KR20040062023A - 전계 방출 소자 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 방출 소자에 관한 것으로, 특히 MIM(Metal Insulating Metal) 제작 시 최상부 전극의 단선을 방지하며 상부 전극과 하부 전극간의 절연성을 높여 전계 방출 소자의 신뢰성을 향상시키는데 적당하도록 한 전계 방출 소자 제조 및 방법에 관한 것이다. 종래 전계 방출 소자는 상부 전극을 하드 마스크로 사용하여 필드 산화막을 플라즈마 식각하는 경우 필드 산화막이 상부 전극 하부로 과다식각되고 그 측면 각도 역시 급하게 되므로 최상부 전극 형성시 단선의 원인이 되는 문제점이 있으며, 필드 산화막을 별도의 식각 공정을 이용하여 상부전극 외부에서 식각하는 경우 상부 전극 외부에 위치하는 필드 산화막과 하부 양극 산화층간의 접합이 취약하여 부분적인 상하전극 단선이 발생하는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 상부 전극과 필드 절연막을 동시에 식각하기위해 상기 물질들 각각에 대한 식각 가스들을 동시에 사용하며, 상부 전극의 식각 속도가 필드 절연막 식각 속도보다 빠르게 하여 필드 절연막의 측면 경사가 낮아지면서 상부 전극과 완만한 연속 경사를 이루도록 함으로써 상부에 형성될 최상부 전극의 단선을 방지하고 절연막의 두께에의한 영향을 줄여 소자의 신뢰성을 개선하는 효과가 있다.

Description

전계 방출 소자 및 제조 방법{FIELD EMISSION DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 전계 방출 소자에 관한 것으로, 특히 MIM(Metal Insulating Metal) 제작 시 최상부 전극의 단선을 방지하며 상부 전극과 하부 전극간의 절연성을 높여 전계 방출 소자의 신뢰성을 향상시키는데 적당하도록 한 전계 방출 소자제조 및 방법에 관한 것이다.

다양한 표시 소자의 요구에 따라 표시 소자는 급속한 발전을 거듭해오고 있다. 최근에는 전계 방출(field emission)을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되면서, 크기 및 전력 소모를 감소시키면서도 높은 해상도를 제공할 수 있는 박막 디스플레이의 개발이 활발해지고 있다.

상기 전계 방출 소자는 다양한 형태로 연구되고 있는데, 그 중에서도 MIM(Metal Insulating Metal)을 전자 방출원으로 사용하는 전계 방출 소자는 마이크로 팁이나 카본 나노튜브를 전자 방출원으로 사용하는 전계 방출 소자에 비해 대면적 제작이 용이하고 공정이 간단한 장점이 있으므로 광범위하게 사용되고 있다.

상기 전계 방출 소자는 전자 방출원을 구비한 하판과 전자 방출원에 의해 발광하는 상판과, 상기 상판 및 하판을 지지하며 내부를 진공상태로 유지시키기위한 스페이서로 이루어져 있다.

여기서는 MIM을 전자 방출원으로 적용한 하판에 관해 논의하도록 한다.

MIM을 적용한 하판을 사용하는 전계 방출 소자에서 최상부 전극은 하부 전극과 상부 전극의 전기적인 연결 역할을 하면서 전자를 직접적으로 방출하는 부분이 된다. 따라서, 상기 최상부 전극은 전기적인 연결을 위한 두께를 유지하면서도 전자 방출이 용이하도록 그 두께를 줄여야 하는데, 일반적으로 수nm 정도의 박막으로 형성한다.

상기 하부 전극과 상부 전극은 전기적 단락을 방지하기위해 그 사이에 절연막이 삽입되는데, 상기 절연막의 두께가 두꺼울수록 절연성은 높아지지만 상기 최상부 전극에 의한 상하부 전극 연결을 방해하게 된다. 따라서, 절연막의 두께는 최상부 전극 막박 형성에 의해 제한된다.

먼저, 종래의 공통적인 전계 방출 소자 제조방법의 일부를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한 후, 상기 절연막을 패너팅하여 최상부 전극이 형성될 구조를 만드는 예들을 설명하도록 한다.

