KR20010084385A

KR20010084385A - 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자 제작방법

Info

Publication number: KR20010084385A
Application number: KR1020000009395A
Authority: KR
Inventors: 한인택
Original assignee: 김순택; 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-09-06
Also published as: KR100486701B1

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브의 성장을 위한 터널을 생성하기 위한 광학 또는 전자기학적인 식각 방법이 배제된 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자 제작방법에 관해 개시한다.

본 발명의 제작방법은: 기판에 종자층을 형성하는 단계와; 상기 종자층에 비정질 실리콘층을 형성하는 단계와; 상기 비정질 실리콘층에 미소 핀홀이 형성된 마스크층을 형성하는 단계와; 상기 마스크층의 미소 핀홀을 통해 상기 비정질 실리콘층을 선택적으로 식각하여, 상기 비정질 실리콘층에 성장홀을 형성하는 단계와; 상기 성장홀을 통해 상기 종자층 위에 탄소나노튜브를 형성하는 단계를; 포함한다.

따라서, 본 발명은 탄소나노튜브를 전자방출원으로 사용하는 전계방출표시소자(FED)를 제작함에 있어, 전술한 바와 같이, 별도의 광학 또는 전자기학적인 식각 방법을 이용하지 않고 탄소나노튜브를 형성할 수 있기 때문에, 저렴한 비용으로 단축된 공정을 통해 전계방출표시소자를 제작할 수 있다.

Description

탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자 제작방법{Manufacturing method of electron emission device with carbon nanotube}

본 발명은 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자 제작방법에 관한 것으로서, 탄소나노튜브의 성장을 위한 터널을 생성하기 위한 광학 또는 전자기학적인 식각 방법이 배제된 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자 제작방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브의 수직 정렬을 위한 종래의 방법에는 템플레이트(template)에 서브마이크론홀(Sub-micron hole)을 형성하여 탄소나노튜브를 키우는 방법이 있다. 여기서 템플레이트라 함은 유리 기판이 아닌 알루미늄이나 실리콘 기판을 의미하는 것으로 알루미늄의 아노다이징(anodizing) 을 통해 규칙적인 구멍을 형성하는 방법이나, 아예 다공성 실리콘을 이용하는 방법을 사용하였다. 그러나 다공성 실리콘은 물리적인 안정성이 나쁘고(부서지기 쉬움), 다공성 알루미나는 유리기판과의 결합(hybrid)이 어려운 문제가 있다. 이에 물리적으로 안정적이며, 유리기판에 직접 적용할 수 있는 방법이 필요하다.

또한 DC PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법을 이용하여 템플레이트가 없이 직접 탄소나노튜브를 배향 성장시키는 방법이 발표되었으나 이 때 탄소나노튜브의 밀도를 조절하기 위한 방법으로는 0.1um 미만의 리소그래피(lithography) 공정을 이용해야만 하기 때문에 시간과 비용이 매우 많이 필요하게 된다.

본 발명의 제1의 목적은 탄소나노튜브를 단축된 공정을 통해 용이하게 형성할 수 있는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자 제작방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2의 목적은 저렴한 제작비로 탄소나노튜브를 형성할 수 있는탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자 제작방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 전자방출소자 제작방법의 실시예에 있어서, 기판에 성장층을 형성한 상태를 보이며,

도 2은 본 발명의 전자방출소자 제작방법의 실시예에 있어서, 성장층 위에 비정질 실리콘층을 형성한 상태를 보이며,

도 3은 본 발명의 전자방출소자 제작방법의 실시예에 있어서, 비정질 실리콘층에 핀홀이 형성된 마스크층을 형성한 상태를 보이며,

도 4는 본 발명의 전자방출소자 제작방법의 실시예에 있어서, 마스크층의 핀홀을 통해 비정질 실리콘층에 나노튜브 성장홀을 형성한 상태를 보이며,

도 5는 본 발명의 전자방출소자 제작방법의 실시예에 있어서, 나노튜브 성장홀을 통해 탄소나노튜브를 성장시킨 상태를 보이며,

도 6은 본 발명의 전자방출소자 제작방법의 실시예에 의해 형성된 비정질실리콘의 성장홀을 광학 현미경으로 촬영한 사진다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

기판에 종자층을 형성하는 단계와;

상기 종자층에 비정질 실리콘층을 형성하는 단계와;

상기 비정질 실리콘층에 미소 핀홀이 형성된 마스크층을 형성하는 단계와;

상기 마스크층의 미소 핀홀을 통해 상기 비정질 실리콘층을 선택적으로 식각하여, 상기 비정질 실리콘층에 성장홀을 형성하는 단계와;

상기 성장홀을 통해 상기 종자층 위에 탄소나노튜브를 형성하는 단계를; 포함하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자 제작방법이 제공된다.

