KR100657354B1 - 상압에서 탄소나노튜브 형성 장치 및 방법 - Google Patents

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염근영
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Abstract

본 발명은 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 장치에 관한 것이다. 공정진행 중 공정챔버 내부는 상압으로 유지되며, 공정챔버 내에 배치된 상부전극 아래에는 모세관으로 기능하는 통공들이 형성된 유전체판이 배치된다. 본 발명의 장치를 사용하면 대면적에서 균일하고 밀도가 높은 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
탄소나노튜브, 상압 플라즈마, 유전체판

Description

상압에서 탄소나노튜브 형성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCTING CARBON NANO TUBE ON THE SUBSTRATE IN ATMOSPHERE}
도 1은 일반적으로 사용되고 있는 PECVD 장치를 개략적으로 보여주는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 장치를 개략적으로 보여주는 도면;
도 3은 변형된 상부전극을 가지는 증착 장치의 단면도;
도 4는 도 3의 상부전극에 형성된 돌기의 일 예를 보여주는 도면;
도 5는 도 4의 돌기의 변형예를 보여주는 도면;
도 6은 도 4의 돌기의 또 다른 변형예를 보여주는 도면;
도 7은 도 4의 돌기의 종횡비 등을 설명하기 위한 도면;
도 8은 도 5의 돌기의 종횡비 등을 설명하기 위한 도면;
도 9는 복수의 공정들에 대해 인라인(in-line)작업이 가능하도록 변형된 장치를 보여주는 도면;
도 10은 도 9의 기판 이송부의 평면도;
도 11은 하부전극 이동부의 일예를 보여주는 도면;
도 12는 하부전극 이동부의 다른 예를 보여주는 도면;
도 13은 도 9의 장치의 변형된 예를 보여주는 도면;
도 14와 도 15는 각각 복수의 상부전극들과 하부전극들을 가지는 장치를 보여주는 도면들;
도 16 내지 도 18은 본 발명의 장치를 사용하여 공정 진행시 기판 상에 탄소나노튜브가 형성되는 과정을 보여주는 도면들;
도 19와 도 20은 각각 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하기 위해 열화학기상증착법을 사용한 경우와 본 실시예의 플라즈마 화학 기상 증착법을 사용한 경우를 보여주는 도면;
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유리기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 장치를 개략적으로 보여주는 도면; 그리고
도 22는 도 21의 장치를 사용하여 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 공정을 순차적으로 보여주는 플로우차트이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 공정챔버 200 : 상부전극
220 : 유전체판 300 : 하부전극
320 : 가열기 400 : 전원공급부
500 : 공정가스 공급부 600 : 금속가스 공급부
700 : 상부전극 742, 744, 746 : 돌기
760 : 절연판 800 : 기판 이송부
본 발명은 집적회로를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 상압에서 실리콘 기판 또는 유리 기판과 같은 시편 상에 탄소나노튜브를 형성하는 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 정보 처리 장치는 다양한 형태의 기능과 더욱 빨라진 정보 처리 속도를 갖도록 급속하게 발전하고 있다. 이러한 정보 처리 장치는 가동된 정보를 표시하기 위해 표시 장치를 가진다. 지금까지 디스플레이 장치로는 주로 브라운관(cathode ray tube) 모니터가 사용되었으나, 최근에는 반도체 기술의 급속한 발전에 따라 가볍고 공간을 작게 차지하는 평판 표시 장치의 사용이 증대하고 있다. 평판 표시 장치는 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electroluminescent Display), 그리고 VFD(Vacuum Fluorescent Display) 등 다양하며, 이들 상술한 평판 표시 소자를 제조하기 위해 증착, 노광, 식각 등 다양한 공정이 수행된다. 이 중 증착 공정은 기판 상에 산화막, 금속막, 또는 질화막과 같은 다양한 재질의 박막을 기판 상에 적층하는 공정이다. 현재 박막을 증착하는 방법으로는 크게 물리기상증착법(physical vapor deposition : PVD)과 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition : CVD)이 있다. 일반적으로 이들 증착법은 높은 증착온도를 요구하므로 시편으로 변형온도(softening temperature)가 550℃인 유리를 주로 사용하는 평판 표시 소자 제조에 적합하지 않다. 따라서 최근에는 플라즈마를 이용한 증착공정(plasma enhanced chemical vapor deposition : PECVD)이 폭넓게 연구 및 적용되고 있다.
도 1은 일반적으로 사용되고 있는 PECVD 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 PECVD 장치는 고진공으로 유지되는 챔버(820) 내에 플라즈마를 발생하기 위한 상부전극(842)과 하부전극(844)이 배치된다. 상부전극(842)과 하부전극(844)은 고주파 전원(846)과 연결되며, 상부전극의 중앙에는 가스가 공급되는 가스공급구가 형성된다. 챔버의 저면에는 고진공유지를 위한 진공펌프(880)가 설치된 배기관이 연결된다. 그러나 고진공 상태에서 증착을 수행하므로, 고진공을 유지하기 위해 장비의 가격 및 유지비용이 많이 소요된다. 이를 해결하기 위해 대기압 상태에서 공정을 진행하면, 플라즈마가 불균일하게 발생되어, 기판 상에 증착이 균일하게 이루어지지 않는다. 기판이 대면적화됨에 따라서 진공유지비용을 절감하고, 이와 동시에 대면적에 걸쳐 균일하고 밀도가 높은 플라즈마를 발생시킬 수 있는 장치의 개발이 요구된다.
