JP2019511451A - 浮遊法を用いてグラフェンシートを大判転写用に処理する方法 - Google Patents
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Abstract
銅基板から機能性基板にグラフェンシートを転写する方法は、グラフェンシートを、化学蒸着を用いて銅基板上に形成し、銅基板上に配置されたグラフェンシートを、ブロードビーム照射を用いて複数のキセノンイオンで照射して、準備済みグラフェンシートを形成することを含む。準備済みグラフェンシートは、準備済みグラフェンシートを機能性基板に転写する際に誘発される意図しない欠陥が形成されにくくなる。本方法は、エッチング液槽を用いて準備済みグラフェンシートから銅基板を除去し、準備済みグラフェンシートを浮遊槽で浮遊させ、機能性基板を浮遊槽に沈め、浮遊槽の流体レベルを下げて、準備済みグラフェンシートを機能性基板上に降下することをさらに含む。
Description
関連出願の相互参照
本願は、２０１６年４月１４日に出願された、「METHOD FOR TREATING GRAPHENE SHEETS FOR LARGE-SCALE TRANSFER USING FREE-FLOAT METHOD」という名称の同時係属出願中の米国特許出願第１５／０９９，４６４号に関し、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
本願は、２０１６年４月１４日に出願された、「METHOD FOR TREATING GRAPHENE SHEETS FOR LARGE-SCALE TRANSFER USING FREE-FLOAT METHOD」という名称の同時係属出願中の米国特許出願第１５／０９９，４６４号に関し、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
グラフェンとは、炭素原子が、一原子の薄層のシート、または六員環格子の数層（例えば、約２０以下）のシート内に存在する、炭素の一形態を表す。高品質の大判グラフェンシート（すなわち１ｃｍ２以上）を製造する１つの知られている方法は、化学蒸着（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）によるものである。ＣＶＤでは、成長用基板が１つ以上のガス反応物に曝露され、その化学反応によって成長用基板の表面上に炭素膜が堆積され、その結果グラフェンシートが生成される。成長後、グラフェンシートは、グラフェンシートの意図した用途に適した機能性基板（functional substrate）に転写する必要がある。グラフェンシートを所望の基板に転写するには、グラフェンシートを成長用基板から分離する必要があり、これによってグラフェンシートに破れ、割れその他の実質的な欠陥が生じる場合があり、特に大判の転写では、損傷する危険性がより高くなる。一般に、グラフェンシートの成長用基板からの転写を容易にするには、保持転写法、および浮遊転写法（free-float transfer method）の２つの方法が使用され得る。
保持転写法には、通常、アクリル樹脂（ポリメタクリル酸メチル樹脂、ＰＭＭＡ）その他類似のポリマーなどの、担体ポリマーを使用することが含まれる。この方法では、グラフェンをＰＭＭＡで被覆してから、下にある成長用基板がエッチング除去される。ＰＭＭＡとグラフェンとの複合体は、次に、機能性基板に転写され固定される。固定されると、複合体は、ＰＭＭＡを除去するために溶媒で洗浄される。この方法では、転写中にグラフェンを物理的に保持するので、大判のグラフェンシートを転写することが可能になる。しかしながら、ポリマーを使用することにより、グラフェンシートの表面に不純物や残留物が残る。不純物や残留物の存在が少量になるようにＰＭＭＡを除去することが可能であるとはいえ、少量であってもなお、シートの品質に影響を及ぼす場合がある。この品質への影響は小さいものであっても、特定の用途では、影響が大きくなる場合がある。例えば、不純物や残留物は、グラフェンシートを確実に穿孔する能力に影響を及ぼす場合がある。また、ポリマーの除去に必要な溶媒によって、使用し得る機能性基板の種類が限定される場合がある。例えば、ＰＭＭＡを除去するには、通常はアセトンが使用される。しかしながら、この溶媒を使用することにより、トラックエッチングされたポリカーボネートを機能性基板として使用することができなくなる。
浮遊転写法では通常、グラフェンを溶液内で浮遊させることが必要になる。この方法では、グラフェンと成長用基板との複合体は、まず成長用基板をエッチング除去する薬剤を含むエッチング液に浮かべられ、浮遊グラフェンシートを生成する。次に、エッチング液が洗い流され、グラフェンが所望の基板の上で浮遊できるように、水系溶液に変更される。浮遊転写法では、グラフェンシートを被覆するために二次的なポリマー材料を使用することがないので、グラフェンシートに不純物が導入されたり、残留物が残ったりする危険性が低くなることにより、保持転写法よりも浮遊転写法が望ましい。しかしながら、この転写法の保持のない特質により、シートが破れたり、損傷したりする危険性が高いため、この方法を用いたグラフェンシートの大判転写は困難である。
