KR20030077262A - Apparatus For Plasma Chemical Vapor Deposition And Methode of Forming Thin Layer Utilizing The Same - Google Patents

Apparatus For Plasma Chemical Vapor Deposition And Methode of Forming Thin Layer Utilizing The Same Download PDF

Info

Publication number
KR20030077262A
KR20030077262A KR1020020016273A KR20020016273A KR20030077262A KR 20030077262 A KR20030077262 A KR 20030077262A KR 1020020016273 A KR1020020016273 A KR 1020020016273A KR 20020016273 A KR20020016273 A KR 20020016273A KR 20030077262 A KR20030077262 A KR 20030077262A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
source gas
substrate
plasma
chamber
vapor deposition
Prior art date
Application number
KR1020020016273A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR100478404B1 (en
Inventor
류호진
김광식
Original Assignee
한국화학연구원
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 한국화학연구원 filed Critical 한국화학연구원
Priority to KR10-2002-0016273A priority Critical patent/KR100478404B1/en
Publication of KR20030077262A publication Critical patent/KR20030077262A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100478404B1 publication Critical patent/KR100478404B1/en

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45563—Gas nozzles
    • C23C16/4558—Perforated rings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/513—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using plasma jets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3244—Gas supply means

Abstract

PURPOSE: A plasma CVD(Chemical Vapor Deposition) apparatus and a method for forming a thin film using the same are provided to be capable of improving field emission characteristics and vertical orientation. CONSTITUTION: A plasma CVD apparatus is provided with a chamber(100), a plasma generating part(50) installed at the upper portion of the chamber for transforming the predetermined gas supplied to the chamber into plasma state by using high frequency power, a source gas supply part(60) having a plurality of jetting holes for supplying source gas onto a substrate, installed at the lower portion of the plasma generating part, a heating part(70) installed at the lower portion of the source gas supply part for carrying out a thermal cracking process at the source gas, a block body(90) installed at the lower portion of the heating part for supporting and heating the substrate, and simultaneously transforming the source gas into the plasma state by using negative bias power.

Description

플라즈마 화학 기상 증착장치 및 이를 이용한 박막 형성 방법{Apparatus For Plasma Chemical Vapor Deposition And Methode of Forming Thin Layer Utilizing The Same}Apparatus For Plasma Chemical Vapor Deposition And Methode of Forming Thin Layer Utilizing The Same}

본 발명은 플라즈마 화학 기상 증착장치 및 이를 이용한 박막 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노물질 및 탄소나노튜브를 형성할 수 있는 유도결합형 플라즈마 화학 기상 증착장치 및 이를 이용한 박막 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma chemical vapor deposition apparatus and a thin film forming method using the same, and more particularly, to an inductively coupled plasma chemical vapor deposition apparatus capable of forming carbon nanomaterials and carbon nanotubes and a thin film forming method using the same. will be.

일반적으로, 탄소나노튜브란 한 개의 탄소원자에 3개의 다른 탄소원자가 결합되어 육각형 벌집무늬 모양의 실린더 형태로 말려 형성된 물질을 말한다. 상기 탄소나노튜브는 그 튜브의 직경이 보통 수∼수백 나노미터(1 나노미터는 10억분의 1미터) 정도이고 길이는 10㎛보다 길거나 짧게 존재하는 것으로 알려져 있다. 상기 탄소나노튜브는 한 개의 흑연 층이 한 겹이냐 또는 여러 겹이냐에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube)로 구분될 수 있다. 또한, 상기 단일벽 탄소나노튜브를 다발 형태를 갖도록 형성한다면 다발형 탄소나노튜브로 구분되어진다. 이러한 상기 탄소나노튜브는 흑연 층이 어떤 구조로 형성되어 있는가에 따라서 금속과 같은 전기적 도체(Armchire structure)또는 반도체(Zigzag structure)의 특성을 갖기도 한다.Generally, carbon nanotubes refer to a material formed by combining three different carbon atoms with one carbon atom and curling them into a hexagonal honeycomb-shaped cylinder. The carbon nanotubes are known to exist with diameters of several to hundreds of nanometers (one nanometer is one billionth of a meter) and their lengths are longer or shorter than 10 μm. The carbon nanotubes may be classified into single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes according to whether one graphite layer is one or multiple layers. In addition, if the single-walled carbon nanotubes are formed to have a bundle shape, they are classified into bundle-type carbon nanotubes. The carbon nanotubes may have characteristics of an electrical conductor or a semiconductor such as a metal, depending on the structure of the graphite layer.

그리고 상기 탄소나노튜브는 넓은 비표면적, 높은 전기 전도성, 균일한 기공분포, 높은 기계적 강도 및 화학적으로 안정한 특성을 갖고 있는 물질이므로 전자, 에너지, 정보산업에서의 그 응용이 다양한 각도에서 적용될 수 있다. 하지만, 탄소나노튜브는 제조상 어려움을 갖고, 높은 제조 가격으로 인해 산업분야에서 실제 응용은 아직 미흡한 편이다.The carbon nanotubes are materials having a wide specific surface area, high electrical conductivity, uniform pore distribution, high mechanical strength, and chemically stable properties, so that their application in the electronic, energy, and information industries can be applied at various angles. However, carbon nanotubes have manufacturing difficulties, and due to the high manufacturing price, practical applications are still insufficient in the industrial field.

상기와 같은 탄소나노튜브의 형성에 관한 여러 가지 방법이 제안되고, 상기와 같은 방법을 실현시키기 위해 여러 가지 장치가 사용되고 있다. 현재 사용되고 있는 가장 일반적인 장치로는 플라즈마 화학 기상 증착장치, 아크방전장치, 레이저 증착장치, 열 화학 기상 증착장치 등의 예를 들 수가 있다.Various methods for forming carbon nanotubes as described above have been proposed, and various apparatuses have been used to realize the above methods. The most common apparatuses currently used include plasma chemical vapor deposition apparatus, arc discharge apparatus, laser deposition apparatus, thermal chemical vapor deposition apparatus, and the like.

도 1은 종래의 플라즈마 화학 기상 증착장치를 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing a conventional plasma chemical vapor deposition apparatus.

도 1에 따르면, 종래의 플라즈마 화학 기상 증착장치를 나타낸다. 상기 장치는 주로 대기 중에서 챔버(13) 내부로 기판(1)을 도입한 후, 가열히터(3)를 이용하여 챔버 내부의 기판(1)을 가열하여 일정한 온도로 유지시키고, 진공펌프를 이용하여 압력을 조정한다. 이어서 가스제공부(5)를 통하여 반응가스를 챔버(13) 내부로 공급한 다음, 고주파 발생기(6)에 전원(7)을 인가하여 반응가스를 플라즈마 상태로 형성 후, 반응가스를 분해시키는 방법으로 탄소나노튜브를 합성한다. 상기 공정이 끝난 후, 잔류가스를 로터리 펌프(9)를 사용하여 가스배출부(11)를 통해 외부로 배출된다. 상기와 같은 장치를 사용하면 통상적으로 챔버(13)를 대기압에서 고진공으로 유지하기 위하여 많은 시간이 소요된다. 그리고 상기 챔버(13)내부로 촉매가스와 탄소나노튜브를 형성하는 반응가스가 동일한 가스제공부(5)를 통하여 함께 제공되기 때문에 플라스마 상태로 형성될 때 챔버의 오염에 따른 탄소나노튜브의 2차 오염이 발생한다. 따라서 단위 시간당 생산성이 낮아지고, 고순도의 탄소나노튜브 형성이 어려워지는 단점이 발생한다.1 shows a conventional plasma chemical vapor deposition apparatus. The apparatus mainly introduces the substrate 1 into the chamber 13 in the atmosphere, and then heats the substrate 1 in the chamber using a heating heater 3 to maintain a constant temperature, and uses a vacuum pump. Adjust the pressure Subsequently, the reaction gas is supplied into the chamber 13 through the gas providing unit 5, and then a power source 7 is applied to the high frequency generator 6 to form the reaction gas in a plasma state, and then decompose the reaction gas. To synthesize carbon nanotubes. After the process is completed, the residual gas is discharged to the outside through the gas discharge unit 11 using the rotary pump (9). The use of such a device typically takes a long time to maintain the chamber 13 at high vacuum at atmospheric pressure. Since the reaction gas forming the catalyst gas and the carbon nanotubes are provided together through the same gas providing unit 5 into the chamber 13, the secondary of the carbon nanotubes due to the contamination of the chamber when the plasma is formed in the plasma state is provided. Pollution occurs. Therefore, there is a disadvantage in that productivity per unit time is lowered and it is difficult to form high purity carbon nanotubes.

