KR100303294B1 - Method of manufacturing optoelectronic devices by using selective growth of the carbon nanotubes on the silicon substrate - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 광전자 소자 제조 방법은, 실리콘 기판 상에 전자 소자를 형성하고 전자 소자 상에 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 FED와 같은 광 소자를 제조한다. 즉, 전자 소자를 덮는 제1절연 박막을 형성하고, 제1절연 박막을 관통하여 전자 소자에 전기적으로 연결되는 전도성 물질층을 형성한다. 전도성 물질층 상에 제1절연 박막 상에 연장되는 촉매 금속막을 형성한다. 촉매 금속막을 덮는 제2절연 박막을 형성하고, 제2절연 박막 상에 제1금속막을 형성한다. 제1금속막을 패터닝하여 제2절연 박막의 상측 표면을 일부 노출한 후 패터닝된 제1금속막을 마스크로 노출된 제2절연 박막을 식각하여 제2절연 박막에 촉매 금속막을 노출하는 미세 구멍을 형성한다. 미세 구멍에 노출된 촉매 금속막 상에 화학 기상 증착법으로 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시킨다. 이후에, 제1금속막 상에 스페이서를 설치하고 스페이서 상에 형광체를 부착하고 형광체 상에 제2금속막을 형성하며 제2금속막 상에 글라스(glass)를 놓은 후 진공 밀봉하여 광전자 소자를 제조한다. 본 발명에 따르면, 실리콘 기판 상에 전자 소자와 FED 등의 광 소자를 동시에 제조할 수 있어 고밀도로 집적화하는 것이 가능하다.The optoelectronic device manufacturing method using the selective growth of carbon nanotubes in the silicon substrate of the present invention, to form an electronic device on the silicon substrate and to produce an optical device such as FED using the selective growth of carbon nanotubes on the electronic device. That is, a first insulating thin film covering the electronic device is formed, and a conductive material layer electrically connected to the electronic device is formed through the first insulating thin film. A catalytic metal film extending on the first insulating thin film is formed on the conductive material layer. A second insulating thin film covering the catalyst metal film is formed, and a first metal film is formed on the second insulating thin film. After patterning the first metal film to partially expose the upper surface of the second insulating thin film, the second insulating thin film exposed by the patterned first metal film as a mask is etched to form fine holes for exposing the catalyst metal film to the second insulating thin film. . Carbon nanotubes are selectively grown on the catalytic metal film exposed to the micropores by chemical vapor deposition. Subsequently, an optoelectronic device is manufactured by installing a spacer on the first metal film, attaching a phosphor on the spacer, forming a second metal film on the phosphor, and placing glass on the second metal film, followed by vacuum sealing. . According to the present invention, an electronic device and an optical device such as an FED can be simultaneously manufactured on a silicon substrate, whereby high density integration is possible.

Description

실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 광전자 소자 제조 방법{Method of manufacturing optoelectronic devices by using selective growth of the carbon nanotubes on the silicon substrate}Method of manufacturing optoelectronic devices by using selective growth of the carbon nanotubes on the silicon substrate}

본 발명은 광전자 소자 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 광전자 소자 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an optoelectronic device, and more particularly to a method for manufacturing an optoelectronic device using the selective growth of carbon nanotubes on a silicon substrate.

광전자 소자는 전자 소자와 광 소자를 동시에 집적한 소자를 의미한다. 일반적으로 전자 소자와 광 소자를 실리콘 재료를 이용하여 동시에 집적하는 것은 매우 어려워 주로 화합물 반도체를 이용하여 광전자 소자를 제조하고 있다.An optoelectronic device means a device in which an electronic device and an optical device are integrated at the same time. In general, it is very difficult to integrate electronic devices and optical devices at the same time using silicon materials, so that optoelectronic devices are mainly manufactured using compound semiconductors.

