KR100546896B1 - High vacuum sensor applying carbon nanotubes to an emitter electrode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기존의 진공 게이지의 구조와 달리 신소재인 탄소나노튜브를 이용하여 고진공 센서를 제공코자 하는 것이다.The present invention is to provide a high vacuum sensor using a new material carbon nanotubes unlike the structure of a conventional vacuum gauge.

기존의 고진공 센서들은 금속전극으로부터 열전자(열음극)방출 혹은 전계전자(냉음극)방출을 통해 나타나는 방전전류의 변화로 진공도를 측정하는 방법을 주로 이용한다.Existing high vacuum sensors mainly use the method of measuring the degree of vacuum due to the change of the discharge current which appears through the release of hot electrons (hot cathodes) or field electrons (cold cathodes) from metal electrodes.

따라서 전자방출을 위한 금속 전극이 필요하며, 금속전극은 전자방출을 용이하게 하기 위해 끝이 뾰족한 팁(tip) 형태의 구조로 제작하거나, 일함수차가 낮은 금속 혹은 일함수차를 낮출 수 있는 물질(세슘, 바륨, 혹은 다이아몬드 카본)을 코팅하여 사용하기도 한다. 또한 추가적으로 금속 전극의 선택 시에는 방전현상에서 수반되는 발열과 균열 및 마모에 강한 성질을 고려해야 한다. 이러한 조건을 동시에 만족하는 금속재료로는 내마모성과 내열성이 우수한 Ti, Mo, W 등이 있다. 이들 진공 게이지들은 대부분 방전관(유리관) 구조로 되어 있고, 부피가 커서 두 전극 간격이 상대적으로 멀리 떨어져 있어 동작 전압이 커야 하는 문제점을 안고 있다.Therefore, a metal electrode for electron emission is required, and the metal electrode is manufactured in a tip-shaped structure to facilitate electron emission, or a metal having a low work function difference or a material capable of lowering the work function difference ( Cesium, barium, or diamond carbon). In addition, the selection of metal electrodes should take into account the heat-resistant, cracking and abrasion-resistant properties associated with the discharge phenomenon. Metal materials satisfying these conditions at the same time include Ti, Mo, W, and the like, which are excellent in wear resistance and heat resistance. Most of these vacuum gauges have a discharge tube (glass tube) structure, and have a large volume, so that two electrode gaps are relatively far apart and thus have a large operating voltage.

이에 비해 본 발명에서 제공하는 탄소나노튜브를 에미터 전극으로 활용하는 고진공 센서는 기존의 센서와 뚜렷하게 구조와 제작 방식에서 구별된다.In contrast, high vacuum sensors utilizing the carbon nanotubes provided by the present invention as emitter electrodes are distinguished from the conventional sensors in structure and manufacturing method.

특히 본 발명은 부피가 1cm-3이하의 소형으로 제작된다는 점이다. 즉 두 전극사이의 간격이 파이렉스 유리의 두께인 약 500㎛ 보다 작게 되어 인가전압을 현 저히 낮출 수 있게 되며, 차지하는 공간이 작아 취급하기 용이한 장점을 갖게 된다.In particular, the present invention is that the volume is manufactured in a compact size of 1cm -3 or less. That is, the spacing between the two electrodes is smaller than about 500 μm, which is the thickness of the Pyrex glass, which can significantly lower the applied voltage, and has an advantage of easy handling due to the small space occupied.

한편 전형적인 실리콘 제조공정인 정확한 마스크 패턴 공정을 통해 크기를 미세하게 임의로 조정하여 제작할 수 있어, 소자의 재현성과 소형화를 높일 수 있을 뿐만 아니라 센서의 대량 생산도 가능한 것이다.On the other hand, through the accurate mask pattern process, which is a typical silicon manufacturing process, the size can be arbitrarily adjusted to be manufactured, thereby increasing the reproducibility and miniaturization of the device as well as mass production of the sensor.

