专利名称：利用电弧制造发射器的设备和方法
技术领域：
本发明涉及利用电弧制造发射器的设备和方法，更具体地说，涉及制造发射器的设备和方法，该发射器通过在真空室内使电弧与晶片表面碰撞而形成。
背景技术：
下一代显示装置、例如场致发射器件(FED)利用金属发射器，该金属发射器具有极为尖锐的，尺寸为纳米级的尖端。图1是采用了此种类型的金属发射器13的传统FED的示意图。如图1所示，在FED的衬底10中形成具有开口的绝缘层11。在绝缘层11之上形成栅极12，在形成于绝缘层11中的开口内部形成金属发射器13。为了使金属发射器13的顶端极度尖锐，采用了复杂的制造工艺。
图2A至图2C是说明制造具有极为尖锐的尖端的金属发射器13的传统方法的示意图。首先，如图2A所示，在衬底10之上淀积绝缘层11，之后对绝缘层11构图以形成开口。之后，如图2B所示，在绝缘层11上淀积栅极12，与此同时采用倾斜淀积法旋转衬底10。这里，所形成的栅极12在绝缘层11的顶面上从开口边缘的上方伸出。接下来，如图2C所示，在栅极12的顶面上垂直淀积金属层14，因此，一部分金属穿过栅极12，由此，在绝缘层11的开口内部形成金属发射器13。在这一过程中，由于大部分金属在绝缘层11中的开口的中心处淀积，较少的一部分金属在开口的外围区域淀积，因此，能够形成具有尖锐尖端的金属发射器13。如上所述形成金属发射器13之后，通过蚀刻去除金属层14。这样，可以获得如图1所示的FED，其具有带有尖锐尖端的金属发射器13。
同样地，各种电气/电子设备中采用的作为电子发射器的金属发射器都需要包括数个操作步骤的复杂的半导体制造工艺，因为金属发射器必须具有极为尖锐的、尺寸为纳米级的尖端，以增大电子发射效率。因此，所述金属发射器以及采用了所述金属发射器的电气/电子设备的制造时间和成本都有所增加。此外，采用金属发射器的传统制造方法无法均匀地形成发射器的尖端。
发明内容
本发明提供了一种利用电弧取代复杂的半导体制造工艺来制造具有纳米级尺寸尖端的发射器的简化方法。
本发明还提供了一种利用电弧来制造具有纳米级尺寸尖端的发射器的设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种利用电弧来制造发射器的设备，所述设备包括其中插入晶片的真空室；用于在所述真空室内部产生均匀磁场的磁场产生单元；用于在真空室内部形成与所述磁场平行的电场的电场产生单元；用于朝向晶片发射电子的主发射器。在所述磁场和电场中通过主发射器发射的电子来产生电弧，所述电弧使晶片的表面瞬时熔化并固化，由此在晶片表面上形成具有尖锐尖端的发射器。
根据本发明的一个方面，所述磁场产生单元包括设置在真空室顶部的第一磁极；以及，设置在面对第一磁极的真空室底部的第二磁极，所述第二磁极具有与第一磁极相反的极性。
此外，所述电场产生单元包括在所述磁场内部彼此面对的第一顶部电极和第一底部电极；以及，用于在第一顶部电极和第一底部电极之间施加电压的第一电源。这里，第一电源在第一顶部电极和第一底部电极之间施加在1-10kV范围内的电压。此外，在面对第一底部电极的第一顶部电极的表面上设置晶片。
所述主发射器包括衬底；在所述衬底上形成的第二底部电极；在所述第二底部电极上形成的绝缘层；在所述绝缘层上形成的第二顶部电极；在所述第二顶部电极上形成的掩模；以及，用于在第二底部电极和第二顶部电极之间施加电压的第二电源。
这里，在所述掩模上构图以预定形式排布的至少一个开口，电子从第二顶部电极经由所述至少一个开口发射。
此外，绝缘层的厚度处于5-30nm的范围内。
在第一底部电极之上设置具有上述结构的主发射器，其与晶片相对。在这种情况下，在主发射器和第一底部电极之间插入隔离材料，从而使主发射器与第一底部电极电绝缘。