いくつかの実施形態によれば、銅基板から機能性基板にグラフェンシートを転写する方法は、グラフェンシートを、化学蒸着を用いて銅基板上に形成するステップと、銅基板上に形成されたグラフェンシートを、ブロードビーム照射を用いて複数のキセノンイオンで照射して、準備済みグラフェンシート（prepared graphene sheet）を形成するステップとを含んでもよい。準備済みグラフェンシートは、準備済みグラフェンシートを機能性基板に転写する際に誘発される意図しない欠陥（unintentional defect）が形成されにくくなり得る。本方法は、エッチング液槽を用いて準備済みグラフェンシートから銅基板を除去するステップと、準備済みグラフェンシートを浮遊槽で浮遊させるステップと、機能性基板を浮遊槽に沈めるステップと、浮遊槽の流体レベルを下げて、準備済みグラフェンシートを機能性基板上に降下するステップとをさらに含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、グラフェンシートは、１ｃｍ２以上の面積を有し得る。
いくつかの実施形態によれば、ブロードビーム照射は、コリメートされてもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のキセノンイオンは、約１００Ｖ〜約１５００Ｖの範囲の電圧で印加されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のキセノンイオンは、約２５０Ｖ〜約７５０Ｖの範囲の電圧で印加されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のキセノンイオンは、約５００Ｖの電圧で印加されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、本方法は、約５０℃〜約１００℃の範囲の温度まで、銅基板上に形成されたグラフェンシートをさらに含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、本方法は、銅基板上に配置されたグラフェンシートを、温度約８０℃まで加熱するステップをさらに含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のキセノンイオンは、フラックスが約６．２４×１０１１Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓ〜約６．２４×１０１４Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓで供給されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のキセノンイオンは、フラックスが約６．２４×１０１２Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓ〜約６．２４×１０１３Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓで供給されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のキセノンイオンは、フラックスが約３．７５×１０１３Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓで供給されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、銅基板上に形成されたグラフェンシートは、接触時間の間に複数のキセノンイオンで照射されてもよく、総フルエンスは約６．２４×１０１２Ｘｅ＋／ｃｍ２〜約２．５×１０１３Ｘｅ＋／ｃｍ２となる。
いくつかの実施形態によれば、銅基板上に形成されたグラフェンシートは、接触時間の間に複数のキセノンイオンで照射されてもよく、総フルエンスは約１．２５×１０１３Ｘｅ＋／ｃｍ２となる。
いくつかの実施形態によれば、銅基板から機能性基板にグラフェンシートを転写する方法は、グラフェンシートを、化学蒸着を用いて銅基板上に形成するステップと、銅基板上に形成されたグラフェンシートを、ブロードビーム照射を用いて複数のネオンイオンで照射して、準備済みグラフェンシートを形成するステップとを含んでもよい。準備済みグラフェンシートは、準備済みグラフェンシートを機能性基板に転写する際に誘発される意図しない欠陥が形成されにくくなり得る。本方法は、エッチング液槽を用いて準備済みグラフェンシートから銅基板を除去するステップと、準備済みグラフェンシートを浮遊槽で浮遊させるステップと、機能性基板を浮遊槽に沈めるステップと、浮遊槽の流体レベルを下げて、準備済みグラフェンシートを機能性基板上に降下するステップとをさらに含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、本方法は、銅基板上に形成されたグラフェンシートを、温度約５０℃〜約１００℃まで加熱するステップをさらに含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、銅基板上に形成されたグラフェンシートは、接触時間の間に複数のネオンイオンで照射されてもよく、総フルエンスは約６．２４×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２〜約７．５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２となる。