탄소나노튜브, 고진공 센서, 스페이서, 촉매금속, 공기순환공, 티타늄Carbon Nanotubes, High Vacuum Sensors, Spacers, Catalytic Metals, Air Circulation Holes, Titanium

Description

탄소나노튜브를 에미터 전극으로 활용한 고진공 센서{High vacuum sensor applying carbon nanotubes to an emitter electrode} High vacuum sensor applying carbon nanotubes to an emitter electrode             

도 1은 본 발명에서 제공하는 고진공센서를 보인 사시도1 is a perspective view showing a high vacuum sensor provided by the present invention

도 2는 본 발명에서 제공하는 고진공 센서를 보인 단면도Figure 2 is a cross-sectional view showing a high vacuum sensor provided by the present invention

도 3은 본 발명에서 제공하는 고진공 센서의 실리콘/유리 본딩 공정을 보인 Figure 3 shows a silicon / glass bonding process of the high vacuum sensor provided in the present invention

분해상태 단면도Exploded section

■ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ■■ Explanation of symbols used in main part of drawing ■

1: 고진공 센서 2: 양극1: high vacuum sensor 2: anode

3: 스페이서 4: 음극3: spacer 4: cathode

5: 탄소나노튜브 6: 개구5: carbon nanotube 6: opening

7: 공기순환공 8: 티타늄7: air circulation hole 8: titanium

9: 촉매금속9: catalytic metal

본 발명은 탄소나노튜브를 에미터 전극으로 활용한 고진공 센서에 관한 것으로서, 특히 고진공을 요하는 반도체 제조 공정장치 및 고진공 정밀 분석 장치에 요구되는 고진공 센서를 제공하며, 소형화, 동작전압을 낮출 수 있고, 재현성이 우수하고 대량생산이 용이하여 제조경비를 절감할 수 있는 등 다수의 효과를 제공하는 탄소나노튜브를 에미터 전극으로 활용한 고진공 센서를 제공코자 하는 것이다.The present invention relates to a high vacuum sensor using carbon nanotubes as an emitter electrode, and in particular, to provide a high vacuum sensor required for a semiconductor manufacturing process device and a high vacuum precision analysis device requiring high vacuum, and can be miniaturized and lower the operating voltage. In order to provide a high vacuum sensor that uses carbon nanotubes as emitter electrodes that provide a number of effects such as high reproducibility and easy mass production, the manufacturing cost can be reduced.

지금까지 알려진 진공도를 측정하는 방법은 다양하다.There are many ways to measure the degree of vacuum known to date.

즉, 고진공도 측정은 압력에 의존하는 물리 현상의 변화, 즉 탄성, 전기저항, 압전효과, 전리·방전 및 열전도 등이 기체압력에 의해 변화하는 크기를 간접적으로 측정하는 방식을 주로 채택하고 있다.In other words, high vacuum measurement mainly adopts a method of indirectly measuring the magnitude of change in physical phenomena depending on pressure, that is, elasticity, electrical resistance, piezoelectric effect, ionization / discharge, and thermal conductivity.

기존의 대표적인 진공게이지로는 가이슬러관, 피라니(pirani) 게이지, 페닝(penning) 게이지 및 이온 게이지 등을 예로 들 수 있다.Exemplary conventional vacuum gauges include Geisler tubes, pirani gauges, penning gauges and ion gauges.

진공 센서는 시스템의 진공도에 따라 적절하게 선택하여 사용해야 한다.The vacuum sensor must be selected and used according to the degree of vacuum in the system.

즉, 대기압부터 10-10 torr 까지 전범위에 걸쳐 측정할 수 있는 진공센서는 없다. 또한 대부분 진공관(유리관) 구조로 되어 있어 부피가 크며, 일정 사용시간이 지나면 교체해야 하는 일종의 소모품이기 때문에 수명시간과 제조단가를 고려해야 한다.That is, no vacuum sensor can measure the entire range from atmospheric pressure to 10 -10 torr. In addition, most of them are of vacuum tube (glass tube) structure, which is bulky, and is a kind of consumable that needs to be replaced after a certain use time, so the life time and manufacturing cost should be considered.