根据一个方面，增大施加在第二底部电极和第二顶部电极之间的电压的电平(level)，直到在晶片和第二顶部电极之间形成电弧，与此同时，保持第一顶部电极和第一底部电极之间的电压。
这里，所述设备可以进一步包括安培计，其用于测量第二底部电极和第二顶部电极之间的电流以检测电弧的产生。
根据本发明的另一个方面，提供了一种利用电弧制造发射器的方法。所述方法包括在真空室内部将晶片绝缘；在真空室内部形成平行的电场和磁场；在真空室内部从电子发射装置朝向晶片发射电子；通过由电子发射装置发射的电子在所述磁场和电场内的移动产生的电弧使晶片表面瞬时熔化并固化，而在晶片的表面上形成具有尖锐尖端的发射器。
这里，所述磁场是由设置在真空室顶部的第一磁极和设置在面对第一磁极的真空室底部的第二磁极所产生的，所述第二磁极具有与第一磁极相反的磁性。所述电场是通过在所述磁场内部将电压施加在彼此面对的第一顶部电极和第一底部电极之间而形成的。
在这一结构当中，增大施加在第二底部电极和第二顶部电极之间的电压，直到在晶片和第二顶部电极之间形成电弧。在晶片和第二顶部电极之间产生电弧之后，立即停止施加在第二底部电极和第二顶部电极之间的电压。通过观测第二底部电极和第二顶部电极之间流过的电流，可以检测到在晶片和第二顶部电极之间是否产生了电弧。
通过参照附图对本发明的示范性实施例子以详细说明，本发明的上述和其他特征及优势会变得更加明了，其中图1是采用金属发射器的传统场致发射器件(FED)的示意图；图2A至图2C是说明制造如图1所示的金属发射器的传统方法的示意图；图3是用于制造根据本发明一实施例的发射器的设备的横截面图；图4是采用根据本发明一实施例的发射器的制造方法所制造的发射器的示意性横截面图；图5是采用根据本发明一实施例的发射器的制造方法所制造的发射器的顶视图的照片；以及图6是说明根据本发明一实施例的主发射器的电压-电流特性的示意性曲线图。
具体实施例方式
如前所述，通过复杂的半导体制造方法形成传统发射器。但是，在本发明中，通过产生强电弧并瞬间熔化晶片表面而在晶片表面上自然地形成具有尖锐尖端的发射器。
图3是根据本发明一实施例的利用电弧制造此类发射器的设备的横截面图。参照图3，在所述设备中，在其中保持真空的真空室50的内部安装产生电弧的装置。
更具体来说，位于真空室50的顶板上的第一磁极21和位于真空室50底板上的第二磁极22设置成彼此面对。第一和第二磁极21和22可以是单个弯曲磁体(single bent magnet)。也可以在真空室50中安装两个具有不同极性的独立磁体，使其彼此相对。例如，在本实施例中，第一磁极21可以是N极，第二磁极22可以是S极。通过第一和第二磁极21和22，在真空室50的内部形成均匀磁场，由此，电子可以沿着均匀的磁场线移动。因此，第一和第二磁极21和22构成磁场产生单元，其通过在真空室50内部产生的磁场提供了电子移动路径。第一和第二磁极21和22可以是永磁体或电磁体。
此外，在第一和第二磁极21和22之间，以预定距离彼此面对地安装第一顶部电极31和第一底部电极32，其是用于形成均匀电场的电场产生单元。如图3所示，将施加相对高的电压HV的电源连接至第一顶部电极31和第一底部电极32。在这样的结构中，在第一顶部电极31和第一底部电极32之间施加电压时，在第一顶部电极31和第一底部电极32之间形成电场，该电场平行于由第一和第二磁极21和22所产生的磁场。因此，可以通过由主发射器发出的电子来产生电弧，其由于在真空室50内部产生的电场和磁场而快速移动，在下文中将对主发射器予以说明。
在真空室50的内部插入将在其表面上制造发射器的晶片40，例如，可以使晶片40位于与第一底部电极32相对的第一顶部电极31的表面上。晶片40可以是硅晶片。但是，取决于将要制造的发射器的用途，有可能采用硅以外的其他类型的材料。与此同时，在第一底部电极32的顶面上形成隔离材料33，在隔离材料33的顶面上安装用于发射电子的主发射器45。隔离材料33用于主发射器45和第一底部电极32之间的电绝缘。此外，主发射器45以预定图案(pattern)发射电子，由此在晶片40的表面上形成以预定图案排列的发射器。
