KR20050093796A - 통 형상 탄소 분자의 제조 방법 및 통 형상 탄소 분자,기록 장치의 제조 방법 및 기록 장치, 전계 전자방출소자의 제조 방법 및 전계 전자 방출소자와,표시장치의 제조 방법 및 표시장치 - Google Patents

통 형상 탄소 분자의 제조 방법 및 통 형상 탄소 분자,기록 장치의 제조 방법 및 기록 장치, 전계 전자방출소자의 제조 방법 및 전계 전자 방출소자와,표시장치의 제조 방법 및 표시장치 Download PDF

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류이치로 마루야마
마사시 시라이시
후진 황
코지 카도노
시게아키 와치
마사푸미 아타
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Abstract

카본 나노튜브를 더욱 미세한 간격으로 규칙 바르게 배열시킬 수 있는 통 형상 탄소 분자의 제조방법을 제공한다. 실리콘(Si) 등의 반도체로 이루어지고, 촉매로서 철(Fe)을 포함하는 소재 기판(10)에 대해, 변조된 열 분포(11)에 따른 용융을 이용하여 촉매를 배치한다. 열 분포(11)는, 예를 들면, 에너지 빔(12)을 회절격자(13)에 의해 회절시킴으로써 형성한다. 촉매의 배치 방법으로서는 예를 들면, 열 분포(11)에 따른 위치에 평면형 또는 돌기 모양으로 철을 석출시켜도 좋고, 더구나 이것을 원반으로서 다른 기판에 전사해도 좋다. 배치된 촉매를 이용해서 카본 나노튜브를 성장시킨다. 성장한 카본 나노튜브는, 기록 장치, 전계 전자 방출소자 또는 FED 등으로서 사용할 수 있다.

Description

통 형상 탄소 분자의 제조 방법 및 통 형상 탄소 분자, 기록 장치의 제조 방법 및 기록 장치, 전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 전계 전자 방출소자와, 표시장치의 제조 방법 및 표시장치{PRODUCTION METHOD FOR TUBULAR CARBON MOLECULE AND TUBULAR CARBON MOLECULE, PRODUCTION METHOD FOR RECORDING DEVICE AND RECORDING DEVICE, PRODUCTION METHOD FOR FIELD ELECTRON EMISSION ELEMENT AND FIELD ELECTRON EMISSION ELEMENT, AND PRODUCTION METHOD FOR DISPLAY UNIT AND DISPLAY UNIT}
본 발명은, 카본 나노튜브 등의 통 형상 탄소 분자를 미세한 패턴으로 배열 형성가능한 통 형상 탄소 분자의 제조 방법 및 그 방법에 의해 얻을 수 있는 통 형상 탄소 분자에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 이 통 형상 탄소 분자를 사용한 기록 장치의 제조 방법 및 기록 장치, 이 통 형상 탄소 분자를 사용한 음극을 가지는 전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 그 방법에 의해 얻을 수 있는 전계 전자 방출소자, 및 이 전계 전자 방출소자를 사용한 표시장치의 제조 방법 및 표시장치에 관한 것이다.
최근의 나노테크놀로지의 진보는 현저하며, 그중에서도 카본 나노튜브 등의 분자 구조체는, 열전도성, 전기전도성, 기계적 강도 등에서 뛰어난 특성을 가지는 안정한 재료이기 때문에, 트랜지스터, 메모리, 전계 전자 방출소자 등 폭넓은 용도에의 응용이 기대되고 있다.
예를 들면, 카본 나노튜브의 용도의 1가지로서, 냉음극 전계 전자 방출(이하, 「전계 전자 방출」이라고 한다)을 실현하는데에 적합한 것이 알려져 있다(예를 들면, 사이토, 표면화학, 1998년, 제19권, 제10호, p.680-686 참조). 전계 전자 방출이란, 진공중에 놓인 금속 또는 반도체에 소정의 임계값 이상의 크기의 전계를 주면, 금속 또는 반도체의 표면 근방의 에너지 장벽을 전자가 양자 터널효과에 의해 통과하여, 상온에서도 진공중으로 전자가 방출되게 되는 현상이다.
전계 전자 방출의 원리를 화상표시에 응용한 FED(Field Emission DisplaY)는, 고휘도, 저소비 전력, 박형 등의 특징을 가져, 종래의 음극 선관(Cathode RaY Tube; CRT)를 대신하는 표시장치로서 개발이 진척되고 있다(예를 들면, 일본 특허공개 2002-203473호 공보 또는 특허공개 2000-67736호 공보 참조). FED는, 전자를 방출하는 음극이 형성된 캐소드 패널과, 방출된 전자의 충돌에 의해 여기되어서 발광하는 형광체층이 도포된 양극이 형성된 애노드 패널을 대향배치해서 일체화하고, 내부를 고진공 상태로 한 것이 일반적인 구성이다. 단, 이 구성에서는, 캐소드 패널과 애노드 패널의 거리를 접근해서 설치하는 것이 곤란해서, 캐소드 패널과 애노드 패널 사이에 높은 전압을 인가할 필요가 있다. 그 때문에 캐소드 패널과 애노드 패널과의 사이에 다시 인출 전극(게이트 전극)을 설치함으로써, 음극과 인출 전극과의 거리를 접근시켜, 양쪽 전극 사이에 낮은 전압을 인가해서 전계 전자 방출을 생기게 하도록 하고 있다.
도 75도는, 이러한 종래의 FED의 일 구성예를 나타내는 단면도이다. 또한, 이 예에 있어서는, 음극의 구조의 종류로서, 그 형상이 원뿔 형상인 스핀트(Spindt: 인명)형으로 불리는 구조의 것을 나타내고 있다(예를 들면, C·A·스핀트(C.A.Spindt), 외 3명, 저널·오브·어플라이드 피직스(Journal of Applied PhYsics), (미국), 1976년, 제47권, p5248-5263 및 특허공개 2002-203473호 공보 참조).
이 FED는, 캐소드 패널(1100)과, 이 캐소드 패널(1100)에 대향배치된 애노드 패널(1200)을 구비하고 있다. 캐소드 패널(1100)은, 캐소드 전극(1110)이 형성된 기판(1120)과, 절연막(1130)을 거쳐서 캐소드 전극(1110)에 대향배치된 인출 전극(1140)을 가지고 있다. 캐소드 전극(1110) 및 인출 전극(1140)은, 각각 복수개씩 형성되고 있고, 각 인출 전극(1140)은, 캐소드 전극(1110)에 직교하는 것 같이 대향배치되어 있다. 기판(1120) 위에 있어서, 인출 전극(1140)에 대향하는 측의 캐소드 전극(1110)의 표면에는, 복수의 음극(1150)이 배치되어 있다.
각 인출 전극(1140)에는, 음극(1150)으로부터 방출된 전자 e-가 통과가능한 크기의 개구부(1160)가, 각 음극(1150)에 대응해서 복수 설치되어 있다. 또한, 각 인출 전극(1140)에는, 각 인출 전극(1140)에 순환적으로 주사 전압을 인가하는 도면에 나타나 있지 않은 스캔 드라이버가 전기적으로 접속되어 있다. 한편, 각 캐소드 전극(1110)에는, 화상신호에 따라 각 캐소드 전극(1110)에 선택적으로 전압을 인가하는 도면에 나타나 있지 않은 데이터 드라이버가 전기적으로 접속되어 있다.
각 음극(1150)은, 인출 전극(1140)과 캐소드 전극(1110)이 교차하는 위치에 대응해서 매트릭스 모양으로 배치됨과 동시에, 저면이 대응하는 캐소드 전극(1110)에 전기적으로 접속되어 있다. 음극(1150)은, 소정의 전계를 선택적으로 줌으로써, 터널효과에 의해 선단부로부터 전자 방출이 생기도록 되고 있다. 또한, 보통, FED에서는, 소정수(예를 들면, 1000개)의 음극(1150)의 모임이 1화소에 대응하고 있다.
애노드 패널(1200)은, 유리 재료 등으로 구성되는 광학적으로 투명한 투명기판(1210)과, 이 투명기판(1210)의 캐소드 패널(1100)에 대향하는 면 측에 배치된 애노드 전극(1220)을 구비하고 있다. 애노드 전극(1220)은, 캐소드 전극(1110)에 대응해서 복수개 형성되어 있다. 또한, 애노드 전극(1220)의 투명기판(1210)측의 표면에는, 전자 e-의 입사에 따라 발광하는 형광체가 도포됨으로써, 형광체막(1230)이 형성되어 있다. 또한, 애노드 전극(1220)을 ITO(Indium-Tin Oxide) 등의 투명 도전성 재료에 의해 구성하고, 형광체막(1230)을 애노드 전극(1220)의 캐소드 패널(1100)측의 표면에 형성하는 것도 가능하다.
이러한 구성의 FED에 있어서는, 인출 전극(1140)과 캐소드 전극(1110) 사이에 선택적으로 전압을 인가하면, 그 교점에 위치하는 음극(1150)에 있어서 전계 전자 방출이 발생하여, 전자 e-가 애노드 전극(1220)을 향해서 방출된다. 음극(1150)으로부터 방출된 전자 e-은, 애노드 전극(1220)에 설치된 도면에 나타나 있지 않은 미세한 구멍을 통과해서 형광체막(1230)에 충돌하여, 형광체를 발광시킨다 .이 형광체의 발광에 의해, 원하는 화상표시가 행해진다.
그런데, FED에 있어서는, 더욱 낮은 전압에서 전계 전자 방출을 생기게 하기 위해서, 음극의 선단을 미세하고 날카로우며 뾰족해지게 해서 국소적으로 전기장 강도를 강하게 하는 여러가지의 시도가 행해지고 있어, 카본 나노튜브는 그러한 시도에 있어서 활발히 이용되고 있다(예를 들면, 사이토, 표면화학, 1998년, 제19권, 제10호, p.680-686 참조). 예를 들면, 열 CVD(Chemical Vapor Deposition; 화학기상성장)법에 의해 실리콘(Si)칩의 선단에 단층 카본 나노튜브를 성장시킨 것을 음극으로서 사용한 FED가 제안되어 있다(예를 들면, 제49회 응용 물리학 관계 연합 강연회, 강연 예고집, 29p-K-7 참조). 또한, 종래의 방법에 의해 실리콘 에미터를 형성한 뒤, 카본 나노튜브를 형성하기 위한 금속 촉매로 이루어진 막을 형성하고, 그리드 전극 상의 촉매의 막을 에치백법으로 제거하여, 에미터의 선단부에만 열 CVD법으로 카본 나노튜브를 성장시킨 보고가 있다(일간공업신문, 평성 14년 4월 11일자 기사, 「CNT의 필드 에미터 4볼트 저전압에서 전자방출」 참조).
이러한 응용 분야에 있어서는, 카본 나노튜브는, 단독이 아니라, 복수의 카본 나노튜브를 포함하는 카본 나노튜브 구조체로서 이용된다. 카본 나노튜브 구조체의 제조 방법으로서는, 포토리소그래피 혹은 CVD(Chemical Vapor Deposition; 화학기상성장) 등의 종래의 반도체기술이 사용되고 있다. 또한, 카본 나노튜브에 이물질을 내포시키는 기술에 관해서도 개시되어 있다(예를 들면, 아타마코토후미(M. Ata), 외 3명, 저패니즈·저널·오브·어플라이드·피직스(Jpn.J.Appl.PbYs.), 1995년, 제34권, p4207-4212 내지 아타마코토후미(M. Ata), 외 2명, 어드밴스드 매터리얼즈(Advanced Materials), (독일), 1995년, 제7권, p286-289) 참조).
또한, 본 발명에 관련된 다른 기술로서, 자기기록소자 및 자기기록장치가 있다. 이것들의 원리는, 자기재료에 착자하여, 그것의 보자력에 의해 착자 방향을 1 혹은 0, 또는 착자에 있어서의 자화의 정도를 기록하는 신호의 아날로그량에 대응시키는 것이다. 여기에서, 착자는 기록면에 수평방향의 면내 착자와, 기록면에 수직한 수직 착자의 모두가 실용적으로 이바지하고 있다. 최근에는, 기록밀도의 더욱 향상이 요구되고 있지만, 종래에는, 착자의 길이를 보다 작게 하는 것에 의해 대응해 왔다. 이러한 자기기록기술에 있어서 카본 나노튜브를 응용하는 시도는, 본 발명자가 알고 있는 바로는 개시되지 않고 있다.
카본 나노튜브 구조체를 사용한 FED 등을 실현하기 위해서는, 천이금속 등으로 이루어지는 촉매의 미세한 패턴을 형성하고, 그것을 이용하여 카본 나노튜브를 미세한 간격으로 규칙 바르게 정렬시키는 기술이 필수로 된다. 그러나, 종래에는, 어느 정도의 양산성을 달성할 수 있는 기술로서는 포토리소그래피 밖에 없었다.
포토리소그래피는, 본질적으로 이차원 구조의 형성에 알맞은 기술이며, 카본 나노튜브 구조체와 같은 삼차원 구조를 형성하기 위해서는 맞지 않다.
또한, 포토리소그래피에 의해 금속 촉매의 미세한 패턴을 형성하기 위해서는, 에너지 빔의 파장을 짧게 할 수 밖에 방법이 없어, 현재의 기술에서는 더 이상의 단파장화는 곤란하다. 그 때문에, 포토리소그래피에 의해 천이금속 등의 패턴을 형성할 경우에는, 천이금속 패턴의 치수 및 그것의 간격은, 에너지 빔의 파장으로 정해지고, 현재의 기술에서는 0.05㎛(50nm) 이하로 할 수 없고, 또한, 패턴의 간격(피치)은 100nm 이하로 할 수 없다. 즉, 종래의 방법에서는, 금속촉매 등의 보다 미세한 패턴을 형성하기 위해서는 한계가 있다고 하는 문제가 있었다.
또한, 종래의 카본 나노튜브를 사용한 음극에서는 다수의 카본 나노튜브가 접근해서 배치되어 있으므로, 각 카본 나노튜브의 표면에 있어서의 전기장 강도가 현저하게 저하해버린다고 하는 문제가 있었다. 그 때문에, 카본 나노튜브의 표면의 전기장 강도를 높게 하려면 캐소드 전극과 인출 전극 또는 애노드 전극과의 사이에 높은 전압을 인가할 필요가 있어, 저전압화가 곤란했다.
덧붙여, 종래에는, 음극을 구성하는 다수의 카본 나노튜브의 형상 및 성장 방향이 불균일하므로, 방출되는 전자의 양이 불균일하게 되어, 휘도의 격차가 생긴다고 하는 문제가 있었다.
발명의 개시
본 발명은 이러한 문제점에 감안하여 이루어진 것으로서, 그 제1의 목적은, 통 형상 탄소 분자를 보다 미세한 간격으로 규칙 바르게 배열시킬 수 있는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제2의 목적은, 보다 미세한 간격으로규칙 바르게 배열되어, FED , 기록 장치 등의 제조에 적합한 통 형상 탄소 분자를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제3의 목적은, 보다 미세한 간격으로 규칙 바르게 배열된 통 형상 탄소 분자를 이용하여 기록밀도를 더욱 향상시킬 수 있는 기록 장치의 제조 방법 및 기록 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제4의 목적은, 통 형상 탄소 분자를 보다 미세한 간격으로 규칙 바르게 배열시킨 음극을 가지는 전계 전자 방출소자를 양산 가능하게 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 그것에 의해 얻어진 전계 전자 방출소자를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제5의 목적은, 통 형상 탄소 분자가 보다 미세한 간격으로 규칙 바르게 배열된 음극을 가지는 전계 전자 방출소자를 이용하여, 보다 고정밀한 화상을 선명하게 표시가능한 화인 피치의 표시장치를 양산 가능하게 하는 표시장치의 제조 방법 및 그것에 의해 얻어진 표시장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 통 형상 탄소 분자의 제조 방법은, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 배치하는 촉매배치 공정과, 통 형상 탄소 분자를 성장시키는 성장 공정을 포함하는 것이다.
본 발명에 의한 통 형상 탄소 분자는, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 배치하고, 통 형상 탄소 분자를 성장시킴으로써 형성된 것이다.
본 발명에 의한 기록 장치의 제조 방법은, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 배치하는 촉매 배치공정과, 통 형상 탄소 분자를 성장시키는 성장 공정과, 통 형상 탄소 분자의 선단을 소정의 평면 내에 형성하는 동시에 선단을 개방단으로 하는 높이 균일화공정과, 개방단으로부터 통 형상 탄소 분자의 선단부에 자기재료를 삽입하는 삽입 공정을 포함하는 것이다.
본 발명에 의한 전계 전자 방출소자의 제조 방법은, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 기판에 배치하는 촉매 배치공정과, 통 형상 탄소 분자를 성장시켜서 음극을 형성하는 음극 형성공정을 포함하는 것이다.
본 발명에 의한 전계 전자 방출소자는, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매기능을 가지는 금속을 기판에 배치하고, 그 촉매 기능을 가지는 금속을 이용해서 성장시켜진 통 형상 탄소 분자를 가지는 음극을 구비한 것이다.
본 발명에 의한 표시장치의 제조 방법은, 전계 전자 방출소자와, 이 전계 전자 방출소자로부터 방출된 전자의 충돌에 따라 발광하는 발광부를 구비한 표시장치를 제조하는 것으로서, 전계 전자 방출소자를 형성하는 공정은, 변조된 열 분포에 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 기판에 배치하는 촉매 배치공정과, 통 형상 탄소 분자를 성장시켜서 음극을 형성하는 음극 형성공정을 포함하는 것이다.
본 발명에 의한 표시장치는, 전계 전자 방출소자와, 이 전계 전자 방출소자로부터 방출된 전자의 충돌에 따라 발광하는 발광부를 구비한 것으로서, 전계 전자 방출소자는, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 기판에 배치하고, 그 촉매 기능을 가지는 금속을 이용해서 성장시켜진 통 형상 탄소 분자를 가지는 음극을 구비한 것이다.
본 발명에 의한 통 형상 탄소 분자의 제조 방법 및 본 발명에 의한 통 형상 탄소 분자에서는, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자를 형성하기 위한 촉매 기능을 가지는 금속으로 이루어진 패턴이 형성된다. 그후, 형성된 패턴을 이용하여 통 형상 탄소 분자가 형성된다.
본 발명에 의한 기록 장치의 제조 방법에서는, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자를 형성하기 위한 촉매 기능을 가지는 금속이 원하는 패턴으로 배치된다. 그후, 이 촉매 기능을 가지는 금속을 이용해서 통 형상 탄소 분자가 성장하고, 또한, 통 형상 탄소 분자의 선단이 소정의 평면에 형성됨과 동시에 선단이 개방단이 된다. 다음에, 개방단으로부터 통 형상 탄소 분자의 선단부에 자기재료가 삽입되어 자성층이 된다.
본 발명에 의한 기록 장치에서는, 각각의 통 형상 탄소 분자에 삽입된 자성층은, 인접하는 다른 통 형상 탄소 분자 내의 자성층으로부터 격리되므로, 각각의 통 형상 탄소 분자 내의 자성층에 대한 정보의 기록 또는 판독이 확실하게 행해진다.
본 발명에 의한 전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 전계 전자 방출소자, 및 표시장치의 제조 방법 및 표시장치에서는, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속이 기판에 배치된다. 그후, 통 형상 탄소 분자가 성장해서 음극이 형성된다.
도 1는, 본 발명의 제 1 실시예에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 용융 공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1에 계속되는 공정(석출 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은, 도 2에 계속되는 공정(성장 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는, 본 발명의 제 2 실시예에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 높이 균일화공정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는, 본 발명의 제 4 실시예에 관련되는 기록 장치의 제조 방법에 있어서의 삽입 공정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 기록 장치에 있어서의 기록 상태의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 변형예 1에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 용융 공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은, 도 7에 나타낸 소재 기판의 표면에 형성되어 있는 열 분포의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 9는, 도 7에 나타낸 열 분포의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 10은, 도 7에 계속되는 공정(석출 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 11은, 도 10에 나타낸 소재 기판의 표면의 일부를 확대해서 나타내는 평면도이다.
도 12는, 도 10에 계속되는 공정(성장 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 13은, 도 9에 나타낸 열 분포를 형성한 뒤에 석출 공정을 행한 경우에 있어서의 소재 기판의 표면의 일부를 확대해서 나타내는 평면도이다.
도 14는, 본 발명의 변형예 2에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 석출 공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 15는, 도 14에 나타낸 석출 영역의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 16는, 도 14에 나타낸 석출 영역의 다른 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 17은, 도 14에 계속되는 공정(성장 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 18은, 본 발명의 변형예 3에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 석출 공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 19는, 도 18에 나타낸 소재 기판의 표면의 일부를 확대해서 나타내는 평면도이다.
도 20은, 도 18에 계속되는 공정(성장 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 21은, 본 발명의 변형예 4에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 돌기 형성 공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 22a 내지 도 22c는, 도 21에 계속되는 공정(전사 공정)을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 23은, 도22a 내지 도22c에 나타낸 전사패턴의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 24는, 도22a 내지 도22c에 나타낸 전사 패턴의 다른 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 25는, 도 22c에 계속되는 공정(성장 공정)을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 26은, 본 발명의 변형예 5에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 돌기 형성 공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 27는, 도26에 계속되는 공정(전사 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도28은, 도27에 계속되는 공정(성장 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도29는, 도28에 나타낸 카본 나노튜브 구조체의 현미경 사진이다.
도30은, 도29에 나타낸 흰 부분의 중앙 부근을 확대해서 나타내는 SEM 사진이다.
도31은, 도29에 나타낸 흰 부분과 검은 부분과의 경계 부근을 확대해서 나타내는 SEM 사진이다.
도32a 및 도32b는, 본 발명의 변형예 6에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 피막 형성 공정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도33a 및 도33b는, 도3b에 계속되는 공정(전사 공정)을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도34는, 도33b에 계속되는 공정(성장 공정)을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도35a 내지 도35c는, 본 발명의 변형예 7에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 전사 공정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 36Aa 내지 도 36c는, 본 발명의 변형예 8에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 촉매 배치공정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도37은, 도36c에 계속되는 공정(성장 공정)을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도38은, 본 발명의 변형예 9에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 돌기 형성 공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도39a 및 도39b는, 도38에 계속되는 공정(평탄화 공정)을 모식적으로 나타내는 일부절결 사시도이다.
