KR20070044173A - 전자 방출 소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법은 기판 상에 제1 금속층, 절연층 및 제2 금속층을 적층하여 형성하는 단계, 제2 금속층의 일부분을 제거하여 절연층을 노출시키는 게이트 개구부를 형성하는 단계, 게이트 개구부와 대응하는 영역의 절연층을 제거하여 제1 금속층을 노출시키는 절연층 개구부를 형성하는 단계, 제2 금속층 위에 리프트오프층을 형성하는 단계, 리프트오프층 및 제1 금속층의 표면에 촉매 금속층을 형성하는 단계, 리프트오프층과 리프트오프층의 표면 위에 형성된 촉매 금속층을 제거하는 단계, 제1 금속층 표면에 형성된 촉매 금속층 위에 탄소나노튜브를 형성하는 단계를 포함하고, 리프트오프층을 형성하는 단계는 경사각을 이용하여 제2 금속막의 표면과 게이트 개구부의 측벽에 리프트오프층을 증착한다.

전자방출디바이스, 캐소드전극, 게이트전극, 애노드전극, 탄소나노튜브, 촉매금속, 리프트오프, 전자방출부

Description

전자 방출 소자의 제조방법{FABRICATING METHOD OF ELECTRON EMISSION DEVICE}

도 1a 내지 도 1i는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법을 나타낸 공정도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법을 사용하여 제조한 전자 방출 소자의 부분 분해 사시도이다.

본 발명은 전자 방출 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브를 이용한 전자 방출 소자의 제조방법에 관한 것이다.

전자 방출 소자는 전자 방출 표시 디바이스(electron emission display device), 전자빔 리소그래피(electron beam lithography) 장비 또는 주사터널현미경(scanning tunneling microscopy) 등과 같이 집광된 전자빔이 요구되는 장비에서 광원으로 사용된다.

일반적으로 전자 방출 소자는 복수의 전자 방출 소자에서 방출되는 전자를 이용하며, 이러한 전자 방출 소자는 전자원의 종류에 따라 열음극(hot cathode)을 이용하는 방식과 냉음극(cold cathode)을 이용하는 방식으로 분류할 수 있다.

여기서, 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는 전계 방출 어레이(field emitter array; FEA)형, 표면 전도 에미션(surface conduction emission; SCE)형, 금속-절연층-금속(metal-insulator-metal; MIM)형 및 금속-절연층-반도체(metal-insulator-semiconductor; MIS)형 등이 알려져 있다.

상기 MIM형과 MIS형 전자 방출 소자는 각각 금속/절연층/금속(MIM)과 금속/절연층/반도체(MIS) 구조로 이루어진 전자 방출부를 구비하며, 절연층을 사이에 두고 위치하는 두 금속 또는 금속과 반도체 사이에 전압을 인가할 때, 금속이나 반도체로부터 공급되는 전자가 터널링(tunneling) 현상에 의하여 절연층을 통과하여 상부 금속에 도달하고, 도달한 전자 중 상부 금속의 일함수(work function) 이상의 에너지를 가지는 전자가 상부 전극으로부터 방출된다.

SCE형 전자 방출 소자는 기판 위에 서로 마주보며 배치된 제1 전극과 제2 전극 사이에 도전 박막을 제공하고 이 도전 박막에 미세 균열을 제공함으로써 전자 방출부를 형성하며, 양 전극에 전압을 인가하여 도전 박막의 표면으로 전류가 흐를 때 전자 방출부로부터 전자가 방출되는 원리를 이용한다.

그리고 FEA형 전자 방출 소자는 일함수(work function)가 낮거나 종횡비(aspect ratio)가 큰 물질을 전자원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계에 의해 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로서, 몰리브덴(Mo) 또는 실리콘(Si) 등을 주 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁 구조물로 전자 방출부를 형성한다.

이러한 팁 구조물로 형성되는 전자 방출부에 외부 게이트 전극에서 양 전압 을 수백 볼트 정도로 가하면 강한 전기장의 영향을 받은 전자 방출부의 끝부분에서 전자가 방출하게 된다.

그런데, 전자 방출부로 몰리브덴 또는 실리콘 팁을 이용한 종래의 전자 방출 소자는 동작 전압이 매우 높고 고전류 방출에 의한 팁의 열화로 인하여 누설 전류가 크다. 이에 따라 소자 신뢰성 및 성능 저하가 일어날 뿐만 아니라 제조 수율도 낮은 문제점이 있다.