또한, 최근에 평판 표시 소자 제조 산업에서는 전계 방출 디스플레이(field emission display : FED) 제조 공정에서 FED 팁으로 탄소나노튜브(carbon nano tube : CNT)를 이용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 열 화학 기상 증착 장치를 이용하여 고순도의 탄소나노튜브를 형성하고 있으나, 이는 약 700℃ 이상의 고온에서 진행되기 때문에, 유리기판 상에 이를 사용할 수 없다. 또한, 플라즈마를 이용하여 화학 기상 증착하는 경우 대면적의 유리기판 상에 CNT를 고밀도로 균일하게 성장시키기 어려워 실질적으로 적용을 하지 못한다. 현재에는 CNT 파우더(paste)를 용매에 혼합하여 스크린 프린팅하는 방법으로 FED 소자를 제 조하고 있으나 파우더의 아웃개싱(outgassing)으로 인해 FED 소자의 수명(life time)이 감소된다. 따라서 FED 소자의 수명을 증가시키기 위하여 직접적으로 CNT를 성장시키는 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 상압에서 공정을 수행하며, 동시에 대면적에서 균일하고 밀도가 높은 플라즈마를 발생하여 기판 상에 탄소나노튜브를 형성할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 플라즈마를 이용하여 유리기판 상에 균일하게 탄소나노튜브를 형성할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 플라즈마 증착 장치는 내부에 하부전극과 상부전극이 포함된 공정챔버를 가진다. 상기 하부전극은 상기 공정챔버 내의 하부에 배치되며 기판을 지지하고, 상기 상부전극은 상기 하부전극과 일정간격 이격되어 이와 대향되도록 배치된다. 상기 하부전극과 마주보는 상기 상부전극의 면 상에는 유전체판이 결합되며, 상기 유전체판에는 소스가스가 공급되는 통로인 복수의 통공들이 형성된다. 상기 하부전극의 아래에는 상기 하부전극에 놓여진 기판을 가열하는 가열기가 설치되고, 상기 하부전극에는 바이어스 전압이 가해질 수 있다. 상기 소스가스를 플라즈마 상태로 여기시키기 위해 상기 두 개의 금속전극 중 적어도 하나에 전원을 공급하는 전원 공급부가 제공된다. 증착공정 진행 중 상기 공정챔버는 상압 상태로 유지되며, 상기 복수의 통공들은 1/10 내지 1/15의 종횡비로 형성되며, 모세관으로서 기능하도록 좁게 형성된다.
본 발명의 플라즈마를 이용하여 증착공정을 수행하는 장치는 서로간에 소정거리 이격되도록 나란히 배치되며 회전 가능한 복수의 샤프트들을 가지며 기판을 이송하는 기판 이송부를 가진다. 인접하는 샤프트들 사이에는 하부전극이 배치되고, 상기 하부전극과 일정간격 이격되어 이와 대향되도록 상부전극이 배치된다. 상기 하부전극과 마주보는 상기 상부전극의 면 상에는 유전체판이 위치되며 상기 유전체판에는 소스가스가 공급되는 통로인 복수의 통공들이 형성된다. 상기 복수의 통공들은 1/10 내지 1/15의 종횡비로 형성되며, 모세관으로서 기능하도록 좁게 형성된다. 전원 공급부는 상기 소스가스를 플라즈마 상태로 여기시키기 위해 상기 두 개의 금속전극 중 적어도 하나에 전원을 공급하고, 공정진행 중 기판은 가열기에 의해 공정온도로 가열된다. 또한, 상기 상부전극과 상기 하부전극은 복수개가 설치될 수 있으며, 상기 하부전극은 인접하는 상기 샤프트들 사이에 각각 배치되고, 각각의 하부전극의 상부에는 상기 상부전극이 배치되어, 공정에 소요되는 시간을 단축할 수 있다. 증착률을 향상하기 위해 상기 상부전극은 기판이 이송되는 방향과 반대방향으로 이동될 수 있다.
본 발명의 플라즈마를 이용하여 증착공정을 수행하는 장치는 내부에 상부전극과 하부전극이 설치된 공정챔버를 가진다. 상기 하부전극은 상기 공정챔버 내의 하부에 배치되며 기판을 지지하고, 상기 상부전극은 상기 하부전극과 일정간격 이격되어 이와 대향되도록 배치된다. 상기 하부전극과 마주보는 상기 상부전극의 하부면에는 뽀족한 돌기들이 돌출되고, 그 아래에는 절연판이 배치된다. 상기 상부전 극 및 절연판의 측면에는 소스가스를 상기 절연판과 상기 하부전극 사이로 소스가스를 공급하는 고리형상의 가스유입관이 배치된다. 상기 하부전극에 놓여진 기판은 가열기에 의해 공정온도로 가열되고, 전원공급부는 상기 소스가스를 플라즈마 상태로 여기시키기 위해 상기 두 개의 금속전극 중 적어도 하나에 전원을 공급한다.
상기 절연판은 석영, 테프론, 유리, 또는 알루미나 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 돌기는 첨단(尖端)이 점으로 된 핀, 원뿔 또는 다각뿔 중 어느 하나의 형상이거나, 첨단(尖端)이 선으로 이루어지는 형상을 가질 수 있다.
