔출력관의 효율은 오히려 5극진공관 보다 좋다. 전류-전압 특성에 있어서도 빔출력관의 특성이 포화시간이 짧고, 일그러짐이 적으며, 반면에 출력은 크다. 그러나 빔출력관구조에서는 두개의 그리드 그물 피치를 매우 정교하게 일치시켜야 하는 점에 있어서 종래의 방법으로는 제조하기가 어려운 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 진공관소자의 제반결점 및 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 진공관소자의 소형화 및 집적화가 용이하며, 동시에 전자가 고체속 보다 진공중에서 비행하는 속도가 더 빠른 효과를 이용한 초고주파소자로 사용할 수 있고, 사용온도 범위가 고체전자소자 보다 넓고, 빛과 방사선 등에 의한 노이즈 효과 및 소프트 에러를 크게 감소시킬 수 있으며, 고체전자소자 보다 산란현상이 크게 감소하여 집적화에 의한 초고속 동작에 의해 기가헤르츠 이상의 초고주파 대역에서 동작하는 평면형 비임 진공관 소자 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.

도 1은 본 발명 평면형 비임 진공관 소자의 평면도

도 2는 도 1의 a-a'부분 단면도

도 3은 도 1의 b-b'부분 단면도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 기상증착법으로 도포한 실리콘산화막 2 : 애노드전극

3 : 애노드전극의 전기적 접촉부 4 : 그리드 2

5 : 그리드 2의 전기적 접촉부

6 : 실리콘 산화막이 제거된 절연기판 7 : 캐소드전극

8 : 캐소드전극의 전기적 접촉부 9 : 그리드 1

10 : 그리드 1의 전기적 접촉부 11 : 절연기판

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 절연기판(11) 위에 화학기상증착법으로 실리콘 산화막(1)을 일정 두께로 형성하는 공정과; 텅스텐, 크롬, 몰리브덴 등의 일함수가 작은 금속재료를 RF스퍼트링방법으로 도포하고 사진식각방법을 사용하여 선택영역 이외의 부분을 식각하는 방법으로 한층의 금속선을 형성하는 공정과; 실리콘 산화막을 도포하고 전기적 접촉을 위한 개구부를 사진식각방법을 사용하여 일정영역을 개구한 후 금속막을 동일한 두께로 도포한 다음 사진식각방법을 사용하여 선택 영역 이외의 부분은 제외하고 금속부분을 식각하는 방법으로 금속선을 형성하는 공정과; 금속선을 형성하는 공정을 순차적으로 수회 실시하는 방법에 의해 다층 금속선을 형성하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기한 본 발명의 기술적 핵심내용은 절연기판위에 다층금속막 제조공정 방법을 사용하여 그리드 1과 그리드 2의 그물눈을 일치시킴과 동시에 그물눈의 간격도 수백nm 정도로 매우 촘촘하게 제작하며, 다층 금속선간의 배선을 위한 개구부를 통하여 전기적 접촉을 시켜줌으로서 평면형 비임 진공관 소자를 제조하는 것이다. 이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 평면형 비임 진공관 소자의 평면도로서, 절연기판(11) 위에 화학기상 증착법으로 균일한 막 두께를 갖는 실리콘 산화막(1)과 금속 배선형성 공정기술을 이용한 적층식 구조를 갖는 애노드(7), 캐소드(2) 및 그리드 1(9), 그리드 2(4)의 구조를 나타내고 있다. 애노드(7)와 그리드 1(9),그리드 2(4) 사이의 전압차에 의해 방출되는 전자가 진공속으로 그리드 1(9), 그리드 2(4)를 통과하면서 비행할 수 있도록 실리콘 산화막(1)이 선택적으로 식각된 영역(6)을 포함하고 있으며, 다층구조의 금속배선 형성공정 과 사진식각공정에 의해 형성된 금속막들을 상하로 모두 연결시켜 전기적 접촉을 이루게 하기 위한 개구부(3,5,8,10)가 애노드, 캐소드 그리고 그리드 1, 2 에 각각 설치되어 있다. 이와 같은 구조의 비임 진공관 소자는 4극관이면서도 5극진공관 소자와 같은 억제그리드 작용을 함으로서 4극진공관에서 나타나는 부성저항 특성을 제거해줄 수 있는 구조를 구현한 것이다. 비임 진공관소자를 5극진공관 소자와 비교해 보면, 그리드의 수가 1개 작은 구조를 하고 있으므로 해서 전류 전달효율이 증가하는 장점이 있으며, 동시에 출력파형의 일그러짐이 적고, 출력이 큰 장점이 있는 반면에 제조방법이 복잡한 단점이 있었다. 그러나 본 발명의 방법으로 비임 진공관 소자를 제조하는 경우 전기적 동작특성이 우수한 평면형 진공관소자를 제조하는 것이 매우 간단해지는 특징이 있다.