화합물 반도체 기판은 그 가격이 매우 비쌀 뿐만 아니라, 결정 성장시 결함이 많이 발생하고 또한 대면적 결정 성장이 어렵기 때문에 기술적으로나 경제적으로나 소자 제조 시 많은 제약을 받고 있다. 또한, 광전자 소자를 집적시킬 때, 전자 소자와 광 소자를 수평적으로 배치함으로써 고밀도 집적화가 어렵다.Compound semiconductor substrates are not only very expensive, but also have a lot of defects in crystal growth and large-area crystal growth. In addition, when integrating an optoelectronic device, it is difficult to integrate high density by disposing the electronic device and the optical device horizontally.

일반적인 실리콘 기판을 이용한 광 소자로서, 실리콘 기판을 식각하는 방법에 의해 만들어진 실리콘 탐침을 이용하는 FED(Field Emitting Device)를 들 수 있다. 이러한 FED는 소자 제조 공정에서 식각 공정을 사용하여 대략 1.5㎛ 정도의 간격으로 실리콘 탐침과 게이트 전극을 분리해야 하는 어려움이 수반되고, 또한, 고전류 방출에 의한 실리콘 탐침의 열화로 인하여 누설 전류가 크고, 소자의 신뢰성 및 성능 저하가 발생할 수 있다. 이에 따라, 이러한 FED를 이용한 광전자 소자의 제조는 매우 어려운 실정이다.As an optical device using a general silicon substrate, there is a FED (Field Emitting Device) using a silicon probe made by a method of etching a silicon substrate. The FED involves the difficulty of separating the silicon probe and the gate electrode at intervals of about 1.5 μm using an etching process in the device fabrication process, and also has a large leakage current due to deterioration of the silicon probe due to high current emission. Degradation and reliability of the device may occur. Accordingly, it is very difficult to manufacture the optoelectronic device using the FED.

한편, 이러한 실리콘 탐침을 이용한 FED의 문제점을 개선하기 위해서 제시된 탄소나노튜브를 이용하는 FED는, 탄소나노튜브를 전기 방전법이나 레이저 증착법에 의해서 합성시킨 후, 합성된 탄소나노튜브를 정제시킨 다음, 다공성 세라믹 필터를 사용하여 실리콘 기판 위에 탄소나노튜브를 부착시키는 방법으로 제조될 수 있다. 이러한 방법은 탄소나노튜브의 정제 과정이 어렵고 수율이 낮아 실용성이 떨어질 뿐만 아니라 소자 적용 시 제조 공정이 복잡하여 응용에 어려움이 많다.On the other hand, the FED using the proposed carbon nanotubes to improve the problem of the FED using the silicon probe, after synthesizing the carbon nanotubes by an electric discharge method or a laser deposition method, and purified the synthesized carbon nanotubes, and then porous The ceramic filter may be manufactured by attaching carbon nanotubes on a silicon substrate. Such a method is difficult to purify the carbon nanotubes and the yield is low, the practicality is low, and the application process is complicated because the manufacturing process is complicated when the device is applied.

한편, 다공질 기판이나 다공질 물질 위에 화학 기상 증착벅으로 직접 탄소나 노튜브를 합성시킨 후, 이러한 탄소나노튜브를 FED 제작에 이용하려는 시도가 진행되고 있으나, 역시 이러한 방법도 제조 공정이 매우 복잡하고 탄소나노튜브의 직경과 순도를 조절하기가 어렵고 FED를 제조하기에 공정이 복잡하여 제약 요인이 발생하고 있다.Meanwhile, after synthesizing carbon nanotubes directly with a chemical vapor deposition buck on a porous substrate or a porous material, attempts have been made to use such carbon nanotubes in the fabrication of FEDs. It is difficult to control the diameter and purity of the tube and the process is complicated to manufacture the FED, causing constraints.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 고밀도의 광전자 소자를 집적화시키는 것이 가능하고, 제조방법이 간단하면서도 성능과 신뢰성이 우수한 광전자 소자 제조 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide an optoelectronic device manufacturing method capable of integrating a high-density optoelectronic device, and having a simple and high performance and reliability.