본 발명인 플라즈마를 이용하여 증착공정을 수행하는 장치는 서로간에 일정거리 이격되도록 나란히 배치되며 회전되는 복수의 샤프트들을 가지며 기판을 이송하는 기판 이송부를 가진다. 인접하는 상기 샤프트들 사이에는 하부전극이 배치되고, 상기 하부전극과 일정간격 이격되어 이와 대향되도록 상부전극이 배치된다. 상기 하부전극과 마주보는 상기 상부전극의 하부면에는 뽀족한 돌기들이 돌출되고, 그 아래에는 절연판이 배치된다. 상기 상부전극 및 절연판의 측면에는 소스가스를 상기 절연판과 상기 하부전극 사이로 소스가스를 공급하는 고리형상의 가스유입관이 배치된다. 상기 하부전극에 놓여진 기판은 가열기에 의해 공정온도로 가열되고, 전원공급부는 상기 소스가스를 플라즈마 상태로 여기시키기 위해 상기 두 개의 금속전극 중 적어도 하나에 전원을 공급한다. 또한, 상기 상부전극과 상기 하부전극은 복수개가 설치될 수 있으며, 상기 하부전극은 인접하는 상기 샤프트들 사이에 각각 배치되고, 각각의 하부전극의 상부에는 상기 상부전극이 배치되어, 공정에 소요되는 시간을 단축할 수 있다. 증착률을 향상하기 위해 상기 상부전극은 기판이 이송되는 방향과 반대방향으로 이동될 수 있다.
일예에 의하면, 상기 장치는 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 장치이고, 상기 공정챔버로 하이드로 카본 계열의 가스와 상기 기판 상에 증착된 촉매금속을 식각하는 식각가스를 포함하는 공정가스를 공급하는 공정가스 공급관을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 장치는 상기 기판 상에 상기 촉매금속을 증착하기 위해 상기 공정챔버 내로 상기 촉매금속 가스를 공급하는 금속가스 공급관을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 장치는 공정챔버 및 상기 공정챔버 내에 배치되며 기판이 놓여지는 하부전극과 이와 대향되도록 배치되는 상부전극을 가진다. 상기 두 개의 금속전극 중 적어도 하나에는 전원을 공급하는 전원 공급부가 연결된다. 상기 공정챔버는 상기 기판 상에 촉매금속 증착을 위해 상기 공정챔버 내로 촉매금속을 가스상태로 공급하는 금속가스 공급부와 및 상기 공정챔버 내로 탄소나노튜브 형성을 위해 하이드로 카본계열의 가스 및 식각 가스를 공급하는 공정가스 공급부와 연결된다. 상기 하부전극과 마주보는 상기 상부전극의 면 상에는 유전체판이 결합되며, 상기 유전체판에는 소스가스를 포함하는 공정가스가 공급되는 통로인 복수의 통공들이 형성된다. 탄소나노튜브 형성을 위한 공정 진행 중 상기 공정챔버는 상압 상태로 유지되고, 상기 복수의 통공들은 1/10 내지 1/15의 종횡비로 형성되며, 모세관으로서 기능하도록 좁게 형성된다.
또한, 본 발명의 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 방법은 공정챔버 내로 기판이 유입되는 단계, 금속가스 공급부를 통해 촉매금속가스를 공정챔버 내로 공 급하여 기판 상에 촉매금속을 증착하는 단계, 공정가스 공급부를 통해 식각가스를 공급하여 나노크기의 미세한 촉매금속 파티클을 형성하는 단계, 하이드로카본계열의 가스 및 식각가스를 상기 공정가스 공급부를 통하여 공급하는 단계, 그리고 상기 공정챔버 내에 위치되는 하부전극 또는 상기 하부전극과 대향되는 면에 복수의 통공들이 형성된 유전체판이 위치된 상부전극 중 어느 하나에 전원을 가하여 플라즈마 상태로 여기하여 상기 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 2 내지 도 22 참조하면서 보다 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
본 실시예에서 기판(10)은 평판 표시(flat panel display) 소자를 제조하기 위한 것으로, 평판 표시 소자는 TFT-LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display), FED(FieldEmission Display), 또는 ELD(Electro Luminescence Display) 일 수 있다. 또한, 기판(10)은 반도체 웨이퍼인 실리콘 기판(10)일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 장치(1)를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 플라즈마 증착 장치(1)는 공정챔버(100), 상부전극(200), 유전체판(220), 하부전극(300), 가열기(320), 전원공급부(400), 그리고 가스공급부(500)를 가진다. 공정챔버(100)는 기판(10)을 수용하여 증착공정을 수행하기 위한 공간을 제공한다. 공정챔버(100)의 저면에는 공정진행 중 부산물들이 배기되는 통로인 배기구(102)가 형성되며, 배기구(102)에는 배기관(120)이 연결된다. 공정진행 후 부산물들을 외부로 배출하기 위해 배기관(120)에는 펌프(도시되지 않음)가 연결될 수 있으나, 증착공정 수행시에 공정챔버(100) 내부는 상압을 유지한다.
상부전극(200)과 하부전극(300), 그리고 전원공급부(400)는 공정챔버(100) 내로 공급된 공정가스를 플라즈마 상태로 여기시킨다. 하부전극(300)은 공정챔버(100) 내의 하부에 배치되며, 상부면이 평평한 평판으로 기판(10)과 상응되는 형상을 가진다. 예컨대, 기판(10)이 반도체 웨이퍼인 경우 원형으로 형성될 수 있으며, 기판(10)이 유리기판(10)인 경우 직사각의 형상을 가질 수 있다.