도40은, 도39에 계속되는 공정(성장 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 41은, 본 발명의 변형예 10에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 원반을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도42a 및 도42b는, 도 41에 계속되는 공정(상면 전사공정)을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 43은, 도42b에 계속되는 공정(성장 공정)을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도44는, 본 발명의 변형예 11에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 있어서의 억제층 형성공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도45는, 도44에 계속되는 공정(성장 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도46은, 본 발명의 제 1 실시예에 관련되는 전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 FED의 제조 방법에 있어서의 음극 형성공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도47은, 도46에 계속되는 공정(분리 홈 형성공정)을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도48은, 도47에 계속되는 공정(분리 홈 형성공정)을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도49는, 도 48에 나타낸 음극을 가지는 전계 전자 방출소자를 사용한 FED의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도50은, 본 발명의 변형예 12에 관련되는 분리 홈 형성 공정을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도51은, 본 발명의 변형예 13에 관련되는 전계 전자 방출소자의 제조 방법에 있어서의 분리 홈 형성 공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도52는, 도51에 계속되는 공정(분리 홈 형성 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도53은, 도52에 계속되는 공정(음극 형성공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도54는, 본 발명의 변형예 14에 관련되는 분리 홈 형성 공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도55는, 본 발명의 변형예 15에 관련되는 전계 전자 방출 소자의 제조 방법 및 FED의 제조 방법에 있어서의 음극 형성공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도56은, 도55에 계속되는 공정(분리 홈 형성 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도57은, 도 56에 나타낸 음극을 가지는 전계 전자 방출소자를 사용한 FED의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도58은, 본 발명의 변형예 16에 관련되는 분리 홈 형성 공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도59a 및 도 59b는, 본 발명의 제6의 실시예에 관련되는 전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 FED의 제조 방법에 있어서의 음극 형성공정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도60은, 도59b에 계속되는 공정(음극 형성공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도61은, 도60에 계속되는 공정(분리 홈 형성 공정)을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도62는, 도61에 나타낸 음극을 가지는 전계 전자 방출소자를 사용한 FED의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도63a 및 도63b는, 본 발명의 변형예 17에 관련되는 음극 형성공정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도64는, 본 발명의 변형예 18에 관련되는 음극 형성공정을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도65a 및 도65b는, 도64에 계속되는 공정(음극 형성공정)을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도66a 및 도66b는, 본 발명의 변형예 19에 관련되는 음극 형성공정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도67a 및 도67b는, 본 발명의 변형예 20에 관련되는 촉매 배치공정에 있어서의 환원 석출 공정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도68a 및 도68b는, 본 발명의 제7의 실시예에 관련되는 전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 FED의 제조 방법에 있어서의 석출 공정 및 분리 홈 형성 공정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 69a 내지 도 69c는, 도68b에 계속되는 공정(인출 전극 형성공정)을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도70은, 도69c에 계속되는 공정(음극 형성공정)을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도71은, 도70에 나타낸 음극을 가지는 전계 전자 방출소자를 사용한 FED의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도72a 내지 도72c는, 본 발명의 변형예 21에 관련되는 촉매 배치공정에 있어서의 돌기 형성 공정, 분리 홈 형성 공정 및 억제층 형성공정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도73a 내지 도73c는, 도72c에 계속되는 공정(인출 전극 형성공정)을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도74는, 도73c에 계속되는 공정(음극 형성공정)을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도75는, 종래의 FED의 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서, 도면을 참조해서 상세하게 설명한다.
≪통 형상 탄소 분자의 제조 방법≫
[제 1 실시예]
우선, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예에 관련되는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법에 관하여 설명한다. 본 실시예의 방법은, 일방향으로 배향된 복수의 카본 나노튜브를 포함하는 카본 나노튜브 구조체를 형성하는 것이며, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 카본 나노튜브의 촉매 기능을 가지는 금속을 배치하는 「촉매 배치공정 」과, 촉매 기능을 가지는 금속을 이용해서 카본 나노튜브를 성장시키는 「성장 공정 」을 포함하는 것이다. 얻어진 카본 나노튜브구조체는, 예를 들면, FED의 음극(캐소드) 혹은 기록 장치로서 이용된다.
여기에서, 카본 나노튜브 구조체에는, 예를 들면, 복수의 카본 나노튜브를 미세한 패턴으로 배열형성한 것, 카본 나노튜브에 이물질을 내포시킨 것, 혹은 복수의 카본 나노튜브를 미세한 패턴으로 배열 형성하는 동시에 이물질을 내포시킨 것 등, 가지가지인 형태의 것이 포함된다. 본 실시예에서는, 복수의 카본 나노튜브를 미세한 패턴으로 배열 형성한 카본 나노튜브 구조체에 대해서 다룬다.
또한, 본 실시예에서는, 촉매 배치공정은, 소재 기판(10)의 표면에 변조된 열 분포(11)을 주고, 소재 기판(10)의 표면을 용융시키는 「용융 공정 」과, 소재 기판(10)의 표면을 방열시킴으로써, 열 분포(11)에 따른 위치에, 즉 원하는 패턴으로 제2의 물질을 석출시키는 「석출 공정 」을 포함하고 있다.
(용융 공정)
우선, 도 1을 참조해서 용융 공정을 설명한다. 여기에서, 소재 기판(10)은 제1의 물질에 의해 구성되고, 이 제1의 물질 중에 석출 재료로서 제2의 물질이 첨가된 것이다. 또, 제2의 물질은, 분리 계수가 양인 것, 즉, 제1의 물질중에 첨가됨으로써 제1의 물질의 융점을 저하시키는 것으로, 가열에 의해 용융된 뒤 냉각 과정에 있어서 응고할 때에 용융 영역에 남는 성질을 가지는 것이다. 본 실시예에서는, 제1의 물질로 이루어진 소재 기판(10)은 실리콘(Si)기판이며, 제2의 물질로서 금속촉매로서의 철(Fe)을 사용하는 것으로 한다.
소재 기판(10)은, 두께가 예를 들면, 40nm이며, 예를 들면, 실리콘에 의해 구성된 지지체(10A)에 의해 유지되어 있다. 또, 소재 기판(10)이 충분한 두께를 가지고 있을 경우에는, 지지체(10A)는 불필요하다.
제1의 물질로서는, 전술의 실리콘에 한정되지 않고, 그 밖의 반도체 재료, 예를 들면, 게르마늄(Ge) 등을 들 수 있지만, 기타, 금속재료이어도 좋고, 예를 들면, 탄탈(Ta), 텅스텐(W) 또는 백금(Pt)등의 고융점 금속이나, 그것들의 합금을 이용하여도 좋다.
제2의 물질은, 카본 나노튜브를 형성하기 위한 금속촉매로서는, 전술의 철(Fe) 이외에, 바나듐(Ⅴ), 망간(Mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 탄탈(Ta), 텅스텐(W) 또는 백금(Pt)을 들 수 있다. 또한, 이트륨(Y), 루테늄(Lu), 붕소(B), 구리(Cu), 리튬(Li), 실리콘(Sl), 크롬(Cr), 아연(Zn), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 란탄(La), 셀륨(Ce), 프라세오듐(Pr), 네오딤(Nd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(DY), 호르뮴(Ho) 또는 에르븀(Er)을 이용하여도 좋다. 또, 이상의 물질은 2종 이상 동시에 사용해도 좋고, 또한, 이들 물질의 2종 이상으로 이루어지는 화합물을 이용하여도 좋다. 또한, 금속 프탈로시아닌 화합물, 메타세론, 금속염을 사용하는 것도 가능하다. 또한, 산화물 혹은 실리사이드이여도 좋다.
덧붙여, 용도에 따라서는, 제2의 물질은, 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 탄탈(Ta), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 마그네슘(Mg), 붕소(B), 아연(Zn), 납(Pb), 칼슘(Ca), 란탄(La), 게르마늄(Ge) 등의 금속 및 반금속 등의 원소의, 질화물, 산화물, 탄화물, 불화물, 황화물, 질산화물, 질탄화물,또는 산탄화물 등으로 이루어지는 유전체 재료를 사용하는 것이 가능하다.
구체적으로는, AIN, Al203, Si3N4, Si02, MgO, Y203, MgAl204, TiO2, BaTiO3, SrTiO3, Ta205, SiC, ZnS, PbS, Ge-N, Ge-N-0, Si-N-0, CaF2, LaF, MgF2, NaF, TiF4 등이다. 또한, 이것들의 재료를 주성분으로 하는 재료나, 이것들의 재료의 혼합물, 예를 들면, AIN-Si02을 사용하는 것도 가능하다. 또한, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 가돌륨(Gd) 등의 자성체 재료를 사용할 수도 있다.
열 분포(11)는, 소재 기판(10)의 표면 온도가 에너지 빔(12)의 조사에 의해 공간적으로 변조되어서, 고온 영역(11H)와 저온 영역(11L)이 주기적으로 형성된 것이다. 에너지 빔(12)은, 파장 및 위상이 갖추어진 평행광이며, 본 실시예에서는, 고출력을 얻기 위해서, 예를 들면, XeCl 엑시머 레이저를 사용한다.
본 실시예에서는, 열 분포(11)는, 에너지 빔(12)을 회절격자(13)로 회절 시킴으로써 주어진다. 회절격자(13)는, 에너지 빔(12)을 회절시켜 에너지량을 공간적으로 변조하는 것이며, 예를 들면, 광학 유리판에, 직선상의 평행한 홈(13A)이 일정한 주기 간격 P로 일차원 방향으로 배열된 것이다. 본 실시예에서는, 예를 들면, 석영 재료로 이루어진 판에 직선 모양의 평행한 홈(13A)이 예를 들면, 1㎛의 주기 간격 P로 일차원 방향으로 배열되고, 에너지 빔(12)의 에너지량을, 홈(13A)이 배열되어 있는 방향을 따라서 일차원 방향으로 변조하도록 되어 있다. 또, 회절격자(13)는 반드시 홈 등의 요철을 형성한 것에 한정되지 않고, 예를 들면, 에너지 빔(12)의 투과 부분과 비투과 부분이 인쇄에 의해 형성된 것이라도 좋다.
이러한 회절격자(13)을 사용함으로써, 고온 영역(11H)은, 홈(13A)의 연장방향을 따른 직선 모양으로 형성됨과 동시에, 홈(13A)의 배열되어 있는 방향을 따라서 일차원 방향으로 배열된다. 열 분포(11)의 공간적 주기 T, 즉 고온 영역(11H)의 간격(피치)은, 회절격자(13)의 주기 간격 P 및 에너지 빔(12)의 파장 λ에 따라 정해진다. 파장 λ를 작게 할수록, 또는, 주기 간격 P을 미세하게 할수록 열 분포(11)의 공간적 주기 T를 미세화할 수 있다.
에너지 빔(12)의 에너지량은, 저온 영역(11L)에 있어서 소재 기판(10)의 표면이 용융하는 온도가 되도록 설정된다. 이것에 의해, 소재 기판(10)의 표면의 전체를 용융시킬 수 있다. 이때, 에너지 빔(12)으로서 엑시머 레이저를 사용하면, 펄스 발광의 조사 회수에 의해 에너지량의 제어를 행할 수 있다. 본 실시예에서는, 예를 들면, 에너지 빔(12)의 에너지량을 350mJ/㎠, 펄스 조사 회수를 10회라고 한다.
(석출 공정)
다음에 도 2를 참조해서 석출 공정을 설명한다. 즉, 용융 공정에 있어서 소재 기판(10)의 표면을 용융시킨 뒤, 에너지 빔(12)의 조사를 중지하면, 소재 기판(10)의 표면의 온도는 서서히 저하해서 응고하지만, 이때, 제2의 물질(Fe)은, 고온 영역(11H)으로 이동하고, 다시 고온 영역(11H)중에서 최후에 응고하는 부분이 석출한다. 이렇게 해서, 고온 영역(11H)에 대응하는 위치에 제2의 물질이 석출하여, 거의 평면형의 석출 영역(14)이 형성된다. 이상으로부터, 석출 영역(14)의 패턴을 가지는 기판(15)을 얻을 수 있다.
여기에서, 「평면형」이란, 그것의 기판(15)의 표면으로부터의 높이가, 표면의 거칠기 정도, 예를 들면, 1nm 미만이며 실질적으로 평탄한 경우를 말한다.
석출 영역(14)은, 고온 영역(11H)이 홈(13A)에 대응해서 일차원 방향으로 배열된 직선 모양이므로, 이것에 대응하여, 일차원 방향으로 배열된 직선 모양의 패턴으로서 형성된다. 석출 영역(14)의 폭(선폭) W, 즉 열 분포(11)의 변조 방향에 있어서의 석출 영역(14)의 치수는, 소재 기판(10)에 있어서의 제2의 물질(철)의 함유량에 의해 정해져, 제2의 물질의 함유량이 많을수록, 석출 영역(14)의 폭 W는 커진다. 석출 영역(14)의 폭 W는, 원리적으로는 제2의 물질의 원자의 크기보다 큰 임의의 값을 취할 수 있는 것이며, 소재 기판(10)에 있어서의 제2의 물질의 함유량을 제어함에 의해 종래의 포토리소그래피기술에서는 불가능했던 50nm 미만을 실현할 수 있다.
석출영역(14)의 폭 W의 구체적인 값은, 제2의 물질의 재료 및 석출 영역(14)의 용도에 의해 정해지지만, 예를 들면, 후술하는 도3에 도시한 바와 같이 석출 영역(14)에 석출된 철을 촉매로 하여, 복수의 카본 나노튜브(16)가 직선 모양으로 배열된 카본 나노튜브 구조체(17)를 형성할 경우에는, 석출 영역(14)의 폭 W는, 0.4nm 이상 50nm 미만인 것이 바람직하다. 그 이유는, 카본 나노튜브(16)의 직경이, 최소로 0.4nm이기 때문이다.
석출 영역(14)의 폭 W는, 0.4nm 이상 30nm 이하이면 보다 바람직하다. 카본 나노튜브(16)는, 직경이 0.4nm 이상 30nm 이하의 범위에 있는 것이 많기 때문이다.
또한, 석출 영역(14)의 폭 W는, 0.4nm 이상 10nm 이하이면 더욱 바람직하다. 왜냐하면, 석출 영역(14)의 폭방향으로 다수의 카본 나노튜브(16)가 접근해서 세워질 가능성이 작아지므로, 카본 나노튜브 구조체(17)를 예를 들면, 전계 전자 방출소자(에미터)로서 사용할 경우에, 카본 나노튜브(16)의 각각의 표면에 있어서의 전기장 강도의 저하를 방지하여, 전계방출에 필요한 인가 전압을 작게 할 수 있기 때문에다. 또한, 예를 들면, 카본 나노튜브 구조체(17)를 기록 장치(메모리)로서 이용할 경우에는, 한개의 석출 영역(14)에는 폭방향으로 1개만의 카본 나노튜브(16)를 형성하는 것이 필요하므로, 카본 나노튜브(16)의 직경과 석출 영역(14)의 폭 W를 일치시키는 것이 바람직하기 때문이다.
또한, 석출 영역(14)의 간격 L, 즉 열 분포(11)의 변조 방향에 있어서의 석출 영역(14)의 간격(피치)은, 열 분포(11)의 공간적 주기 T에 따라, 즉 회절격자(13)의 주기 간격 P 및 에너지 빔(12)의 파장 λ에 따라 정해진다. 파장 λ를 작게 할수록,또는, 주기 간격 P을 미세하게 할수록 석출 영역(14)의 간격 L을 미세화할 수 있어, 종래의 포토리소그래피에서는 불가능한 미세한 간격 L로 석출 영역(14)을 형성하는 것이 가능하다.
석출 영역(14)의 간격 L은, 예를 들면, 100nm 이하인 것이 바람직하다. 종래의 포토리소그래피에서는 해상한계가 50nm이기 때문에, 종래의 포토리소그래피에서 형성가능한 최소의 패턴은, 예를 들면, 산 50nm, 골짜기 50nm, 및 산 50nm에서, 그것의 간격은 해상한계의 2배, 즉 100nm가 되기 때문이다. 또한, 석출 영역(14)의 간격 L은, 50nm 이하로 하면 보다 바람직하다. 종래의 전자빔 리소그래피의 해상한계가 25nm 정도이기 때문에, 종래의 전자빔 리소그래피에서 형성가능한 최소의 패턴의 간격은, 마찬가지로 해상한계의 2배, 즉 50nm이 되기 때문이다.
이상에서, 촉매 배치공정이 완료하여, 소재 기판(10)에 석출 영역(14)을 가지는 기판(15)이 형성된다.
(성장 공정)
계속해서, 도 3을 참조해서 성장 공정을 설명한다. 기판(15) 위에, CVD(Chemical Vapor Deposition; 화학기상성장)법에 의해 카본 나노튜브(16)를 성장시킨다. 성장 조건으로서는, 예를 들면, 카본 나노튜브(16)의 원료가 되는 탄소 화합물로서 메탄(CH4)을 사용하고, 석출영역(14)에 석출된 철을 촉매로 하여, 900℃, 5분으로 할 수 있다. 카본 나노튜브(16)는 석출 영역(14)에만 성장하므로, 기판(15) 위에 석출 영역(14)의 패턴대로 복수의 카본 나노튜브(16)가 직선 모양으로 배열된 카본 나노튜브 구조체(17)가 형성된다. 카본 나노튜브(16)의 직경은, 원료가 되는 탄소 화합물의 종류와, 성장 조건의 설정에 의해 정하는 것이 가능하다.
이렇게 본 실시예에서는, 카본 나노튜브(16)를 형성하기 위한 촉매 기능을 가지는 철로 이루어진 석출 영역(14)의 패턴을, 변조된 열 분포(11)에 의한 용융을 이용해서 배치형성하고, 이 석출 영역(14)의 패턴을 이용하여 카본 나노튜브(16)를 성장시키도록 했으므로, 열 분포(11)을 제어함에 의해, 종래의 포토리소그래피에서는 불가능했던 미세한 폭 W 및 간격 L을 가지는 석출 영역(14)의 패턴을 형성하고, 기판(15) 위에 석출 영역(14)의 패턴대로 카본 나노튜브(16)가 규칙 바르게 배열된 카본 나노튜브 구조체(17)를 얻을 수 있다.
또한, 석출 영역(14)의 패턴을 가지는 기판(15)을 드라이 프로세스에 의해 형성할 수 있으므로, 종래의 포토리소그래피를 이용한 프로세스에 비교해서 생산이 용이하고, 재현성이 좋고, 저비용화가 가능한 것 등의 이점을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 첨가재로서 철을 포함하는 실리콘으로 이루어진 소재 기판(10)의 표면에 대하여 열 분포(11)을 주어, 소재 기판(10)의 표면을 용융시킨 뒤, 소재 기판(10)의 표면을 방열시키도록 했으므로, 열 분포(11)에 따른 위치에 선택적으로 철을 석출시켜, 거의 평면형의 석출 영역(14)으로 이루어진 패턴을 형성할 수 있다.
덧붙여, 본 실시예에서는, 에너지 빔(12)을 회절시킴으로써 열 분포(11)를 주도록 했으므로, 회절격자(13)의 주기 간격 P를 미세화함에 의해 열 분포(11)의 공간적 주기 T를 용이하게 제어하고, 석출 영역(14)의 간격 L을 정밀도 좋게 미세화할 수 있다.
[제 2 실시예]
다음에 본 발명의 제 2 실시예에 관하여 설명한다. 본 실시예는, 상기 제 1 실시예에 의해 카본 나노튜브 구조체(17)을 형성한 후, 카본 나노튜브(16)의 선단을 소정의 평면 내에 형성하는 동시에 그 선단을 개방단(오픈 엔드)로 하는 높이 균일화공정을 더 포함하도록 한 것이다.
또, 여기에서, 「높이 」란, 카본 나노튜브(16)의 선단의 위치, 즉 소재 기판(10)의 표면과 카본 나노튜브(16)의 선단과의 거리를 말한다. 따라서, 카본 나노튜브(16)의 높이은, 카본 나노튜브(16)의 길이, 즉 연장 방향에 있어서의 실제의 치수와는 다른 경우도 있을 수 있다.
(높이 균일화공정)
이하, 도4a 및 도 4b를 참조하고, 높이 균일화공정을 설명한다. 우선, 도4a에 도시한 바와 같이, 카본 나노튜브(16)의 주위에 고정층(18)을 충전하고, 카본 나노튜브(16)를 고정층(18)에 의해 고정한다. 고정층(18)의 재료로서는, 예를 들면, 이산화규소(Si02), 질화 규소(SiN), 폴리이미드, 폴리메틸 메타크릴레이트(PolYmethYl MethacrYlate; PMMA), 금속 산화막 등의 절연체 재료, 혹은 실리콘, 게르마늄 등의 반도체 재료 등을 사용할 수 있다. 고정층(18)의 형성 방법으로서는 예를 들면, 플라즈마 증속 CVD(Plasma Enbanced CVD; PECVD)법, PVD(PhYsical Vapor Depositiom)법, SOG(Spin On Glass) 등을 들 수 있다. 고정층(18)의 두께는, 특별하게 한정되지 않는다.
다음에 도4b에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, CMP(Chemical Mechanical Polishing; 화학기계연마)에 의해, 고정층(18)과 함께 카본 나노튜브(16)를 연마한다. 이에 따라 카본 나노튜브(16)의 선단이 소정의 동일 평면 PL 내에 가지런히 정돈되는 동시에, 연마에 의해 선단이 개방되어서 개방단(16A)이 된다.
이상으로부터, 기판(15) 위에 원하는 패턴으로 배치됨과 동시에, 선단이 소정의 평면 PL 내에 형성되고, 또한 선단이 개방단(16A)이 되어 있는 카본 나노튜브(16)를 얻을 수 있다. 따라서, 카본 나노튜브 구조체(17)의 카본 나노튜브(16)의 높이를 균일화할 수 있다. 또한, 이 카본 나노튜브(16)는, 주위에 고정층(18)이 형성되고, 이 고정층(18)에 의해 고정되어 있다. 따라서, 카본 나노튜브(16)를 견뢰화할수 있음과 동시에, 카본 나노튜브 구조체(17)의 취급을 용이하게 할 수 있다.
