KR20070102413A - 박막형 전자원과 그 제조방법 및 박막형 전자원 응용기기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내열성이 높은 박막형 전자원을 제공하는 것이다.
이를 위한 본 발명은 기판과, 상기 기판의 일주면측에 형성된 하부 전극과, 상기 하부 전극에 접촉하여 형성된 절연층과, 상기 절연층에 접촉하여 형성된 상부 전극을 구비한 박막 전자원에 있어서, 상기 상부 전극을 제 1 밑바탕층, 제 2 밑바탕층, 중간층, 표면층의 적층구조로 하고, 상기 제 1 밑바탕층은 IrO2 또는 RuO2를 주구성 재료로 하고, 상기 제 2 밑바탕층은 Ir 또는 Ru를 주구성 재료로 하고, 상기 중간층은 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하고, 상기 표면층은 Au, Ag의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 한다.
Description
도 1은 본 발명에서의 제 1 실시예인 박막 전자원의 단면도,
도 2는 박막 전자원의 동작원리를 나타내는 도,
도 3은 본 발명에서의 제 1 실시예인 박막 전자원의 중간층으로서 순Pt를 사용한 경우의 표면층에 형성되는 입계 홈의 깊이와 열처리온도의 관계를 나타내는 도,
도 4는 본 발명에서의 제 1 실시예인 박막 전자원의 중간층으로서 PtIr을 사용한 경우의 표면층에 형성되는 입계 홈의 깊이와 열처리온도의 관계를 나타내는 도,
도 5는 본 발명에서의 제 1 실시예인 박막 전자원의 중간층으로서 PtRu를 사용한 경우의 표면층에 형성되는 입계 홈의 깊이와 열처리온도의 관계를 나타내는 도,
도 6은 본 발명에서의 제 1 실시예인 박막 전자원의 중간층으로서 PtRh를 사용한 경우의 표면층에 형성되는 입계 홈의 깊이와 열처리온도의 관계를 나타내는 도,
도 7은 본 발명에서의 제 1 실시예인 박막 전자원의 제 1 밑바탕층에 IrO2를 사용한 경우의 박리강도에 대한 효과를 나타내는 도면이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
110 : 기판 111 : 하부전극
112, 114 : 보호절연층 113 : 상부전극
115 : 버스 전극 배선의 하층 116 : 버스 전극 배선의 상층
213 : 금속층
본 발명은 금속/절연체/금속 또는 금속/절연체/반도체의 적층구조를 가지고, 진공 중에 전자를 방출하는 박막형 전자원과, 이것을 사용한 응용기기에 관한것이다.
박막형 전자원이란, 예를 들면 일본국 특개2005-235781에 기재되어 있는 바와 같이 상부전극/절연층/하부전극의 적층구조의 상부전극과 하부전극의 사이에 전압을 걸어 상부전극의 표면으로부터 진공 중에 전자를 방출시키는 것이다. 상부전극, 하부전극에 금속을 사용한 MIM(금속/절연체/금속)형 전자원이나, 한쪽의 전극에 반도체를 사용한 MIS(금속/절연체/반도체)형 전자원 등이 있다.
도 2는 일본국 특개2005-235781호 공보에 기재되어 있는 동작원리를 나타내는 것이다. 상부전극(113)과 하부전극(111)에 전압(Vd)을 걸면, 하부전극(111) 중의 페르미 준위 근처에 있는 전자는, 터널효과에 의하여 배리어를 빠져 나가 절연 층(112), 상부전극(113)의 전도대에 주입되어 핫일렉트론이 된다. 이 핫일렉트론은 절연층(112) 중, 상부전극(113) 중에서 산란되어 에너지를 잃으나, 상부전극(113)의 일함수(φ) 이상의 에너지를 가지는 핫일렉트론은 진공(120) 중으로 방출된다. 이와 같은 박막 전자원은, 신형의 전자원으로서 기대되고 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2005-235781호 공보
이 전자원을 제조하는 공정에서는, 예를 들면 일본국 특개2005-235781호 공보에도 기재되어 있는 바와 같이 면판과 밀봉 부착할 때에 고온에 노출된다. 발명자들은 이 고온처리에서 확산이 활발해져 상부전극 표면의 저저항층(Au 또는 Ag를 주구성 재료로 하는 박막)의 입계부에서 단선되는 경우가 있는 것을 발견하였다. 따라서 본 발명의 제 1 과제는, 신뢰성이 높은 박막형 전자원을 제공하는 것이다. 본 발명의 제 2 과제는, 내열성이 높은 박막형 전자원을 제공하는 것이다. 또 본 발명의 제 3 과제는, 신뢰성이 높은 박막형 전자원 응용기기를 제공하는 것이다. 본 발명의 제 4 과제는, 내열성이 높은 박막형 전자원 응용기기를 제공하는 것이다.
