CN103579043B - 石墨烯器件制造装置和使用该装置的石墨烯器件制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石墨烯器件制造装置和使用该装置的石墨烯器件制造方法。该石墨烯器件制造装置包括：电极；石墨烯结构，包括基板、形成在基板上的金属催化剂层、形成在金属催化剂层上的石墨烯层、以及形成在石墨烯层上的保护层；电源单元，在电极和金属催化剂层之间施加电压；槽，容纳电极和石墨烯结构；以及在槽中准备的电解液。
Description
技术领域
本公开涉及石墨烯器件制造装置和使用该装置的石墨烯器件制造方法。
背景技术
石墨烯是具有二维六角形碳结构的材料并且像单原子厚的片一样薄。此外，石墨烯的导电速度是主要用作半导体的单晶硅的100倍。石墨烯是零带隙半导体，其可以替换常规的半导体材料，因此石墨烯作为电子电路的基底材料已经引起注意。
石墨烯通常通过使用化学气相沉积法形成在金属薄层（即，Cu或Ni）上，或通过使用热分解法形成在SiC基板上。然而，石墨烯需要生长在绝缘层上以便在半导体器件或类似物中使用石墨烯薄层，而且难以利用最新的技术在绝缘层上形成高品质的石墨烯薄层。
发明内容
提供一种制造石墨烯器件的装置和使用该装置制造石墨烯器件的方法。
附加的方面将在随后的描述中部分地阐述，并且部分由该描述而明显，或可以通过对给出的实施例的实践而习之。
根据本发明的一方面，一种石墨烯器件制造装置包括：电极；石墨烯结构，其包括基板、形成在基板上的金属催化剂层、形成在金属催化剂层上的石墨烯层、以及形成在石墨烯层上的保护层；电源单元，在电极和金属催化剂层之间施加电压；槽，容纳电极和石墨烯结构；以及在槽中制备的电解液。
绝缘层可以进一步形成在基板和金属催化剂层之间，绝缘层可以包括通过氧化所述基板的表面而形成的氧化物。在这点上，一部分绝缘层可以被蚀刻，由此可以形成基板和金属催化剂层彼此直接接触的区域。
基板可以是导电基板，电源单元可以连接到导电基板以施加电压到金属催化剂层。
电解液可以由通过混合K2S2O8或FeCl3与水所制备的溶液形成。
金属催化剂层可以包括Cu、Ni、Fe、Co、Pt和Ru中的任意材料。
根据本发明另一方面，一种石墨烯器件制造方法包括：形成石墨烯结构，该石墨烯结构包括基板、形成在基板上的金属催化剂层、形成在金属催化剂层上的石墨烯层、以及形成在石墨烯层上的保护层；通过因化学反应而在基板和金属催化剂层之间产生气泡，使金属催化剂层与基板分离；去除与基板分离的金属催化剂层；在目标基板上形成目标绝缘层之后，使石墨烯层接触目标绝缘层；以及在使石墨烯层接触目标绝缘层之后去除保护层。
使金属催化剂层与基板分离可以包括：将石墨烯结构放置在装备有电解液和电极的槽中，以及在金属催化剂层和电极之间施加电压。
基板可以是导电基板，其中可以在导电基板和电极之间施加电压。
电解液可以由通过混合K2S2O8或FeCl3与水所制备的溶液形成。
可以利用湿蚀刻法去除与基板分离的金属催化剂层。
使石墨烯层接触目标绝缘层还可以包括对目标绝缘层表面处理以在目标绝缘层的表面上形成-OH基。
目标绝缘层的表面处理可以利用RCA清洁技术。
使石墨烯层接触目标绝缘层可以利用真空挤压法以使得目标绝缘与石墨烯层接触。
形成石墨烯结构还可以包括在基板和金属催化剂层之间形成绝缘层，在这点上，一部分绝缘层可以被蚀刻，由此可以形成基板与金属催化剂层彼此直接接触的区域。
绝缘层可以包括通过氧化基板的表面而形成的氧化物。
在石墨烯结构的形成中，保护层可以由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）形成。
在石墨烯结构的形成中，保护层可以由胶带（adhesive tape）、胶水（glue）、诸如聚碳酸酯（PC）的环氧树脂、热分离胶带（thermal release tape）、水溶性胶带（water-soluble tape）、UV胶带（UV tape）、可图案化干膜或诸如SU-8的材料形成。
在石墨烯结构的形成中，保护层可以包括第一层和第二层，该第一层由PMMA形成，该第二层由胶带、胶水、诸如聚碳酸酯（PC）的环氧树脂、热分离胶带、水溶性胶带、UV胶带、可图案化干膜或诸如SU-8的材料形成。
在去除保护层之后，还可以包括在石墨烯层上形成第一电极和第二电极。
使石墨烯层接触目标绝缘层还可以包括在目标基板和目标绝缘层之间形成栅电极，在这点上，该方法还可以包括在去除保护层之后在石墨烯层上形成源电极和漏电极。
附图说明
通过下文结合附图对实施例的描述，这些和/或其他方面将变得明显且更易于理解，附图中：
图1示出根据本发明一实施例的石墨烯器件制造装置的示意结构；
图2示出根据本发明另一实施例的石墨烯器件制造装置的示意结构；
图3A至图3H示出根据本发明一实施例的石墨烯器件制造方法；
图4是曲线图，示出将石墨烯层转移到目标基板上之后的拉曼位移（RamanShift）；
