KR100372168B1 - A method for manufacturing gated carbon-nanotube field emission displays - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직격이 수㎛ 크기 이하인 미세한 홀이 형성된 하부 기판상에 직접 성장된 탄소나노튜브를 전계방출원으로 이용하고, 전자의 흐름을 제어할 수 있는 삼극형 전계방출 표시소자의 제조방법에 관한 것으로, 투명전극, 발광층이 형성된 상부기판과 대응되도록 형성된 하부기판을 포함한 전계방출 표시소자의 제조방법에 있어서, 하부 기판상에 게이트 절연막, 게이트 전극을 차례로 형성하고 상기 게이트 절연막이 소정부분 노출되도록 상기 게이트 전극을 선택적으로 식각하는 단계와, 상기 기판 표면이 소정부분 노출되도록 게이트 절연막을 습식식각과 건식식하여 홀을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극상에 전자선 증착기를 사용하여 소정의 경사를 갖도록 도전층을 형성하는 단계와, 상기 도전층상 및 상기 홀의 기판상에 초박막의 촉매금속를 증착한 후, 화학기상증착법을 사용하여 선택적으로 홀 중앙에 탄소나노튜브를 형성하는 단계와, 리프트-오프 공정을 통해 상기 도전층을 제거하여 기판상에 직접성장된 탄소나노튜브를 갖는 삼극형 전계방출 표시소자를 형성하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method of manufacturing a tripolar field emission display device that can control the flow of electrons by using carbon nanotubes grown directly on a lower substrate having a fine hole of several micrometers in size or less as a field emission source. The method of manufacturing a field emission display device including a transparent electrode and a lower substrate formed to correspond to an upper substrate on which a light emitting layer is formed, the method comprising: forming a gate insulating film and a gate electrode on a lower substrate in order and exposing a predetermined portion of the gate insulating film. Selectively etching the gate electrode, forming a hole by wet etching the gate insulating layer with a dry etching so as to expose a predetermined portion of the surface of the substrate, and conducting a predetermined inclination using an electron beam evaporator on the gate electrode. Forming a layer, and the ultra-thin catalyst gold on the conductive layer and the substrate of the hole After depositing the inner layer, using a chemical vapor deposition method to selectively form a carbon nanotube in the center of the hole, and the lift-off process to remove the conductive layer by a tripolar type having a carbon nanotube directly grown on the substrate A field emission display device is formed.
Description
본 발명은 전계방출 표시소자(field emission device : FED)의 제조방법에관한 것으로, 특히 직경이 수㎛인 미세한 홀이 형성된 기판상의 선택적 위치에 직접 성장된 탄소나노튜브를 전자방출원으로서 사용하고, 전자의 흐름 제어를 위한 게이트를 갖는 삼극형 탄소나노튜브의 전계 방출 표시소자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a field emission device (FED), in particular using carbon nanotubes grown directly at a selective position on a substrate on which a fine hole having a diameter of several micrometers is formed, as an electron emission source, A method of manufacturing a field emission display device of tripolar carbon nanotubes having a gate for controlling the flow of electrons.
일반적으로 탄소나노튜브는 1991년 일본 이지마 교수가 발견한 이래로 특이한 전기적 특성 및 기계적 특성이 알려지면서 큰 주목을 받는 차세대 신소재 재료이다.In general, carbon nanotubes are the next-generation new material materials that have received great attention since their unusual electrical and mechanical properties have been known since the discovery by Professor Ijima Japan in 1991.
탄소나노튜브는 직경이 수 nm∼수십 nm이고 길이가 수 ㎛∼수십 ㎛에 이르는 높은 종횡비(aspect ratio)를 특징으로 하며, 고전자 방출 효율, 우수한 열방출 특성, 구리보다 우수한 전기 전도도 및 완전한 기계적/구조적 특징과 함께 고진공에서의 이온충돌에 대한 내구성이 우수하여 많은 연구들이 이루어지고 있다.Carbon nanotubes are characterized by high aspect ratios ranging from several nm to several tens of nanometers in diameter and from several to tens of micrometers in length, with high electron emission efficiencies, good heat release properties, better electrical conductivity than copper, and complete mechanical In addition to structural features, many studies have been conducted on the durability of ion collision in high vacuum.