본 발명의 제작방법에 있어서, 상기 종자층은 탄소나노튜브의 증착을 돕는 것으로서, Ni, Co, Fe, Cu 으로 이루어 지는 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 적어도 둘 이상의 혼합물등의 촉매 금속에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

상기 종자층(Seed Layer)은 물리적 기상 증착(Phisical Vapor Deposition, PVD) 방법으로서, 스퍼터링 법(sputtering method), 이온플레이팅(ion plating), 진공증착(vacuum deposition) 중 어느 하나에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

상기 기판은 유리 또는 실리콘 웨이퍼을 적용하는 것이 바람직하다.

상기 비정질 실리콘(amorphous silicon layer)층은 플라즈마 유도 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)에 의해 형성되는 것이 바람직하며, 그 두께는 1000Å 이하를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 마스크층은 상기 PVD법에 의해 형성되는 것이 바람직하며, 그 재료는 Cr, Al, Au, Ag, Ti, Mo 중의 어는 하나 또는 이들로 부터 선택된 적어도 두개의 혼합물을 적용하는 것이 바람직하며, 그 두께는 50Å이하를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 비정질 실리콘에 대한 성장홀의 형성은 CF₄를 이용한 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE)법에 의해 형성하는 것이 바람직하며, 상기 탄소나노튜브는 CVD(Chemecal Vapor Deposition)법에 의해 형성되며, 상기 종자층의 표면으로부터 상기 마스크층의 상방으로 소정높이 연장시키는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자 제작방법의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 기판(1) 위에 종자층(2)를 소정 두께로 형성한다.

상기 종자층(2)은 탄소나노튜브의 증착을 돕는 것으로서, Ni, Co, Fe, Cu 으로 이루어 지는 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 적어도 둘 이상의 혼합물등의 촉매 금속에 의해 일정한 두께로 형성된다. 상기 종자층(2)은 형성은 물리적 기상 증착방법 즉, PVD 방법, 예를 들어 스퍼터링 법, 이온플레이팅, 진공증착 등에 의해 형성될 수 있다. 그리고, 상기 기판(1)은 유리 또는 실리콘 웨이퍼등이 적용될 수 있다. 또한, 상기 종자층(2)은 두께의 조절을 위하여 연마될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 비정질 실리콘층(3)을 상기 종자층(2) 위에 형성한다. 비정질 실리콘층(3)은 플라즈마 유도 화학 기상 증착 등에 의해 형성된다. 이때에, 비정질 실리콘층(3)의 두께는 1000Å 이하를 유지하는 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 비정질 실리콘층(3) 위에 마스크층(4)을 형성한다. 상기 마스크층(3)은 전술한 PVD법에 의해 형성될 수 있으며, 역시 두께 조절을 위하여 연마될 수 있다. 이때에 사용되는 물질로서는 CF₄플라즈마에 대해 안정적이며, 탄소나노튜브에 대해 친화력이 없거나 약하여 탄소나노튜브가 형성되지 않는 Cr, Al, Au, Ag, Ti, Mo 중의 어는 하나 또는 이들로 부터 선택된 적어도 두개의 혼합물이 적용될 수 있다.

이때에, 마스크층(4)두께는 증착 후, 자체에 서브 미크론 단위의 핀홀(pin hole, 4a))이 존재할 수 있는 정도로 조절되어야 하며, 바람직하기로는 50Å이하를 유지하는 것이 바람직하다. 도 3에서는 상기 핀홀(4a)이 이해를 돕기 위하여 과장되게 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, CF₄반응성 이온 에칭법에 의해 상기 마스크층(4)의 핀홀(4a)을 통해 상기 비정질 실리콘층(3)을 선택적으로 식각하여 상기 마스크층(4)의 핀홀(4a)에 대응하는 탄소나노튜브를 형성하기 위한 터널(tunnel)로서의 성장홀(3a)를 형성하여 성장홀(3a)의 바닥에 상기 종자층(2)의 표면이 노출되게 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, CVD법에 의해 상기 종자층(2)의 표면으로부터 탄소나노튜브(5)를 성장시켜, 상기 마스크층(4)의 상방으로 소정높이 연장시킨다.

이상과 같은 본 발명의 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자 제작방법에 있어서, 상기 마스크층(4)의 두께를 적절히 조절하면 마스크층(4)에는 자연적인핀홀(4a)이 형성되게 되는데, 두께가 얇을 수록 핀홀(4a)의 직경 및 밀도가 높아 지고, 그리고 두께가 일정한도 이상으로 두꺼워지면, 핀홀이 생성되지 않는다. 따라서, 마스크층(4)의 핀홀(4a)의 크기와 개수 밀도는 금속 박막의 종류 및 증착 방법, 그리고 그 두께에 의해 결정된다. 상기 마스크층(4)의 재료는 비정질 실리콘의 식각에 사용될 가스, 예를 들어 CF₄플라즈마 가스에 대해 물리/화학적으로 안정적인 금속들이 적용되며, 반응가스가 CF₄인 경우, Cr, Al, Au, Ag, Ti, Mo를 포함하는 대부분의 금속이 포함된다.