상부전극(200)은 하부전극(300)과 소정거리 이격되어 이와 대향되도록 공정챔버(100) 내의 상부에 배치된다. 상부전극(200)의 중앙에는 후술할 가스 공급부(500)와 연결되는 가스유입관(260)이 위치된다. 상부전극(200)의 아래에는 상하로 관통된 복수의 통공들(222)이 형성된 유전체판(220)이 결합된다. 통공(222)은 모세관으로서 기능을 하도록 가늘게 형성되며, 통공(222)의 종횡비는 1/10 내지 1/15(통공의 직경/통공의 길이)가 되도록 형성된다. 유전체판(220)은 상부전극(200)의 하부면과 대향되며 소정거리 이격되어 위치되는 하부면과 이들 가장자리로부터 위로 연장되어 유전체판(220)에 결합되는 측면을 가진다. 가스공급부(500)를 통해 유입된 공정가스는 상부전극(200)에 형성된 가스유입관(260)을 통해 유전체판(220)과 상부전극(200)에 의해 둘러싸인 공간(242) 내로 일차적으로 유입된 후 유전체판(220)에 형성된 통공(222)들을 통해 아래로 제공된다.
상부전극(200)과 하부전극(300)은 스테인리스 스틸로 제조될 수 있으며, 상부전극(200)과 하부전극(300) 중 적어도 하나에는 전원공급부(400)가 연결된다. 예컨대, 상부전극에는 교류전원이 연결되고, 하부전극에는 교류전원, 펄스전원, 또는 직류전원 중 어느 하나가 연결될 수 있다. 또한, 증착되는 박막의 성장속도와 성장밀도를 향상시키고, 플라즈마에 방향성을 제공하기 위해 하부전극(300)에는 바이어스 전압이 인가될 수 있다. 비록 도시하지는 않았으나, 공정챔버(100) 내로 인입되는 기판(10)을 하부전극(300)에 안착하기 위한 하부전극(300)에 형성된 홀을 따라 승하강되는 리프트 핀을 가지는 리프트 핀 어셈블리가 제공될 수 있다.
가열기(320)는 증착속도와 증착률을 향상시키기 위해 공정진행 중 기판(10)을 공정온도로 가열한다. 가열기(320)는 하부전극(300) 아래에 배치되며, 가열기(320)는 IR 램프가 사용되거나 열선 또는 열판이 사용될 수 있다. 하부전극(300) 및 가열기(320)는 공정진행 중 구동부(340)에 의해 회전된다. 구동부(340)는 가열기(320)의 하부면과 결합되어 아래로 수직하게 배치되는 지지대(342)와 이를 회전시키는 모터(344)를 포함한다.
도 3은 변형된 상부전극(700)을 가지는 증착 장치의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 증착장치는 도 2와 상이한 구조의 상부전극(700)을 가진다. 상부전극(700)은 하부전극(300)과 대향되도록 배치되며, 직육면체의 얇은 판 형상을 가진다. 상 부전극(700)의 하부면에는 방전이 잘 일어나도록 뾰족한 형상의 돌기들(742)이 형성된다. 상부전극(700)의 아래에는 절연판(760)이 돌기들(742)를 감싸도록 배치되며, 상부전극(700) 및 절연판(760)의 측면에는 절연판(760)과 하부전극(300) 사이로 공급되는 가스의 이동로인 가스 유입관(780)이 배치된다. 가스 유입관(780)은 고리모양의 형상을 가지며 상부전극(700)과 절연판(760)의 측면을 감싼다.
돌기(742)는 상부전극(700)의 하부면 전체에 균일하게 형성된다. 돌기(742)는 도 4에 도시된 바와 같이 선단이 점으로 된 뾰족한 뿔 형상으로 형성되며, 복수의 열과 행을 이루도록 규칙적으로 배치된다. 예컨대, 돌기(742)는 삼각뿔 또는 사각뿔과 같은 다각뿔 형상이나 원뿔의 형상을 가질 수 있다. 선택적으로 도 5에 도시된 바와 같이 돌기(744)는 그 선단이 점으로 된 핀 형상을 가지며, 복수의 열과 행을 이루도록 규칙적으로 배치될 수 있다. 선택적으로 도 6에 도시된 바와 같이 돌기(746)는 선단이 선으로 이루어진 뾰족한 기둥 형상을 가질 수 있으며, 측면의 모서리 중 하나가 선단에 위치되도록 형성된다. 이 경우 돌기(746)는 상부전극(700)의 일측 길이와 유사한 길이를 가지도록 형성되며 복수의 열을 이루도록 배치된다.
도 7과 도 8은 돌기(742, 744, 746)간의 거리 및 돌기(742, 744, 746)의 종횡비를 보여주는 도면들이다. 돌기(742, 744, 746)의 폭을 D, 돌기(742, 744, 746)의 길이를 L, 그리고 돌기(742, 744, 746)간의 거리를 X라 할 때, 돌기(742, 744, 746)는 L/D는 약 1 내지 10이 되고, X/D는 약 1 내지 10이 되도록 형성된다. 돌기(742, 746)가 뿔 또는 기둥형상으로 형성된 경우 돌기(742, 746)의 하단부의 폭을 돌기(742, 746)의 폭으로 한다.