图5示出通过根据本发明另一实施例的石墨烯器件制造方法制造的石墨烯器件的一示范结构；以及
图6示出通过根据本发明另一实施例的石墨烯器件制造方法制造的石墨烯器件的另一示范结构。
具体实施方式
在下文，现将参考附图更充分地描述半导体缓冲结构和包括其的半导体器件，在附图中示出本发明的示范实施例。相同的附图标记始终指代相同的元件，为了描述的清晰和方便，每个元件的尺寸可以被夸大。因此，仅在下文描述实施例以解释本说明书的多个方面，因此本实施例可具有不同的形式并且不应被理解为限于在此阐述的描述。将理解的是，当元件被称为在另一元件“上”时，该元件或层可以直接在另一元件上或者可以存在中间元件。
图1示出根据本发明一实施例的石墨烯器件制造装置100的示意结构。
根据本发明一实施例的石墨烯器件制造装置100是用于从石墨烯结构200（包括形成在金属催化剂层230上的石墨烯层240）中的基板210分离金属催化剂层230从而将石墨烯转移到目标基板上的装置。
石墨烯器件制造装置100包括电极130、石墨烯结构200、在电极130与金属催化剂层230之间施加电压的电源单元150、容纳电极130和石墨烯结构200的槽110、以及填充槽120的电解液120。
石墨烯结构200包括基板210、形成在基板210上的金属催化剂层230、形成在金属催化剂层230上的石墨烯层240以及形成在石墨烯层240上的保护层250。
基板210可以是导电基板，例如，是低电阻率硅基板。
金属催化剂230可以包括Cu、Ni、Fe、Co、Pt和Ru中的任意材料。
此外，绝缘层220可以进一步制备在基板210和金属催化剂层230之间。绝缘层220可以由氧化物（该氧化物通过氧化基板的表面形成）形成，例如硅氧化物，或者绝缘层220可以由氮化物形成。
制备保护层250以保护和支撑石墨烯层240，该保护层250可具有包括第一层252和第二层255的多层结构，如图1所示。第一层252可以由例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）形成。第二层255可以由胶带、胶水、诸如聚碳酸酯（PC）的环氧树脂、热分离胶带、水溶性胶带、UV胶带、可图案化干膜或诸如SU-8的材料形成。然而，该结构是实施例的一示例，可以仅包括第一层252和第二层255中的一个。
电解液120可以由通过混合K2S2O8或FeCl3与水制备的溶液形成。
虽然图1显示金属催化剂层230和电极130连接成分别是正性和负性。然而，该结构不限于此，金属催化剂层230和电极130可以连接成具有相反极性。
当电压从电源单元150施加在金属催化剂层230和电极130之间时，由于通过电解液120中发生的化学反应所产生的气泡B，金属催化剂层230与基板210分离。
例如，当金属催化剂层230由Cu形成，以及电解液120由K2S2O8与水的混合物的溶液形成时，当施加电压以使得金属催化剂层230是负性且电极130是正性时，可以在电解液120中发生以下的化学反应。
方程式1
2H2O(l)+2e-→H2(g)+2OH-
Cu+S2O8 2-(aq)→Cu2++2SO4 2-
3Cu2+(aq)+4OH-(aq)+2e-→Cu2O(s)+CuO(s)+2H2O(l)
由于通过化学反应产生的氢气泡（H2气泡），所以金属催化剂层230与基板210分离。
在电解液120中发生的化学反应是示范性的且不限于方程式1。例如，当金属催化剂层230是正性且电极130是负性时，可以产生氧气泡（O2气泡），因此金属催化剂层230可以与基板210分离。
金属催化剂层230与基板210分离的时间或类型可以通过控制在金属催化剂层230与电极210之间施加的电压以及电解液120的浓度来调节。在这点上，当使用利用化学反应的气泡时，可以防止对石墨烯层240的破坏。
图2示出根据本发明另一实施例的石墨烯器件制造装置100’的示意结构。图2的石墨烯器件制造装置100’与图1的石墨烯器件制造装置100的不同在于：一部分绝缘层220被蚀刻，由此制备了基板210和金属催化剂层230彼此直接接触的区域。在本实施例中，基板210是导电基板，因此基板可以直接连接到电源单元150，从而在金属催化剂层230和电极130之间施加电压。此外，如上所述，连接到电源单元150的基板210和电极的极性可以相反地改变。
在下文，将参考图3A至图3H详细描述根据本发明一实施例的石墨烯器件制造方法。
图3A和图3B示出石墨烯结构200的形成，该石墨烯结构200包括基板210、形成在基板210上的金属催化剂层230、形成在金属催化剂层230上的石墨烯层240以及形成在石墨烯层240上的保护层250。
基板210可以是导电基板，例如，可以是低电阻率硅基板。
金属催化剂层230可以包括Cu、Ni、Fe、Co、Pt和Ru中的任意材料，这些金属材料可以通过利用溅射设备、电子束蒸发器设备或类似物的沉积工艺形成。
此外，在石墨烯结构200中，绝缘层220可以进一步制备在基板210和金属催化剂层230之间。绝缘层220可以由氧化物（该氧化物通过氧化基板的表面形成）形成，例如硅氧化物，或者绝缘层220可以由氮化物形成。
石墨烯层240可以通过利用化学气相沉积（CVD）法形成。在其上形成有金属催化剂层230的基板210和含碳的气体（CH4、C2H2、C2H4或CO）被放入用于热化学气相沉积或感应耦合等离子体化学气相沉积（ICP-CVD）的感应器中并且被加热，使得碳被吸入金属催化剂层230中。随后，通过快速冷却该所得物，碳可以从金属催化剂层230分离并且结晶，由此生长石墨烯。
如图3B所示，通过在石墨烯层240上形成保护层250来制备石墨烯结构200。制备保护层250以保护和支撑石墨烯层240，该保护层250可具有包括第一层252和第二层255的多层结构，如图3B所示。第一层252可以通过旋涂例如PMMA而形成。第二层255可以由胶带、胶水、诸如PC的环氧树脂、热分离胶带、水溶性胶带、UV胶带、可图案化干膜或诸如SU-8的材料形成。然而，该结构是实施例的一示例，可以仅包括第一层252和第二层255中的一个。
图3C示出通过将石墨烯结构200放入用电解液120填充的槽110中以允许发生化学反应而发生的基板210与金属催化剂层230的分离。
电极130被放置在槽110中，电压将被施加在该电极130与金属催化剂层230之间。当电压从电源单元150施加在金属催化剂层230和电极130之间时，由于在电解液120中发生的化学反应，在金属催化剂层230和电极130之间产生气泡B，因此基板210与金属催化剂层230分离。当金属催化剂层230由Cu形成，以及电解液由K2S2O8和水的混合物的溶液形成时，可以在电解液120中发生前述的方程式1的化学反应。
在图3A和图3B中，石墨烯结构可以形成有基板210和金属催化剂层230彼此直接接触的区域，该区域通过与形成图2的石墨烯结构200'的相同方式蚀刻一部分绝缘层220来制备。在这点上，如对于图2的石墨烯结构200’所描述的，可以在基板210和电极130之间施加电压。
接着，从包括金属催化剂层230（该金属催化剂层230由图3C的步骤分离）、石墨烯层240和保护层250的结构去除金属催化剂层230。可以通过利用湿蚀刻法执行金属催化剂层230的去除，根据形成金属催化剂层230的金属材料来选择溶液。
根据上文所述的工艺，图3D示出包括保留在保护层250上的石墨烯层240的结构，图3E示出目标基板310，石墨烯层240将被转移到目标基板310上。目标绝缘层320可以形成在目标基板310上。目标绝缘层320的表面可以是被表面处理使得-OH基能够形成在其上的表面，表面处理可以通过利用RCA清洁技术来执行。
图3F示出被真空挤压的图3D的结构和图3E的结构。即，用于真空挤压图3D和3E的结构的方法包括：以石墨烯层240与目标绝缘层320彼此面对的方式放置图3D的结构和图3E的结构，对石墨烯层240与目标绝缘层320之间的空间抽真空（evacuating），以及施加力。
然后，图3G示出保护层250的去除。利用热的方法是示范性的，可以根据保护层250的具体材料来改变去除保护层250的方法。
图3H示出包括石墨烯层240的石墨烯器件300，该石墨烯层240被转移到目标基板310上的目标绝缘层320上。
图4是曲线图，示出将石墨烯层转移到目标基板上之前和之后的拉曼位移。
拉曼位移是能够确定石墨烯的存在的曲线图，在石墨烯层转移到目标基板上之前的曲线(上部)中和在石墨烯层转移到目标基板上之后的曲线（下部）中相同位置的拉曼位移表明石墨烯层被很好地转移到目标基板上而没有被破坏。
图5示出通过根据本发明另一实施例的石墨烯器件制造方法制造的石墨烯器件400的一示范结构。
当在图3H的步骤之后执行在石墨烯层240上形成第一电极410和第二电极420的工艺时，可以制得图5的石墨烯器件400。石墨烯器件400可以用作传感器，即，石墨烯层240可以用作传感器，因此，由于具体材料的粘附等导致的电特性改变可以通过第一电极410和第二电极420来测量。
图6示出通过根据本发明另一实施例的石墨烯器件制造方法制造的石墨烯器件500的另一示范结构。
在图3D和3E的步骤中，可以使用一结构，该结构包括在目标基板510上形成的栅电极520和覆盖栅电极520的绝缘层530，图3D的石墨烯层240可以转移到绝缘层530上。此外，通过在石墨烯层240上进一步形成源电极530和漏电极540，可以制得图6的石墨烯器件。石墨烯器件500可以是晶体管，在该晶体管中石墨烯层240用作沟道层。
如上所述，根据本发明上述实施例的一个或更多个，其上形成有石墨烯的金属催化剂层可以利用化学反应与基板分离。
因此，通过使用机械力所引起的对于石墨烯层的损坏可以最小化，优质的石墨烯层可以转移到目标基板上，由此可以制造高品质的石墨烯器件。
虽然已经参考附图中示出的实施例在上文描述了石墨烯器件制造装置和石墨烯器件制造方法，但是应当理解，在其中描述的示范实施例应该仅以描述的意思理解而不是限制。对于每个实施例内的特征或方面的描述应该典型地被认为是可用于其他实施例中的其他相似的特征或方面。
本申请要求于2012年7月27日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0082239的优先权，其公开通过引用结合在此。
Claims (19)
1.一种石墨烯器件制造方法，包括：
形成石墨烯结构，该石墨烯结构包括基板、形成在所述基板上的金属催化剂层、形成在所述金属催化剂层上的石墨烯层、以及形成在所述石墨烯层上的保护层；
通过因化学反应而在所述基板和所述金属催化剂层之间产生气泡，使所述金属催化剂层与所述基板分离；
去除与所述基板分离的所述金属催化剂层；
在目标基板上形成目标绝缘层之后，使所述石墨烯层接触所述目标绝缘层；以及
使所述石墨烯层接触所述目标绝缘层之后，去除所述保护层。
2.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中使所述金属催化剂层与所述基板分离包括：
将所述石墨烯结构放置在装备有电解液和电极的槽中；以及
在所述金属催化剂层和所述电极之间施加电压。
3.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中所述基板是导电基板，以及其中使所述金属催化剂层与所述基板分离包括：
将所述石墨烯结构放置在装备有电解液和电极的槽中；以及
在所述导电基板和所述电极之间施加电压。
4.如权利要求2所述的石墨烯器件制造方法，其中所述电解液由通过混合K2S2O8或FeCl3与水所制备的溶液形成。
5.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中利用湿蚀刻法去除与所述基板分离的所述金属催化剂层。
6.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中使所述石墨烯层接触所述目标绝缘层还包括对所述目标绝缘层表面处理以在所述目标绝缘层的表面上形成-OH基。
7.如权利要求6所述的石墨烯器件制造方法，其中所述目标绝缘层的表面处理使用RCA清洁技术。
8.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中使所述石墨烯层接触所述目标绝缘层使用真空挤压法以使得所述目标绝缘层与所述石墨烯层接触。
9.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中形成所述石墨烯结构还包括在所述基板与所述金属催化剂层之间形成绝缘层。
10.如权利要求9所述的石墨烯器件制造方法，其中所述绝缘层包括氧化物，该氧化物通过氧化所述基板的表面而形成。
11.如权利要求9所述的石墨烯器件制造方法，其中一部分所述绝缘层被蚀刻，由此形成所述基板与所述金属催化剂层彼此直接接触的区域。
12.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中所述保护层由聚甲基丙烯酸甲酯形成。
13.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中所述保护层由胶带、胶水、环氧树脂、可图案化干膜或SU-8形成。
14.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中所述保护层由热分离胶带、水溶性胶带或UV胶带形成。
15.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中所述保护层包括第一层和第二层，该第一层由聚甲基丙烯酸甲酯形成，该第二层由胶带、胶水、环氧树脂、可图案化干膜或SU-8形成。
16.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中所述保护层包括第一层和第二层，该第一层由聚甲基丙烯酸甲酯形成，该第二层由热分离胶带、水溶性胶带或UV胶带形成。
17.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中在去除所述保护层之后，进一步包括在所述石墨烯层上形成第一电极和第二电极。
18.如权利要求1所述的石墨烯器件制造方法，其中所述石墨烯层接触所述目标绝缘层还包括在所述目标基板和所述目标绝缘层之间形成栅电极。
19.如权利要求18所述的石墨烯器件制造方法，其中该方法还包括在去除所述保护层之后，在所述石墨烯层上形成源电极和漏电极。
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