도 1은 본 발명에 의한 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 광전자 소자 제조 방법을 설명하기 위해서 도시한 도면이다.1 is a view illustrating a method for manufacturing an optoelectronic device using the selective growth of carbon nanotubes in a silicon substrate according to the present invention.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 광전자 소자의 제조 방법은, 실리콘 기판 상에 전자 소자를 형성하고 전자 소자 상을 덮는 제1절연 박막을 형성하고, 상기 제1절연 박막를 관통하여 상기 전자 소자에 전기적으로 연결되는 전도성 물질층을 형성한다. 상기 전도성 물질층 상에 상기 제1절연 박막 상에 연장되는 촉매 금속막을 형성한다. 상기 촉매 금속막을 덮는 제2절연 박막을 형성하고, 상기 제2절연 박막 상에 제1금속막을 형성한다. 상기 제1금속막을 패터닝하여 제2절연 박막의 상측 표면을 일부 노출한 후 상기 패터닝된 제1금속막을 마스크로 상기 노출된 제2절연 박막을 식각하여 제2절연 박막에 상기 촉매 금속막을 노출하는 미세 구멍을 형성한다. 상기 미세 구멍에 노출된 촉매 금속막 상에 화학 기상 증착법으로 탄소 나노튜브를 선택적으로 성장시킨다. 이후에, 상기 제1금속막 상에 스페이서를 설치하고 상기 스페이서 상에 형광체를 부착하고 상기 형광체 상에 제2금속막을 형성하며 상기 제2금속막 상에 글라스를 놓은 후 밀봉하여 광전자 소자를 제조한다.In order to achieve the above technical problem, the method for manufacturing an optoelectronic device of the present invention, forming an electronic device on a silicon substrate and forming a first insulating thin film covering the electronic device, and penetrates the first insulating thin film To form a conductive material layer electrically connected to the substrate. A catalyst metal film extending on the first insulating thin film is formed on the conductive material layer. A second insulating thin film is formed to cover the catalyst metal film, and a first metal film is formed on the second insulating thin film. The first metal film is patterned to partially expose the upper surface of the second insulating thin film, and then the exposed second insulating thin film is etched using the patterned first metal film as a mask to expose the catalyst metal film to the second insulating thin film. Form a hole. Carbon nanotubes are selectively grown on the catalytic metal film exposed to the micropores by chemical vapor deposition. Subsequently, an optoelectronic device is manufactured by installing a spacer on the first metal film, attaching a phosphor on the spacer, forming a second metal film on the phosphor, placing a glass on the second metal film, and sealing the same. .

본 발명의 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 광전자 소자 제조 방법은, 제조 공정이 간단하고 넓은 전계 방출면적을 확보할 수 있으며, 낮은 인가전압에도 높은 방출전류를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 광전자 소자 제조 방법은, 한 개의 픽셀안에 여러개의 방출원을 갖고 있어서 단위 면적당 매우 높은 밀도를 갖기 때문에 방출전류의 값을 크게 높일 수 있고, 재현성과 신뢰성 및 우수한 수율을 얻을 수있다.The optoelectronic device manufacturing method using the selective growth of carbon nanotubes in the silicon substrate of the present invention, the manufacturing process is simple, can secure a large field emission area, it is possible to obtain a high emission current even at a low applied voltage. In addition, the method of manufacturing an optoelectronic device using the selective growth of carbon nanotubes in the silicon substrate of the present invention has a large number of emission sources in one pixel and thus has a very high density per unit area, thereby greatly increasing the value of the emission current. , Reproducibility and reliability and excellent yield can be obtained.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참조하면, 실리콘 기판(1) 상에 전자 소자(2)를 제조한 후, 전기 소자(2)의 상부에 저온으로 제1절연 박막(3)을 대략 300nm 내지 800nm의 두께 정도로 형성한다. 이때, 제1절연 박막(3)을 평탄화하는 단계를 더 수행할 수 있다.Referring to FIG. 1, after the electronic device 2 is manufactured on the silicon substrate 1, the first insulating thin film 3 is formed on the upper portion of the electric device 2 at a low temperature of about 300 nm to 800 nm. . In this case, the step of planarizing the first insulating thin film 3 may be further performed.