기존의 고진공 센서의 대표적인 페닝게이지와 이온게이지의 동작 원리는 열전자 방출(열음극방식) 혹은 전계 방출(냉음극방식)을 이용하여 진공내에서 외부 고전압에 의한 방전 전류를 측정하는 방식이다.The operation principle of the conventional penning gauge and ion gauge of the high vacuum sensor is a method of measuring the discharge current by the external high voltage in vacuum by using hot electron emission (hot cathode method) or field emission (cold cathode method).

열전자방출 혹은 전계방출에 의한 방전 현상을 이용한 진공센서는 상대적으로 고전압을 인가해야 하므로 동작전압을 낮추는 방법에 대해서도 관심을 가져야 한다.Since the vacuum sensor using the discharge phenomenon by the hot electron emission or the field emission has to apply a relatively high voltage, attention should be paid to the method of lowering the operating voltage.

이중에서 전계방출은 열전자방출보다 주위 환경에 대해 좀더 안정적이기 때문에 초 고진공 영역(10-7~10-12torr)에서 전계방출 전자원을 이용하면 기존의 필라멘트를 이용한 열음극 전자원인 경우에 비해 훨씬 넓은 압력범위에서 동작할 수 있는 장점을 갖는다.Since field emission is more stable to the surrounding environment than hot electron emission, the field emission electron source in the ultra-high vacuum region (10 -7 to 10 -12 torr) is much wider than the case of a hot cathode electron source using a filament. It has the advantage of operating in the pressure range.

탄소나노튜브가 에미터 전극으로 최적의 조건을 갖는 최대의 이유는 탄소나노튜브가 도전체로서 제조한 상태에서 뾰족한 팁 구조를 갖는다는 점이다.The biggest reason that carbon nanotubes have optimal conditions as emitter electrodes is that they have a pointed tip structure in the state where carbon nanotubes are manufactured as conductors.

금속전극으로부터 전계방출(field emission)은 전자가 도체 표면에서 진공면으로 터널링하는 현상으로, 외부에서 전기장을 인가해야 가능하다. 전계방출을 위해 금속 에미터에 인가되어야 할 전계의 세기는 약 3~7×107 V/cm 정도로 매우 높다.Field emission from the metal electrode is a phenomenon in which electrons tunnel from the surface of the conductor to the vacuum surface, and an electric field can be applied from the outside. The field strength to be applied to the metal emitter for field emission is very high, about 3-7 × 10 7 V / cm.

따라서 인가되어야 할 전압을 낮추기 위해서 많은 연구가 이루어졌지만 대체적으로 그 방향은 에미터의 끝을 더욱 뾰족하게 하는 방법, 에미터의 일함수를 낮추는 방법 및 전극간의 간격을 좁히는 방법이다. 현재로는 Mo, Ti, W 등의 금속을 전기화학적으로 뾰족하게 식각하거나 일함수가 낮은 물질을 코팅하여 에미터로 사용하였다. 하지만 가공공정이 어렵고, 에미터(음극)와 에노드(양극)의 거리가 멀어서 높은 전압을 인가해야하는 단점이 지적되었다.Therefore, many studies have been made to lower the voltage to be applied, but in general, the direction is to sharpen the tip of the emitter, to lower the work function of the emitter, and to close the gap between the electrodes. Currently, metals such as Mo, Ti, and W are etched electrochemically or coated with materials having a low work function to be used as emitters. However, it was pointed out that the machining process is difficult and the distance between the emitter (anode) and the anode (anode) is too high to apply a high voltage.

한편, 에미터의 반경을 줄이고 게이트 구멍의 직경을 줄이는 구조적인 변화는 전계방출에 필요한 인가전압을 줄이는 데 가장 효과적인 방법이다.On the other hand, the structural change to reduce the radius of the emitter and the diameter of the gate hole is the most effective way to reduce the applied voltage required for the field emission.