如图3所示，主发射器45包括衬底34、第二底部电极35、绝缘层36、第二顶部电极37和掩模38。衬底34可以由硅形成。这里，将施加相对低的电压Vd的电源连接至第二底部电极35和第二顶部电极37。例如，将电源的阴极连接至第二底部电极35，将电源的阳极连接至第二顶部电极37，使得电子从第二底部电极35发射至第二顶部电极37。绝缘层36将第二底部电极35与第二顶部电极37电绝缘。例如，在掩模38上根据预定图案形成开口39。掩模38可以由光致抗蚀剂形成，电子可以通过开口39发射。
现在，将对利用具有上述结构的设备制造发射器的方法予以说明。
首先，在第一顶部电极32和第一底部电极32之间施加高电压HV。例如，在第一顶部电极31上施加正电压HV+，在第一底部电极32上施加负电压HV-。于是，晶片40被充以正电荷，在晶片40的表面上聚集了大量正电荷。这里，使施加在第一顶部电极31和第一底部电极32之间的电压HV保持在稍微低于真空室50内部的真空击穿电压。在本实施例中，当晶片40和掩模38之间的距离处于1-100mm的范围内时，电压值处于1-10kV的范围内是合适的。
与此同时，在第二底部电极35和第二顶部电极37之间施加电压Vd。这里，如果向第二底部电极35施加负电压Vd-，向第二顶部电极37施加正电压Vd+，那么将从第二底部电极35发射出电子。如果绝缘层36太厚，从第二底部电极35发出的电子将无法朝向顶部电极37传播。因此，绝缘层36必须足够薄。在本实施例中，绝缘层36的厚度优选在5-30nm之间。此外，第二底部电极35的厚度优选为10-500nm，第二顶部电极37的厚度优选为1-20nm。
在增大电压Vd时观测第二底部电极35和第二顶部电极37之间流过的电流，可以得到如图6所示的说明电压-电流特性的示意性曲线图。也就是说，在电压Vd较低时，所述电流由于绝缘层36的电阻而缓慢增大。之后，在电压Vd超过预定值时，由第二底部电极35产生的电子数目增大，因此，很多电子流过绝缘层36进入第二顶部电极37中，由此在电压-电流特性曲线中形成了陡峭的斜坡。
在通过持续增大电压Vd而使电流达到100-300mA左右时，最终会在高电压的充以正电荷的晶片40与第二顶部电极37之间产生放电。也就是说，产生了电弧。于是，大多数电子由于第一和第二磁极21和22所产生的磁场以及第一顶部电极31和第一底部电极32所产生的电场而朝向晶片40传播。因此，如图6所示，第二底部电极35和第二顶部电极37之间流过的电流急剧减少。例如，在晶片40和掩模38之间的距离大约为2.3nm时，在晶片40和第二顶部电极37之间发生放电时的电压Vd大约为10V。
当如上所述在晶片40和第二顶部电极37之间形成电弧时，很多电子与充有正电荷的晶片40的表面发生碰撞，由此产生高温。因此，与电子发生碰撞的晶片40的表面由于高温而瞬间熔化。如果在第二底部电极35和第二顶部电极37之间保持电压Vd，那么晶片40的表面将长时间暴露在高温下，因此破坏了晶片40的表面。因此，在电弧产生后立即去除施加在第二底部电极35和第二顶部电极37之间的电压。如上所述，通过第二底部电极35和第二顶部电极37之间流过的电流的变化，能够容易地检测到电弧的产生。为了检测电流的变化，可以在向第二底部电极35和第二顶部电极37提供电压的电源中安装安培计。
当电弧仅在短时间内产生时，电子与其碰撞的晶片40的表面瞬间熔化，之后固化。因此，形成了如图4所示的发射器41，其具有在凹陷区域包围的中心处的尖锐尖端。因此，采用瞬时放电能够容易地形成理想的发射器。
