KR20000052286A - 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 제조방법에 관한 것으로, 종래 다이아몬드 팁 제조방법은 몰리브덴이나 실리콘으로 팁을 제조하여 그 팁의 내구성, 전계방출 특성 등이 충분치 않고, 그 제조공정이 복잡한 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 기판의 상부에 다이아몬드막과 마스크용 막을 순차적으로 증착하는 단계와; 상기 마스크용 막을 패터닝하여 상기 증착된 다이아몬드막의 일부를 노출시키는 단계와; 건식식각시 발생하는 상기 마스크용 막 패턴의 스퍼터(sputter)와 패싯팅(facetting) 현상을 이용하여 그 마스크용 막과 그 하부에 점차적으로 노출면적이 증가하는 다이아몬드막을 건식식각하여 원뿔형 다이아몬드 팁을 형성하는 단계로 구성함으로써, 원하는 기판에 다이아몬드가 증착된 상태에서 간단한 후속공정을 통해 저온에서 원하는 규격의 원뿔형 다이아몬드 팁을 제작할 수 있게 되므로 전계방출 소자의 구현에 핵심이 되는 우수한 방출특성과 내구성을 가진 다이아몬드의 실용화가 가시화될 수 있어, 현재 문제점이 많은 Spindt 형의 팁 어레이를 대체하여 보다 우수한 성능의 전계방출소자의 구현이 가능한 효과와 아울러 다양한 전계방출소자의 제작을 위한 후속공정의 선택이 자유롭고, 제조공정이 단순화되어 공정비용이 크게 절감되는 효과가 있다.

Description

냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 및 그 제조방법{DIAMOND TIP FOR ELECTRON EMISSION AND MANUFACTRURING METHOD THEREOF}

본 발명은 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 기판의 종류에 관계없이 다이아몬드를 증착하고, 건식식각시 마스크의 스퍼터와 패싯팅 현상을 이용하는 간단한 사진식각공정을 적용하여 다이아몬드를 식각하여, SPINDT형의 다이아몬드 팁을 제조함으로써 전계방출 평면 표시소자의 특성을 향상시키는데 적당하도록 한 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전계에 의한 고상표면에서의 전계방출효과는 평판표시소자 중의 하나인 전계방출 평판 표시장치를 비롯하여 진공 마이크로 일렉트로닉스 소자나 마이크로파 소자 등 전자소자의 응용을 가능하도록 하는 물리적인 특성이다. 이러한 응용에 있어서 가장 기본이 되는 것은 전계를 걸어 주었을때 전자를 방출할 수 있는 성능이 우수한 전계방출부의 확보이다. 이러한 전계방출부로서 갖추어야할 특성으로는 낮은 인가 전압 하에서 전자의 방출이 용이하고 안정되며 전자방출량이 크고 내구성이 우수해야 한다는 것이다.

종래에는 상기와 같은 특성의 전계방출부를 형성하기 위해 Spindt에 의해 제안된 것과 같이(C.A.Spindt, J.Appl.Phys., 39, 3504(1968) Si 또는 Mo를 이용하여 끝부분이 뾰족한 팁을 형성하였으며, 그 특성을 향상시키기 위해 팁을 기하학적으로 곡률이 큰 형태로 형성하여 팁 선단에 전계를 집중시켜 전자방출을 유도하였다. 이와 같은 방법은 현재 실제제조에서 흔히 사용하는 방법이나, 낮은 인가전압하에서는 전자방출이 용이하지 않으며, 내구성이 약한 문제가 있다.

상기 Si 또는 Mo를 대체하기 위한 물질로 전자를 고체표면으로 부터 이탈시키는데 필요한 에너지인 일함수의 값이 작고, 내구성이 강한 다이아몬드에 대한 연구가 진행중이다. 이 다이아몬드의 특성은 밴드갭(band gap)이 넓고, 음의 전자친화도를 나타내어 상기 전계방출부의 형성에 가장 적합한 물질로 주목받고 있다.