또한, 종래의 아크방전 방법에 의한 탄소나노튜브의 형성 방법은 음극에 순수 탄소전극 및 양극에 금속 첨가 탄소 전극을 사용하여 불활성 가스, 또는 불활성 가스와 탄화가스의 혼합 가스 분위기 상에서 상기 전극들 간의 아크 방전을 발생시켜 양극에서 증발한 탄소가 음극 표면에 응집되고 이를 정제시켜 탄소나노튜브를 얻게 되는 방법이다. 그러나 상기 아크 방전 방법은 음극 표면에서의 아크 스팟(spot)이 발생하여 플라즈마가 불안정해지고, 씨드(seed) 역할을 하는 음극의 면적이 제한되어 탄소나노튜브를 넓은 면적에서 성장시키는 것이 불가능한 단점이 발생한다.In addition, the carbon nanotube forming method according to the conventional arc discharge method using an inert gas, or a mixed gas atmosphere of inert gas and carbonized gas using a pure carbon electrode on the cathode and a metal-added carbon electrode on the anode, the arc between the electrodes The carbon generated from the anode by the discharge is agglomerated on the surface of the cathode and purified to obtain carbon nanotubes. However, in the arc discharge method, an arc spot occurs on the surface of the cathode, which causes plasma instability, and the area of the cathode serving as a seed is limited, thereby making it impossible to grow carbon nanotubes in a large area. do.

그리고 종래의 열 화학 기상 증착장치를 이용한 탄소나노튜브의 형성 방법은 고순도의 탄소나노튜브를 대량으로 합성할 수 있는 장점이 있으나, 탄소나노튜브의 형성은 대부분 700℃ 이상의 고온에서 진행되기 때문에 종래의 방법을 사용하는 유리 기판을 사용할 수 없는 문제가 발생한다. 상기 유리판를 기판으로 사용하기 위해서는 탄소나노튜브는 유리의 변형되기 시작하는 650℃ 이하에서 형성 되야 하기 때문이다. 따라서 탄소나노튜브의 합성 온도가 700℃ 이상인 종래의 열 화학 기상 증착장치에 의한 탄소나노튜브의 합성 방법은 전자 소자(electronic devices)의 제조 공정에 사용되는 탄소나노튜브를 제조하기가 적합하지 않다.In addition, the method of forming carbon nanotubes using the conventional thermal chemical vapor deposition apparatus has an advantage of synthesizing a large amount of high purity carbon nanotubes, but the formation of carbon nanotubes is mostly performed at a high temperature of 700 ° C. or higher. A problem arises in that the glass substrate using the method cannot be used. In order to use the glass plate as a substrate, the carbon nanotubes should be formed at 650 ° C. or less at which glass starts to deform. Therefore, the method for synthesizing carbon nanotubes by a conventional thermal chemical vapor deposition apparatus having a synthesis temperature of carbon nanotubes of 700 ° C. or more is not suitable for manufacturing carbon nanotubes used in manufacturing processes of electronic devices.

따라서, 본 발명의 제1 목적은 플라즈마 화학 기상 증착장치를 사용하여 전계방출 특성 및 수직 배향성이 우수한 박막 형성 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, a first object of the present invention is to provide a thin film formation method having excellent field emission characteristics and vertical alignment properties using a plasma chemical vapor deposition apparatus.

본 발명의 제2 목적은 보다 낮은 온도에서 전계방출 특성 및 수직 배향성이 우수한 박막을 형성할 수 있는 플라즈마 화학 기상 증착장치를 제공하는데 있다.It is a second object of the present invention to provide a plasma chemical vapor deposition apparatus capable of forming a thin film having excellent field emission characteristics and vertical alignment properties at a lower temperature.

도 1은 종래의 플라즈마 화학 기상 증착장치를 나타낸 구성도이다.1 is a block diagram showing a conventional plasma chemical vapor deposition apparatus.

도 2는 본 발명의 플라즈마 화학 기상 증착장치를 나타낸 구성도이다.2 is a block diagram showing a plasma chemical vapor deposition apparatus of the present invention.

도 3은 본 발명의 플라즈마 화학 기상 증착장치의 플라즈마 발생부를 나타내는 구성도이다.3 is a block diagram showing a plasma generating unit of the plasma chemical vapor deposition apparatus of the present invention.

도 4는 본 발명의 플라즈마 화학 기상 증착장치의 소스가스 제공부를 나타내는 구성도이다.4 is a block diagram showing a source gas providing unit of the plasma chemical vapor deposition apparatus of the present invention.

도 5는 본 발명의 플라즈마 화학 기상 증착장치의 저항 가열부를 나타내는 구성도이다.5 is a block diagram showing a resistance heating unit of the plasma chemical vapor deposition apparatus of the present invention.

도 6은 본 발명의 저항 가열부의 텅스텐 열선 배선형태 a 및 b를 나타내는 구성도이다.Fig. 6 is a configuration diagram showing tungsten hot wire wiring forms a and b of the resistance heating portion of the present invention.

도 7은 본 발명의 플라즈마 화학 기상 증착장치의 전류 공급관을 나타내는 구성도이다.7 is a configuration diagram showing a current supply pipe of the plasma chemical vapor deposition apparatus of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Explanation of symbols for main parts of the drawing

50 : 플라즈마 발생부 52 : 유전체튜브50: plasma generating unit 52: dielectric tube

54 : RF-전원 장치56 : 코일54 RF-Power Supply 56 Coil

58 : 분위기가스 제공부 60 : 소스가스 제공부58: atmosphere gas provider 60: source gas provider

61 : 가스제공 라인 62 : 분사공61 gas supply line 62 injection hole

70 : 저항 가열부 72 : 텅스텐 열선70: resistance heating portion 72: tungsten heating wire

74 : 텅스텐 튜브 76 : 스테인레스 튜브74: tungsten tube 76: stainless tube

78 : 구리봉 80 : 애자78: copper rod 80: insulator

82 : 전류 공급관 84 : 알루미늄관82: current supply pipe 84: aluminum pipe

86 : 밀폐부재 88 : 구리 전도선86: sealing member 88: copper conductive wire

89 : 비닐피복 90 : 블록바디89: vinyl cloth 90: block body

92 : 기판 94 : 직류 바이어스 전력92 substrate 94 DC bias power

96 : 진공 펌프 98 : 가스 배출구96: vacuum pump 98: gas outlet

100 : 챔버100: chamber

상기 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위한 박막 형성 방법은The thin film forming method for achieving the first object of the present invention is

챔버 내에 놓여진 기판 상에 박막을 형성하기 위한 소스가스를 상기 기판의 주연 부위로부터 중심 부위로 균일하게 제공하는 단계;Uniformly providing a source gas for forming a thin film on a substrate placed in a chamber from a peripheral portion of the substrate to a central portion;

상기 소스가스가 제공되는 경로 상에 열 분위기를 조성하여 상기 소스가스를 열 분해시키는 단계;Thermally decomposing the source gas by creating a thermal atmosphere on a path through which the source gas is provided;

상기 소스가스와는 별도로 상기 분위기가스를 제공하여 상기 챔버 내부의 압력을 조정하는 단계;Adjusting the pressure inside the chamber by providing the atmosphere gas separately from the source gas;

상기 챔버 내에 고주파 전력을 인가하고, 상기 기판 이면에 네거티브 바이어스 전력을 인가함으로서 상기 소스가스 및 분위기가스를 플라즈마 상태로 조성하는 단계; 및Applying the high frequency power to the chamber and applying the negative bias power to the back surface of the substrate to form the source gas and the atmosphere gas in a plasma state; And

상기 플라즈마 상태의 소스가스를 상기 기판 상에 증착시켜 상기 기판 상에 박막을 수직 배향시키는 단계를 포함한다.Depositing the source gas in the plasma state on the substrate to vertically align the thin film on the substrate.

