KR950003648B1

KR950003648B1 - 필드 에미션 장치 및 제조방법

Info

Publication number: KR950003648B1
Application number: KR1019920021333A
Authority: KR
Inventors: 이천규; 이강옥; 최선경
Original assignee: 삼성전관 주식회사; 박경팔
Priority date: 1992-11-13
Filing date: 1992-11-13
Publication date: 1995-04-17
Also published as: KR940012444A

Abstract

내용 없음.

Description

필드 에미션 장치 및 제조방법

제1(a)도~제1(d)도는 종래의 필드 에미션 장치 및 그 제조공정을 나타내는 단면도 및 사시도.

제2(a)도~제2(d)도는 본 발명에 의한 필드 에미션 장치 및 그 제조공정을 나타내는 단면도 및 사시도.

제3도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 4극 필드 에미션 장치의 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11, 21, 31 : 기판 12, 22, 32 : 제1절연막

13, 26, 33 : 필드 에미터 전극 14, 24 : 포토 레지스트

15, 28, 35 : 게이트 전극 23 : 제2절연막

25 : 그림자 영역 27 : 뾰족한 선단

34 : 애노우드 전극 36 : 제어 전극

본 발명은 필드 에미션 장치(FIELD EMISSION DEVICE) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적인 음극선관의 전자총에서는 텅스텐 필라멘트를 가열하여 방출되는 열전자를 전자원(電子源)으로 이용하게 되지만, 상기 필드 에미션 장치("TECHNICAL DIGEST OF IVMC '91", PAGE 46, 47)는 도체인 금속 또는 반도체인 실리콘에 소정의 강한 전기장(이하 電界라 약칭함)을 인가하여 상기 금속 또는 반도체인 실리콘의 선단(先端)에서 방출되는 냉전자(冷電子:이하 전자라 약칭함)를 그 전자원으로 이용하는 장치이다.

이와 같은 필드 에미션 장치의 종래 구조와 그 제조 공정은 다음과 같다.

제1(a)도~제1(d)도에 종래의 필드 에미션 장치의 구조 및 그 제조공정을 나타내는 단면도 및 사시도를 참조하여 순서대로 설명한다.

반도체 웨이퍼 또는 글래스(GLASS)로 된 평면 기판(11)상에 제1절연막(SiO₂:12)을 형성하고, 그 상부에 텅스텐(W)의 필드 에미터 전극막(13)을 적층(積層)시킨다. 그 후에 포토 레지스트(14)를 도포하고 필드 에미터 전극 패턴(PATTERN)을 형성시키다(제1(a)도).

그 다음 식각(ETCHING) 공정에 의하여 상기 필드 에미터 전극막(13)을 이방성(異方性 ; ANISOTROPIC) 식각하여 필드 에미터 전극(13)을 형성하고, 다시 그 하부의 제1절연막(12)을 등방성(等方性 ; ISOTROPIC) 식각한다(제1(b)도).

여기에 니오븀(Nb)의 게이트 전극 물질을 전자총 이베퍼레이션(ELECTRON GUN EVAPORATION)방법으로 기판 전면에 증착시킨 후 셀프 얼라인(SELF-ALIGN) 방식으로 게이트 전극(15)을 형성한다(제1(c)도).

여기에서 전자총 이베퍼레이션 증착 방법이란, 진공 챔버(CHAMBER)내에서 고전압으로 가속된 전자를 시료(試料)에 고속 충돌시키면, 상기 시료가 녹아 증발하여 기판에 증착되는 것을 말하여 통상 이베퍼레이션 증착 방법이라 한다. 그리고 상기 셀프 얼라인 방식이란 상기 게이트 전극의 패턴을 형성할 때 새로운 포토 매스크(PHOTO MASK) 공정을 사용하게 되면 상기 포토 설비의 오차에 의하여 상기 에미터 전극단(電極端)과 게이트 전극단이 정확히 일치하도록 패터닝 하기 어렵다. 그러므로 에미터 전극을 매스크로서 사용하여 새로운 포토 매스크 공정의 추가없이 게이트 전극의 위치를 자동적으로 형성하는 방법을 말하며 미세(微細) 패턴 형성시 얼라인의 여유도(MARGIN)와 공정을 저감(低減)할 수 있는 이점을 가지고 있다.

마지막으로 포토 레지스트를 다시 도포한 후 사진 식각 공정에 의하여 필드에미터전극(13)을 빗살모양(COMB-LIKE)으로 형성한다(제1(d)도).