또한, 다이아몬드는 기계적, 열적, 내방사선특성이 유수하여 전계방출부로 사용하는 경우 우수한 내구성을 구현할 수 있고, 상기 음의 전자친화도를 나타내어 팁의 형태가 아닌 평판의 형태로도 전자의 방출이 가능하지만 평판의 경우 방출위치를 정확히 알 수 없기 때문에 전자의 방출원 및 방출기전이 어떻게 되는지 확실치 않으므로, 음극 전체에 걸쳐 균일한 전자의 방출을 얻기가 용이하지 않다. 따라서 원하는 위치에서 균일한 전자의 방출을 얻기 위해서는 전자의 방출이 요구되는 위치에 전계의 집속이 가능하도록 다이아몬드를 형상화할 필요성이 있다.

상기와 같이 전계를 집속할 수 있는 형상을 구현하기 위하여 단결정 Si에 제작된 음각을 이용하여 다이아몬드를 피라미드형 및 웨지형으로 제작하려는 시도가 제안되었다.(W.P.Kang, J.L.Davidson, Q.Li, J.F.Xu, D.S.Kinster and D.V.Kerns, 3rd Int. Conf. on Application of Diamond Films and Related Materisla, NIST, Wachington D.C., p37(1995), S.Kim, B.K.Ju, Y.H.Lee, B.S.Park, S.Lim and M.H.Oh, J. of Vaccum Science and Technology, B 15, p499(1997), E.-S.Baik, D.-R.Jeon and Y.-J.Baik, Diamond and Related Materials, 8 p89(1999)) 이는 단결정실리콘기판에 피라미드형의음각을 식각에 의해 형성시키고, 그 위에 다이아몬드를 증착한 후, 상기 단결정실리콘 기판을 녹여내면, 다이아몬드가 피라미드형이나 웨지형으로 제작되는데, 이러한 형태의 다이아몬드는 다이아몬드의 음전자 친화도에 전계의 집속효과가 부가되어, 전계의 방출특성이 우수하고, 또한 손쉽게 게이트의 구성이 가능하여 삼극형태의 소자 제작이 가능하다.

그러나, 상기와 같은 피라미드형이나 웨지형 다이아몬드 팁의 경우 그 제조방법이 복잡하여 대면적의 어레이나 단위 픽셀의 제작이 매우 어렵고, 제조단가가 비싸 상용화가 불가능한 문제점이 있으며, Si 음각의 형상이 피라미드나 웨지형으로 고정되어 있어 형상의 다양화가 매우 힘든 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 다이아몬드를 여러 가능한 기판에 증착한 상태에서 그대로 다이아몬드 팁 어레이를 제조할 수 있는 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도1a 내지 도1d는 본 발명 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 제조공정 수순단면도.

도2a 내지 도2d는 본 발명에서 적용한 마스크용 막의 스퍼터 및 패싯팅 현상에 의해 원뿔형 다이아몬드 팁을 형성하는 과정을 보인 단면도.

도3은 도1a 내지 도1d의 과정을 통해 제조한 다이아몬드 팁을 수소 플라즈마로 식각하여 선단을 날카롭게 형성한 형태를 보인 단면도.

도4a 및 도4b는 각각 도1d와 도3에 도시한 단면의 전자현미경 사진을 보인 사시도.