상기 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위한 플라즈마 화학 기상 증착장치는Plasma chemical vapor deposition apparatus for achieving the second object of the present invention

기판 상에 박막을 형성하기 위한 공간을 제공하기 위한 챔버;A chamber for providing a space for forming a thin film on the substrate;

상기 챔버 상방에 배치되고, 상기 챔버로 제공되는 분위기가스를 플라즈마 상태로 조성하도록 고주파 전력을 인가하기 위한 플라즈마 발생부;A plasma generation unit disposed above the chamber and configured to apply high frequency power to form an atmosphere gas provided to the chamber in a plasma state;

상기 플라즈마 발생부 하방에 배치되고, 다수개의 분사공을 갖고, 상기 분사공을 통하여 상기 기판 상에 상기 소스가스를 제공하기 위한 소스가스 제공부;A source gas providing unit disposed below the plasma generating unit and having a plurality of injection holes and providing the source gas on the substrate through the injection holes;

상기 소스가스 제공부 하방에 배치되고, 상기 소스가스가 지나는 경로 상에 열을 제공함으로서 상기 소스가스를 열 분해하기 위한 저항 가열부; 및A resistance heating unit disposed below the source gas providing unit and configured to thermally decompose the source gas by providing heat on a path through which the source gas passes; And

상기 저항 가열부 하방에 배치되고, 상기 기판이 놓여지는 상면을 갖고, 상기 상면 상에 놓여진 기판을 가열함과 동시에 상기 열 분해된 소스가스를 플라즈마상태로 조성하도록 네거티브 바이어스 전력을 인가하기 위한 블록 바디를 제공한다.A block body disposed under the resistance heating unit and having a top surface on which the substrate is placed, and applying a negative bias power to heat the substrate placed on the top surface and simultaneously form the pyrolyzed source gas into a plasma state; To provide.

그러므로 상기한 직류 바이어스, 소스가스 제공부 및 저항 가열부를 포함하는 플라즈마 화학 기상 증착장치는 500 내지 580℃ 이하의 저온에서 우수한 성능을갖는 박막을 수직으로 배향하는데 있어 효과적이다.Therefore, the plasma chemical vapor deposition apparatus including the direct current bias, the source gas providing unit and the resistance heating unit is effective in vertically aligning a thin film having excellent performance at a low temperature of 500 to 580 ° C or lower.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라서 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 유도결합형 플라즈마 화학 기상 증착장치의 박막 형성 방법은 먼저, 챔버 내에 놓여진 기판 상에 박막을 형성하기 위한 소스가스를 다수개의 관통공이 형성된 가스제공부를 통하여 상기 기판의 주연 부위로부터 중심 부위로 균일하게 제공한다. 이어서, 상기 소스가스가 제공되는 경로 상에 위치한 저항 가열부에 전력을 인가하여 전기적 저항에 의한 열 분위기를 조성하여 상기 소스가스를 열 분해시킨다. 이어서, 상기 소스가스와 별도로 분위기가스를 제공하여 상기 챔버 내부의 압력을 조정한다. 이어서, 상기 챔버 상에 존재하는 플라즈마 발생부에 고주파 전력을 인가하고, 상기 기판이 놓여지고, 상기 기판을 가열하는 블록바디의 상면에 네거티브 바이어스 전력을 인가함으로서 상기 소스가스 및 분위기가스를 플라즈마 상태로 조성한다. 이후에, 상기 플라즈마 상태의 소스 가스를 상기 기판 상에 증착시켜 상기 박막을 수직 배향시키는 단계를 포함하여 전계방출 특성 및 수직 배향성이 우수한 박막 형성하였다.In the method of forming a thin film of the inductively coupled plasma chemical vapor deposition apparatus of the present invention, a source gas for forming a thin film on a substrate placed in a chamber is first moved from a peripheral portion of the substrate to a center portion through a gas providing portion having a plurality of through holes formed therein. Provide evenly. Subsequently, electric power is applied to a resistance heating unit located on a path where the source gas is provided to thermally decompose the source gas by creating a thermal atmosphere by electrical resistance. Subsequently, an atmosphere gas is provided separately from the source gas to adjust the pressure inside the chamber. Subsequently, high frequency power is applied to a plasma generating unit existing on the chamber, and the substrate is placed, and negative source power is applied to an upper surface of a block body for heating the substrate, thereby bringing the source gas and the atmosphere gas into a plasma state. To create. Thereafter, the source gas in the plasma state is deposited on the substrate to form a thin film having excellent field emission characteristics and vertical alignment properties, including vertically aligning the thin film.

상기 박막을 형성할 때 상기 기판의 온도는 500 내지 580℃로 가열되는 것이 바람직하다. 만약 상기 기판의 온도가 580℃를 초과하면, 기판이 변형이 발생할 수 있으므로 박막의 형성이 용이하지 못하기 때문이다.When forming the thin film, the temperature of the substrate is preferably heated to 500 to 580 ℃. If the temperature of the substrate exceeds 580 ℃, since the substrate may be deformed it is not easy to form a thin film.

상기 박막을 형성할 때 상기 챔버 내부의 압력은 1 내지 5 Torr를 유지하는 것이 바람직하다. 이는 상기 유도결합형 플라즈마 기상 증착장치는 1 내지 5 Torr의 압력을 유지할 때 박막(탄소나노튜브)의 수직 성장률이 가장 높기 때문이다. 만약 이상 또는 이하의 압력이 유지되면 박막 성장시 수직 성장률이 ±90°에서 저하되기 때문이다.When forming the thin film, the pressure inside the chamber is preferably maintained at 1 to 5 Torr. This is because the inductively coupled plasma vapor deposition apparatus has the highest vertical growth rate of the thin film (carbon nanotube) when the pressure is maintained at 1 to 5 Torr. If the pressure is maintained above or below the vertical growth rate is lowered at ± 90 ° during thin film growth.

도 2는 본 발명의 플라즈마 화학 기상 증착장치를 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a plasma chemical vapor deposition apparatus of the present invention.

도 2에 따르면, 박막을 합성하기 위한 유도결합형 플라즈마 화학 기상 증착장치에 있어서 최저 압력을 10-8torr 이상으로 유지하고, 하나 또는 그 이상의 상이한 제조공정을 수행할 수 있는 챔버(100)가 구비되어 있다. 상기 박막은 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 흑연나노섬유 및 탄소 동소체물질을 포함한다.According to FIG. 2, in the inductively coupled plasma chemical vapor deposition apparatus for synthesizing a thin film, a chamber 100 capable of maintaining a minimum pressure of 10 −8 torr or more and performing one or more different manufacturing processes is provided. It is. The thin film includes carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphite nanofibers, and carbon allotrope.