이렇게 본 실시예에서는, 카본 나노튜브(16)의 선단이 동일 평면 PL 내에 가지런히 정돈해서 형성되어 있으므로, 예를 들면, FED로서 사용할 경우에, 소재 기판(10)의 표면에 대하여 경사진 각도로 성장한 카본 나노튜브(16)가 있어도, 전체 카본 나노튜브(16)로부터의 전계방사를 행하는 것이 가능해져, 균일한 방사특성을 얻을 수 있다. 또한, 선단은 개방단(16A)이 되어 있으므로 전계방출 특성이 양호하게 되어, 낮은 전압에서 전계방사를 행할 수 있다.
또, 본 실시예에 있어서는, 고정층(18)을, 도4b에 나타낸 연마시의 평탄화층으로서 사용한 경우에 관하여 설명했지만, 연마하지 않고 도4a에 나타낸 상태에서, 예를 들면, FED 등에 이용하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 고정층(18)에 의해 카본 나노튜브(16)가 고정되므로 카본 나노튜브(16)를 견뢰화할 수 있음과 동시에, 카본 나노튜브 구조체(17)의 취급을 용이하게 할 수 있다.
[제 3 실시예]
다음에 본 발명의 제 3 실시예에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법에 관하여 설명한다. 본 실시예의 방법은, 상기 제 1 실시예의 성장 공정에 있어서, 카본 나노튜브(16)의 선단부에 원하는 물질을 내포시키도록 한 것이다. 얻어진 카본 나노튜브 구조체(17)는, 예를 들면, 내포시킨 물질에 따라 가지가지인 용도에 사용할 수 있으며, 예를 들면, 본 실시예에서는 자기재료, 예를 들면, 철을 내포시킴으로써 기록 장치로서 이용할 수 있다.
카본 나노튜브(16)을 성장시킬 때에 원하는 물질을 내포시키는 방법으로서는, CVD법의 일종인 VLS(Vapor-Liquid-Solid)법을 사용할 수 있다. VLS법은, 카본을 포함하는 가스를 분해해서 카본과 촉매 기능을 가지는 금속의 합금 방울을 형성하고, 이 합금 방울 위에서 카본 나노튜브(16)의 성장이 한 방향으로 생기는 것을 이용한 것이다. VLS 법에서는, 카본 나노튜브(16)가 성장하는 것에 따라서, 촉매인 철이 카본 나노튜브(16)의 선단으로 이동하므로, 카본 나노튜브(16)의 선단에 철을 내포시킬 수 있다.따라서, 선단에 철을 내포한 카본 나노튜브(16)가 원하는 패턴으로 정렬된 카본 나노튜브 구조체(17)를 얻을 수 있다. 또, 카본 나노튜브(16)의 선단에 철이 내포되는 현상에 대해서는 전술한 아타마코토후미(M. Ata), 외 3명, 저패니즈·저널·오브·어플라이드·피직스(Jpn.J.Appl.PbYs.), 1995년, 제34권, p4207-4212에 기재되어 있다.
본 실시예에서는, 예를 들면, 석출 영역(14)에 철을 석출시켜, 이 철을 촉매로 하여 카본 나노튜브(16)을 성장시키면서 그 선단에 철을 내포시키도록 하고 있다. 따라서, 석출 영역(14)에 석출시키는 물질을 변화시킴으로써, 카본 나노튜브(16)의 선단에 원하는 물질을 내포시킬 수 있다. 따라서, 카본 나노튜브(16)에 내포시키는 원하는 물질로서는, 카본 나노튜브를 형성하기 위한 금속촉매로서의 기능을 가지는 것이면 좋으며, 그것의 구체적인 예는, 상기 제 1 실시예에 있어서 제2의 물질로서 예시한 것과 같다.
또한, 용도에 따라서는, 카본 나노튜브(16)에 내포시키는 원하는 물질로서는, 제 1 실시예에 있어서 제2의 물질로서 예시한 것과 같은 유전체 재료, 혹은 전도체 재료를 이용하여도 좋다.
이렇게 본 실시예에서는, 카본 나노튜브(16)를 성장시킬 때에, 카본 나노튜브(16)의 선단에 철을 내포시키도록 했으므로, 선단에 철을 내포한 카본 나노튜브(16)가 원하는 패턴으로 정렬된 카본 나노튜브 구조체(17)를 얻을 수 있다.
≪기록 장치의 제조 방법≫
[제 4 실시예]
다음에 본 발명의 제 4 실시예에 관련되는 기록 장치의 제조 방법에 관하여 설명한다. 본 실시예의 방법은, 상기 제 2 실시예에서 얻어진 높이가 균일한 카본 나노튜브(16)의 개방단(16A)으로부터 카본 나노튜브(16)의 선단부에 자기재료를 삽입하는 삽입 공정을 더 포함하는 것이다. 얻어진 카본 나노튜브 구조체(17)는, 예를 들면, 기록 장치에 이용된다.
(삽입 공정)
이하, 도5a 및 도5b를 참조해서 삽입 공정을 설명한다. 우선, 도5a에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 스핀 코트법, 증착법 또는 PVD법 등에 의해, 고정층(18) 위에, 개방단(16A)를 막도록 예를 들면, 철 등의 자기재료로 이루어진 박막(19)을 형성한다. 이때, 박막(19)은 개방단(16A)으로부터 카본 나노튜브(16)의 내부로 들어간다.
계속해서, 도5b에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, CMP에 의해, 고정층(18)이 노출할 때까지 박막(19)을 연마하고, 카본 나노튜브(16)의 내부에 들어간 부분을 제외하고 박막(19)을 제거한다. 이에 따라 카본 나노튜브(16)의 선단 부근에 철로 이루어진 자성층(19A)이 삽입되어, 적어도 선단부에 원하는 물질이 삽입된 카본 나노튜브(16)를 얻을 수 있다.
이렇게 하여 본 실시예의 기록 장치(20)가 형성된다. 이 기록 장치(20)는, 기판(15)에 원하는 패턴으로 배치된 카본 나노튜브(16)와, 카본 나노튜브(16)의 적어도 선단부가 삽입된 자기재료로 이루어진 자성층(19A)를 구비하고 있다. 이 기록 장치(20)는, 카본 나노튜브(16)기 원하는 미세한 패턴으로 배열된 카본 나노튜브 구조체(17)을 구비하고, 각 카본 나노튜브(16) 내에 철로 이루어진 자성층(19A)이 삽입되어 있으므로, 착자의 길이를 종래의 포토리소그래피에서는 불가능한 작은 치수로 할 수 있어, 매우 기록밀도가 높아진다. 각각의 카본 나노튜브(16)에 삽입된 자성층(19A)은, 인접하는 다른 카본 나노튜브(16) 내의 자성층(19A)과는 격리되어 있기 때문에, 각 자성층(19A)에 대한 정보의 기록 또는 판독을 확실하게 행할 수 있다.
또한, 카본 나노튜브(16)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 선단이 소정의 평면 내에 형성되고, 또한 선단이 개방단(16A)으로 되어 있다. 따라서, 카본 나노튜브 구조체(17)의 카본 나노튜브(16)의 높이를 균일화할 수 있다. 또한, 이 카본 나노튜브(16)는, 주위에 고정층(18)이 형성되어, 이 고정층(18)에 의해 고정되어 있다. 따라서, 카본 나노튜브(16)을 견뢰화할 수 있음과 동시에, 기록 장치(20)의 취급을 용이하게 할 수 있다.
도 6은, 이 기록 장치(20)에 있어서의 기록 상태의 일례를 나타내는 것이다. 이 기록 장치(20)에서는, 도 6의 화살표로 도시한 바와 같이 자성층(19A)의 자화방향을 제어함에 의해 신호의 기록(써넣기) 및 재생(판독)을 행할 수 있다. 신호의 기록 및 판독은, 예를 들면, 도면에 나타나 있지 않은 미세한 코일에 의해 소정의 방향의 자속을 발생시켜 기록하고, GMR 헤드로 신호를 판독하도록 해도 좋으며, 혹은 소위 광자기방식에 의해 행하여도 좋다.
이하, 예를 들면, 광자기방식에 의한 기록 장치(20)에의 기록 및 판독에 관하여 설명한다. 기록 장치(20)에의 기록은, 예를 들면, 다음과 같이 행해진다. 철로 이루어진 자성층(19A)의 온도를 큐리온도까지 상승시켜, 바이어스 자계에 의해 자성층(19A)의 자화방향을 일정 방향으로 한다(소거 모드). 그후, 바이어스 자계를 소거 모드와는 역방향의 자화방향으로 놓고, 도면에 나타나 있지 않은 광학 렌즈에 의해 스폿 지름을 작게 한 레이저 빔에 의해 특정한 카본 나노튜브(16)의 자성층(19A)만의 온도를 상승시키고, 레이저빔의 조사를 정지하는 것에 의해 자성층(19A)의 자화방향을 소거시와는 역방향으로 한다. 또한, 기록 장치(20)로부터의 판독은, 예를 들면, 다음과 같이 행해진다. 카본 나노튜브(16) 내의 자성층(19A)에 대하여 레이저빔을 조사하여, 레이저 빔의 반사광의 커 회전각을 검출함에 의해 각각의 자성층(19A)의 자화방향을 재생 신호로서 얻을 수 있다. 이때, 본 실시예에서는, 자성층(19A)이 카본 나노튜브(16)에 의해 격리되어 있으므로, 인접하는 카본 나노튜브(16) 내의 자성층(19A)의 영향을 받지 않아, 소정의 자화방향이 장기간 안정해서 유지된다.
이렇게 본 실시예에서는, 카본 나노튜브(16)가 원하는 미세한 패턴으로 배열된 카본 나노튜브 구조체(17)를 구비하고, 각 카본 나노튜브(16) 내에 철로 이루어진 자성층(19A)를 삽입하도록 했으므로, 매우 기록밀도가 높은 기록 장치(20)을 실현할 수 있다. 또한, 자성층(19A)은 카본 나노튜브(16)에 의해 격리되어 있으므로, 인접하는 카본 나노튜브(16) 내의 자성층(19A)의 영향을 받지 않아, 소정의 자화방향을 장기간 안정해서 유지할 수 있다. 따라서, 기록 장치(20)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
≪통 형상 탄소 분자의 제조 방법의 변형예≫
이하, 전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 FED의 제조 방법을 설명하기 전에, 상기 제 1 실시예에 관련되는 카본 나노튜브의 제조 방법의 변형예(1∼11)에 관하여 설명한다. 이들 변형예에 의해 제조된 카본 나노튜브는, 예를 들면, 제 2 실시예와 같은 방법으로 도4a 및 도 4b에 나타나 있는 바와 같은 높이가 균일화된 카본 나노튜브(16)의 제조에 이용할 수 있다. 또한, 이들 변형예에 의해 제조된 카본 나노튜브를 이용하여, 제 3 실시예와 같은 방법으로 선단부에 원하는 물질이 내포된 카본 나노튜브(16)를 제조하거나, 혹은, 제 4 실시예와 같은 방법으로 도5a 내지 도 6에 나타나 있는 바와 같은 기록 장치(20)를 제조 할 수 있다. 또한, 이들 변형예에 의해 제조된 카본 나노튜브는, 후술하는 전계 전자 방출소자 및 FED에도 적용가능하다.
[변형예 1]
우선, 도 7 또는 도 13을 참조해서 변형예 1에 관하여 설명한다. 본 변형예 는, 용융 공정에 있어서, 에너지 빔의 에너지량을, 이차원 방향, 즉 X 방향 및 Y 방향으로 변조시켜, 소재 기판(10)의 표면에 대하여, X 방향 열 분포(31X) 및 Y 방향 열 분포(31Y)를 주도록 한 것이다.
(용융 공정)
우선, 도 7을 참조하여 용융 공정을 설명한다. X 방향 열 분포(31X)는, 소재 기판(10)의 표면온도가 X 방향으로 변조되어서, X 방향 고온 영역(31XH)와 X 방향 저온 영역(31XL)이 주기적으로 형성된 것이다. 또한, Y 방향 온도분포(31Y)는, 소재 기판(10)의 표면 온도가 Y 방향으로 변조되어서, Y 방향 고온 영역(31YH)괴 Y 방향 저온 영역(31YL)이 주기적으로 형성된 것이다.
X 방향 열 분포(31X) 및 Y 방향 열 분포(31Y)는, 예를 들면, 에너지 빔(12)을, 비투과 부분(32A) 및 투과 부분(32B)이 이차원 방향으로 배열된 회절격자(32)로 회절시킴으로써 주어진다. 회절격자(32)로서는, 예를 들면, 비투과 부분(32A)에 에너지 빔(12)을 투과시키지 않는 마스크가 인쇄된 것 등을 사용할 수 있다.
도 8은, 소재 기판(10)의 표면에 있어서 X 방향 온도분포(31X)와 Y 방향 온도분포(31Y)가 중첩됨으로써, 열 분포(33)가 형성된 상태를 나타내고 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 소재 기판(10)의 표면에는, X 방향 고온 영역(31XH)과 Y 방향 고온 영역(31YH)의 중복하는 위치에 고온 영역(33H)을 가지고, X 방향 저온 영역(31XL)과 Y 방향 저온 영역(31YL)의 중복하는 위치에 저온영영(33L)을 갖도록 하는 열 분포(33)가 형성된다. 이에 따라 고온 영역(33H)은, 비투과 부분(32A) 및 투과 부분(32B)의 배열되어 있는 방향을 따라서 이차원 방향으로 배열된다.
열 분포(33)의 X 방향에 있어서의 공간적 주기 TX, 즉 고온 영역(33H)의 X 방향에 있어서의 간격(피치)은, 회절격자(32)의 X 방향에 있어서의 주기 간격 PX 및 에너지 빔(12)의 파장 λ에 따라 정해진다. 또한, 열 분포(33)의 Y 방향에 있어서의 공간적 주기 TY, 즉 고온 영역(33H)의 Y 방향에 있어서의 간격(피치)은, 회절격자(32)의 Y 방향에 있어서의 주기 간격 PY 및 에너지 빔(12)의 파장 λ에 따라 정해진다. 파장 λ를 작게 할수록 또는 주기 간격 PX, PY를 미세하게 할수록, 열 분포(33)의 공간적 주기 TX, TY를 미세화할 수 있다. 여기에서, 본 실시예에서는, 회절격자(32)의 X 방향에 있어서의 주기 간격 PX란, 하나의 비투과 부분(32A)의 X 방향에 있어서의 치수와 하나의 투과 부분(32B)의 X 방향에 있어서의 치수의 합을 말하고, 회절격자(32)의 Y 방향에 있어서의 주기 간격 PY란, 하나의 비투과 부분(32A)의 Y 방향에 있어서의 치수와 하나의 투과 부분(32B)의 Y 방향에 있어서의 치수의 합을 말한다.
회절격자(32)의 X 방향에 있어서의 주기 간격 PX와 Y 방향에 있어서의 동기간격 PY는, 서로 독립적으로 설정할 수 있다. 따라서, 도9에 나타낸 바와 같이, 열 분포(33)의 X 방향에 있어서의 공간적 주기 TX와 Y 방향에 있어서의 공간적 주기 TY를, 서로 독립적으로 설정하는 것도 가능하다.
또, 회절격자(32)로서는, 마스크 인쇄에 의해 비투과 부분(32A) 및 투과 부분(32B)이 형성된 것이 아니라, 오목부 또는 볼록부가 형성된 것을 사용하는 것도 가능하다. 요철이 형성된 회절격자(32)의 경우에는, 회절격자(32)의 X 방향에 있어서의 주기 간격 PX란, 오목부(또는 볼록부)의 X 방향에 있어서의 간격(피치)을 말하고, 회절격자(31)의 Y 방향에 있어서의 주기 간격 PY란, 오목부(또는 볼록부)의 Y 방향에 있어서의 간격(피치)을 말한다.
에너지 빔(12)의 에너지량은, 저온 영역(33L)에 있어서 소재 기판(10)의 표면이 용융하는 온도가 되도록 설정된다. 이에 따라 소재 기판(10)의 표면의 전체를 용융시킬 수 있다. 이때, 에너지 빔(12)으로서 엑시머 레이저를 사용하면, 펄스 발광의 조사 회수에 의해 에너지량의 제어를 행할 수 있다.
(석출 공정)
다음에 도 10 및 도 11을 참조하여, 석출 공정을 설명한다. 용융 공정에 있어서 소재 기판(10)의 표면의 전체를 용융시킨 뒤, 에너지 빔(12)의 조사를 중지하고 소재 기판(10)의 표면을 방열시켜, 열 분포(33)에 따른 위치 즉 고온 영역(33H)에 대응하는 위치에 제2의 물질을 석출시켜, 거의 평면형의 석출 영역(34)을 형성한다. 이에 따라 석출 영역(34)의 패턴을 가지는 기판(35)을 얻을 수 있다.
석출 영역(34)은, 고온 영역(33H)이 소재 기판(10)의 표면에 이차원 방향으로 배열되어 있으므로, 이것에 대응하여, 소재 기판(10)의 표면에 이차원 방향으로 배열된 점 형태의 패턴으로서 형성된다. 석출 영역(34)의 X 방향에 있어서의 치수(직경) DX 및 Y 방향에 있어서의 치수(직경) DY는, 소재 기판(10)에 있어서의 제2의 물질의 함유량에 의해 정해지고, 제2의 물질의 함유량이 클수록, 석출 영역(34)의 치수 DX, DY는 커진다. 석출 영역(34)의 치수 DX, DY는, 원리적으로는 제2의 물질의 원자의 크기보다 큰 임의의 값을 취할 수 있는 것이며, 소재 기판(10)에 있어서의 제2의 물질의 함유량을 제어함에 의해 종래의 포토리소그래피 기술에서는 불가능했던 50nm 미만을 실현할 수 있다.
석출 영역(34)의 치수 DX, DY의 구체적인 값은, 제2의 물질의 재료 및 석출 영역(34)의 용도에 의해 정해지지만, 예를 들면, 도12에 도시한 바와 같이 석출 영역(34)에 석출된 철을 촉매로 하여, 복수의 카본 나노튜브(36)가 이차원으로 배열된 카본 나노튜브 구조체(37)를 형성할 경우에는, 석출 영역(34)의 치수 DX, DY는 각각, 0.4nm 이상 50nm 미만인 것이 바람직하다. 카본 나노튜브(36)의 직경이, 최소로 0.4nm이기 때문이다.
석출 영역(34)의 치수 DX, DY는 각각, 0.4nm 이상 30nm 이하이면 보다 바람직하다. 카본 나노튜브(36)는, 직경이 0.4nm 이상 30nm 이하의 범위에 있는 것이 많기 때문이다.
또한, 석출 영역(34)의 치수 DX, DY는, 0.4nm 이상 10nm 이하이면 더욱 바람직하다. 석출 영역(34)의 X 방향 또는 Y 방향으로 다수의 카본 나노튜브(36)이 접근해서 세워질 가능성이 작아지므로, 카본 나노튜브 구조체(37)를 예를 들면, 전계 전자 방출소자로서 사용할 경우에, 카본 나노튜브(36)의 각각의 표면에 있어서의 전기장 강도의 저하를 방지하여, 전계방출에 필요한 인가 전압을 작게 할 수 있기 때문에다. 또한, 예를 들면, 카본 나노튜브 구조체(37)를 기록 장치(메모리)로서 이용할 경우에는, 1개소의 석출 영역(34)에는 X 방향 및 Y 방향으로 1개만의 카본 나노튜브(36)을 형성하는 것이 필요하는 경우가 있어서, 카본 나노튜브(36)의 직경과 석출 영역(34)의 치수 DX, DY를 일치시키는 것이 바람직하기 때문이다.
또한, 석출 영역(34)의 X 방향에 있어서의 간격 LX, 및 Y 방향에 있어서의 간격 LY는, 열 분포(33)의 공간적 주기 TX, TY에 따라, 즉 회절격자(32)의 주기 간격 PX, PY 및 에너지 빔(12)의 파장 λ에 따라 정해진다. 파장 λ를 작게 할수록, 또는, 회절격자(32)의 주기 간격 PX, PY를 미세하게 할수록 석출 영역(34)의 간격 LX, LY를 메세하게 할 수 있어, 종래의 포토리소그래피에서는 불가능한 미세한 간격 LX, LY로 석출 영역(34)을 형성하는 것도 가능하다.
석출 영역(34)의 간격 LX, LY는, 예를 들면, 100nm 이하인 것이 바람직하다. 상기한 바와 같이, 종래의 포토리소그래피에서는 해상한계가 50nm이기 때문에, 종래의 포토리소그래피에서 형성가능한 최소의 패턴은, 예를 들면, 산 50nm, 골 50nm, 및 산 50nm에서, 그 간격은 해상한계의 2배 즉 100nm가 되기 때문이다. 또한, 석출 영역(34)의 간격 LX, LY는, 50nm 이하이면 보다 바람직하다. 종래의 전자빔 리소그래피의 해상한계가 25nm 정도이기 때문에, 종래의 전자빔 리소그래피에서 형성가능한 최소의 패턴의 간격은, 마찬가지로 해상한계의 2배 즉 50nm가 되기 때문이다.
이상으로부터, 촉매 배치공정이 완료하여, 소재 기판(10)에 석출 영역(34)을 가지는 기판(35)이 형성된다.
또한, 도9에 도시한 바와 같이 열 분포(33)의 X 방향에 있어서의 공간적 주기 TX와 Y 방향에 있어서의 공간적 주기 TY를, 서로 독립적으로 설정했을 경우에는, 이것에 대응하여, 도13에 도시한 바와 같이 석출 영역(34)이 타원형으로 형성된다.
(성장 공정)
계속해서, 도 12를 참조해서 성장 공정을 설명한다. 기판(35) 위에, CVD법에 의해 복수의 카본 나노튜브(36)를 성장시킨다. 성장 조건으로서는, 예를 들면, 제 1 실시예와 마찬가지와 할 수 있다. 카본 나노튜브(36)는 석출 영역(34)에만 성장하므로, 기판(35) 위에 석출 영역(34)의 패턴대로에 카본 나노튜브(36)가 이차원 방향으로 배열된 카본 나노튜브 구조체(37)가 형성된다.
이렇게 본 변형예에서는, 에너지 빔(12)의 에너지량을 이차원 방향으로 변조 시킴으로써 열 분포(33)를 형성하도록 했으므로, 소재 기판(10)의 표면에 이차원 방향으로 배열된 석출 영역(34)의 패턴을 형성하는 것이 가능해 진다.
또한, 회절격자(32)를 이용하여 에너지 빔(12)을 회절시킴으로써 열 분포(33)를 형성하도록 했으므로, 회절격자(32)의 주기 간격 PX, PY를 미세화함에 의해 열 분포(33)의 공간적 주기 TX, TY를 용이하게 제어하여, 석출 영역(34)의 간격 LX, LY를 미세화할 수 있다.
[변형예 2]
다음에 도 14 또는 도17을 참조해서 변형예 2을 설명한다. 본 변형예에서는, 소재 기판(10)의 표면을 방열시킴으로써 소재 기판(10)의 표면에 돌기를 형성하여, 제2의 물질을 돌기의 선단부에 석출시키도록 한 것이다.
(용융 공정)
+ 우선, 예를 들면, 상기 제 1 실시예에 있어서의 도 1과 같은 방법으로 용융 공정을 행하지만, 그 때에, 에너지 빔(12)의 에너지량을 일정값을 넘도록 제어한다. 예를 들면, 에너지 빔(12)으로서, 전술의 제 1 실시예와 마찬가지로 엑시머 레이저를 사용할 경우에는, 펄스 발광의 조사 회수에 의해 에너지량의 제어를 행할 수 있지만, 본 변형예에서는, 예를 들면, 펄스 조사 회수를 100회로 한다.
(석출 공정)
용융 공정에 있어서 소재 기판(10)의 표면을 용융시킨 뒤, 에너지 빔(12)의 조사를 중지하면, 용융 공정에 있어서 조사된 에너지 빔(12)의 에너지량이 일정값을 넘고 있을 경우에는, 도14에 나타낸 바와 같이, 고온 영역(11H)에 대응하는 소재 기판(10)의 표면이 융기하여, 돌기(41)가 형성된다.
돌기(41)는, 고온 영역(11H)이 홈(13A)에 대응해서 일차원 방향으로 배열된 직선 모양이므로, 이것에 대응하여, 일차원 방향으로 배열된 직선 모양의 리브(돌조)의 패턴으로서 형성된다. 이 돌기(41)은, 소재 기판(10)의 표면에 가까운 부분에서부터 응고해 가므로, 최후에 응고하는 선단 부근에 제2의 물질(철)이 석출하여, 석출 영역(42)이 형성된다. 따라서, 석출 영역(42)은, 돌기(41)의 선단부에 형성된다. 여기에서, 선단부란, 돌기(41)을 소재 기판(10)의 표면에 평행한 수평면 H(도 15 및 도 16 참조)에서 절단했을 경우에, 돌기(41)의 선단을 포함하는 부분을 말한다. 예를 들면, 석출 영역(42)은, 도14에 도시한 바와 같이 돌기(41)의 선단에만 형성되어 있어도 좋고, 도15에 도시한 바와 같이 돌기(41) 전체가 석출 영역(42)이 되어 있어도 좋다. 혹은 도16에 도시한 바와 같이 돌기(41)의 선단 및 중턱에 걸친 부분에 형성되어 있어도 좋다.
이에 따라 적어도 선단부에 철로 이루어진 석출 영역(42)이 형성된 돌기(41)의 패턴을 가지는 기판(43)을 얻을 수 있다.
여기에서, 「돌기」란, 기판(43)의 표면으로부터 융기하고, 그 높이가 제 1 실시예에 있어서의 평면형의 석출 영역(14)의 경우보다 높은 1nm 이상의 경우를 말한다.
석출 영역(42)의 폭(선폭) W, 즉 열 분포(11)의 변조 방향에 있어서의 석출 영역(42)의 치수는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 소재 기판(10)에 있어서의 제2의 물질(철)의 함유량에 의해 정해지며, 제2의 물질(철)의 함유량이 클수록, 석출 영역(42)의 폭 W는 커진다. 석출 영역(42)의 폭 W는, 원리적으로는 제2의 물질의 원자의 크기보다 큰 임의의 값을 취할 수 있는 것이며, 소재 기판(10)에 있어서의 제2의 물질의 함유량을 제어함에 의해 종래의 포토리소그래피 기술에서는 불가능했던 50nm 미만을 실현 할 수 있다.
본 변형예에서는, 제 1 실시예와 다르게, 석출 영역(42)이 돌기(41)이며, 선단이 됨에 따라 단면적이 작아지고 있기 때문에, 석출 영역(42)의 폭의 미세화가 용이하다.
석출 영역(42)의 폭 W의 구체적인 값에 대해서는, 제 1 실시예에 있어서 석출 영역(14)의 폭 W에 관하여 설명한 것과 마찬가지로, 제2의 물질의 재료 및 석출 영역(42)의 용도에 의해 정해지지만, 예를 들면, 도17에 도시한 바와 같이 석출 영역(42)에 석출한 철을 촉매로 하여, 복수의 카본 나노튜브(44)가 직선 모양에 배열된 카본 나노튜브 구조체(45)를 형성할 경우에는, 석출 영역(42)의 폭 W는, 0.4nm 이상 50nm 미만인 것이 바람직하고, 0.4nm 이상 30nm 이하이면 보다 바람직하고, 0.4nm 이상 10nm 이하이면 더욱 바람직하다. 이유는 제 1 실시예에 있어서 설명한 것과 같다.
또한, 돌기(41)의 간격 L, 즉 열 분포(11)의 변조 방향에 있어서의 석출 영역(42)의 간격(피치)은, 열 분포(11)의 공간적 주기 T에 따라, 즉 회절격자(13)의 주기 간격 P 및 에너지 빔(12)의 파장 λ에 따라 정해진다. 파장 λ를 작게 할수록, 또는, 주기 간격 P를 미세하게 할수록 돌기(41)의 간격 L을 미세화할 수 있고, 종래의 포토리소그래피에서는 불가능한 미세한 간격 L로 돌기(41) 및 석출 영역(42)을 형성하는 것이 가능하다. 돌기(41)의 간격 L은, 예를 들면, 100nm 이하인 것이 바람직하고, 또한, 50nm 이하로 하면 보다 바람직하다. 이유는 제 1 실시예에 있어서 설명한 것과 같다.
이상으로부터, 촉매 배치공정이 완료하여, 소재 기판(10)에 형성된 돌기(41)의 선단부에 석출 영역(42)을 가지는 기판(43)이 형성된다.
(성장 공정)
계속해서, 도17에 나타낸 바와 같이, 기판(43) 위에, CVD법에 의해 복수의 카본 나노튜브(44)를 성장시킨다. 성장 조건으로서는, 예를 들면, 제 1 실시예와 마찬가지와 할 수 있다. 카본 나노튜브(44)는 석출 영역(42)에만 성장하므로, 복수의 카본 나노튜브(44)가 기판(43)의 돌기(41)의 최선단 부분에 직선 모양으로 배열한 카본 나노튜브 구조체(45)가 형성된다.
이렇게 본 변형예에서는, 소재 기판(10)의 소정의 위치에, 적어도 선단부가 제2의 물질(철)에 의해 구성된 돌기(41)를 형성하도록 했으므로, 패턴을 평면 모양으로 할 경우에 비교해서 석출 영역(42)의 폭을 보다 미세하게 할 수 있어, 제 1 실시예 및 변형예 1에 비해 보다 미세한 패턴을 형성할 수 있다.
[변형예 3]
다음에 도18 내지 도 20을 참조해서 변형예 3을 설명한다. 본 변형예는, 소재 기판(10)의 표면에 이차원 방향으로 배치된 돌기를 형성하고, 이 돌기의 선단부에 제2의 물질을 석출시키도록 한 것이다.
(용융 공정)
우선, 예를 들면, 변형예 1의 도7 및 도 8과 같은 방법으로 용융 공정을 행하지만, 그 때에, 변형예 2와 마찬가지로, 에너지 빔(12)의 에너지 양을 일정값을 넘도록 제어한다.
(석출 공정)
용융 공정에 있어서 소재 기판(10)의 표면을 용융시킨 뒤, 에너지 빔(12)의 조사를 중지하면, 용융 공정에 있어서 조사된 에너지 빔(12)의 에너지량이 일정값을 넘고 있을 경우에는, 도18 및 도19에 나타낸 바와 같이, 고온 영역(33H)에 대응하는 소재 기판(10)의 표면이 융기하여, 돌기(51)가 형성된다.
돌기(51)는, 고온 영역(33H)이 소재 기판(10)의 표면에 이차원 방향으로 배열되어 있으므로, 이것에 대응하여, 소재 기판(10)의 표면에 이차원 방향으로 배열된 방추체의 패턴으로서 형성된다. 돌기(51)는, 소재 기판(10)의 표면에 가까운 부분에서부터 응고해 가므로, 최후로 응고하는 선단 부근에 제2의 물질이 석출하여, 석출 영역(52)이 형성된다. 따라서, 석출 영역(52)은, 돌기(51)의 선단부에 형성된다. 여기에서, 선단부의 의미 및 그 구체적인 예에 대해서는, 변형예 2에 있어서 도15 및 도 16을 참조해서 설명한 것과 같다.
이에 따라 적어도 선단부에 철로 이루어진 석출 영역(52)이 형성된 돌기(51)의 패턴을 가지는 기판(53)을 얻을 수 있다.
석출 영역(52)의 X 방향에 있어서의 치수(직경) DX 및 Y 방향에 있어서의 치수(직경) DY는, 소재 기판(10)에 있어서의 제2의 물질(철)의 함유량에 의해 정해지기, 제2의 물질(철)의 함유량이 클수록, 석출 영역(52)의 치수 DX, DY는 커진다. 석출 영역(52)의 치수 DX, DY는, 원리적으로는 제2의 물질의 원자의 크기보다 큰 임의의 값을 취할 수 있는 것이며, 소재 기판(10)에 있어서의 제2의 물질의 함유량을 제어함에 의해 종래의 포토리소그래피 기술에서는 불가능했던 50nm 미만을 실현 할 수 있다.
석출 영역(52)의 치수 DX, DY의 구체적인 값에 대해서는, 변형예 2에 있어서 석출 영역(34)의 치수 DX, DY에 관하여 설명한 것과 마찬가지로, 제2의 물질의 재료 및 석출 영역(52)의 용도에 의해 정해지지만, 예를 들면, 도20에 도시한 바와 같이 석출 영역(52)에 석출한 철을 촉매로 하여, 복수의 카본 나노튜브(54)가 이차원 방향으로 배열된 카본 나노튜브 구조체(55)를 형성할 경우에는, 석출 영역(52)의 치수 DX, DY는 각각, 0.4nm 이상 50nm 미만인 것이 바람직하고, 0.4nm 이상 30nm 이하이면 보다 바람직하고, 0.4nm 이상 10nm 이하이면 더욱 바람직하다. 이유는, 변형예 2에 있어서 설명한 것과 같다.
또한, 돌기(51) 및 석출 영역(52)의 X 방향에 있어서의 간격 LX, 및 Y 방향에 있어서의 간격 LY는, 열 분포(33)의 공간적 주기 TX, TY에 따라, 즉 회절격자(32)의 주기 간격 PX, PY 및 에너지 빔(12)의 파장 λ에 따라 정해진다. 파장 λ를 작게 할수록, 또는, 회절격자(32)의 주기 간격 PX, PY를 미세하게 할수록 돌기(51) 및 석출 영역(52)의 간격 LX, LY를 미세화할 수 있어, 종래의 포토리소그래피에서는 불가능한 미세한 간격 LX, LY에서 돌기(51) 및 석출 영역(52)을 형성하는 것도 가능하다. 돌기(51) 및 석출 영역(52)의 간격 LX, LY는, 100nm 이하인 것이 바람직하고, 또한, 50nm 이하이면 보다 바람직하다. 이유는, 변형예 2에 있어서 설명한 것과 같다.
이상으로부터, 촉매 배치공정이 완료하고, 돌기(51)의 선단부에 석출 영역(52)을 가지는 기판(53)이 형성된다.
(성장 공정)
계속해서, 도20에 나타낸 바와 같이, 기판(53) 위에, CVD법에 의해 복수의 카본 나노튜브(54)를 성장시킨다. 성장 조건으로서는, 예를 들면, 제 1 실시예와 마찬가지와 할 수 있다. 카본 나노튜브(54)는 석출 영역(53)에만 성장하므로, 카본 나노튜브(54)가 기판(53)의 돌기(51)의 최선단 부분에 이차원 방향으로 배열된 카본 나노튜브 구조체(55)가 형성된다.
이렇게 본 변형예에서는, 소재 기판(10)의 소정의 위치에, 적어도 선단부가 제2의 물질에 의해 구성된 돌기(51) 패턴을 이차원 방향으로 배열하도록 했으므로, 제 1 실시예 및 변형예 1의 평면형의 석출 영역에 비해 보다 미세한 치수의 석출 영역(52)을 형성할 수 있다.
[변형예 4]
다음에 도 21 또는 도 25를 참조해서 변형예 4를 설명한다. 본 변형예는, 전사 물질(여기에서는, 촉매금속)으로 이루어진 소재 기판(10)의 표면에, 전사 물질의 돌기 패턴(turn)을 형성하고, 이것을 전사용 원반으로 하여, 이 전사용 원반의 패턴을 피전사 기판에 전사시켜서 기판을 얻고, 이 기판에 카본 나노튜브를 성장시키는 것이다.
구체적으로는, 본 변형예는, 촉매 배치공정으로서, 소재 기판(10)의 표면에 원하는 패턴에 따라 변조된 열 분포(11)을 주어, 소재 기판(10)의 표면을 용융시키는 「용융 공정」과, 소재 기판(10)의 표면을 방열시킴으로써, 열 분포(11)에 따른 위치에, 즉, 원하는 패턴으로 돌기를 형성하는 「돌기 형성 공정」과, 전사용 원반의 패턴을 피전사 기판에 전사시켜서 기판을 제작하는 「전사 공정」을 포함하는 것이다.
(용융 공정)
우선, 변형예 2과 같은 방법으로 용융 공정을 행한다. 이때, 소재 기판(10)은, 본 실시예에서는 금속촉매로서의 철에 의해 구성되어 있다.
소재 기판(10)의 재료는, 예를 들면, 카본 나노튜브를 형성하기 위한 금속촉매로서의 기능을 가지는 것이면 좋고, 그 구체적인 예는, 상기 제 1 실시예에 있어서 제2의 물질로서 예시한 것과 같다.
(돌기 형성 공정, 원반 제작 공정)
다음에 도 21을 참조해서 돌기 형성 공정을 설명한다. 즉, 용융 공정에 있어서 소재 기판(10)의 표면을 용융시킨 뒤, 에너지빔(12)의 조사를 중지하면, 소재 기판(10)의 표면의 온도는 서서히 저하해서 응고하지만, 이때, 용융 공정에 있어서 조사된 에너지 빔(12)의 에너지량이 일정값을 초과하고 있을 경우에는, 고온 영역(11H)에 대응하는 위치에, 소재 기판(10)의 표면으로부터 융기한 돌기(64)가 형성되고, 소재 기판(10)의 표면에 돌기(64)을 가지는 전사용 원반(이하, 원반이라고 한다)(65)이 형성된다.
돌기(64)는, 고온 영역(11H)이 홈(13A)에 대응해서 일차원 방향으로 배열된 직선 모양이므로, 이것에 대응하여, 일차원 방향으로 배열된 직선 모양의 리브(돌출조)의 패턴으로서 형성된다. 돌기(64)의 폭(선폭) W, 즉 열 분포(11)의 변조 방향에 있어서의 돌기(64)의 하단부의 치수는, 용융 온도 및 냉각 속도에 의해 정해진다. 용융 습도는, 에너지 빔(12)의 에너지 양, 즉 엑시머 레이저의 경우에는 펄스 조사 회수에 의해 제어할 수 있어, 용융 온도가 높을수록, 돌기(64)의 폭 W는 커진다. 냉각 속도는, 소재 기판(10) 또는 소재 기판(10)의 홀더를 진공중 또는 가스 분위기중에 배치하는 방법, 가스 플로우에 의한 방법, 물 또는 액체질소중에 냉각하는 방법, 혹은 가열하면서 천천히 냉각하는 방법 등에 의해 제어할 수 있으며, 냉각 속도가 빠를수록 돌기(64)의 폭 W는 커진다. 돌기(64)의 폭 W는, 원리적으로는 소재 기판(10)의 구성 물질의 원자의 크기보다 큰 임의의 값을 취할 수 있는 것이며, 용융 온도 및 냉각 속도를 제어함에 의해 종래의 포토리소그래피 기술에서는 불가능했던 50nm 미만을 실현할 수 있다.
돌기(64)의 폭 W의 구체적인 값은, 후술하는 기판의 용도에 의해 정해지지만, 예를 들면, 카본 나노튜브 구조체를 형성할 경우에는, 돌기(64)의 폭 W는, 0.4nm 이상 50nm 미만인 것이 바람직하고, 0.4nm 이상 30nm 이하이면 보다 바람직하고, 0.4nm 이상 10nm 이하이면 더욱 바람직하다. 이유는 제 1 실시예에 있어서 설명한 것과 같다.
또한, 돌기(64)의 간격 L, 즉 열 분포(11)의 변조 방향에 있어서의 돌기(64)의 간격(피치)은, 열 분포(11)의 공간적 주기 T 에 따라, 즉 회절격자(13)의 주기 간격 P 및 에너지 빔(12)의 파장 λ 에 따라 정해진다.파장 λ를 소 tI울짱 한 만큼,또는, 주기 간격 P을 미세하게 할수록 돌기(64)의 간격 L을 미세화 할 수 있다.고, 종래의 포토리소그래피에서는 불가능한 미세한 간격 L에서 돌기(64)을 형성 하는 것이 가능하다.돌기(64)의 간격 L은, 예를 들면, 100nm 이하인 것이 바람직하고, 또한, 50nm 이하라고 하면 보다 바람직하다.이유는 제 1 실시예에 있어서 설명한 것과 같다.
(전사 공정)
다음에 도22a 내지 도 22를 참조해서 전사 공정을 설명한다. 우선, 도22a에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 도전성 막(72)의 배선 패턴이 미리 형성된 피전사 기판(71)을 준비한다.
계속해서, 도22b에 나타낸 바와 같이, 원반(65)의 돌기(64)와 피전사 기판(71)의 도전성 막(72)을 대향시켜서 밀착시킨다. 이때, 전사 특성 향상을 위해, 필요에 따라 화살표 A 방향으로 가압하는 것이 바람직하다. 또한, 가열처리를 행하도록 하면, 전사 특성을 일층 양호하게 할 수 있으므로, 보다 바람직하다.
그후, 원반(65)을 피전사 기판(71)으로부터 떼어 놓으면, 도22c에 나타낸 것과 같이, 돌기(64)의 선단부가, 피전사 기판(71)에 전사된다. 이렇게 해서, 피전사 기판(71) 위에, 촉매금속(철)으로 이루어진 전사 패턴(73)이 형성된 기판(74)이 형성된다. 따라서, 한 장의 원반(65)으로부터 다수의 피전사 기판(71)에 돌기(64)의 패턴을 전사해서 기판(74)을 대량으로 제조 할 수 있다. 또한, 전사를 반복함으로써 돌기(64)가 마모했을 경우에는, 다시 용융 공정 및 돌기 형성 공정을 반복해서 돌기(64)의 형상을 회복시키는 것 등이 가능하다.
여기에서, 「돌기(64)의 선단부」란, 돌기(64)를 소재 기판(10)의 표면에 평행한 수평면 H(도23 및 도 24 참조)에서 절단했을 경우에, 돌기(64)의 선단을 포함하는 부분을 말한다. 따라서, 예를 들면, 도22c에 나타낸 바와 같이 돌기(64)의 선단만을 피전사 기판(71)에 전사해도 좋고, 도23에 나타낸 바와 같이 돌기(64) 전체를 피전사 기판(71)에 전사하도록 하여도 좋다. 혹은 도24에 도시한 바와 같이 돌기(64)의 선단 및 중턱에 걸친 부분을 피전사 기판(71)에 전사하도록 하여도 좋다. 이상으로부터, 촉매 배치공정이 완료한다.
(성장 공정)
피전사 기판(71)에 전사 패턴(73)을 형성해서 기판(74)을 제작한 뒤, 예를 들면, 도25에 나타낸 바와 같이, 이 전사 패턴(73)을 촉매로 하여 기판(74) 위에 카본 나노튜브(75)를 성장시켜, 복수의 카본 나노튜브(75)가 직선 모양으로 배열된 카본 나노튜브 구조체(76)를 형성 할 수 있다. 이렇게 도전성 막(72) 위에 형성된 카본 나노튜브 구조체(76)는, 전계 전자 방출소자로서 이용할 수 있다.
이렇게 본 변형예에서는, 촉매금속으로 이루어진 소재 기판(10)의 표면에 대하여 열 분포(11)를 주고, 소재 기판(10)의 표면을 용융시킨 뒤, 소재 기판(10)의 표면을 방열시키도록 했으므로, 원하는 위치에 촉매금속으로 이루어진 미세한 돌기(64)의 패턴을 가지는 원반(65)을 제작할 수 있다. 돌기(64)의 폭 W는, 용융 온도 및 냉각 속도를 제어함으로써 종래의 포토리소그래피 기술에서는 불가능했던 50nm 미만으로 하는 것이 가능하다. 또한, 열 분포(11)의 공간적 주기 T를 제어함에 의해 돌기(64)를 종래의 포토리소그래피 기술에서는 불가능했던 미세한 간격 L으로 형성하는 것이 가능하게 된다.
또한, 돌기(64)의 패턴을 가지는 원반(65)을 드라이 프로세스에 의해 형성할 수 있으므로, 종래의 포토리소그래피를 이용한 프로세스에 비교해서 생산이 용이하고, 재현성이 좋고, 저비용화가 가능한 등의 이점을 얻을 수 있다.
또한, 에너지 빔(12)을 회절시킴으로써 열 분포(11)를 주도록 했으므로, 회절격자(13)의 주기 간격 P를 미세화함에 의해 열 분포(11)의 공간적 주기 T를 용이하게 제어하여, 돌기(64)의 간격 L을 미세화할 수 있다.
또한, 본 변형예에서는, 돌기(64)의 적어도 선단부를 피전사 기판(71)에 전사함에 의해, 한 장의 원반(65)으로부터 다수의 피전사 기판(71)에 돌기(64)을 전사해서 기판(74)을 대량으로 제작하는 것이 가능하게 된다.