도5는 본 발명을 통해 제조한 다이아몬드 팁을 적용한 소자의 전류전압특성 그래프도.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

1:기판 2:다이아몬드막

3:산화막 4:다이아몬드 팁

상기와 같은 목적은 기판의 상부에 다이아몬드막과 마스크용 막을 순차적으로 증착하는 단계와; 상기 마스크용 막을 패터닝하여 상기 증착된 다이아몬드막의 일부를 노출시키는 단계와; 건식식각시 발생하는 상기 마스크용 막 패턴의 스퍼터(sputter)와 패싯팅(facetting) 현상을 이용하여 그 마스크용 막과 그 하부에 점차적으로 노출면적이 증가하는 다이아몬드막을 건식식각하여 원뿔형 다이아몬드 팁을 형성하는 단계로 구성함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1a 내지 도1d는 본 발명 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁의 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 실리콘이나 유리 등의 기판(1) 상부에 다이아몬드를 증착하여 다이아몬드막(2)을 형성하고, 그 다이아몬드막의 상부에 산화막 등의 마스크용 막(3)을 증착하는 단계(도1a)와; 사진식각공정을 통해 상기 마스크용 막(3)에 도트어레이를 형성하고 이외의 부분은 식각하여 이 부분의 다이아몬드막(2)을 노출시키는 단계(도1b)와; 상기 잔존하는 마스크용 막(3)과, 반응성 플라즈마 또는 이온을 이용하는 반응성 건식식각공정으로, 상기 노출된 다이아몬드(2)를 식각하여 상기 마스크용 막(3)의 스퍼터와 패싯팅 현상을 이용하여 다이아몬드가 원뿔형으로 식각되도록 함으로써 원뿔형 다이아몬드 팁(4)을 형성하는 단계(도1c, 도1d)로 구성된다.

이하, 상기와 같은 본 발명 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 제조방법을 좀 더 상세히 설명한다.

먼저, 도1a에 도시한 바와 같이 기판(1)의 상부에 다이아몬드막(2)과 산화막(3)을 순차적으로 증착한다. 이때 기판(1)으로는 실리콘, 유리, 세라믹 또는 금속을 사용할 수 있다.

이때, 다이아몬드막(2)은 열필라멘트 화학증착장치, 마이크로파 플라즈마 화학증착장치 등 다이아몬드막의 합성에 사용되는 모든 방법이 적용될 수 있는데, 본 예에서는 4인치 직경의 실리콘 기판(1) 위에 열필라멘트 화학증착장치로 증착한 경우의 예를 설명한다. 다이아몬드막(2)의 증착시 핵형성을 촉진하기 위하여 실리콘 기판(1)의 표면을 다이아몬드 분말로 스크래칭처리를 한 후 증착하였다. 다이아몬드막(2)의 증착시 기판온도를 1050℃로 하고, 필라멘트온도를 2200℃, 증착압력을 40torr로 하여 증착하며, 수소에 메탄이 5%함유된 기체를 사용하였다. 이와 같은 공정조건으로 다이아몬드막(2)의 두께를 4μm의 두께가 되도록 증착하였다.

그 다음, 상기 다이아몬드막(2)의 상부에 마스크용 막(3)을 증착하였으며, 이때의 마스크용 막(3)은 산화막, 질화막, 금속막 등이 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 실리콘 산화막을 6000Å의 두께로 증착하여 사용하였다.

그 다음, 도1b에 도시한 바와 같이 상기 증착된 마스크용 막(3)의 상부전면에 포토레지스트(도면 미도시)를 도포하고, 직경 2μm의 원형 도트어레이 노광용 마스크를 사용하여 노광 및 현상하는 공정을 통하여, 마스크용 막(3) 위에 포토레지스트의 도트어레이를 형성하여, 그 주위의 마스크용 막(3)인 실리콘 산화막이 노출되도록 한 다음, 노출된 마스크용 막(3)을 SF₆를 사용하여 식각한 후, 포토레지스트를 제거한다.

이와 같은 과정을 통해 다이아몬드막(2)의 상부에 마스크인 실리콘 산화막 도트어레이를 형성할 수 있으며, 그 산화막 도트어레이의 원형 도트간 간격은 5μm이며, 총 도트 수는 900×900이 되며, 이때의 산화막 도트의 직경 및 도트간의 간격은 원하는 팁의 형상에 따라 조절할 수 있다.

