KR101279606B1 - 그래핀 박막의 증착방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래핀 박막의 증착방법에 관한 것으로, 기판에 기상의 그래핀 소스를 제공하는 단계와, 상기 그래핀 소스를 상기 기판 상에 흡착층을 형성하는 단계와, 상기 흡착층을 가열하여 상기 흡착층을 활성화하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따르면, 대면적의 균일한 그래핀 박막을 형성할 수 있다.
그래핀, 시간분할 급속가열, 그래핀 소스, 활성 소스

Description

그래핀 박막의 증착방법{METHOD FOR DEPOSITING GRAPHENE FILM}
본 발명은 박막 증착장치 및 증착방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 그래핀 박막 증착장치 및 증착방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT 원천기술개발의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호: 2008-F024-01, 과제명: 모바일 플렉시블 입출력 플랫폼]
그래핀은 탄소원자가 서로 연결되어 벌집 모양의 평면 구조를 이루는 물질로 알려져 있다. 그래핀은 그 두께가 원자 한 개층에 불과하면서도 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 양자역학적 특성으로 인해 매우 뛰어난 전기적 특성을 가지고 있다. 그래핀은 단결정 실리콘에 비해 약 100배 이상 빠르게 전자가 이동할 뿐만 아니라 구리에 비해 약 100배 많은 전류가 흐를 수 있다. 이러한 특성으로 인해 그래핀은 기존 물질을 대체할 차세대 트랜지스터 및 전극 소재로 주목받아 왔다.
종래 흑연에서 그래핀을 추출하는 방법으로는 마이크로미터 이상의 크기를 얻기 어려웠다. 이와 같이 그래핀은 대면적화가 어렵다는 이유로 실제 응용기술, 가령 반도체 기술에 채택되기에 곤란한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본발명은 대면적의 그래핀 박막을 증착할 수 있는 그래핀 박막 증착방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 그래핀 박막 증착방법은 시간분할 급속가열 방법을 이용하여 대면적의 균일한 그래핀 박막을 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 박막 증착방법은, 기판에 기상의 그래핀 소스를 제공하고; 상기 그래핀 소스를 상기 기판 상에 흡착시켜 흡착층을 형성하고; 그리고 상기 흡착층을 가열하여 상기 흡착층을 활성화하는 것을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 그래핀 소스를 제공하는 것은 상기 기판에 탄소화합물을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 탄소화합물을 제공하는 것은, 상기 기판에 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 기상 상태로 제공하는 것을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 흡착층을 형성하는 것은 대기압 이하의 저압 환경에서 상기 기상의 그래핀 소스를 상기 기판 상에 흡착하는 것을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 흡착층을 활성화하는 것은 상기 흡착층을 700 내지 1100℃로 가열하여 상기 흡착층의 탄소 성분들이 서로 결합하게 하는 것을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 흡착층을 활성화하는 것은 상기 흡착층에 기상의 활성 소스를 제공하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 활성 소스를 제공하는 것은 상기 흡착층에 N, NH3, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 물질을 기상 상태로 제공하는 것을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 그래핀 소스를 제공하는 것은 상기 기판에 희석가스를 제공하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 희석가스를 제공하는 것은 상기 기판에 영족 기체, 질소, 암모니아, 수소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 상기 그래핀 소스와 더불어 제공하는 것을 포함할 수 있다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 변형 실시예에 따른 그래핀 박막 증착방법은, 기판냉각부와 급속가열부가 장착된 반응챔버를 포함하는 그래핀 박막 증착장치를 제공하고; 상기 반응챔버에 기판을 제공하여 상기 기판냉각부 상에 상기 기판을 지지하고; 상기 반응챔버에 그래핀 소스를 기상 상태로 제공하여 상기 기판 상에 상기 그래핀 소스의 흡착층을 형성하고; 상기 흡착층을 형성한 후, 상기 반응챔버에 잔류된 그래핀 소스를 상기 반응챔버로부터 퍼지하고; 상기 반응챔버에 활성 소스를 