도 2는 도 1에서의 a-a'부 단면 구조도를 나타낸 것으로서, 절연기판(11)위에 다층 금속배선 형성기술을 이용하여 단계적으로 쌓아간 구조를 하고 있으며, 각각 실리콘 산화막(1)을 화학기상증착법으로 일정 두께 형성한 다음 텅스텐, 크롬, 몰리브덴 등의 일함수가 작은 금속재료를 RF스퍼트링방법으로 도포하고 사진식각방법을 사용하여 선택영역 이외의 부분을 식각하는 방법으로 한층의 금속선 형성공정을 완료한다. 다음의 금속선 형성공정으로 실리콘산화막을 도포하고 전기적 접촉을 위한 개구부를 사진식각방법을 사용하여 일정영역을 개구한 다음 금속막을 동일한 두께로 도포한 다음 사진식각방법을 사용하여 선택 영역 이외의 부분은 제외하고 금속부분을 식각하는 방법으로 금속선 형성공정을 완료하며, 이상의 공정을 순차적으로 수회 실시하는 방법에 의해 다층 금속선 형성공정을 실시하며, 금속선간의 연결은 개구부를 통하여 연결되어 전기적 접촉점으로서의 역할을 유지할 수 있도록 제조하고, 캐소드(7)에서 방출된 전자가 진공중을 비행하여 애노드(2)에 도달하는 사이 구간을 제외한 부분은 모두 실리콘 산화막으로 둘러 싸인 구조를 하고 있다. 그리드 1(9)과 그리드 2(4)는 진공중에 떠있는 구조를 하고 있으며, 그리드 1, 그리드 2의 그물눈 사이의 간격은 실리콘 산화막의 도포두께 공정조건으로 결정되고, 그리드 1,그리드 2 자체의 선폭 그리고 그리드 1 과 그리드 2 사이의 폭은 사진식각 공정에서 금속부분을 식각해낼 때 포토마스크의 설계조건에 의해 결정되는 변수로 결정된다. 동시에 다층금속선 공정으로 제조된 비임 진공관 소자와 외부와의 전기적 연결은 최종적으로 제조되는 금속선 형성공정에서 포토마스크의 설계조건에 의해 연결선을 형성할 수 있다.

도 3은 도 1에서의 b-b'부 단면 구조도를 나타낸 것으로서, 도 2도와 동일한 공정순서를 실시하는 방법에 의해 제조되는 형상을 나타내고 있으며, 도 3은 진공중에 떠있는 그리드 2(4)구조를 나타내고 있다. 그리고 그리드 역시 절연기판(11)위에서 다층금속막 형성공정을 실시하며 각 층의 금속선을 전기적으로 연결하기 위한 개구부가 설정되어 있고, 개구부를 통하여 전기적 접촉이 가능하도록 형성되었으며, 전자가 이동하는 영역을 제외한 나머지 부분은 모두 실리콘 산화막으로 둘러 쌓인 구조를 하게 된다.

이상의 방법으로 다층의 금속선이 연결된 비임 진공관 소자가 전기적으로 안정된 동작을 수행할 수 있도록 마지막 공정으로 열처리 공정을 실시한다. 이공정의 목적은 각 층간의 금속선이 보다 견고히 접촉함과 동시에 전기적 저항을 줄임으로서 진공관 소자의 전기적 특성을 향상시키는 데 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명 평면형 비임 진공관의 적층식 구조 및 그의 제조방법에 의하면, 비임 진공관 소자를 평면형으로 제조할 수 있으며, 비임 진공관 소자가 갖는 여러 가지 장점들을 반도체 집적회로 제조공정을 사용하여 제조할 수 있는 특징이 있고, 다층 금속성 형성기술에 의해 비임 진공관 소자의 그리드 1과 그리드 2의 그물눈을 서로 맞추는 것이 제조공정상 매우 용이한 장점을 가지고 있다. 3극진공관 소자 등에서와 같이 진공중을 비행하는 전자의 속도가 고체속을 비행하는 고체 전자소자 보다 빠르기 때문에 통신용 소자로 응용할 수 있는 초고속 전자소자로서 연구개발되고 있는 현실을 반영하면, 비임 진공관 소자는 3극진공관 소자보다 한단계 진전된 소자의 전기적 특성을 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 절연기판(11)에 실리콘 산화막(1)이 증착되고, 적층식 구조를 갖는 애노드(7), 캐소드(2) 및 그리드 1(9), 그리드 2(4)가 다층구조를 이루되, 애노드(7)와 그리드1(9),그리드2(4) 사이의 전압차에 의해 방출되는 전자가 진공속으로 그리드 1(9), 그리드 2(4)를 통과하면서 비행할 수 있도록 상기 실리콘 산화막(1)이 선택적으로 식각된 영역(6)을 구비하고 있고, 다층구조의 금속배선 형성공정 과 사진식각공정에 의해 형성된 금속막들을 상하로 모두 연결시켜 전기적 접촉을 이루게 하기 위한 개구부(3,5,8,10)가 애노드(7), 캐소드(2) 및 그리드 1(9), 그리드 2(4) 에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평면형 비임 진공관 소자.
2. 절연기판(11) 위에 화학기상증착법으로 실리콘 산화막(1)을 일정 두께로 형성하는 공정과; 텅스텐, 크롬, 몰리브덴 등의 일함수가 작은 금속재료를 RF스퍼트링방법으로 도포하고 사진식각방법을 사용하여 선택영역 이외의 부분을 식각하는 방법으로 한층의 금속선을 형성하는 공정과; 실리콘 산화막을 도포하고 전기적 접촉을 위한 개구부를 사진식각방법을 사용하여 일정영역을 개구한 후 금속막을 동일한 두께로 도포한 다음 사진식각방법을 사용하여 선택 영역 이외의 부분은 제외하고 금속부분을 식각하는 방법으로 금속선을 형성하는 공정과; 금속선을 형성하는 공정을 순차적으로 수회 실시하는 방법에 의해 다층 금속선을 형성하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 평면형 비임 진공관 소자의 제조방법.