발명자들은 기판과, 상기 기판의 일주면측에 형성된 하부전극과, 상기 하부전극에 접촉하여 형성된 절연층과, 상기 절연층에 접촉하여 형성된 상부전극을 구비한 박막형 전자원에 있어서, 상부전극의 밑바탕의 재료구성을 적정화함으로써 상 부전극 표면의 저저항층의 단선을 방지할 수 있는 것을 발견하였다.
본원 발명의 과제는 예를 들면 하기의 구성을 구비한 박막 전자원에 의하여 해결된다.
(1) : 기판과, 상기 기판의 일주면측에 형성된 하부전극과, 상기 하부전극에 접촉하여 형성된 절연층과, 상기 절연층에 접촉하여 형성된 상부전극을 구비한 박막 전자원에 있어서, 상기 상부전극을 제 1 밑바탕층, 제 2 밑바탕층, 중간층, 표면층의 적층구조로 하고, 상기 제 1 밑바탕층은 IrO2 또는 RuO2를 주구성 재료로 하고, 상기 제 2 밑바탕층은 Ir 또는 Ru를 주구성 재료로 하고, 상기 중간층은 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하고, 상기 표면층은 Au, Ag의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 것.
또한, 절연층은 Al2O3 또는 TiO2를 주구성 재료로 하는 것이 바람직하다.
(2): 기판과, 상기 기판의 일주면측에 형성된 하부전극과, 상기 하부전극에 접촉하여 형성된 절연층과, 상기 절연층에 접촉하여 형성된 상부전극을 구비한 박막 전자원에 있어서, 상기 상부전극을 제 1 밑바탕층, 제 2 밑바탕층, 제 1 중간층, 제 2 중간층, 표면층을 적층한 구조로 하고, 상기 제 1 밑바탕층은 IrO2 또는 RuO2를 주구성 재료로 하고, 상기 제 2 밑바탕층은 Ir 또는 Ru를 주구성 재료로 하고, 상기 제 1 중간층은 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하고, 상기 제 2 중간층은 Pt를 주구성 재료로 하고, 상기 표면층은 Au, Ag의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 것을 특징으로 하는 것.
또한 절연층은 Al2O3 또는 TiO2를 주구성 재료로 하는 것이 바람직하다.
(실시예 1)
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 나타낸 실시예에 의하여 상세하게 설명한다.
먼저 다음에 본 발명에서의 제 1 실시예인 박막 전자원의 단면구조를 도 1에 나타낸다. 여기서는 박막형 전자원의 일례로서 금속/절연체/금속형의 박막형 전자원에 대하여 설명한다. 처음에 기판(10) 위에 금속막으로 이루어지는 하부전극(111)을 형성한다. 하부전극(111)의 재료에는 예를 들면 Al, Al합금, Ti, Ti 합금 등을 주구성 재료로 한다. 다음에 하부전극(111)상의 전자 방출부를 구성하는 부분을 포토레지스트로 마스크하고, 하부전극(111)의 전자 방출부 이외의 부분을 선택적으로 두껍게 양극 산화하여 Al2O3나 TiO2를 주구성 재료로 하는 보호절연층(112과 114)을 형성한다. 이 보호절연층(114)은 전자 방출부를 제한 또는 규정함과 동시에 하부전극(111)의 에지에 전계가 집중하는 것을 방지하는 역할을 한다. 이 양극 산화에 의한 보호절연층(114)의 형성 종료 후, 레지스트막을 제거하여 하부전극 표면을 부분적으로 노출시키고, 다시 하부전극(111)을 양극으로 하여 전자방출부를 양극 산화한다. 계속해서 버스 전극 배선용 막을 성막한다. 여기에는 기본구조로서 일본국 특개 2005-235781호 공보에 기재되어 있는 바와 같은 상부전극(113)과 직접 접촉하는 버스 전극 배선의 하층(115)과, 급전부 버스 전극 배선의 상층(116)과의 2단 구조의 버스 전극 배선을 형성한 구조를 나타낸다.