기상 상태로 제공하고; 상기 급속가열부로써 상기 기판을 가열하여 상기 흡착층을 활성화하고; 그리고 상기 흡착층을 활성화한 후, 상기 반응챔버에 잔류된 활성 소스를 상기 반응챔버로부터 퍼지하는 것을 포함할 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 반응챔버에 그래핀 소스를 제공하기 이전에, 상기 그래핀 소스 및 상기 활성 소스를 상기 반응챔버를 경유하지 아니하고 바이패스시켜 상기 그래핀 박막 증착장치 내에서의 상기 소스들의 흐름을 정상상태로 유지시키는 것을 더 포함할 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 반응챔버에 그래핀 소스를 제공하는 것은 상기 그래핀 소스와 더불어 희석가스를 상기 반응챔버에 제공하고, 상기 반응챔버의 압력을 대기압 이하의 저압으로 설정하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 반응챔버에 그래핀 소스를 제공하는 것은 상기 활성 소스를 상기 반응챔버를 경유하지 아니하고 바이패스시켜 상기 그래핀 박막 증착장치 내에서의 상기 활성 소스의 흐름을 정상상태로 유지시키는 것을 포함할 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 반응챔버에 상기 활성 소스를 제공하는 것은 상기 그래핀 소스를 상기 반응챔버를 경유하지 아니하고 바이패스시켜 상기 그래핀 박막 증착장치 내에서의 상기 그래핀 소스의 흐름을 정상상태로 유지시키는 것을 포함할 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 그래핀 소스와 상기 활성 소스는 상기 반응챔버에 교번적으로 제공될 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 그래핀 박막 증착장치는 상기 그래핀 소스 및 상기 활성 소스를 가열하는 히팅블록을 포함하고, 상기 소스들은 상기 히팅블록에 의해 기화되거나 혹은 응축이 방지될 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 그래핀 박막 증착장치는 상기 그래핀 소스를 저장하는 제1 소스통과 상기 활성 소스를 저장하는 제2 소스통을 더 포함하고, 상기 히팅블록은 상기 제1 및 제2 소스통들을 독립적으로 혹은 연동적으로 가열할 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 흡착층을 활성화한 이후에 상기 기판을 적어도 탄소분해가 일어나지 않는 온도까지 냉각하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 기판을 냉각하는 것은 상기 기판의 온도를 상기 탄소분해가 일어나지 않는 500℃로 내리는 것을 포함할 수 있다.
본 변형 실시예에 있어서, 상기 기판을 가열하는 것은 상기 기판의 온도를 700 내지 1100℃ 범위로 올리는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 시간분할 급속가열 방법을 이용하여 대면적의 균일한 단층의 그래핀 박막을 얻을 수 있다. 아울러, 상용되고 있는 웨이퍼 크기 이상의 그래핀 박막을 얻을 수 있어 반도체 기술에 채택될 수 있어 전기적 특성이 우수하고 구조적 및 화학적으로 안정한 반도체 소자를 비롯한 전자 내지 전기 장치를 제조할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 그래핀 박막의 증착방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 박막 증착장치를 도시한 구성도이다. 본 명세서에서 어떤 물질이 어떤 장치로 유입되는 측을 '전단', 그 반대측을 '후단'이라고 정의하기로 한다.
도 1을 참조하면, 그래핀 박막 증착장치(10)는 그래핀 박막 증착공정이 진행되는 반응챔버(100), 반응챔버(100)에 제공되는 그래핀 소스가 저장된 증착소스통(310), 그래핀 소스를 활성화시키는 활성 소스가 저장된 활성소스통(320), 그래핀 소스를 반응챔버(100)로 실어나르는 이송가스가 저장된 이송가스통(410), 반응챔버(100)의 압력을 조절하는 희석가스가 저장된 희석가스통(450), 반응챔버(100)를 진공 환경으로 조성하는 진공펌프(200), 그리고 증착소스통(310)에 저장된 그래 핀 소스를 기화시키기 위한 히팅블록(500)을 포함할 수 있다.
반응챔버(100)는 기판(140) 상에 그래핀 박막이 증착될 수 있도록 설계될 수 있다. 일례로, 반응챔버(100)의 내부 하측에는 기판지지대(130)와 기판냉각부(150)가 배치되고, 반응챔버(100)의 내부 상측에는 샤워링(110)과 급속가열부(120)가 배치될 수 있다.
기판(140)은 기판지지대(130) 상에 제공질 수 있다. 기판(140)은 승강할 수 있는 복수개의 리프트 핀(135)에 의해 지지되어 기판지지대(130)에 안착되거나 혹은 이탈될 수 있다. 기판지지대(130)는 지지축(160)에 연결되어 회전 및 승강 가능하게 설계될 수 있다. 기판냉각부(150)는 기판지지대(130)의 하부에 설치될 수 있다. 기판냉각부(150)는 기판(140)을 냉각시켜 그래핀 소스가 기판(140)에 균일하게 흡착되도록 할 수 있다. 기판냉각부(150)에는 가령 냉매가 흐르는 냉각라인이 구비될 수 있다.
샤워링(110)은 증착소스통(310)으로부터 이송된 그래핀 소스를 기판(140)에 균일하게 분배할 수 있다. 그래핀 소스는 메인 라인(180)을 통해 기상(gaseous phase) 형태로 제공될 수 있다. 샤워링(110)은 2중 링 구조일 수 있다. 급속가열부(120)는 발열 코일 혹은 적외선 램프와 같은 가열 수단이 구비될 수 있다. 급속가열부(120)는 기판(140)에 열 혹은 적외선을 제공하여 기판(140)의 온도를 상승시킬 수 있다. 기판(140)의 승온에 의해 기판(140)에 흡착된 그래핀 소스는 활성화될 수 있다. 급속가열부(120)는 그래핀 소스의 기판(140)으로의 효과적인 제공을 위해 샤워링(110)의 상부에 설치될 수 있다. 샤워링(110)은 급속가열부(120)에 의해 가 열되어 샤워링(110)에 제공된 그래핀 소스의 응축이 방지될 수 있다. 선택적으로, 샤워링(110)을 가열할 수 있는 샤워링 가열부가 더 제공될 수 있다.
반응챔버(100)에 진공 환경을 부여할 수 있는 진공펌프(200)가 가령 반응챔버(100)의 측면에 연결될 수 있다. 진공펌프(200)는 대략 0.001 ~ 100 Torr 정도의 압력을 반응챔버(100)에 제공할 수 있는 로터리 펌프(rotary pump)를 포함할 수 있다. 진공펌프(200)는 반응챔버(100)의 진공도를 향상시키기 위해 터보펌프(turbo pump)를 더 포함할 수 있다.
반응챔버(100)와 진공펌프(200) 사이에 배출 라인(201)이 연결될 수 있다. 그래핀 박막 증착공정의 부산물, 예컨대 진공펌프(200)의 성능에 영향을 미칠 수 있는 수증기를 제거할 수 있는 트랩(203)이 배출 라인(201)에 결부될 수 있다. 트랩(203)은 콜드 트랩(cold trap)을 포함할 수 있다. 부산물은 트랩(203)에서 응축되므로써 진공펌프(200)의 열화가 방지될 수 있다. 트랩(203)은 부산물 응축을 위해 액체 질소, 천연오일 또는 플루오로카본오일(fluorocarbon oil) 등으로 채워질 수 있다. 진공펌프(200)와 트랩(203) 사이의 배출 라인(201)에는 반응챔버(100)의 압력을 일정하게 조절할 수 있는 쓰로틀 밸브(205)가 마련될 수 있다.
반응 챔버(100)에 제공될 그래핀 소스가 저장된 증착소스통(310)이 포함될 수 있다. 그래핀 소스는 증착소스통(310)과 반응챔버(100) 사이에 배치된 증착소스 라인(640)을 경유하여 메인 라인(180)을 제공되어 샤워링(110)으로 유입될 수 있다. 반응챔버(100)로의 그래핀 소스의 공급을 위해 증착소스 라인(640)에는 소스 챔버 인 퀵 스위칭 밸브(641: source chamber in quick switching valve, 이하 제1 밸브)가 결부될 수 있다. 제1 밸브(641)는 시간 분할에 따라 개폐를 수행하는 밸브, 가령 대략 0.01 내지 0.05초 정도의 동작 정밀도를 가지고 개폐되는 퀵 스위칭 밸브를 포함할 수 있다. 본 명세서에 언급된 모든 밸브들은 상기와 같은 퀵 스위칭 밸브를 포함할 수 있다. 증착소스통(310)이 다수개 포함되는 경우 다수개의 증착소스통(310)은 병렬로 연결될 수 있다.
그래핀 소스의 활성화시킬 수 있는 활성 소스 내지 열개시제가 반응챔버(100)로 제공될 수 있다. 이를 위해 활성 소스가 저장된 활성소스통(320)이 포함될 수 있다. 활성 소스는 활성소스통(320)과 반응챔버(100) 사이에 배치된 활성소스 라인(650)을 경유하여 메인 라인(180)으로 제공되어 샤워링(110)에 유입될 수 있다. 활성 소스는 기상 상태로 샤워링(110)에 제공될 수 있다. 반응챔버(100)로의 활성 소스의 공급을 위해 활성소스 라인(650)에는 소스 챔버 인 퀵 스위칭 밸브(651: 이하 제2 밸브)가 결부될 수 있다. 활성소스통(320)이 다수개 포함되는 경우 다수개의 활성소스통(320)은 병렬로 연결될 수 있다. 증착소스통(310)과 활성소스통(320)은 병렬로 연결될 수 있다.
증착소스통(310)의 후단에는 증착소스통(310)으로부터 증착소스 라인(640)으로의 그래핀 소스 흐름을 단속하는 소스 인 퀵 스위칭 밸브(313: source in quick switching valve, 이하 제3 밸브)가 배치될 수 있다. 유사하게, 활성소스통(320)의 후단에는 활성소스통(320)으로부터 활성소스 라인(650)으로의 활송 소스 흐름을 단속하는 소스 인 퀵 스위칭 밸브(323: 이하 제4 밸브)가 배치될 수 있다.
그래핀 소스는 이송가스에 실려 증착소스통(310)으로부터 반응챔버(100)로 이송될 수 있다. 이송가스는 이송가스통(410)에 저장될 수 있다. 이송가스통(410)과 증착소스통(310) 사이에는 이송가스의 흐름 경로를 제공하는 이송가스 라인(610,620)이 설치될 수 있다. 이송가스 라인(610,620)은 메인 이송가스 라인(610)과 제1 이송가스 라인(620)으로 구분될 수 있다. 활성 소스는 이송가스에 실려 활성소스통(320)으로부터 반응챔버(100)로 이송될 수 있다. 이송가스통(410)과 활성소스통(320) 사이에는 메인 이송가스 라인(610)으로부터 분기된 제2 이송가스 라인(630)이 배치될 수 있다.
이송가스통(410)으로부터 증착소스통(310) 및 활성소스통(320)으로 이송가스의 흐름을 정밀하게 제어할 수 있는 장치가 결부될 수 있다. 가령 메인 이송가스 라인(610)에는 제1 레귤러 밸브(411)가 결부되고, 제1 이송가스 라인(620)에는 제1 유량계(420)가 제2 이송가스 라인(630)에는 제2 유량계(430)가 결부될 수 있다. 이송가스 흐름을 단속하는 밸브가 더 포함될 수 있다. 일례로, 제1 이송가스 라인(620)에는 퀵 스위칭 밸브(421: 이하 제5 밸브)가 제2 이송가스 라인(630)에는 퀵 스위칭 밸브(431: 이하 제6 밸브)가 결부될 수 있다. 제5 밸브(421)는 제1 유량계(420)의 전단에 제6 밸브(431)는 제2 유량계(430)의 전단에 배치될 수 있다.
그래핀 박막 증착장치(10)는 퍼지 공정이 수행될 수 있도록 설계될 수 있다. 예컨대, 증착소스통(310)을 우회하는 제1 퍼지가스 라인(625)과 활성소스통(320)을 위회하는 제2 퍼지가스 라인(635)이 포함될 수 있다. 제1 퍼지가스 라인(625)에는 퍼지 가스의 흐름을 단속하는 소스 퍼지 퀵 스위칭 밸브(315: source purge quick switching valve, 이하 제1 퍼지 밸브)가 결부될 수 있다. 유사하게, 제2 퍼지가스 라인(635)에는 퍼지 가스의 흐름을 단속하는 소스 퍼지 퀵 스위칭 밸브(325: 이하 제2 퍼지 밸브)가 결부될 수 있다. 이송가스통(410)에 저장된 이송가스를 퍼지가스로 이용할 수 있다.
그래핀 박막 증착장치(10)는 그래핀 소스 및/또는 활성 소스를 바이패스하도록 설계될 수 있다. 예컨대, 증착소스 라인(640)에는 그래핀 소스를 증착소스통(310)으로부터, 반응챔버(100)를 거치지 아니하고, 배출 라인(201)으로 바이패스시키는 제1 바이패스 라인(680)이 결부될 수 있다. 제1 바이패스 라인(680)에는 그래핀 소스의 흐름을 단속하는 소스 바이패스 퀵 스위칭 밸브(681: source bypass quick switching valve, 이하 제1 바이패스 밸브)가 결부될 수 있다. 유사하게, 활성소스 라인(650)에는 활성 소스를 활성소스통(320)으로부터, 반응챔버(100)를 거치지 아니하고, 배출 라인(201)으로 바이패스시키는 제2 바이패스 라인(690)이 결부될 수 있다. 제2 바이패스 라인(690)에는 활성 소스의 흐름을 단속하는 소스 바이패스 퀵 스위칭 밸브(691: source bypass quick switching valve, 이하 제2 바이패스 밸브)가 결부될 수 있다.
증착소스통(310)에서부터 제1 바이패스 라인(680)으로 바이패스되는 그래핀 소스의 흐름을 단속하는 소스 아웃 퀵 스위칭 밸브(311: source out quick switching valve, 이하 제7 밸브)가 포함될 수 있다. 제7 밸브(311)는 증착소스통(310)의 전단의 제1 이송가스 라인(620)에 결부될 수 있다. 유사하게, 활성소스통(320)에서부터 제2 바이패스 라인(690)으로 바이패스되는 활성 소스의 흐름을 단속하는 소스 아웃 퀵 스위칭 밸브(321: 제8 밸브)가 포함될 수 있다. 제8 밸 브(321)는 활성소스통(320)의 전단의 제2 이송가스 라인(630)에 결부될 수 있다.
배출 라인(201)에는 바이패스되는 그래핀 소스 및/또는 활성 소스의 반응챔버(100)로의 유입을 막는 반응챔버 퀵 스위칭 밸브(208: process chamber quick switching valve, 이하 제9 밸브)가 결부될 수 있다. 제9 밸브(208)는 쓰로틀 밸브(205)의 후단에 배치될 수 있다. 제9 밸브(208)는 반응챔버(100)로부터 진공 배출이 일어날 때 열리게 작동될 수 있다.
그래핀 박막 증착장치(10)는 그래핀 박막 증착공정시 반응챔버(100)의 압력을 조절할 수 있도록 설계될 수 있다. 예컨대, 그래핀 소스가 반응챔버(100)에 제공될 때, 그 반응챔버(100)에 제공되어 압력을 조절할 수 있는 희석가스가 저장된 희석가스통(450)이 포함될 수 있다. 희석가스통(450)과 반응챔버(100) 사이에는 희석가스 흐름 경로를 제공하는 희석가스 라인(670)이 포함될 수 있다. 희석가스 라인(670)에는 희석가스 흐름을 단속하는 소스 챔버 가스 인 퀵 스위칭 밸브(671: source chamber gas in quick switching valve, 이하 제10 밸브)가 결부될 수 있다. 희석가스의 정밀한 공급 제어를 위해 희석가스 라인(670)에는 레귤러 밸브(451)와 유량계(453)가 희석가스통(450)의 후단에 설치될 수 있다. 유량계(453)와 레귤러 밸브(451) 사이의 희석가스 라인(670)에는 희석가스 흐름을 단속하는 퀵 스위칭 밸브(673; 이하 제11 밸브)가 더 결부될 수 있다.
그래핀 박막 증착장치(10)는 박막 증착공정에 소요되는 소스들을 기화시키거나 혹은 기화된 소스들의 응축을 방지할 수 있도록 설계될 수 있다. 예컨대, 그래핀 박막 증착장치(10)는 히팅블록(500)을 포함할 수 있다. 히팅블록(500)은 소스들의 존재하는 지점을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 히팅블록(500)은 증착소스통(310)과 활성소스통(320), 그리고 이들 통(310,320) 주위의 각종 라인들 및 밸브들을 에워싸는 형태일 수 있다. 혹은 히팅블록(500)은 증착소스통(310), 활성소스통(320) 그리고 이들 통(310,320) 주위의 각종 라인/밸브를 각각 독립적으로 혹은 연동적으로 히팅시킬 수 있도록 구분될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 박막 증착방법의 흐름을 도시한 순서도이다. 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 박막 증착은 도 1에 도시된 그래핀 박막 증착장치를 이용하여 구현될 수 있다.
도 1 및 2를 참조하면, 그래핀 소스의 흡착 과정(S100)과 잔류 그래핀 소스의 퍼지 과정(S200)과 활성 소스에 의한 흡착층의 활성화 과정(S300) 및 잔류 활성 소스의 퍼지 과정(S400)을 포함하는 싸이클을 1회 혹은 2회 이상 수행하여 그래핀 박막을 형성할 수 있다.
제1 단계로서, 반응챔버(100)로 그래핀 소스를 제공하여 기판(140) 상에 그래핀 소스를 흡착시킬 수 있다(S100). 일례로, 제1 밸브(641)와 제3 밸브(313)를 열어 그래핀 소스를 증착소스통(310)에서 반응챔버(100)로 제공한다. 이때, 제5 밸브(421)와 제7 밸브(311)를 열어 이송가스의 흐름을 허용하여 이송가스로 하여금 그래핀 소스를 실어나를 수 있게 할 수 있고, 제2 밸브(651)는 잠긴 상태로 유지될 수 있다. 반응챔버(100)로 제공된 그래핀 소스는 샤워링(110)에 의해 기판(140)으로 골고루 분배되어 기판(140)에 흡착될 수 있다. 그래핀 소스는 모노머 형태로 흡 착될 수 있다. 상기 흡착과정을 촉진하기 위해 기판냉각부(150)는 기판(140)을 냉각할 수 있다. 제1 단계에서 제10 밸브(671)를 열어 희석가스가 반응챔버(100)로 제공되도록 하여 반응챔버(100)의 압력을 조절할 수 있다. 반응챔버(100)는 대기압 이하의 저압, 가령 0.001 내지 100 Torr 정도로 설정될 수 있다. 희석가스는 그래핀 소스와 함께 반응챔버(100)에 제공될 수 있다.
그래핀 소스는 기상 상태로 반응챔버(100)로 제공될 수 있다. 그래핀 소스는 탄소를 제공할 수 있는 물질이면 특별한 제한없이 채택될 있다. 그래핀 소스로 채택될 수 있는 물질은, 예를 들어, 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 등과 같은 탄소화합물을 포함할 수 있다. 상기와 같은 그래핀 소스는 기상 혹은 액상일 수 있다.
그래핀 소스는 증착소스통(310)에 액상 상태로 저장되고, 반응챔버(100)로 제공될 때 기화되어 기상 상태로 변화될 수 있다. 다르게, 그래핀 소스는 증착소스통(310)에 기상 상태로 저장될 수 있다. 그래핀 소스는 어느 한 종류 물질을 채택할 수 있고, 또는 여러 종류의 물질을 채택할 수 있다. 여러 종류의 물질을 그래핀 소스로 채택하는 경우 증착소스통(310)은 그래핀 소스의 종류 수만큼 제공될 수 있다.
기판(140)은 금속, 반도체, 절연체, 플라스틱 기판 등이 포함될 수 있다. 기판(140)의 형상은 원형, 정사각형, 직사각형 등 임의의 형상을 가질 수 있다.
이송가스는 헬륨, 아르곤, 크립톤, 제논, 네온과 같은 영족 기체와 질소를 포함할 수 있다. 희석가스는 이송가스와 동일 유사하게 질소 및 영족 기체를 포함할 수 있다. 다른 예로, 희석가스는 암모니아, 수소 등과 같은 반응성 기체를 포함할 수 있다. 희석가스로서 암모니아를 채택하는 경우 암모니아는 질소 도핑 가스로도 이용될 수 있다.
제1 단계 이전에, 그래핀 소스와 활성 소스가 바이패스되도록 할 수 있다(S90). 일례로, 제7 밸브와 제1 퍼지 밸브(315)와 제1 바이패스 밸브(681)를 열어 그래핀 소스를 바이패스시킬 수 있다. 이때, 제5 밸브(421)를 열어 이송가스를 흐르게 하므로써 그래핀 소스는 이송가스에 실려 바이패스될 수 있다. 이와 병행하여, 제8 밸브와 제2 퍼지 밸브(325)와 제2 바이패스 밸브(691)를 열어 활성 소스를 바이패스시킬 수 있다. 상기 바이패스에 의해 그래핀 소스와 활성 소스의 흐름은 정상상태(steady state)를 유지할 수 있다. 이때, 제6 밸브(431)를 열어 이송가스를 흐르게 하므로써 활성 소스는 이송가스에 실려 바이패스될 수 있다.
제2 단계로서, 반응챔버(100)를 퍼지할 수 있다(S200). 일례로, 제1 퍼지 밸브(315)와 제1 밸브(641)를 열어 이송가스가 반응챔버(100)로 제공되게 하여 잔류 그래핀 소스 및 반응 부산물을 퍼지할 수 있다. 상기 잔류 그래핀 소스 및 반응 부산물의 반응챔버(100)로부터의 배출은 진공펌프(200)에 의해 구현될 수 있다. 상기 퍼지 과정 동안, 제8 밸브(321)와 제2 퍼지 밸브(325)와 제2 바이패스 밸브(691)를 열어 활성 소스를 바이패스시킬 수 있다. 상기 바이패스에 의해 활성 소스의 흐름은 정상상태를 유지할 수 있다.
제3 단계로서, 반응챔버(100)로 활성 소스를 제공하여 그래핀 소스 흡착층을 활성화시킬 수 있다(S300). 일례로, 제2 밸브(651)와 제4 밸브(323)와 제8 밸브(321)를 열어 활성 소스를 활성소스통(320)에서 반응챔버(100)로 제공할 수 있다. 이때, 제6 밸브(431)와 제8 밸브(321)를 열어 이송가스의 흐름을 허용하여 이송가스로 하여금 활성 소스를 실어나를 수 있게 할 수 있고, 제1 밸브(641)는 잠긴 상태로 유지될 수 있다. 이와 병행하여, 급속가열부(120)를 동작시켜 기판(140)에 열을 제공할 수 있다. 급속가열부(120)는 그래핀 소스가 활성화될 수 있는 온도로 기판(140)을 가열할 수 있다. 상기 가열에 의해 기판(140)에 형성된 그래핀 소스 흡착층은 활성화될 수 있다.
상기 가열 온도는 상온 이상, 대략 700 내지 1100℃ 일 수 있다. 그래핀 소스가 기상인 경우 가열 온도는 900 내지 1100℃ 일 수 있다. 다르게, 그래핀 소스가 액상인 경우 가열 온도를 900℃ 이하로, 가령 700 내지 900℃ 정도로 낮출 수 있다. 본 발명의 실시예에 의하면, 상온에서 1000℃까지 대략 10초 이내로 가열할 수 있다.
활성 소스는 흡착된 그래핀 소스를 활성화시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 일례로, N, NH3, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 물질을 활성 소스로 채택할 수 있다. 다르게, 활성 소스는 수소나 암모니아를 포함할 수 있다. 여러 종류의 액상 물질을 그래핀 소스로 이용할 경우 다수의 액상 물질, 가령 3-4개의 액상 물질을 혼합하여 그래핀 박막을 증착할 수 있다. 이 경우 액상 물질별로 별개의 활성 소스를 사용할 수 있다. 활성소스통(320)은 활성 소스의 종류 수만큼 제공될 수 있다. 활성 소스의 개입에 의해 흡착층은 탄소 성분들이 서로 결합하여 가령 육각형의 판상 구조로 형성될 수 있다. 그래핀 소스가 폴리머처럼 존재하는 액상 소스일 경우 증발되는 기상의 그래핀 소스가 단량체가 아니고 이량체 또는 다량체일 수 있다. 이 경우 그래핀 소스는 활성 소스에 의해 단량체로 크랙킹되어 증착될 수 있다.
그래핀 박막이 증착되면 기판(140)의 온도를 가령 기판냉각부(150)를 이용하여 감소시킬 수 있다. 일례로, 기판(140)의 온도는 상온까지 감소시킬 수 있다. 기판(140)의 온도를 상온까지 내리는 경우 시간이 많이 소요될 것이라 예상할 수 있다. 따라서, 공정 시간을 가급적 단축시키기 위해 기판(140)을 탄소분해가 일어나지 않는 온도, 예컨대 500℃까지 냉각할 수 있다.
제4 단계로서, 반응챔버(100)를 퍼지할 수 있다(S400). 일례로, 제2 퍼지 밸브(325)와 제2 밸브(651)를 열어 이송가스가 반응챔버(100)로 제공되게 하여 잔류 활성 소스 및 반응 부산물을 퍼지할 수 있다. 상기 잔류 활성 소스 및 반응 부산물의 반응챔버(100)로부터의 배출은 진공펌프(200)에 의해 구현될 수 있다. 상기 퍼지 과정 동안, 제7 밸브(311)와 제1 퍼지 밸브(315)와 제1 바이패스 밸브(681)를 열어 그래핀 소스를 바이패스시킬 수 있다. 상기 바이패스에 의해 그래핀 소스의 흐름은 정상상태를 유지할 수 있다.
상기 제1 내지 제4 단계로 구성된 싸이클을 1회 혹은 2회 이상 반복하여 그래핀 박막을 증착할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 단계 각각은 1회 혹은 2회 이상 반복할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 단계 각각은 0.01초 내지 수 시간의 시간 분할 에 의해 교번적으로 진행될 수 있다. 그래핀 소스 및/또는 활성 소스는 상기 싸이클이 수행되는 동안 히팅블록(500)에 의해 상온 이상의 고온, 가령 300℃ 혹은 그 이상의 온도를 유지하게 되므로써 응축되지 않을 수 있다.
본 발명에 의하면, 반도체 공정에 적용 가능한 웨이퍼 크기, 가령 5인치 내지 12인치 이상의 대면적을 갖는 단층의 균일한 그래핀 박막을 형성할 수 있다. 일례로, 그래핀 박막의 단일층 두께는 대략 1nm 이하일 수 있다. 상기 싸이클을 반복하면 1nm 이상의 두께를 갖는 그래핀 박막을 얻을 수 있다. 그래핀 박막을 웨이퍼 크기 가령 5인치 웨이퍼 크기로 증착하는 경우 그래핀 박막은 그 두께가 수 % 이내로 균일하게 형성할 수 있다.
그래핀 소스의 흡착층은 충분한 열에너지 흡수에 의해 활성 소스의 개입없이 활성화될 수 있다. 따라서, 상기 제3 단계에서 활성 소스의 개입없이 급속가열부(120)의 가열로써 흡착층을 활성화하여 그래핀 박막을 증착할 수 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 박막 증착장치를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 박막 증착방법의 흐름을 도시한 순서도.

Claims (20)

  1. 기판에 기상의 그래핀 소스를 제공하고;
    상기 그래핀 소스를 상기 기판 상에 흡착시켜 흡착층을 형성하고; 그리고
    상기 흡착층을 가열하여 상기 흡착층을 활성화하는 것을;
    포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 소스를 제공하는 것은:
    상기 기판에 탄소화합물을 제공하는 것을 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄소화합물을 제공하는 것은:
    상기 기판에 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 기상 상태로 제공하는 것을 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡착층을 형성하는 것은:
    대기압 이하의 저압 환경에서 상기 기상의 그래핀 소스를 상기 기판 상에 흡착하는 것을 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 흡착층을 활성화하는 것은:
    상기 흡착층을 700 내지 1000℃로 가열하여 상기 흡착층의 탄소 성분들이 서로 결합하게 하는 것을 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 흡착층을 활성화하는 것은;
    상기 흡착층에 기상의 활성 소스를 제공하는 것을 더 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 활성 소스를 제공하는 것은:
    상기 흡착층에 N, NH3, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 물질을 기상 상태로 제공하는 것을 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 소스를 제공하는 것은:
    상기 기판에 희석가스를 제공하는 것을 더 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 희석가스를 제공하는 것은:
    상기 기판에 영족 기체, 질소, 암모니아, 수소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 상기 그래핀 소스와 더불어 제공하는 것을 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  10. 기판냉각부와 급속가열부가 장착된 반응챔버를 포함하는 그래핀 박막 증착장치를 제공하고;
    상기 반응챔버에 기판을 제공하여 상기 기판냉각부 상에 상기 기판을 지지하고;
    상기 반응챔버에 그래핀 소스를 기상 상태로 제공하여 상기 기판 상에 상기 그래핀 소스의 흡착층을 형성하고;
    상기 흡착층을 형성한 후, 상기 반응챔버에 잔류된 그래핀 소스를 상기 반응챔버로부터 퍼지하고;
    상기 반응챔버에 활성 소스를 기상 상태로 제공하고;
    상기 급속가열부로써 상기 기판을 가열하여 상기 흡착층을 활성화하고; 그리고
    상기 흡착층을 활성화한 후, 상기 반응챔버에 잔류된 활성 소스를 상기 반응챔버로부터 퍼지하는 것을;
    포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반응챔버에 그래핀 소스를 제공하기 이전에,
    상기 그래핀 소스 및 상기 활성 소스를 상기 반응챔버를 경유하지 아니하고 바이패스시켜 상기 그래핀 박막 증착장치 내에서의 상기 소스들의 흐름을 정상상태로 유지시키는 것을 더 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 반응챔버에 그래핀 소스를 제공하는 것은:
    상기 그래핀 소스와 더불어 희석가스를 상기 반응챔버에 제공하고, 상기 반응챔버의 압력을 대기압 이하의 저압으로 설정하는 것을 더 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 반응챔버에 그래핀 소스를 제공하는 것은:
    상기 활성 소스를 상기 반응챔버를 경유하지 아니하고 바이패스시켜 상기 그래핀 박막 증착장치 내에서의 상기 활성 소스의 흐름을 정상상태로 유지시키는 것을 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 반응챔버에 상기 활성 소스를 제공하는 것은:
    상기 그래핀 소스를 상기 반응챔버를 경유하지 아니하고 바이패스시켜 상기 그래핀 박막 증착장치 내에서의 상기 그래핀 소스의 흐름을 정상상태로 유지시키는 것을 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 그래핀 소스와 상기 활성 소스는 상기 반응챔버에 교번적으로 제공되는 그래핀 박막 증착방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 그래핀 박막 증착장치는 상기 그래핀 소스 및 상기 활성 소스를 가열하는 히팅블록을 포함하고, 상기 소스들은 상기 히팅블록에 의해 기화되거나 혹은 응축이 방지되는 그래핀 박막 증착방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 그래핀 박막 증착장치는 상기 그래핀 소스를 저장하는 제1 소스통과 상기 활성 소스를 저장하는 제2 소스통을 더 포함하고,
    상기 히팅블록은 상기 제1 및 제2 소스통들을 독립적으로 혹은 연동적으로 가열하는 그래핀 박막 증착방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 흡착층을 활성화한 이후에,
    상기 기판을 적어도 탄소분해가 일어나지 않는 온도까지 냉각하는 것을 더 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 기판을 냉각하는 것은 상기 기판의 온도를 상기 탄소분해가 일어나지 않는 500℃로 내리는 것을 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 기판을 가열하는 것은 상기 기판의 온도를 700 내지 1100℃ 범위로 올리는 것을 포함하는 그래핀 박막 증착방법.
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