또한, 탄소나노튜브는 높은 가간섭성(coherence)과 좁은 영역의 전계방출 에너지 배분(field emission energy distribution)을 나타나므로 기존의 전자방출원 보다 더 높은 분해능의 전자 방출원으로 사용될 가능성이 있다.In addition, carbon nanotubes exhibit high coherence and narrow field emission energy distribution, and thus may be used as electron emission sources with higher resolution than conventional electron emission sources.
최근에 일본의 사이토(Saito) 등은 다결 탄소나노튜브(Multiwall Carbon Nanotubes : MWNT)를 전자 발생원으로 사용한 음극선 튜브(cathode-ray tube)를 제조하였는데 기존의 열전자 튜브를 사용한 경우보다 100배 이상 높고, 동작 수명도 약 8000시간에 달하는 등 탄소나노튜브가 매우 우수한 전자방출원이라는 사실을 입증하였다.Recently, Saito et al. Manufactured cathode-ray tubes using multiwall carbon nanotubes (MWNTs) as electron sources, which are more than 100 times higher than those of conventional hot electron tubes. The operating life of about 8000 hours has proved that carbon nanotubes are very good electron emission sources.
한편, Zhou 그룹은 5mm 직경의 홀곁 탄소나노튜브(Single Wall CarbonNanotubes : SWNT)를 사용하여 전류밀도 0.1A/cm2, 주파수 대역 0.5∼3GHz 영역에서 동작 가능한 마이크로웨이브 발생기(microwave generator)를 시연한 바 있다.Meanwhile, Zhou Group demonstrated a microwave generator that can operate in the current density of 0.1A / cm 2 and frequency band 0.5 ~ 3GHz using 5mm diameter single wall carbon nanotubes (SWNT). have.
탄소나노튜브의 전계방출 디스플레이로의 응용은 Wang 등이 32×32 매트릭스-어드레서블(matrix-addressable) 표시소자가 발표되었고, SAIT 등은 탄소나노튜브를 도전성 에폭시와 혼합하고 스크린 인쇄법을 사용하여 4.5인치와 9인치 급의 칼라 전계방출 디스플레이를 발표하였다.The application of carbon nanotubes as field emission displays was presented by Wang et al., 32 × 32 matrix-addressable display devices, and SAIT et al. Mix carbon nanotubes with conductive epoxy and use screen printing. The company announced a 4.5-inch and 9-inch color field emission display.
이들 선행 기술에서 탄소나노튜브 전자방출 음극은 정제된 탄소나노튜브를 유기바인더와 금속분말을 혼합하고 패턴된 금속망내로 압착 및 밀어넣기로 관통시키고, 유기바인더를 가열시켜 제거한 후, 바인더와 혼합되어 있는 탄소나노튜브가 표면위로 노출될 수 있도록 표면처리를 거침으로써 탄소나노튜브 전자방출원을 제조하였다. 여기서, 바인더와 혼합된 매트릭스내에서 표면이 노출된 탄소나노튜브의 밀도는 3∼7개/㎛2이고, 탄소나노튜브 한 개당 수 pA(pico ampere)의 전류가 방출된다.In these prior arts, the carbon nanotube electron-emitting cathode is a mixture of organic binder and metal powder, pressed and pushed into a patterned metal network by heating the purified carbon nanotube, heating and removing the organic binder, and then mixed with a binder. Carbon nanotube electron emission sources were prepared by subjecting the carbon nanotubes to be exposed on the surface. Here, the density of the exposed carbon nanotubes in the matrix mixed with the binder is 3 to 7 / ㎛ 2 , a current of several pA (pico ampere) per carbon nanotube is emitted.