그 다음, 도1c에 도시한 바와 같이 상기 노출된 다이아몬드막(2)을 반응성 플라즈마 또는 반응성 이온을 이용하여 반응성 건식식각한다. 이때, 사용되는 반응성 플라즈마 또는 이온은 다이아몬드와 화학적으로 반응하여 기체화합물을 형성할 수 있는 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 이때 사용되는 식각용 반응성 플라즈마나 이온빔은 그 종류에 구애받지 않는다. 본 예에는 자장을 가한 고주파(radio frequency) 플라즈마를 사용하여 식각한 예에 한정하여 설명한다.

본 실시예에서 사용한 반응성 플라즈마는 공기를 사용하여 10mtorr에서 300W의 고주파전력으로 형성시켰다. 플라즈마의 밀도를 증진시키기 위하여 고주파 전원에 수직 방향으로 60Gauss의 자장을 인가하였으며, 이때 기판에는 -300v의 바이어스가 걸리게 된다.

다이아몬드의 반응성 식각은 매우 큰 이방성을 가지고 진행된다 따라서 도1b에 도시한 형태의 패턴을 갖는 마스크용 막(3)이 변형되지 않은 채 식각이 진행되면 다이아몬드는 마스크용 막(3)의 직경을 갖는 원기둥 형태로 형성되어, 원뿔형태의 다이아몬드 팁을 형성할 수 없으며, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 건식식각 중 상기 마스크용 막(3)의 스퍼터와 패싯팅 현상(VLSI Technology, ed. by S.M.Sze, McGraw-Hill Book Company, NY, p330)을 이용하였다.

도2a 내지 도2d는 상기 스퍼터와 패싯팅 현상에 의해 원뿔형 다이아몬드 팁이 형성되는 과정을 보인 공정수순단면도로서, 도2a에 도시한 바와 같이 마스크용 막(3)을 패터닝하여 다이아몬드막(2)의 일부를 노출시키고, 건식식각을 진행하면 도2b에 도시한 바와 같이 다이아몬드막(2)이 식각됨과 아울러 상기 형성한 마스크용 막(3)도 식각되어 그 마스크용 막(3)의 두께는 얇아지며, 그 측면부는 경사면으로 형성된다. 이와 같은 과정을 패싯팅(facetting) 현상이라 하며, 건식식각을 진행할 수록 도2c에 도시한 바와 같이 상기 마스크용 막(3)의 두께는 더욱 얇아지며 측면의 경사면도 증가하게 된다. 이는 막의 스퍼터는 경사진 영역이 평면인 영역보다 빨리 진행되므로, 식각이 진행되는 동안 마스크용 막(3)의 크기가 줄어들게 된다. 따라서, 최초의 마스크용 막(3)이 위치하던 하부 측의 다이아몬드막(2)이 점차로 노출되기 시작하고, 그 부분의 다이아몬드막(2)이 식각되며, 식각의 시점에 따른 식각깊이의 차이에 의해 다이아몬드막(2)의 식각면은 도2d에 도시한 바와 같이 경사지게 형성된다. 이후의 다이아몬드막(2)의 식각은 상기의 경사를 유지하면서 진행되므로 최종적으로 원뿔형의 다이아몬드 팁이 형성된다. 상기 마스크용 막(3)의 패싯팅현상을 이용하여 다이아몬드 팁을 형성하는 것이므로, 상기 마스크용 막(3)의 두께를 조절하면 원뿔형 다이아몬드 팁 꼭지의 각도나 측면 경사각의 조절이 가능하다. 즉, 마스크용 막(3)의 두께가 증가할 수록 마스크용 막 하부의 다이아몬드가 노출되는데 까지 걸리는 시간이 길어지므로 원뿔형 다이아몬드 팁(4)의 측면 경사가 심해지며, 그 결과 꼭지의 각도 작아지게 된다. 이와 같은 과정을 통해 도1d에 도시한 바와 같이 원뿔형 다이아몬드 팁(4)을 형성할 수 있게 된다.