증착장치는 대기압 하에서 공정이 수행된다. 대기압하에서 공정 수행시 돌기(742, 744, 746)로부터 발생되는 방전은 아크방전(arc discharge) 또는 필라멘트 형태의 방전(filamentary type)이다. 아크방전 또는 필라멘트 형태의 방전은 영역에 따라 불균일하고 불안정하므로 바람직하지 않다. 상술한 아크방전 또는 필라멘트 형태의 방전 대신 안정적이고 균일한 글로우 방전 또는 이와 유사한 형태의 방전이 일어나도록 도 3에 도시된 바와 같이 상부전극(700) 아래에는 절연판(500)이 위치된다. 절연판(500)은 상부전극(700)의 하부면과 대향되어 위치되도록 상부전극(700)에 결합된다. 바람직하게는 절연판(500)은 상부전극(700)의 하부면 및 돌기들(342) 측부 전체를 감싸도록 상부전극(700)에 결합된다. 절연판(500)은 쿼츠(quartz), 테프론(teflon), 유리(glass), 또는 알루미나(alumina)와 같은 절연체를 재질로 하여 제조될 수 있다.
가스공급부(500)는 가스가 저장된 가스저장부들(520)과 가스저장부(520)로부터 가스를 공급받고, 공급되는 가스의 유량을 조절하는 질량유량계(mass flow controller : MFC)(540)를 가진다. 각각의 가스저장부(522, 524, 526)과 질량유량계(540) 및 상부전극(200)의 가스유입관(260)과 질량유량계(540)는 공급관(562, 564)에 의해 연결되며, 각각의 공급관(562, 564)에는 그 내부통로를 개폐하는 개폐밸브(582, 584)가 설치된다.
기판(10) 상에 형성하고자 하는 막이 탄소나노튜브(carbon nano tube : CNT)인 경우, 기판(10)이 공정챔버(100) 내로 수용되기 전에, 기판(10) 상에는 철(Fe), 니켈(Ni), 또는 코발트(Co)와 같은 촉매금속이 증착된다. 이 경우 상술한 가스저장부(520)는 소스가스를 저장하는 소스가스 저장부(526), 기판(10) 상에 형성된 촉매금속을 식각하기 위한 가스를 저장하는 식각가스 저장부(524), 그리고 플라즈마를 안정화시키기 위한 가스를 저장하는 안정화가스 저장부(522)를 포함한다. 소스가스로는 메탄(CH4), 에틸렌(C2H4), 또는 아세틸렌(C2H2) 등과 같은 하이드로 카본 계열의 가스(CxHy : 1≤x≤5, 1≤y≤5)가 사용되며, 식각가스로는 수소(H2) 또는 암모니아(NH3)가 사용될 수 있다. 또한, 안정화가스로는 헬륨(He)이 사용될 수 있다.
일반적인 장치에서 발생되는 방전은 주로 아크형의 필라멘트 방전이거나 글로우 방전이다. 아크형의 필라멘트 방전은 전극의 몇몇 점에 전류가 집중됨으로써 일어나 균일한 플라즈마를 얻기가 어렵다. 글로우 방전은 영역 전체에 걸쳐 플라즈마가 균일하게 발생되나, 그 밀도가 매우 약할 뿐 만 아니라 공정챔버 내부를 고진공으로 유지하여야 한다. 그러나 본 실시예와 같이 복수의 가느다란 통공(222)이 형성된 유전체판(220)을 사용하는 경우, 실험에 의하면 공정챔버(100) 내부를 상압으로 유지한 상태에서 공정 진행시 넓은 면적에서 균일도가 높으며 밀도가 높은 플라즈마를 얻을 수 있었다.
도 9는 복수의 공정들에 대해 인라인(in-line)작업이 가능하도록 변형된 장치를 보여주는 도면이다. 장치는 상부전극(200), 하부전극(300), 그리고 기판 이송부(800)를 가진다. 상부전극(200)은 모세관으로 형성되어 가스를 아래로 공급하는 유전체판(220)을 가지며, 하부전극(300)은 상부전극(200)과 이와 대향되게 설치되 며, 하부전극(300) 아래에는 가열기(320)가 배치된다. 상부전극(200)과 하부전극(300)의 구조는 도 2와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 기판 이송부(800)의 평면도 도 10을 참조하면, 기판 이송부(800)는 샤프트들(810), 롤러들(820), 풀리들(830), 벨트들(840), 그리고 모터(도시되지 않음)를 포함한다. 샤프트들(810)은 그 회전축이 기판(10)의 이송방향과 수직하게 배치되며, 기판(10)이 이송되는 방향과 평행한 방향으로 서로간에 일정거리 이격되도록 배치된다. 각각의 샤프트(810)는 복수의 롤러들(820) 내의 홀에 내삽되며, 기판(10)은 롤러(820)에 의해 지지된다. 각각의 샤프트(810)의 양단에는 각각 풀리(830)가 결합되며, 인접하는 풀리들(830)은 벨트(840)에 의해 연결된다. 풀리들(830) 중 어느 하나는 모터와 결합되어 모터에 의해 회전된다. 상술한 구조에 의해 모터가 회전되면 풀리(830)들이 벨트(840)에 의해 회전되며, 이후 풀리(830)와 결합된 샤프트들(810) 및 롤러(820)가 회전된다. 공정이 진행되는 도중 모터는 공정이 원활하게 진행되도록 그 회전속도가 조절되거나 또는 회전이 멈출 수 있다. 도면에 도시된 기판 이송부(100)의 구조는 일 예에 불과하며, 일반적으로 알려진 다양한 기판이송 메커니즘이 사용될 수 있다. 하부전극(300)은 인접하는 샤프트들(810) 사이에 배치된다. 하부전극(300)의 상부면은 롤러들(820) 상에 놓여진 기판(10)의 하부면으로부터 일정거리 이격되도록 위치되어, 기판 이송부(800)에 의해 기판(10)이 이송되는 동안 기판(10)의 저면과 접촉이 이루어지지 않도록 한다. 이는 기판이 하부전극(300)의 저면과 접촉시 마찰로 인해 기판(10)의 이송진로가 방해받는 것을 방지한다.