상기 챔버(100) 상방에 위치하여 RF-전원 장치(54)로부터 600W의 고주파 전력을 인가 받고, 분위기가스 제공부(58)에서 제공되는 분위기가스를 플라즈마 상태로 조성하기 위한 플라즈마 발생부(50)가 구비되어 있다. 그리고, 플라즈마 발생부(50) 하방에 위치하여 다수개의 분사공을 갖고, 상기 분사공을 통하여 박막을 형성하기 위한 소스가스를 기판(92)의 외주면에서 중심으로 균일하게 주입하고, 플라즈마 발생부(50) 내부에 위치한 유전체 튜브(52)에 흡착되는 도전성 불순물의 생성 및 상기 도전성 불순물에 의한 자장의 소멸을 방지할 수 있도록 분위기가스 제공부(58)와 분리되어 위치된 소스가스 제공부(60)가 구비되어 있다. 상기 소스가스 제공부(60) 하방에 위치하여 상기 소스가스가 지나는 경로 상에 열을 제공함으로서 상기 박막을 형성하기 위한 소스가스를 열 분해하는 저항 가열부(70)가 구비되어 있다. 상기 저항 가열부(70)와 연결되어 소스가스를 열분해 할 수 있도록 전류를 전도하는 전류 공급관(82)이 구비되어 있다. 저항 가열부(70) 하부에 위치되어 기판(92)을 가열하는 상면(90a)을 갖고, 상기 상면(90a) 상에 놓여진 기판(92)을 가열함과 동시에 상기 박막을 형성할 때 상기 열 분해된 소스가스를 플라즈마 상태로 조성하기 위한 네거티브 직류 바이어스전력을 상기 블록바디의 상면(90a)에 인가되는 블록바디가 구비되어 있다. 상기 블록바디(90)는 상면(90a)과 하면(90b) 사이가 절연되어 있기 때문에 상기 상면(90a)에 네거티브의 높은 전력이 인가되고, 상기 블록바디 하면(90b)은 그라운드 상태가 되어 상기 소스가스를 플라즈마 상태로 조성할 수 있다. 챔버(100) 하부 일 측면에는 챔버(100) 내부를 진공 상태로 형성하고, 식각 공정 및 증착공정을 진행하는 동안에 발생하는 반응 부산물 및 미 반응가스를 배출하기 위한 진공 펌프(96)가 연결되어 있다. 그리고, 챔버(100)와 진공 펌프(96)를 연결하는 진공 라인에는 챔버(100) 내부의 진공도를 조절하기 위한 드로틀 밸브(도시하지 않음) 및 진공 펌프(96)의 동작에 따라 개폐되는 게이트 밸브(도시하지 않음)가 구비되어 있다.Plasma generating unit 50 positioned above the chamber 100 to receive high-frequency power of 600W from the RF power supply device 54 and to form the atmospheric gas provided by the atmospheric gas providing unit 58 in a plasma state. Is provided. The plasma generator 50 has a plurality of injection holes positioned below the plasma generation unit 50, and uniformly injects source gas for forming a thin film through the injection holes from the outer circumferential surface of the substrate 92 to the center, thereby generating a plasma generation unit ( 50. The source gas providing unit 60 is disposed separately from the atmosphere gas providing unit 58 so as to prevent the generation of conductive impurities adsorbed on the dielectric tube 52 located therein and the disappearance of the magnetic field by the conductive impurities. Is provided. Located below the source gas providing unit 60 is provided with a resistance heating unit 70 for thermally decomposing the source gas for forming the thin film by providing heat on the path through which the source gas passes. It is connected to the resistance heating unit 70 is provided with a current supply pipe 82 for conducting a current to thermally decompose the source gas. The pyrolysis is performed when the thin film is formed at the same time as heating the substrate 92 placed on the upper surface 90a and having a top surface 90a positioned under the resistance heating unit 70. A block body is provided for applying negative DC bias power to the upper surface 90a of the block body to form the source gas in a plasma state. Since the block body 90 is insulated between the upper surface 90a and the lower surface 90b, a negative high power is applied to the upper surface 90a, and the lower surface of the block body 90b becomes a ground state so that the source The gas can be formed in a plasma state. The lower side of the chamber 100 is connected to a vacuum pump 96 for forming the inside of the chamber 100 in a vacuum state and discharging reaction by-products and unreacted gases generated during the etching process and the deposition process. . In addition, the vacuum line connecting the chamber 100 and the vacuum pump 96 has a throttle valve (not shown) for controlling the degree of vacuum inside the chamber 100 and a gate valve opened and closed according to the operation of the vacuum pump 96. (Not shown) is provided.

또한, 상기 박막을 형성할 수 있는 유도결합형 플라즈마 화학 기상 증착장치는 그 특성상 저항 가열부(70) 및 블록바디(90)의 상하 조정이 가능하다.In addition, in the inductively coupled plasma chemical vapor deposition apparatus capable of forming the thin film, the resistance heating unit 70 and the block body 90 can be vertically adjusted.

도 3은 본 발명의 플라즈마 화학 기상 증착장치의 플라즈마 발생부를 나타내는 구성도이다.3 is a block diagram showing a plasma generating unit of the plasma chemical vapor deposition apparatus of the present invention.

도 3에 의하면, 상기 유도결합형 플라즈마를 형성할 수 있는 플라즈마 발생부(50)는 고주파 전력이 인가되어 강한 자기장을 형성할 수 있도록 백금으로 도금된 구리 코일(56)이 유전체 튜브(52)를 감싸는 형상을 갖는다. 유전체 튜브(52)는수정으로 형성된 수정체 튜브 또는 세라믹으로 형성된 알루미나 튜브의 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다. 그리고, 상기 플라즈마 발생부(50)는 구리 코일(56)에 높은 전기장이 인가되어, 상기 유전체 튜브(52)를 통과하는 식각가스를 크롬 및 니켈 촉매 금속이 순차적으로 도포된 유리판을 식각할 수 있도록 플라즈마 상태로 조성한다. 또한 박막 형성시 분위기가스를 플라즈마 상태로 조성한다.Referring to FIG. 3, the plasma generating unit 50 capable of forming the inductively coupled plasma has a copper coil 56 plated with platinum to form a strong magnetic field by applying high frequency power to the dielectric tube 52. It has a wrapping shape. The dielectric tube 52 may be selected from either a lens tube formed of a crystal or an alumina tube formed of a ceramic. In addition, the plasma generator 50 is applied with a high electric field to the copper coil 56, so that the etching gas passing through the dielectric tube 52 to etch the glass plate sequentially coated with chromium and nickel catalyst metal. Composition in a plasma state. In addition, the atmosphere gas is formed in a plasma state when forming a thin film.

도 4는 본 발명의 플라즈마 화학 기상 증착장치의 소스가스 제공부를 나타내는 구성도이다.4 is a block diagram showing a source gas providing unit of the plasma chemical vapor deposition apparatus of the present invention.

도 4에 의하면, 소스가스 제공부(60)는 저항 가열부 및 플라즈마 발생부 사이에 위치해 있다. 상기 소스가스 제공부(60)는 가스제공 라인(61)에 연결되어 기판의 직경과 유사한 직경의 크기를 갖는 링 형상이고, 박막을 형성하기 위한 소스가스를 기판의 주연부위에서 중심부로 균일하게 제공하기 위해 다수개의 분사공(62)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 소스가스 제공부(60)는 분위기가스 제공부와 분리되어 형성되어 있기 때문에 상기 플라즈마 발생부에 존재하는 유전체 튜브 내부에서 생성되는 도전성 불순물의 생성을 방지하고, 도전성 불순물 생성에 의한 자기장의 소멸을 방지하고, 이후 박막 합성에서 생성될 수 있는 2차 오염을 방지할 수 있다.According to FIG. 4, the source gas providing unit 60 is located between the resistance heating unit and the plasma generating unit. The source gas providing unit 60 is connected to the gas providing line 61 and has a ring shape having a diameter similar to that of the substrate, and uniformly provides a source gas for forming a thin film from the periphery of the substrate to the center of the substrate. To this end, a plurality of injection holes 62 are formed. Since the source gas providing unit 60 is formed separately from the atmosphere gas providing unit, the source gas providing unit 60 prevents the generation of conductive impurities generated inside the dielectric tube in the plasma generating unit, It is possible to prevent extinction and to prevent secondary contamination which may then be generated in the thin film synthesis.

