JP2017014086A - Method for forming graphene and device therefor - Google Patents

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Kazuaki Furukawa
一暁 古川
真琴 高村
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真琴 高村
浩樹 日比野
Hiroki Hibino
浩樹 日比野
浩 池上
Hiroshi Ikegami
浩 池上
正和 服部
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正和 服部
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To directly form the patterns of graphene on various substrates without giving damage or the like.SOLUTION: Provided is a method for forming graphenes comprising: a plasma feed step in the first step S101 where plasma is fed to the plasma of a carbon-containing compound to the surface of a substrate; and a laser irradiation step in the second step 102 where a laser is irradiated on a graphene formation region in the surface of the substrate fed with the plasma. By these steps, graphene is formed on the graphene formation region of the surface of the substrate. As the carbon-containing compound, CHis preferable. As the plasma, the one generated from a gaseous mixture of CHand Ar is preferable. The surface of the graphene formation region of the substrate is preferably composed of a material absorbing a laser to be irradiated.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、グラフェンのパターンを形成するグラフェン形成方法および装置に関する。   The present invention relates to a graphene forming method and apparatus for forming a graphene pattern.

グラフェンは、2次元高電子移動度特性を有する単層グラファイトであり、ナノ構造加工や積層の差違によって半導体および金属の両特性が得られることから、ポストSi世代の超微細・高速電子デバイス材料の最有力候補として期待されている。さらに、炭素材特有の化学反応特性を利用した化学センサー、高強度特性を利用したMEMSセンサー、低屈折率光学特性を利用した透明電極などへの適用も期待されており、これらの素子を実装した新機能デバイスが実現できる可能性もある。   Graphene is a single-layer graphite with two-dimensional high electron mobility characteristics, and both semiconductor and metal characteristics can be obtained by nanostructure processing and stacking differences. Expected to be the most promising candidate. In addition, it is expected to be applied to chemical sensors using chemical reaction characteristics peculiar to carbon materials, MEMS sensors using high strength characteristics, transparent electrodes using low refractive index optical characteristics, etc. New function devices may be realized.

K. S. Novoselov et al., "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films", SCIENCE, vol.306, pp.666-669, 2004.K. S. Novoselov et al., "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films", SCIENCE, vol.306, pp.666-669, 2004. X. Li et al., "Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils", SCIENCE, vol.324, pp.1312-1314, 2009.X. Li et al., "Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils", SCIENCE, vol.324, pp.1312-1314, 2009. A. Reina et al., "Large Area, Few-Layer Graphene Films on Arbitrary Substrates by Chemical Vapor Deposition", Nano Letters, vol.9, no.1, pp.30-35, 2009.A. Reina et al., "Large Area, Few-Layer Graphene Films on Arbitrary Substrates by Chemical Vapor Deposition", Nano Letters, vol.9, no.1, pp.30-35, 2009.

上述したようなグラフェンによるデバイスの実現においては、所望とした形状のグラフェンパターンの形成が重要となる。このようなパターン形成では、よく知られたリソグラフィー技術が用いられている(非特許文献1参照)。一般的に、電子デバイスにおける微細加工には、レジストマスクを用いたリソグラフィープロセスが用いられる。リソグラフィープロセスによりグラフェンを微細加工する場合、最終的に有機溶剤による溶解などによりレジストパターンを除去している。   In realizing a device using graphene as described above, it is important to form a graphene pattern having a desired shape. In such pattern formation, a well-known lithography technique is used (see Non-Patent Document 1). In general, a lithography process using a resist mask is used for fine processing in an electronic device. When finely processing graphene by a lithography process, the resist pattern is finally removed by dissolution with an organic solvent.

グラフェンは厚さが原子層1層分しかないことから、表面の汚染はグラフェンの導電特性に大きく影響する。従って、グラフェンをデバイス化する場合、レジストの完全な除去が、デバイスの安定動作のために重要な工程となっている。しかしながら、グラフェンは、レジストの主成分と同様の炭素から構成されているため、レジストのみを選択的に除去することは容易ではない。また、超音波照射下での溶解などの過剰な洗浄プロセスは、基板からのグラフェンの剥離やグラフェン構造の一部の酸化など、グラフェン自体の構造を破壊する問題を含んでいる。また、レジストを除去するためのアッシングなどのプロセスは、同時にグラフェンを損傷させるため、用いることが不可能である。   Since graphene has only one atomic layer in thickness, surface contamination greatly affects the conductive properties of graphene. Therefore, when graphene is made into a device, complete removal of the resist is an important step for stable operation of the device. However, since graphene is composed of the same carbon as the main component of the resist, it is not easy to selectively remove only the resist. In addition, an excessive cleaning process such as dissolution under ultrasonic irradiation includes a problem of destroying the structure of graphene itself, such as exfoliation of graphene from the substrate and oxidation of a part of the graphene structure. In addition, a process such as ashing for removing the resist cannot be used because it simultaneously damages the graphene.