도1a 내지 도1d는 종래 전계 방출 소자 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 하판 유리(1)의 상부 일부에 하부 전극(2)을 형성하는 단계(도1a)와; 상기 하부 전극(2)의 중앙부에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 노출된 하부전극(2)의 상부에 양극 산화막(3)을 형성한 후 상기 포토레지스트를 제거하고 노출되는 하부 전극(2)의 상부에 터널 산화막(4)을 형성하는 단계(도1b)와; 상기 구조의 상부전면에 상부 필드 절연막(5)과 상부 전극(6)을 순차적으로 증착하고, 상부 전극(6)을 패터닝하는 단계(도1c)와; 상기 구조 상부에 상부 절연막(7)을 증착하고, 그 상부 절연막(7)과 하부의 상부 전극(6)을 패터닝하여 터널 산화막(4)의 상부측 필드 절연막(5)을 노출시키는 단계(도1d)를 포함한다.

전술한 단계들은 전계 방출 소자의 하판 일부를 제조하는 공통적인 방법으로, 대부분 유사한 방법을 통해 터널 산화막(4) 상부에 개구부를 형성하여 필드 절연막(5)을 노출시키게 된다.

이하, 상기와 같이 구성된 종래 전계 방출 소자 제조방법의 일실시예를 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 도1a에 도시한 바와 같이 하판 유리(1)의 상부 일부 알루미늄을 증착하고, 그 증착된 알루미늄을 습식 식각하여 상기 하판 유리(1)의 상부 일부에 하부 전극(2)을 형성한다.

그 다음, 도1b에 도시한 바와 같이 상기 하부 전극(2)의 중앙부에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 노출된 하부 전극(2)을 양극 산화법으로 산화시켜 산화 알루미늄인 양극 산화막(3)을 형성하고 상기 포토레지스트를 제거한 후 그 포토레지스트의 제거로 노출되는 하부 전극(2)의 중앙 상부에 터널 산화막(4)을 형성한다.

그 다음, 도1c에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부 전면에 필드 절연막(5)을 형성하고, 그 상부에 알루미늄을 증착하여 상부 전극(6)을 형성한 후 상기 상부 전극(6)을 패터닝한다.

그 다음, 도 1d에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부에 실리콘 질화막(SiNx)을 증착하여 상부 절연막(7)을 형성하고, 그 상부 절연막(7)과 하부의 상부 전극(6)을 패터닝하여 터널산화막(4)의 상부측 필드 절연막(5)을 노출시킨다.

이제, 전술한 바와 같이 제조된 구조물에서 터널 산화막(4)을 노출시키기위해 상기 필드 절연막(5)의 일부를 식각하여 개구부를 형성해야 하는데, 이는 첨부된 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명하도록 한다.

도 2a는 일반적인 방법으로, 상기 이미 개구부를 이루고 있는 상부 전극(6)을 하드마스크로 사용하여 그 하부의 필드 절연막(5)을 플로린계의 식각 가스를 이용하여 플라즈마 식각한 것이다.

도시한 바와 같이 상부 전극(6)을 상기 필드 절연막(5)의 식각 마스크로 이용하게 되면 필연적으로 상기 상부 전극(6) 하부로 필드 절연막(5)이 과다 식각되며, 플라즈마 식각에 의해 그 측면은 45°내지 90°의 경사를 지니게 된다.

확대한 그림을 보면, 필드 절연막(5)이 45°이상의 경사를 가지고 상기 상부 전극(6) 하부에 과다 식각되어 있는 것을 알 수 있으며, 점선으로 표시한 바와 같이 이후 최상부 전극을 형성하면 단선이 발생하게 된다.

도 2b는 상부 전극(6)을 마스크로 사용하지 않고, 부가적인 마스크 공정을 추가하여 상기 필드 절연막(5)을 상기 상부 전극(6) 외부에서 식각하는 경우를 나타내며, 이 경우 필드 절연막(5)과 양극 산화막(3)의 경계 부분에 연결이 취약한 부분이 발생되며, 상부 전극의 두께가 얇고 절연막의 두께가 두꺼울수록 이런 현상이 심하게 발생하여 부분적인 상하전극 단선이 발생할 수 있다.