한편, 종래의 금속 및 실리콘-팁(Si-tip)을 이용한 전자방출원에서 전계방출 효과를 극대화시키기 위해서는 1~1.5㎛ 높이의 팁을 제조하고, 가공된 팁의 선단(apex)을 수십 nm~30nm 직경을 갖도록 제어하는 등의 고난도 MEMS 기술이 요구된다. 또한, 이렇게 제조된 팁들의 균일도 제어는 공정상 매우 수율이 낮을 뿐만 아니라 고전기장 하에서 장시간 동작에 따른 팁끝의 산화 및 기계적 뭉게짐 등과 같은 열화특성, 이에 기인한 제품단가 상승은 전계방출 표시소자의 상용화에 큰 걸림돌이 되고있다.On the other hand, in order to maximize the field emission effect in the electron emission source using a conventional metal and silicon-tip (Si-tip) to produce a tip of 1 ~ 1.5㎛ height, the tip (apex) of the processed tip (tenx ~ 10nm) There is a need for highly difficult MEMS techniques, such as controlling to have a 30 nm diameter. In addition, the uniformity control of the tips manufactured in this way is not only very low in the process, but also deterioration characteristics such as oxidation and mechanical agglomeration of the tip tip due to prolonged operation under high electric field, and the increase in product cost resulting from the commercialization of the field emission display device. Has become a big stumbling block.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 전계방출 표시소자에 대하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a conventional field emission display device will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래의 전계방출 표시소자를 나타낸 단면도이고, 도 2는 종래의 이극형(다이오드형) 전계방출 표시소자를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional field emission display device, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a conventional bipolar (diode type) field emission display device.
먼저, 도 1에 도시한 바와 같이 음극-게이트-양극으로 구성된 3극 진공관(triode)으로 이루어져, 하부기판(1)상에 음극(2)을 형성하고 상기 음극(2)상에 상기 음극(2) 및 후 공정에 형성될 반도체 팁(5)과 절연되도록 절연막(3)을 형성한 후, 홀을 형성한다.First, as shown in FIG. 1, a three-pole triode composed of a cathode-gate-anode forms a cathode 2 on a lower substrate 1 and the cathode 2 on the cathode 2. And the insulating film 3 is formed so as to be insulated from the semiconductor tip 5 to be formed in a later step, and then a hole is formed.
이어, 상기 음극(2)상에 일정간격 이격되도록 날카로운 모양의 반도체(금속) 팁(5)을 형성한다. 이때, 상기 하부기판(1)은 유리 또는 반도체 기판을 이용한다.Subsequently, a sharp shape semiconductor (metal) tip 5 is formed on the cathode 2 so as to be spaced apart at a predetermined interval. In this case, the lower substrate 1 uses a glass or semiconductor substrate.
그리고 상기 절연막(3)상에 게이트 전극(4)을 형성한다.The gate electrode 4 is formed on the insulating film 3.
한편, 이와 대응되는 위치의 상부기판(6) 내측에 양극인 투명전극(7)과 발광층(8)을 형성하고, 상기 하부 및 상부기판(1,6) 사이에는 두 기판이 일정한 간격으로 격리시키며 진공 갭을 유지시키는 역할의 스페이스(spacer)(9)를 형성한다.Meanwhile, the transparent electrode 7 and the light emitting layer 8, which are anodes, are formed inside the upper substrate 6 at the corresponding position, and the two substrates are separated at regular intervals between the lower and upper substrates 1 and 6. A space 9 which serves to maintain the vacuum gap is formed.
따라서, 상기 소자의 음극(2)에 대해 절연막(3)을 사이에 두고 상기 음극(2)과 게이트 전극(4) 사이에 전압을 인가하면, 상기 반도체 팁(5)의 날카로운 끝 부분으로부터 전자가 방출되고, 이 방출된 전자들은 진공 내를 가로질러 보다 강한 정전압(양극전압)에 의해 가속되어 발광층(8) 스크린 상에 충돌하여 발광체를 여기시켜 가시광을 발생시킨다.Therefore, when a voltage is applied between the cathode 2 and the gate electrode 4 with the insulating film 3 interposed with respect to the cathode 2 of the device, electrons are generated from the sharp end of the semiconductor tip 5. These emitted electrons are accelerated by a stronger constant voltage (anode voltage) across the vacuum and impinge on the screen of the light emitting layer 8 to excite the light emitter to generate visible light.
이때, 광의 휘도는 상기 게이트 전극(4)에 가하는 전압을 변화시켜 상기 발광층(8)에 도달하는 방출전자의 밀도 등을 변화시켜 조절한다.At this time, the brightness of the light is adjusted by changing the voltage applied to the gate electrode 4 by changing the density of emission electrons reaching the light emitting layer 8 and the like.