一方で、無機系の材料をマスクとして所望の薄膜に微細加工を施す方法がある。この方法では、有機系レジストマスクと無機系マスクとの積層構造が用いられている。この方法では、最上層の有機系レジストマスクをリソグラフィー工程によりパターニングし、反応性イオンエッチング法などにより下層の無機系マスクをパターニングする。次に、無機系マスクを用いたパターニングにより、所望の形状のグラフェンパターンを得る。   On the other hand, there is a method of performing fine processing on a desired thin film using an inorganic material as a mask. In this method, a laminated structure of an organic resist mask and an inorganic mask is used. In this method, the uppermost organic resist mask is patterned by a lithography process, and the lower inorganic mask is patterned by a reactive ion etching method or the like. Next, a graphene pattern having a desired shape is obtained by patterning using an inorganic mask.

この無機系マスクを用いる方法は、加工を施す薄膜と無機系マスクに加工選択性がある場合に有用であり特に微細、高アスペクト加工を行う際に有用な技術とされる。しかしながらこの方法においても、加工対象がグラフェンの場合、無機系マスクを除去する際にグラフェンが除去されるといった問題が生じる。   This method using an inorganic mask is useful when the thin film to be processed and the inorganic mask have processing selectivity, and is particularly useful when performing fine and high aspect processing. However, even in this method, when the processing target is graphene, there is a problem that the graphene is removed when the inorganic mask is removed.

また、一般に、グラフェン形成においては、CuやNiなどの触媒金属層の上にグラフェンを成長している(非特許文献2参照)。このため、グラフェンをSiO2などの他の材料の層の上に直接形成することが容易ではない。このような場合、形成してあるグラフェンを所望とする基板の上に転写している(非特許文献3参照)。しかしながら、転写時に損傷が生じることが問題となる。 In general, in the formation of graphene, graphene is grown on a catalytic metal layer such as Cu or Ni (see Non-Patent Document 2). For this reason, it is not easy to form graphene directly on a layer of another material such as SiO 2 . In such a case, the formed graphene is transferred onto a desired substrate (see Non-Patent Document 3). However, there is a problem that damage occurs during transfer.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、損傷など与えることなく、様々な基板の上に直接的にグラフェンのパターンが形成できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to directly form graphene patterns on various substrates without causing damage. .

本発明に係るグラフェン形成方法は、基板の上に炭素を含む化合物のプラズマを供給するプラズマ供給工程と、プラズマが供給されている基板の表面のグラフェン形成領域にレーザーを照射するレーザー照射工程とを備え、基板の表面のグラフェン形成領域にグラフェンを形成する。   The graphene formation method according to the present invention includes a plasma supply step of supplying a plasma of a compound containing carbon on a substrate, and a laser irradiation step of irradiating a graphene formation region on the surface of the substrate to which the plasma is supplied with a laser. The graphene is formed in the graphene formation region on the surface of the substrate.

上記グラフェン形成方法において、化合物は、CH4であればよい。 In the graphene forming method, the compound may be CH 4 .

また、本発明に係るグラフェン形成装置は、処理室と、処理室内に配置された基板を載置するステージと、ステージの上に載置された基板の表面に炭素を含む化合物のプラズマを供給するプラズマ供給手段と、プラズマが供給されている基板の表面のグラフェン形成領域にレーザーを照射するレーザー照射手段とを備える。   The graphene forming apparatus according to the present invention supplies a plasma of a compound containing carbon to a processing chamber, a stage on which a substrate placed in the processing chamber is placed, and a surface of the substrate placed on the stage. Plasma supply means and laser irradiation means for irradiating a graphene formation region on the surface of the substrate to which plasma is supplied with laser.

上記グラフェン形成装置において、レーザー照射手段は、レーザー光源と、ステージをステージの平面方向に移動させるステージ駆動手段とを備え、ステージ駆動手段によりレーザー光源より出射されたレーザーの照射位置と基板との相対位置を変位させることで、基板の表面のグラフェン形成領域にレーザーを照射する。   In the graphene forming apparatus, the laser irradiation unit includes a laser light source and a stage driving unit that moves the stage in the plane direction of the stage, and the relative position between the irradiation position of the laser emitted from the laser light source by the stage driving unit and the substrate. By displacing the position, the graphene formation region on the surface of the substrate is irradiated with laser.

上記グラフェン形成装置において、プラズマ供給手段は、CH4のプラズマを供給する。 In the graphene forming apparatus, the plasma supply means supplies CH 4 plasma.

以上説明したことにより、本発明によれば、損傷など与えることなく、様々な基板の上に直接的にグラフェンのパターンが形成できるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that a graphene pattern can be directly formed on various substrates without causing damage.