따라서, 절연막의 두께를 증가시켜 상하부 전극의 절연성을 높이면서도 최상부 전극의 단선을 발생시키지 않는 전계 발광 소자가 요구된다.

상기한 바와 같이 종래 전계 방출 소자는 상부 전극을 하드 마스크로 사용하여 필드 산화막을 플라즈마 식각하는 경우 필드 산화막이 상부 전극 하부로 과다식각되고 그 측면 각도 역시 급하게 되므로 최상부 전극 형성시 단선의 원인이 되는 문제점이 있으며, 필드 산화막을 별도의 식각 공정을 이용하여 상부 전극 외부에서 식각하는 경우 상부 전극 외부에 위치하는 필드 산화막과 하부 양극 산화층간의 접합이 취약하여 부분적인 상하전극 단선이 발생하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 상부 전극과 필드 절연막을 적절한 식각비를 가지면서 동시에 식각하도록 하여 필드 절연막의 측면 경사가 낮아지면서상부 전극과의 단차가 발생하지 않도록 하는 전계 방출 소자 및 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도1a 내지 도1d는 종래 전계 방출 소자의 제조공정 수순단면도.

도2a는 종래 전계 방출 소자 제조공정의 예시 단면도.

도2b는 종래 전계 방출 소자 제조공정의 다른 예시 단면도.

도3a 내지 도3e는 본 발명 전계 방출 소자의 제조공정 수순단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

11:하판 유리 12:하부 전극

13:양극 산화막 14:터널 산화막

15:필드 절연막 16:상부 전극

17:상부 절연막

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유리 기판 상부에 형성된 하부 전극과; 상기 상부 전극의 상부 일부에 형성된 양극 산화막 및 상부 전극의 중앙 일부에 형성된 터널 산화막과; 상기 구조물 상부에 위치하며, 터널 산화막 주변에 45°이하의 각을 가지는 측면부로 개구부를 형성한 필드 절연막과; 상기 필드 산화막 상부에 위치하며, 상기 필드 산화막의 저각 측면 개구부와 연속적으로 연결되는 개구부를 구비한 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 유리 기판 상부에 하부 전극을 형성하고, 상기 하부 전극의 상부 일부를 제외한 부분에 양극 산화막을 형성하는 단계와; 상기 하부 전극의 상부 일부에 터널 산화막을 형성한 후, 그 상부에 차례로 필드 절연막, 상부 전극 패턴, 그리고 상부 절연막을 형성하는 단계와; 상기 상부 절연막의 일부를 식각하여 개구부를 형성하고, 그 하부의 상부 전극의 일부를 식각하여 실제 형성할 개구부보다 더 작은 개구부를 형성하는 단계와; 상기 상부 전극과 드러난 필드 절연막을 동시에 식각하여 상부 전극의 개구부를 확장하는 동시에 하부 필드 절연막의 개구부가 낮은 측면 각을 가지도록 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 상부 전극과 필드 절연막을 동시에 식각하는 단계는 상기 상부 전극의 식각 속도가 필드 절연막 식각 속도 보다 높도록 클로린계 식각 가스와 플로린계 식각 가스 조성을 조절하여 동시에 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 상부 전극에 더 작은 개구부를 형성하는 경우 발생한 개구부 측면 경사각이 θ인 경우 상기 상부 전극이 필드 절연막의 식각 속도에 비해 cosθ 이상 빠른 비율을 가지도록 식각 가스 조성을 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도3a 내지 도3e는 본 발명 전계 방출 소자의 제조공정 수순 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 하판 유리(11)의 상부 일부에 하부 전극(12)을 형성하는 단계(도3a)와; 상기 하부 전극(12)의 중앙부에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 노출된 하부전극(12)의 상부에 양극 산화막(13)을 형성한 후 상기 포토레지스트를 제거하고 노출되는 하부 전극(12)의 상부에 터널 산화막(14)을 형성하는 단계(도3b)와; 상기 구조의 상부전면에 상부 필드 절연막(15)과 상부 전극(16)을 순차적으로 증착하고, 상부 전극(16)을 패터닝하는 단계(도3c)와; 상기 구조 상부에 상부 절연막(17)을 증착하고 상기 상부 절연막(17)의 일부를 식각하여 개구부를 형성하고, 그 하부의 상부 전극(16)의 일부를 식각하여 실제 형성할 개구부보다 더 작은 개구부를 형성하는 단계(도 3d)와; 상기 상부 전극(16)과 드러난 필드 절연막(15)을 동시에 식각하여 상부 전극(16)의 개구부를 확장하는 동시에 하부 필드 절연막(15)의 개구부가 낮은 측면 각을 가지도록 식각하는 단계(도 3e)를 포함한다.