이와 같이 형성된 다이아몬드 팁(4)의 특성을 향상시키기 위해서는 종래 Si 또는 Mo를 이용한 전계방출 팁을 형성하는 것과 같이 원뿔형의 다이아몬드 팁(4)의 경사면을 식각하여 좀더 뾰족한 형태의 원뿔형의 다이아몬드 팁(4)을 형성할 수 있으며 이는 도3에 나타내었다. 이때의 식각공정은 수소 플라즈마를 이용한 건식식각이다. 수소 플라즈마 처리는 다이아몬드표면의 탄소의 수소결합을 촉진하여 전자방출 특성을 향상시키는 역할도 하게 된다.

도4a와 도4b는 각각 상기 도1d와 도3에 도시한 결과를 전자현미경 사진을 보인 것으로써, 이에 도시한 바와 같이 식각공정에 의해서도 다이아몬드 팁(4)을 형성할 수 있으며, 다시 수소 플라즈마를 이용한 건식식각으로 그 제조된 다이아몬드 팁(4)의 형태를 더욱 뾰족한 원뿔형으로 제조할 수 있게 된다.

또한, 도5는 상기 제조한 다이아몬드 팁의 전류-전압 특성 그래프도로서, 이에 도시한 바와 같이 약 3V/μm에서 전자의 방출이 시작되며, 수십 μA이상의 높은 전류 밀도를 보인다. 이때의 특성은 진공도 10^-7torr에서 전극간 간격이 150μm인 상태에서 측정한 결과이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 원하는 기판에 다이아몬드가 증착된 상태에서 간단한 후속공정을 통해 저온에서 원하는 규격의 원뿔형 다이아몬드 팁을 제작할 수 있게 되므로 전계방출 소자의 구현에 핵심이 되는 우수한 방출특성과 내구성을 가진 다이아몬드의 실용화가 가시화될 수 있어, 현재 문제점이 많은 Spindt 형의 팁 어레이를 대체하여 보다 우수한 성능의 전계방출소자의 구현이 가능한 효과와 아울러 다양한 전계방출소자의 제작을 위한 후속공정의 선택이 자유롭고, 제조공정이 단순화되어 공정비용이 크게 절감되는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 피라미드형상 또는 웨지형상의 다이아몬드 팁을 갖는 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁에 있어서, 상기 다이아몬드 팁은 원뿔형상인 것을 특징으로 하는 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁.
2. 기판의 상부에 다이아몬드막과 마스크용 막을 순차적으로 증착하는 단계와; 상기 마스크용 막을 패터닝하여 상기 증착된 다이아몬드막의 일부를 노출시키는 단계와; 건식식각시 발생하는 상기 마스크용 막 패턴의 스퍼터(sputter)와 패싯팅(facetting) 현상을 이용하여 그 마스크용 막과 그 하부에 점차적으로 노출면적이 증가하는 다이아몬드막을 건식식각하여 원뿔형 다이아몬드 팁을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 원뿔형 다이아몬드 팁을 형성한 후, 수소 플라즈마를 이용한 식각공정으로 상기 원뿔형의 다이아몬드 팁의 경사면을 식각하여 그 원뿔형 다이아몬드 팁의 선단을 더 날카롭게 형성하는 단계를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 제조방법.
4. 제 2항에 있어서, 상기 기판은 실리콘, 유리, 세라믹 또는 금속 기판중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 제조방법.
5. 제 2항에 있어서, 다이아몬드막을 식각하는 단계에서 사용하는 반응성 플라즈마는 수소 및 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 제조방법.
6. 제 2항에 있어서, 다이아몬드막을 식각하는 단계는 고주파(radio-frequency) 플라즈마 또는 마이크로파(microwave) 플라즈마 또는 전자공명(electro-cyclotron resornance) 플라즈마를 사용하는 반응성 플라즈마 식각공정이나 이온빔을 사용하는 식각공정을 사용하는 것을 특징으로 하는 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 제조방법.