전자 소자(2)와 광 소자인 FED를 전기적으로 연결하기 위한 비아 콘택홀(via contact hole:4)을 제1절연 박막(3)에 직경이 1㎛ 이하로 형성한다. 비아 콘택홀(4)의 내부를 채우는 알루미늄 또는 텅스텐, 티타늄 등과 같은 전도성 물질층(5)을 형성한다.Via contact holes (4) for electrically connecting the electronic device 2 and the FED, which is an optical device, are formed in the first insulating thin film 3 with a diameter of 1 μm or less. A layer of conductive material 5 such as aluminum, tungsten, titanium, or the like, which fills the interior of the via contact hole 4 is formed.

이후에, 노출된 전도성 물질층(5) 상 및 제1절연 박막(3) 상에 촉매 금속막(6)을 형성한다. 촉매 금속막(6)은 니켈, 코발트 또는 니켈-코발트 합금 등으로 형성될 수 있으며 대략 50nm 내지 200nm 정도의 두께로 증착될 수 있다. 이때, 촉매 금속막(6)은 패터닝되어 각각의 전도성 물질층(5)에 연결되도록 분리될 수 있다.Thereafter, a catalyst metal film 6 is formed on the exposed conductive material layer 5 and on the first insulating thin film 3. The catalytic metal film 6 may be formed of nickel, cobalt or a nickel-cobalt alloy and the like, and may be deposited to a thickness of about 50 nm to 200 nm. At this time, the catalytic metal film 6 may be patterned and separated to be connected to each conductive material layer 5.

촉매 금속막(6) 상에 대략 0.5㎛ 내지 2.0㎛ 정도의 두께로 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 등과 같은 제2절연 박막(7)을 저온에서 증착시킨 후, 제2절연 박막(7) 상에 제1금속막(13)을 형성한다.After depositing a second insulating thin film 7, such as a silicon oxide film or a silicon nitride film, at a low temperature on the catalyst metal film 6 with a thickness of about 0.5 μm to 2.0 μm, the first insulating film 7 is formed on the second insulating thin film 7. The metal film 13 is formed.

이후에, 제1금속막(13)을 사진 식각 방법으로 이용하여 패터닝하여 상기 제1금속막(13)에 직경이 대략 1㎛ 이하인 미세 구멍을 형성한다. 이러한 미세 구멍은 대략 1.0㎛ 내지 4.0㎛ 간격으로 형성될 수 있다. 이후에, 미세 구멍이 형성된 제1금속막(13)을 마스크(mask)로 이용하여, 미세 구멍에 의해서 노출되는 제2절연 박막(7)을 식각하여 직경이 대략 1.0㎛ 이하인 미세 구멍(8)을 제2절연 박막(7)에 형성한다. 이러한 미세 구멍(8)은 하부의 촉매 금속막(6)의 상측 표면을 바람직하게 노출한다. 이때, 미세 구멍(8)은 제1금속막(13)의 미세 구멍에 비해 약간 크게 형성될 수 있다.Thereafter, the first metal film 13 is patterned using a photolithography method to form fine holes having a diameter of about 1 μm or less in the first metal film 13. These micropores may be formed at approximately 1.0 μm to 4.0 μm intervals. Thereafter, the second insulating thin film 7 exposed by the micro holes is etched using the first metal film 13 having the micro holes therein as a mask to etch the micro holes 8 having a diameter of about 1.0 μm or less. Is formed in the second insulating thin film 7. These fine holes 8 preferably expose the upper surface of the lower catalyst metal film 6. In this case, the fine holes 8 may be slightly larger than the fine holes of the first metal film 13.

