KR100486613B1 - 탄소나노튜브를 이용한 전자빔 소스 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

탄소나노튜브를 이용한 전자빔 소스 모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100486613B1
KR100486613B1 KR10-2002-0079787A KR20020079787A KR100486613B1 KR 100486613 B1 KR100486613 B1 KR 100486613B1 KR 20020079787 A KR20020079787 A KR 20020079787A KR 100486613 B1 KR100486613 B1 KR 100486613B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
opening
single crystal
crystal silicon
silicon thin
insulating film
Prior art date
Application number
KR10-2002-0079787A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20040052062A (ko
Inventor
김대용
곽창수
임을균
신용우
강동열
최상국
Original Assignee
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자통신연구원 filed Critical 한국전자통신연구원
Priority to KR10-2002-0079787A priority Critical patent/KR100486613B1/ko
Publication of KR20040052062A publication Critical patent/KR20040052062A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100486613B1 publication Critical patent/KR100486613B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/304—Field-emissive cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
    • H01J9/025—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes

Abstract

본 발명은 전계방출팁과 익스트랙터 전극과의 간격조정과 정렬이 용이하며 기존의 반도체 공정기술을 이용함으로써 용이하게 제작가능한 전자빔 소스 모듈과 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 반도체 기판을 캐소드 전극으로 하고, 단결정 실리콘 박막을 익스트랙터 전극으로 사용하는 전자 빔 소스 모듈에 있어서, 반도체 기판; 상기 기판 상에 형성되되, 상기 기판의 표면을 노출시키는 공동을 갖는 제 1 절연막; 상기 제 1 절연막 상에 형성되며, 상기 공동과 대응하는 영역에 상기 공동보다는 작은 크기의 개구부를 갖는 단결정 실리콘 박막; 상기 공동내부의 상기 노출된 반도체 기판 표면의 중앙부에 적층된 배리어 메탈과 금속촉매; 및 기판과 수직방향으로 상기 금속촉매 상에 형성되며, 상기 개구부에 자기정렬된 탄소나노튜브 전계방출 팁을 구비하며, 상기 반도체 기판은 SOI 웨이퍼이며, 상기 SOI 웨이퍼의 실리콘막과 상기 단결정 실리콘 박막은 적어도 1018atoms/cm3의 불순물 도핑 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 전자빔 소스 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기한 구조를 갖는 전자빔 소스 모듈 제조 방법을 제공한다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 전자빔 소스 모듈 및 그 제조 방법{Elecron beam source module with carbon nano tube and method for fabricating the same}
본 발명은 전자빔 리소그래피(Electron Beam Lithography) 장비나 주사터널현미경(Scanning Tunneling Microscopy : STM) 또는 전계방출표시소자(Field Emission Display : FED)등과 같이 집광된 전자빔이 요구되는 장비에서, 광원의 소스로 사용되는 전자빔 소스 모듈(Electron Beam Source Module)과 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자빔소스 모듈은 주사터널 현미경이나 결함 검출장치, VLSI 검사장비, 전계방출표시소자 및 전자빔 리소그래피를 포함하는 여러 분야에서 이용되고 있다. 도1은 이와 같은 전자빔 소스모듈 중에서, 주사터널현미경에 사용되는 전자빔소스 모듈의 단면을 도시한 도면으로, 주사터널 현미경에 정렬된 전계방출(STM Aligned Field Emisson : SAFE) 전자빔 소스의 단면을 보여주고 있다.
도1을 참조하면 종래기술에 따른 전자빔소스는, 전계방출 팁의 위치를 제어하기 위한 3축 포지셔너(11)와, 3축 포지셔너의 종단에 위치한 전계방출팁(12)과, 전계방출팁에 대응하여 위치하고 있으며 전계방출팁으로부터 방출되는 전자들의 속도를 세밀하게 조정하기 위한 익스트랙터 전극(13)과, 익스트랙터 전극(13)과 애노드 전극(15)사이에 개재된 절연막(14)과, 전계방출팁에서 방출된 전자를 가속시키기 위한 애노드 전극(15)과, 애노드 전극(15)과 빔 리미터(17) 사이에 개재된 절연막(16)과, 균일한 전자빔을 얻기위해서 애노드 전극을 통과한 전자들 중에서 일정조건을 갖는 전자들만을 방출하는 빔 리미터(17)로 구성되어 있다. 여기서, 익스트랙터 전극, 애노드 전극 및 빔 리미터는 전자빔이 통과할 수 있도록 개구부를 구비하고 있다.
이와 같이 구성된 전자빔 소스의 동작을 살펴보면, 먼저 전계방출 팁과 연결된 캐소드(cathode)(미도시)에는 음전압을 인가하고 익스트랙터 전극(13)과 애노드 전극(15)에 양전압을 인가하면, 전계방출팁(12)에서 방출된 전자들은 애노드 전극(15)에 의해 가속되어 빔 리미터(17)를 통해 방출된다. 이와 같이 방출된 전자들은 하부에 위치한 렌즈(미도시)를 통하여 주사터널현미경에서 사용되었다.
이와 같은 구조의 종래의 전자빔소스에서 전계방출 팁은 단결정 텅스텐으로 이루어졌으며, 익스트랙터 전극과 애노드 전극 및 빔 리미터는 실리콘 박막을 이용하여 형성되었다. 또한, 각각의 전극을 전기적으로 절연시키기 위해서 사용되는 절연체(14, 16)로는 주로 파이렉스(pyrex)라고 불리우는 붕규산 유리를 사용하였다.
종래에는 이와 같은 각각의 부품들을 텅스텐 팁 가공공정과 반도체 제조공정의 일종인 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 가공기술을 이용하여 각각 독립적으로 가공하였으며, 이와 같이 가공된 각각의 부품들을 애노딕 본딩(anodic bonding)기술을 이용하여 결합시켜 도1에 도시된 바와 같은 하나의 모듈을 구성하여 사용하였다.
이와같이 종래에는 각각의 부품을 개별공정으로 가공하였기 때문에 부품을 개별성능을 높일 수 있는 장점이 있었지만, 개별적으로 가공된 각각의 부품을 애노딕 본딩을 이용하여 결합하기 때문에 부품사이의 간격과 전계방출 팁의 위치 부정확 및 정렬오차 등이 발생하여 완성된 전자빔 소스 모듈의 성능이 저하되거나 특성이 달라지는 단점이 있었다.
특히, 미세하면서도 집중된 전자 빔을 얻기 위해서는 전계방출 팁이 익스트랙터 전극에 매우 가깝게 위치하여야 하며, 또한 전계방출 팁과 익스트랙터 전극의 개구부는 정확하게 정렬되어야 하는데, 종래와 같이 3축 포지셔너를 이용하여 전계방출 팁의 위치와 간격을 조정하는 방법을 사용할 경우, 매우 미세한 전자빔 소스 모듈의 크기와 애노딕 본딩에 의한 정렬오차 때문에 그 조정이 용이하지 않았다.
그리고, 전자빔 소스 모듈들은 어레이 구조로 배열되어 사용되는 경우가 많기 때문에 완성된 전자빔 소스 모듈들의 특성이 균일하여야 하는데, 종래기술에 따른 전자빔 소스 모듈은 정렬오차에 의해 모듈마다 특성이 달라지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전계방출팁과 익스트랙터 전극과의 간격조정과 정렬이 용이하며 기존의 반도체 공정기술을 이용함으로써 용이하게 제작가능한 전자빔 소스 모듈과 그 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판을 캐소드 전극으로 하고, 단결정 실리콘 박막을 익스트랙터 전극으로 사용하는 전자 빔 소스 모듈에 있어서, 반도체 기판; 상기 기판 상에 형성되되, 상기 기판의 표면을 노출시키는 공동을 갖는 제 1 절연막; 상기 제 1 절연막 상에 형성되며, 상기 공동과 대응하는 영역에 상기 공동보다는 작은 크기의 개구부를 갖는 단결정 실리콘 박막; 상기 공동내부의 상기 노출된 반도체 기판 표면의 중앙부에 적층된 배리어 메탈과 금속촉매; 및 기판과 수직방향으로 상기 금속촉매 상에 형성되며, 상기 개구부에 자기정렬된 탄소나노튜브 전계방출 팁을 구비하며, 상기 반도체 기판은 SOI 웨이퍼이며, 상기 SOI 웨이퍼의 실리콘막과 상기 단결정 실리콘 박막은 적어도 1018atoms/cm3의 불순물 도핑 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 전자빔 소스 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명은, 반도체 기판 상에 제 1 절연막과 익스트랙터 전극인 단결정 실리콘 박막을 적층하여 형성하고, 상기 단결정 실리콘 박막의 일정부분을 제거하여 상기 제 1 절연막을 노출시키는 익스트랙터 전극의 개구부를 형성하는 단계; 상기 개구부와 대응하는 영역의 상기 제 1 절연막을 습식식각하여 상기 개구부보다 큰 단면적을 갖는 반도체 기판을 노출시키는 공동을 형성하는 단계; 상기 공동내부의 중앙에 상기 개구부보다 작은 단면적을 갖는 배리어 메탈과 금속촉매를 차례로 적층하여 형성하는 단계; 및 상기 금속촉매의 표면과 수직방향을 갖는 탄소나노튜브를 상기 금속촉매 상에 형성하는 단계를 포함하는 전자빔 소스 모듈 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 전자빔 소스 모듈에 관한 것으로 특히, 캐소드(cathode) 전극으로 사용된 반도체 기판과 전기적으로 연결되어 있으며 반도체 기판에서 수직방향으로 성장된 탄소나노튜브(Carbon Nanotube : 이하 CNT라 한다)을 전계방출 팁(tip)으로 구비하며, 또한 상기 전계방출 팁에 자기정렬된 개구부를 갖는 단결정 실리콘 박막을 익스트랙터 전극으로 사용하는 전자빔 소스 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도2a 및 도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 전자빔 소스 모듈의 단면을 도시한 도면으로, 도2a는 전계방출 팁과 익스트랙터 전극만이 도시된 전자빔 소스 모듈의 단면도이고, 도2b는 도2a에 도시된 구조에 애노드 전극과 빔 리미터가 추가된 전자빔 소스 모듈의 단면도이다.
도2a를 참조하면,본 발명의 일실시예에 따른 전자빔 소스 모듈은 먼저, SOI (Silicon on Insulator)나 SIMOXed(Si Implanted by Oxygen) 웨이퍼를 사용한 반도체 기판(31)과, 반도체 기판 상에 형성되되 반도체 기판의 일정표면을 노출시키는 공동(cavity)(36)을 갖는 제 1 절연막(32)과, 제 1 절연막(32) 상에 형성되며 상기 공동(36)에 대응하는 영역에 상기 공동보다는 작은 단면적을 갖는 개구부(35)를 구비한 단결정 실리콘 박막과(33), 공동(36) 내의 노출된 반도체 기판 표면 중 일정영역에 형성된 배리어 메탈(38)과, 배리어 메탈 상에 형성된 금속촉매(39)와, 금속촉매 상에 형성되되, 반도체 기판과 수직방향으로 형성되며, 상기 개구부(35)와 일정거리를 두고 이격되어 형성된 탄소나노튜브 전계방출 팁(40)으로 이루어져 있다.
본 발명의 일실시예에서 사용되는 SOI 또는 SIMOXed 반도체 기판(31)은 불순물이 1018 atoms/㎤ 이상인 고농도로 도핑된 단결정 실리콘막을 포함하여 구성되어 있으며, 전자빔 소스 모듈에서 캐소드(cathode) 전극으로 사용된다.
그리고 반도체 기판(31) 상에 형성된 제 1 절연막(32)은 실리콘 산화막(SiO2)으로 이루어져 있으며, 반도체 기판의 표면을 노출시키는 공동(36)을 구비하고 있는데, 이는 후속공정으로 배리어 메탈(38)과 금속촉매(39)가 증착될 공간을 확보하고 또한, 전자빔 소스 모듈의 동작시에 아크(arc) 발생을 방지하기 위하여 충분한 공간을 확보하기 위해서 공동을 구비하고 있다. 그리고 후술할 것이지만, 본 발명의 일실시예에 따른 전자빔 소스 모듈에서는 제 1 절연막(32)의 두께를 조절함으로써 전계방출 팁과 익스트랙터 전극 사이의 미세한 거리조절이 가능해 진다.
이와 같이 공동을 구비한 제 1 절연막(32) 상에 단결정 실리콘 박막으로 이루어진 익스트랙터 전극(33)이 형성되어 있는데, 단결정 실리콘 박막(33)은 상기 공동에 대응되는 영역에 공동보다는 적은 지름을 갖는 개구부(35)를 구비하고 있다. 본 발명의 일실시예에서 개구부(35)는 원통형 홀의 형태를 갖고 있으나, 원통형 이외의 다른 형태이이라도 무방하다. 익스트랙터 전극을 이루는 단결정 실리콘 박막(33) 역시 불순물이 1018 ㎤ 이상인 고농도로 도핑되어 있다.
전계방출 팁에서 방출된 전자빔은 익스트랙터 전극의 개구부인 원통형 홀을 통과하여 방출되는데, 만일 전자빔들이 통과하는 원통형 홀의 측벽에 전하가 충전(charging)되어 있으면, 전자빔이 통과하는 내부의 전위가 달라져 전자빔 소스의 오동작을 유발한다. 따라서 이를 방지하기 위해서 고농도(1018 ㎤ 이상)로 도핑되어 전도성이 좋은 단결정 실리콘 박막을 익스트랙터 전극으로 사용한다. SOI 반도체 기판(31)을 구성하는 실리콘 막 역시, 고농도로 도핑된 실리콘막을 사용하는 이유도 전자빔 소스의 오동작을 방지하기 위한 것이다.
도1에 도시된 종래기술에서는 외부의 전계방출 팁(12)과 익스트랙터 전극과의 거리조정 및 전계방출 팁(12)과 익스트랙터 전극(13)의 개구부와의 정확한 정렬을 위하여, 3축 포지셔너(11) 등의 부가장치가 필요하였지만, 본 발명에서는 반도체 제조공정 상의 자기정렬법을 이용하여 전계방출 팁(40)과 익스트랙터 전극의 개구부(35)를 자동 정렬시켰다. 따라서, 본 발명에서는 전계방출 팁과 익스트랙터 전극과의 정렬을 위해서 기계적인 장치를 이용하는 종래기술에 비해 정확한 정렬이 가능해진다.
다음으로, 상기 개구부(35)의 위치에 정렬되어 공동 내부의 노출된 반도체 기판 표면에 형성된 배리어(barrier) 메탈(38)의 구성물질로는 주로 티타늄질화막(TiN)이 사용되며 이는, 탄소나노튜브의 성장을 용이하게 하기 위해서 형성된다.
즉, 배리어 메탈(38) 없이 금속촉매(39)를 곧바로 반도체 기판(31) 상에 형성하는 경우에는, 금속촉매와 실리콘 기판이 서로 반응하여 실리사이드(silicide)가 형성되는데, 실리사이드는 금속촉매(39) 상에 탄소나노튜브(40)가 성장하는 것을 방해한다.
이와 같은 현상을 방지하기 위하여, 배리어 메탈(38)을 반도체 기판(31) 상에 형성한 후, 배리어 메탈(38) 상에 금속촉매(39)를 형성하였다. 본 발명의 일실시예에서 사용된 금속촉매로는 니켈(Ni), 철(Fe) 또는 코발트(Co)와 같은 전이금속이나 또는 이들의 합금을 사용하였으며, 금속촉매는 탄소나노튜브가 성장하는 반응에서 촉매작용을 한다.
이와 이 배리어 메탈과 금속촉매가 적층된 구조의 두께는 수 나노미터 이하이어야 한다. 배리어 메탈과 금속촉매가 적층된 구조의 두께가 두꺼울 경우에는 금속촉매의 표면으로부터 수직방향 뿐만 아니라 수평방향으로도 탄소나노튜브가 성장할 수 있기 때문에, 가능한 한 얇은 두께를 가질수록 후속공정에서 유리하다.
본 발명의 일실시예에서는 금속촉매(39)의 표면에서 수직방향으로 형성된 탄소나노튜브(40)가 전계방출 팁으로 사용되었으며, 탄소나노튜브(40)는 캐소드 전극인 반도체 기판(31)과 전기적으로 연결되어 인가된 전압에 의해 전자빔을 방출한다.
도2b는 도2a에 도시된 구조에 실리콘 박막으로 이루어진 애노드 전극(51)과 빔 리미터(53)가 추가된 전자빔 소스 모듈의 구조를 도시한 도면으로, 익스트랙터 전극(33) 상에 파이렉스로 이루어진 제 2 절연막(50)이 형성되어 있으며, 제 2 절연막(50) 상에 실리콘 박막으로 구성된 애노드 전극(51)이 형성되어 있다. 또한 애노드 전극(51) 상에는 파이렉스로 이루어진 제 3 절연막(52)이 형성되어 있으며 제 3 절연막(52) 상에는 실리콘 박막으로 이루어진 빔 리미터(53)가 형성되어 있다.
애노드 전극(51) 및 빔 리미터(53)에도 익스트랙터 전극(33)의 개구부에 대응하는 위치에 개구부가 형성되어 있으며, 이들 개구부를 통해 전자빔이 방출된다.그리고 제 2 절연막(50), 애노드 전극(51), 제 3 절연막(52) 및 빔 리미터(53)는 서로 애노딕 본딩으로 접속되어 있다.
이와 이 구성된 전자빔 소스 모듈의 동작을 도2a와 도2b를 참조하여 살펴본다.1 ~ 2 kV의 음전압를 캐소드 전극으로 사용된 반도체 기판(31)에 인가한다. 전계방출 팁(40)은 배리어 메탈(38)과 금속촉매(39)를 통해 반도체 기판(31)과 전기적으로 연결되어 있으므로, 역시 1 ~ 2 KV의 음전압이 인가된다.
또한, 익스트랙터 전극(33)에는 300 ∼ 500 Volt의 전압을 인가하고, 애노드 전극(51)과 빔 리미터(53)에는 각각 0 Volt를 인가하여 전자빔 소스 모듈을 동작시키면, 탄소나노튜브 전계방출 팁(40)에서 방출된 전자빔이 익스트랙터 전극(33)에 있는 원통형 홀(35)을 통하여 가속되어 애노드 전극(51)의 개구부에 집속되고 빔 리미터(53)의 개구부를 통하여 방출되는 원리로서 전자빔 소스 모듈로서 동작한다.
한편, 상기한 구조에서 전계방출 팁에서 방출된 전자빔들이 통과하는 각종 전극의 주변이나 통로 측벽에 전하가 충전(Charging)되어있으면 전자빔이 통과하는 내부의 전위가 달라져, 전자빔 소스가 오 동작하게 되므로 이를 방지하기 위해서 전도성이 좋은 불순물이 고농도(1018atoms/㎤ 이상)로 도핑된 단결정 실리콘 기판이나 실리콘 박막을 사용해야 함은 전술한 바와 같다.
도3a 내지 도3i는 본 발명의 일실시예에 따른 전자빔 소스 모듈의 제조 방법을 도시한 공정 단면도로서 이를 참조하여 전자빔 소스 모듈의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 도3a에 도시된 바와같이 SOI(Silicon on Insulator) 또는 SIMOXed(Si Implanted by Oxygen) 기판(31) 상에 제 1 절연막(32)과 단결정 실리콘 박막(33)을 차례로 증착한다. 제 1 절연막(32)은 실리콘 산화막(SiO2)으로 구성되어 있으며, 단결정 실리콘 박막(33)은 익스트랙터 전극으로 사용되기 때문에, 전술한 바와 같이 전자빔 소스의 오동작을 방지하기 위하여 고농도(1018atoms/ ㎤이상)로 도핑된 실리콘 박막을 사용한다.
다음으로 도3b에 도시된 바와 같이 포토레지스트(34)를 이용한 마스킹 공정을 수행한 후, 도3c에 도시된 바와같이 상기 포토레지스트(34)를 식각마스크로 하는 이방성 에칭(anisotropic etching)공정을 수행하여 개구부(35)를 갖는 익스트랙터 전극(33)을 형성한다. 본 발명의 일실시예에서 익스트랙터 전극의 개구부는 원통모양을 갖지만 원통형태가 아니어도 무방하다.
이어서 도3d 내지 도3e에 도시된 바와같이 포토레지스트(34)를 제거한 후, 단결정 실리콘 박막(33)을 마스크로 사용하여 제 1 절연막(32)을 습식식각하여 반도체 기판의 표면을 노출시키는 공동(36)(cavity)을 형성한다.
습식식각에 사용되는 식각제로는 완충불산(Buffered HF) 용액을 사용하며 형성되는 공동의 크기는 원통형 홀 보다 큰 단면적을 갖도록 한다. 공동의 단면적은 후속공정으로 공동(36) 내부의 노출된 반도체 기판(31) 표면에 배리어 메탈 및 금속촉매가 형성될 충분한 공간을 확보하기 위하여 원통형 홀(36) 보다는 단면적이 큰 것이 바람직하며 또한, 전자빔 소스가 동작할 때에는 익스트랙터 전극(33)에 고전압이 인가되므로 인접한 전도막 사이에서 아크(arc)가 발생할 수도 있으므로, 이를 방지하기 위해서라도 공동(36)의 크기는 원통형 홀(35)보다 큰 단면적을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 반도체 제조공정을 이용하여 단결정 실리콘 박막을 식각하여 익스트랙터 전극의 개구부를 형성하고, 후속공정으로 익스트랙터 전극의 개구부에 자기정렬(Self Aligned)된 전계방출 팁을 형성하기 때문에, 기계적인 장치를 이용하여 전계방출 팁과 익스트랙터 전극을 정렬하는 종래기술에 비해 보다 정확한 정렬이 가능하다. 또한, 본 발명에서는 제 1 절연막의 두께를 조절함으로써 전계방출 팁과 익스트랙터 전극과의 거리를 조절할 수 있기 때문에 세밀한 거리조절 역시 가능한 장점이 있다.
다음으로 도3f에 도시된 바와같이 단결정 실리콘 박막(33) 상에 적당한 각도의 경사각(Glancing Angle)을 이용하여 알루미늄 막(37)을 증착한다. 이와 같이 경사각을 이용하는 이유는, 후속공정을 통해 공동(36) 내부의 일정영역에만 배리어 메탈(38)과 금속촉매(39)를 선택적으로 형성하기 위함이다.
도3f를 참조하면, 경사각을 이용하여 알루미늄 막(37) 증착이 이루어지기 때문에, 단결정 폴리실리콘 박막(33)의 상면과 원통형 홀(35)의 측벽에만 알루미늄 막(37)이 증착되며 공동(36) 내부로는 알루미늄 막이 증착되지 않는다.
도3g에 도시된 바와 같이, 결과물 전면에 배리어 메탈(38)과 금속촉매(39)를 차례로 적층하여 형성한다. 배리어 메탈(38)의 구성물질로는 티타늄질화막(TIN)이 주로 사용되며, 금속촉매(39)로는 니켈(Ni), 철(Fe) 또는 코발트(Co)와 같은 전이금속이나 또는 이들의 합금을 사용된다. 금속촉매(39)는 탄소나노튜브가 성장하는 반응에서 촉매작용을 한다.
배리어 메탈(38)이나 금속촉매(39)는 직진성이 좋은 입자들을 이용하여 형성되는데, 원통형 홀(35)의 측벽에 형성된 알루미늄 막(37)에 의해 입자들의 직진이 저지되므로, 단결정 폴리실리콘 박막(33)의 상면과 공동(36) 내부의 일정영역에만 배리어 메탈(38)과 금속촉매(39)가 적층 형성된다. 즉, 공동 내부의 기판 표면에 형성된 배리어 메탈(38)과 금속촉매(39)는 상기 원통형 홀(35)의 단면적 보다 적은 면적을 갖게 형성된다. 금속촉매가 형성된 면적은 공정조건(예를 들면, 경사각의 조정등)을 변경함으로써 탄소나노튜브가 성장하기에 적절한 면적을 갖도록 조절할 수 있다.
또한, 배리어 메탈과 금속촉매가 적층된 두께는 수 나노미터 이하가 되어야 하는데, 그 이유는 후속공정에서 탄소나노튜브의 수직성장을 위한 것이며, 만일 배리어 메탈과 금속촉매가 적층된 두께가 두꺼울 경우에는 탄소나노튜브가 기판에 수직방향 뿐만 아니라 수평방향으로도 성장할 수 있기 때문에 가능한 한 얇은 두께와 작은 면적을 가질 수록 한 가닥의 탄소나노튜브의 성장에 유리하다.
도3g에 도시된 바와 같이 배리어 메탈과 금속촉매를 형성한 이후에, 공동 내부에 형성된 배리어 메탈과 금속촉매를 제외한 나머지 배리어 메탈과 금속촉매를 제거하기 위해 알루미늄 막(37)을 제거하는 공정을 수행한다. 알루미늄 막을 제거하는 공정은 습식식각법을 이용하여 수행되는데, 알루미늄 막 하고만 반응하는 KOH 용액을 이용한다.
즉, KOH 용액에 반도체 기판을 담그면 알루미늄 막(37)이 제거되어 단결정 실리콘 박막(33)의 표면으로부터 떨어져 나가게 되는데, 이에 따라 알루미늄 막(37) 상에 증착되어 있는 배리어 메탈(38)과 금속촉매(39) 역시 제거된다. 공동(36) 내부에는 알루미늄 막(37)이 증착되어 있지 않으므로, 공동(36) 내부에 형성된 배리어 메탈과 금속촉매는 그대로 남아있게 된다.
본 발명의 일실시예에서는 공동내부에 배리어 메탈과 금속촉매를 선택적으로 형성하기 위하여 경사각을 이용한 알루미늄 막을 이용하였지만 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 방법을 이용하여 공동내부에 배리어 메탈과 금속촉매를 선택적으로 형성할 수 도 있다. 즉, 도3e에 도시된 결과물 상에 전면적으로 배리어 메탈과 금속촉매를 형성한 후, 포토레지스트 등을 이용한 선택적 식각공정을 수행하면 도3h에 도시된 바와같이 공동내부에 배리어 메탈과 금속촉매를 선택적으로 형성할 수 있다.
이와 같이 공동내부에 배리어 메탈과 금속촉매를 선택적으로 형성한 다음에, 도3i에 도시된 바와같이 금속촉매 상에 탄소나노튜브 전계방출 팁(40)을 형성한다. 탄소나노튜브(40)는 반도체 기판(31)에 600 내지 700 Volt의 직류 바이어스(Bias)를 인가할 수 있는 열화학 증착법 또는 플라스마 화학 증착법을 사용하여 기판(31)의 표면과 수직 방향으로 성장하도록 유도시킨다. 이때, 성장된 탄소나노튜브(40)의 길이는 불규칙하지만, 탄소나노튜브(40)를 성장시킨 후, 부도체 보호막(예를들면, Silicon-on-glass)을 도포하고 리소그라피 및 식각공정을 통하여 불균일하게 성장한 탄소나노튜브(40) 길이를 정형화시킬 수 있다.
도3i에 도시된 전자빔 소스 모듈에 애노드 전극과 빔 리미터 등을 결합하면 도2b에 도시된 구조를 갖는 전자빔 소스 모듈을 얻을 수 있다. 즉, 익스트랙터 전극인 단결정 실리콘 박막(33)과 제 2 절연막(50)을 애노딕 본딩으로 결합한 후에, 제 2 절연막(50)과 애노드 전극(51)을 애노딕 본딩으로 결합시킨다. 이어서, 애노드 전극(51) 상에 제 3 절연막(52)을 애노딕 본딩으로 결합시킨 후에, 다시 제 3 절연막(52)과 빔 리미터(53)를 애노딕 본딩으로 결합시키면 도2b에 도시된 바와같은 구조의 전자빔 소스 모듈을 얻을 수 있다. 여기서 애노드 전극과 빔 리미터는 익스트랙터 전극의 개구부와 대응하는 위치에 개구부를 갖고 있다.
본 발명의 일실시예에 따라 제조된 전자빔 소스 모듈에서 익스트랙터 전극의 개구부와 전계방출 팁은 제조공정을 통해 자동정렬되어 형성되므로 종래기술과 비교하여 매우 정확한 정렬이 가능해지며 또한, 잘 알려진 반도체 제조공정을 사용하기 때문에 전자빔 소스 모듈을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 복수개의 전자빔 소스 모듈이 형성될 경우에, 복수개의 전자빔 소스 모듈의 특성이 균일한 장점이 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 적용하면 종래기술과 같이 전계방출 팁의 위치를 제어하기 위한 부가장치(예를 들면, 3축 포지셔너)가 없어도 되는 장점이 있으며, 또한 전계방출 팁과 익스트랙터 전극의 개구부가 제조공정 상에서 자동정렬되므로 매우 정확한 정렬을 간단하게 구현할 수 있다. 그리고 복수개의 전자빔 소스모듈을 어레이 구조로 제조할 경우에도 표준 반도체 양산공정을 이용하여 균일성이 향상된 전자빔 소스모듈을 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에서 제시한 수직 성장된 탄소나노 튜브를 이용한 전자빔 소스 모듈의 경우, 기존에 개발된 반도체 평면 공정(Planar Technology)을 이용할 수 있어 관련 공정기술을 별도로 개발할 필요가 없으므로, 제조가 매우 쉬운 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 전자 빔 소스 모듈의 단면도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 전자빔 소스 모듈의 단면도,
도3a 내지 도3i는 본 발명의 일실시예에 의한 전자 빔 소스 모듈의 제조 방법을 도시한 공정단면도.
11 : 3축 포지셔너(positioner) 12 : 전계방출 팁(tip)
13 : 익스트랙터(Extractor) 전극 14 : 절연막(파이렉스)
15 : 애노드(Anode) 전극 16 : 절연막(파이렉스)
17 : 빔 리미터(beam limiter)
31 : 반도체 기판 32 : 제 1 절연막
33 : 단결정 실리콘박막 34 : 포토레지스트
35 : 개구부 36 : 공동(cavity)
37 : 알루미늄 막 38 : 배리어 메탈
39 : 금속촉매 40 : 탄소나노튜브
50 : 제 2 절연막 51 : 애노드 전극
52 : 제 3 절연막 53 : 빔 리미터

Claims (13)

  1. 반도체 기판을 캐소드 전극으로 하고, 단결정 실리콘 박막을 익스트랙터 전극으로 사용하는 전자 빔 소스 모듈에 있어서,
    반도체 기판;
    상기 기판 상에 형성되되, 상기 기판의 표면을 노출시키는 공동을 갖는 제 1 절연막;
    상기 제 1 절연막 상에 형성되며, 상기 공동과 대응하는 영역에 상기 공동보다는 작은 크기의 개구부를 갖는 단결정 실리콘 박막;
    상기 공동내부의 상기 노출된 반도체 기판 표면의 중앙부에 적층된 배리어 메탈과 금속촉매; 및
    기판과 수직방향으로 상기 금속촉매 상에 형성되며, 상기 개구부에 자기정렬된 탄소나노튜브 전계방출 팁을 구비하며,
    상기 반도체 기판은 SOI 웨이퍼이며, 상기 SOI 웨이퍼의 실리콘막과 상기 단결정 실리콘 박막은 적어도 1018atoms/cm3의 불순물 도핑 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 전자빔 소스 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘 박막과 애노딕 본딩되고 상기 단결정 실리콘 박막의 개구부의 위치에 대응되는 영역에 개구부를 갖는 제 2 절연막;
    상기 제 2 절연막과 애노딕 본딩되고 상기 단결정 실리콘 박막의 개구부의 위치에 대응되는 영역에 개구부를 갖는 애노드 전극;
    상기 애노드 전극과 애노딕 본딩되고 상기 단결정 실리콘 박막의 개구부의 위치에 대응되는 영역에 개구부를 갖는 제 3 절연막; 및
    상기 제 3 절연막과 애노딕 본딩되고 상기 단결정 실리콘 박막의 개구부의 위치에 대응되는 영역에 개구부를 갖는 빔 리미터
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 소스모듈.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배리어 메탈은 티타늄질화막인 것을 특징으로 하는 전자 빔 소스 모듈.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속촉매는 니켈, 철, 코발트 또는 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자 빔 소스 모듈.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 절연막은 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 전자 빔 소스 모듈.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 절연막 및 제 3 절연막은 파이렉스인 것을 특징으로 하는 전자 빔 소스 모듈.
  8. 전자 빔 소스 모듈의 제조 방법에 있어서,
    반도체 기판 상에 제 1 절연막과 익스트랙터 전극인 단결정 실리콘 박막을 적층하여 형성하고, 상기 단결정 실리콘 박막의 일정부분을 제거하여 상기 제 1 절연막을 노출시키는 익스트랙터 전극의 개구부를 형성하는 단계;
    상기 개구부와 대응하는 영역의 상기 제 1 절연막을 습식식각하여 상기 개구부보다 큰 단면적을 갖는 반도체 기판을 노출시키는 공동을 형성하는 단계;
    상기 공동내부의 중앙에 상기 개구부보다 작은 단면적을 갖는 배리어 메탈과 금속촉매를 차례로 적층하여 형성하는 단계; 및
    상기 금속촉매의 표면과 수직방향을 갖는 탄소나노튜브를 상기 금속촉매 상에 형성하는 단계
    를 포함하는 전자빔 소스 모듈의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 익스트랙터 전극의 개구부를 형성하는 단계는,
    포토레지스트를 마스킹 막으로 사용한 이방성 에칭공정을 이용하여 원통형 홀 형태의 개구부를 형성하는 것을 특징으로 하는 전자빔 소스 모듈의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 공동을 형성하는 단계는,
    상기 단결정 실리콘 박막을 식각마스크로 하고 완충불산용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 전자빔 소스 모듈의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 공동내부의 중앙에 상기 개구부보다 작은 단면적을 갖는 배리어 메탈과 금속촉매를 차례로 적층하여 형성하는 단계는,
    경사각을 이용하여 상기 단결정 실리콘 박막의 상면과 상기 개구부의 측벽에만 알루미늄 막을 증착하는 단계;
    결과물 상에 배리어 메탈과 금속촉매를 적층형성하는 단계; 및
    상기 알루미늄 막을 제거하는 단계
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자빔 소스 모듈의 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속촉매의 표면과 수직방향을 갖는 탄소나노튜브를 상기 금속촉매 상에 형성하는 단계는,
    상기 반도체 기판에 600 내지 700 Volt의 직류 바이어스를 인가할 수 있는 열화학 증착법 또는 플라스마 화학 증착법을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전자빔 소스 모듈의 제조 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘 박막과 애노딕 본딩되고 상기 단결정 실리콘 박막의 개구부의 위치에 대응되는 영역에 개구부를 갖는 제 2 절연막을 형성하는 단계;
    상기 제 2 절연막과 애노딕 본딩되고 상기 단결정 실리콘 박막의 개구부의 위치에 대응되는 영역에 개구부를 갖는 애노드 전극을 형성하는 단계;
    상기 애노드 전극과 애노딕 본딩되고 상기 단결정 실리콘 박막의 개구부의 위치에 대응되는 영역에 개구부를 갖는 제 3 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 제 3 절연막과 애노딕 본딩되고 상기 단결정 실리콘 박막의 개구부의 위치에 대응되는 영역에 개구부를 갖는 빔 리미터를 형성하는 단계
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자빔 소스 모듈의 제조 방법.
KR10-2002-0079787A 2002-12-13 2002-12-13 탄소나노튜브를 이용한 전자빔 소스 모듈 및 그 제조 방법 KR100486613B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0079787A KR100486613B1 (ko) 2002-12-13 2002-12-13 탄소나노튜브를 이용한 전자빔 소스 모듈 및 그 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0079787A KR100486613B1 (ko) 2002-12-13 2002-12-13 탄소나노튜브를 이용한 전자빔 소스 모듈 및 그 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040052062A KR20040052062A (ko) 2004-06-19
KR100486613B1 true KR100486613B1 (ko) 2005-05-03

Family

ID=37345828

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2002-0079787A KR100486613B1 (ko) 2002-12-13 2002-12-13 탄소나노튜브를 이용한 전자빔 소스 모듈 및 그 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100486613B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100803194B1 (ko) * 2006-06-30 2008-02-14 삼성에스디아이 주식회사 탄소나노튜브 구조체 형성방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5872422A (en) * 1995-12-20 1999-02-16 Advanced Technology Materials, Inc. Carbon fiber-based field emission devices
JP2000251616A (ja) * 1999-02-26 2000-09-14 Toshiba Corp 電界放出型冷陰極装置およびその製造方法
KR20010055227A (ko) * 1999-12-10 2001-07-04 구자홍 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자 및 그 제조방법
KR20010056138A (ko) * 1999-12-14 2001-07-04 구자홍 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자의 제조 방법
KR20020095991A (ko) * 2001-06-19 2002-12-28 광주과학기술원 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한제조방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5872422A (en) * 1995-12-20 1999-02-16 Advanced Technology Materials, Inc. Carbon fiber-based field emission devices
JP2000251616A (ja) * 1999-02-26 2000-09-14 Toshiba Corp 電界放出型冷陰極装置およびその製造方法
KR20010055227A (ko) * 1999-12-10 2001-07-04 구자홍 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자 및 그 제조방법
KR20010056138A (ko) * 1999-12-14 2001-07-04 구자홍 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자의 제조 방법
KR20020095991A (ko) * 2001-06-19 2002-12-28 광주과학기술원 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20040052062A (ko) 2004-06-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5266530A (en) Self-aligned gated electron field emitter
US6075315A (en) Field-emission cold cathode having improved insulating characteristic and manufacturing method of the same
KR100480773B1 (ko) 카본 나노 튜브를 이용한 3극 전계방출소자의 제작방법
US5199917A (en) Silicon tip field emission cathode arrays and fabrication thereof
US6422907B2 (en) Electrode structures, display devices containing the same, and methods for making the same
US5126287A (en) Self-aligned electron emitter fabrication method and devices formed thereby
US5627427A (en) Silicon tip field emission cathodes
KR100449071B1 (ko) 전계 방출 소자용 캐소드
KR100314830B1 (ko) 전계방출표시장치의제조방법
US5969467A (en) Field emission cathode and cleaning method therefor
KR100243990B1 (ko) 전계방출 캐소드와 그 제조방법
US6246069B1 (en) Thin-film edge field emitter device
McCord et al. A novel scanning tunneling microscope controlled field emission microlens electron source
KR100486613B1 (ko) 탄소나노튜브를 이용한 전자빔 소스 모듈 및 그 제조 방법
US5607335A (en) Fabrication of electron-emitting structures using charged-particle tracks and removal of emitter material
US20060038137A1 (en) Charged particle beam apparatus and method of forming electrodes having narrow gap therebetween by using the same
KR100586740B1 (ko) 탄소나노튜브 팁을 이용한 전자빔 마이크로 소스, 전자빔마이크로컬럼 모듈 및 그 제작 방법
US20050001536A1 (en) Field emission electron source
JPH09129123A (ja) 電子放出素子及びその製造方法
KR100485128B1 (ko) 전계 방출 소자 및 전계 방출 소자의 제조 방법
JP3502883B2 (ja) 冷電子放出素子及びその製造方法
JP2002539580A (ja) 電界放出素子および利用方法
KR100290136B1 (ko) 전계방출소자제조방법
KR100286454B1 (ko) 전계방출 이미터 및 그 제조방법
KR100282261B1 (ko) 전계방출 캐소드 어레이 및 이의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20100401

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee