KR19990074374A - 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 홈이 파인 기판 위에 마이크로웨이브 PECVD법을 사용하여 다이아몬드를 증착시키는 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 상기 홈의 크기를 300㎛ 내지 1000㎛으로 형성하여 상기 홈에 대응되는 부분에 원뿔 홈이 형성된 원뿔 홈형의 다이아몬드 박막이 증착되도록 하는 점에 그 특징이 있다. 또한, 상기 홈의 크기를 10㎛ 내지 300㎛으로 형성하여 상기 기판과 접촉되는 원뿔 홈 주위에 돌출부가 형성된 튜브 화산형의 다이아몬드 박막이 증착되도록 할 수도 있다

Description

필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법

본 발명은 전계방출 표시소자 등에 사용되는 필드 에미터용 다이아몬드 박막에 관한 것으로서, 특히 원뿔 홈 또는 돌출부를 갖는 원뿔 홈이 형성된 필드 에미터용 다이아몬드 박막에 관한 것이다.

필드 에미터(Field Emitter)는 현재 차세대 평판 표시 소자로서 주목받고 있는 전계방출 표시소자(Field Emission Display)의 전자 방출부로서 널리 사용되고 있으며, 일반적으로 어레이 형태로 구성된다. 이와 같은 필드 에미터는 그 주위에 강한 전기장이 형성되면 전자들을 방출한다. 이 때, 방출된 전자들에 의한 전류 밀도는 필드 에미터 주위에 형성되는 전기장의 세기에 비례하며, 이 전기장의 세기는 필드 에미터의 기하학적 형상에 영향을 받는다. 따라서, 일반적으로 전기장의 세기를 강하게 하기 위하여, 끝 부분이 뽀족한 첨탑 형상을 갖춘 금속 팁(tip) 형태의 필드 에미터를 주로 사용한다.

최근에는, 다이아몬드의 부 전자 친화도(Negative Electron Affinity; 이하 NEA)를 이용한 다이아몬드 박막 필드 에미터에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이론적으로, 다이아몬드에 적절한 세기의 전기장만 형성되면, 다이아몬드의 NEA에 의해 다이아몬드의 표면에서는 전자들이 방출된다. 또한, 다이아몬드는 약 0.2-0.3eV의 낮은 일함수를 갖기 때문에, 금속 팁 형태의 필드 에미터에 비하여 낮은 전기장의 세기에서도 전자들이 쉽게 방출되는 등 필드 에미터 재료로서 여러 가지 이점을 가지고 있다.

종래에는 상기와 같은 다이아몬드 필드 에미터의 형상을 평판형 또는 팁 모양으로 제작하였다. 그런데, 상기 평판형 다이아몬드 필드 에미터는 턴-온(turn-on) 전압이 비교적 높고, 전류 밀도가 높지 않을 뿐만 아니라, 전자 방출에 있어서의 균일성이 떨어지는 단점이 있다. 그리고, 상기 팁 모양의 다이아몬드 필드 에미터는 에칭 등과 같은 복잡한 공정을 거쳐야 하므로 그 경제성이 떨어지며, 특히 다이아몬드는 물리적이나 화학적으로 매우 안정적이고 단단한 구조로 이루어져 있으므로, 여러 가지 식각액에 대하여 반응을 쉽게 일으키지 않는다.

따라서, 최근에는 실리콘 기판에 소정의 형상을 만들고, 그 형상에 따라 다이아몬드의 패턴이 자연스럽게 형성되도록 하는 주조법(molded process)이 큰 관심을 끌고 있다. 그런데, 상기 주조법은 기판으로서 사용하는 실리콘과 다이아몬드박막 사이의 불균일성으로 인하여, 실리콘 기판과 다이아몬드 박막 사이에 공백(void) 등과 같은 결함이 발생되어 필드 에미션 특성이 저하될 가능성이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 원뿔 홈 또는 돌출부를 갖는 원뿔 홈이 형성된 필드 에미터용 다이아몬드 박막을 손쉽게 만드는 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법을 단계별로 나타낸 도면.

도 2는 도 1b에 도시된 단계를 수행하기 위한 시스템 구성도.

도 3은 다이아몬드 박막에 형성된 원뿔 홈을 나타내 보인 도면.

도 4는 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 원뿔 홈형 다이아몬드 박막의 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 튜브 화산형 다이아몬드 박막의 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 튜브 화산형 다이아몬드 박막의 평면도.

도 7은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 튜브 화산형 다이아몬드 박막의 표면 형상을 나타낸 AFM 사진.

도 8은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 원뿔 홈형 다이아몬드 박막의 전기장 분포를 나타내 보인 도면.

도 9는 평판형 다이아몬드 박막의 전기장 분포를 나타내 보인 도면.