이후에, 아세틸렌이나 에릴렌 또는 메탄 등과 같은 탄화 가스를 사용하는 화학 기상 증착법을 이용하여, 미세 구멍(8)의 바닥에 노출된 촉매 금속막(6) 상에 탄소나노튜브(9)를 선택적으로 성장시킨다. 이러한 탄소나노튜브(9)는 바람직하게 제2절연 박막(7)의 두께보다 작은 길이, 즉, 미세 구멍(8)의 깊이 보다 작은 길이로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 탄소나노튜브(9)가 형성된 미세 구멍(8)을 메우는 절연 물질층(10)을 더 형성할 수 있으나, 이러한 절연 물질층(10)은 생략될 수도 있다.Thereafter, by using a chemical vapor deposition method using a carbonization gas such as acetylene, ethylene or methane, the carbon nanotubes 9 are selectively formed on the catalytic metal film 6 exposed at the bottom of the micropores 8. To grow. The carbon nanotubes 9 may be formed to have a length smaller than the thickness of the second insulating thin film 7, that is, smaller than the depth of the fine holes 8. In addition, although the insulating material layer 10 filling the fine holes 8 in which the carbon nanotubes 9 are formed may be further formed, the insulating material layer 10 may be omitted.

이후에, 제1금속막(13) 상에 일반적인 스페이서(spacer:14)를 설치한 후, 스페이서(14) 상에 형광체(15)를 부착한다. 형광체(15) 상에는 전도성의 제2금속막(16)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 형광체(15) 상에 열증착법이나 스퍼터링법 등으로 알루미늄막 또는 알루미늄 합금막 등의 제2금속막(16)을 형성할 수 있다. 이후에, 상기 제2금속막(16) 배후에 글라스(glass:17) 도입한 후 진공 밀봉하여 광전자 소자를 제조한다.Subsequently, a general spacer 14 is provided on the first metal film 13, and then the phosphor 15 is attached to the spacer 14. A conductive second metal film 16 may be formed on the phosphor 15. For example, the second metal film 16 such as an aluminum film or an aluminum alloy film can be formed on the phosphor 15 by thermal evaporation, sputtering, or the like. Thereafter, a glass 17 is introduced behind the second metal film 16 and vacuum-sealed to manufacture an optoelectronic device.

상술한 바와 같이 본 발명의 광전자 소자 제조 방법은 실리콘 기판 상에 전자 소자에 제1절연 박막 및 전도성 물질층 등을 개재하여 전기적으로 연결되는 촉매 금속막 상에 제2절연 박막 및 제1금속막을 형성한 후, 그 내부에 미세 구멍을 형성시킨다. 이후에, 미세 구멍 내의 촉매 금속막 상에 화학적 기상 증착법으로 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시킨 후, 제1금속막 상에 스페이서를 설치한 후, 스페이서 상에 형광체를 부착한다. 이때, 형광체 상에는 제2금속막 및 글라스가 도입된다.As described above, in the method of manufacturing an optoelectronic device of the present invention, a second insulating thin film and a first metal film are formed on a catalyst metal film electrically connected to an electronic device via a first insulating thin film and a conductive material layer on a silicon substrate. After that, fine holes are formed therein. Thereafter, after the carbon nanotubes are selectively grown on the catalyst metal film in the fine pores by chemical vapor deposition, a spacer is installed on the first metal film, and then phosphors are attached to the spacer. At this time, the second metal film and the glass are introduced onto the phosphor.