상기 소스가스 제공부(60)에서 제공되는 소스가스는 탄화수소계열인 메탄, 에틸렌, 아세틸렌 및 프로판을 사용할 수 있다.Source gas provided from the source gas providing unit 60 may be used hydrocarbon-based methane, ethylene, acetylene and propane.

도 5는 본 발명의 플라즈마 화학 기상 증착장치의 저항 가열부를 나타낸 구성도이고, 도 6은 본 발명의 저항 가열부의 텅스텐 열선 배선형태 a 및 b를 나타내는 구성도이다.FIG. 5 is a schematic view showing a resistive heating part of the plasma chemical vapor deposition apparatus of the present invention, and FIG. 6 is a schematic view showing tungsten hot wire wiring forms a and b of the resistive heating part of the present invention.

도 5 및 도 6에 의하면, 저항 가열부(70)는 박막을 형성하기 위해 상기 소스가스를 열분해 하는 텅스텐 열선(72)과 텅스텐 열선(72)을 이어주는 텅스텐 튜브(74), 텅스텐 튜브(74)을 고정시켜주고 텅스텐 열선(72)의 높은 열전달을 차단하기 위한 스테인레스 튜브(76), 스테인레스 튜브(76)와 연결되어 전류 공급관(82)을 통해 제공된 전류를 전도하는 구리봉(78) 및 구리봉(78)과 전류 공급관(82)을 고정하는 애자(80)로 구성되어있다. 상기 애자(80)는 세라믹 물질로 만들어지고, 전기적인 단락을 방지하며, 상기 저항 가열부(70)를 챔버 내벽에 고정시키는 역할을 한다. 그리고, 상기 텅스텐 열선(72)의 두께는 0.5 내지 1 mm를 갖는 것이 바람직하다. 하지만, 박막을 합성하고자 하는 조건에 따라 텅스텐 열선(72) 두께의 변형이 가능하다. 상기 도 6의 텅스텐 열선(72)의 배선은 코일형 열선(72a) 또는 연속된 배열을 갖는 직선형 열선(72b)의 형상을 갖는다. 상기와 같은 배선형태를 갖는 텅스텐 열선(72)은 상기 소스가스와 접촉면적을 증가시켜 상기 소스가스인 아세틸렌가스를 모노탄소(C)형태로 열 분해하는 역할을 증가시킨다. 이후 촉매 원자층이 형성된 기판에서 모노탄소(C)가 디 탄소(C=C)의 형태로 전환되어 벌집구조인 박막(탄소나노튜브)으로 합성된다.5 and 6, the resistance heating unit 70 includes a tungsten tube 74 and a tungsten tube 74 connecting the tungsten heating wire 72 and the tungsten heating wire 72 to pyrolyze the source gas to form a thin film. Copper tube 78 and copper rod 78 to be connected with the stainless tube 76 to conduct the current provided through the current supply pipe 82 to fix the current and to block the high heat transfer of the tungsten heating wire 72. ) And an insulator 80 for fixing the current supply pipe 82. The insulator 80 is made of a ceramic material, prevents an electric short circuit, and serves to fix the resistance heating part 70 to an inner wall of the chamber. In addition, the tungsten hot wire 72 preferably has a thickness of 0.5 to 1 mm. However, the thickness of the tungsten heating wire 72 may be modified depending on the conditions for synthesizing the thin film. The wiring of the tungsten heating wire 72 of FIG. 6 has the shape of a coiled heating wire 72a or a straight heating wire 72b having a continuous arrangement. The tungsten heating wire 72 having the wiring form as described above increases the contact area with the source gas to increase the role of thermal decomposition of the acetylene gas, which is the source gas, into the monocarbon (C) form. Subsequently, mono-carbon (C) is converted into the form of di carbon (C = C) on the substrate on which the catalyst atomic layer is formed and synthesized into a honeycomb thin film (carbon nanotube).

도 7은 본 발명의 플라즈마 화학 기상 증착장치의 전류 공급관을 나타내는 구성도이다.7 is a configuration diagram showing a current supply pipe of the plasma chemical vapor deposition apparatus of the present invention.

도 7에 의하면, 상기 전류 공급관(82)은 상기 소스가스를 열분해 하는 저항 가열부의 텅스텐 열선에 전류를 인가하는데 필요하다. 상기 본 발명에서 사용되는전류 공급관(82)은 챔버의 측벽을 관통하는 알루미늄관(84)과 상기 저항 가열부에 높은 전류를 인가할 수 있는 비닐피복(89)으로 코팅된 구리전도선(88)으로 구성되어 있다. 그리고, 챔버의 내부 압력을 유지하기 위해 알루미늄관(84)의 양 측면에는 에폭시 수지로 형성된 밀폐부재(86)가 도포되어 있다. 상기 저항 가열부에 전류를 인가하는 구리 전도선(88)은 저항 가열부의 사용 온도에 따라서 비례적으로 사용 두께를 변형시킬 수 있다.7, the current supply pipe 82 is required to apply a current to the tungsten heating wire of the resistance heating portion for pyrolyzing the source gas. The current supply pipe 82 used in the present invention is a copper conductor 88 coated with an aluminum tube 84 penetrating the side wall of the chamber and a vinyl coating 89 that can apply a high current to the resistance heating unit. It consists of. In order to maintain the internal pressure of the chamber, both sides of the aluminum tube 84 are coated with a sealing member 86 formed of an epoxy resin. The copper conductive line 88 that applies a current to the resistance heating unit may change the use thickness in proportion to the use temperature of the resistance heating unit.

상기와 같은 본 발명의 유도결합형 플라즈마 기상 화학 증착장치를 사용하여 니켈 입자층이 형성된 기판 제조, 탄소나노튜브 및 탄소나노물질 형성하는 방법을 실시예로서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Using the inductively coupled plasma vapor chemical vapor deposition apparatus of the present invention as described above, a method of preparing a substrate having a nickel particle layer, and forming carbon nanotubes and carbon nanomaterials will be described in detail as an embodiment.

촉매 입자층이 형성된 기판 제조Substrate Preparation with Catalyst Particle Layer

먼저, 유리판 상에 크롬 금속막(200Å)과 그 위에 전이금속인 니켈 금속막(300Å)이 증착된 기판을 준비한다. 상기 금속막이 증착된 기판을 블록바디 상에 로딩시킨 후, 챔버의 내부의 초기 진공도를 10-7Torr로 유지시키고, 기판의 온도를 500 내지 580℃로 유지하였다.First, a substrate on which a chromium metal film 200 'and a nickel metal film 300', which is a transition metal, is deposited on a glass plate is prepared. After loading the substrate on which the metal film was deposited on the block body, the initial vacuum degree inside the chamber was maintained at 10 −7 Torr, and the temperature of the substrate was maintained at 500 to 580 ° C.

이어서, 플라즈마 발생부에 100 내지 200 W의 전력을 인가하여, 상기 플라즈마 발생부 상방에 위치한 분위기가스 주입구를 통하여 제공되는 암모니아가스를 플라즈마 상태로 조성하였다.Subsequently, electric power of 100 to 200 W was applied to the plasma generator to form ammonia gas provided through the atmosphere gas injection hole located above the plasma generator in a plasma state.