이상에서와 같은 제조 공정을 거쳐 형성된 종래 필드 에미션 장치의 구조는 제1(d)도에 도시된 바와 같으며, 상기 빗살 모양의 필드 에미터 전극(13)의 선단이 직사각형의 평면구조로 되어 있어, 게이트 전극(15)에 소정의 전압을 인가하여 전계가 형성이 되면, 필드 에미터 전극(13)의 평면인 선단으로부터 전자 방출이 일어나게 되지만 필드 인헤스먼트(FIELD ENHANCEMENT)가 크지 않으며, 그 결과 필드 에미션을 일으키는 상기 게이트 전극(15)의 전압이 200Volt 이상 인가되어야 하는, 이른바 문턱 전압(THRESHOLD VOLTAGE)이 높아지는 문제점이 있게 된다.

이상에서와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은, 필드 인헨스먼트를 향상시킴으로써 상기 게이트 전극의 문턱 전압을 낮출 수 있는 필드 에미션 장치 및 그 제조 공정을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 기판 또는 글래스 기판 상에 제1절연막과 그 상부에 필드 에미터 전극이 형성되어 있으며, 상기 필드 에미터 전극에 셀프 얼라인되어 형성된 게이트 전극이 마련되는 필드 에미션 장치에 있어서, 상기 필드 에미터 전극의 선단이 뾰족하게 형성된 구조를 가지는 것을 그 특징으로 한다.

또 본 발명의 필드 에미션 장치의 제조 공정은, 반도체 기판 또는 글래스 기판 상에 제1절연막 형성 공정과, 그 상부에 필드 에미터 전극 형성 공정이 구비된 필드 에미션 장치의 제조 공정에 있어서, 상기 필드 에미터 전극 형성 공정 전에, 상기 제1절연막 상부에 제2절연막을 형성하는 공정과, 그 상부에 포토 레지스트를 도포하여 패터닝(PATTERNING)한 후, 하부의 제2절연막을 초과식각(OVER ETCHING)하여 상기 패터닝된 포토 레지스트와 초과식각된 하부의 제2절연막에 의하여 그림자 영역(SHADOW AREA)를 형성시키기 위한 사진 식각 공정과, 이후에 필드 에미터 전극막을 방향성 입자 증착방법으로 증착하여, 상기 그림자 영역에 의하여 필드 에미터 전극의 선단이 뾰족하게 형성되는 공정이 마련되는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 의한 필드 에미션 장치 구조에서는, 필드 에미터 전극 선단이 뾰족하게 형성되어 있어 전자가 집중하게 되며 실제적으로 이곳으로 부터 전자가 용이하게 방출된다. 즉 필드 인헤스먼트가 향상되어 게이트에 인가되는 문턱 전압이 낮아지게 된다.

이하 예시된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

제2(d)도에는 본 발명에 의한 필드 에미션 장치의 구조가 도시되어 있는 바, 이는 반도체 기판 또는 글래스 기판(21)상에 제1절연막(22)과 그 상부에 필드 에미터 전극(26)이 형성되어 있으며, 상기 필드 에미터 전극(26)에 셀프 얼라인되어 형성된 게이트 전극(28)이 마련되며, 필드 에미터 전극(26)의 선단이 뾰족하게 형성된 구조(27)를 가지고 있다.

또한 제2(a)도~제2(d)도에는 이와 같은 구조를 가지는 본 발명에 의한 필드 에미션 장치의 제조 공정별 단면도 및 사시도가 도시되어 있는 바, 그 제조 공정별 설명은 다음과 같다.

반도체 또는 글래스의 평면 기판(21)상에 제1절연막(SiO₂: 22), 제2절연막인 실리콘 질화막(Si₃N₄: 23)을 연속하여 성막(成膜)하고, 그 상부에 포토 레지스트(24)를 도포하여 패터닝한 후 상기 제2절연막(23)을 약간 초과식각 하면, 상기 패터닝된 포토 레지스트(24)와 초과식각된 제2절연막(23)에 의하여 그림자 영역(25)이 형성된다(제2(a)도).

다음에 이베퍼레이션 또는 스퍼터링(SPUTTERING)의 방향성 입자 증착방법을 사용하여 필드 에미터 전극막(26)을 증착시키면, 상기 그림자 영역에 증착되는 필드 에미터 전극막(26)의 선단이 뾰족하게 형성된다(제2(b)도).