[변형예 5]
다음에, 도 26 또는 도31을 참조해서 변형예 5를 설명한다. 본 변형예는, 용융 공정에 있어서, 에너지 빔의 에너지 아동을 이차원 방향 즉 X 방향 및 Y 방향으로 변조시켜, 소재 기판(10)의 표면에 대하여 X 방향 열 분포(31X) 및 Y 방향 열 분포(31Y)를 주도록 한 것을 제외하고는, 변형예 4와 같다. 따라서, 이하의 설명을 간략화한다.
(용융 공정)
우선, 변형예 3과 같은 방법으로 용융 공정을 행한다. 여기에서, 소재 기판(10)은, 본 변형예에서는 금속촉매로서의 철(Fe)에 의해 구성되어 있다.
소재 기판(10)의 재료는, 카본 나노튜브를 형성하기 위한 금속촉매로서의 기능을 가지는 것이면 좋고, 그 구체적인 예는, 제 1 실시예에 있어서 제2의 물질로서 예시한 것과 같다.
(돌기 형성 공정, 원반제작 공정)
다음에 변형예 4와 같은 방법으로 돌기 형성 공정 및 원반제작 공정을 행한다. 이에 따라 도26에 나타낸 바와 같이, 소재 기판(10)의 표면에 이차원 방향으로 배열된 돌기(81)의 패턴을 가지는 원반(82)을 형성한다.
(전사 공정)
계속해서, 변형예 4와 같은 방법으로 전사 공정을 행하여, 도27에 나타낸 바와 같이, 피전사 기판(71) 위에, 촉매금속(철)으로 이루어진 전사 패턴(83)이 이차원 방향으로 배열된 기판(84)을 형성한다. 이상으로부터, 촉매 배치공정이 종료한다.
(성장 공정)
다음에 변형예 4와 같은 방법으로 성장 공정을 행하고, 도28에 나타낸 바와 같이, 전사 패턴(83)을 촉매로 하여, 기판(84) 위에 카본 나노튜브(85)를 성장시켜, 복수의 카본 나노튜브(85)가 이차원 방향으로 배열된 카본 나노튜브 구조체(86)를 형성한다.
도29는, 이렇게 하여 기판(84) 위에 형성된 카본 나노튜브 구조체(86)를 나타내는 현미경 사진(37.5배)이며, 이차원으로 분포되는 점 형태의 흰 부분은, 원반(82)의 돌기(81)로부터 전사된 전사 패턴(83)을 촉매로 하여, 기판(84) 위에 성장한 카본 나노튜브(85)에 대응하고 있다.
도30은, 도29의 흰 부분의 중앙 부근을 확대해서 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope; 주사형 전자현미경) 사진(5만배)이다. 도30도에서 알 수 있는 바와 같이, 흰 부분에는 카본 나노튜브가 성장하고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도31은, 도29에 있어서 희게 보이는 부분과 주위의 검게 보이는 부분과의 경계 부근을 확대해서 나타낸 SEM사진(5만배)이다. 도31로부터 알 수 있는 것과 같이, 흰 부분에는 카본 나노튜브가 성장하고 있는 것을 확인할 수 있지만, 검은 부분에는 카본 나노튜브의 존재는 확인되지 않는다.
이렇게 본 변형예에서는, 에너지 빔(12)의 에너지량을 이차원 방향으로 변조 시킴으로써 열 분포(33)를 형성하도록 했으므로, 이차원방향으로 배열된 돌기(81)의 패턴을 가지는 원반(82)을 제작 할 수 있다.
또한, 본 변형예에 있어서도, 돌기(81)의 선단부를 피전사 기판(71)에 전사하도록 하면, 한 장의 원반(82)으로부터 다수의 피전사 기판(71)에 돌기(81)을 전사해서 기판(84)을 대량으로 제작하는 것이 가능하게 된다.
[변형예 6]
다음에 도32a지 도34를 참조해서 변형예 6을 설명한다. 본 변형예는, 임의의 재질에 의해 구성된 기판에 대하여 변형예 4와 같은 방법으로 형성한 돌기의 표면에, 촉매금속 등의 전사 물질로 이루어진 피막을 형성하는 피막 형성 공정을 더욱 포함하도록 한 것이다.
(용융 공정 및 돌기 형성 공정)
우선, 예를 들면, 실리콘으로 이루어진 소재 기판(90)을 준비하고, 상기 변형예 4와 같은 방법으로 용융 공정 및 돌기 형성 공정을 행하여, 도32a에 나타낸 바와 같이, 소재 기판(90)의 표면에 돌기(91)의 패턴을 가지는 원반(92)을 제작한다.
(피막 형성 공정)
계속해서, 도32b에 나타낸 바와 같이, 돌기(91)의 표면에 피막(93)을 형성한다. 피막(93)은, 본 변형예에서는 금속촉매로서의 철(Fe)에 의해 형성되어, 돌기(91)를 포함하는 소재 기판(90)의 표면 전체에 걸쳐서 거의 균일한 두께로 형성되지만, 반드시 균일한 두께일 필요는 없다. 피막(93)의 두께는, 돌기(91)의 높이 및 치수에 따라 정할 수 있고, 본 실시예에서는 예를 들면, 5nm이다. 피막(93)은 예를 들면, 진공증착에 의해 형성할 수 있다.
피막(93)의 재료인 전사 물질은, 카본 나노튜브를 형성하기 위한 금속촉매로서의 기능을 가지는 것이면 좋고, 그 구체적인 예는, 상기 제1 실시예에 있어서 제2 물질로서 예시한 것과 같다.
(전사 공정)
다음에 도33a에 나타낸 바와 같이, 원반(92)의 돌기(91)와 피전사 기판(71)의 도전성 막(72)을 대향시켜서 밀착시킨다. 이때, 전사 특성 향상을 위해, 화살표 A 방향으로 가압 혹은 가열처리를 행하는 것이 바람직한 것은, 전술의 변형예 4와 같다.
그후, 원반(92)을 피전사 기판(71)으로부터 떼어 놓으면, 도33b에 나타낸 것과 같이, 예를 들면, 돌기(91)의 선단부를 덮는 피막(93)을 구성하는 금속촉매로서의 철(Fe)이, 피전사 기판(71)에 전사된다. 이렇게 해서, 피막(93)과 동일한 재료로 이루어진 전사 패턴(94)을 가지는 기판(95)이 형성된다. 따라서, 한 장의 원반(92)으로부터 다수의 피전사 기판(71)에 피막(93)을 전사해서 기판(95)을 대량으로 제조할 수 있다. 또한, 전사를 반복함으로써 피막(93)이 마모했을 경우에는, 다시 피막 형성 공정을 반복해서 돌기(91)의 표면에 새로운 피막을 형성하는 것 등이 가능하다. 그 때, 잔존하는 피막(93)은, 제거하고 나서 새로운 피막을 형성해도 좋고, 잔존하는 피막(93) 위에 새로운 피막을 포개서 형성해도 좋다.
여기에서, 「선단부」의 의미 및 그 구체적인 예에 대해서는, 변형예 4에 있어서 도23 및 도24을 참조해서 설명한 것과 같다.
이상으로부터, 촉매 배치공정이 완료한다.
(성장 공정)
피전사 기판(71)에 전사 패턴(94)을 형성한 뒤, 예를 들면, 도34에 나타낸 바와 같이, 이 전사 패턴(94)을 촉매로 하여, 기판(95) 위에 카본 나노튜브(96)를 성장시켜, 복수의 카본 나노튜브(96)가 직선 모양에 배열된 카본 나노튜브 구조체(97)를 형성 할 수 있다.
이렇게 본 변형예에서는, 돌기(91)의 표면에 피막(93)을 형성하도록 했으므로, 피막(93)만을 금속촉매 등의 전사 물질에 의해 형성하면 좋다. 따라서, 소재기판(90)의 재료는 임의이며, 용도에 따라 선택의 범위를 넓힐 수 있다. 또한, 본 변형예에서도, 피막(93)으로 덮인 돌기(91)의 선단부를 피전사 기판(71)에 전사하면, 한 장의 원반(92)으로부터 다수의 피전사 기판(91)에 피막(93)을 전사해서 기판(95)을 대량으로 제조할 수 있다.
[변형예 7]
계속해서, 도35a 내지 도35c를 참조해서 변형예 7을 설명한다. 본 변형예는, 변형예 4의 「전사 공정」에 있어서, 원반(65)과 피전사 기판(71)과의 상대적 위치를 비켜 놓아서 원반(65)의 패턴을 피전사 기판(71)에 여러번 전사시키도록 한 것이다.
우선, 도35a에 나타낸 바와 같이, 변형예 4에 있어서 도22a 내지 도22c를 참조해서 설명한 바와 같이 해서 1회째의 전사를 행하여, 피전사 기판(71)에 제1 전사 패턴(101A)을 형성한다.
다음에 도35b에 나타낸 바와 같이, 원반(65)과 피전사 기판(71)과의 상대적 위치를, 예를 들면, 돌기(64)의 간격 L의 2분의 1만큼 비켜 놓고, 2회째의 전사를 행한다. 그후, 원반(65)을 피전사 기판(71)으로부터 떼어 놓으면, 도35c에 나타낸 바와 같이, 제1 전사 패턴(101A)의 중간의 위치에 제2 전사 패턴(101B)이 형성된다. 이렇게 하여, 제1 전사 패턴(101A)과 제2 전사 패턴(101B)으로 이루어지는 전사 패턴(101)을 가지는 기판(102)을 얻을 수 있다.
본 변형예에서는, 원반(65)과 피전사 기판(71)과의 상대적 위치를 비켜 놓아서 원반(65)의 패턴을 피전사 기판(71)에 여러번 전사시키도록 했으므로, 제1 실시예보다도 더욱 미세한 전사 패턴(101)을 가지는 기판(102)을 대량으로 제조 할 수 있다.
또한, 본 변형예에서는, 전사를 2회 행하도록 했지만, 전사 회수는 더욱 늘려도 좋다. 또한, 그 경우에는, 원반(65)과 피전사 기판(71)과의 상대적 위치를, 전사 회수에 따라 조정하는 것이 바람직하다.
또한, 본 변형예에서는, 원반(65)과 피전사 기판(71)과의 상대적 위치를, 예를 들면, 돌기(64)의 간격 L의 2분의 1만큼비켜 놓고, 2회째의 전사를 행하고, 제1 전사 패턴(101A)과 제2 전사 패턴(101B)이 전체로서 같은 간격으로 형성되도록 했지만, 제1 전사 패턴(101A)과 제2 전사 패턴(101B)과의 간격은 반드시 균등할 필요는 없다.
[변형예 8]
다음에 도36a 내지 도37을 참조해서 변형예 8을 설명한다. 본 변형예는, 임의의 재질에 의해 구성된 소재 기판에 대하여 변형예 4와 같은 방법으로 형성한 돌기에, 촉매금속 등으로 이루어진 금속기판을 눌러 덮어, 돌기의 선단에 촉매금속을 부착되게 하도록 한 것이다.
(용융 공정 및 돌기 형성 공정)
우선, 예를 들면, 실리콘으로 이루어진 소재 기판(110)을 준비하고, 상기 변형예 4와 같은 방법으로 용융 공정 및 돌기 형성 공정을 행하여, 도36a에 나타낸 바와 같이, 소재 기판(110)의 표면에 돌기(111)의 패턴을 형성한다.
(부착 공정)
계속해서, 도36b에 나타낸 바와 같이, 소재 기판(110)의 돌기(111)와, 금속촉매로서의 철에 의해 형성된 금속기판(120)을 대향시켜서 밀착시킨다. 이에 따라 도36c에 나타낸 바와 같이, 금속기판(120)을 구성하는 철이, 돌기(111)의 선단부에 부착되고, 금속기판(120)과 동일한 재료로 이루어진 부착 패턴(112)을 가지는 기판(113)이 형성된다. 이때, 부착 특성 향상을 위해, 가압 혹은 가열처리를 행하는 것이 바람직한 것은, 전술의 변형예 4와 같다.
금속기판(120)의 재료는, 카본 나노튜브를 형성하기 위한 금속촉매로서의 기능을 가지는 것이면 좋고, 그 구체적인 예는, 상기 제1 실시예에 있어서 제2 물질로서 예시한 것으로 같다.
이상으로부터, 촉매 배치공정이 완료한다.
(성장 공정)
부착 패턴(112)을 가지는 기판(113)을 형성한 뒤, 예를 들면, 도37에 나타낸 바와 같이, 이 부착 패턴(112)을 촉매로 하여, 기판(113) 위에 카본 나노튜브(114)를 성장시켜, 복수의 카본 나노튜브(114)가 직선 모양으로 배열된 카본 나노튜브 구조체(115)를 형성 할 수 있다.
이렇게 본 변형예에서는, 돌기(111)와 금속기판(120)을 대향시켜서 밀착시켜, 돌기(111)의 선단부에 금속기판(120)과 동일한 재료로 이루어진 부착 패턴(112)을 형성하도록 했으므로, 금속촉매로 이루어지는 부착 패턴(112)을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 소재 기판(110)의 재료는 임의이며, 용도에 따라 선택의 범위를 넓힐 수 있다.
또한, 본 변형예에서도, 부착 패턴(112)이 형성된 기판(113)을 원반으로서, 돌기(111)의 선단부에 부착된 부착 패턴(112)을 피전사 기판(71)에 전사함에 의해, 한 장의 원반으로부터 다수의 피전사 기판(71)에 부착 패턴(112)을 전사해서 기판을 대량으로 제조 할 수 있다.
[변형예 9]
다음에 도38 내지 도40을 참조해서 변형예 9을 설명한다. 본 변형예는, 촉매 배치공정으로서, 소재 기판(10)의 표면에 원하는 패턴에 따라 변조된 열 분포(11)을 주어, 소재 기판(10)의 표면을 용융시키는 「용융 공정」과, 소재 기판(10)의 표면을 방열시킴으로써, 열 분포(11)에 따른 위치에, 즉 원하는 패턴으로 돌기를 형성하는 「돌기 형성 공정」과, 돌기의 표면을 평탄화하는 「평탄화 공정」을 포함하는 것이다. 그후, 평탄화된 돌기의 상면에 카본 나노튜브를 성장시키는 「성장 공정」을 행한다.
(용융 공정)
우선, 상기 변형예 2와 같은 방법으로 용융 공정을 행한다. 여기에서, 소재 기판(10)은 본 변형예에서는 금속촉매로서의 철(Fe)에 의해 구성되어 있다.
소재 기판(10)의 재료는, 카본 나노튜브를 형성하기 위한 금속촉매로서의 기능을 가지는 것이면 좋고, 그 구체적인 예는, 제1 실시예에 있어서 제2 물질로서 예시한 것과 같다.
(돌기 형성 공정)
용융 공정에 있어서 소재 기판(10)의 표면을 용융시킨 뒤, 에너지 빔(12)의 조사를 중지하면, 소재 기판(10)의 표면의 온도는 서서히 저하해서 응고하지만, 이때, 용융 공정에 있어서 조사된 에너지 빔(12)의 에너지량이 일정값을 초과하고 있을 경우에는, 도38에 나타낸 바와 같이, 고온 영역(11H)에 대응하는 위치에, 소재 기판(10)의 표면으로부터 융기한 돌기(134)가 형성된다.
돌기(134)는, 고온 영역(11H)이 홈(13A)에 대응해서 일차원 방향으로 배열된 직선 모양이므로, 이것에 대응하여, 일차원 방향으로 배열된 직선 모양의 리브(돌출조)의 패턴으로서 형성된다. 돌기(134)의 폭(선폭) W, 즉 열 분포(11)의 변조 방향에 있어서의 돌기(134)의 하단부의 치수는, 용융 온도 및 냉각 속도에 의해 정해진다. 용융 온도는, 에너지빔(12)의 에너지량, 즉 엑시머레이저의 경우에는 펄스조사 회수에 의해 제어할 수 있고, 용융 온도가 높을수록, 돌기(134)의 폭 W는 커진다. 냉각 속도는, 상기한 바와 같이, 소재 기판(10) 또는 소재 기판(10)의 홀더를 진공중 또는 가스 분위기중에 배치하는 방법, 가스 플로우에 의한 방법, 물 또는 액체질소 중에 냉각하는 방법, 혹은 가열하면서 천천히 냉각하는 방법 등에 의해 제어할 수 있고, 냉각 속도가 빠를수록 돌기(134)의 폭 W는 커진다. 돌기(134)의 폭 W는, 원리적으로는 소재 기판(10)의 구성 물질의 원자의 크기보다 큰 임의의 값을 취할 수 있는 것이며, 용융 온도 및 냉각 속도를 제어함에 의해 종래의 포토리소그래피 기술에서는 불가능했던 50nm 미만을 실현 할 수 있다.
돌기(134)의 폭 W의 구체적인 값은, 후술하는 기판의 용도에 의해 정해지지만, 예를 들면, 카본 나노튜브를 형성하는 경우에는, 돌기(134)의 폭 W는, 0.4nm 이상 50nm 미만인 것이 바람직하고, 0.4nm 이상 30nm 이하이면 보다 바람직하고, 0.4nm 이상 10nm 이하이면 더욱 바람직하다. 이유는 제1 실시예에 있어서 설명한 것과 같다.
또한, 돌기(134)의 간격 L, 즉 열 분포(11)의 변조 방향에 있어서의 돌기(134)의 간격(피치)은, 열 분포(11)의 공간적 주기 T에 따라, 즉 회절격자(13)의 주기 간격 P 및 에너지 빔(12)의 파장 λ에 따라 정해진다. 파장 λ를 작게 할수록, 또는, 주기 간격 P를 미세하게 할수록 돌기(134)의 간격 L을 미세화 할 수 있고, 종래의 포토리소그래피에서는 불가능한 미세한 간격 L에서 돌기(134)을 형성 하는 것이 가능하다. 돌기(134)의 간격 L은, 예를 들면, 100nm 이하인 것이 바람직하고, 또한, 50nm 이하로 하면 보다 바람직하다. 이유는 제1 실시예에 있어서 설명한 것과 같다.
(평탄화 공정)
다음에 도39a에 나타낸 바와 같이, 돌기(134)의 주위의 오목부(135)에, 매립층(136)을 형성한다. 이 매립층(136)은, 후술하는 바와 같이 CMP에서 돌기(134)의 상면을 평탄화할 때의 평탄화층으로서 사용할 수 있는 것이며, 예를 들면, 이산화규소를, SOG에 의해 도포함에 의해, 또는 CVD법등에 의해 형성된다. 또, 매립층(136)의 재료는, 전술한 이산화규소의 이외에, 질화 규소, 폴리이미드, PMMA, 금속산화막 등의 절연체 재료,혹은 실리콘, 게르마늄 등의 반도체 재료를 이용하여도 좋다.
또한, 매립층(136)의 두께는, 돌기(134)를 전부 덮도록 형성해도 좋고, 돌기(134)의 일부, 예를 들면, 최선단 부분이 매립층(136)으로부터 돌출하도록 형성해도 좋다.
계속해서, 도39b에 나타낸 바와 같이, 돌기(134)및 매립층(136)을 예를 들면 CMP에 의해 연마하고, 돌기(134)의 상면(134A) 및 매립층(136)의 상면(136A)를 평탄화한다. 이에 따라 평탄화된 상면(134A)를 가지는 돌기(134)와, 돌기(134)의 측면을 덮는 동시에 돌기(134)의 상면(134A)를 노출시키는 매립층(136)을 가지는 기판(137)을 얻을 수 있다.
평탄화된 상면(134A)의 폭 Wa는, 돌기(134)의 폭 W의 취할 수 있는 값의 범위 내에서, CMP에 의한 연마 시간에 의해 제어 할 수 있다. 즉, 돌기(134)는 선단이 됨에 따라 단면적이 작아지고 있으므로, CMP에 의한 연마 시간을 길게 할수록 상면(134A)의 폭 Wa는 커진다. 또, 돌기(134)의 간격 L는, 평탄화의 전후를 통해서 동일하다.
따라서, 돌기(134)의 상면(134A)을 평탄화함에 의해, 상면(134A)의 폭 Wa를, 돌기(134)의 폭 W와 마찬가지로, 종래의 포토리소그래피 기술에서는 불가능했던 50nm 미만으로 하는 동시에, 상면(134A)의 면적 및 형상의 격차를 적게 하여, 높이를 균일하게 할 수 있다. 이상으로부터, 촉매 배치공정이 완료한다.
(성장 공정)
돌기(134)의 상면(134A)을 평탄화한 뒤, 예를 들면, 도40도에 나타낸 바와 같이, 이 상면(134A)에 노출한 철을 촉매로 하여 기판(137) 위에 카본 나노튜브(138)를 성장시켜, 복수의 카본 나노튜브(138)가 직선 모양으로 배열된 카본 나노튜브 구조체(139)를 형성 할 수 있다.
이렇게 본 변형예에서는, 소재 기판(10)의 표면에 대하여 열 분포(11)을 주고, 소재 기판(10)의 표면을 용융시킨 뒤, 소재 기판(10)의 표면을 방열시킴으로써, 열 분포(11)에 따른 위치에 돌기(134)의 패턴을 형성하고, 그 뒤 돌기(134)의 상면(134A)를 평탄화하도록 했으므로, 용융 온도 및 냉각 속도를 제어함에 의해, 돌기(134)의 폭 W 및 상면(134A)의 폭 Wa를, 종래의 포토리소그래피 기술에서는 불가능했던 50nm 미만으로 하는 것이 가능해 진다. 또한, 열 분포(11)의 공간적 주기 T를 제어함에 의해 돌기(134)를 종래의 포토리소그래피 기술에서는 불가능했던 미세한 간격 L로 형성 할 수 있다.
또한, 돌기(134)의 패턴을 가지는 기판(137)을 드라이프로세스에 의해 형성 할 수 있으므로, 종래의 포토리소그래피를 이용한 프로세스에 비교해서 생산이 용이하고, 재현성이 좋으며, 저비용화가 가능한 등의 이점을 얻을 수 있다.
또한, 에너지 빔(12)을 회절시킴으로써 열 분포(11)을 주도록 했으므로, 회절격자(13)의 주기간격 P를 미세화함에 의해 열 분포(11)의 공간적 주기 T를 용이하게 제어하고, 돌기(134)의 간격 L을 미세화할 수 있다.
