JP2011105590A - 大面積グラフェンの製造方法及び転写方法 - Google Patents

大面積グラフェンの製造方法及び転写方法 Download PDF

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Abstract

【課題】大面積グラフェンの製造方法及び転写方法を提供する。
【解決手段】基板上にグラフェン層、保護層及び接着層を順次に形成した後、基板を除去し、次に、転写基板上に、グラフェン層が接触するように、グラフェン層を整列する段階を含む大面積グラフェン転写方法である。
【選択図】図５

Description

本発明は、大面積グラフェン層を製造する方法と、大面積グラフェン層を転写基板に転写する方法とに関する。
グラフェンは、電気的、機械的、化学的な安定性を有するだけではなく、すぐれた導電性を有しているので、電子回路の基礎素材として関心を集めている。
グラフェンは、化学気相蒸着法を利用したり、またはＳｉＣ基板を熱分解する方法で製造される。
グラフェンから基板を除去するために、一般的に湿式エッチングを行うが、大面積グラフェンの場合、湿式エッチングがエッジからなされるので、中央に湿式エッチングが進むのに多くの時間がかかる。
また、グラフェンを第１基板に付着させた後、他の基板、すなわち、転写基板に転写するスタンプ方法が使われるが、かような転写方法は、大面積グラフェンの転写に適用し難い。
本発明は、大面積グラフェン層を製造する方法と、大面積グラフェン層を転写基板に転写する方法とを提供するものである。
本発明の課題を解決するために、一実施形態によるグラフェン転写方法は、基板上にグラフェン層を形成する段階と、前記グラフェン層上に、保護層及び接着層を順次に形成する段階と、前記基板を前記グラフェン層から除去する段階と、転写基板上に、前記グラフェン層が接触するように、前記グラフェン層を整列する段階と、前記接着層及び保護層を順次に除去する段階と、を含む。
前記グラフェン層の形成段階は、前記基板上に触媒層を形成する段階をさらに含み、前記グラフェン層は、前記触媒層上に形成されうる。
前記触媒層はＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕのうちいずれか１つの物質から形成される。
前記保護層の形成段階は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、フォトレジスト（ＰＲ）、ＥＲ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｒｅｓｉｓｔ，電子レジスト）、ＳｉＯｘ、ＡｌＯｘのうちいずれか一つの保護層を形成する段階でありうる。
前記接着層は、接着テープ（ａｄｈｅｓｉｖｅ ｔａｐｅ）、糊（ｇｌｕｅ）、エポキシ樹脂、熱剥離テープ（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｌｅａｓｅ ｔａｐｅ）、水溶性テープのうちいずれか１つでもって形成されうる。
前記基板の除去段階は、前記触媒層と前記基板との接触力を弱化させる段階と、前記グラフェン層、保護層及び接着層がその上に積層された触媒層を、前記基板から離隔させる段階と、を含むことができる。
前記触媒層と前記基板との接触力を弱化させる段階は、前記触媒層と前記基板との間に親水性液体をしみ込ませる段階でありうる。
前記基板の除去段階は、前記基板から前記触媒層を離隔させた後、前記グラフェン層から前記触媒層を除去する段階をさらに含むことができる。
前記整列段階は、前記転写基板上に接触溶液を塗布する段階と、前記グラフェン層を前記転写基板上に対向するように接触させ、前記グラフェン層と前記転写基板とをスライディングさせつつ整列する段階と、を含むことができる。
前記接触溶液は、脱イオン水、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、鉱油（ｍｉｎｅｒａｌ ｏｉｌ）のうちいずれか一つでありうる。
本発明の他の実施形態による大面積グラフェン製造方法は、複数の基板上にグラフェン層を形成する段階と、前記グラフェン層上に保護層を形成する段階と、前記複数の基板の保護層上に、接着テープを付着させる段階と、前記グラフェン層と前記基板との接触力を弱化させる段階と、前記複数のグラフェン層から前記各基板を除去する段階と、を含む大面積グラフェン製造方法を含む。
前記除去段階は、前記接着テープ上で前記複数のグラフェン層を覆うように、無粘着テープを前記接着テープに付着させる段階と、前記複数のグラフェン層を含む前記接着テープをロールに巻き取る段階と、をさらに含むことができる。
本発明のさらに他の実施形態による大面積グラフェン製造方法は、基板上にグラフェン層を形成する段階と、前記グラフェン層上に、保護層及び接着層を順次に形成する段階と、前記基板の露出された表面をカッティングする段階と、前記基板に親水性液体を接触させる段階と、前記基板を前記グラフェン層から除去する段階と、前記接着層及び保護層を順次に除去する段階と、を含むことができる。
本発明によるグラフェン製造方法は、大面積グラフェンを容易に触媒層から分離し、複数の大面積グラフェンをあらかじめ製造して保存することができる。また、本発明によるグラフェン転写方法は、大面積グラフェンを転写基板に容易に転写できる。
本発明の一実施形態による大面積グラフェンを製造する方法と転写方法とについて説明する断面図である。 本発明の一実施形態による大面積グラフェンを製造する方法と転写方法とについて説明する断面図である。 本発明の一実施形態による大面積グラフェンを製造する方法と転写方法とについて説明する断面図である。 本発明の一実施形態による大面積グラフェンを製造する方法と転写方法とについて説明する断面図である。 本発明の一実施形態による大面積グラフェンを製造する方法と転写方法とについて説明する断面図である。 本発明の一実施形態による大面積グラフェンを製造する方法と転写方法とについて説明する断面図である。 本発明の一実施形態による大面積グラフェンを製造する方法と転写方法とについて説明する断面図である。 本発明の他の実施形態による大面積グラフェン製造方法について説明する概略的図面である。 本発明の他の実施形態による大面積グラフェン製造方法について説明する概略的図面である。 本発明の他の実施形態による大面積グラフェン製造方法について説明する概略的図面である。 本発明の他の実施形態による大面積グラフェン製造方法について説明する概略的図面である。 本発明の他の実施形態による大面積グラフェン製造方法について説明する概略的図面である。 本発明の他の実施形態による大面積グラフェン製造方法について説明する概略的図面である。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。しかし、以下に例示された実施形態は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明をこの技術分野の当業者に十分に説明するために提供されるものである。以下の図面で、同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で、各構成要素のサイズは、説明の明瞭性と便宜性とのために誇張されていることがある。
図１ないし図７は、本発明の一実施形態による大面積グラフェンを製造する方法と転写方法とについて説明する断面図である。
図１を参照すれば、基板１００上に、触媒層１１０を形成する。基板１００としては、６５０μｍ厚のシリコン基板１００を使用でき、触媒層１１０を形成する前に、シリコン基板１００を酸化させ、１００〜３００ｎｍ厚のシリコン酸化物層１０２をさらに形成することもできる。
触媒層１１０は、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）からなる金属物質のうちいずれか１つの物質を利用し、スパッタリングで基板１００上に形成できる。触媒層１１０は、ほぼ１００〜１５０ｎｍ厚に形成されうる。基板１００としてＳｉＣ基板１００を使用し、熱分解方法でグラフェンを形成する場合には、触媒層１１０を基板１００上に形成しない。
次に、触媒層１１０上に、グラフェン層１２０を形成する。グラフェン層１２０は、一般的な方法、例えば、炭素を含むソースガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、ＣＯなど）を化学気相蒸着方法を使用して形成できる。グラフェン層１２０は、単一層または二重層（ｂｉ−ｌａｙｅｒ）に形成されうる。グラフェン層１２０は、ほぼ０．３〜２ｎｍ厚に形成されうる。
図２を参照すれば、グラフェン層１２０上に、保護層１３０を形成する。保護層１３０は、グラフェン層１２０を、後述する過程で、保護するためのものである。保護層１３０は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、フォトレジスト（ＰＲ）、ＥＲ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｒｅｓｉｓｔ，電子レジスト）、ＳｉＯｘ、ＡｌＯｘのうちいずれか一つをスピンコーティングして、２００ｎｍ〜１０μｍ厚に形成されうる。
次に、保護層１３０上に、接着層１４０をさらに形成する。接着層１４０としては、接着テープ（ａｄｈｅｓｉｖｅ ｔａｐｅ）、糊（ｇｌｕｅ）、エポキシ樹脂、熱剥離テープ（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｌｅａｓｅ ｔａｐｅ）、水溶性テープ（ｗａｔｅｒ−ｓｏｌｕｂｌｅ ｔａｐｅ）のうちいずれか一つを、１００〜２００μｍ厚に形成する。接着層１４０は、後述するように、基板１００から触媒層１１０を含むグラフェン層１２０を物理的に分離するとき、グラフェン層１２０を支持するためのものである。
図３を参照すれば、基板１００を触媒層１１０から除去し、剥離層Ａを形成する。基板１００がシリコンから形成された場合、基板１００の底面をナイフでカッティングし、カッティング線を形成する。または、基板１００のエッジ部分を除去し、触媒層１１０と基板１００との間にギャップを形成させる。
次に、前記カッティング線または前記ギャップに親水性液体を接触させれば、親水性液体は、基板１００のカッティング線またはギャップに浸透し、基板１００と触媒層１１０との接着力を弱化させ、基板１００を触媒層１１０から離隔させやすくする。親水性液体としては、水、アルコール、アセトンを使用できる。基板１００上に、シリコン酸化物層１０２を形成した場合、触媒層１１０がシリコン酸化物層１０２との接着性が低くなり、触媒層１１０が、シリコン酸化物層１０２を含む基板１００から材料分離し易くなる。
次に、接着層１４０をリフティングし、基板１００を触媒層１１０から除去する。他の方法として、イオン・ミリング法で、基板１００を直接除去する方法を使用することもできる。
化学的エッチング法でもって、基板１００を除去することもできる。エッチャントとして、基板１００の物質によって、ＫＯＨ、ＦｅＣｌ３、ＨＣｌ、ＨＦ、反応性イオン・エッチング・エッチャントを使用できる。
図４を参照すれば、剥離層Ａ（図３）から、触媒層１１０を湿式エッチングで除去する。剥離層Ａを、ＦｅＣｌ３、ＨＣｌ及び水の混合物中に入れ、触媒層１１０を除去できる。
他の方法として、反応イオンエッチング、イオン・ミリングなどで、触媒層１１０を除去することもできる。
次に、結果物を洗浄（ｒｉｎｓｉｎｇ）する。洗浄は、イソフタル酸（ＩＰＡ）、脱イオン化（ＤＩ）水を使用できる。
図５及び図６は、グラフェンが転写基板１５０に接触するように、結果物を転写基板１５０上に整列する段階を図示した図面である。転写基板１５０上に、接触溶液１５２を塗布する。接触溶液１５２としては、ＤＩ水、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、鉱油（ｍｉｎｅｒａｌ ｏｉｌ）のうちいずれか一つを使用できる。次に、結果物を転写基板１５０上にスライディングさせつつ、結果物を転写基板１５０に整列させる。
転写基板１５０の表面が接触溶液に対して疎水的性質を有している場合、グラフェン層１２０上に接触溶液１５２を塗布し、転写基板１５０をグラフェン層１２０上に整列することもできる。次に、転写基板１５０を、グラフェン層１２０上にスライディングさせつつ、転写基板１５０をグラフェン層１２０に整列させる。
次に、接触溶液１５２を転写基板１５０から除去する。このために、転写基板１５０をほぼ６０℃でほぼ６時間熱処理し、接触溶液１５２を除去して乾燥できる。
図７を参照すれば、接着層１４０及び保護層１３０を順次に除去する。接着層１４０及び保護層１３０の除去は、形成物質によって、エッチングを行ったり、またはイオン・ミリング、熱処理のような方法で行うことができ、詳細な説明は省略する。
次に、グラフェン層１２０から、化学的残留物（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅｓｉｄｕｅｓ）を除去するために、ＩＰＡ、ＤＩ水などで洗浄する。
本発明の実施形態によれば、６インチ以上の大面積グラフェン層を、同じサイズ以上の転写基板上に容易に転写できる。また、グラフェン層が形成された基板から基板を除去するために、基板をカッティングし、カッティング線に親水性液体を使用して、基板及びグラフェン層を容易に離隔させる。
図８ないし図１３は、本発明の他の実施形態による大面積グラフェン製造方法について説明する図面である。以上の実施形態での構成要素と実質的に同じ構成要素には、同じ参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。
図８を参照すれば、基板ホルダ２１０上に、複数の基板１００が配される。各基板１００上には、前述のように、シリコン酸化物層１０２、触媒層１１０、グラフェン層１２０、保護層１３０が順次に積層されてスタック２５０を形成する。スタック２５０の形成は、前述の実施形態と同じ方法を使用でき、詳細な説明は省略する。図８では、１つの基板ホルダ２１０に、複数の基板１００が装着されるが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、それぞれの基板１００が、各基板ホルダ（図示せず）に装着されもする。
図９を参照すれば、基板ホルダ２１０上の保護層１３０上に、接着テープ２４０を付着させる。接着テープ２４０を、第１ロール２２１に巻かれている状態から引き出し、第２ロール２２２に付着させた状態で、接着テープ２４０が保護層１３０に接触するように、第１ロール２２１及び第２ロール２２２を下降させることもできる。
図１０を参照すれば、スタック２５０が、接着テープ２４０に支持される状態で、第１ロール２２１及び第２ロール２２２を基板ホルダ２１０から離隔させる。
図１１を参照すれば、シリコン基板１００の底面をナイフでカッティングし、カッティング線を形成する。次に、カッティング線に親水性液体を接触させれば、親水性液体は、シリコン基板１００のカッティング線に浸透し、基板を触媒層１１０から離隔させやすくする。親水性液体としては、水、アルコール、アセトンを使用できる。
次に、接着テープ２４０をリフティングし、基板１００を触媒層１１０から除去する。シリコン基板１００上に、シリコン酸化物層１０２があらかじめ形成されている場合、触媒層１１０とシリコン酸化物層１０２との接着性が低いので、基板１００が、シリコン酸化物層１０２と共に容易に触媒層１１０から離隔する。他の方法として、イオン・ミリング法で、基板１００を直接除去する方法を使用することもできる。
化学的エッチング法でもって、基板１００を除去することもできる。エッチャントとして、基板１００の物質によって、ＫＯＨ、ＦｅＣｌ３、ＨＣｌ、ＨＦ、反応性イオン・エッチング・エッチャントを使用できる。
次に、触媒層１１０を湿式エッチングで除去する。触媒層１１０がＮｉ、Ｃｕから形成された場合、ＦｅＣｌ３でエッチングできる。他の方法として、反応イオンエッチング、イオン・ミリング、アッシング（ａｓｈｉｎｇ）などで触媒層１１０を除去することもできる。
図１２を参照すれば、接着テープ２４０上に、グラフェン層１２０を覆うように、無粘着テープ２６０を接着させる。無粘着テープ２６０を、無粘着テープ２６０が巻かれているロール（図示せず）から引き出し、接着テープ２４０と重なるようにする。無粘着テープは、一般的なセロハンテープでありうる。
図１３を参照すれば、保護層１３０を含む複数のグラフェン層１２０を、第２ロール２２２に巻いて保管できる。保管されたグラフェン層１２０は、必要な量だけ追って使用できる。図１３では、グラフェン層１２０及び保護層１３０と、接着テープ２４０及び無粘着テープ２６０とを便宜上簡略に図示した。
本発明の他の実施形態によれば、６インチ以上の複数大面積グラフェン層をロールに巻き取って保存することができ、必要時にロールから、あらかじめ設けられた大面積グラフェンを切って使用できる。
以上、本発明の理解を助けるために、図面に図示された実施形態に基づいて、本発明について説明した。しかし、このような実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、当分野の当業者であるならば、それらから多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるという点を理解することが可能である。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決まるものである。
１００ 基板
１０２ シリコン酸化物層
１１０ 触媒層
１２０ グラフェン層
１３０ 保護層
１４０ 接着層
１５０ 転写基板
１５２ 接触溶液
２１０ 基板ホルダ
２２１ 第１ロール
２２２ 第２ロール
２４０ 接触テープ
２５０ スタック
２６０ 無粘着テープ

Claims (20)

  1. 基板上にグラフェン層を形成する段階と、
    前記グラフェン層上に、保護層及び接着層を順次に形成する段階と、
    前記基板を前記グラフェン層から除去する段階と、
    転写基板上に、前記グラフェン層が接触するように、前記グラフェン層を整列する段階と、
    前記接着層及び保護層を順次に除去する段階と、を含む大面積グラフェン転写方法。
  2. 前記グラフェン層の形成段階は、前記基板上に触媒層を形成する段階をさらに含み、前記グラフェン層は、前記触媒層上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の大面積グラフェン転写方法。
  3. 前記保護層の形成段階は、ポリメチルメタクリレート、フォトレジスト、ＥＲ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｒｅｓｉｓｔ）、ＳｉＯｘ、ＡｌＯｘのうちいずれか一つの保護層を形成することを特徴とする請求項１に記載の大面積グラフェン転写方法。
  4. 前記接着層は、接着テープ、糊、エポキシ樹脂、熱剥離テープ（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｌｅａｓｅ ｔａｐｅ）、水溶性テープのうちいずれか一つから形成されることを特徴とする請求項３に記載の大面積グラフェン転写方法。