이와 같은 본 발명의 광전자 소자 제조 방법은, 미세 구멍 내의 촉매 금속막 상에만 선택적으로 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있어, 제조 공정을 단순화시킬 수 있으며, 이에 따라 재현성과 신뢰성이 우수하고 수율이 높을 수 있다. 또한, 고밀도 집적화가 가능하다. 전계 방출 탐침 역할을 하는 탄소나노튜브는 직경이 대략 수십 nm 이하로 매우 작기 때문에 전계 집적도가 높아 작은 인가전압으로 높은 방출 전류를 얻을 수 있다.Such a method for manufacturing an optoelectronic device of the present invention can selectively grow carbon nanotubes only on the catalyst metal film in the micropores, thereby simplifying the manufacturing process, thereby providing excellent reproducibility, reliability, and high yield. have. In addition, high density integration is possible. Carbon nanotubes, which act as field emission probes, have very small diameters of about several tens of nm or less, and thus have high field integration, and thus high emission currents can be obtained with a small applied voltage.

또한, 본 발명에 의하면, 단위 면적당 매우 높은 밀도로 광전자 소자를 제조할 수 있고, 또한, 광 소자인 FED의 방출 전류의 값을 크게 높일 수 있으며 넓은 전계 방출 면적을 확보할 수 있다. 또한, 한 개의 픽셀당 여러개의 방출 탐침을 갖기 때문에 재현성 및 수율을 높일 수 있다.In addition, according to the present invention, the optoelectronic device can be manufactured at a very high density per unit area, and the value of the emission current of the FED as the optical device can be greatly increased, and a wide field emission area can be secured. In addition, having multiple emission probes per pixel can increase reproducibility and yield.

아울러, 본 발명에 따르면 실리콘 소자에서의 광방출 능력을 실질적으로 구현함으로써, 실리콘 소자를 광전자 소자로 응용할 수 있다.In addition, according to the present invention, by realizing the light emitting capability of the silicon device, the silicon device can be applied as an optoelectronic device.

Claims (1)

실리콘 기판 상에 전자 소자를 형성하고 전자 소자 상을 덮는 제1절연 박막을 형성하는 단계; 상기 제1절연 박막를 관통하여 상기 전자 소자에 전기적으로 연결되는 전도성 물질층을 형성하는 단계; 상기 전도성 물질층 상에 상기 제1절연 박막 상에 연장되는 촉매 금속막을 형성하는 단계; 상기 촉매 금속막을 덮는 제2절연 박막을 형성하는 단계; 상기 제2절연 박막 상에 제1금속막을 형성하는 단계; 상기 제1금속막을 패터닝하여 제2절연 박막의 상측 표면을 일부 노출하는 단계; 상기 패터닝된 제1금속막을 마스크로 상기 노출된 제2절연 박막을 식각하여 상기 제2절연 박막에 상기 촉매 금속막을 노출하는 미세 구멍을 형성하는 단계; 상기 미세 구멍에 노출된 촉매 금속막 상에 화학 기상 증착법으로 탄소 나노튜브를 선택적으로 성장시키는 단계; 및 상기 제1금속막 상에 스페이서를 설치하고 상기 스페이서 상에 형광체를 부착하고 상기 형광체 상에 제2금속막을 형성하며 상기 제2금속막 상에 글라스를 놓은 후 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자 제조 방법.Forming an electronic device on the silicon substrate and forming a first insulating thin film covering the electronic device; Forming a conductive material layer penetrating the first insulating thin film and electrically connected to the electronic device; Forming a catalytic metal film on the conductive material layer and extending on the first insulating thin film; Forming a second insulating thin film covering the catalyst metal film; Forming a first metal film on the second insulating thin film; Patterning the first metal film to partially expose an upper surface of the second insulating thin film; Etching the exposed second insulating thin film by using the patterned first metal film as a mask to form fine holes for exposing the catalyst metal film to the second insulating thin film; Selectively growing carbon nanotubes on the catalytic metal film exposed to the micropores by chemical vapor deposition; And installing a spacer on the first metal film, attaching a phosphor on the spacer, forming a second metal film on the phosphor, and placing a glass on the second metal film and then sealing it. Optoelectronic device manufacturing method.
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