In this dissertation we have proposed a nano-meter gap fabrication technology using Chemical-Mechanical Polishing (CMP) and oxidation (it is called 'CMP-machining'). The CMP-machining has several advantages as follows. (a) Oxidation process determines the gap distance. Thus, it is relatively easy to form electrode gaps with dimensions of nano-meter without sub-micron lithography equipments (0.18~0.25 μm). (b) Due to the nature of oxidation, it allows for good uniformity and reproducibility in the gap distance. (c) The gap distance can be easily controlled by the oxidation temperature or time. (d) It is simple process. And the CMP-machining technology can be widely used at many application areas, including electrostatic comb actuator for large force, capacitive accelerometer for high sensitivity, lateral field emission device (FED) for reducing turn-on voltage, low voltage tunneling unit, and so on.
In lateral FED, narrow gap is very important for reducing the operating voltage. Thus, we have applied CMP-machining to the lateral FED. As a result, the fabricated lateral FED has good performances. With the sample, of which the gap distance of 2560Å, the turn-on voltage, at which the current is 1 nA, is about 4.1 V. And the emission current is high about 4.2 μA at the voltage of 20 V. The good linearity clearly shows the confirmation of the field emission in F-N plot. And we have integrated lateral FED with electrostatic comb actuator for measuring the characteristics of emission current with respect to the gap distance.
본 연구에서는 화학적-기계적 연마와 열 산화 공정을 이용한 나노 미터 간격 형성 기술 (CMP-machining으로 명명함)을 개발하였다. 기존의 sub-micron 리소그라피 (lithography) 장비로는 불가능한 고 종횡비의 간격도 균일하게 형성 가능하다. 또한, CMP-machining에서는 열 산화 공정에 의해서 간격이 결정됨으로 간격이 매우 균일하고, 재현성이 매우 높으며, 산화 공정의 온도, 시간, 습식/건식 방식에 따라 간격 조정이 매우 용이하다. 실험적으로 습식 산화 방식으로 55 nm 간격까지 성공적으로 얻었으며 건식 산화 방법을 이용하면 수 nm 간격까지도 형성 가능하다.
개발된 CMP-machining 기술에 의한 나노 미터 간격 형성 기술은 많은 응용 분야를 가진다. 큰 정전기력을 얻기 위한 좁은 간격을 가지는 정전기력 빗 구동기, 정전 용량 값을 키우고 또한 감지도 향상을 위한 정전 용량 방식 가속도 센서, 문턱 전압을 낮추기 위한 측면형 전계 방출 소자, 동작 전압이 낮은 터널링 센서 등등으로 응용이 가능하다.
본 연구에서는 CMP-machining 기술을 측면형 전계 방출 소자로의 응용을 통하여 256 nm의 간격을 가지는 소자는 문턱 전압이 4.1 V로 매우 낮은 전압에서 동작하며 방출 전류 (4.2 μA @ 20 V)가 큼을 확인하였다. 그리고 제안한 구조에서 단결정 실리콘과 다결정 실리콘의 방출 특성 비교, 간격에 따른 방출 특성, 빗 구동기를 이용한 간격 조정에 따른 방출 특성에 관한 연구를 하였다.