선택적으로 상술한 바와 같이 기판(10)이 상부전극(200)과 하부전극(300) 사이로 이동 후 기판(10)이 정지된 상태에서 공정이 진행될 수 있다. 이 때, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 하부전극(300)을 상하로 구동하는 하부전극 이동부(340)가 제공될 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이 하부전극 이동부(340)는 하부전극(300)의 후면에 결합되는 지지축(342)과 이를 구동시키는 구동부(344)를 가진다. 구동부(344)는 지지축(342)의 아래에 결합되어 지지축(342)을 승하강시키는 유공압 실린더가 사용될 수 있다. 선택적으로 도 12에 도시된 바와 같이 하부전극 이동부(340)는 지지축(342)의 측면에 형성된 래크(rack)(343)와 지지축(342)의 측부에 위치되어 래크(343)와 맞물리는 피니언(pinion)(346), 그리고 피니언(346)을 회전시키는 스테핑 모터(348)를 가질 수 있다. 기판(10)이 상부전극(200)과 하부전극(300) 사이로 이송되기 전에 하부전극(300)은 기판(10)의 저면보다 낮게 위치되고, 이후에 기판(10)이 상부전극(200)과 하부전극(300) 사이로 이송되면, 하부전극(300)은 승강되어 기판(10)의 후면과 접촉될 수 있다.
또한, 도 13에 도시된 바와 같이 변형된 상부전극(700)이 사용될 수 있다. 변형된 상부전극(700)의 형상은 도 3에서 설명되었으므로 상세한 설명은 생략한다.
도 14와 도 15는 복수의 상부전극들(200, 700)과 하부전극들(300)을 가지는 장치를 보여준다. 도 14은 모세관(222)이 형성된 유전체판(220)을 가지는 상부전극(200)이 사용된 장치를 보여주고, 도 15는 첨단이 뾰족한 돌기(742)가 형성되고 절연판(760)이 부착된 상부전극(700)이 사용된 장치를 보여준다. 도 14와 도 15를 참조하면, 하부전극(300)은 인접하는 샤프트들(810) 사이에 각각 배치되 며, 각각의 하부전극(300)의 상부에는 상부전극(200, 700)이 배치된다. 이는 대면적의 기판의 복수의 영역에 대해 증착공정을 수행함으로써 식각에 소요되는 시간을 단축할 수 있다. 또한, 비록 도시되지는 않았으나, 증착률을 향상시키기 위해 상부전극(200, 700) 또는 하부전극(300)을 기판(10)이 이동되는 방향과 반대방향으로 이동시키는 구동부가 설치될 수 있다.
도 16 내지 도 18은 본 발명의 장치(1)를 사용하여 공정 진행시 기판(10) 상에 탄소나노튜브가 형성되는 과정을 보여주는 도면들이다. 도 16 내지 도 18에서 기판(10)은 400℃로 가열되어 공정이 진행되었으며, 소스가스로는 아세틸렌(C2H2)이 사용되었다. 도 16 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치(1) 사용시 유리기판(10) 상에 탄소나노튜브가 균일하게 성장되었다.
도 19과 도 20은 각각 기판(10) 상에 탄소나노튜브를 형성하기 위해 열화학기상증착법을 사용한 경우와 본 실시예의 플라즈마 화학 기상 증착법을 사용한 경우를 보여주는 도면이다. 도 19에 도시된 바와 같이 열화학 기상 증착법을 사용시에는 탄소나노튜브가 기판 상에 정상적으로 형성되지 못하고, 탄소의 증착만이 이루어졌으나 도 20에 도시된 바와 같이 본 실시예의 장치를 사용한 경우 기판 상에 탄소나노튜브가 균일하게 성장되었다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유리기판(10) 상에 탄소나노튜브를 형성하는 장치(1′) 를 개략적으로 보여주는 도면이다. 유리기판(10) 상에 탄소나노튜브를 형성하기 위해, 유리기판(10) 상에 촉매금속을 증착하는 공정이 선행되 어야 한다. 일반적인 경우, 스퍼터링 장치 또는 E-빔 증착장치(e-beam evaporation)를 이용하여 유리기판(10) 상에 촉매금속을 형성한다. 촉매금속이 증착된 기판(10)은 이후에 탄소나노튜브를 형성하기 위한 설비로 이동되어야 하므로 공정에 많은 시간이 소요된다. 본 실시예에 의하면 하나의 장치(1′) 내에서 촉매금속의 증착 및 탄소나노튜브의 형성이 이루어진다.