또한, 본 변형예에서는, 돌기(134)의 상면(134A)를 평탄화하도록 했으므로, 상면(134A)의 폭 Wa를, 돌기(134)의 폭 W와 마찬가지로, 종래의 포토리소그래피 기술에서는 불가능했던 50nm 미만으로 하는 동시에, 상면(134A)의 면적 및 형상의 격차를 적게 하여, 높이를 균일하게 할 수 있다.
[변형예 10]
다음에 본 발명의 변형예 10에 관하여 설명한다. 본 변형예는, 상기 변형예 9에서 얻어진 기판(137)을 원반으로 하고, 그 돌기의 패턴을, 다른 피전사 기판에 전사하는 상면 전사 공정을 더 포함하도록 한 것이다.
(용융 공정, 돌기 형성 공정 및 평탄화 공정)
우선, 도41에 나타낸 바와 같이, 상면이 평탄화된 돌기를 가지는 전사용 원반(이하, 원반이라고 한다)(140)을 제작한다. 원반(140)은, 상기 변형예 9의 기판(137)과 마찬가지로, 용융 공정, 돌기 형성 공정 및 평탄화 공정을 행함으로써 형성한다. 즉, 소재 기판(10)에 돌기(134) 및 매립층(136)을 형성하고, 돌기(134)의 상면(134A) 및 매립층(136)의 상면(136A)를 평탄화한다.
(상면 전사 공정)
다음에 도42a에 나타낸 바와 같이, 변형예 4와 같은 피전사 기판(71)을 준비하고, 원반(140)의 돌기(134)의 상면(134A)과 피전사 기판(71)의 도전성 막(72)을 대향시켜서 밀착시킨다. 이때, 전사 특성 향상을 위해, 필요에 따라서 화살표 A 방향으로 가압하는 것이 바람직하다. 또한, 가열처리를 행하도록 하면, 전사 특성을 일층 양호하게 할 수 있으므로, 보다 바람직하다.
그후, 원반(140)을 피전사 기판(71)으로부터 떼어 놓으면, 도42b에 나타낸 바와 같이, 돌기(134)의 상면(134A)의 패턴이, 피전사 기판(71)에 전사된다. 이렇게 해서, 피전사 기판(71) 위에 철로 이루어진 전사 패턴(151)을 가지는 기판(152)이 형성된다. 따라서, 한 장의 원반(140)으로부터 다수의 피전사 기판(71)에 돌기(134)의 상면(134A)를 전사해서 기판(152)을 대량으로 제조 할 수 있다. 또한, 돌기(134)의 상면(134A)는, 평탄화 공정에 의해 면적 및 형상의 격차가 적고, 높이가 균일하게 되어 있으므로, 전사 패턴(141)의 면적 및 형상의 격차가 적어진다. 따라서, 미세한 전사 패턴(151)을 고정밀도로 형성 할 수 있다. 또한, 전사를 반복함으로써 돌기(134)이 마모된 경우에는, 다시 평탄화 공정의 연마를 반복해서 돌기(134)의 상면(134A)의 형상을 회복시키는 것 등이 가능하다.
이상으로부터, 촉매 배치공정이 완료한다.
(성장 공정)
피전사 기판(71)에 전사패턴(151)을 형성해서 기판(152)을 형성한 뒤, 예를 들면, 도43에 나타낸 바와 같이, 이 전사 패턴(151)을 촉매로 하여 기판(152) 위에 카본 나노튜브(153)을 성장시켜, 복수의 카본 나노튜브(153)가 직선모양에 배열된 카본 나노튜브 구조체(154)를 형성 할 수 있다. 도전성 막(72) 위에 형성된 카본 나노튜브 구조체(154)는, 전계 전자 방출소자로서 이용 할 수 있다.
이렇게 본 실시예에서는, 돌기(134)의 상면(134A)를 피전사 기판(71)에 전사하도록 했으므로, 한 장의 원반(140)으로부터 다수의 피전사 기판(71)에 돌기(134)의 상면(134A)를 전사해서 기판(152)을 대량으로 제조 할 수 있다. 또한, 돌기(134)의 상면(134A)는, 평탄화 공정에 의해 면적 및 형상의 격차가 적고, 높이가 균일하게 되어 있으므로, 전사 패턴(151)을 고정밀도로 형성 할 수 있다.
[변형예 11]
다음에 변형예 10에 관하여 설명한다. 본 변형예는, 상기 변형예 9와 같은 방법으로 소재 기판(10)의 표면에 돌기의 패턴을 형성한 뒤, 이 돌기의 최선단 부분 이외의 표면에, 카본 나노튜브의 성장을 억제하는 억제층을 형성하도록 한 것이다. 즉, 본 변형예는, 촉매 배치공정으로서, 소재 기판(10)의 표면에 원하는 패턴에 따라 변조된 열 분포(11)을 주고, 소재 기판(10)의 표면을 용융시키는 「용융 공정」과, 소재 기판(10)의 표면을 방열시킴으로써, 열 분포(11)에 따른 위치에, 즉 원하는 패턴으로 돌기를 형성하는 「돌기 형성 공정」과, 돌기의 최선단 부분 이외의 표면에, 카본 나노튜브의 성장을 억제하는 억제층을 형성하는 「억제층 형성공정」을 포함하는 것이다. 그후, 억제층으로 덮어져 있지 않은 돌기의 최선단 부분에 카본 나노튜브를 성장시키는 「성장 공정」을 행한다.
(용융 공정 및 돌기 형성 공정)
우선, 상기 변형예 9와 같은 방법으로 용융 공정 및 돌기 형성 공정을 행하여, 도38에 나타낸 바와 같이, 소재 기판(10)의 표면에 돌기(134)의 패턴을 형성한다.
(억제층 형성공정)
다음에 도44에 나타낸 바와 같이, 돌기(134)의 최선단 부분(134B) 이외의 표면에, 억제층(161)을 형성한다. 이 억제층(161)은, 후술하는 성장 공정에 있어서 돌기(134)의 측면으로부터 카본 나노튜브가 성장 는 것을 억제하고, 카본 나노튜브의 성장하는 영역을 한정하는 것이며, 예를 들면, 이산화규소를, SOG에 의해 도포 함에 의해, 또는 CVD법 등에 의해 형성된다. 또, 억제층(161)의 재료로서는, 변형예 9의 매립층(136)과 마찬가지로, 전술한 이산화규소 이외에, 질화 규소, 폴리이미드, PMMA, 금속산화막 등의 절연체 재료, 혹은 실리콘, 게르마늄 등의 반도체 재료를 이용하여도 좋다. 특히, 억제층(161)의 재료로서 절연체 재료를 사용했을 경우에는, 돌기(134)의 최선단 부분(134B)의 주변이 절연체 재료로 이루어진 억제층(161)으로 채워지므로, 카본 나노튜브의 주변에 절연물이 존재하지 않는 경우에 비교하여, 보다 높은 전계를 카본 나노튜브에 집중시킬 수 있다.
이상으로부터, 촉매 배치공정이 완료하여, 돌기(134)의 최선단 부분(134B) 이외의 표면에 억제층(161)이 형성된 기판(162)이 형성된다.
(성장 공정)
기판(162)을 형성한 뒤, 예를 들면, 도45에 나타낸 바와 같이, 돌기(134)의 최선단 부분(134B)에 노출한 철을 촉매로 하여 카본 나노튜브(163)를 성장시켜, 복수의 카본 나노튜브(163)가 직선 모양에 배열된 카본 나노튜브 구조체(164)를 형성할 수 있다.
이렇게 본 변형예에서는, 돌기(134)의 최선단 부분(134B) 이외의 표면에 억제층(161)을 형성하도록 했으므로, 돌기(134)의 최선단 부분(134B)에만 카본 나노튜브(163)를 성장시킬 수 있다.
≪전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 표시장치의 제조 방법≫
[제5 실시예]
다음에 도46 내지 도49를 참조하여, 본 발명의 제5 실시예에 관련되는 전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 표시장치의 제조 방법에 관하여 설명한다. 본 실시예의 방법은, 카본 나노튜브를 사용한 음극을 가지는 전계 전자 방출소자를 형성하는 것이며, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 카본 나노튜브의 촉매 기능을 가지는 금속을 배치하는 「촉매 배치공정」과, 카본 나노튜브를 성장시켜서 음극을 형성하는 「음극 형성공정 」을 포함하는 것이다. 얻어진 전계 전자 방출소자는, 또한, 기판의 표면에, 촉매 배치공정에서 배치된 금속을 회피해서 분리 홈을 형성하는 「분리 홈 형성 공정」을 경과하여, 예를 들면, FED의 캐소드 패널로서 이용된다.
촉매 배치공정은, 제1 실시예에서 설명한 촉매 배치공정과 동일해서, 소재 기판(10)의 표면에 원하는 패턴에 따라 변조된 열 분포(11)을 주어, 소재 기판(10)의 표면을 용융시키는 「용융 공정」과, 소재 기판(10)의 표면을 방열시킴으로써, 열 분포(11)에 따른 위치에, 즉 원하는 패턴으로 제2 물질을 석출시키는 「석출 공정」을 포함하고 있다. 또한, 음극 형성공정은, 제1 실시예에서 설명한 통 형상 탄소 분자의 제조 방법에 있어서의 성장 공정과 실질적으로 동일한 것이다. 따라서, 대응하는 구성요소에는 동일한 부호를 부착해서 설명한다. 또한, 제1 실시예와 제조공정이 중복하는 부분에 대해서는, 도1 또는 도3를 참조해서 설명한다.
(촉매 배치공정)
우선, 용융 공정에 있어서, 도 1에 나타낸 공정에 의해, 소재 기판(10)에 대하여 변조된 열 분포(11)을 준다. 다음에, 석출 공정에 있어서, 도2에 나타낸 공정에 의해, 열 분포(11)의 고온 영역(11H)에 대응하는 위치에 제2 물질을 석출시켜, 거의 평면형의 석출 영역(14)을 형성한다. 이상으로부터, 촉매 배치공정이 완료하여, 소재 기판(10)에 석출 영역(14)을 가지는 기판(15)이 형성된다.
(음극 형성공정)
계속해서, 도3에 나타낸 공정에 의해, 기판(15) 위에, CVD법에 의해 복수의 카본 나노튜브(16)를 성장시킨다. 이에 따라 도46에 나타낸 바와 같이, 석출영역(14)의 패턴대로 카본 나노튜브(16)가 직선 모양으로 배열된 음극(170)이 형성된다. 카본 나노튜브(16)의 직경은, 원료가 되는 탄소 화합물의 종류와, 성장 조건의 설정에 의해 정하는 것이 가능하다. 1개의 음극(170)에 포함되는 카본 나노튜브(16)의 수는, 적으면 적을수록 바람직하다. 전계가 보다 집중하기 쉬워지기 때문이다.
(분리 홈 형성 공정)
계속해서, 도47 및 도48을 참조해서 분리 홈 형성 공정을 설명한다. 분리 홈 형성 공정은, 기판(15)의 표면에 분리 홈을 형성함으로써, 음극(170)을 서로 분리하는 것이다.
우선, 제47도에 나타낸 바와 같이, 기판(15)의 표면에 대하여, 에너지 빔(12)을 회절격자(13)로 회절시킨 열 분포(11)을, 용융 공정과는 180도 다른 위상으로 준다. 즉, 기판(15)과 회절격자(13)의 상대적인 위치를, 용융 공정에 있어서의 위치보다도, 카본 나노튜브(16)의 열의 간격(피치)의 반 정도 비켜 놓음으로써, 열 분포(11)의 고온 영역(11H)이, 카본 나노튜브(16)의 열의 중간의 위치에 형성되도록 한다.
에너지 빔(12)의 에너지량은, 고온 영역(11H)에 있어서 기판(15)의 표면이 절삭(어브레이젼;ablation)되도록 설정된다. 이에 따라 도48에 나타낸 바와 같이, 평행선 형태의 분리 홈(180)이, 카본 나노튜브(16)가 형성되어 있는 위치를 회피하고, 그 중간의 위치에 형성된다. 이때, 카본 나노튜브(16)가 형성되어 있는 위치는 저온 영역(11L)에 대응하므로, 에너지빔(12)의 에너지량은 낮아, 카본 나노튜브(16)의 온도는 예를 들면, 400도 이하로 억제할 수 있다. 따라서, 카본 나노튜브(16)가 열 분포(11)에 의한 악영향을 받을 일은 없다.
또한, 지지체(10A)를 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(A1203), 플라스틱 혹은 유리 등의 절연체 재료에 의해 구성하는 동시에 분리 홈(180)을 형성할 때에 소재 기판(10)을 완전하게 절삭하도록 하면, 음극(170)을 분리 홈(180)에 의해 전기적으로 분리할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 분리 홈(180)을 지지체(10A)에도 물리도록 형성하면, 음극(170)을 더 확실하게 전기적으로 분리할 수 있으므로 바람직하다.
이상으로부터, 기판(15)과, 이 기판(15)에 원하는 패턴으로 배치된 카본 나노튜브(16)를 가지는 복수의 음극(170)과, 기판(15)의 표면에 형성되어, 음극(170)을 서로 분리하는 분리 홈(180)을 구비한 전계 전자 방출소자를 얻을 수 있다. 음극(170)은, 예를 들면, 직선 모양으로 배열된 카본 나노튜브(16)를 각각 일렬씩 가지고 있다.
(FED)
도49는, 이러한 전계 전자 방출소자를 사용한 FED의 개략적인 구성을 나타내는 것이다. 이 FED는, 캐소드 패널(200)과 애노드 패널(300)이 대향배치되어서 일체화되고, 내부가 고진공 상태로 되어 있다.
캐소드 패널(200)은, 전술한 음극(170)이 형성된 기판(15)에 의해 구성되어 있다. 캐소드 패널(200)은, 필요한 화면의 치수 및 기판(15)의 크기에 따라, 복수의 기판(15)을 복합한 것을 사용하는 것도 가능하다. 음극(170)은, 빨강(R; Red)용의 캐소드 전극(210R), 초록(G; Green)용의 캐소드 전극(210G) 및 파랑(B; Blue)용의 캐소드 전극(210B)을 거쳐서, 데이터 드라이버(220)에 접속되어 있다. 캐소드 전극(210R,210G,210B)으로서는, 분리 홈(180)에 의해 절단된 소재 기판(10)을 이용해도 좋고, 별도 배선을 설치하더라도 좋다.
애노드 패널(300)은, 유리 재료 등으로 이루어진 투명기판(310)에, R용의 애노드 전극 320R, G용의 애노드 전극 320G 및 B용의 애노드 전극 320B가, 1화소 단위로 교대로 배열된 구성을 가지고 있다. 애노드 전극(320R,320G,320B)은, 각 캐소드 전극(210R,210G,210B)에 대하여 직교배치되어 있다. 또한, 애노드 전극(320R,320G,320B)에는, 스캔 드라이버(340)가 접속되어 있다. 애노드 전극(320R,320G,320B)의 투명기판(310)측의 표면에는, R용의 형광체막 330R, G요의 형광체막 330G 및 B용의 형광체막 330B가 각각 형성되어 있다.
이 FED에서는, 예를 들면, 애노드 전극(320R,320G,320B)과 캐소드 전극(210R,210G,210B) 사이에 선택적으로 전압을 인가하면, 그 교점에 위치하는 음극(170)에 있어서 전계 전자 방출이 발생하여, 전자 e-가 애노드 전극(320R,320G,320B)을 향해서 방출된다. 음극(170)으로부터 방출된 전자 e-는, 애노드 전극(320R,320G,320B)에 설치된 도면에 나타나 있지 않은 미세한 구멍을 통과해서 형광체막(330R,330G,330B)에 충돌하여, 형광체를 발광시킨다. 이 형광체의 발광에 의해, 원하는 화상표시가 행해진다. 여기에서는, 음극(170)의 카본 나노튜브(16)가, 종래의 포토리소그래피에서는 불가능한 미세한 폭 W 및 간격 L로 석출한 철로 이루어진 석출 영역(14)에 형성되어 있으므로, 보다 고정밀한 화상이 선명하게 표시된다.
이렇게 본 실시예에서는, 카본 나노튜브(16)를 형성하기 위한 촉매 기능을 가지는 철로 이루어진 석출 영역(14)의 패턴을, 변조된 열 분포(11)에 의한 용융을 이용해서 배치형성하고, 이 석출 영역(14)의 패턴을 이용하여 카본 나노튜브(16)를 성장시켜서 음극(170)을 형성하도록 했으므로, 열 분포(11)를 제어함에 의해, 종래의 포토리소그래피에서는 불가능했던 미세한 폭 W 및 간격 L을 가지는 석출 영역(14)의 패턴을 형성하고, 이 석출 영역(14)의 패턴대로 카본 나노튜브(16)가 규칙바르게 배열된 음극(170)을 얻을 수 있다. 따라서, 이 음극(170)을 가지는 전계 전자 방출소자를 이용하여, 보다 고정밀한 화상을 선명하게 표시할 수 있는 화인 피치의 FED를 실현 할 수 있다.
또한, 석출 영역(14)의 패턴을 가지는 기판(15)을 드라이프로세스에 의해 형성할 수 있으므로, 종래의 포토리소그래피를 이용한 프로세스에 비교해서 생산이 용이하고, 재현성이 좋으며, 저비용화가 가능한 등의 이점을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 첨가재로서 철을 포함하는 실리콘으로 이루어지는 소재 기판(10)의 표면에 대하여 열 분포(11)을 주어, 소재 기판(10)의 표면을 용융시킨 뒤, 소재 기판(10)의 표면을 방열시키도록 했으므로, 열 분포(11)에 따른 위치에 선택적으로 철을 석출시켜, 거의 평면형의 석출 영역(14)으로 이루어지는 패턴을 형성할 수 있다.
덧붙여, 본 실시예에서는, 에너지 빔(12)을 회절시킴으로써 열 분포(11)를 주도록 했으므로, 회절격자(13)의 주기 간격 P를 미세화 함에 의해 열 분포(11)의 공간적 주기 T를 용이하게 제어하여, 석출 영역(14)의 간격 L을 정밀도 좋게 미세화할 수 있다.
덧붙여, 본 실시예에서는, 기판(15)의 표면에, 카본 나노튜브(16)를 회피해서 분리 홈(180)을 형성하도록 했으므로, 분리 홈(180)에 의해 음극(170)이 서로 분리되어, FED의 캐소드 패널(200)로서 이용할 때에, 각 음극(170)에 데이터 드라이버(220)를 접속해서 선택적으로 전압을 인가할 수 있다.
더욱 또한, 분리 홈(180)을, 에너지 빔(12)을 회절시킴으로써 열 분포(11)를 주어서 형성하도록 했으므로, 미세한 간격으로 형성된 카본 나노튜브(16)의 열의 중간의 위치에, 정밀도 좋게 분리 홈(180)을 형성할 수 있다. 또한, 일반적인 레이저 어블레이션보다도 단시간에 복수의 분리 홈(180)을 형성 할 수 있아, 카본 나노튜브(16)에 열에 의한 악영향을 미치게 하는 일도 없다.
[변형예 12]
다음에 도50을 참조하여, 상기 제5 실시예의 변형예 12에 관하여 설명한다. 본 변형예는, 분리 홈(180)을, 카본 나노튜브(16)의 복수열마다, 예를 들면, 2열마다 형성하고, 복수의 음극(170)이, 카본 나노튜브(16)를 각각 2열씩 가지도록 한 것이다. 도면에는 나타내지 않았지만, 같은 방법으로 카본 나노튜브(16)의 3열마다, 4열마다 분리 홈(180)을 형성하는 것도 가능한 것은 말할 필요도 없다.
이러한 복수열마다의 분리 홈(180)은, 기판(15)의 표면에 제공하는 열 분포(410)의 공간적 주기를, 예를 들면, 용융 공정에 있어서의 열 분포(11)의 공간적 주기 T의 정수배(nT; n은 양의 정수 또한, n≥2)가 되도록 함으로써 형성할 수 있다. 이렇게 공간적 주기를 제어하는 것은, 예를 들면, 분리 홈 형성 공정에 있어서 사용하는 회절격자(430)의 주기 간격을, 용융 공정에 있어서의 회절격자(13)의 주기 간격 P의 정수배(nP; n은 양의 정수 또한, n≥2)로 설정함으로써 가능하다. 또한, 에너지 빔(12)의 파장 λ 혹은 입사각을 제어함으로써도 가능하다.
기판(15)과 회절격자(430)의 상대적인 위치는, 제1 실시예와 마찬가지로, 열 분포(410)의 고온영역(410H)이, 카본 나노튜브(16)의 열의 중간의 위치에 형성되도록 제어한다.
본 변형예 에 의하면, 카본 나노튜브(16)의 복수열마다 분리 홈(180)을 형성 할 수 있다.
[변형예 13]
다음에 도51 내지 도53을 참조하여, 본 발명의 변형예 13을 설명한다. 본 변형예는, 석출 영역(14)의 패턴을 형성한 후, 카본 나노튜브(16)를 성장시켜서 음극(170)을 형성하기 전에 분리 홈 형성 공정을 행하도록 한 것이다.
(용융 공정 및 석출 공정)
우선, 제5 실시예와 같은 방법으로 도1 및 도2에 나타낸 공정에 의해 용융 공정 및 석출 공정을 행하여, 석출 영역(14)의 패턴을 가지는 기판(15)을 형성한다.
(분리 홈 형성 공정)
계속해서, 도51 및 도52를 참조해서 분리 홈 형성 공정을 설명한다. 우선, 도51에 나타낸 바와 같이, 기판(15)의 표면에 대하여, 에너지 빔(12)을 회절격자(13)로 회절시킨 열 분포(11)를, 용융 공정과는 180도 다른 위상으로 준다. 즉, 기판(15)과 회절격자(13)의 상대적인 위치를, 용융 공정에 있어서의 위치보다도, 석출 영역(14)의 간격(피치) L의 절반 정도 비켜 놓음으로써, 열 분포(11)의 고온 영역(11H)이, 석출 영역(14)의 중간의 위치에 형성되도록 한다.