여기에서 상기 방향성 입자 증착방법이란, 박막 즉 필드에미터 전극막(26) 형성시, 필드 에미터 전극막(26)을 형성하는 분자들이 기판에 증착될 때, 기판 평면에 대하여 일정한 각도로 입사되어 증착되도록 하는 방법을 말하며, 또한 상기 필드 에미터 전극막(26)의 물질로서는 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo) 또는 실리사이드(MoSi₂, WSi₂, TaSi, TaSi₂, TiSi₂)의 사용이 가능하다.

이제 최상부의 포토 레지스트(24)와 제2절연막(23)을 제거하고, 상기 제1절연막(22)을 등방성 식각하게 된다. 식각이 완료되면 게이트 전극막(28)을 기판(21)의 전면에 이베퍼레이션 방법으로 증착시킨 후, 상기 필드 에미터 전극(26)을 매스크로 하여 셀프 얼라인 방식으로 게이트 전극(28)을 형성시킨다(제2(c)도).

그리고 상기 게이트 전극막으로는 텅스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 니오븀(Nb) 금속 물질의 사용이 가능하다.

마지막으로 포토 레지스트를 다시 포도한 후 사진 식각 공정에 의하여, 뾰족한 선단(27)을 가지는 상기 필드 에미터 전극(26)을 빗살 모양으로 패터닝시킨다(제2(d)도).

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않는다. 예컨데 제3도를 참조하면, 4극 필드 에미션 장치의 구조가 사시도로 나타내어져 있는 바, 이는 상기 실시예에서의 뾰족한 선단(37)을 가지는 빗살 모양의 필드 에미터 전극(33)과 게이트 전극(35)외에, 애노우드 전극(34)과 제어 전극(36)이 동일 기판(31) 상에 구비되어 있는 것으로서, 상기 애노우드 전극(34)은 필드 에미터 전극(33)과 동일한 물질로서 상기 필드 에미터 전극(33) 형성시에 동시에 형성되며, 상기 제어 전극(36)은 게이트 전극(35)과 동일한 물질로서 상기 게이트 전극(35) 형성시에 동시에 형성되게 된다. 그리하여 이것은 고속 스위칭 회로, 선형증폭기 등에 이용되고 있다.

또한 상기 제어 전극(36)과 애노우드 전극(34) 사이의 전계 침투 방지를 위하여 스크린 전극과, 상기 애노우드 전극(34)의 2차 전자를 제어하는 억제자 전극이 마련되는 6극 필드 에미션 장치가 마련될 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 필드 에미터 전극과 게이트 전극 사이에 필드 인헨스먼트가 증가되어 상기 게이트 전극의 전압이 120Volt 이하에서 필드 에미션이 일어나게되며, 그 결과 게이트 전극에 인가되는 문턱 전압이 낮아지게 되었다.

Claims

반도체 기판 또는 글래스 기판 상에 제1절연막과 그 상부에 필드 에미터 전극이 형성되어 있으며, 상기 필드 에미터 전극에 셀프 얼라인되어 형성된 게이트 전극이 마련된 필드 에미션 장치에 있어서, 상기 필드 에미터 전극(26)의 선단이 뾰족하게 형성된 구조(27)를 가지는 것을 특징으로 하는 필드 에미션 장치.
제1항에 있어서, 상기 필드 에미터 전극(26)의 물질은 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo) 또는 각종 금속 실리사이드(MoSi₂, WSi₂, TaSi, TaSi₂, TiSi₂)중의 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 필드 에미션 장치.
제1항에 있어서, 상기 게이트 전극(28) 물질로서는 텅스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 니오븀(Nb) 금속 중의 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 필드 에미션 장치.
반도체 기판 또는 글래스 기판 상에 제1절연막 형성 공정과, 그 상부에 필드 에미터 전극 형성 공정이 구비된 필드 에미션 장치의 제조공정에 있어서, 상기 필드 에미터 전극(26) 형성 공정 전에, 상기 제1절연막(22) 상부에 제2절연막(23)을 형성하는 공정과, 그 상부에 포토 레지스트(24)를 도포하여 패터닝한 후, 하부의 제2절연막(23)을 초과식각 하여 상기 패터닝된 포토 레지스트(24)와 초과 식각된 하부의 제2절연막(23)에 의하여 그림자 영역(25)을 형성시키기 위한 사진 식각 공정과, 이후에 필드 에미터 전극막(26)을 방향성 입자 증착방법으로 증착하여, 상기 그림자 영역(25)에 의하여 필드 에미터 전극(26)의 선단이 뾰족하게(27) 형성되는 공정이 마련되는 것을 특징으로 하는 필드 에미션 장치 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 제2절연막(23)은 실리콘 질화막을 사용하는 것을 특징으로 하는 필드 에미션 장치 제조방법.