이러한 팁을 이용한 전자 방출 소자의 문제점을 개선하기 위해 탄소나노튜브를 이용한 전자 방출 소자가 제안되었다.

탄소나노튜브는 직경이 수 nm∼수십 nm이고 길이가 수 ㎛∼수십 ㎛에 이르는 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는다. 또한, 고전자 방출 효율, 우수한 열방출 특성, 구리보다 우수한 전기 전도도 및 완전한 기계적/구조적 특징과 함께 고진공에서의 이온충돌에 대한 우수한 내구성을 갖는다.

따라서 이러한 탄소나노튜브를 전자 방출부로 사용하는 하는 경우, 실리콘 또는 몰리브덴 팁을 사용하는 경우에 비해 전자 방출 소자의 안정성이 뛰어나다.

이와 같이 탄소나노튜브를 이용한 전자 방출 소자가 전자 방출 표시 디바이스, 전자빔 리소그래피 장비 또는 주사터널현미경 등과 같이 집광된 전자빔이 요구되는 장치에 사용되기 위해서는 미세하면서도 집중된 전자 빔을 방출할 수 있어야 한다. 이를 위해 전자 방출부가 전극의 개구부에 대응하여 정확하게 정렬되어야 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 반도체 공정기술을 이용함으로써 촉매 금속의 정렬을 용이하게 하여 탄소나노튜브 전자 방출부를 원하는 위치에 정확하게 형성할 수 있는 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법은 기판 상에 제1 금속층, 절연층 및 제2 금속층을 적층하여 형성하는 단계, 제2 금속층의 일부분을 제거하여 절연층을 노출시키는 게이트 개구부를 형성하는 단계, 게이트 개구부와 대응하는 영역의 절연층을 제거하여 제1 금속층을 노출시키는 절연층 개구부를 형성하는 단계, 제2 금속층 위에 리프트오프층을 형성하는 단계, 리프트오프층 및 제1 금속층의 표면에 촉매 금속층을 형성하는 단계, 리프트오프층과 리프트오프층의 표면 위에 형성된 촉매 금속층을 제거하는 단계, 제1 금속층 표면에 형성된 촉매 금속층 위에 탄소나노튜브를 형성하는 단계를 포함하고, 리프트오프층을 형성하는 단계는 경사각을 이용하여 제2 금속막의 표면과 게이트 개구부의 측벽에 리프트오프층을 증착한다.

이때, 경사각은 45°이하로 할 수 있다.

또한, 리프트오프층을 형성하는 단계는 전자선 증착 방법을 사용할 수 있다.

이때, 리프트오프층은 알루미늄으로 형성되는 전자 방출 소자의 제조방법.

또한, 촉매 금속층은 니켈, 코발트, 철, 이트륨 또는 이들의 합금으로 형성할 수 있다.

또한, 게이트 개구부를 형성하는 단계는 이방성 에칭공정을 이용할 수 있다.

또한, 절연층 개구부를 형성하는 단계는 제2 금속층을 식각마스크로 하는 등방성 에칭공정을 이용할 수 있다.

또한, 탄소나노튜브를 형성하는 단계는 화학기상증착법을 사용할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1a 내지 도 1i는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자의 제조방법을 나타낸 공정도이다.

도면을 참고하여 설명하면, 먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이 기판(10) 상에 캐소드 전극 형성을 위한 제1 금속층(12), 절연층(14) 및 게이트 전극 형성을 위한 제2 금속층(16)을 차례로 증착 형성한다. 이때, 절연층(14)은 프린팅법을 이용하여 후막으로 형성할 수도 있다.

이때, 제1 금속층(12)과 제2 금속층(16)은 일례로 크롬(Cr)으로 이루어질 수 있으며, 절연층(14)은 실리콘 산화막(SiO₂)으로 이루어질 수 있다.

다음으로 도 1b에 도시된 바와 같이, 포토레지스트(18)를 이용한 마스킹 공정을 수행한 후, 도 1c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트(18)를 식각 마스크로 하는 이방성 에칭(anisotropic etching)공정을 수행하여 제2 전극층(16)에 게이트 개구부(16a)를 형성한다.

이어서 도 1d에 도시한 바와 같이, 포토레지스트(18)를 제거한 후, 도 1e에 도시한 바와 같이, 제2 금속층(16)을 마스킹 막으로 사용하여 절연층(14)을 습식식각(wet etching)하여 제1 금속층(12)의 표면을 노출시키는 절연층 개구부(14a)를 형성한다.