다음에 상부전극(113)용 막을 스퍼터링법으로 성막한다. 여기서는 상기 절연층측으로부터 제 1 밑바탕층, 제 2 밑바탕층, 중간층, 표면층으로 하여 각각 IrO2, Ir, Pt 합금 및 Au를 순서대로 적층한 다층막을 형성하고, 각각의 막두께는 예를 들면 약 0.4 nm, 0.4 nm, 1.2 nm, 1.2 nm의 모두 3∼4 nm로 하나, 이외의 나노 스케일 규모의 두께의 조합이어도 좋다. 전자 방출부의 크기는 예를 들면 50㎛ 이다. 도 1에서는 이 상부전극을 구성하는 4층의 금속막은 버스 전극 배선의 상층(116)의 표면에도 금속층(213)으로서 형성되어 버스 전극 배선의 저저항화에 기여하도록 하고 있다.
다음에 본 실시예에서의 효과에 대하여 설명한다. 본 실시예의 하나의 효과는 중간층에 순 Pt만을 사용하는 것은 아니고, PtIr, PtRu, PtRh와 같은 합금을 사용함으로써 열처리시에 표면층(Au)의 입계에 형성되는 홈(입계 홈이라 한다)의 깊이를 얇게 유지하여 단선을 방지하는 것이다. 입계 홈 깊이와 열처리온도의 관계를 도 3 내지 도 6에 나타낸다. 도 3은 Ir2원자층-Pt6원자층-Au6원자층(111)배향의 홈 깊이 해석결과이다. 도 4는 Ir2원자층-PtIr6원자층-Au6원자층(111) 배향의 홈 깊이 해석결과이다. 도 5는 Ir2원자층-PtRu6원자층-Au6원자층(111) 배향의 홈 깊이 해석결과이다. 도 6은 Ir2원자층-PtRh6원자층-Au6원자층(111) 배향의 홈 깊이 해석결과이다. 도 3 내지 도 6의 어느 쪽의 도면에서도 분명한 바와 같이 온도가 높아지고, 표면층(Au)의 홈이 깊어져 가면, 마침내 중간층의 Pt 합금이 표면에 드러난다. 즉 표면층(Au)이 단선되고 만다. 상기 중간층으로서 Pt 합금이 아니 라, 순 Pt를 사용한 경우의 결과가 도 3이다. 중간층으로서 PtIr을 사용한 경우의 결과가 도 4, PtRu를 사용한 경우의 결과가 도 5, PtRh를 사용한 경우의 결과가 도 6이다. 이들 도면에서 그래프의 직선이 꺾이는 의미는, 활성화 에너지가 변화되는, 즉 막구조가 변화된다고 해석할 수 있다. 정확히 이 온도 부근에서 중간층이 표면에 드러나기 시작하여 표면층(Au)이 단선되고 만다. 이들 도면에서 알 수 있는 바와 같이 순 Pt의 중간층을 사용하면 325℃ 부근에서 단선되는 것에 대하여, PtIr, PtRu, PtRh의 중간층을 사용하면 400℃ 부근까지 단선되지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 표면층(Au)의 두께에도 의하나, 표면층(Au)을 형성하는 공정보다 뒤에 325℃ 이상의 열처리를 행하는 경우에는 PtIr, PtRu, PtRh의 중간층을 사용함으로써 순 Pt를 사용한 경우보다 단선의 확률이 작아진다. 또한 표면층(Au)의 막두께는 1.2 nm 이나, 열처리를 하여 재배열을 하기 때문에, 약 1 nm의 홈이 생기면 중간층이 표면에 드러나기 시작하여 단선되고 만다.
본 실시예에서의 다른 효과로서는, 중간층에 순 Pt만을 사용하는 것은 아니고, PtIr, PtRu, PtRh 와 같은 합금을 사용함으로써, 전자를 방출시킬 때의 표면층(Au)의 원자확산이 억제되어 전자방출분포가 안정화된다는 효과도 있다.
이 중간층의 밑바탕이 되는 제 2 밑바탕층/제 1 밑바탕층의 조합은 Ir/IrO2 또는 Ru/RuO2 인 경우에 절연층과의 밀착성이 더욱 양호하고, IrO2, RuO2와 같은 제 1 밑바탕층이 없는 경우, 즉 제 2 밑바탕층밖에 없는 경우에 비하여 박리강도가 2배 이상이 된다. 이 IrO2의 제 1 밑바탕층의 효과를 나타내는 예의 일부를 도 7에 나타낸다. RuO2의 효과에 대해서도 마찬가지이다.