도 21을 참조하면, 증착 장치는 공정챔버(100), 상부전극(200), 유전체판(220), 하부전극(300), 가열기(320), 전원공급부(400), 공정가스 공급부(500), 그리고 금속가스 공급부(600)를 가진다. 공정챔버(100), 하부전극(300), 상부전극(200), 가열기(320), 전원공급부(400), 그리고 유전체판(220)은 상술한 실시예와 구조, 기능, 및 형상이 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 금속가스 공급부(600)는 기판(10) 상에 촉매금속을 증착하기 위해 액상촉매금속을 포함한 공정가스를 챔버 내로 공급하는 부분으로, 철(Fe), 니켈(Ni), 또는 코발트(Co)와 같은 액상촉매금속을 기화시키는 기화기(620)를 포함한다. 기화기(620)에는 액상 촉매금속이 공급되는 공급관(644)과 기화된 촉매금속을 공정챔버(100) 내로 운반하는 질소와 같은 캐리어가스가 공급되는 공급관(642)이 연결된다. 각각의 공급관(642, 644)에는 개폐밸브(662, 664) 또는 유량조절밸브가 설치될 수 있다. 기화기(620)는 공급관(648)에 의해 가스유입관(260)과 연결되어, 기화된 촉매금속은 이들을 통해 가스유입부(242)로 유입한다. 또한, 가스유입관(260)에는 촉매금속 증착 후 공정챔버(100) 내부를 퍼지하기 위해 퍼지가스를 공급하는 공급관(666)이 연결될 수 있다.
공정가스 공급부(500)는 촉매금속이 증착된 기판(10) 상에 탄소나노튜브를 형성하기 위해 식각가스, 안정화 가스, 그리고 소스가스를 공급한다. 공정가스 공급부(500)는 상술한 실시예의 가스공급부와 동일한 구조로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 22는 도 21의 장치(1′)를 사용하여 기판(10) 상에 탄소나노튜브를 형성하는 공정을 순차적으로 보여주는 플로우차트이다. 도 22를 참조하면, 처음에 공정챔버(100) 내로 기판(10)이 유입된다(스텝 S10). 금속가스 공급부(600)를 통해 공정가스를 공급함으로써, 기판(10) 상에 촉매금속을 증착하는 공정이 수행된다. 이를 위해 액상 촉매금속과 캐리어 가스가 기화기(620)로 유입되며, 기화된 촉매 금속과 캐리어 가스는 공급관(648), 가스유입관(260)을 통해 가스유입부(242)로 유입되고, 이후 유전체판(220)에 형성된 가느다란 통공들(222)을 통해 아래로 공급된다. 가열기(320)에 의해 기판(10)은 증착온도로 가열되고, 촉매금속은 화학 기상 증착법에 의해 기판(10) 상에 증착된다(스텝 S20). 촉매금속의 증착이 완료되면, 퍼지가스가 공급되어 공정챔버(100) 내부를 퍼지한다(스텝 S30).
이후 공정가스 공급부(500)를 통해 공정가스를 공급함으로써, 기판(10) 상에 탄소나노튜브를 증착하는 공정이 수행된다. 이를 위해 식각가스가 공급관(562, 564)과 가스유입관(260)을 통해 가스유입부(242)로 유입 후 아래로 공급되어 촉매금속을 식각함으로써, 기판(10) 상에는 나노크기의 미세한 촉매금속이 형성된다(스텝 S40). 이후, 식각가스(NH3, H2), 안정화 가스(He), 그리고 소스가스(C2H 2)를 동시 에 가스유입부로 공급하고, 이들 가스는 유전체판(220)에 형성된 통공들(222)을 통해 아래로 공급된다(스텝 S50). 공정챔버(100)는 상압상태로 유지되며, 전원공급부(400)로부터 전원이 공급되어 소스가스를 플라즈마 상태로 여기시킨다. 이후 촉매금속의 표면에서 수소와 탄소로 분해된 탄소원자는 촉매금속을 통하여 반대편으로 확산하면서 성장하여, 기판(10) 상에 탄소나노튜브가 형성된다(스텝 S60).
본 발명에 의하면, 상온 상태에서 밀도가 높은 플라즈마가 넓은 영역에 균일하게 발생되므로, 대면적의 기판 상에 균일한 증착을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 기판 상에 촉매금속의 증착 및 탄소나노튜브의 형성이 동일 챔버에서 연속적으로 이루어지므로 공정에 소요되는 시간을 단축할 수 있으며 처리량(through-put)을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 상압에서 플라즈마를 이용하여 기판에 탄소나노튜브를 형성하는 장치에 있어서,
    공정챔버와;
    상기 공정챔버 내의 하부에 배치되며 기판이 놓여지는 하부전극과;
    상기 하부전극에 놓여진 기판을 가열하는 가열기와;
    상기 공정챔버 내에 상기 하부전극과 일정간격 이격되어 이와 대향되도록 배치되는 상부전극과;
    상기 하부전극과 마주보는 상기 상부전극의 면 상에 위치되는, 그리고 소스가스가 상기 상부전극의 수직 아래 위치로 공급되도록 소스가스가 공급되는 통로인 복수의 통공들이 형성된 유전체판과;
    상기 소스가스를 플라즈마 상태로 여기시키기 위해 상기 두 개의 금속전극 중 적어도 하나에 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 장치.
  2. 상압에서 플라즈마를 이용하여 기판에 탄소나노튜브를 형성하는 장치에 있어서,
    서로간에 소정거리 이격되도록 나란히 배치되며 회전 가능한 복수의 샤프트들을 가지며, 기판을 이송하는 기판 이송부와;
    인접하는 샤프트들 사이에 제공되는 하부전극과;
    공정진행 중 기판을 가열하는 가열기와;
    상기 하부전극과 일정간격 이격되어 이와 대향되도록 배치되는 상부전극과;
    상기 하부전극과 마주보는 상기 상부전극의 면 상에 위치되는, 그리고 소스가스가 상기 상부전극의 수직 아래 위치로 공급되도록 소스가스가 공급되는 통로인 복수의 통공들이 형성된 유전체판과;
    상기 소스가스를 플라즈마 상태로 여기시키기 위해 상기 두 개의 금속전극 중 적어도 하나에 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 통공들은 모세관으로서 제공된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 복수의 통공들은 1/10 내지 1/15의 종횡비로 형성되며, 모세관으로서 기능하도록 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 하부전극에는 바이어스 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 장치는 상기 하부전극과 상기 상부전극을 복수개 구비하며,
    상기 하부전극은 인접하는 상기 샤프트들 사이에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 장치.