도 2에 도시한 바와 같이 다이오드형 전계방출 소자는 하부기판(1)상에 음극(2)을 형성하고, 상기 음극(2)상에 박막(thin film) 혹은 후막(thick film) 형태의 에미터부(10)를 형성한다.As shown in FIG. 2, the diode-type field emission device forms a cathode 2 on the lower substrate 1, and an emitter portion in the form of a thin film or a thick film on the cathode 2. To form (10).
한편, 이와 대응되는 위치의 상부기판(6) 내측에 양극인 투명전극(7)과 발광층(8)을 형성하고, 상기 하부 및 상부기판(1,6) 사이에 두 기판이 일정한 간격으로 격리시키는 스페이서(9)를 형성한다.Meanwhile, the transparent electrode 7 and the light emitting layer 8, which are anodes, are formed inside the upper substrate 6 at a position corresponding thereto, and the two substrates are separated at regular intervals between the lower and upper substrates 1,6. The spacer 9 is formed.
한편, 탄소나노튜브(carbon nanotubes : CNT)를 이용한 디스플레이 응용은 특정 위치 내에 선택적 성장기술 개발이 없어도 구현이 용이한 다이오드 구조를 사용한다. 즉, 평면 기판상에 탄소나노튜브를 그대로 박막형태로 성장시키거나 보다 간단하게 CNT와 도전성 에폭시와 혼합하여 기판상에 코팅한 후, 음극과 상부 양극간에 전압을 인가하여 발광시킨다.On the other hand, display applications using carbon nanotubes (CNT) use a diode structure that is easy to implement without the development of selective growth technology within a specific location. That is, the carbon nanotubes are grown in a thin film form on a planar substrate, or more simply, are mixed with CNT and a conductive epoxy and coated on the substrate, and then light is applied by applying a voltage between the cathode and the upper anode.
그러나 전자의 경우는 비록 CNT 재료 자체나 성장조건 연구, 방출 특성연구 등과 같은 학술적인 측면에서는 유용한 구조이나 영상 및 정보처리를 위한 구동가능 디스플레이로서는 사용이 불가능하다.However, the former can not be used as a driveable display for useful structures or image and information processing in terms of academic aspects such as CNT material itself, growth condition studies, emission characteristics studies, and the like.
또한, 에폭시와 혼합한 CNT 분말 시스템을 사용하는 경우 비록 저가의 공정으로 표시소자 제조가 가능하다는 정점에도 불구하고 좁은 갭내에 고진공을 유지하면서 동작하는 FED에서 동작시간 경과에 따른 가스방출 등에 의한 수명열화와 표시품위의 불균일도, 후막 공정에 따른 저분해능 등은 차세대 고해상도의 표시제품 가능성에 대한 문제점으로 지적된다.In addition, even if the CNT powder system mixed with epoxy is used, the display device can be manufactured by a low-cost process, but the lifetime is deteriorated due to the gas discharge over the operating time in the FED operating while maintaining a high vacuum in a narrow gap. And non-uniformity of display quality and low resolution due to thick film process are pointed out as problems for the possibility of next generation high resolution display products.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 기판상의 좁은 홀 내부에 전자방출 특성과 기계적 강도가 우수한 새로운 전자방출원을 형성하면서 게이트를 갖는 삼극형 전계방출 표시소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems to provide a method of manufacturing a tripolar field emission display device having a gate while forming a new electron emission source excellent in electron emission characteristics and mechanical strength in a narrow hole on the substrate. The purpose is.
또한, 고난이도의 식각공정을 사용하지 않고 종횡비가 큰 전자방출원을 직경 1㎛ 크기의 홀 내부의 특정위치에 직접 성장시켜 고수율, 저가의 고성능 차세대 평판 디스플레이의 개발하도록 하는 전계방출 표시소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, a field emission display device is fabricated so that an electron emission source having a high aspect ratio can be directly grown at a specific position inside a hole having a diameter of 1 μm without using a high-etch etching process to develop a high-performance, low-cost, high performance next-generation flat panel display The purpose is to provide a method.
도 1은 종래의 전계방출 표시소자를 나타낸 단면도1 is a cross-sectional view showing a conventional field emission display device
도 2는 종래의 다이오드형 전계방출 표시소자를 나타낸 단면도2 is a cross-sectional view showing a conventional diode type field emission display device.