図1は、本発明の実施の形態におけるグラフェン形成方法を説明するためのフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart for explaining a graphene forming method according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態におけるグラフェン形成装置の構成を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the graphene forming apparatus according to the embodiment of the present invention. 図3は、プラズマ供給部221の構成例を示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a configuration example of the plasma supply unit 221. 図4は、実施例1の試料基板1に形成したグラフェンパターンのラマンスペクトル測定結果を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the Raman spectrum measurement result of the graphene pattern formed on the sample substrate 1 of Example 1. 図5は、実施例1の試料基板1のグラフェンパターン以外の領域のラマンスペクトル測定結果を示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing a Raman spectrum measurement result in a region other than the graphene pattern of the sample substrate 1 of Example 1. 図6は、実施例2の試料基板3に形成したグラフェンパターンのラマンスペクトル測定結果を示す特性図である。6 is a characteristic diagram showing the Raman spectrum measurement result of the graphene pattern formed on the sample substrate 3 of Example 2. FIG. 図7は、実施例2の試料基板3のグラフェンパターン以外の領域のラマンスペクトル測定結果を示す特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram showing a Raman spectrum measurement result in a region other than the graphene pattern of the sample substrate 3 of Example 2.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態におけるグラフェン形成方法を説明するためのフローチャートである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart for explaining a graphene forming method according to an embodiment of the present invention.

まず、第1工程S101で、基板の上に炭素を含む化合物のプラズマを供給する(プラズマ供給工程)。上記プラズマに基板が晒されている状態としても良い。また、第2工程102で、プラズマが供給されている基板の表面のグラフェン形成領域にレーザーを照射する(レーザー照射工程)。これらのことにより、基板の表面のグラフェン形成領域にグラフェンを形成する。なお、グラフェン形成領域にレーザーを照射している状態で、この領域に炭素を含む化合物のプラズマを供給するようにしても良い。   First, in the first step S101, plasma of a compound containing carbon is supplied onto the substrate (plasma supply step). The substrate may be exposed to the plasma. In the second step 102, the graphene formation region on the surface of the substrate to which plasma is supplied is irradiated with a laser (laser irradiation step). Thus, graphene is formed in the graphene formation region on the surface of the substrate. Note that plasma of a compound containing carbon may be supplied to a graphene formation region in a state where a laser is irradiated to the graphene formation region.

例えば、炭素を含む化合物は、CH4であればよい。また、プラズマは、CH4とArとの混合ガスより生成したものであれば良い。また、Arの代わりにHeを用いても良い。ここで、プラズマの供給は、減圧雰囲気で実施する必要は無く、大気雰囲気で実施可能である。また、基板のグラフェン形成領域の表面は、照射するレーザーを吸収する材料から構成されていると良い。言い換えると、グラフェン形成領域における基板表面を構成する材料が吸収する波長のレーザーを照射すれば良い。 For example, the compound containing carbon may be CH 4 . The plasma may be generated from a mixed gas of CH 4 and Ar. Further, He may be used instead of Ar. Here, the plasma supply need not be performed in a reduced-pressure atmosphere, and can be performed in an air atmosphere. In addition, the surface of the graphene formation region of the substrate is preferably made of a material that absorbs a laser to be irradiated. In other words, it is only necessary to irradiate a laser having a wavelength that is absorbed by the material constituting the substrate surface in the graphene formation region.

なお、プラズマが供給(照射)されている状態の基板(グラフェン形成領域)の温度は、プラズマの供給のみでは堆積などが起きず、レーザーの照射との組み合わせで初めてグラフェンが形成される温度範囲とするとよい。同様に、プラズマ生成のために供給する炭素を含む化合物のガス濃度(分圧)も、基板上へのプラズマ供給のみでは堆積などが起きず、レーザーの照射との組み合わせで初めてグラフェンが形成される範囲とするとよい。また、上記温度は、炭素を含む化合物が基板に吸着しにくい温度とするとよい。また、処理における基板の温度は、基板に対して損傷を与えない範囲とすることが重要である。   Note that the temperature of the substrate (graphene formation region) in a state where plasma is supplied (irradiated) is a temperature range in which deposition or the like does not occur only by supplying plasma, and graphene is first formed in combination with laser irradiation. Good. Similarly, as for the gas concentration (partial pressure) of the compound containing carbon supplied for plasma generation, deposition does not occur only by supplying plasma onto the substrate, and graphene is first formed in combination with laser irradiation. A range is good. The temperature is preferably a temperature at which a compound containing carbon is difficult to adsorb on the substrate. In addition, it is important that the temperature of the substrate in processing is in a range that does not damage the substrate.

次に、グラフェン形成装置について図2を用いて説明する。図2は、本発明の実施の形態におけるグラフェン形成装置の構成を示す構成図である。この装置は、まず、処理室201,ステージ202,ヒータ203,ステージ駆動部204,光源205,ビーム形状制御部206,全反射ミラー207,半反射ミラー208,集光レンズ209を備える。   Next, a graphene forming apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the graphene forming apparatus according to the embodiment of the present invention. This apparatus includes a processing chamber 201, a stage 202, a heater 203, a stage driving unit 204, a light source 205, a beam shape control unit 206, a total reflection mirror 207, a semi-reflection mirror 208, and a condenser lens 209.

また、この装置は、照明部211,撮像部212,半反射ミラー213,全反射ミラー214を備える。また、この装置は、プラズマ供給部221,パージガス供給部222,排気装置223,電源部224,および制御部231を備える。   Further, this apparatus includes an illumination unit 211, an imaging unit 212, a semi-reflective mirror 213, and a total reflection mirror 214. The apparatus also includes a plasma supply unit 221, a purge gas supply unit 222, an exhaust device 223, a power supply unit 224, and a control unit 231.