이어서, 상기 금속막이 증착된 기판 표면상에 탄소나노튜브를 성장시킬 수있는 금속 입자층을 형성할 수 있도록, 상기 플라즈마 상태의 암모니아가스를 이용하여 기판 표면의 니켈 금속막을 식각하여, 미세 니켈 입자층이 형성된 기판을 형성하였다. 그리고, 가스배출구를 통하여 미 반응 암모니아가스 및 식각 부산물을 배기 하였다. 상기와 같은 식각 공정을 거친 기판의 니켈 금속막 표면은 상기 암모니아가스의 유량과 식각 공정시간의 조건에 따라 나노 크기의 입자 및 밀도의 변화를 갖는다.Subsequently, the nickel metal film on the surface of the substrate is etched using ammonia gas in the plasma state to form a metal particle layer capable of growing carbon nanotubes on the substrate surface on which the metal film is deposited, thereby forming a fine nickel particle layer. The substrate was formed. Then, unreacted ammonia gas and etching by-products were exhausted through the gas outlet. The surface of the nickel metal film of the substrate subjected to the etching process as described above has a change in nano-sized particles and density depending on the flow rate of the ammonia gas and the conditions of the etching process time.

탄소나노튜브 형성Carbon Nanotube Formation

먼저, 니켈 입자층이 형성된 기판을 블록바디에서 제공되는 열로 500 내지 580℃의 온도로 유지하면서 탄소나노튜브를 형성하기 위한 소스가스를 소스가스 제공부를 통하여 상기 기판 상으로 균일하게 주입하였다. 동시에, 상기 저항 가열부는 텅스텐 열선에 6 내지 10 A 전류를 인가하여 상기 기판 상으로 공급되는 소스가스의 이동경로에 위치하여 열을 제공함으로서 소스가스를 모노탄소(C)형태로 열분해 하였다. 이때 사용되는 텅스텐 열선은 코일형으로 열선의 두께에 따라서 그 이상인 약 20 A 정도의 전류를 인가 할 수 있다. 상기 탄소나노튜브를 합성에 사용되는 상기 소스가스는 메탄, 에틸렌, 프로판가스를 사용할 수 있다.First, a source gas for forming carbon nanotubes was uniformly injected onto the substrate through a source gas supply while maintaining the substrate on which the nickel particle layer was formed at a temperature of 500 to 580 ° C. with heat provided from the block body. At the same time, the resistance heating unit thermally decomposes the source gas in the form of monocarbon (C) by applying a 6 to 10 A current to the tungsten heating wire to provide heat in the movement path of the source gas supplied onto the substrate. At this time, the tungsten heating wire used is a coil type and can apply a current of about 20 A or more depending on the thickness of the heating wire. The source gas used for synthesizing the carbon nanotubes may be methane, ethylene, propane gas.

이어서, 분위기가스 제공부를 통하여 챔버 내부에서 플라즈마 상태로 조성시 압력을 조정하기 위해 분위기가스인 암모니아 가스를 주입하였다. 이때 상기 아세틸렌가스와 암모니아가스는 서로 독립적으로 분리하여 주입해야 한다.Subsequently, ammonia gas, which is an atmospheric gas, was injected to adjust the pressure at the time of composition in the plasma state inside the chamber through the atmosphere gas providing unit. At this time, the acetylene gas and ammonia gas should be injected separately from each other.

이어서, 100 내지 200 W의 고주파 전력이 인가되는 플라즈마 발생부를 통하여 암모니아가스를 플라즈마 상태로 조성하였다. 그리고, 상기 블록바디의 상면에 50 내지 120 W의 네거티브 바이어스 전력을 인가하고, 상기 블록바디의 하면을 그라운딩 상태로 형성하여 상기 소스가스를 플라즈마 상태로 조성하였다.Subsequently, ammonia gas was formed in a plasma state through a plasma generation unit to which high frequency power of 100 to 200 W was applied. Then, a negative bias power of 50 to 120 W was applied to the upper surface of the block body, and the lower surface of the block body was formed in a grounding state to form the source gas in a plasma state.

이어서, 상기와 같은 공정으로 인해 상기 모노탄소 형태로 분해된 소스가스가 니켈 입자층으로 일정 시간동안 공급되고, 상기 니켈 입자층에 증착됨에 따라 전계방출 능력이 우수한 탄소나노튜브를 형성 및 수직 배향하였다. 이때 직류 바이어스의 기능으로 인해 상기 탄소나노튜브의 수직 배향 및 전계방출 능력이 더욱 향상된다.Subsequently, the source gas decomposed into the monocarbon form by the above process was supplied to the nickel particle layer for a predetermined time, and as the deposited carbon layer was deposited on the nickel particle layer, carbon nanotubes having excellent field emission capability were formed and vertically aligned. At this time, the vertical orientation and the field emission capability of the carbon nanotubes are further improved due to the function of the direct current bias.

탄소나노물질 형성Carbon nano material formation

먼저, 니켈 입자층이 형성된 기판을 블록바디에서 제공되는 열로 500 내지 580℃의 온도로 유지하면서 탄소나노물질을 형성하기 위한 소스가스를 소스가스 제공부를 통하여 상기 기판 상으로 균일하게 주입하였다. 동시에, 상기 저항 가열부는 텅스텐 열선에 6 내지 10 A 전류를 인가하여 상기 기판 상으로 공급되는 소스가스의 이동경로에 위치하여 열을 제공함으로서 상기 소스가스를 모노탄소(C)형태로 열분해 하였다. 이때 사용되는 텅스텐 열선은 코일형으로 열선의 두께에 따라서 그 이상인 약 20 A 정도의 전류를 인가 할 수 있다. 상기 탄소나노튜브를 합성에 사용되는 상기 소스가스는 메탄, 에틸렌, 아세틸렌 프로판가스를 사용할 수 있다.First, while maintaining the substrate on which the nickel particle layer is formed at a temperature of 500 to 580 ° C. with heat provided from the block body, a source gas for forming carbon nanomaterials was uniformly injected onto the substrate through a source gas providing unit. At the same time, the resistance heating unit thermally decomposes the source gas in the form of monocarbon (C) by applying a 6 to 10 A current to the tungsten heating wire to provide heat by being located in the movement path of the source gas supplied onto the substrate. At this time, the tungsten heating wire used is a coil type and can apply a current of about 20 A or more depending on the thickness of the heating wire. The source gas used for synthesizing the carbon nanotubes may use methane, ethylene, acetylene propane gas.

이어서, 분위기가스 제공부를 통하여 챔버 내부에서 플라즈마 상태로 조성시 압력을 조정하기 위해 분위기가스인 암모니아 가스를 주입하였다. 이때 상기 소스가스와 암모니아 가스는 서로 독립적으로 분리하여 주입해야 한다.Subsequently, ammonia gas, which is an atmospheric gas, was injected to adjust the pressure at the time of composition in the plasma state inside the chamber through the atmosphere gas providing unit. At this time, the source gas and the ammonia gas should be injected separately from each other.

이어서, 100 내지 200 W의 고주파 전력이 인가되는 플라즈마 발생부를 통하여 암모니아 가스를 플라즈마 상태로 조성하였다. 그리고, 상기 블록바디의 상면에 50 내지 120W의 네거티브 바이어스 전력을 인가하고, 상기 블록바디의 하면을 그라운딩 상태로 형성하여 상기 소스가스를 플라즈마 상태로 조성하였다.Subsequently, ammonia gas was formed in a plasma state through a plasma generating unit to which high frequency power of 100 to 200 W was applied. Then, a negative bias power of 50 to 120W was applied to the upper surface of the block body, and the lower surface of the block body was formed in a grounding state to form the source gas in a plasma state.