도 3a 내지 3f는 본 발명의 일실시예에 따른 전계방출 표시소자의 제조방법을 나타낸 공정 단면도3A to 3F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a field emission display device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따라 완성된 소자의 구조를 나타낸 도면4a to 4c are views showing the structure of the completed device according to an embodiment of the present invention
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 하부기판 101 : 게이트 절연막100: lower substrate 101: gate insulating film
102 : 게이트 전극 103 : 홀102 gate electrode 103 hole
104 : 알루미늄층 105 : 촉매금속104: aluminum layer 105: catalytic metal
106 : 탄소나노튜브106: carbon nanotube
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 삼극형 탄소나노튜브 전계방출 표시소자의 제조방법은 투명전극, 발광층이 형성된 상부기판과 대응되도록 형성된 하부기판을 포함한 전계방출 표시소자의 제조방법에 있어서, 하부기판상에 게이트 절연막, 게이트 전극을 차례로 형성하고 상기 게이트 절연막이 소정부분 노출되도록 상기 게이트 전극을 선택적으로 식각하는 단계와, 상기 기판 표면이 소정부분 노출되도록 게이트 절연막을 습식식각과 건식식하여 홀을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극상에 전자-선 증착법을 사용하여 소정의 경사를 갖도록 도전층을 형성하는 단계와, 상기 도전층상 및 상기 홀의 기판상에 초박막의 촉매금속를 증착한 후, 열화학기상증착법을 사용하여 선택적으로 홀 중앙에 탄소나노튜브를 성장/형성하는 단계와, 리프트-오프 공정을 통해 상기 도전층을 제거하여 기판상에 직접 성장된 탄소나노튜브를 갖는 삼극형 전계방출 표시소자를 형성하는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a tripolar carbon nanotube field emission display device of the present invention for achieving the above object, in the method of manufacturing a field emission display device comprising a transparent electrode, a lower substrate formed to correspond to the upper substrate on which the light emitting layer is formed, Forming a gate insulating film and a gate electrode sequentially on a lower substrate, and selectively etching the gate electrode to expose a predetermined portion of the gate insulating layer, and wet etching and dry the gate insulating layer to expose a predetermined portion of the substrate surface. Forming a conductive layer on the gate electrode by using an electron-ray deposition method, and depositing an ultra-thin catalyst metal on the conductive layer and the substrate of the hole, followed by thermochemical vapor deposition. Selectively depositing / growing carbon nanotubes in the center of the hole by vapor deposition; The conductive layer may be removed through a FT-off process to form a tripolar field emission display device having carbon nanotubes grown directly on a substrate.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 삼극형 탄소나노튜브 전계방출 표시소자의 제조방법에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of manufacturing a tripolar carbon nanotube field emission display device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3a 내지 3f는 본 발명의 일실시예에 따른 전계방출 표시소자의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.3A to 3F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a field emission display device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3a에 도시한 바와 같이 하부기판(100)상에 게이트 절연막(101)과 게이트 전극(102)을 차례로 형성하고, 상기 게이트 전극(102)상에 포토레지스트(도면에 도시하지 않았음)를 증착한다. 이때, 게이트 절연막(101)은 약 1100℃ 정도의 전리로에서, 습식 산화법으로 두께 1㎛로 형성하고, 상기 게이트 전극(102)은 Nb, W, Cr, Ti 등을 사용하여 100∼350nm로 형성한다. 그리고 상기 게이트 전극(102)은 DC 스퍼터법을 사용하여 상온에서 형성한다.As shown in FIG. 3A, a gate insulating film 101 and a gate electrode 102 are sequentially formed on the lower substrate 100, and a photoresist (not shown) is deposited on the gate electrode 102. do. In this case, the gate insulating film 101 is formed to a thickness of 1 μm by a wet oxidation method in an ionization furnace of about 1100 ° C., and the gate electrode 102 is formed to be 100 to 350 nm using Nb, W, Cr, Ti, or the like. do. The gate electrode 102 is formed at room temperature using the DC sputtering method.
이어, 도 3b에 도시한 바와 같이 포토공정을 이용하여 상기 포토레지스트를 마스크로 하여 반응성 식각 공정을 통해 상기 게이트 절연막(101) 표면이 소정부분 노출되도록 상기 게이트 전극(102)을 선택적으로 제거한다.Subsequently, as shown in FIG. 3B, the gate electrode 102 is selectively removed to expose a portion of the surface of the gate insulating film 101 through a reactive etching process using the photoresist as a mask using a photo process.
이어서 도 3c에 도시한 바와 같이 상기 게이트 전극(102)을 마스크로 이용하여 상기 게이트 절연막(101)을 상기 기판(100) 표면이 노출되도록 선택적으로 제거하여 홀(103)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3C, the gate insulating layer 101 is selectively removed to expose the surface of the substrate 100 using the gate electrode 102 as a mask to form a hole 103.
여기서, 상기 게이트 절연막(101)은 BOE(Buffered Oxide Etchant)를 이용하여 약 4분 정도 습식 식각한 후 건식 식각한다. 이때 상기 건식 식각시 챔버내의 가스 분위기는 Ar : CHF3= 2 : 1 로 하고, 파워는 약 200W 정도로 한다.Here, the gate insulating film 101 is wet etched for about 4 minutes using BOE (Buffered Oxide Etchant) and then dry etched. At this time, the gas atmosphere in the chamber during the dry etching is Ar: CHF 3 = 2: 1, the power is about 200W.
상기와 같이 게이트 절연막(101) 식각시 습식식각과 건식식각을 행할 경우 상기 게이트 전극(102)과 캐소드 전극과의 거리를 증가시킬 수 있고, 상기 게이트 절연막(101)에 인가되는 전기장의 크기와 분포를 줄일 수 있다. 따라서, 혼합 식각공정을 사용한 결과 습식식각만을 사용하는 경우에 비해 전자발출원(예를 들어 팁) 끝에 인가되는 전기장이 증가되어 누설전류 특성을 안정화할 수 있다.As described above, in the case of performing the wet etching and the dry etching during the etching of the gate insulating layer 101, the distance between the gate electrode 102 and the cathode electrode may be increased, and the magnitude and distribution of the electric field applied to the gate insulating layer 101 may be increased. Can be reduced. Therefore, as a result of using the mixed etching process, the electric field applied to the end of the electron emission source (for example, the tip) is increased as compared with the case of using only the wet etching, thereby stabilizing the leakage current characteristic.
이어, 도 3d에 도시한 바와 같이 상기 게이트 전극(102) 상에 희생층으로 사용될 알루미늄 층(104)을 약 200㎚ 두께로 형성한다. 이때, 상기 기판(100)은 약 15도 정도 경사진 상태로 회전하는 기판 홀더에 장착된다.Next, as shown in FIG. 3D, an aluminum layer 104 to be used as a sacrificial layer is formed on the gate electrode 102 to a thickness of about 200 nm. At this time, the substrate 100 is mounted to the substrate holder to rotate in a state inclined about 15 degrees.
그리고, 도3e에 도시한 바와 같이 상기 홀(103) 내부에 전자-선(e-beam) 증착법을 사용하여 CNT 성장을 위한 촉매금속(105)을 선택적으로 증착한다. 이때, 촉매금속(105) 증착시에는 약 15도 정도로 경사진 상태로 회전하는 기판 홀더에 장착된 시편에 4N 순도의 Ni를 증착하고 소오스(Source)를 장착한 후, 상온에서 약 5 ~ 70 ㎚, 바람직하게는 15~30㎚ 두께의 촉매금속층(105)을 형성한다.As shown in FIG. 3E, the catalyst metal 105 for CNT growth is selectively deposited in the hole 103 by using an e-beam deposition method. At this time, when depositing the catalytic metal 105, 4N purity Ni was deposited on a specimen mounted on a rotating substrate holder in an inclined state at about 15 degrees, and a source was mounted thereon, and then about 5 to 70 nm at room temperature. Preferably, the catalyst metal layer 105 having a thickness of 15 to 30 nm is formed.
여기서, 상기의 기판(100)은 CNT 성장을 위한 석영관에 장입하고 N2/H2분위기에서 650~700℃ 정도의 온도로 10~30분간 열처리한다. 이때, 상기 촉매금속(105)으로는 Ni, Co, Fe, (Ni/Co)n, (Co/Ni)n (n=1,2,3,) 및 (Co/Ni/Co)n, (Ni/Co/Ni)n (n=1,2,3,)등을 사용한다.Here, the substrate 100 is charged in a quartz tube for CNT growth and heat-treated for 10-30 minutes at a temperature of about 650 ~ 700 ℃ in N 2 / H 2 atmosphere. At this time, the catalyst metal 105 is Ni, Co, Fe, (Ni / Co) n, (Co / Ni) n (n = 1, 2, 3,) and (Co / Ni / Co) n, ( Ni / Co / Ni) n (n = 1, 2, 3,) is used.
이어, 도 3f에 도시한 바와 같이 화학기상증착 공정(CVD)을 이용하여 상기 촉매금속(105)상에 CNT를 C2H2(혹은 CH4)/N2(혹은 H2, NH3)분위기, 가스압력 10~200 Torr, 온도 600~850℃ 정도의 조건으로 10~1000초, 바람직하게는 100초 동안 성장시킨 후, 리프트 오프(lift-off) 공정을 이용하여 상기 기판(100)상에 직접 성장된 CNT(106)를 갖는 삼극형 FED소자를 완성한다.Subsequently, as shown in FIG. 3F, the CNTs on the catalyst metal 105 may be C 2 H 2 (or CH 4 ) / N 2 (or H 2 , NH 3 ) using a chemical vapor deposition process (CVD). After growth for 10 to 1000 seconds, preferably 100 seconds under conditions of a gas pressure of 10 to 200 Torr and a temperature of about 600 to 850 ° C., a lift-off process is performed on the substrate 100. A tripolar FED device with a directly grown CNT 106 is completed.
이때, 상기 CNT(106) 성장은 상기 촉매금속(105)이 증착된 직경 수 ㎛ 크기의 상기 홀(103) 내부에서만 선택적으로 이루어지고, 높이는 상기 게이트 절연막(101)과 게이트 전극(102) 두께를 합친 두께 이상을 넘지 않도록 해야 한다. 만일 상기 CNT(106)가 상기 홀(103) 밖으로 과도하게 성장할 경우 도통되어 소자가 동작하지 않게 된다.In this case, the growth of the CNT 106 is selectively performed only in the hole 103 having a diameter of several μm on which the catalyst metal 105 is deposited, and the height of the CNT 106 is increased by the thickness of the gate insulating film 101 and the gate electrode 102. Do not exceed the combined thickness. If the CNT 106 is excessively grown out of the hole 103, the CNT 106 becomes conductive and the device does not operate.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따라 완성된 소자의 구조를 나타낸 도면이다.4A to 4C are views showing the structure of the completed device according to an embodiment of the present invention.
도4a는 홀의 중앙에만 선택적으로 성장된 CNT를 갖는 소자의 단면을 나타낸 도면이고, 도4b는 300㎛ ×300㎛ 면적에 약 900개의 홀을 갖는 화소를 구현한 것이며, 도4c는 도4b에 나타낸 소자의 잘 정의된 발광 모습을 나타낸 것이다.4A is a cross-sectional view of a device having a CNT selectively grown only at the center of the hole, and FIG. 4B is a pixel having about 900 holes in an area of 300 μm × 300 μm, and FIG. 4C is shown in FIG. 4B. It shows well-defined light emission of the device.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 삼극형 탄소나노튜브 전계 방출 표시 소자의 제조 방법은 종래 기술에서와 같이 고난도의 팁 가공기술을 사용할 필요 이 3차원 초미세 구조내의 특정 영역에만 저가의 CVD 공정을 사용하여 선택적으로 CNT를 직접 성장시킴으로써 고 기계 강도, 고 전계방출 전류, 저전압 턴온(Turn-On)특성을 갖는 전계 방출 표시 소자의 제조가 가능하다.As described above, the method of manufacturing the tripolar carbon nanotube field emission display device according to the present invention requires the use of a highly difficult tip machining technique as in the prior art, and uses a low-cost CVD process only for a specific area within the three-dimensional ultrafine structure. By selectively growing CNTs directly, it is possible to manufacture field emission display devices having high mechanical strength, high field emission current, and low voltage turn-on characteristics.
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