또, 중간층에 대해서도 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 1층 구조보다 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 제 1 중간층과, 이것에 접촉시켜 Pt를 주구성 재료로 하는 제 2 중간층을 형성하고, 중간층을 2층구조로 하는 쪽이, 전기저항이 낮아지기 때문에 더욱 바람직하다.
본 발명에 의하면, 신뢰성이 높은 박막 전자원을 제공할 수 있다. 또 내열성이 높은 박막 전자원을 제공할 수 있다. 또 신뢰성이 높은 박막 전자원 응용기기를 제공할 수 있다. 또한 내열성이 높은 박막 전자원 응용기기를 제공할 수 있다.
Claims (10)
- 기판과, 상기 기판의 일주면측에 형성된 하부전극과, 상기 하부전극에 접촉하여 형성된 절연층과, 상기 절연층에 접촉하여 형성된 상부전극을 구비하고, 상기 상부전극은, 상기 절연층측으로부터 제 1 밑바탕층, 제 2 밑바탕층, 중간층, 표면층을 적층한 구조이고, 상기 제 1 밑바탕층은 IrO2 또는 RuO2를 주구성 재료로 하고, 상기 제 2 밑바탕층은 Ir 또는 Ru를 주구성 재료로 하며, 상기 중간층은 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하고, 상기 표면층은, Au, Ag의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 것을 특징으로 하는 박막형 전자원.
- 기판과, 상기 기판의 일주면측에 형성된 하부전극과, 상기 하부전극에 접촉하여 형성된 절연층과, 상기 절연층에 접촉하여 형성된 상부전극을 구비하고, 상기 상부전극은, 상기 절연층측으로부터 제 1 밑바탕층, 제 2 밑바탕층, 중간층, 표면층을 적층한 구조이고, 상기 하부전극은 Al을 주구성 재료로 하며, 상기 절연층은 Al2O3를 주구성 재료로 하고, 상기 제 1 밑바탕층은 IrO2 또는 RuO2를 주구성 재료로 하며, 상기 제 2 밑바탕층은 Ir 또는 Ru를 주구성 재료로 하고, 상기 중간층은 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하며, 상기 표면층은 Au, Ag의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 것을 특징으로 하는 박막형 전자원.
- 기판과, 상기 기판의 일주면측에 형성된 하부전극과, 상기 하부전극에 접촉하여 형성된 절연층과, 상기 절연층에 접촉하여 형성된 상부전극을 구비하고, 상기 상부전극은, 상기 절연층측으로부터 제 1 밑바탕층, 제 2 밑바탕층, 제 1 중간층, 제 2 중간층, 표면층을 적층한 구조이고, 상기 하부전극은 Al을 주구성 재료로 하고, 상기 절연층은 Al2O3를 주구성 재료로 하며, 상기 제 1 밑바탕층은 IrO2 또는 RuO2를 주구성 재료로 하고, 상기 제 2 밑바탕층은 Ir 또는 Ru를 주구성 재료로 하고, 상기 제 1 중간층은 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하고, 상기 제 2 중간층은 Pt를 주구성 재료로 하며, 상기 표면층은 Au, Ag의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 것을 특징으로 하는 박막형 전자원.
- 기판과, 상기 기판의 일주면측에 형성된 하부전극과, 상기 하부전극에 접촉하여 형성된 절연층과, 상기 절연층에 접촉하여 형성된 상부전극을 구비하고, 상기 상부전극은, 상기 절연층측으로부터 제 1 밑바탕층, 제 2 밑바탕층, 중간층, 표면층을 적층한 구조이고, 상기 하부전극은 Ti를 주구성 재료로 하며, 상기 절연층은 TrO2를 주구성 재료로 하고, 상기 제 1 밑바탕층은 IrO2 또는 RuO2를 주구성 재료로 하고, 상기 제 2 밑바탕층은 Ir 또는 Ru를 주구성 재료로 하며, 상기 중간층은 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하고, 상기 표면층은 Au, Ag의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 것을 특징으로 하는 박막형 전자원.
- 기판과, 상기 기판의 일주면측에 형성된 하부전극과, 상기 하부전극에 접촉하여 형성된 절연층과, 상기 절연층에 접촉하여 형성된 상부전극을 구비하고, 상기 상부전극은, 상기 절연층측으로부터 제 1 밑바탕층, 제 2 밑바탕층, 제 1 중간층, 제 2 중간층, 표면층을 적층한 구조이고, 상기 하부전극은 Ti를 주구성 재료로 하며, 상기 절연층은 TiO2를 주구성 재료로 하고, 상기 제 1 밑바탕층은 IrO2 또는 RuO2를 주구성 재료로 하며, 상기 제 2 밑바탕층은 Ir 또는 Ru를 주구성 재료로 하고, 상기 제 1 중간층은 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하고, 상기 제 2 중간층은 Pt를 주구성 재료로 하며, 상기 표면층은 Au, Ag의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 것을 특징으로 하는 박막형 전자원.
- 기판과, 상기 기판의 일주면측에 형성된 하부전극과, 상기 하부전극에 접촉하여 형성된 절연층과, 상기 절연층에 접촉하여 형성된 상부전극을 구비하고, 상기 상부전극은, 상기 절연층측으로부터 밑바탕층, 제 1 중간층, 제 2 중간층, 표면층을 적층한 구조이고, 상기 하부전극은 Ti를 주구성 재료로 하며, 상기 절연층은 TiO2를 주구성 재료로 하고, 상기 밑바탕층은 Ir 또는 Ru를 주구성 재료로 하고, 상기 제 1 중간층은 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하고, 상기 제 2 중간층은 Pt를 주구성 재료로 하며, 상기 표면층은 Au, Ag의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 것을 특징으로 하는 박막형 전자원.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 박막형 전자원을 복수개 배열하여 이루어지는 박막형 전자원 배열기판을, 전자원으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 박막형 전자원 응용기기.
- 기판의 일주면측에 하부전극을 형성하는 공정과, 상기 하부전극에 접촉하여 절연층을 형성하는 공정과, 상기 절연층에 접촉하여 상부전극을 형성하는 공정을 구비하고, 상기 상부전극을 형성하는 공정은, 상기 절연층측으로부터 제 1 밑바탕층, 제 2 밑바탕층, 중간층, 표면층을 적층하는 공정을 가지고, 상기 하부전극을 형성하는 공정은 Al을 주구성 재료로 하는 막을 형성하는 공정이고, 상기 절연층을 형성하는 공정은 상기 하부전극을 산화하는 공정이며, 상기 제 1 밑바탕층을 형성하는 공정은 IrO2 또는 RuO2를 주구성 재료로 하는 막을 형성하는 공정이고, 상기 제 2 밑바탕층을 형성하는 공정은 Ir 또는 Ru를 주구성 재료로 하는 막을 형성하는 공정이며, 상기 중간층을 형성하는 공정은 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되 는 일종류를 주구성 재료로 하는 스퍼터 타깃을 사용하여 스퍼터성막하는 공정이며, 상기 표면층을 형성하는 공정은 Au, Ag의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 스퍼터 타깃을 사용하여 스퍼터 성막하는 공정인 것을 특징으로 하는 박막형 전자원의 제조방법.
- 기판의 일주면측에 하부전극을 형성하는 공정과, 상기 하부전극에 접촉하여 절연층을 형성하는 공정과, 상기 절연층에 접촉하여 상부전극을 형성하는 공정을 구비하고, 상기 상부전극을 형성하는 공정은 상기 절연층측으로부터 제 1 밑바탕층, 제 2 밑바탕층, 중간층, 표면층을 적층하는 공정을 가지고, 상기 하부전극을 형성하는 공정은 Ti를 주구성 재료로 하는 막을 형성하는 공정이고, 상기 절연층을 형성하는 공정은 상기 하부전극을 산화하는 공정이며, 상기 제 1 밑바탕층을 형성하는 공정은 IrO2 또는 RuO2를 주구성 재료로 하는 막을 형성하는 공정이고, 상기 제 2 밑바탕층을 형성하는 공정은 Ir 또는 Ru를 주구성 재료로 하는 막을 형성하는 공정이며, 상기 중간층을 형성하는 공정은 PtIr, PtRu, PtRh의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 스퍼터 타깃을 사용하여 스퍼터 성막하는 공정이고, 상기 표면층을 형성하는 공정은 Au, Ag의 군으로부터 선택되는 일종류를 주구성 재료로 하는 스퍼터 타깃을 사용하여 스퍼터 성막하는 공정인 것을 특징으로 하는 박막형 전자원의 제조방법.
- 제 8항 또는 제 9항에 있어서,상기 표면층을 형성하는 공정보다 뒤에 325℃ 이상의 열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 박막형 전자원의 제조방법.
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