ステージ202は、基板251を載置し、ステージ駆動部204により基板251の平面方向(xy方向)に移動可能とされている。また、ステージ202に載置される基板251は、内蔵されているヒータ203により加熱可能とされている。   The stage 202 mounts the substrate 251 and can be moved in the plane direction (xy direction) of the substrate 251 by the stage driving unit 204. The substrate 251 placed on the stage 202 can be heated by a built-in heater 203.

光源205は、例えば、波長248nmのパルスレーザーを出力するKrFエキシマレーザー光源であり、また、出射するパルスレーザーのパルス幅は50nsである。光源205より出力されたパルスレーザーは、ビーム形状制御部206によりビーム形状が制御される。ビーム形状制御部206には、XYスリット,原版に石英などの透明基材を用いたフォトマスク,金属マスク,あるいは回折光学素子などを用いることができる。また2光束干渉方式などで照射面上に描画を行っても良い。また、ビーム形状が制御されたパルスレーザーは、全反射ミラー207,半反射ミラー208を反射し、集光レンズ209により集光され、光学窓210を透過して基板251の上の所望の箇所に照射(投影)される。   The light source 205 is, for example, a KrF excimer laser light source that outputs a pulse laser with a wavelength of 248 nm, and the pulse width of the emitted pulse laser is 50 ns. The beam shape of the pulse laser output from the light source 205 is controlled by the beam shape control unit 206. For the beam shape control unit 206, an XY slit, a photomask using a transparent substrate such as quartz for the original plate, a metal mask, or a diffractive optical element can be used. In addition, drawing may be performed on the irradiation surface by a two-beam interference method or the like. Further, the pulse laser whose beam shape is controlled is reflected by the total reflection mirror 207 and the semi-reflection mirror 208, is condensed by the condenser lens 209, passes through the optical window 210, and reaches a desired location on the substrate 251. Irradiated (projected).

また、基板251のパルスレーザーが照射される照射箇所は、照明部211による照明光により照明され、この状態が撮像部212で撮像され、表示部(不図示)に利用者視認可能に表示される。照明部211による照明光は、半反射ミラー213で反射され、半反射ミラー208を透過し、集光レンズ209で集光されて照射箇所を照明する。また、基板251の照射箇所の像は、光学窓210,集光レンズ209,半反射ミラー208,半反射ミラー213を透過し、全反射ミラー214を反射して撮像部212で撮像される。   Further, the irradiated portion of the substrate 251 irradiated with the pulse laser is illuminated with illumination light from the illumination unit 211, and this state is captured by the imaging unit 212 and displayed on the display unit (not shown) so as to be visible to the user. . Illumination light from the illumination unit 211 is reflected by the semi-reflective mirror 213, passes through the semi-reflective mirror 208, and is condensed by the condenser lens 209 to illuminate the irradiated portion. Further, the image of the irradiated portion of the substrate 251 passes through the optical window 210, the condensing lens 209, the semi-reflective mirror 208, and the semi-reflective mirror 213 and is reflected by the total reflective mirror 214 and is captured by the imaging unit 212.

撮像部212は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサー(不図示)を備え、受光面に結像した像を光電変換して電子画像とする。撮像部212によって得られた照射箇所の電子画像が、表示部に表示される。このような観察系を用い、ステージ202に載置された基板251の照射箇所の画像を観察し、得られる画像の結像状態を用い、ステージ202の高さを調整し、照射されるパルスレーザーの結像位置を調整する。   The imaging unit 212 includes, for example, a CCD (Charge Coupled Device) image sensor (not shown), and photoelectrically converts an image formed on the light receiving surface into an electronic image. An electronic image of the irradiated part obtained by the imaging unit 212 is displayed on the display unit. Using such an observation system, an image of the irradiated portion of the substrate 251 placed on the stage 202 is observed, and the height of the stage 202 is adjusted using the image forming state of the obtained image, and the irradiated pulse laser Adjust the imaging position.

また、ステージ202をxy方向の所望の箇所に移動させることで、基板251の所望とする照射箇所(グラフェン形成領域)にパルスレーザーを照射させることができる。ステージ202,光源205,ビーム形状制御部206,および反射ミラーなどの光学系によりパルスレーザー照射手段が構成されている。   Further, by moving the stage 202 to a desired position in the xy direction, a desired irradiation position (graphene formation region) of the substrate 251 can be irradiated with a pulse laser. A pulse laser irradiation means is constituted by an optical system such as a stage 202, a light source 205, a beam shape control unit 206, and a reflection mirror.

処理室201の内部は、密閉可能とされている。処理室201の内部は、排気装置223により排気可能とされ、処理室201内を所望とする圧力にすることを可能としている。また、処理室201の内部には、パージガス供給部222によりアルゴンなどの不活性ガスが供給可能とされている。例えば、処理室201の内部の大気を排気装置223により排気し、パージガス供給部222より供給する不活性ガスでパージすることができる。なお、図2では省略しているが、処理室201は、基板251を搬入・搬出するためのゲートバルブを備えている。   The inside of the processing chamber 201 can be sealed. The inside of the processing chamber 201 can be evacuated by an exhaust device 223, and the processing chamber 201 can be set to a desired pressure. In addition, an inert gas such as argon can be supplied into the processing chamber 201 by the purge gas supply unit 222. For example, the atmosphere inside the processing chamber 201 can be exhausted by the exhaust device 223 and purged with an inert gas supplied from the purge gas supply unit 222. Although omitted in FIG. 2, the processing chamber 201 includes a gate valve for loading / unloading the substrate 251.

プラズマ供給部221は、ステージ202の上に載置された基板251の表面に、CH4などの炭素を含む化合物とアルゴンとの混合ガスのプラズマを供給する。基板251の上に供給するCH4などの炭素を含む化合物のプラズマの量の制御と、安定したプラズマ生成のため、Arガスを加えて希釈した混合ガスを用いる。 The plasma supply unit 221 supplies plasma of a mixed gas of a compound containing carbon such as CH 4 and argon to the surface of the substrate 251 placed on the stage 202. In order to control the amount of plasma of a compound containing carbon such as CH 4 supplied onto the substrate 251 and to generate stable plasma, a mixed gas diluted with Ar gas is used.

プラズマ供給部221は、図3に例示するように、電極225a,225bを備え、電源部224より電源(AC8.5kV)が供給されている電極225aと電極225bとの間に生じたグロー放電により、導入されるガスよりプラズマを生成し、吐出部226より供給する。この場合、生成されたプラズマは高温状態であり、吐出部226から大気圧状態とされた大気雰囲気の処理室201内へ吐出されたプラズマは、温度が急激に低下する。   As illustrated in FIG. 3, the plasma supply unit 221 includes electrodes 225 a and 225 b, and glow discharge generated between the electrode 225 a and the electrode 225 b to which the power supply (AC 8.5 kV) is supplied from the power supply unit 224. Plasma is generated from the introduced gas and supplied from the discharge unit 226. In this case, the generated plasma is in a high temperature state, and the temperature of the plasma discharged from the discharge unit 226 into the processing chamber 201 in an atmospheric atmosphere that is in an atmospheric pressure state rapidly decreases.

高温のプラズマが基板251表面に触れると表面に損傷を与えるなど問題となる場合があるため、吐出部226と基板251表面との間隔を、プラズマの温度が十分に低下する1mm以上とする。例えば、40℃程度となっていれば良い。また、吐出部226より離れすぎると、プラズマの密度が低下するため、高密度のプラズマを供給するために、吐出部226と基板251表面との間隔は4mm以下とする。   When high temperature plasma touches the surface of the substrate 251, there may be a problem such as damage to the surface. Therefore, the interval between the discharge unit 226 and the surface of the substrate 251 is set to 1 mm or more at which the plasma temperature is sufficiently lowered. For example, it should just be about 40 degreeC. Further, if the distance is too far from the discharge portion 226, the plasma density is lowered. Therefore, in order to supply high-density plasma, the interval between the discharge portion 226 and the surface of the substrate 251 is set to 4 mm or less.

ステージ駆動部204,光源205,ビーム形状制御部206,およびプラズマ供給部221の上述した動作は、制御部231により制御されている。制御部231は、設定された設定値を基に、光源205,ビーム形状制御部206を制御し、照射箇所に照射されるパルスレーザーの条件を変更する。   The above-described operations of the stage driving unit 204, the light source 205, the beam shape control unit 206, and the plasma supply unit 221 are controlled by the control unit 231. The control unit 231 controls the light source 205 and the beam shape control unit 206 based on the set values that have been set, and changes the conditions of the pulse laser that is applied to the irradiation location.

また、制御部231は、設定された設定値を基にステージ駆動部204の動作を制御してステージ202を移動させ、基板251上のレーザー照射箇所を移動させて所望のパターン形状の描画を行う。例えば、上述した観察系による所定の位置合わせマークの検出と、検出した位置合わせマークを座標基準とした設定されているグラフェン形成領域の座標値によるステージ駆動部204によるステージ202の駆動とにより、グラフェン形成領域のみにレーザー照射を行えば良い。これらの動作は、よく知られた電子線露光装置などと同様である。   Further, the control unit 231 controls the operation of the stage driving unit 204 based on the set setting value, moves the stage 202, moves the laser irradiation spot on the substrate 251, and draws a desired pattern shape. . For example, the graphene is detected by detecting the predetermined alignment mark by the observation system described above and driving the stage 202 by the stage driving unit 204 based on the coordinate value of the graphene formation region set with the detected alignment mark as a coordinate reference. Laser irradiation may be performed only on the formation region. These operations are the same as those of a well-known electron beam exposure apparatus.

上述した装置により、プラズマ供給部221よりプラズマが供給されている基板251表面のグラフェン形成領域に、ステージ駆動部204や光源205によるレーザー照射手段でレーザー光を照射することで、グラフェン形成領域のみにグラフェンが成長する。レーザー照射とステージ移動を制御することにより、基板251の所望の箇所に、任意の形状のグラフェンパターンを得ることができる。なお、ステージの移動ではなく、レーザーの照射位置を変位させるようにしてもよい。   By irradiating the graphene formation region on the surface of the substrate 251 to which the plasma is supplied from the plasma supply unit 221 with the above-described apparatus, the laser beam is irradiated by the laser irradiation unit using the stage driving unit 204 or the light source 205, so that only the graphene formation region is irradiated Graphene grows. By controlling laser irradiation and stage movement, a graphene pattern having an arbitrary shape can be obtained at a desired location on the substrate 251. Note that the irradiation position of the laser may be displaced instead of moving the stage.

[実施例1]
次に、実施例について説明する。はじめに、実施例1について説明する。実施例1では、図2を用いて説明したグラフェン形成装置を用い、SiO2層の上にグラフェンのパターンを形成した。まず、シリコン基板を用意し、用意したシリコン基板の表面にSiO2層を形成する。ここで、厚さ100nmのSiO2層を形成したシリコン基板(試料基板1)および厚さ20nmのSiO2層を形成したシリコン基板(試料基板2)を作製した。シリコン基板は、波長248nmのレーザーを吸収する。
[Example 1]
Next, examples will be described. First, Example 1 will be described. In Example 1, a graphene pattern was formed on the SiO 2 layer using the graphene forming apparatus described with reference to FIG. First, a silicon substrate is prepared, and an SiO 2 layer is formed on the surface of the prepared silicon substrate. Here, to prepare a silicon substrate formed with an SiO 2 layer having a thickness of 100nm silicon substrate formed with SiO 2 layer (sample substrate 1) and a thickness of 20 nm (sample substrate 2). The silicon substrate absorbs a laser having a wavelength of 248 nm.

次に、レーザー照射条件について説明する。まず、照射領域(グラフェン形成領域)は、350μm×350μmとした。また、単位面積当たりの照射量は、0.15J/cm2,0.25J/cm2,0.5J/cm2の各条件とした。また、照射回数は、100,200,500,1000,3000,5000,10000,20000,30000の各条件とした。また、プラズマ生成の条件は、CH4濃度を1体積%としたArとの混合ガスを、10L/minでプラズマ供給部221に導入し、電極225a,225bへの印加電圧8.5kVとした。 Next, laser irradiation conditions will be described. First, the irradiation region (graphene formation region) was 350 μm × 350 μm. The irradiation amount per unit area, 0.15J / cm 2, 0.25J / cm 2, and the respective conditions of 0.5 J / cm 2. Moreover, the frequency | count of irradiation was made into each condition of 100,200,500,1000,3000,5000,10000,20000,30000. The plasma generation conditions were such that a mixed gas with Ar having a CH 4 concentration of 1% by volume was introduced into the plasma supply unit 221 at 10 L / min, and the applied voltage to the electrodes 225a and 225b was 8.5 kV.

また、処理室201内部は、大気雰囲気とした。また、基板温度条件は、室温(25℃程度)とした。なお、プラズマを供給している基板表面の温度を、サーモグラフィーで測定したところ、25〜45℃の範囲で温度が分布していた。   In addition, the inside of the processing chamber 201 was an air atmosphere. The substrate temperature condition was room temperature (about 25 ° C.). In addition, when the temperature of the substrate surface supplying plasma was measured by thermography, the temperature was distributed in the range of 25 to 45 ° C.

上述した各条件で試料基板1および試料基板2に対してグラフェンパターン形成の実験を実施した結果、照射量0.25J/cm2、照射回数3000〜20000の条件で、レーザー照射領域のみにグラフェンが形成された。照射量0.25J/cm2、照射回数10000の条件で、試料基板1に形成したグラフェンパターンのラマンスペクトル測定結果を図4に示す。図4に示すように、グラフェンが形成されていることを示すGおよび2Dバンドピークが観測された。一方、同一の照射領域(グラフェン形成領域)以外のグラフェンが形成されていない領域においては、図5に示すように、炭素sp2混成軌道による結合とsp3混成軌道による結合の混在を示すラマンスペクトルが観測された。 As a result of conducting an experiment of graphene pattern formation on the sample substrate 1 and the sample substrate 2 under the above-described conditions, graphene was formed only in the laser irradiation region under the conditions of an irradiation amount of 0.25 J / cm 2 and an irradiation frequency of 3000 to 20000. Been formed. FIG. 4 shows the Raman spectrum measurement result of the graphene pattern formed on the sample substrate 1 under the conditions of an irradiation amount of 0.25 J / cm 2 and an irradiation frequency of 10,000. As shown in FIG. 4, G and 2D band peaks indicating that graphene was formed were observed. On the other hand, in a region where graphene is not formed other than the same irradiation region (graphene formation region), as shown in FIG. 5, a Raman spectrum showing a mixture of bonds due to carbon sp 2 hybrid orbitals and bonds due to sp 3 hybrid orbitals. Was observed.

また、照射量0.5J/cm2の条件では、SiO2層に損傷が生じていた。また、照射量0.25J/cm2の条件においても、厚さが20nmのSiO2層(試料基板2)には、損傷が生じていた。なお、照射量0.15J/cm2の条件では、試料基板1,試料基板2のいずれにおいても、照射領域におけるグラフェンの形成は確認されなかった。 Further, the SiO 2 layer was damaged under the condition of the irradiation dose of 0.5 J / cm 2 . Even under the condition of the irradiation amount of 0.25 J / cm 2 , the SiO 2 layer (sample substrate 2) having a thickness of 20 nm was damaged. Note that formation of graphene in the irradiated region was not confirmed in any of the sample substrate 1 and the sample substrate 2 under the condition of the irradiation amount of 0.15 J / cm 2 .

[実施例2]
次に、実施例2について説明する。実施例2では、図2を用いて説明したグラフェン形成装置を用い、Cu基板の上にグラフェンのパターンを形成した。まず、薄いCu基板用意して試料基板3とする。Cu基板は、波長248nmのレーザーを吸収する。
[Example 2]
Next, Example 2 will be described. In Example 2, a graphene pattern was formed on a Cu substrate using the graphene forming apparatus described with reference to FIG. First, a thin Cu substrate is prepared and used as a sample substrate 3. The Cu substrate absorbs a laser having a wavelength of 248 nm.

次に、レーザー照射条件について説明する。まず、照射領域(グラフェン形成領域)は、350μm×350μmとした。また、単位面積当たりの照射量は、0.15J/cm2,0.25J/cm2,0.5J/cm2,1J/cm2,1.5J/cm2の各条件とした。また、照射回数は、100,200,500,1000,3000,5000,10000,20000,30000の各条件とした。また、プラズマ生成の条件は、CH4濃度を1体積%としたArとの混合ガスを、10L/minでプラズマ供給部221に導入し、電極225a,225bへの印加電圧8.5kVとした。 Next, laser irradiation conditions will be described. First, the irradiation region (graphene formation region) was 350 μm × 350 μm. The irradiation amount per unit area, 0.15J / cm 2, 0.25J / cm 2, 0.5J / cm 2, 1J / cm 2, and the respective conditions of 1.5 J / cm 2. Moreover, the frequency | count of irradiation was made into each condition of 100,200,500,1000,3000,5000,10000,20000,30000. The plasma generation conditions were such that a mixed gas with Ar having a CH 4 concentration of 1% by volume was introduced into the plasma supply unit 221 at 10 L / min, and the applied voltage to the electrodes 225a and 225b was 8.5 kV.

また、処理室201内部は、大気雰囲気とした。また、基板温度条件は、室温(25℃程度)とした。なお、プラズマを供給している基板表面の温度を、サーモグラフィーで測定したところ、25〜45℃の範囲で温度が分布していた。   In addition, the inside of the processing chamber 201 was an air atmosphere. The substrate temperature condition was room temperature (about 25 ° C.). In addition, when the temperature of the substrate surface supplying plasma was measured by thermography, the temperature was distributed in the range of 25 to 45 ° C.

上述した各条件で試料基板3に対してグラフェンパターン形成の実験を実施した結果、照射量0.25J/cm2,0.5J/cm2、照射回数5000〜20000の条件で、レーザー照射領域のみにグラフェンが形成された。照射量0.25J/cm2、照射回数50000の条件で、試料基板3に対して形成したグラフェンパターンのラマンスペクトル測定結果を図6に示す。図6に示すように、グラフェンが形成されていることを示すGおよび2Dバンドピークが観測された。一方、同一の照射領域(グラフェン形成領域)以外のグラフェンが形成されていない領域においては、図7に示すように、炭素sp2混成軌道による結合とsp3混成軌道による結合の混在を示すラマンスペクトルが観測された。 Result of the experiment of the graphene pattern formed on the sample substrate 3 in each condition mentioned above, the dose 0.25J / cm 2, 0.5J / cm 2, under conditions of irradiation times 5,000 to 20,000, the laser irradiated region only Graphene was formed. FIG. 6 shows the Raman spectrum measurement result of the graphene pattern formed on the sample substrate 3 under the conditions of the irradiation amount of 0.25 J / cm 2 and the irradiation frequency of 50000. As shown in FIG. 6, G and 2D band peaks indicating that graphene was formed were observed. On the other hand, in a region where no graphene is formed other than the same irradiation region (graphene formation region), as shown in FIG. 7, a Raman spectrum showing a mixture of bonds due to carbon sp 2 hybrid orbitals and bonds due to sp 3 hybrid orbitals. Was observed.

また、照射量1J/cm2の条件では、Cu基板に損傷が生じていた。また、照射量0.25J/cm2,0.5J/cm2の条件においても、照射回数30000の条件では、Cu基板に損傷が生じていた。なお、照射量0.15J/cm2の条件では、照射領域におけるグラフェンの形成は確認されなかった。 Further, the Cu substrate was damaged under the condition of the irradiation dose of 1 J / cm 2 . Even in the conditions of irradiation doses of 0.25 J / cm 2 and 0.5 J / cm 2 , the Cu substrate was damaged under the conditions of 30000 irradiation times. Note that formation of graphene in the irradiated region was not confirmed under the condition of an irradiation dose of 0.15 J / cm 2 .

以上に説明したように、本発明によれば、炭素を含む化合物のプラズマが供給されている基板の表面のグラフェン形成領域にレーザーを照射するようにしたので、損傷など与えることなく、様々な基板の上に直接的にグラフェンのパターンが形成できるようになる。   As described above, according to the present invention, since the graphene formation region on the surface of the substrate to which the plasma of the compound containing carbon is supplied is irradiated with the laser, various substrates can be used without causing damage. A graphene pattern can be formed directly on the substrate.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、プラズマの生成は、グロー放電によるものに限らず、高周波により生成したプラズマや、電子サイクロトロン共鳴により生成したプラズマなど、どのように生成したプラズマであってもよい。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, the generation of plasma is not limited to that by glow discharge, but may be plasma generated by any method such as plasma generated by high frequency or plasma generated by electron cyclotron resonance.

また、炭素を含む化合物は、CH4に限らず、いわゆる触媒金属法で用いられる炭素化合物であってもよい。また、グラフェンパターンの形成条件は、上述した範囲に限定されるものではなく、用いる基板材料,炭素を含む化合物、プラズマ生成条件などに適合させて適宜に設定すれば良い。 The compound containing carbon is not limited to CH 4, and may be a carbon compound used in a so-called catalytic metal method. The graphene pattern formation conditions are not limited to the above-described ranges, and may be set as appropriate in accordance with the substrate material to be used, the compound containing carbon, the plasma generation conditions, and the like.

201…処理室、202…ステージ、203…ヒータ、204…ステージ駆動部、205…光源、206…ビーム形状制御部、207…全反射ミラー、208…半反射ミラー、209…集光レンズ、210…光学窓、211…照明部、212…撮像部、213…半反射ミラー、214…全反射ミラー、221…プラズマ供給部、222…パージガス供給部、223…排気装置、224…電源部、225a,225b…電極、226…吐出部、231…制御部、251…基板。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 201 ... Processing chamber, 202 ... Stage, 203 ... Heater, 204 ... Stage drive part, 205 ... Light source, 206 ... Beam shape control part, 207 ... Total reflection mirror, 208 ... Semi-reflection mirror, 209 ... Condensing lens, 210 ... Optical window 211 ... illumination part 212 ... imaging part 213 ... semi-reflective mirror 214 ... total reflection mirror 221 ... plasma supply part 222 ... purge gas supply part 223 ... exhaust device 224 ... power supply part 225a, 225b ... Electrodes, 226 ... Discharge unit, 231 ... Control unit, 251 ... Substrate.

Claims (5)

基板の上に炭素を含む化合物のプラズマを供給するプラズマ供給工程と、
前記プラズマが供給されている前記基板の表面のグラフェン形成領域にレーザーを照射するレーザー照射工程と
を備え、
前記基板の表面の前記グラフェン形成領域にグラフェンを形成する
ことを特徴とするグラフェン形成方法。
A plasma supplying step of supplying a plasma of a compound containing carbon on a substrate;
A laser irradiation step of irradiating a graphene formation region on the surface of the substrate to which the plasma is supplied with a laser,
Graphene is formed in the graphene formation region of the surface of the substrate. Graphene formation method characterized by things.
請求項1記載のグラフェン形成方法において、
前記化合物は、CH4であることを特徴とするグラフェン形成方法。
The graphene formation method according to claim 1,
The method for forming graphene, wherein the compound is CH 4 .
処理室と、
前記処理室内に配置された基板を載置するステージと、
前記ステージの上に載置された前記基板の表面に炭素を含む化合物のプラズマを供給するプラズマ供給手段と、
前記プラズマが供給されている前記基板の表面のグラフェン形成領域にレーザーを照射するレーザー照射手段と
を備えることを特徴とするグラフェン形成装置。
A processing chamber;
A stage for placing a substrate disposed in the processing chamber;
Plasma supply means for supplying a plasma of a compound containing carbon to the surface of the substrate placed on the stage;
A graphene forming apparatus, comprising: a laser irradiation unit that irradiates a graphene forming region on a surface of the substrate to which the plasma is supplied.
請求項3記載のグラフェン形成装置において、
前記レーザー照射手段は、
レーザー光源と、前記ステージを前記ステージの平面方向に移動させるステージ駆動手段とを備え、
前記ステージ駆動手段により前記レーザー光源より出射されたレーザーの照射位置と前記基板との相対位置を変位させることで、前記基板の表面のグラフェン形成領域にレーザーを照射する
ことを特徴とするグラフェン形成装置。
In the graphene forming apparatus according to claim 3,
The laser irradiation means includes
A laser light source, and stage driving means for moving the stage in the plane direction of the stage,
A graphene forming apparatus, wherein the graphene forming region on the surface of the substrate is irradiated with laser by displacing a relative position between the irradiation position of the laser emitted from the laser light source by the stage driving unit and the substrate. .
請求項3または4記載のグラフェン形成装置において、
前記プラズマ供給手段は、CH4のプラズマを供給することを特徴とするグラフェン形成装置。
In the graphene forming apparatus according to claim 3 or 4,
The graphene forming apparatus, wherein the plasma supply means supplies CH 4 plasma.
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