이하, 상기와 같은 구성의 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이 하판 유리(11)의 상부에 알루미늄을 성막하여 하부 전극층을 형성한다. 상기 하판 유리(11)는 실리콘 기판과 같은 표면 거칠기를 가지는 것이 유리하다. 상기 하판 유리(11)의 상부에 무선 마그네트론 스퍼터링(Rf Magnetron Sputtering) 또는 화학 기상 증착 방법으로 알루미늄 박막을 0.1~0.5㎛ 두께로 성막하여 하부 전극(12)층을 형성하고 포토레지스트를 이용하여 하부 전극(12)을 질산, 인산, 초산의 혼합용약을 이용하여 습식 식각한다.

그 다음, 도 3b에 도시한 바와 같이 포토레지스트 패턴을 상기 하부 전극(12)의 상부 중앙, 즉 이후 터널 산화막이 형성될 부분에 적용하여 해당 부분의 하부 전극(12)을 보호한 후 양극 산화를 통해 드러난 하부 전극(12)의 측면 및 상부에 양극 산화막(12)을 약 100nm 두께로 형성하고 포토레지스트 패턴을 제거 한다. 그리고 상기 포토레지스트 패턴에 의해 보호된 하부 전극(12)의 상부 중앙에 양극 산화를 통한 터널 산화막을 형성한다.

그 다음, 도 3c에 도시한 바와 같이 무선 마그네트론 스퍼터링 또는 화학 기상 증착 방법으로 SiO₂, SiNx 등의 필드 절연막(15)과 알루미늄 상부 전극(16)을 각각 10~50nm, 100~500mm 두께로 증착하고, 포토레지스트 패턴을 통해 상부 전극(16)을 인산, 질산, 초산의 혼합용액으로 습식 식각한다. 본 발명에서는 필드 절연막(15)의 두께가 더 두꺼운 경우 역시 문제없이 수용할 수 있다.

그 다음, 도 3d에 도시한 바와 같이, 그 다음 그 상부 전면에 상부 절연막(17)을 무선 마그네트론 스퍼터링 또는 화학 기상 증착 방법으로 100~500nm 두께로 증착한 후, 상기 터널 산화막(14) 상부 부분에 해당하는 일부를 식각하여개구부를 형성하고, 그 하부에 드러난 상부 전극(16)의 일부를 식각하여 원하는 크기보다 작은 개구부를 형성한다. 상기 상부 전극(16)에 원하는 크기 보다 작은 개구부를 만드는 것은 후속 공정에서 상기 개구부를 다시한번 클로린계 가스에서 식각할 것이기 때문이다. 따라서, 후속 공정에 의해 식각될 양을 판단하여 적절한 크기로 개구부를 형성해야 한다.