도 10은 팁 형상의 다이아몬드 박막의 전기장 분포를 나타내 보인 도면.

도 11은 원통 팁 형상의 다이아몬드 박막의 전기장 분포를 나타내 보인 도면.

도 12는 원통 홈 형상의 다이아몬드 박막의 전기장 분포를 나타내 보인 도면.

도 13은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 튜브 화산형 다이아몬드 박막의 인가전압-전류 관계를 나타내 보인 그래프.

도 14는 평판형 다이아몬드 박막의 인가전압-전류 관계를 나타내 보인 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1...몰리브데늄 기판 1h...홈

2...다이아몬드 박막 10...챔버

11...지지대 12...열전대쌍

13...펌프 14a, 14b, 14c...가스원

15...윈도우 16...플라즈마 상태

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법은, 홈이 파인 기판 위에 마이크로웨이브 PECVD법을 사용하여 다이아몬드를 증착시키는 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법에 있어서, 상기 홈의 크기를 300㎛ 내지 1000㎛으로 형성하여 상기 홈에 대응되는 부분에 원뿔 홈이 형성된 원뿔 홈형의 다이아몬드 박막이 증착되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 홈의 크기를 10㎛ 내지 300㎛으로 형성하여 상기 기판과 접촉되는 원뿔 홈 주위에 돌출부가 형성된 튜브 화산형의 다이아몬드 박막이 증착되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 기판의 재료는 몰리브데늄(Mo)인 것이 바람직하다.

상기 기판에 형성된 홈의 깊이는 1㎛ 이상이 되도록 하는 것을 바람직하다.

그리고 상기 기판의 상기 다이아몬드가 증착될 면을 연마하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 이 경우에 1㎛ 크기의 다이아몬드 가루를 사용하여 연마를 수행하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명에 따른 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법을 설명한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법을 단계별로 나타내 보인 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제조 방법은, 기판에 형성된 홈에 의해 다이아몬드 박막의 패턴이 형성되도록 하며, 특히 상기 홈의 크기에 따라 다이아몬드 박막의 패턴 형상을 다르게 한다는 점에 그 특징이 있다.

이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(1)에 일정한 크기를 갖는 홈(1h)을 형성시킨다. 기판(1)의 재료로는 몰리브데늄(Mo)를 사용하며, 홈(1h)은 식각법 등의 방법을 사용하여 형성한다. 기판(1)의 재료로서 몰리브데늄을 사용하는 이유는, 기판(1)과 그 위에 형성되는 다이아몬드 박막 사이의 결함들을 줄이고, 몰리브데늄과 다이아몬드와의 열팽창 계수의 큰 차이를 이용하여 다이아몬드 박막과 기판(1)과의 분리를 용이하게 하기 위한 것이다.

상기 몰리브데늄 기판(1)에 형성된 홈(1h)의 깊이는 적어도 1㎛ 이상이 되도록 하여, 증착될 다이아몬드가 홈(1h)의 내부에는 증착되지 않도록 한다. 그리고, 홈(1h)의 크기에 따라 증착될 다이아몬드 박막의 형상이 달라지므로, 소망하는 다이아몬드 박막의 형상에 따라 적절한 크기를 갖도록 한다. 몰리브데늄 기판(1)에 소정 크기의 홈(1h)을 형성시킨 후에는, 몰리브데늄 기판(1)의 다이아몬드 박막이 증착될 면에 소정 크기, 예컨대 1㎛의 다이아몬드 가루를 사용한 연마 공정을 수 회 반복 수행하여, 후에 몰리브데늄 기판(1)과 다이아몬드 박막의 분리를 용이하게 하는 것이 바람직하다.

다음에는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 다이아몬드를 몰리브데늄 기판(1)의 홈이 형성된 면에 증착하여 다이아몬드 박막(2)을 형성시킨다. 이 때, 다이아몬드 박막(2)에 일정한 형상의 패턴을 형성시키기 위하여, MPECVD(Microwave Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) 방법을 사용한다. 즉, 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하여 홈(1h)이 형성된 기판(1) 상에 다이아몬드를 증착하면, 마이크로파의 특성으로 인하여 홈(1h) 내부에는 다이아몬드가 증착되지 않으며, 이에 따라 소정 형상의 패턴이 다이아몬드 박막에 형성된다.