이때, 식각제로는 완충 불산(Buffered HF) 용액을 사용할 수 있으며, 이러한 공정에 의해 형성되는 절연층 개구부(14a)의 단면적은 게이트 개구부(16a)의 단면적보다 크게 형성된다.

이는 후속공정으로 절연층 개구부(14a) 내부에 노출된 제1 금속층(12) 표면에 촉매 금속이 형성될 충분한 공간을 확보하기 위함이다.

다음으로 도 1f에 도시한 바와 같이, 제2 금속층(16) 상에 적당한 각도의 경사각(Glancing Angle)을 주어 리프트오프(lift-off)층(20)을 증착한다. 이러한 경사 증착 공정은 전자선(e-beam) 증착기를 이용할 수 있다. 이때, 리프트오프층(20)은 알루미늄(Al)과 같은 금속 또는 촉매 금속과 선택적으로 에칭이 가능한 다른 재료를 사용할 수 있다.

이때, 경사각을 이용하여 리프트오프층(20)의 증착이 이루어지기 때문에 제2 금속층(16)의 상면과 게이트 개구부(16a)의 측벽에만 리프트오프층(20)이 증착되며, 절연층 개구부(14a)의 내부로는 리프트오프층(20)이 증착되지 않는다.

리프트오프층(20)은 촉매 금속이 필요 없는 곳에만 증착된다. 따라서 리프트오프층(20)이 형성되는 경사각은 촉매 금속이 형성되는 개구부의 구조에 의해 결정되는데 절연층(14)의 두께를 h라 하고, 게이트 개구부(16a)의 직경을 d라 하면 경사각(α)는 tanα=h/d를 만족한다. 즉, α=tan^-1(h/d)가 된다.

이때, 일반적으로 h/d는 1을 넘지 않으므로, 경사각(α)는 45°이하로 할 수 있다. 다만, 절연층 개구부(14a)가 게이트 개구부(16a)보다 작게 형성되는 경우, 경사각(α)을 결정하는 d는 절연층 개구부(14a)의 크기가 된다.

이어서 도 1g에 도시한 바와 같이, 리프트오프층(20) 및 제1 금속층(12) 위에 촉매 금속층(22)을 수직 증착한다. 촉매 금속층(22)으로는 니켈(Ni), 철(Fe) 또는 코발트(Co)와 같은 전이금속 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다.

촉매 금속층(22)은 직진성이 좋은 입자들을 이용하여 형성되는데, 게이트 개구부(16a)의 측벽에 형성된 리프트오프층(20)에 의해 입자들의 직진이 저지되므로, 리프트오프층(20) 및 절연층 개구부(14a) 내부에 형성되는 제1 금속층(12)의 일정영역에만 촉매 금속층(22)이 형성된다.

즉, 절연층 개구부(14a) 내부에 위치하는 제1 금속층(12)의 표면에 형성된 촉매 금속층(22)은 게이트 개구부(16a)의 단면적보다 작은 면적을 갖도록 형성된다.

촉매 금속층(22)이 형성되는 면적은 공정조건(예를 들면, 경사각의 조정 등)을 변경함으로써 탄소나노튜브가 성장하기에 적절한 면적을 갖도록 조절할 수 있다.

또한, 촉매 금속이 적층된 두께는 수 나노미터 이하가 되어야 하는데, 그 이유는 후속공정에서 탄소나노튜브의 수직성장을 위한 것이며, 만일 촉매 금속이 적 층된 두께가 두꺼울 경우에는 탄소나노튜브가 기판(10)에 수직방향 뿐만 아니라 수평방향으로도 성장할 수 있기 때문에 가능한 한 얇은 두께와 작은 면적을 가질 수록 한 가닥의 탄소나노튜브의 성장에 유리하다.

도 1h에 도시된 바와 같이, 촉매 금속층(22)을 형성한 이후에, 절연층 개구부(14a) 내부에 형성된 촉매 금속층(22)을 제외한 나머지 촉매 금속층(22)을 제거하기 위해 리프트오프층(20)을 제거하는 공정을 수행한다.

리프트오프층(20)을 제거하는 리프트오프 공정은 습식 식각법을 이용하여 수행되는데, 리프트오프층(20)이 알루미늄으로 이루어지는 경우 알루미늄과 반응하고 촉매 금속층(22) 등의 다른 부분과는 반응하지 않는 수산화칼륨(KOH) 용액을 이용할 수 있다.

즉, 수산화칼륨 용액에 기판(10)을 담그면 리프트오프층(20)이 제거되어 제2 금속층(16)의 표면으로부터 떨어져 나가게 되는데, 이에 따라 리프트오프층(20) 상에 증착되어 있는 촉매 금속층(22) 역시 제거된다.