いくつかの実施形態によれば、銅基板上に形成されたグラフェンシートは、接触時間の間に複数のネオンイオンで照射されてもよく、総フルエンスは最大２×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２となる。
いくつかの実施形態によれば、成長用基板から機能性基板にグラフェンシートを転写する方法は、グラフェンシートを成長用基板上に形成するステップと、成長用基板上に形成されたグラフェンシートを複数のイオンで照射して、準備済みグラフェンシートを形成するステップとを含んでもよい。準備済みグラフェンシートは、準備済みグラフェンシートを機能性基板に転写する際に誘発される意図しない欠陥が形成されにくくなり得る。本方法は、エッチング液槽を用いて準備済みグラフェンシートから成長用基板を除去するステップと、準備済みグラフェンシートを浮遊槽で浮遊させるステップと、機能性基板を浮遊槽に沈めるステップと、浮遊槽の流体レベルを下げて、準備済みグラフェンシートを機能性基板上に降下するステップとをさらに含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、グラフェンシートは、１ｃｍ２以上の面積を有し得る。
いくつかの実施形態によれば、成長用基板は、銅基板であってもよい。
いくつかの実施形態によれば、成長用基板は、ニッケル基板であってもよい。
いくつかの実施形態によれば、グラフェンシートは、化学蒸着を用いて銅基板上に形成されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、グラフェンシートは、化学蒸着を用いてニッケル基板上に形成されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のイオンは、希ガスイオンを含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、希ガスイオンは、キセノンイオンを含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、希ガスイオンは、ネオンイオンを含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、希ガスイオンは、アルゴンイオンを含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のイオンは、ブロードビーム照射を用いて、成長用基板上に形成されたグラフェンシートに印加されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、ブロードビーム照射は、コリメートされてもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のイオンは、約１００Ｖ〜約１５００Ｖの電圧で、成長用基板上に形成されたグラフェンシートに印加されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のイオンは、フラックスが約１ｎＡ／ｍｍ２〜約１０００ｎＡ／ｍｍ２で印加されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のイオンは、フラックスが約１０ｎＡ／ｍｍ２〜約１００ｎＡ／ｍｍ２で印加されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のイオンは、フラックスが約４０ｎＡ／ｍｍ２〜約８０ｎＡ／ｍｍ２で印加されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、複数のイオンは、フラックスが約６０ｎＡ／ｍｍ２で印加されてもよい。
いくつかの実施形態によれば、成長用基板上に形成されたグラフェンシートは、接触時間の間に複数のイオンで照射されてもよく、総フルエンスは約１０ｎＡｓ／ｍｍ２〜約１２０ｎＡｓ／ｍｍ２となる。
いくつかの実施形態によれば、成長用基板上に形成されたグラフェンシートは、接触時間の間に複数のイオンで照射されてもよく、総フルエンスは約１０ｎＡｓ／ｍｍ２〜約４０ｎＡｓ／ｍｍ２となる。
いくつかの実施形態によれば、成長用基板上に形成されたグラフェンシートは、接触時間の間に複数のイオンで照射されてもよく、総フルエンスは約２０ｎＡｓ／ｍｍ２となる。
いくつかの実施形態は、成長用基板を除去する前に、成長用基板で成長させたグラフェンシートを処理するシステムおよび方法を提供し、グラフェンシートは、浮遊転写法を用いて機能性基板に転写される。処理により、意図しない欠陥がほとんど、または全くない清浄な（例えば、ほぼ残留物／不純物のない）グラフェンシートが得られ、浮遊転写法でシートを機能性基板に転写する際に、失敗する危険性が小さい（例えば、破れたり、割れたり、他の望ましくない欠陥が生じたりする危険性がほとんどない）状態で、成長用基板から転写することができる。いくつかの実施形態では、成長用基板に配置されている間にグラフェンシートにエネルギーを印加することによって、グラフェンシートが改質されて、転写用に準備される。エネルギーの印加は、グラフェンシートをイオン（例えば、１８族の元素イオン）で照射するように構成された、ブロードビームのイオン供給源の形態で行われてもよく、その結果グラフェンシートは、成長用基板に配置されている間に、確実な、大判での転写が行われるように準備される。したがって、本明細書で述べるいくつかのシステム、および方法により、グラフェンシートを機能性基板に転写するのを補助する、（ポリマーなどの）二次的な被覆材料が必要なくなり、したがって二次的な被覆材料の使用によって導入される不純物のために、グラフェンシートの品質が低下する危険性が排除される。したがって、いくつかの実施形態の転写準備方法では、浮遊転写法を用いて、高品質のグラフェンシートを大判（すなわち１ｃｍ２以上）で確実に転写することが可能になる。
図１Ａ〜図１Ｂは、いくつかの実施形態による、大判のグラフェンシート、またはグラフェン系シートを成長用基板上で成長させる方法を示す。図１Ａは、グラフェンシートの製造に使用する成長用基板１０を準備する、第１のステップを示す。成長用基板１０は、グラフェンの製造に適した任意の成長用基板であってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、成長用基板１０は、銅またはニッケルなどの金属触媒である。図１Ａに示すように、成長用基板１０は銅基板であり、溶媒で表面を洗浄し、基板１０を高温でアニーリングすることによって準備される。
成長用基板１０の準備後、成長用基板１０の上面と下面との両方でグラフェンを成長させるが、これは、グラフェンが形成されるまで成長用基板１０をガス反応物に曝露することによる、化学蒸着（ＣＶＤ）によって実現されてもよい。ＣＶＤ工程により、グラフェンシートは、成長用基板１０の下面と、成長用基板１０の上面との両方で合成される。図１Ｂに示すように、下面で合成されたグラフェンシートは除去され、上面で合成されたグラフェンシート２０は、機能性基板に転写するのに用いられる。成長後、グラフェンシート２０はその表面に炭素質物質を有する場合があり、これは場合によっては、グラフェンシート２０が銅基板上で成長した結果である。炭素質物質は、アモルファスカーボン、１つ以上の炭化水素、酸素含有炭素化合物、窒素含有炭素化合物、またはこれらの組み合わせなどの物質であり得る。図１Ｂに示す実施形態では、グラフェンシート２０は、平面方向に少なくとも１ｃｍ２以上の断面積を有する大判シートである。
グラフェンシート２０が、成長用基板１０の上面に蒸着されると、グラフェンシート２０はその後、所望の用途用の基板に転写されてもよい。図２に示すように、グラフェンシート２０が成長用基板１０から除去される前に、転写準備装置１００を用いて、グラフェンシート２０の転写準備が行われる。転写準備装置１００は、グラフェンシート２０と、成長用基板１０との構造体にエネルギーを付与するように構成される。例えば、転写準備装置１００は、グラフェンシート２０と、成長用基板１０とにイオン照射を付与するように構成されてもよい。図２に示すように、転写準備装置１００は、グラフェンシート２０に複数のイオン５０を供給するように構成された、イオン供給源であってもよい。
特定の実施形態では、転写準備装置１００は、グラフェンシート２０および成長用基板１０に、ブロードビームイオン照射を供給するように構成されてもよい。ブロードビームイオン供給源は、コリメートされる、またはほぼ（例えば、標準より５度）コリメートされてもよい。複数のイオン５０は、一価、または多価のイオンからなっていてもよい。いくつかの実施形態では、複数のイオン５０は、周期表１８族元素のイオンなどの、希ガスイオンであってもよい。いくつかの実施形態では、複数のイオン５０は、有機イオン、または有機金属イオンであってもよい。有機イオンまたは有機金属イオンは、芳香族成分を含んでもよい。また、有機イオンまたは有機金属イオンの分子量は、７５〜２００、または９０〜２００の範囲であってもよい。いくつかの実施形態では、複数のイオン５０は、Ｎｅ＋イオン、Ａｒ＋イオン、トロピリウムイオン、および／またはフェロセニウムイオンを含んでもよい。特定の実施形態では、複数のイオン５０は、Ｘｅ＋イオンを含んでもよい。
イオン供給源は、約１００Ｖ〜約１５００Ｖの範囲の電圧で、複数のイオン５０を供給するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、複数のイオン５０は、約２５０Ｖ〜約７５０Ｖの範囲の電圧で印加されてもよい。特定の実施形態では、複数のイオン５０（例えば、Ｘｅ＋イオン）は、約５００Ｖの電圧で印加されてもよい。
転写準備工程中に、グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、約５０℃〜約１００℃の範囲の温度で加熱されてもよい。いくつかの実施形態では、グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、温度約８０℃に加熱されてもよい。他の実施形態では、グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、室温に保たれてもよい。また、グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、５×１０−７トルの圧力にさらされてもよい。いくつかの実施形態では、グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、１×１０−７トル〜５×１０−６トルの範囲の圧力にさらされてもよい。いくつかの実施形態では、この工程は、数時間にわたって、または終夜行われるように設定されてもよい。
イオン供給源は、フラックスが約１ｎＡ／ｍｍ２（６．２４×１０１１ｉｏｎｓ／ｃｍ２／ｓ）〜約１０００ｎＡ／ｍｍ２（６．２４×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２／ｓ）の複数のイオン５０を供給するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、複数のイオン５０は、〜約１０ｎＡ／ｍｍ２（６．２４×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２／ｓ）〜約１００ｎＡ／ｍｍ２（６．２４×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２／ｓ）で供給されてもよい。特定の実施形態では、複数のイオン５０は、フラックスが約４０ｎＡ／ｍｍ２（２．５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２／ｓ）〜約８０ｎＡ／ｍｍ２（５．０×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２／ｓ）で供給されてもよい。特定の実施形態では、複数のイオン５０は、フラックスが約６０ｎＡ／ｍｍ２（３．７５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２／ｓ）で供給されてもよい。複数のイオン５０がＸｅ＋イオンを含む実施形態では、複数のイオン５０は、フラックスが約６．２４×１０１１Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓ〜約６．２４×１０１４Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓで供給されてもよい。他の実施形態では、複数のイオン５０は、フラックスが約６．２４×１０１２Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓ〜約６．２４×１０１３Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓで供給されるＸｅ＋イオンを含む。他の実施形態では、複数のイオン５０は、フラックスが約３．７５×１０１３Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓで供給されるＸｅ＋イオンを含む。
グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、接触時間の間にイオン供給源に曝露されてもよく、総フルエンスは、約１０ｎＡｓ／ｍｍ２（６．２４×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２）〜約４０ｎＡｓ／ｍｍ２（２．５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２）になる。いくつかの実施形態では、グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、総フルエンスが２０ｎＡｓ／ｍｍ２（１．２５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２）になるように、１秒未満曝露される。複数のイオンがＸｅ＋イオンを含む実施形態では、グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、接触時間の間曝露されてもよく、総フルエンスは、約１０ｎＡｓ／ｍｍ２〜約４０ｎＡｓ／ｍｍ２（または約６．２４×１０１２Ｘｅ＋／ｃｍ２〜約２．５×１０１３Ｘｅ＋／ｃｍ２）になる。複数のイオン５０がＸｅ＋イオンを含む特定の実施形態では、総曝露時間により、総フルエンスが約１．２５×１０１３Ｘｅ＋／ｃｍ２になる。転写準備工程の総フルエンスの上限は、複数のイオン５０の原子番号が減少するにつれて増加し得る。いくつかの実施形態では、総フルエンスの上限は、約１２０ｎＡｓ／ｍｍ２であってもよい。他の実施形態では、総フルエンスの上限は、約５００ｎＡｓ／ｍｍ２であってもよい。いくつかの実施形態では、総フルエンスの上限は、約１０００ｎＡｓ／ｍｍ２であってもよい。例えば、複数のイオンがＮｅ＋イオンを含む実施形態では、グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、接触時間の間曝露されてもよく、総フルエンスは、約１０ｎＡｓ／ｍｍ２（６．２４×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２）〜約１２０ｎＡｓ／ｍｍ２（７．５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２／ｓ）になる。いくつかの実施形態では、グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、接触時間の間に複数のネオンイオンに曝露されてもよく、総フルエンスは、約１０ｎＡｓ／ｍｍ２〜約５００ｎＡｓ／ｍｍ２になる。他の実施形態では、グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、接触時間の間に複数のネオンイオンに曝露されてもよく、総フルエンスは、約１０ｎＡｓ／ｍｍ２〜約１０００ｎＡｓ／ｍｍ２になる。さらに他の実施形態では、グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、接触時間の間に複数のネオンイオンに曝露されてもよく、総フルエンスは、最大２×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２になる。
前述の処理の後に、グラフェンシート２０、および成長用基板３０は、工程の最後のステップとして、グラフェンシート２０を機能性基板に転写する前に、約１気圧のＮ２に曝露されてもよい。準備工程の結果、実際には、保持しない浮遊転写法を用いて、機能性基板に確実に転写され得る「強化された」グラフェンシート２０ができ、浮遊転写工程中に、グラフェンシート２０に意図しない欠陥（破れ、割れ、しわ、意図せず生成された孔）が形成、または誘発されにくくなる。したがって処理により、機能性基板のカバー面積が広くなり（例えば、機能性基板の９９％以上がグラフェンシートによって被覆される）、かつ他の処理工程（例えば、穿孔工程）を効果的に用いるための清浄な表面が得られる、強化されたグラフェンシート２０が提供される。グラフェンシート２０を転写するために準備する、または強化する機構に対する、いかなる特定の理論にも制限されるものではないが、炭素質物質の存在、およびグラフェンシート２０と銅成長用基板１０の界面との間の相互作用によって、強化が容易になり得る。イオンビーム照射によって、グラフェンシート２０が銅基板１０上にある間に、グラフェンシート２０の内部、および／または表面に存在する炭素原子をスパッタリングすることによって、これを清浄な層に改質するのに十分なエネルギーを炭素質物質に供給し得る。
転写準備装置１００を用いて、グラフェンシート２０が準備されると、グラフェンシート２０と、成長用基板１０との複合体は、図３Ａに示すように、エッチング液槽３０に配置される。エッチング液槽３０により、清浄なグラフェンシート２０が残るように成長用基板１０をエッチング除去することが可能になる。エッチング液槽３０は、グラフェンシート２０から成長用基板１０をエッチングすることができる、任意の適切なエッチング液であってもよい。例えば、銅基の成長用基板に対して、エッチング液槽３０は、塩化鉄、硝酸鉄、および／または加硫酸アンモニウムを含んでもよい。いくつかの実施形態では、グラフェンシート２０と、成長用基板１０との複合体は、第２のエッチング液槽３０に配置されてもよく、第２のエッチング液槽３０は、成長用基板１０をグラフェンシート２０から完全にエッチングするのにさらに役立つ、同じ、または異なるエッチング液を含んでもよい。
図３Ｂに示すように、エッチング液槽３０はその後徐々に除去されて浮遊槽３５に置き換わり、浮遊槽３５は、グラフェンシート２０を機能性基板４０に転写するための浮遊機構として作用し得る。浮遊槽３５は、水（例えば、脱イオン水）、または水と溶媒との混合物（例えば、イソプロピルアルコール）などの水系溶液であってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、エッチング液槽３０は、脱イオン水を徐々に導入することによって除去されてもよく、その後、脱イオン水とイソプロピルアルコールとの混合物としてさらに導入されてもよい。グラフェンシート２０は浮遊槽３５内で浮遊するので、機能性基板４０は、図３Ｂに示すように、グラフェンシート２０の下面に導入され得る。いくつかの実施形態では、この工程中に、グラフェンシート２０の周囲に浮遊枠（図示せず）が配置されてもよく、溶液中で浮遊するグラフェンシート２０を安定させてから、機能性基板４０に適用する。浮遊槽３５はその後、流体レベルを下げてグラフェンシート２０を基板４０上に降下するために、徐々に除去される。転写準備装置１００を用いて転写するために準備された、１枚以上の追加のグラフェンシート２０が、浮遊転写法を用いて、必要に応じて機能性基板４０に積層されてもよい。
図４および図５は、転写準備装置の実施形態によって転写用に準備された、グラフェンシートの画像を示し、この実施形態は、Ｘｅ＋イオンを用いて、コリメートされたブロードビームイオン照射を供給するように構成される。図４は、化学エッチングによって銅の成長用基板を除去した後の、準備済みグラフェンシートを示す。図４に示す準備済みグラフェンシートは、大判のシートであり、寸法は約９ｃｍ×１４ｃｍ（すなわち広げた平面面積が約１２６ｃｍ２）である。図４に示す黒い円形の印は、グラフェンシートの境界を示している。
図５は、機能性基板（図５に示す実施形態では、ポリマー膜基板）に転写された後の、図４に示されているものと同様の準備済みグラフェンシートを示す。図４のように、準備済みグラフェンシートは、大判のシートであり、寸法は約９ｃｍ×１４ｃｍである。図５に示すように、グラフェンシートと機能性基板との複合体は、目に見える意図しない欠陥のない、グラフェンシートを示す。シートが浮遊していた間に、エッチング液槽の壁にぶつかって、縁に沿っていくつかの欠陥が生じる場合があるが、二次的なポリマー担体物質を用いることなく、グラフェンシートを浮遊させて機能性基板上に降下した後であっても、準備済みグラフェンシートは、シートの本体に目に見える欠陥（例えば、目に見える破れ、割れ、またはしわ）はない。これは、転写準備装置を用いたグラフェンシートの準備工程によって、浮遊転写工程中に生じ得る意図しない欠陥が生じにくいように、グラフェンシートが強化されたことを示している。
図６および図７は、転写準備装置の実施形態によって転写用に準備された、準備済みグラフェンシートのＳＥＭ画像を示し、この実施形態は、Ｘｅ＋イオンを用いて、コリメートされたブロードビームイオン照射を供給するように構成される。準備後、準備済みグラフェンシートは、前述した浮遊転写法を用いて、複数の孔を有するトラックエッチングされたポリマー基板の形態の機能性基板に転写されている。図に示す実施形態では、複数の孔は、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲の公称孔径を有する。図６に示す全視野は、約０．０３６ｍｍ２（約２２５μｍ×１６０μｍ）であり、図７は、図６に示すグラフェンシートの、左上の象限の詳細領域を示す。
準備済みグラフェンシートに覆われた、ポリマー基板に存在する孔は、図６および図７では中間濃度の灰色で示されている。転写工程が原因で、準備済みグラフェンシートに存在する意図しない欠陥のせいで覆われていない孔は、黒で示されている。図６および図７に示すように、９９％を上回る基板の孔が、準備済みグラフェンシートで覆われており、ポリマー基板に対する、準備済みグラフェンシートのカバー面積が広いことを示している。
いくつかの実施形態が、その好ましい実施形態を特に参照して詳細に説明されたが、特許請求の範囲の精神および範囲内で、変形および修正が行われてもよいことが当業者には理解されよう。
Claims (37)
- 銅基板から機能性基板にグラフェンシートを転写する方法であって、
前記グラフェンシートを、化学蒸着を用いて前記銅基板上に形成し、
前記銅基板上に形成された前記グラフェンシートを、ブロードビーム照射を用いて複数のキセノンイオンで照射して、準備済みグラフェンシートを形成し、前記準備済みグラフェンシートは、前記準備済みグラフェンシートを前記機能性基板に転写するときに誘発される意図しない欠陥が形成されにくく、
エッチング液槽を用いて前記準備済みグラフェンシートから前記銅基板を除去し、
前記準備済みグラフェンシートを浮遊槽で浮遊させ、
前記機能性基板を前記浮遊槽に沈め、
前記浮遊槽の流体レベルを下げて、前記準備済みグラフェンシートを前記機能性基板上に降下する、
ことを含む方法。 - 前記グラフェンシートは、１ｃｍ２以上の面積を有する、請求項１に記載の方法。
- 前記ブロードビーム照射は、コリメートされる、請求項１に記載の方法。
- 前記複数のキセノンイオンは、約１００Ｖ〜約１５００Ｖの範囲の電圧で印加される、請求項１に記載の方法。
- 前記複数のキセノンイオンは、約２５０Ｖ〜約７５０Ｖの範囲の電圧で印加される、請求項１に記載の方法。
- 前記複数のキセノンイオンは、約５００Ｖの電圧で印加される、請求項１に記載の方法。
- 前記銅基板上に形成された前記グラフェンシートを、約５０℃〜約１００℃の範囲の温度まで加熱することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記銅基板上に配置された前記グラフェンシートを、温度約８０℃まで加熱することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記複数のキセノンイオンは、フラックス約６．２４×１０１１Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓ〜約６．２４×１０１４Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓで供給される、請求項１に記載の方法。
- 前記複数のキセノンイオンは、フラックス約６．２４×１０１２Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓ〜約６．２４×１０１３Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓで供給される、請求項１に記載の方法。
- 前記複数のキセノンイオンは、フラックス約３．７５×１０１３Ｘｅ＋／ｃｍ２／ｓで供給される、請求項１に記載の方法。
- 前記銅基板上に形成された前記グラフェンシートは、接触時間の間に前記複数のキセノンイオンで照射され、総フルエンスが約６．２４×１０１２Ｘｅ＋／ｃｍ２〜約２．５×１０１３Ｘｅ＋／ｃｍ２となる、請求項１に記載の方法。
- 前記銅基板上に形成された前記グラフェンシートは、接触時間に前記複数のキセノンイオンで照射され、総フルエンスが約１．２５×１０１３Ｘｅ＋／ｃｍ２となる、請求項１に記載の方法。
- 銅基板から機能性基板にグラフェンシートを転写する方法であって、
前記グラフェンシート、化学蒸着を用いて前記銅基板上に形成し、
前記銅基板上に形成された前記グラフェンシートを、ブロードビーム照射を用いて複数のネオンイオンで照射して、準備済みグラフェンシートを形成し、前記準備済みグラフェンシートは、前記準備済みグラフェンシートを前記機能性基板に転写するときに誘発される意図しない欠陥が形成されにくく、
エッチング液槽を用いて前記準備済みグラフェンシートから前記銅基板を除去し、
前記準備済みグラフェンシートを浮遊槽で浮遊させ、
前記機能性基板を前記浮遊槽に沈め、
前記浮遊槽の流体レベルを下げて、前記準備済みグラフェンシートを前記機能性基板上に降下する、
ことを含む方法。 - 前記銅基板上に形成された前記グラフェンシートを、温度約５０℃〜約１００℃まで加熱することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記銅基板上に形成された前記グラフェンシートは、接触時間の間に前記複数のネオンイオンで照射され、総フルエンスが約６．２４×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２〜約７．５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２となる、請求項１４に記載の方法。
- 前記銅基板上に形成された前記グラフェンシートは、接触時間に前記複数のネオンイオンで照射され、総フルエンスが最大２×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２となる、請求項１４に記載の方法。
- 成長用基板から機能性基板にグラフェンシートを転写する方法であって、
前記グラフェンシートを前記成長用基板上に形成し、
前記成長用基板上に形成された前記グラフェンシートを複数のイオンで照射して、準備済みグラフェンシートを形成し、前記準備済みグラフェンシートは、前記準備済みグラフェンシートを前記機能性基板に転写するときに誘発される意図しない欠陥が形成されにくく、
エッチング液槽を用いて前記準備済みグラフェンシートから前記成長用基板を除去し、
前記準備済みグラフェンシートを、浮遊槽で浮遊させ、
前記機能性基板を前記浮遊槽に沈め、
前記浮遊槽の流体レベルを下げて、前記準備済みグラフェンシートを前記機能性基板上に降下する、
ことを含む方法。 - 前記グラフェンシートは、１ｃｍ２以上の面積を有する、請求項１８に記載の方法。
- 前記成長用基板は、銅基板である、請求項１８に記載の方法。
- 前記成長用基板は、ニッケル基板である、請求項１８に記載の方法。
- 前記グラフェンシートは、化学蒸着を用いて前記銅基板上に形成される、請求項２０に記載の方法。
- 前記グラフェンシートは、化学蒸着を用いて前記ニッケル基板上に形成される、請求項２１に記載の方法。
- 前記複数のイオンは、希ガスイオンを含む、請求項１８に記載の方法。
- 前記希ガスイオンは、キセノンイオンを含む、請求項２４に記載の方法。
- 前記希ガスイオンは、ネオンイオンを含む、請求項２４に記載の方法。
- 前記希ガスイオンは、アルゴンイオンを含む、請求項２４に記載の方法。
- 前記複数のイオンは、前記成長用基板上に形成された前記グラフェンシートに、ブロードビーム照射を用いて印加される、請求項１８に記載の方法。
- 前記ブロードビーム照射は、コリメートされる、請求項２８に記載の方法。
- 前記複数のイオンは、前記成長用基板上に形成された前記グラフェンシートに、約１００Ｖ〜約１５００Ｖの電圧で印加される、請求項１８に記載の方法。
- 前記複数のイオンは、フラックス約１ｎＡ／ｍｍ２〜約１０００ｎＡ／ｍｍ２で印加される、請求項１８に記載の方法。
- 前記複数のイオンは、フラックス約１０ｎＡ／ｍｍ２〜約１００ｎＡ／ｍｍ２で印加される、請求項１８に記載の方法。
- 前記複数のイオンは、フラックス約４０ｎＡ／ｍｍ２〜約８０ｎＡ／ｍｍ２で印加される、請求項１８に記載の方法。
- 前記複数のイオンは、フラックス約６０ｎＡ／ｍｍ２で印加される、請求項１８に記載の方法。
- 前記成長用基板上に形成された前記グラフェンシートは、接触時間の間に前記複数のイオンで照射され、総フルエンスが約１０ｎＡｓ／ｍｍ２〜約１２０ｎＡｓ／ｍｍ２となる、請求項１８に記載の方法。
- 前記成長用基板上に形成された前記グラフェンシートは、接触時間の間に前記複数のイオンで照射され、総フルエンスが約１０ｎＡｓ／ｍｍ２〜約４０ｎＡｓ／ｍｍ２となる、請求項１８に記載の方法。
- 前記成長用基板上に形成された前記グラフェンシートは、接触時間の間に前記複数のイオンで照射され、総フルエンスが約２０ｎＡｓ／ｍｍ２となる、請求項１８に記載の方法。
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