이와 같이, MPECVD 방법을 사용하여 몰리브데늄 기판(1) 위에 다이아몬드 박막(2)을 형성하는 과정을 도 2에 도시된 MPECVD 시스템 구성도를 참조하여 설명하기로 한다. 도 2를 참조하면, 챔버(10) 내에는 몰리브데늄 기판(1)을 고정시키기 위한 지지대(11)가 있으며, 이 지지대(11) 위에는 증착시 몰리브데늄 기판(1)의 온도 측정을 위한 열전대쌍(Thermocouple)(12)이 위치해 있다. 한편, 챔버(10)에는 챔버 내의 진공 유지를 위한 펌프(13)와, 가스원(14a)(14b)(14c)이 각각 연결되어 있으며, 증착 과정을 모니터링하기 위한 윈도우(15)가 챔버(10)의 양 측면에 설치되어 있다.

이와 같은 챔버(10) 내의 지지대(11) 위에 홈(1h)이 형성된 몰리브데늄 기판(1)을 위치시키고, 소정 비율로 메탄 가스(14a), 수소 가스(14b) 및 산소 가스(14c)를 챔버(10) 내로 인입한다. 그리고, 외부에서 고출력의 마이크로파를 챔버(10) 내로 인입시킨다. 인입된 마이크로파는 챔버(10) 내로 인입되는 수소 및 메탄 가스(14a, 14b)를 플라즈마 상태(15)로 변환시킨다. 이 플라즈마 상태(15)에서, 양이온으로 하전된 이온들과 음 전압이 인가된 몰리브데늄 기판(1) 사이에 높은 전위차가 형성되며, 이 전위차에 의해 다이아몬드의 핵이 몰리브데늄 기판(1)에 생성된다. 이 때, 몰리브데늄 기판(1)의 홈(1h) 내부에는 다이아몬드가 증착되지 않으므로, 도 3에 나타난 바와 같이, 증착되는 다이아몬드 박막(2)에는 일정한 형상의 패턴이 형성된다.

그런데, 앞서 설명한 바와 같이, 다이아몬드 박막(2)에 형성되는 패턴의 형상은 몰리브데늄 기판(1)의 홈(1h)의 크기에 따라서 달라진다. 즉, 몰리브데늄 기판(1)의 홈(1h)의 크기가 300㎛ 내지 1000㎛인 경우에는 원뿔 홈이 형성된 다이아몬드 박막이 생성되며, 10㎛ 내지 300㎛ 정도이면 원뿔 홈이 형성되며, 특히 상기 기판과 접촉되는 원뿔 홈 주위에 돌출부가 형성된 다이아몬드 박막이 생성된다. 이 경우에, 상기 기판(1)에 형성된 홈(1h)의 크기가 너무 크면, 즉 수십 ㎜ 이상이 되면 홈(1h) 내부에 다이아몬드가 증착되어 원뿔 홈이 형성되지 않는다.

본 명세서에서 원뿔 홈형 다이아몬드 박막이라 함은 원뿔 홈이 형성된 다이아몬드 박막을 의미하며, 튜브 화산형 다이아몬드 박막이라 함은 그 주위에 돌출부를 갖는 원뿔 홈이 형성된 다이아몬드 박막을 의미한다.

상기와 같이 기판(1) 상에 원뿔 홈형 또는 튜브 화산형 다이아몬드 박막(2)이 증착된 후에는, 상기 기판(1)과 다이아몬드 박막(2)을 분리시킨다. 즉, 진공 챔버 내에서 다이아몬드 박막(2)이 형성된 몰리브데늄 기판(1)을 급속히 냉각시키면, 도 1c에 도시된 바와 같이, 몰리브데늄과 다이아몬드와의 열팽창 계수 차에 의해 몰리브데늄 기판(1)이 제거된 프리스탠딩(free-standing) 다이아몬드 박막(2)을 얻을 수 있다.

도 4에는 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 원뿔 홈형 다이아몬드 박막의 단면도가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 상기 원뿔 홈형 다이아몬드 박막(3)은, 몰리브데늄 기판(1)과 접촉했던 면(이하, 아래면)(31)에 원뿔 홈(33)들이 형성된다. 이와 같은 필드 에미터용 다이아몬드 박막(3)의 윗면(32)에 음극을 부착하는 한편, 아래면(31)과 일정 거리가 이격된 곳에 양극을 배치시키고, 음극 및 양극 사이에 소정 전압을 인가하면, 필드 에미터용 다이아몬드 박막(3)의 아래면(31)에서는 전자들이 방출되며, 특히 원뿔 홈의 입구 둘레(311)에서 주로 전자들이 방출된다.

한편, 도 5에는 상기 튜브 화산형 다이아몬드 박막의 단면도가 도시되어 있으며, 도 6에는 튜브 화산형 다이아몬드 박막의 평면도가 도시되어 있으며, 그리고 도 7에는 튜브 화산형 다이아몬드 박막의 표면 형상이 나타내었다.

도시된 바와 같이, 상기 원뿔 홈 둘레에 소정의 돌출부가 형성된 필드 에미터용 다이아몬드 박막(4)은, 몰리브데늄 기판(1)과 접촉했던 면(이하, 아래면)(41)에 원뿔 홈(43)들이 형성되며, 그 입구 가장자리에는 돌출부(411)가 형성된다. 이와 같은 필드 에미터용 다이아몬드 박막(4)의 윗면(42)에 음극을 부착하고, 아래면(41)과 일정 거리가 이격된 곳에 양극을 배치시키고, 음극 및 양극 사이에 소정 전압을 인가하면, 필드 에미터용 다이아몬드 박막(4)의 아래면(41)에서는 전자들이 방출되며, 특히 돌출부(411)에서 주로 전자들이 방출된다.

한편, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 필드 에미션 특성을 알아보기 위하여, 상기 다이아몬드 박막의 원뿔 홈이 형성된 면의 반대면에 금속 전극판(음극)을 형성시킨 후, 금속 전극판(양극)을 상기 원뿔 홈이 형성된 면과 일정 간격으로 이격하여 배치시켰다. 그리고, 두 금속 전극판 사이에 일정 크기의 전압을 인가한 후, 형성되는 전기장의 분포를 측정하여 그 결과를 도 8에 나타내었다. 한편, 비교예로서 다른 형상의 필드 에미터용 다이아몬드 박막에도 상기와 같은 조건 하에서 실험을 하여 그 결과를 도 9 내지 도 12에 각각 나타내었다.

즉, 도 9에는 평판형 다이아몬드 박막에서의 전기장의 분포가 도시되어 있으며, 도 10에는 팁 형상의 다이아몬드 박막에서의 전기장의 분포가 도시되어 있으며, 도 11에는 원통 팁 형상의 다이아몬드 박막에서의 전기장의 분포가 도시되어 있으며, 도 12에는 우물 홈 형상의 다이아몬드 박막에서의 전기장의 분포가 도시되어 있다. 도 8 내지 도 12에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 원뿔 홈형 다이아몬드 박막에서 가장 방향성이 향상된다는 사실을 알 수 있다.

한편, 상기 실험에 의해 형성된 최대 전기장의 세기를 측정하여 아래의 표 1에 나타내었다.

다이아몬드 박막의 형상	최대 전기장의 세기
평판형	5.0003×105
팁 형	5.8679×105
원통형 팁형	5.0423×105
원통형 홈형	5.0134×105
원뿔 홈형	6.8716×105

상기 표 1에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 원뿔 홈형 다이아몬드 박막의 최대 전기장의 세기가 가장 크다는 사실도 알 수 있다.

한편, 도 13에는 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 튜브 화산형 다이아몬드 박막의 인가 전압-전류 그래프가 도시되어 있다. 그리고, 도 14에는 비교예로서 평판형 다이아몬드 박막의 인가 전압-전류 그래프가 도시되어 있다.

상기 도 13에 나타난 전압 및 전류 레벨을 도 14에 나타난 것과 비교하면, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 튜브 화산형 필드 에미터용 다이아몬드 박막에서 낮은 인가 전압과 높은 전류 밀도가 형성되어 필드 에미션 특성이 더 좋다는 사실을 알 수 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법에 의하면, 기판에 형성된 홈의 크기에 따라 다이아몬드 박막의 패턴을 용이하게 형성할 수 있으며, 특히 기판으로서 다이아몬드와의 열팽창 계수 차가 큰 몰리브데늄을 사용하므로서, 간단하게 프리스탠딩 다이아몬드 박막을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 형성된 원뿔 홈형 및 튜브 화산형 다이아몬드 박막은 그 필드 에미션 특성이 향상되므로 고품질의 전계방출 표시소자를 제조할 수 있다.

Claims (6)

1. 홈이 파인 기판 위에 마이크로웨이브 PECVD법을 사용하여 다이아몬드를 증착시키는 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법에 있어서,

   상기 홈의 크기를 300㎛ 내지 1000㎛으로 형성하여 상기 홈에 대응되는 부분에 원뿔 홈이 형성된 원뿔 홈형의 다이아몬드 박막이 증착되도록 하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 홈의 크기를 10㎛ 내지 300㎛으로 형성하여 상기 기판과 접촉되는 원뿔 홈 주위에 돌출부가 형성된 튜브 화산형의 다이아몬드 박막이 증착되도록 하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 기판의 재료는 몰리브데늄(Mo)인 것을 특징으로 하는 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 기판에 형성된 홈의 깊이는 1㎛ 이상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 기판의 상기 다이아몬드가 증착될 면을 연마하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 연마하는 단계는 1㎛ 크기의 다이아몬드 가루를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 필드 에미터용 다이아몬드 박막의 제조 방법.