에너지 빔(12)의 에너지 량은, 고온 영역(11H)에 있어서 기판(15)의 표면이 절삭되도록 설정된다. 이에 따라, 도 52에 나타낸 바와 같이, 평행선 형태의 분리 홈(180)이, 석출 영역(14)의 패턴을 회피하여, 그것의 중간의 위치에 형성된다.
(음극 형성공정)
계속해서, 도53에 나타낸 바와 같이, 제5 실시예와 같은 방법으로 도3에 나타낸 공정에 의해 석출 영역(14)에 카본 나노튜브(16)를 성장시켜서 음극(170)을 형성한다.
본 변형예에서는, 분리 홈(180)을 형성한 후에 카본 나노튜브(16)를 성장시켜서 음극(170)을 형성하므로, 카본 나노튜브(16)가 열 분포(11)에 의한 악영향을 받는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
[변형예 14]
도54는, 본 발명의 변형예 14에 있어서의 분리 홈 형성 공정을 나타내고 있다. 본 변형예에서는, 상기 변형예 13에 있어서, 변형예 12와 같은 방법으로 석출 영역(14)의 복수개마다, 예를 들면, 2개마다 분리 홈(180)을 형성하도록 한 것이다.
[변형예 15]
도55내지 도57도는, 제5 실시예의 다른 변형예를 나타낸 것이다. 본 변형예는, 제5 실시예의 용융 공정에 있어서, 변형예 1과 마찬가지로, 에너지 빔의 에너지량을, 이차원 방향 즉 X 방향 및 Y 방향으로 변조시켜, 소재 기판(10)의 표면에 대하여, X 방향 열 분포(81X) 및 Y 방향 열 분포(81Y)를 주도록 한 것이며, 대응하는 구성요소에는 동일한 부호를 부착해서 설명한다. 또, 변형예 1과 제조공정이 중복하는 부분은, 도7 또는 도11 및 도13을 참조해서 설명하고, 제5 실시예와 제조공정이 중복하는 부분은, 도47 및 도48을 참조해서 설명한다.
(촉매 배치공정)
우선, 변형예 1과 같은 방법으로, 도7 또는 도9에 나타낸 공정에 의해 용융 공정을 행하여, 소재 기판(10)의 표면에 열 분포(33)를 준다. 다음에, 변형예 1과 같은 방법으로, 도10, 도11 및 도13에 나타낸 공정에 의해 석출 공정을 행하여, 열 분포(33)에 따른 위치 즉 고온 영역(33H)에 대응하는 위치에 제2 물질을 석출시켜, 석출 영역(34)을 형성한다. 이에 따라, 석출 영역(34)의 패턴을 가지는 기판(35)을 얻을 수 있다.
(음극 형성공정)
다음에, 변형예 1과 같은 방법으로 도12에 나타낸 공정에 의해, 도55에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, CVD법에 의해 기판(350 위에 카본 나노튜브(36)를 성장시켜서 음극(170)을 형성한다. 카본 나노튜브(36)는 석출 영역(34)에만 성장하므로, 카본 나노튜브(36)가 이차원 방향으로 배열된 음극(170)이 형성된다. 1개의 음극(170)에 포함되는 카본 나노튜브(36)의 수는, 적으면 적을수록 바람직하다. 전계가 보다 집중하기 쉬워지기 때문이다.
(분리 홈 형성 공정)
계속해서, 제5 실시예와 같은 방법으로, 도47 및 도48에 나타낸 공정에 의해, 분리 홈 형성 공정을 행한다. 이에 따라, 도56에 나타낸 바와 같이, 이차원 방향으로 배열된 카본 나노튜브(36)를 회피하여, 그 중간의 위치에 평행선 형태의 분리 홈(180)이 형성된다.
이상으로부터, 간격을 두어 배열된 카본 나노튜브(36)를 각각 일렬씩 가지는 복수의 음극(170)과, 이들 음극(170)을 서로 분리하는 분리 홈(180)을 구비한 전계 전자 방출소자를 얻을 수 있다.
(FED)
도 57은, 이러한 전계 전자 방출소자를 사용한 FED의 개략적인 구성을 나타내는 것이다. 이 FED는, 캐소드 패널(200)과 애노드 패널(300)이 대향배치되어서 일체화되고, 내부가 고진공 상태로 되어 있다. 캐소드 패널(300)은, 전술한 음극(170)이 형성된 기판(35)에 의해 구성되어 있다. 애노드 패널(300)은, 제5 실시예 와 마찬가지로 구성되어 있다.
이 FED에서는, 예를 들면, 애노드 전극(320R,320G,320B)과 캐소드 전극(210R,210G,210B) 사이에 선택적으로 전압을 인가하면, 그 교점에 위치하는 음극(170)에 있어서 전계 전자 방출이 발생하고, 형광체막(330R,330G,330B)의 형광체의 발광에 의해, 원하는 화상표시가 행해진다. 여기에서는, 음극(170)의 카본 나노튜브(36)가 간격을 두어 이차원으로 배열되어 있으므로, 각 카본 나노튜브(36)의 표면에 있어서의 전기장 강도가 커져, 전자 방출특성이 향상한다.
이렇게 본 변형예에서는, 변형예 1과 마찬가지로, 에너지 빔(12)의 에너지량을 이차원 방향으로 변조시킴으로써 열 분포(33)를 형성하도록 했으므로, 소재 기판(10)의 표면에 이차원 방향으로 배열된 석출 영역(34)의 패턴을 형성하는 것이 가능해 진다.
또한, 변형예 1과 마찬가지로, 회절격자(32)를 사용해서 에너지 빔(12)을 회절시킴으로써 열 분포(33)를 형성하도록 했으므로, 회절격자(32)의 주기 간격 PX, PY를 미세화함에 의해 열 분포(33)의 공간적 주기 TX, TY를 용이하게 제어하여, 석출 영역(34)의 간격 LX, LY를 미세화할 수 있다.
[변형예 16]
도58은, 변형예 15의 분리 홈 형성 공정에 있어서, 분리 홈(180)을 격자 모양으로 형성하도록 한 것이다. 이 경우에는, 분리 홈(180)의 X 방향에 있어서의 간격과 Y 방향에 있어서의 간격은 독립적으로 설정할 수 있다.
이렇게 분리 홈(180)을 격자 모양으로 형성했을 경우에는, FED의 캐소드 패널로서 이용하기 위한 캐소드 전극은, 예를 들면, 기판(35)의 이편으로부터 구멍을 뚫어서 배선을 행하는 것 등이 가능하다.
또, 변형예 15의 분리 홈 형성 공정은, 도58 이외에도 여러가지 변형이 가능하다. 예를 들면, 분리 홈 형성 공정은, 석출 영역(34)을 형성한 후, 카본 나노튜브(36)를 성장시켜서 음극(170)을 형성하기 전에 행하여도 좋다. 또한, 분리 홈(180))은, 카본 나노튜브(36)의 복수열, 예를 들면, 2열마다 형성하는 것도 가능하다.
[제6 실시예]
다음에 도59a 내지 도62를 참조하여, 본 발명의 제6 실시예에 관련되는 전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 표시장치의 제조 방법을 설명한다. 본 실시예는, 촉매 배치공정에 있어서, 변형예 2와 마찬가지로, 소재 기판(10)의 표면을 방열시킴으로써 소재 기판(10)의 표면에 돌기를 형성하고, 제2 물질을 돌기의 선단부에 석출시켜, 적어도 선단부가 제2 물질에 의해 구성된 돌기의 패턴을 가지는 기판을 형성하도록 한 것이다. 또한, 본 실시예는, 음극 형성공정에 있어서, 기판과 전극을 대향배치해서 양자간에 전계를 인가하여, 저전압에서 수직하게 카본 나노튜브를 성장시키도록 한 것이다. 이것들을 제외하고는, 본 실시예의 제조 방법은 제5 실시예와 동일하므로, 대응하는 구성요소에는 동일한 부호를 부착해서 설명한다. 또, 변형예 2와 제조공정이 중복하는 부분에 대해서는, 도1 및 도 14 또는 도17을 참조해서 설명하고, 제5 실시예와 제조공정이 중복하는 부분에 대해서는, 도47 및 도56을 참조해서 설명한다.
(촉매 배치공정)
우선, 상기 변형예 2와 같은 방법으로, 도1에 나타낸 공정에 의해 용융 공정을 행한 뒤, 도14 내지 도16에 나타낸 공정에 의해 석출 공정을 행하여, 적어도 선단부에 철로 이루어진 석출 영역(42)이 형성된 돌기(41)의 패턴을 가지는 기판(43)을 형성한다.
(음극 형성공정)
계속해서, 도59a 내지 도60을 참조해서 음극 형성공정을 설명한다. 변형예 2과 같은 방법으로, 도17에 나타낸 공정에 의해, 예를 들면, CVD법 또는 PECVD법 등에 의해, 기판(43) 위에 카본 나노튜브(44)을 성장시켜서 음극(170)(도60 참조)을 형성한다. 이때, 도59a에 나타낸 바와 같이, 기판(43)과 예를 들면, 카본(C)으로 이루어진 전극(510)을 대향배치해서 양자간에 전압을 인가한다. 기판(43)에는 돌기(41)가 형성되어 있으므로, 돌기(41)의 위치에서 전계가 강하여, 도59b에 나타낸 바와 같이, 카본 나노튜브(44)를 수직하게 성장시킬 수 있다. 따라서, 저전압에서 카본 나노튜브(44)의 성장 방향을 일정 방향으로 제어할 수 있다. 이렇게 해서 얻어진 음극(170)은, 카본 나노튜브(44)의 배향성이 높으므로, FED의 음극으로서 이용하면 전자 방출특성을 향상시킬 수 있다. 성장한 카본 나노튜브(44)에는, 석출 영역(42)에 석출하고 있었던 제2 물질(46), 즉 본 실시예에서는 철이 내포된다.
또, 이렇게 전계를 인가하면서 카본 나노튜브(44)를 성장시킬 경우에는, 소재 기판(10)을 구성하는 제1 물질로서, 예를 들면, 인(P)을 첨가한 실리콘 등의 도전성이 양호한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
(분리 홈 형성 공정)
계속해서, 제5 실시예와 같은 방법으로, 도47 및 도48에 나타낸 공정에 의해, 분리 홈 형성 공정을 행한다. 이에 따라 도61에 나타낸 바와 같이, 카본 나노튜브(44)의 열을 회피하여, 그것의 중간의 위치에 분리 홈(180)이 형성된다.
이상에 의해, 직선 모양에 배열된 카본 나노튜브(44)를 각각 일렬씩 가지는 복수의 음극(170)과, 이것들의 음극(170)을 서로 분리하는 분리 홈(180)을 구비한 전계 전자 방출소자를 얻을 수 있다.
(FED)
도62는, 이러한 전계 전자 방출소자를 사용한 FED의 개략적인 구성을 나타내는 것이다. 이 FED는, 캐소드 패널(200)과 애노드 패널(300)이 대향 배치되어 일체화되고, 내부가 고진공 상태로 되어 있다. 캐소드 패널(200)은, 전술한 음극(170)이 형성된 기판(43)에 의해 구성되어 있다. 애노드 패널(300)은, 제1 실시예와 마찬가지로 구성되어 있다.
이 FED에서는, 예를 들면, 애노드 전극(320R,320G,320B)과 캐소드 전극(210R,210G,210B) 사이에 선택적으로 전압을 인가하면, 그것의 교점에 위치하는 음극(170)에 있어서 전계 전자 방출이 발생하고, 형광체막(330R,330G,330B)의 형광체의 발광에 의해, 원하는 화상표시가 행해진다. 여기에서는, 음극(170)의 카본 나노튜브(44)의 성장 방향이 수직하게 모이고 있어, 배향성이 높으므로, 방출되는 전자의 양이 균일화되어, 전자 방출특성이 향상한다. 또한, 휘도의 격차가 방지된다.
이렇게 본 실시예에서는, 소재 기판(10)의 소정의 위치에, 적어도 선단부가 제2 물질(철)에 의해 구성된 돌기(41)를 형성하도록 했으므로, 패턴을 평면 모양으로 할 경우에 비교해서 석출 영역(42)의 폭을 보다 미세하게 할 수 있어, 제5 실시예와 비교해서 보다 미세한 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 기판(43)과 전극(510)을 대향배치해서 양자 사이에 전압을 인가하도록 했으므로, 저전압에서 카본 나노튜브(44)의 성장 방향을 일정 방향으로 제어 할 수 있다. 따라서, 음극(170)의 카본 나노튜브(44)의 배향성을 높여, FED의 음극으로서 이용하면 전자 방출특성을 향상시켜, 휘도의 격차를 방지할 수 있다.
[변형예 17]
도63도 및 도63b는, 제6 실시예의 음극 형성공정의 변형예를 나타내고 있다.
본 변형예에서는, 도63a에 나타낸 바와 같이, 기판(43)을 2장 대향배치하고, 돌기(41)의 패턴끼리를 마주 대하여, 2장의 기판(43) 사이에 전계를 인가하도록 한 것이다. 본 변형예에서도, 돌기(41)의 위치에서 전계가 강해져, 도63b에 나타낸 바와 같이, 양쪽의 기판(43)의 돌기(41)의 선단부로부터 카본 나노튜브(44)를 수직하게 성장시킬 수 있다. 따라서, 상기 제6 실시예의 효과에 덧붙여, 2장의 기판(43)에 동시에 카본 나노튜브(44)를 수직하게 형성할 수 있으므로, 생산 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
[변형예 18]
계속해서, 도64 내지 도 65b를 참조하여, 제6 실시예의 음극 형성공정의 다른 변형예를 설명한다. 본 변형예에서는, 전극으로서, 기판(43)의 돌기(41)의 패턴에 대응하는 돌기의 패턴이 형성된 것을 사용하여, 기판(43)의 돌기(41)의 패턴과 전극의 돌기의 패턴을 마주 대해서 대향배치하도록 한 것이다.
우선, 도64에 나타낸 바와 같이, 제6 실시예와 동일한 전극(510)에, 제6 실시예의 용융 공정 및 석출 공정과 같은 방법으로 돌기(511)의 패턴을 형성하여, 돌기 전극(512)으로 한다. 돌기(511)는, 선단부에 석출 영역이 형성되지 않고 있는 것을 제외하고는, 형상, 폭 W 및 간격 L 등 전부 돌기(41)과 동일하게 형성된다.
계속해서, 도65a에 나타낸 바와 같이, 기판(43)의 돌기(41)의 패턴과 돌기 전극(512)의 돌기(511)의 패턴을 마주 대해서 대향배치하여, 기판(43)과 돌기 전극(512) 사이에 전계를 인가한다. 이에 따라 돌기(41,511)의 위치에서 전계가 강해지져, 도65b에 나타낸 바와 같이, 기판(43)의 돌기(41)의 선단부로부터 카본 나노튜브(44)를 수직하게 성장시킬 수 있다.
[변형예 19]
도66a 및 도66b는, 제6 실시예의 음극 형성공정의 또 다른 변형예를 나타내고 있다. 본 변형예에서는, 도66a에 나타낸 바와 같이, 제5 실시예의 평면형의 석출 영역(14)의 패턴이 형성된 기판(15)과, 변형예 18의 돌기(511)의 패턴이 형성된 돌기 전극(512)을 대향배치해서 전계를 인가하도록 한 것이다. 이에 따라 돌기(511)의 위치에서 전계가 강해지져, 도66b에 나타낸 바와 같이, 석출 영역(14)의 위치로부터 카본 나노튜브(16)를 수직하게 성장시킬 수 있다. 성장한 카본 나노튜브(16)에는, 석출 영역(14)에 석출하고 있었던 제2 물질(46), 즉 본 실시예에서는 철이 내포된다.
[변형예 20]
도67a 및 도67b는, 제5 실시예의 촉매 배치공정의 변형예를 나타내고 있다. 본 변형예에서는, 촉매 배치공정은, 평탄형의 전극의 표면에, 원하는 패턴에 따라 변조된 열 분포를 이용하여 돌기의 패턴을 형성하는 「돌기 전극 형성 공정」과, 촉매 기능을 가지는 금속을 포함하는 촉매용액 중에서, 돌기 전극과 도전성의 기판 사이에 전계를 인가해서 금속을 환원해 석출시킴으로써, 기판 위에, 촉매 기능을 가지는 금속으로 이루어지고 돌기 전극에 대응한 패턴을 형성하는 「환원 석출 공정」을 포함하고 있다.
(돌기 전극형성 공정)
우선, 변형예 18의 도64에 나타낸 바와 같이, 평탄면을 가지는 전극(510)의 표면에, 돌기(511)의 패턴을 형성해서 돌기 전극(512)으로 한다. 돌기(511)의 패턴의 형성 방법은, 변형예 18에서 설명한 것과 같다.
(환원 석출 공정)
그리고, 도67a에 나타낸 바와 같이, 카본 나노튜브를 형성하기 위한 촉매 기능을 가지는 금속, 예를 들면, 철을 포함하는 촉매용액(520) 중에서, 돌기 전극(512)과 도전성의 기판(530)을 대향배치해서 전계를 인가한다. 촉매 기능을 가지는 금속으로서는, 철에 한정되지 않고, 제1 실시예에 있어서 제2 물질로서 든 것을 사용할 수 있다. 이에 따라 돌기(511)의 위치에서 전계가 강해져, 도67b에 나타낸 바와 같이, 도전성의 기판(530)에, 돌기(511)의 패턴에 대응해서 철을 환원에 의해 석출시켜서 석출 영역(531)을 형성할 수 있다. 이렇게 해서, 석출 영역(531)의 패턴을 가지는 기판(530)을 얻을 수 있고, 촉매 배치공정이 종료한다.
본 변형예 에서는, 평탄한 전극(510)의 표면에, 열 분포를 이용하여 돌기(511)의 패턴을 형성하고, 이 패턴에 대응해서 도전성의 기판(530)에 촉매금속(철)의 석출 영역(531)을 형성하도록 했으므로, 석출 영역(531)을, 종래의 포토리소그래피에서는 불가능한 미세한 폭 및 간격으로 형성된 돌기(511)의 패턴에 대응해서 형성할 수 있다.
[제7 실시예]
다음에 도68a 내지 도70을 참조하고, 본 발명의 제7 실시예에 관련되는 전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 표시장치의 제조 방법을 설명한다. 본 실시예는, 음극에 대응해서 인출전극을 형성하는 인출전극 형성 공정을 더 포함하는 것이다. 즉, 본 실시예는, 상기 변형예 13에 있어서 분리 홈 형성 공정을 행한 후에, 인출 전극을 형성하고, 계속해서 카본 나노튜브를 성장시켜서 음극을 형성하도록 한 것이다.
(용융 공정 및 석출 공정)
우선, 도68a에 나타낸 바와 같이, 제5 실시예와 같은 방법으로 용융 공정 및 석출 공정을 행하여, 석출 영역(14)의 패턴을 가지는 기판(15)을 형성한다. 이때, 석출 영역(14)은 상기한 바와 같이 거의 평면형으로 되어 있지만, 도68a 및 도68b에서는 이해하기 쉽게 하기 위해서 기판(15)의 표면으로부터 돌출해서 나타내고 있다.
(분리 홈 형성 공정)
계속해서, 도68b에 나타낸 바와 같이, 분리 홈(180)을 석출영역(14)의 패턴을 회피하여, 그 중간의 위치에 형성한다. 분리 홈(180)의 형성 방법은, 변형예 13에서 도51 및 도52를 참조해서 설명한 것과 같다.
(인출 전극 형성공정)
분리 홈(180)을 형성한 뒤, 인출 전극 형성공정을 행한다. 우선, 도69a도에 나타낸 바와 같이, 기판(15) 위에, 예를 들면, 스퍼터링 또는 화학증착법에 의해, 예를 들면, 이산화규소(SiO2) 등으로 이루어진 절연막(611)을 형성한다.
계속해서, 도69b에 나타낸 바와 같이, 절연막(611) 위에, 예를 들면, 스퍼터링 또는 화학증착법에 의해, 예를 들면, 니오븀(Nb) 또는 몰리브덴(Mo) 등으로 이루어진 도전성 막(612)을 형성한다.
도전성 막(612)을 형성한 뒤, 도69c에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 포토리소그래피 및 반응성 이온 에칭에 의해, 절연막(611) 및 도전성 막(612)에, 석출 영역(14) 각각에 대향해서 개구부(613)를 형성한다. 이에 따라 기판(15) 위에, 절연막(611)을 통해 니오븀 또는 몰리브덴으로 이루어진 인출 전극(614)이 형성된다.
(음극 형성공정)
계속해서, 도70에 나타낸 바와 같이, 제5 실시예와 같이 해서 석출 영역(14)에 카본 나노튜브(16)을 성장시켜서 음극(170)을 형성한다. 이에 따라 음극(170)에 대응해서 인출 전극(614)을 가지는 전계 전자 방출소자를 얻을 수 있다.
(FED)
도71은, 이러한 전계 전자 방출소자를 사용한 FED의 개략적인 구성을 나타내는 것이다. 이 FED는, 캐소드 패널(200)과 애노드 패널(300)이 대향배치되어서 일체화되고, 내부가 고진공 상태로 되어 있다.
캐소드 패널(200)은, 전술한 음극(170) 및 이 음극(170)에 대응해서 인출 전극(614)이 형성된 기판(15)에 의해 구성되어 있다. 인출 전극(614)은, 캐소드 전극(210R,210G,210B)에 대응해서 R용의 인출 전극(614R), G용의 인출 전극(614G) 및 B용의 인출 전극(614B)을 포함하고 있다. R용의 인출 전극(614R), G용의 인출 전극(614G)및 B의 인출 전극(614B) , 도면에 나타나 있지 않은 스캔 드라이버에 접속되어 있다.
애노드패널(300)은, 애노드 전극(320R,320G,320B)에 소정의 직류전압이 고정적으로 인가되는 것을 제외하고는, 제1 실시예와 마찬가지로 구성되어 있다. 또, 도71에서는, 애노드 전극(320R) 및 형광체막(330R)만이 도시되어 있다.
이 FED에서는, 예를 들면, 인출 전극(614R,614G,614B)과 캐소드 전극(210R,210G,210B) 사이에 선택적으로 전압을 인가하면, 그 교점에 위치하는 음극(170)에 있어서 전계 전자 방출이 발생하여, 형광체막(330R,330G,330B)(도6 참조)의 형광체의 발광에 의해, 원하는 화상표시가 행해진다. 여기에서는, 음극(170)에 대응해서 인출 전극(614)이 형성되어 있으므로, 낮은 전압에서 전계 전자 방출이 발생한다.