탄소나노튜브의 직경이 수 nm 정도로 단차(aspect ratio)가 매우 크기 때문에 전계방출 에미터로서 큰 장점을 갖는다. 탄소나노튜브에 따라서 다소 차이는 있지만, 탄소나노튜브의 전계증대지수는 약 2,500~10,000 정도이다. 그리고 탄소나노튜브는 매우 단단하며, 전기 전도성 또한 우수한 특성이 있어 본 발명은 이러한 탄소나노튜브가 갖는 특성을 십분 활용한 고진공 센서를 제공코자 한다.The carbon nanotubes have a great advantage as field emission emitters because the aspect ratio is very large, such as several nm in diameter. Although carbon nanotubes are somewhat different, the field increase index of carbon nanotubes is about 2,500 ~ 10,000. In addition, the carbon nanotubes are very hard and have excellent electrical conductivity, and the present invention is to provide a high vacuum sensor utilizing the properties of the carbon nanotubes.

즉, 본 발명에서는 기존의 고진공 센서에서 에미터 전극으로 사용되는 필라멘트 혹은 금속 전극 대신에 신소재인 탄소나노튜브를 이용하여 고진공 센서를 제조토록 한 것으로서,That is, in the present invention, instead of the filament or metal electrode used as an emitter electrode in the existing high vacuum sensor, a high vacuum sensor is manufactured using carbon nanotubes, which are new materials.

이를 실현하기 위해 기존의 유리관 대신에 실리콘과 파이렉스 유리를 이용하여 센서의 형태를 구성하고 전형적인 반도체 공정 기술을 이용하여 소형의 고진공 센서를 제조토록 함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.
In order to realize this, the present invention has been completed with the technical problem of the present invention in order to configure a form of a sensor using silicon and pyrex glass instead of a conventional glass tube, and to manufacture a small high vacuum sensor using a typical semiconductor process technology.

상기한 바와 같은 기술목적을 달성하기 위한 본 발명의 고진공 센서(1)를 첨부도면 도 1내지 도 3과 함께 상세히 설명한다.The high vacuum sensor 1 of the present invention for achieving the technical purpose as described above will be described in detail with the accompanying drawings 1 to 3.

본 발명의 고진공 센서(1)는 크게 상층으로부터 적층 고정된 양극(2), 스페이서(3), 음극(4) 및 상기 스페이서(3)의 내부에 설치되는 탄소나노튜브(5)로 구성된다.The high vacuum sensor 1 of the present invention is composed of a positive electrode 2, a spacer 3, a negative electrode 4, and carbon nanotubes 5 installed inside the spacer 3, which are largely stacked and fixed from an upper layer.

본 발명에서 개시하는 고진공 센서(1)는 진공상태에서 탄소나노튜브(5)로부터 전계전자 방출에 의해 흐르는 방전 전류의 크기 변화로 진공도를 검지할 수 있도록 한 것이다.The high vacuum sensor 1 disclosed in the present invention is capable of detecting the degree of vacuum due to a change in the magnitude of the discharge current flowing by the field electron emission from the carbon nanotube 5 in a vacuum state.

따라서 본 발명은 고전압 인가가 필요하고, 가능한 낮은 전압에서 기체 방전을 발생시키기 위해서는 가능한 두 전극, 즉 상기한 양극(2)과 음극(4)의 위치가 근접 구성되도록 하여야 한다.Therefore, the present invention requires the application of a high voltage, and in order to generate gas discharge at the lowest possible voltage, the positions of the two electrodes, namely, the positive electrode 2 and the negative electrode 4, as described above should be arranged in close proximity.