  7. 상압에서 플라즈마를 이용하여 기판에 탄소나노튜브를 형성하는 공정을 수행하는 장치에 있어서,
    공정챔버와;
    상기 공정챔버 내의 하부에 배치되며 기판이 놓여지는 하부전극과;
    상기 하부전극에 놓여진 기판을 가열하는 가열기와;
    상기 공정챔버 내에 상기 하부전극과 일정간격 이격되어 이와 대향되도록 배치되는, 그리고 상기 하부전극과 마주보는 하부면에 뾰족한 복수의 돌기들이 형성된 상부전극과;
    상기 상부전극 아래에 배치되는 절연판과;
    상기 절연판과 상기 하부전극 사이로 소스가스를 공급하는 가스유입관과; 그리고
    상기 소스가스를 플라즈마 상태로 여기시키기 위해 상기 두 개의 금속전극 중 적어도 하나에 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함하되,
    상기 가스유입관은 고리형상으로 형성되며 상기 상부전극 및 상기 절연판의 측벽과 접하게 상기 상부전극의 측벽을 감싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 장치.
  8. 상압에서 플라즈마를 이용하여 기판에 탄소나노튜브를 형성하는 공정을 수행하는 장치에 있어서,
    서로간에 일정거리 이격되도록 나란히 배치되며 회전되는 복수의 샤프트들을 가지며, 기판을 이송하는 기판 이송부와;
    인접하는 상기 샤프트들 사이에 배치되는 하부전극과;
    공정진행 중 기판을 가열하는 가열기와;
    상기 하부전극과 일정간격 이격되어 이와 대향되도록 배치되는, 그리고 상기 하부전극과 마주보는 하부면에 뾰족한 복수의 돌기들이 형성된 상부전극과;
    상기 상부전극 아래에 배치되는 절연판과;
    상기 절연판과 상기 하부전극 사이로 소스가스를 공급하는 가스유입관과; 그리고
    상기 소스가스를 플라즈마 상태로 여기시키기 위해 상기 두 개의 금속전극 중 적어도 하나에 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함하되,
    상기 가스유입관은 고리형상으로 형성되며 상기 상부전극 및 절연판의 측벽과 접하게 상기 상부전극의 측벽을 감싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 장치.
  9. 삭제
  10. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 절연판은 석영, 테프론, 유리, 또는 알루미나 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 장치.
  11. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 돌기는 첨단(尖端)이 점으로 된 핀, 원뿔 또는 다각뿔 중 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 장치.
  12. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 돌기는 첨단(尖端)이 선으로 이루어지는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 장치.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 장치는 상기 하부전극과 상기 상부전극을 복수개 구비하며,
    상기 하부전극은 인접하는 상기 샤프트들 사이에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 장치.
  14. 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 방법에 있어서,
    상압에서 상부전극과 하부전극 사이로 소스가스를 공급하여 플라즈마를 발생시켜 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 공정을 수행하되, 상기 상부전극 아래에는 유전체판을 제공하되, 소스가스는 상기 유전체판에 형성된 모세관 형상의 통공을 통해서 상기 상부전극과 하부전극 사이로 공급하여, 상압에서 플라즈마 밀도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 방법.
  15. 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 방법에 있어서,
    샤프트들의 회전에서 의해 기판을 이송하면서 상압에서 플라즈마를 발생시켜 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 공정을 수행하되, 상기 샤프트들 사이에 하부전극을 제공하고, 상기 하부전극과 대향되도록 상부전극을 제공하며, 상기 상부전극 아래에는 유전체판을 위치시키고, 소스가스는 상기 유전체판에 형성된 모세관 형상의 통공을 통해서 상기 상부전극과 하부전극 사이로 공급하여, 상압에서 플라즈마 밀도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 방법.
  16. 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 방법에 있어서,
    상압에서 상부전극과 하부전극 사이로 소스가스를 공급하여 플라즈마를 발생시켜 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 공정을 수행하되, 상기 상부전극의 하부면에는 뾰족한 돌기가 형성되고 상기 상부전극의 아래에는 절연판을 제공하되, 소스가스는 성가 절연판과 상기 상부전극의 측벽과 접하게 상기 절연판 및 상기 상부전극의 측벽을 감싸도록 제공되는 가스 유입관을 통해 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이로 공급하여 상압에서 플라즈마 밀도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 방법.
  17. 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 방법에 있어서,
    샤프트들의 회전에서 의해 기판을 이송하면서 상압에서 플라즈마를 발생시켜 기판 상에 탄소나노튜브를 형성하는 공정을 수행하되, 상기 샤프트들 사이에 하부전극을 제공하고, 상기 하부전극과 대향되도록 상부전극을 제공하며, 상기 상부전극의 하부면에는 뾰족한 돌기가 형성되고 상기 상부전극의 아래에는 절연판을 제공하며, 소스가스는 성가 절연판과 상기 상부전극의 측벽과 접하게 상기 절연판 및 상기 상부전극의 측벽을 감싸도록 제공되는 가스 유입관을 통해 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이로 공급하여 상압에서 플라즈마 밀도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 형성 방법.
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