그 다음, 도 3e에 도시한 바와 같이 상기 상부 전극(16)과 드러난 필드 절연막(15)을 동시에 식각하는데, 이 경우 상부 전극(16)을 식각하기위한 클로린계 식각 가스와 필드 절연막(15)을 식각하기위한 플로린계 식각 가스를 동시에 사용한다. 상기 두 종류의 식각 가스를 동시에 이용하여 상부 전극(16)의 개구부를 확장하는 동시에 하부 필드 절연막(15)의 개구부가 낮은 측면 각을 가지도록 식각한다. 이 경우, 상부 전극(16)의 식각 속도가 하부의 필드 절연막(15)을 식각하는 속도보다 빨라야 하는데, 그 이유는 도 3e의 확대도에 도시한 바와 같이 빠른 식각속도로 제거되는 상부 전극(16)에 의해 그 하부에서 비교적 낮은 속도로 제거되는 필드 절연막(15)의 측면 각이 낮아지게 되기 때문이다. 확대도의 점선은 식각 전의 형상이며, 식각을 통해 제거되는 부분이다.

상기 상부 전극(16)에 원하는 크기보다 작게 형성한 개구부 측면 경사각이 θ인 경우 상기 상부 전극이 필드 절연막(15)의 식각 속도에 비해 cosθ 이상 빠른 비율을 가지도록 식각 가스 조성을 조절하면, 상기 형성되는 필드 절연막(15)의 측면 경사각도는 45°이하가 된다.

당 업자에게 습식식각을 통해 상부 전극 경사를 10°이하로 제어할 수 있다는 것이 명백하기 때문에 본 발명에 의해 제어되는 필드 절연막(15)의 측면 각도는 30°이하로 제어 가능하다.

따라서, 상기 형성된 구조물 상부에 최상부 전극을 형성하면 단선의 위험이 없으며, 절연막의 두께 역시 더욱 두꺼워질 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명 전계 방출 소자 및 제조 방법은 상부 전극과 필드 절연막을 동시에 식각하기위해 상기 물질들 각각에 대한 식각 가스들을 동시에 사용하며, 상부 전극의 식각 속도가 필드 절연막 식각 속도보다 빠르게 하여 필드 절연막의 측면 경사가 낮아지면서 상부 전극과 완만한 연속 경사를 이루도록 함으로써 상부에 형성될 최상부 전극의 단선을 방지하고 절연막의 두께에의한 영향을 줄여 소자의 신뢰성을 개선하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 유리 기판 상부에 형성된 하부 전극과; 상기 상부 전극의 상부 일부에 형성된 양극 산화막 및 상부 전극의 중앙 일부에 형성된 터널 산화막과; 상기 구조물 상부에 위치하며, 터널 산화막 주변에 45°이하의 각을 가지는 측면부로 개구부를 형성한 필드 절연막과; 상기 필드 산화막 상부에 위치하며, 상기 필드 산화막의 저각 측면 개구부와 연속적으로 연결되는 개구부를 구비한 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
2. 유리 기판 상부에 하부 전극을 형성하고, 상기 하부 전극의 상부 일부를 제외한 부분에 양극 산화막을 형성하는 단계와; 상기 하부 전극의 상부 일부에 터널 산화막을 형성한 후, 그 상부에 차례로 필드 절연막, 상부 전극 패턴, 그리고 상부 절연막을 형성하는 단계와; 상기 상부 절연막의 일부를 식각하여 개구부를 형성하고, 그 하부의 상부 전극의 일부를 식각하여 실제 형성할 개구부보다 더 작은 개구부를 형성하는 단계와; 상기 상부 전극과 드러난 필드 절연막을 동시에 식각하여 상부 전극의 개구부를 확장하는 동시에 하부 필드 절연막의 개구부가 낮은 측면 각을 가지도록 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 제조 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 상부 전극과 필드 절연막을 동시에 식각하는 단계는상기 상부 전극의 식각 속도가 필드 절연막 식각 속도 보다 높도록 클로린계 식각 가스와 플로린계 식각 가스 조성을 조절하여 동시에 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 제조 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 상부 전극에 더 작은 개구부를 형성하는 경우 발생한 개구부 측면 경사각이 θ인 경우 상기 상부 전극이 필드 절연막의 식각 속도에 비해 cosθ 이상 빠른 비율을 가지도록 식각 가스 조성을 조절하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 제조 방법.