同时，当在第二顶部电极37的表面上形成具有以预定排布被图案化的开口39的掩模38时，电子仅通过掩模38的开口39发射到晶片40。因此，在晶片40上形成发射器41，以与掩模38的开口39的排布相符。因此，根据本发明，可以通过对掩模38适当地构图，而以预期排布制造大量的发射器41。
根据本发明的一实施例，在第一顶部电极31和第一底部电极32之间施加10kV的电压，在第二底部电极35和第二顶部电极37之间施加10V的电压。此外，晶片40和掩模38之间的距离为2.3mm，绝缘层的厚度为10nm，开口39的直径为4nm。因此，在图5中示出了所形成的发射器，发射器的底面直径约为50μm，发射器尖端的直径为100nm。
因此，根据本发明，可以制造出具有极为尖锐的尖端的发射器。可以通过例如在掩模38上所形成的开口39的直径来控制此类发射器的尺寸。开口39的直径优选在100-200nm之间。
已经对根据本发明的发射器的制造方法进行了说明。如上所述，与发射器的常规制造方法相比，该方法能够更容易地制造发射器。因此，降低了制造成本和时间，而且，由于发射器的制造简化，可以大批量生产发射器。此外，可以生产出具有均匀的纳米级尺寸尖端的发射器。因此，根据本发明的方法制造的发射器具有高度令人满意的电子发射特性，因此，该发射器例如可以用于FED装置。
尽管已经参照本发明的示范性实施例对本发明进行了具体地表示和说明，但本领域普通技术人员应理解的是，在不背离由所附权利要求所定义的本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行形式和细节上的各种变化。
权利要求
1.一种利用电弧制造发射器的设备，该设备包括真空室，在该真空室中插入了晶片；用于在所述真空室内部产生均匀磁场的磁场产生单元；用于在所述真空室内部形成与所述磁场平行的电场的电场产生单元；以及用于朝向所述晶片发射电子的主发射器，其中，所述电弧是在所述磁场和所述电场中通过所述主发射器发射的电子而产生的，所述电弧使所述晶片的表面瞬时熔化并固化，由此在所述晶片的表面上形成具有尖锐尖端的发射器。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述磁场产生单元包括设置在所述真空室顶部的第一磁极；以及设置在面对所述第一磁极的所述真空室底部的第二磁极，所述第二磁极具有与所述第一磁极相反的极性。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述电场产生单元包括在所述磁场内部彼此面对的第一顶部电极和第一底部电极；以及用于在所述第一顶部电极和所述第一底部电极之间施加电压的第一电源。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述第一电源在所述第一顶部电极和所述第一底部电极之间施加1-10kV范围内的电压。
5.如权利要求3所述的设备，其中，所述晶片设置在面对所述第一底部电极的第一顶部电极的表面上。
6.如权利要求3所述的设备，其中，所述主发射器包括衬底；在所述衬底上形成的第二底部电极；在所述第二底部电极上形成的绝缘层；在所述绝缘层上形成的第二顶部电极；在所述第二顶部电极上形成的掩模；以及用于在所述第二底部电极和所述第二顶部电极之间施加电压的第二电源。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述晶片和所述掩模之间的距离处于1-100mm的范围内。
8.如权利要求6所述的设备，其中，在所述掩模上构图以预定形式排布的至少一个开口，电子从所述第二顶部电极经由所述至少一个开口发射。
9.如权利要求6所述的设备，其中，所述绝缘层的厚度处于5-30nm的范围内。
10.如权利要求6所述的设备，其中，所述主发射器设置在所述第一底部电极的顶部，面对所述晶片。
11.如权利要求10所述的设备，其中，在所述主发射器和所述第一底部电极之间插入有绝缘材料，由此使所述主发射器与所述第一底部电极电绝缘。
12.如权利要求6所述的设备，其中，增大施加在所述第二底部电极和所述第二顶部电极之间的电压的电平直至在所述晶片和所述第二顶部电极之间形成电弧，同时保持所述第一顶部电极和所述第一底部电极之间的电压。
13.如权利要求12所述的设备，还包括安培计，其用于测量所述第二底部电极和所述第二顶部电极之间的电流以检测电弧的产生。
14.一种利用电弧制造发射器的方法，该方法包括以下步骤在真空室内部将晶片绝缘；在所述真空室内部形成平行的电场和磁场；在所述真空室内部从电子发射装置朝向所述晶片发射电子；以及通过由所述电子发射装置发射的电子在所述磁场和电场内的移动产生的电弧使所述晶片表面瞬时熔化并固化，而在所述晶片的表面上形成具有尖锐尖端的发射器。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述磁场是由设置在所述真空室顶部的第一磁极和设置在面对所述第一磁极的所述真空室底部的第二磁极产生的，所述第二磁极具有与所述第一磁极相反的极性。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述电场是通过在所述磁场内部将电压施加在彼此面对的第一顶部电极和第一底部电极之间而形成的。
17.如权利要求16所述的方法，其中，向所述第一顶部电极和所述第一底部电极施加处于1-10kV范围内的电压。
18.如权利要求16所述的方法，其中，在面对所述第一底部电极的第一顶部电极的表面上设置所述晶片。
19.如权利要求14所述的方法，其中，所述电子发射装置包括衬底；在所述衬底上形成的第二底部电极；在所述第二底部电极上形成的绝缘层，在所述绝缘层上形成的第二顶部电极；在所述第二顶部电极上形成的掩模；以及在所述第二底部电极和所述第二顶部电极之间施加电压的第二电源，其中，所述电子发射装置通过在所述第二底部电极和所述第二顶部电极之间施加电压而发射电子。
20.如权利要求19所述的方法，其中，在所述掩模上构图以预定形式排布的至少一个开口，电子从所述第二顶部电极经由所述至少一个开口发射。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述绝缘层的厚度处于5-30nm的范围内。
22.如权利要求19所述的方法，其中，增大施加到所述第二底部电极和所述第二顶部电极的电压直至在所述晶片和所述第二顶部电极之间形成电弧。
23.如权利要求22所述的方法，其中，在形成所述电弧之后，立即停止在所述第二底部电极和所述第二顶部电极之间施加电压。
24.如权利要求23所述的方法，还包括通过观测流过所述第二底部电极和所述第二顶部电极的电流，来确定在所述晶片和所述第二顶部电极之间是否形成了电弧。
全文摘要
提供了通过在真空室内部使电弧撞击晶片表面来制造发射器的方法和设备。所述设备包括其中插入晶片的真空室；用于在所述真空室内部产生均匀磁场的磁场产生单元；用于在真空室内部形成与所述磁场平行的电场的电场产生单元；用于朝向晶片发射电子的主发射器。由主发射器发射的电子沿所述电场和磁场移动。控制所述电场的强度和主发射器的驱动电压，当所述电场或驱动电压超过阈值时产生电弧。由此，晶片的表面被电弧瞬时熔化并固化，由此在晶片的表面上形成具有尖锐尖端的发射器。
文档编号H01J31/12GK1822280SQ20051011337
公开日2006年8月23日 申请日期2005年10月11日 优先权日2005年2月17日
发明者文昌郁, 柳寅儆 申请人:三星电子株式会社