절연층 개구부(14a)의 내부에는 리프트오프층(20)이 증착되어 있지 않으므로, 절연층 개구부(14a) 내부에 형성된 촉매 금속층(22)은 그대로 남아있게 된다.

이와 같이 절연층 개구부(14a)의 내부에 촉매 금속층(22)을 선택적으로 형성한 다음에, 도 1i에 도시한 바와 같이, 촉매 금속층(22) 상에 탄소나노튜브(24) 전자 방출부를 형성한다. 탄소나노튜브(24)는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)을 사용하여 기판(10)의 표면과 수직 방향으로 형성시킨다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 제2 금속층(16)을 식각하여 게이트 개구 부(16a)를 형성하고, 게이트 개구부(16a)에 자기정렬(Self Aligned)된 탄소나노튜브 전자 방출부를 형성한다. 따라서 기계적인 장치를 이용하여 전자 방출부를 정렬하는 방법에 비해 정확한 정렬이 가능하다.

도 2에는 이와 같은 제조 공정을 통해 완성된 전자 방출 표시 디바이스(100)의 구조를 도시하였다. 전자 방출 소자(100)는 절연층(34)을 사이에 두고 서로 직교하는 방향을 따라 형성되는 캐소드 전극들(32) 및 게이트 전극들(36)과, 캐소드 전극들(32) 위에 형성되는 촉매 금속(38) 및 탄소나노튜브 전자 방출부들(40)을 포함한다.

이때, 절연층(34)과 게이트 전극(36)에는 각 전자 방출부들(40)에 대응하는 개구부(34a, 36a)가 형성되어 기판(30) 상에 전자 방출부들(40)이 노출되도록 한다.

본 발명의 실시예에 따라 제조된 전자 방출 소자(100)에서 게이트 개구부(16a)와 탄소나노튜브 전자 방출부(24)는 제조 공정을 통해 자동 정렬되어 형성되므로 매우 정확하게 정렬된다. 또한, 복수개의 전자 방출 소자를 포함하는 전자 방출 소자에서 각각의 전자 방출 소자의 특성이 균일해 진다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 제조방법에 의하면 촉매 금속을 자기 정렬하여 탄소나노튜브 전자 방출부가 정확히 정렬되어 균일한 특성을 갖는 전자 방출 소자를 제공한다.

Claims (8)

1. 전자 방출 소자의 제조방법에 있어서,

   기판 상에 제1 금속층, 절연층 및 제2 금속층을 적층하여 형성하는 단계;

   상기 제2 금속층의 일부분을 제거하여 상기 절연층을 노출시키는 게이트 개구부를 형성하는 단계;

   상기 게이트 개구부와 대응하는 영역의 상기 절연층을 제거하여 상기 제1 금속층을 노출시키는 절연층 개구부를 형성하는 단계;

   상기 제2 금속층 위에 리프트오프층을 형성하는 단계;

   상기 리프트오프층 및 상기 제1 금속층의 표면에 촉매 금속층을 형성하는 단계;

   상기 리프트오프층과 상기 리프트오프층의 표면 위에 형성된 촉매 금속층을 제거하는 단계;

   상기 제1 금속층 표면에 형성된 상기 촉매 금속층 위에 탄소나노튜브를 형성하는 단계를 포함하고,

   상기 리프트오프층을 형성하는 단계는 경사각을 이용하여 상기 제2 금속막의 표면과 상기 게이트 개구부의 측벽에 리프트오프층을 증착하는 전자 방출 소자의 제조방법.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 경사각은 45°이하로 하는 전자 방출 소자의 제조방법.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 리프트오프층을 형성하는 단계는 전자선 증착 방법을 사용하는 전자 방출 소자의 제조방법.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 리프트오프층은 알루미늄으로 형성되는 전자 방출 소자의 제조방법.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 촉매 금속층은 니켈, 코발트, 철, 이트륨 또는 이들의 합금으로 형성하는 전자 방출 소자의 제조방법.
6. 제1 항에 있어서,

   상기 게이트 개구부를 형성하는 단계는 이방성 에칭공정을 이용하는 전자 방출 소자의 제조방법.
7. 제1 항에 있어서,

   상기 절연층 개구부를 형성하는 단계는 제2 금속층을 식각마스크로 하는 등방성 에칭공정을 이용하는 전자 방출 소자의 제조방법.
8. 제1 항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브를 형성하는 단계는 화학기상증착법을 사용하는 전자 방출 소자의 제조방법.

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