이를 위해 본 발명은 스페이서(3)로 사용되는 파이렉스 유리를 가공하여 중앙부가 상하로 관통되도록 개구(6)를 형성하고, 상기 개구(6)의 사방으로 공기순환공(7)을 소정 간격으로 다수개 형성하며, 고농도로 도핑된 실리콘을 상하의 양극(2)과 음극(4)으로 사용하였다.To this end, the present invention processes the Pyrex glass used as the spacer (3) to form an opening (6) so that the center portion penetrates up and down, and a plurality of air circulation holes (7) at predetermined intervals on all sides of the opening (6) The dogs were formed and highly doped silicon was used as the upper and lower anodes 2 and 4.

상기 음극(4)은 실리콘 기판 위에 탄소나노튜브(5)를 에미터 전극으로 활용하기 위해 티타늄(8)위에 촉매금속(9)인 철(Fe) 혹은 니켈(Ni)을 증착시킨다.The cathode 4 deposits iron (Fe) or nickel (Ni), which is a catalytic metal 9, on titanium 8 to utilize the carbon nanotubes 5 as emitter electrodes on a silicon substrate.

그리고 도 3에서 나타난 바와 같이 최종적으로 실리콘-유리 본딩 기술을 이용하여 양극(2), 스페이서(3), 음극(4)을 결합시켜 본 발명의 고진공 센서(1)를 완성시킨다.As shown in FIG. 3, the high vacuum sensor 1 of the present invention is completed by combining the anode 2, the spacer 3, and the cathode 4 by using a silicon-glass bonding technique.

이상과 같이 본 발명에서 제공하는 탄소나노튜브를 이용한 고진공 센서(1)는 기존의 센서에 비해 소형화가 가능하고 동작전압을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 고밀도 구조이기 때문에 깨지는 등의 취급시 파손 우려도 거의 없으며, 차지하는 공간이 작아 설치에 유리한 점 등 다양한 장점을 갖는다.As described above, the high-vacuum sensor 1 using the carbon nanotubes provided in the present invention can be miniaturized and lower the operating voltage as compared to the conventional sensor. In addition, the space occupies a variety of advantages, such as a small advantage in installation.

한편, 본 발명의 고진공 센서(1)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아님은 물론이다.On the other hand, the high vacuum sensor 1 of the present invention can be variously substituted, modified and changed within the scope without departing from the technical spirit of the present invention by those skilled in the art to which the present invention belongs Of course, it is not limited to the accompanying drawings.

이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이 본 발명에서 제공하는 고진공 센서(1)는 신소재인 탄소나노튜브(5)를 이용하여 제작하기 때문에 소형화가 가능하고 동작전압을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 실리콘 공정 기술을 적용하기 때문에 재현성이 우수하고 대량생산이 용이하여 제조경비를 절감할 수 있는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명이다.As described in detail above, since the high vacuum sensor 1 provided by the present invention is manufactured using the carbon nanotube 5, which is a new material, it is possible to miniaturize and lower the operating voltage and to apply a silicon process technology. As a result, the invention is excellent in reproducibility, easy to mass production, and can reduce manufacturing costs.

Claims (1)

고농도로 도핑된 실리콘으로 이루어진 상하의 양극(2)과 음극(4) 상간에 파이렉스 유리로 이루어진 스페이서(3)를 본딩하여 적층 구성하고,Bonding and stacking the spacer 3 made of Pyrex glass between the upper and lower anodes 2 and the cathode 4 made of highly doped silicon, 상기 스페이서(3)에는 상하로 관통되는 개구(6)와 사방으로 공기순환공(7)을 형성하며,The spacer 3 forms an air circulation hole 7 in all directions with an opening 6 penetrating up and down, 상기 음극(4) 상부에는 티타늄(8)위에 촉매금속(9)을 증착시킨 후 개구(6)상으로 설치되는 탄소나노튜브(5)를 에미터 전극으로 고정한 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 에미터 전극으로 활용한 고진공 센서.After depositing a catalytic metal 9 on titanium 8 on the cathode 4, carbon nanotubes 5 installed on the openings 6 are fixed with emitter electrodes. High vacuum sensor used as emitter electrode.
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