KR100303294B1 - 실리콘기판에서탄소나노튜브의선택적성장을이용한광전자소자제조방법 - Google Patents

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.

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}

본 발명은 광전자 소자 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 광전자 소자 제조 방법에 관한 것이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

도 1은 본 발명에 의한 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 광전자 소자 제조 방법을 설명하기 위해서 도시한 도면이다.

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.

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.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

아울러, 본 발명에 따르면 실리콘 소자에서의 광방출 능력을 실질적으로 구현함으로써, 실리콘 소자를 광전자 소자로 응용할 수 있다.

Claims (1)

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.