KR101221965B1 - 3차원 그래핀 패턴 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3차원 그래핀 패턴 형성방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 3차원 그래핀 패턴 형성방법은 기판의 상측에 산화층을 적층하는 산화층 적층단계; 상기 산화층의 일부영역이 내부로 함몰되어 두께단차를 형성하도록 하는 단차형성단계; 상기 산화층의 함몰된 영역에 의하여 단차를 형성하도록 상기 산화층의 외면에 금속층을 도포하는 금속층 도포단계; 상기 산화층에 의하여 단차를 형성하도록 상기 금속층의 외면에 제1그래핀막을 증착하는 그래핀 증착단계; 소정의 채널을 형성하도록 상기 제1그래핀막에 평평한 형태의 제2그래핀막을 접합하여 채널을 형성하는 채널형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 3차원 형태의 그래핀 패턴을 대면적의 기판에 용이하게 구현할 수 있는 3차원 그래핀 패턴 형성방법이 제공된다.
이에 의하여, 3차원 형태의 그래핀 패턴을 대면적의 기판에 용이하게 구현할 수 있는 3차원 그래핀 패턴 형성방법이 제공된다.
Description
본 발명은 3차원 그래핀 패턴 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기적 전도성이 우수한 그래핀으로 3차원 형상의 패턴을 쉽게 형성할 수 있는 3차원 그래핀 패턴 형성방법에 관한 것이다.
그래핀은 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결된 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질로서 화학적으로 안정성이 높은 특성을 보인다. 또한, 실리콘보다 100 배 이상 우수한 전기적 전도성을 가지고, 유연하며(flexible) 투명하여(transparent) 차세대 반도체 물질로서 많은 관심이 집중되고 있다.
그러나, 그래핀은 본래 금속성 특성을 가지고 있으므로, 반도체 특성을 갖도록 하기 위해서는 그래핀을 나노 스케일 선폭의 채널로 패터닝하여야 한다. 최근에는 기판에 그래핀을 선택적으로 흡착시키는 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
다만, 종래 방법으로 그래핀 소자를 제조하는 경우에는 균일한 폭이 형성되는 대면적의 소자를 제조하기가 어려운 문제가 있으며, 그래핀을 나노 선폭으로 성장 시키지 못하는 등의 문제가 있어, 신소재로서의 성장 가능성에도 불구하고 실제 상용화가 쉽지 않았다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 용이하게 3차원의 그래핀 패턴을 형성할 수 있는 3차원 그래핀 패턴 형성방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 기판의 상측에 산화층을 적층하는 산화층 적층단계; 상기 산화층의 일부영역이 내부로 함몰되어 두께단차를 형성하도록 하는 단차형성단계; 상기 산화층의 함몰된 영역에 의하여 단차를 형성하도록 상기 산화층의 외면에 금속층을 도포하는 금속층 도포단계; 상기 산화층에 의하여 단차를 형성하도록 상기 금속층의 외면에 제1그래핀막을 증착하는 그래핀 증착단계; 소정의 채널을 형성하도록 상기 제1그래핀막에 평평한 형태의 제2그래핀막을 접합하여 채널을 형성하는 채널형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 그래핀 패턴 형성방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 그래핀 증착단계는 기상화학증착법(CVD)에 의할 수 있다.
또한, 상기 단차형성단계는 리소그래피 또는 나노임프린트 공정 중 어느 하나에 의해 행해질 수 있다.
또한, 상기 산화층은 이산화규소(SiO2) 또는 이산화티타늄(TiO2) 중 하나일 수 있다.
또한, 상기 금속층은 상기 금속층은 코발트(Co), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 구리(Cu) 중 어느 하나일 수 있다.
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본 발명에 따르면, 3차원 그래핀 패턴을 용이하게 형성할 수 있는 3차원 그래핀 패턴 형성방법이 제공된다.
또한, 전기적 전도성이 우수한 그래핀막으로 형성되는 채널을 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 순서를 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 도 1의 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 포토리소그래피 공정을 이용한 산화층 제거단계의 순서를 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 도 1의 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 나노임프린트 공정을 이용한 산화층 제거단계의 순서를 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 도 1의 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 공정 순서도이고,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 순서를 개략적으로 도시한 것이고,
도 6은 도 5의 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 공정 순서도이다.
도 2는 도 1의 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 포토리소그래피 공정을 이용한 산화층 제거단계의 순서를 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 도 1의 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 나노임프린트 공정을 이용한 산화층 제거단계의 순서를 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 도 1의 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 공정 순서도이고,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 순서를 개략적으로 도시한 것이고,
도 6은 도 5의 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 공정 순서도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 그래핀 패턴 형성방법(S100)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 순서를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 포토리소그래피 공정을 이용한 산화층 제거단계의 순서를 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 도 1의 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 나노임프린트 공정을 이용한 산화층 제거단계의 순서를 개략적으로 도시한 것이고, 도 4는 도 1의 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 공정 순서도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 그래핀 패턴 형성방법(S100)은 산화층 적층단계(S110)와 단차형성단계(S120)와 금속층 도포단계(S130)와 그래핀 증착단계(S140)를 포함한다.
상기 산화층 적층단계(S110)는 기판(110) 상에 산화층(120)을 적층하는 단계이다.
산화층(120)은 스퍼터링(sputtering), 스핀코팅(spincoating), 스프레이코팅(spraycoating)등의 방식에 의하여 기판상에 적층될 수 있으나, 기판에 균일하게 도포할 수 있는 방법이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 실시예에서의 상기 산화층(120)은 이산화규소(SiO2) 또는 이산화티타늄(TiO2) 중 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하나, 미세 패턴을 형성하는 방법 및 조건이 본 기술분야의 당업자에게 널리 알려진 산화층이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 단차형성단계(S120)에서는 포토리소그래피(Photolithography)방법을 이용하여 기판(110)상에 적층된 산화층(120) 일부를 제거함으로써 산화층(120)이 단차를 형성하도록 한다.
도 2를 참조하여, 포토리소그래피에 의한 단차형성단계(S120)를 더욱 상세히 설명하면, 먼저, 산화층(120)의 상면에 감광제를 도포한다. 본 실시예에서는 감광제로서 포토레지스트(photoresist)(P)가 사용되며, 이러한 포토레지스트(P)는 스핀코팅 또는 스프레이 코팅방법 중 어느 하나에 의하여 산화층(120)의 상면에 도포된다.
그 후에, 포토레지스트(P)의 상측에 포토 마스크(M1)를 배치하고, 패턴이 형성된 포토 마스크(M1)의 개방영역으로 광을 조사함으로써 포토레지스트(P)를 노광한다.
다음으로는 상기 포토 마스크(M1)과 동일한 패턴으로 광이 조사되어 노광된 포토레지스트(P)를 화학처리를 통하여 현상한다. 이때, 포지티브 포토레지스트(positive photoresist)가 적층되는 경우에는 노광된 영역이 현상되어 제거되고, 네거티브 포토레지스트(negative photoresist)를 적층되는 경우에는 노광된 영역이 경화됨으로써 노광된 영역 외의 영역이 제거되어 패턴을 형성한다.
상기와 같이 포토레지스트(P)가 제거된 영역에는 산화층(120)이 외부로 노출되며, 외부로 노출되는 산화층(120)을 건식식각(dry etching)하여 제거함으로써 포토 마스크(P)의 패턴과 동일한 형태로 산화층(120)이 패터닝된다.
상기 산화층(120) 일부 영역이 제거됨으로써 산화층(120)은 일영역이 함몰되고, 상대적으로 타영역이 돌출되어 전체적으로는 단차면을 구성한다. 따라서, 상술한 바에 의하면, 단차를 형성하는 산화층(120)은 일영역이 제거되어 상대적으로 내부로 함몰되는 함몰영역(121)과, 산화층(120)의 타영역이 제거되지 않고 남아있게 됨으로써 함몰영역(121)보다 상대적으로 돌출되는 돌출영역(122)을 포함한다.
한편, 단차형성단계(S120)는 나노임프린트(Nanoimprint) 공정에 의한 경우에 의할 수도 있는데, 도 3을 참조하여 이를 상세히 설명하면, E-beam 리소그래피(E-beam Lithography) 또는 초점 이온 빔 리소그래피(focused ion beam lithography) 등을 이용하여 제작된 미세 선폭을 가지는 나노임프린트 몰드(mold)에 의하여 산화층(120)은 패터닝된다.
상기 금속층 도포단계(S130)는 금속층(130)을 산화층(120)의 상면에 도포하는 단계이다. 상기 금속층(130)은 코발트(Co), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 구리(Cu) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 선택된 금속층(130)을 스퍼터링(sputtering) 방법을 통하여 산화층(120) 전면(前面)의 전체를 도포한다. 이때, 도포되는 금속층(130)은 300nm 이하의 박막으로 균일하게 도포되는 것이 바람직하다.
다시 말해, 함몰영역(121)과 돌출영역(122)을 상호 연결하는 함몰영역(121)의 측벽면에도 동일한 형태로 박막의 금속층(130)이 도포되므로, 노출된 산화층(120)의 전면이 금속층으로 도포된다.
따라서, 산화층(120)에 도포된 금속층(130)은 산화층(120)의 단면의 형상과 동일한 단차를 형성하게 된다.
한편, 본 실시예에서 금속층(130)의 도포는 스퍼터링 방법에 의하였으나, 스핀코팅(spincoating), 스프레이코팅(spraycoating), 증발(evaporation)법 등 기판 상에 금속층을 박막의 형태로 증착할 수 있는 방법이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 또한, 증착되는 금속층(130)은 후술하는 그래핀 증착단계(S140)에서 외면에 제1그래핀막(140)을 성장시킬 수 있는 재질이라면 상술한 재질에 한정되지 않는다.
상기 그래핀 증착단계(S140)는 금속층(130)의 외면에 제1그래핀막(140)을 증착하는 단계이다. 이때, 화학기상증착법(CVD:Chemical Vapor Deposition)를 이용하는데, 구체적으로는 1000℃ 이상의 고온에서 메탄과 수소, 아르곤 가스를 혼합하여 단차가 형성되는 금속층(130)을 촉매로 하여 탄소원자를 증착시킴으로써 그래핀을 성장시켜 제1그래핀막(140)을 형성한다.
산화층(120)에 형성되는 단차로 인하여, 그 외면에 박막의 형태로 증착되는 제1그래핀막(140) 또한 단차를 형성하고, 제1그래핀막(140)은 함몰된 영역을 포함하는 3차원의 패턴을 형성하게 된다.
한편, 본 실시예의 3차원 그래핀 패턴 형성방법에 의하여 제작되는 제1그래핀막(140)을 그대로 이용할 수도 있으나, 별도의 몰드를 산화층(120)의 상측에 설치하고, 폴리머 용융액, 예를 들어 PDMS 용융액을 몰드 내에 주입한 후, 이를 경화시켜 폴리머 박막을 형성시킴으로써 경화된 폴리머 박막의 하면에는 본 발명의 제1실시예에 의하여 제작되는 3차원 패턴의 제1그래핀막(140)이 부착되는 것을 통하여, 별도의 기판에 본 발명에 의하여 증착되는 제1그래핀막(140)을 전사시켜 이용할 수도 있다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 그래핀 패턴 형성방법(S200)에 대하여 설명한다.
도 4는 도 1의 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 공정 순서도이고, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 그래핀 패턴 형성방법의 순서를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 그래핀 패턴 형성방법(S200)은 산화층 적층단계(S210)와 단차형성단계(S220)와 금속층 도포단계(S230)와 그래핀 증착단계(S240)와 채널형성단계(S250)를 포함한다.
본 실시예에 따른 3차원 그래핀 패턴 형성방법(S200)의 산화층 적층단계(S210)와 단차형성단계(S220)와 금속층 도포단계(S230)와 그래핀 증착단계(S240)는 상술한 제1실시예에 따른 3차원 그래핀 패턴 형성방법(S100)에서의 과정과 동일하므로 중복 설명은 생략한다.
상기 채널형성단계(S250)는 제1그래핀막 증착단계(S240)가 완료된 후에 평평한 형태의 제2그래핀막(250)을 제1그래핀막(140)과 접합하여 채널(C)을 형성하는 단계이다. 평평한 박막으로 성장된 제2그래핀막(150)을 제1그래핀막의 돌출된 부분과 접촉하도록 하고 상호 접합시킴으로써 단차로 인하여 함몰된 영역을 주위로 둘레면이 제1그래핀막(140)과 제2그래핀막(250)에 의하여 감싸질 수 있도록 한다. 따라서 이를 이용하면 내부에는 공간이 발생하고 전면(全面)이 그래핀으로 둘러싸이는 3차원의 채널이 형성될 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110 : 기판 130 : 금속층
120 : 산화층 140 : 제1그래핀막
121 : 함몰영역 250 : 제2그래핀막
122 : 돌출영역
120 : 산화층 140 : 제1그래핀막
121 : 함몰영역 250 : 제2그래핀막
122 : 돌출영역
Claims (6)
- 기판의 상측에 산화층을 적층하는 산화층 적층단계;
상기 산화층의 일부영역이 내부로 함몰되어 두께단차를 형성하도록 하는 단차형성단계;
상기 산화층의 함몰된 영역에 의하여 단차를 형성하도록 상기 산화층의 외면에 금속층을 도포하는 금속층 도포단계;
상기 산화층에 의하여 단차를 형성하도록 상기 금속층의 외면에 제1그래핀막을 증착하는 그래핀 증착단계;
소정의 채널을 형성하도록 상기 제1그래핀막에 평평한 형태의 제2그래핀막을 접합하여 채널을 형성하는 채널형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 그래핀 패턴 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 그래핀 증착단계는 기상화학증착법(CVD)에 의한 것을 특징으로 하는 3차원 그래핀 패턴 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 단차형성단계는 리소그래피 또는 나노임프린트 공정 중 어느 하나에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 3차원 그래핀 패턴 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 산화층은 이산화규소(SiO2) 또는 이산화티타늄(TiO2) 중 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 그래핀 패턴 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속층은 상기 금속층은 코발트(Co), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 구리(Cu) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 그래핀 패턴 형성방법. - 삭제
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