이렇게 본 실시예에서는, 음극(170)에 대응해서 인출 전극(614)을 설치하였기 때문에, 낮은 전압에서 전계 전자 방출을 발생시킬 수 있다.
[변형예 21]
계속해서, 도72a 내지 도74를 참조하여, 제7 실시예의 변형예를 설명한다. 본 변형예는, 제7 실시예에 있어서, 변형예 11과 마찬가지로, 금속촉매로서의 철(Fe)에 의해 구성된 소재 기판(10)의 표면에 돌기의 패턴을 형성한 뒤, 이 돌기의 최선단 부분 이외의 표면에, 카본 나노튜브의 성장을 억제하는 억제층을 형성하도록 한 것이며, 대응하는 구성요소에는 동일한 부호를 부착해서 설명한다. 또한, 제5 실시예와 제조공정이 중복하는 부분은 도47 및 도 48을 참조해서 설명하고, 제7 실시예와 제조공정이 중복하는 부분은 도69a 내지 도69c를 참조해서 설명한다.
즉, 본 변형예는, 촉매 배치공정으로서, 소재 기판(10)의 표면에 원하는 패턴에 따라 변조된 열 분포(11)을 주어, 소재 기판(10)의 표면을 용융시키는 「용융 공정」과, 소재 기판(10)의 표면을 방열시킴으로써, 열 분포(11)에 따른 위치에, 즉 원하는 패턴으로 돌기를 형성하는 「돌기 형성 공정」과, 돌기의 최선단 부분 이외의 표면에, 카본 나노튜브의 성장을 억제하는 억제층을 형성하는 「억제층 형성공정」을 포함하는 것이다. 필요에 따라서, 분리 홈을 형성하는 「분리 홈 형성 공정」을 행해도 좋다. 그후, 억제층으로 덮어져 있지 않은 돌기의 최선단 부분에 카본 나노튜브를 성장시켜서 음극을 형성하는 「음극 형성공정」을 행한다.
(용융 공정 및 돌기 형성 공정)
우선, 변형예 11과 같은 방법으로 용융 공정 및 돌기 형성 공정을 행하여, 도72a에 나타낸 바와 같이, 소재 기판(10)의 표면에 돌기(134)의 패턴을 형성한다.
(분리 홈 형성 공정)
그후, 제5 실시예와 같은 방법으로, 도47 및 도48에 나타낸 공정에 의해, 도72b에 나타낸 바와 같이, 분리 홈(180)을 형성한다.
(억제층 형성공정)
다음에 변형예 11과 같은 방법으로, 도44에 나타낸 공정에 의해, 도72c에 나타낸 바와 같이, 돌기(134)의 최선단 부분(134B) 이외의 표면에, 억제층(161)을 형성한다.
이상으로부터, 촉매 배치공정이 완료하여, 돌기(134)의 최선단 부분(134B) 이외의 표면에 억제층(161)이 형성된 기판(700)이 형성된다.
(인출 전극 형성공정)
기판(700)을 형성한 뒤, 제 7 실시예와 같은 방법으로, 도69a 내지 도69c에 나타낸 공정에 의해, 인출전극 형성 공정을 행한다. 즉, 우선, 도73a에 나타낸 바와 같이, 기판(700) 위에, 예를 들면, 스퍼터링 또는 화학증착법에 의해, 예를 들면, 이산화규소 등으로 이루어진 절연막(611)을 형성한다. 계속해서, 도73b에 나타낸 바와 같이, 절연막(611) 위에 예를 들면, 스퍼터링 또는 화학증착법에 의해, 예를 들면, 니오븀(Nb) 또는 몰리브덴(Mo) 등으로 이루어진 도전성 막(612)을 형성한다.
도전성 막(612)을 형성한 뒤, 도73c에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 포토리소그래피 및 반응성 이온 에칭에 의해, 절연막(611) 및 도전성 막(612)에, 돌기(134)의 최선단 부분(134B)의 각각에 대향해서 개구부(613)을 형성한다. 이에 따라 기판(700) 위에, 절연막(611)을 통해 니오븀 또는 몰리브덴으로 이루어진 인출 전극(614)이 형성된다.
(음극 형성공정)
계속해서, 도74에 나타낸 바와 같이, 변형예 11과 같은 방법으로 돌기(134)의 최선단 부분(134B)으로부터 카본 나노튜브(163)을 성장시켜 음극(710)을 형성한다. 이에 따라 음극(710)에 대응해서 인출 전극(614)을 가지는 전계 전자 방출소자를 얻을 수 있다.
이렇게 본 변형예에서는, 상기 제7 실시예의 효과에 더해서, 돌기(134)의 최선단 부분(134B) 이외의 표면에 억제층(161)을 형성하도록 했으므로, 돌기(134)의 최선단 부분(134B)에만 카본 나노튜브(163)를 성장시킬 수 있다.
특히, 억제층(161)의 재료로서 절연체 재료를 사용했을 경우에는, 돌기(134)의 최선단 부분(134B)의 주변이 절연체 재료로 이루어진 억제층(161)으로 채워지므로, 카본 나노튜브(163)의 주변에 절연물이 존재하지 않는 경우에 비교하여, 보다 높은 전계를 카본 나노튜브(163)에 집중시킬 수 있다.
이상, 실시예 및 변형예를 들어서 본 발명을 설명했지만, 본 발명을 상기 실시예 및 변형예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지로 변형가능하다. 예를 들면, 상기 실시예에서는, 펄스의 조사 회수에 의해 에너지 빔(12)의 에너지량을 조정하도록 하였지만, 펄스의 조사 회수, 조사 강도 및 펄스폭의 각각을 조정하는 것이 가능하다.
또한, 상기 실시예 및 변형예에서는, 열 분포(11,41)를 회절격자(13, 32, 43)를 사용해서 형성하도록 하였지만, 빔 스플리터 및 미러를 이용하여 형성해도 좋다.
또한, 상기 실시예 및 변형예에서는, XeCl 엑시머 레이저를 이용하여 에너지 빔(12)을 조사하도록 하였지만, XeCl 엑시머 레이저 이외의 레이저를 사용하도록 해도 좋으며, 또한, 가열수단으로서, 변조에 의해 열 분포를 형성할 수 있는 것이면, 일반적인 범용의 전기가열로(확산로) 혹은 램프 등의 다른 방법에 의해 가열하도록 하여도 좋다.
덧붙여, 상기 각 실시예 및 상기 변형예에서는, 석출 공정 또는 돌기 형성 공정에서의 방열을 용융 공 과정을 종료한 뒤의 상온에 의한 자연냉각으로 했지만, 상온 미만의 온도에 의해 강제적으로 냉각해서 석출 공정 또는 돌기 형성 공정을 단축하는 것도 가능하다.
더욱 또한, 예를 들면, 변형예 15의 음극 형성공정에 있어서, 제6 실시예와 같이 기판(35)과 도면에 나타나 있지 않은 전극을 대향배치해서 양자 사이에 전압을 인가하도록 하여도 좋다.
덧붙여, 예를 들면, 상기 제2 실시예와 상기 제6 실시예를 조합하여, 기판과 전극 사이에 전계를 인가시킴으로써 수직방향으로 가지런히 정돈해서 성장시킨 카본 나노튜브의 높이를 균일화하도록 하면, 카본 나노튜브의 형상 및 성장 방향을 균일화할 수 있어, 이것을 FED에 사용하면 더욱 전계방 출특성을 높일 수 있다.
더욱이, 예를 들면, 상기 제2 실시예와 같은 방법으로 카본 나노튜브(16)의 높이를 균일화한 뒤, 고정층(18) 위에, 상기 제7 실시예와 같은 방법으로 니오븀 또는 몰리브덴으로 이루어진 인출 전극을 형성하도록 하여도 좋다. 또, 이 경우에는, 고정층(18)을 절연성 재료에 의해 구성하는 것이 바람직하다.
덧붙여, 예를 들면, 전계 전자 방출소자의 제조 방법 및 표시장치의 제조 방법에 있어서, 상기 변형예 15에서는 변형예 1과 같은 방법으로 촉매 배치공정을 행할 경우에 관하여 설명하고, 상기 제6 실시예에서는 변형예 2와 같은 방법으로 촉매 배치공정을 행할 경우에 대해 설명하며, 상기 변형예 21에서는 변형예 11과 같은 방법으로 촉매 배치공정을 행하는 경우에 관하여 설명했지만, 변형예 3 내지 변형예 10에서 설명한 촉매 배치공정의 변형예에 관해서도, 전계 전자 방출소자의 제조 방법 또는 표시장치의 제조 방법에 적용가능하다.
더욱이, 촉매 기능을 가지는 금속을 기판에 배치하는 방법은, 상기 각 실시예 및 상기 변형예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 촉매금속으로 이루어진 기판에 돌기를 형성하고, 이 돌기의 상면을 평탄화하도록 하여도 좋다.
덧붙여, 상기 각 실시예 및 상기 변형예에서는, 통 형상 탄소 분자로서 카본 나노튜브를 형성할 경우에 관하여 설명했지만, 본 발명은, 카본 나노튜브에 한정되지 않고, 카본나노 혼 또는 카본나노 화이버 등을 형성할 경우에도 적용가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 통 형상 탄소 분자의 제조 방법에 의하면, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자를 형성하기 위한 촉매기능을 가지는 금속을 배치하고, 통 형상 탄소 분자를 성장시키도록 했으므로, 열 분포를 제어함에 의해, 종래의 포토리소그래피에서는 불가능했던 미세한 폭 및 간격의 패턴을 형성하고, 이 패턴대로 통 형상 탄소 분자가 규칙 바르게 배열된 통 형상 탄소 분자 구조체를 얻을 수 있다.
본 발명의 기록 장치의 제조 방법에 의하면, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자를 형성하기 위한 촉매 기능을 가지는 금속을 배치하고, 통 형상 탄소 분자를 성장시켜, 통 형상 탄소 분자의 선단을 소정의 평면으로 형성하는 동시에 선단을 개방단으로 한 뒤, 개방단으로부터 통 형상 탄소 분자의 선단부에 자기재료를 삽입해서 자성층을 형성하도록 했으므로, 착자의 길이를 종래의 포토리소그래피에서는 불가능한 작은 치수로 할 수 있다. 따라서, 매우 기록밀도를 높게 할 수 있다. 또한, 자성층은 통 형상 탄소 분자에 의해 격리되어 있으므로, 인접하는 다른 통 형상 탄소 분자 내의 자성층의 영향을 받지 않아, 소정의 자화방향을 장기간 안정해서 유지할 수 있어, 기록 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 전계 전자 방출소자의 제조 방법, 본 발명의 전계 전자 방출소자, 본 발명의 표시장치의 제조 방법 또는 본 발명의 표시장치에 의하면, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 기판에 배치하는 촉매 배치공정과, 통 형상 탄소 분자를 성장시켜서 음극을 형성하는 음극 형성공정을 포함하도록 했으므로, 열 분포를 제어함에 의해, 종래의 포토리소그래피에서는 불가능했던 미세한 폭 및 간격의 패턴으로 촉매금속을 배치하고, 이 패턴대로 통 형상 탄소 분자가 규칙 바르게 배열된 음극을 얻을 수 있다.

Claims (49)

  1. 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 배치하는 촉매 배치공정과,
    통 형상 탄소 분자를 성장시키는 성장 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열 분포는 에너지 빔을 일차원 또는 이차원 방향으로 회절시킴으로써 제공하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 통 형상 탄소 분자의 선단을 소정의 평면 내에 형성하는 동시에 상기 선단을 개방단으로 하는 높이 균일화공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 높이 균일화공정에 있어서, 적어도 상기 통 형상 탄소 분자의 주위에 고정층을 형성해서 상기 통 형상 탄소 분자를 고정한 뒤, 상기 고정층과 함께 상기 통 형상 탄소 분자를 연마하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 연마를, 화학기계연마에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 성장 공정에 있어서, 상기 통 형상 탄소 분자의 선단에 원하는 물질을 내포시키는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 원하는 물질은, 유전체 재료 또는 전도체 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 원하는 물질은, 촉매 기능을 가지는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 복수의 통 형상 탄소 분자의 개방단으로부터 상기 통 형상 탄소 분자의 적어도 선단부에 자기재료를 삽입시키는 삽입 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 높이 균일화공정에 있어서, 적어도 상기 통 형상 탄소 분자의 주위에 고정층을 형성해서 상기 통 형상 탄소 분자를 고정한 뒤, 상기 고정층과 함께 상기 통 형상 탄소 분자를 연마하고,
    상기 삽입 공정에 있어서, 상기 고정층 위에 상기 개방단을 막도록 상기 자기재료로 이루어진 박막을 형성한 뒤, 상기 박막을 연마하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 연마를, 화학기계연마에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매 배치공정은,
    제1 물질 중에 제2 물질을 첨가재로서 포함하는 소재 기판의 표면에 대하여 변조된 열 분포를 주어, 상기 소재 기판의 표면을 용융시키는 용융 공정과,
    상기 소재 기판의 표면을 방열시킴으로써, 상기 열 분포에 따른 위치에 상기 제2 물질을 석출시키는 석출 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제2 물질은, 첨가에 의해 상기 제1 물질의 융점을 저하시키는 물질인 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 석출 공정에 있어서, 상기 소재 기판의 표면을 방열시킴으로써 상기 제2 물질을 상기 소재 기판의 표면에 평면 모양으로 석출시키는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 석출 공정에 있어서, 상기 소재 기판의 표면을 방열시킴으로써 상기 소재 기판의 표면에 돌기를 형성하고, 상기 제2 물질을 상기 돌기의 적어도 선단부에 석출시키는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 물질은 반도체 또는 금속이며, 상기 제2 물질은 촉매 기능을 가지는 금속인 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매 배치공정은,
    소재 기판의 표면에 대하여 원하는 패턴에 따라 변조된 열 분포를 주어, 상기 소재 기판의 표면을 용융시키는 용융 공정과,
    상기 소재 기판의 표면을 방열시킴으로써, 상기 소재 기판의 상기 열 분포에 따른 위치가 적어도 선단부가 전사 물질로 이루어진 돌기를 형성하여, 표면에 돌기의 패턴을 가지는 전사용 원반을 제작하는 원반 제작공정과,
    상기 전사용 원반의 패턴을 피전사 기판에 전사시켜서 기판을 제작하는 전사 공정을 포함하고,
    상기 기판 위에 상기 통 형상 탄소 분자를 성장시키는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 전사 공정에 있어서, 상기 전사용 원반과 상기 피전사 기판의 상대 위치를 비켜놓아, 상기 전사용 원반의 패턴을 상기 피전사 기판에 여러번 전사시키는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 전사 공정에 있어서 가열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매 배치공정은,
    소재 기판의 표면에 대하여 원하는 패턴에 따라 변조된 열 분포를 주어, 상기 소재 기판의 표면을 용융시키는 용융 공정과,
    상기 소재 기판의 표면을 방열시킴으로써, 상기 열 분포에 따른 위치에 돌기의 패턴을 형성하는 돌기 형성 공정과,
    상기 돌기에 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속으로 이루어진 금속기판을 누름으로써, 상기 돌기의 선단부에 촉매금속을 부착시키는 부착 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매 배치공정은,
    소재 기판의 표면에 대하여 원하는 패턴에 따라 변조된 열 분포를 주어, 상기 소재 기판의 표면을 용융시키는 용융 공정과,
    상기 소재 기판의 표면을 방열시킴으로써, 상기 열 분포에 따른 위치에 돌기의 패턴을 형성하는 돌기 형성 공정과,
    상기 돌기의 상면을 평탄화하는 평탄화 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 돌기의 평탄화된 상면을 피전사 기판에 전사하는 상면 전사공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  23. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매 배치공정은,
    소재 기판의 표면에 대하여 원하는 패턴에 따라 변조된 열 분포를 주어, 상기 소재 기판의 표면을 용융시키는 용융 공정과,
    상기 소재 기판의 표면을 방열시킴으로써, 상기 열 분포에 따른 위치에 돌기의 패턴을 형성하는 돌기 형성 공정과,
    상기 돌기의 최선단 부분 이외의 표면에, 통 형상 탄소 분자의 성장을 억제하는 억제층을 형성하는 억제층 형성공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자의 제조 방법.
  24. 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 배치하고, 그 촉매 기능을 가지는 금속을 이용해서 통 형상 탄소 분자를 성장시킴으로써 형성된 것을 특징으로 하는 통 형상 탄소 분자.
  25. 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 배치하는 촉매 배치공정과,
    통 형상 탄소 분자를 성장시키는 성장 공정과,
    상기 통 형상 탄소 분자의 선단을 소정의 평면 내에 형성하는 동시에 상기 선단을 개방단으로 하는 높이 균일화공정과,
    상기 개방단으로부터 상기 통 형상 탄소 분자의 적어도 선단부에 자기재료를 삽입하는 삽입 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 기록 장치의 제조 방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 높이 균일화공정에 있어서, 적어도 상기 통 형상 탄소 분자의 주위에 고정층을 형성해서 상기 통 형상 탄소 분자를 고정하여, 상기 고정층과 함께 상기 통 형상 탄소 분자를 연마하고,
    상기 삽입 공정에 있어서, 상기 고정층 위에 상기 개방단을 막도록 상기 자기재료로 이루어진 박막을 형성하여, 상기 박막을 연마하는 것을 특징으로 하는 기록 장치의 제조 방법.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 연마를, 화학기계연마에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 기록 장치의 제조방법.
  28. 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매기능을 가지는 금속을 기판에 배치하는 촉매 배치공정과,
    통 형상 탄소 분자를 성장시켜서 음극을 형성하는 음극 형성공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  29. 제 28항에 있어서,
    상기 음극 형성공정에 있어서, 상기 기판과 전극을 대향배치해서 상기 기판과 상기 전극 사이에 전계를 인가하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  30. 제 28항에 있어서,
    상기 기판은, 상기 금속으로 이루어진 평면형의 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  31. 제 28항에 있어서,
    상기 기판은, 적어도 선단부가 상기 금속으로 이루어진 돌기의 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  32. 제 31항에 있어서,
    상기 음극 형성공정에 있어서, 상기 기판을 2장 대향배치하여, 상기 돌기의 패턴끼리 마주 대하고, 상기 2장의 기판 사이에 전계를 인가하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  33. 제 29항에 있어서,
    상기 전극으로서, 상기 기판의 패턴에 대응하는 돌기의 패턴이 형성된 것을 사용하여, 상기 기판의 패턴과 상기 전극의 돌기의 패턴을 마주 대해서 대향배치하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  34. 제 28항에 있어서,
    상기 금속의 배치되는 간격은 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  35. 제 28항에 있어서,
    상기 금속의 배치되는 간격은 50nm 이하인 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  36. 제 28항에 있어서,
    상기 촉매 배치공정은,
    평탄전극의 표면에, 원하는 패턴에 따라 변조된 열 분포를 이용하여 돌기의 패턴을 형성하는 돌기 전극 형성 공정과,
    촉매 기능을 가지는 금속을 포함하는 촉매용액 중에서, 상기 돌기 전극과 도전성의 기판과의 사이에 전계를 인가해서 상기 금속을 환원해 석출시킴으로써, 상기 기판 위에, 촉매기능을 가지는 금속으로 이루어지고 상기 돌기 전극에 대응한 패턴을 형성하는 환원 석출 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  37. 제 28항에 있어서,
    상기 기판의 표면에, 상기 금속을 회피해서 분리 홈을 형성하는 분리 홈 형성 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  38. 제 37항에 있어서,
    상기 분리 홈을 에너지 빔의 조사에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  39. 제 37항에 있어서,
    상기 분리 홈을, 상기 에너지 빔을 일차원 방향 또는 이차원 방향으로 회절시킴으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  40. 제 37항에 있어서,
    상기 분리 홈을, 평행선 형태 또는 격자 모양으로 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  41. 제 28항에 있어서,
    상기 음극에 대응해서 인출 전극을 형성하는 인출 전극 형성공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  42. 제 41항에 있어서,
    상기 인출 전극 형성공정을, 상기 촉매 배치공정과 상기 음극 형성공정 사이에 행하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  43. 제 41항에 있어서,
    상기 인출 전극 형성공정은,
    상기 기판 위에 절연막을 형성하는 절연막 형성공정과,
    상기 절연막 위에 도전성막을 형성하는 도전성막 형성 공정과,
    상기 절연막 및 상기 도전성 막에 상기 음극 각각에 대향해서 개구부를 형성하는 개구부 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  44. 제 28항에 있어서,
    상기 통 형상 탄소 분자의 선단을 소정의 평면 내에 형성하는 동시에 상기 선단을 개방단으로 하는 높이 균일화공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  45. 제 44항에 있어서,
    상기 높이 균일화공정에 있어서, 적어도 상기 통 형상 탄소 분자의 주위에 고정층을 형성해서 상기 통 형상 탄소 분자를 고정한 뒤, 상기 고정층과 함께 상기 통형상 탄소 분자를 연마하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조방법.
  46. 제 45항에 있어서,
    상기 연마를, 화학기계연마에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자의 제조 방법.
  47. 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 기판에 배치하고, 그 촉매 기능을 가지는 금속을 이용해서 성장시켜진 통 형상 탄소 분자를 가지는 음극을 구비한 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출소자.
  48. 전계 전자 방출소자와, 이 전계 전자 방출소자로부터 방출된 전자의 충돌에 따라 발광하는 발광부를 구비한 표시장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 전계 전자 방출소자를 형성하는 공정은,
    변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 기판에 배치하는 촉매 배치공정과,
    통 형상 탄소 분자를 성장시켜서 음극을 형성하는 음극 형성공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 표시장치의 제조 방법.
  49. 전계 전자 방출소자와, 이 전계 전자 방출소자로부터 방출된 전자의 충돌에 따라 발광하는 발광부를 구비한 표시장치에 있어서,
    상기 전계 전자 방출소자는, 변조된 열 분포에 의한 용융을 이용하여, 통 형상 탄소 분자의 촉매 기능을 가지는 금속을 기판에 배치하고, 그 촉매기능을 가지는 금속을 이용해서 성장시켜진 통 형상 탄소 분자를 가지는 음극을 구비한 것을 특징으로 하는 표시장치.
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