이어서, 상기와 같은 공정으로 인해 상기 모노탄소 형태로 분해된 소스가스가 니켈 입자층으로 일정 시간동안 공급되고, 상기 니켈 입자층에 증착됨에 따라 오염이 방지되고 우수한 성능을 갖는 탄소나노물질을 형성하였다.Subsequently, the source gas decomposed into the monocarbon form by the above process is supplied to the nickel particle layer for a predetermined time, and thus deposited on the nickel particle layer to prevent contamination and form a carbon nano material having excellent performance.

이하 유도결합형 플라즈마 화학 기상 증착장치를 이용하여 성장된 탄소나노튜브의 수직적 배향과 전계방출 특성을 하기 시험예에서 평가한다.Hereinafter, the vertical orientation and field emission characteristics of carbon nanotubes grown using an inductively coupled plasma chemical vapor deposition apparatus are evaluated in the following test examples.

시험예Test Example

상기 방법으로 제조된 탄소나노튜브의 전계방출 특성을 측정하기 위해 스페이스를 200 ㎛으로 하고, 진공도를 1 ~ 5×10-6Torr 조정하여 전계방출 특성을 kithley 248(측정 장치)사용하여 측정하였다. (전개방출이란 것은 진공 준위에서 양극으로부터 음극으로 가해진 전압에 의한 방출되는 전류를 측정하는 것이다. 여기서 스페이스는 양극과 음극의 간격을 나타낸다.)In order to measure the field emission characteristics of the carbon nanotubes prepared by the above method, the space was set to 200 μm, and the vacuum degree was adjusted by 1 to 5 × 10 −6 Torr to measure the field emission characteristics using the kithley 248 (measurement device). (Evolved emission is the measurement of the current released by the voltage applied from the anode to the cathode at a vacuum level, where space represents the gap between the anode and the cathode.)

상기 탄소나노튜브의 전계방출 특성의 결과는, 구동전압이 3 V/㎛에서 대역의 전류밀도는 3.7× 10-7A/cm2이었고, 임계 전압-전류 밀도는 7.8 V/㎛에서6.8×10-4A/cm2로 평가되었다. 상기와 같은 결과로 인해 본 발명의 장치에 의해 성장된 탄소나노튜브는 수직적이고 서로 독립적으로 잘 배향되어 있으며, 우수한 전계방출 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.(V/㎛; 양극의 거리당 가해진 전력, A/cm2;면적당 방출되는 전류량)As a result of the field emission characteristics of the carbon nanotubes, the current density of the band at the driving voltage of 3 V / ㎛ was 3.7 × 10 -7 A / cm 2 , the critical voltage-current density of 6.8 × 10 at 7.8 V / ㎛ It was evaluated as -4 A / cm 2 . As a result, it was found that the carbon nanotubes grown by the device of the present invention were vertically and well oriented independently of each other and exhibited excellent field emission characteristics. (V / µm; Power applied per distance of the anode) , A / cm 2 ; amount of current emitted per area

따라서 저항 가열부, 소스가스 제공부, 직류 바이어스와 같은 구성요소를 갖는 본 발명의 장치는 저항 가열부를 사용하여 박막 형성에 사용되는 소스가스를 모노탄소로 효과적으로 열 분해할 수 있다. 또한, 상기 소스가스 제공부에 의해 촉매가스와 소스가스를 분리 주입하여 플라즈마 형성시 유전체 튜브의 오염을 방지할 수 있고, 이로 인해 박막 형성시 불순물에 의한 오염을 방지할 수 있다. 그리고 본 발명의 장치를 적용하여 박막을 형성할 때 낮은 박막 형성 온도로 인하여 저온에서 전계방출 능력이 우수한 박막을 보다 수직적으로 배향할 수 있으며, 단위 시간당 더 많은 수의 박막을 합성할 수 있어 산업상 이용가치가 매우 높다.Therefore, the apparatus of the present invention having components such as a resistance heating part, a source gas providing part, and a direct current bias can effectively thermally decompose the source gas used for thin film formation into monocarbon using the resistance heating part. In addition, the catalyst gas and the source gas may be separately injected by the source gas providing unit to prevent contamination of the dielectric tube during plasma formation, thereby preventing contamination by impurities during thin film formation. When the thin film is formed by applying the apparatus of the present invention, the thin film having excellent field emission capability can be oriented more vertically at low temperature due to the low thin film formation temperature, and more thin films can be synthesized per unit time. The value of use is very high.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.

Claims (11)

챔버 내에 놓여진 기판 상에 박막을 형성하기 위한 소스가스를 상기 기판의 주연 부위로부터 중심 부위로 균일하게 제공하는 단계;Uniformly providing a source gas for forming a thin film on a substrate placed in a chamber from a peripheral portion of the substrate to a central portion; 상기 소스가스가 제공되는 경로 상에 열 분위기를 조성하여 상기 소스가스를 열 분해시키는 단계;Thermally decomposing the source gas by creating a thermal atmosphere on a path through which the source gas is provided; 상기 소스가스와는 별도로 상기 분위기가스를 제공하여 상기 챔버 내부의 압력을 조정하는 단계;Adjusting the pressure inside the chamber by providing the atmosphere gas separately from the source gas; 상기 챔버 내에 고주파 전력을 인가하고, 상기 기판 이면에 네거티브 바이어스 전력을 인가함으로서 상기 소스가스 및 분위기가스를 플라즈마 상태로 조성하는 단계; 및Applying the high frequency power to the chamber and applying the negative bias power to the back surface of the substrate to form the source gas and the atmosphere gas in a plasma state; And 상기 플라즈마 상태의 소스가스를 상기 기판 상에 증착시켜 상기 기판 상에 박막을 수직 배향시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.And depositing the source gas in the plasma state on the substrate to vertically align the thin film on the substrate. 제1항에 있어서, 상기 박막을 형성할 때 상기 기판을 500 내지 580℃로 가열시키는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.The method of claim 1, wherein the substrate is heated to 500 to 580 ° C. when the thin film is formed. 제1항에 있어서, 상기 박막을 형성할 때 상기 챔버 내의 압력은 1 내지 5 Torr를 유지시키는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.The method of claim 1, wherein the pressure in the chamber maintains 1 to 5 Torr when the thin film is formed. 기판 상에 박막을 형성하기 위한 공간을 제공하기 위한 챔버;A chamber for providing a space for forming a thin film on the substrate; 상기 챔버 상방에 배치되고, 상기 챔버로 제공되는 분위기가스를 플라즈마 상태로 조성하도록 고주파 전력을 인가하기 위한 플라즈마 발생부;A plasma generation unit disposed above the chamber and configured to apply high frequency power to form an atmosphere gas provided to the chamber in a plasma state; 상기 플라즈마 발생부 하방에 배치되고, 다수개의 분사공을 갖고, 상기 분사공을 통하여 상기 기판 상에 상기 소스가스를 제공하기 위한 소스가스 제공부;A source gas providing unit disposed below the plasma generating unit and having a plurality of injection holes and providing the source gas on the substrate through the injection holes; 상기 소스가스 제공부 하방에 배치되고, 상기 소스가스가 지나는 경로 상에 열을 제공함으로서 상기 소스가스를 열 분해하기 위한 저항 가열부; 및A resistance heating unit disposed below the source gas providing unit and configured to thermally decompose the source gas by providing heat on a path through which the source gas passes; And 상기 저항 가열부 하방에 배치되고, 상기 기판이 놓여지는 상면을 갖고, 상기 상면 상에 놓여진 기판을 가열함과 동시에 네거티브 바이어스 전력을 인가하여 상기 열 분해된 소스가스를 플라즈마 상태로 조성하기 위한 블록 바디를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착장치.A block body disposed under the resistance heating unit and having a top surface on which the substrate is placed, and heating the substrate placed on the top surface and applying a negative bias power to form the pyrolyzed source gas in a plasma state; Plasma chemical vapor deposition apparatus comprising a. 제4항에 있어서, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 흑연나노섬유 또는 탄소 동소체물질을 포함하는 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착장치.5. The plasma chemical vapor deposition apparatus according to claim 4, wherein a thin film comprising carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphite nanofibers, or carbon allotrope is deposited. 제4항에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는 백금이 코팅된 구리 코일 및 유전체 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착장치.5. The plasma chemical vapor deposition apparatus according to claim 4, wherein the plasma generator comprises a platinum coil coated copper coil and a dielectric tube. 제6항에 있어서, 상기 유전체 튜브는 수정체 또는 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착장치.The apparatus of claim 6, wherein the dielectric tube is made of a lens or a ceramic. 제4항에 있어서, 상기 소스가스 제공부는 소스가스 제공 라인에 연결되어 상기 기판의 직경과 유사한 직경의 크기를 갖는 링 형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상 증착장치.The apparatus of claim 4, wherein the source gas providing unit is connected to a source gas providing line and has a ring shape having a diameter similar to that of the substrate. 제4항에 있어서, 상기 저항 가열부는 텅스텐 열선을 이어주는 텅스텐 튜브, 상기 텅스텐 튜브의 열전달을 차단하기 위해 연결되어 있는 스테인레스 튜브, 상기 스테인레스 튜브에 전류를 전도하기 위해 연결되어 있는 구리봉 및 상기 구리봉과 전류 공급관을 고정하는 애자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착장치.The method of claim 4, wherein the resistance heating unit is a tungsten tube connecting the tungsten heating wire, a stainless tube connected to block the heat transfer of the tungsten tube, a copper rod connected to conduct current to the stainless tube and the copper rod and the current Plasma chemical vapor deposition apparatus comprising an insulator for fixing a supply pipe. 제9항에 있어서, 상기 텅스텐 열선은 코일형 또는 연속적으로 배열된 직선형 인 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치.10. The plasma chemical vapor deposition apparatus according to claim 9, wherein the tungsten hot wire is coiled or continuously arranged straight. 제4항에 있어서, 상기 전류 공급관은 상기 챔버 측벽에 관통되는 알루미늄관, 상기 챔버의 압력을 유지하기 위해 상기 알루미늄 양측부를 밀폐하는 밀폐부재 및 저항 가열부에 전류를 인가하는 구리선을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착장치.The method of claim 4, wherein the current supply pipe comprises an aluminum pipe penetrating the side wall of the chamber, a sealing member for sealing the both sides of the aluminum to maintain the pressure of the chamber and a copper wire for applying a current to the resistance heating unit. Plasma chemical vapor deposition apparatus.
KR10-2002-0016273A 2002-03-26 2002-03-26 Apparatus For Plasma Chemical Vapor Deposition And Methode of Forming Thin Layer Utilizing The Same KR100478404B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0016273A KR100478404B1 (en) 2002-03-26 2002-03-26 Apparatus For Plasma Chemical Vapor Deposition And Methode of Forming Thin Layer Utilizing The Same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0016273A KR100478404B1 (en) 2002-03-26 2002-03-26 Apparatus For Plasma Chemical Vapor Deposition And Methode of Forming Thin Layer Utilizing The Same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20030077262A true KR20030077262A (en) 2003-10-01
KR100478404B1 KR100478404B1 (en) 2005-03-23