상기와 같은 본 발명의 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자 제작방법의 각 단계에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같은 비정질 실리콘(3)에 대한 성장홀(3a)의 형성단계 이 후, 식각된 비정질 실리콘(3)에 실제 성장홀(3a)이 형성되었는지를 확인하기 위해 비정질 실리콘층(3)의 하부, 즉 기판(1)의 저면 쪽에서 빛을 입사시킨 후 마스크층(4)의 상방에서 상기 성장홀(3a)을 통과하는 빛을 관찰하였다. 그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 빛이 작은 구멍을 통해 새어나오는 것을 확인할 수 있었으며, 이것은 비정질 실리콘층(3)이 상기 마스크층(4)에 존재하는 핀홀(4a)을 통해 선택적으로 식각되어 성장홀(3a)이 형성되어 있음을 반증한다. 실제 성장홀(3a)의 크기는 빛이 퍼지는 것을 고려할 때 1um 미만의 직경을 가지고 있었음을 확인할 수 있었다.

이러한 본 발명의 본 발명의 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자 제작방법은 별도의 리소그래피 공정 없이 자연적으로 발생하는 서브 마이크론 단위의 핀홀에 의해 비정질 실리콘에 탄소나노튜브 성장을 위한 터널로서의 성장홀을 얻을 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 탄소나노튜브를 전자방출원으로 사용하는 전계방출표시소자(FED)를 제작함에 있어, 전술한 바와 같이, 별도의 광학 또는 전자기학적인 식각 방법을 이용하지 않고 탄소나노튜브를 형성할 수 있기 때문에, 저렴한 비용으로 단축된 공정을 통해 전계방출표시소자를 제작할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims

기판에 종자층을 형성하는 단계와;

상기 종자층에 비정질 실리콘층을 형성하는 단계와;

상기 비정질 실리콘층에 미소 핀홀이 형성된 마스크층을 형성하는 단계와;

상기 마스크층의 미소 핀홀을 통해 상기 비정질 실리콘층을 선택적으로 식각하여, 상기 비정질 실리콘층에 성장홀을 형성하는 단계와;

상기 성장홀을 통해 상기 종자층 위에 탄소나노튜브를 형성하는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제1항에 있어서,

상기 종자층은 Ni, Co, Fe, Cu 으로 이루어 지는 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 적어도 둘 이상의 혼합물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 종자층은 스퍼터링 법(sputtering method), 이온플레이팅(ion plating), 진공증착(vacuum deposition) 중 어느 하나에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 기판은 유리 또는 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 비정질 실리콘층은 플라즈마 유도 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제3항에 있어서,

상기 비정질 실리콘층은 플라즈마 유도 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제4항에 있어서,

상기 비정질 실리콘층은 플라즈마 유도 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비정질 실리콘층의 두께는 1000Å 이하인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 비정질 실리콘층의 두께는 1000Å 이하인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 마스크층은 Cr, Al, Au, Ag, Ti, Mo 중의 어는 하나 또는 이들로 부터 선택된 적어도 두개의 혼합물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를적용한 전자방출소자의 제작방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 마스크층은 Cr, Al, Au, Ag, Ti, Mo 중의 어는 하나 또는 이들로 부터 선택된 적어도 두개의 혼합물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제3항에 있어서,

상기 마스크층은 Cr, Al, Au, Ag, Ti, Mo 중의 어는 하나 또는 이들로 부터 선택된 적어도 두개의 혼합물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제4항에 있어서,

상기 마스크층은 Cr, Al, Au, Ag, Ti, Mo 중의 어는 하나 또는 이들로 부터 선택된 적어도 두개의 혼합물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제5항에 있어서,

상기 마스크층은 Cr, Al, Au, Ag, Ti, Mo 중의 어는 하나 또는 이들로 부터 선택된 적어도 두개의 혼합물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를적용한 전자방출소자의 제작방법.
제8항에 있어서,

상기 마스크층은 Cr, Al, Au, Ag, Ti, Mo 중의 어는 하나 또는 이들로 부터 선택된 적어도 두개의 혼합물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제9항에 있어서,

상기 마스크층은 Cr, Al, Au, Ag, Ti, Mo 중의 어는 하나 또는 이들로 부터 선택된 적어도 두개의 혼합물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제10항에 있어서,

상기 마스크층의 두께는 100Å이하인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제11항에 있어서,

상기 마스크층의 두께는 100Å이하인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.
제1항, 제2항, 제6항, 제7항, 제12항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 마스크층의 두께는 100Å이하인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 적용한 전자방출소자의 제작방법.