  5. 前記基板の除去段階は、前記触媒層と前記基板との接触力を弱化させる段階と、
    前記グラフェン層、保護層及び接着層がその上に積層された触媒層を、前記基板から離隔させる段階と、を具備したことを特徴とする請求項２に記載の大面積グラフェン転写方法。
  6. 前記触媒層と前記基板との接触力を弱化させる段階は、前記触媒層と前記基板との間に親水性液体をしみ込ませることを特徴とする請求項５に記載の大面積グラフェン転写方法。
  7. 前記基板の除去段階は、前記基板から前記触媒層を離隔させた後、前記グラフェン層から前記触媒層を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の大面積グラフェン転写方法。
  8. 前記基板の除去段階は、前記基板をエッチングする段階であることを特徴とする請求項１に記載の大面積グラフェン転写方法。
  9. 前記整列段階は、前記転写基板上に接触溶液を塗布する段階と、
    前記グラフェン層を前記転写基板上に対向するように接触させ、前記グラフェン層と前記転写基板とをスライディングさせつつ整列する段階と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の大面積グラフェン転写方法。
  10. 前記接触溶液は、脱イオン水、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、鉱油のうちいずれか１つであることを特徴とする請求項９に記載の大面積グラフェン転写方法。
  11. 前記転写基板を加熱し、前記接触溶液を蒸発させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の大面積グラフェン転写方法。
  12. 複数の基板上にグラフェン層を形成する段階と、
    前記グラフェン層上に保護層を形成する段階と、
    前記複数の基板の保護層上に、接着テープを付着させる段階と、
    前記グラフェン層と前記基板との接触力を弱化させる段階と、
    前記複数のグラフェン層から前記各基板を除去する段階と、を含む大面積グラフェン製造方法。
  13. 前記グラフェン層の形成段階は、前記基板上に触媒層を形成する段階をさらに含み、前記グラフェン層は、前記触媒層上に形成されることを特徴とする請求項１２に記載の大面積グラフェン製造方法。
  14. 前記保護層の形成段階は、ポリメチルメタクリレート、フォトレジスト、ＥＲ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｒｅｓｉｓｔ）のうちいずれか一つの保護層を形成することを特徴とする請求項１２に記載の大面積グラフェン製造方法。
  15. 前記グラフェン層と前記基板との接触力を弱化させる段階は、前記触媒層と前記基板との間に親水性液体をしみ込ませることを特徴とする請求項１３に記載の大面積グラフェン転写方法。
  16. 前記除去段階は、前記触媒層を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の大面積グラフェン製造方法。
  17. 前記除去段階は、前記複数のグラフェン層を覆うように、無粘着テープを前記接着テープに付着させる段階と、
    前記複数のグラフェン層を含む前記接着テープをロールに巻き取る段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の大面積グラフェン製造方法。
  18. 基板上にグラフェン層を形成する段階と、
    前記グラフェン層上に、保護層及び接着層を順次に形成する段階と、
    前記基板の露出された表面をカッティングし、カッティング線を形成する段階と、
    前記カッティング線に親水性液体を接触させる段階と、
    前記基板を前記グラフェン層から除去する段階と、
    前記接着層及び保護層を順次に除去する段階と、を含む大面積グラフェン製造方法。
  19. 前記グラフェン層の形成段階は、前記基板上に触媒層を形成する段階をさらに含み、前記グラフェン層は、前記触媒層上に形成され、
    前記基板の除去段階は、前記触媒層を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の大面積グラフェン製造方法。
  20. 前記接着層は、接着テープ、糊、エポキシ樹脂、熱剥離テープ（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｌｅａｓｅ ｔａｐｅ）、水溶性テープのうちいずれか一つから形成されることを特徴とする請求項１８に記載の大面積グラフェン製造方法。
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