Family

ID=32376589

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2002-0016273A KR100478404B1 (en) 2002-03-26 2002-03-26 Apparatus For Plasma Chemical Vapor Deposition And Methode of Forming Thin Layer Utilizing The Same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100478404B1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100700655B1 (en) * 2005-04-12 2007-03-27 삼성에스디아이 주식회사 Deposition equipment
KR100771725B1 (en) * 2004-03-01 2007-10-30 동경 엘렉트론 주식회사 Method for forming copper film
KR101456549B1 (en) * 2012-09-10 2014-10-31 한국표준과학연구원 Plassma Enhanced Chemical Vapour Deposition Apparatus And Plassma Enhanced Chemical Vapour Deposition Method
WO2023121228A1 (en) * 2021-12-20 2023-06-29 주식회사 에이치피에스피 Method for doping carbon in thin film on wafer

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101253262B1 (en) 2006-04-06 2013-04-10 주성엔지니어링(주) Substrate processing apparatus and method for manufacturing carbon nano tube using the same

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62139873A (en) * 1985-12-13 1987-06-23 Sumitomo Electric Ind Ltd Coating method for hard carbon film
JPS6383270A (en) * 1986-09-25 1988-04-13 Canon Inc Production of diamond-like carbon film
JP2590112B2 (en) * 1987-07-13 1997-03-12 株式会社日立製作所 Microwave plasma processing equipment
JPH10135206A (en) * 1996-10-30 1998-05-22 Suzuki Motor Corp Formation of sio2 film by plasma cvd
JPH10259482A (en) * 1997-03-19 1998-09-29 Sanyo Electric Co Ltd Formation of hard carbon coating

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100771725B1 (en) * 2004-03-01 2007-10-30 동경 엘렉트론 주식회사 Method for forming copper film
KR100700655B1 (en) * 2005-04-12 2007-03-27 삼성에스디아이 주식회사 Deposition equipment
KR101456549B1 (en) * 2012-09-10 2014-10-31 한국표준과학연구원 Plassma Enhanced Chemical Vapour Deposition Apparatus And Plassma Enhanced Chemical Vapour Deposition Method
WO2023121228A1 (en) * 2021-12-20 2023-06-29 주식회사 에이치피에스피 Method for doping carbon in thin film on wafer

Also Published As

Publication number Publication date
KR100478404B1 (en) 2005-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8142568B2 (en) Apparatus for synthesizing a single-wall carbon nanotube array
Rao et al. In situ-grown carbon nanotube array with excellent field emission characteristics
JP3441923B2 (en) Manufacturing method of carbon nanotube
KR101368457B1 (en) Nanostructure production methods and apparatus
US20030129305A1 (en) Two-dimensional nano-sized structures and apparatus and methods for their preparation
US7511206B2 (en) Carbon nanotubes and method of manufacturing same, electron emission source, and display
JP2003523603A (en) Diamond / carbon nanotube structures for efficient electron field emission
TWI386511B (en) Apparatus and method for producing aligned carbon nanotube arrays
JPH06322615A (en) Carbon fiber and its production
Dong et al. Effects of catalysts on the internal structures of carbon nanotubes and corresponding electron field-emission properties
US5720808A (en) Method for forming diamond film
KR100478404B1 (en) Apparatus For Plasma Chemical Vapor Deposition And Methode of Forming Thin Layer Utilizing The Same
KR100262259B1 (en) Diamond film and process for preparing the same
CN1923677A (en) Carbon nano-tube growth apparatus and method
Chen et al. ZnO nanowire arrays grown on Al: ZnO buffer layers and their enhanced electron field emission
Weiss et al. Electron emission from disordered tetrahedral carbon
US20110056433A1 (en) Device for forming diamond film
JP2004051432A (en) Substrate for manufacturing carbon nanotube and method of manufacturing carbon nanotube using the same
KR100334351B1 (en) Low temperature thermal chemical vapor deposition apparatus and method of synthesizing carbon nanotube using the same
KR100372335B1 (en) Synthesis method for controlling diameter of carbonnanotubes using catalytic metal fine patterns
JP4881504B2 (en) Selective formation method of graphite nanofiber thin film by thermal CVD method
KR20010039636A (en) Apparatus of white light source using carbon nanotubes and fabrication Method thereof
Weiss et al. Fabrication of thin-film cold cathodes by a modified chemical vapor deposition diamond process
EP0989211B1 (en) Process for obtaining diamond layers by gaseous-phase synthesis
KR101253262B1 (en) Substrate processing apparatus and method for manufacturing carbon nano tube using the same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
J201 Request for trial against refusal decision
AMND Amendment
B701 Decision to grant
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee