KR101502556B1 - 그래핀 식각장치 및 이를 이용한 식각방법 - Google Patents

Abstract

그래핀 식각장치가 개시된다. 이 그래핀 식각장치는 진공챔버; 상기 진공챔버 내부에 배치되고 그래핀 패턴 층이 안착되는 스테이지; 및 상기 그래핀 패턴 층에 전원을 인가하기 위한 전원공급부를 포함한다.

Description

그래핀 식각장치 및 이를 이용한 식각방법{Apparatus for etching graphene and etching method using the same of}

본 발명은 그래핀 형성장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀 식각장치 및 이를 이용한 식각방법에 관한 것이다.

그래핀은 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결된 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질로서 화학적으로 안정성이 높은 특성을 가지고 있다. 그리고 그래핀은 실리콘보다 100배 이상 우수한 전기적 전도성, 유연성(flexible) 및 투명성(transparent)을 가지고 있다.

위와 같은 이유로 그래핀은 차세대 반도체 물질로서 많은 관심이 받고 있다.

한편, 반도체 논리소자를 만들기 위해서는 에너지 갭이 존재하는 물질이 필요하다. 따라서 에너지 갭이 없는 그래핀은 반도체 논리소자의 재료로서 부적절하다는 평가가 지배적이었다.

최근에는 그래핀 패턴 층의 폭이 10nm 정도가 되면 에너지 갭이 형성되어 반도체 논리소자의 재료로서 응용 가능성이 대두되고 있다.

위와 같은 가능성에 의해, 20~30nm 정도의 폭을 가지며 그래핀 패턴 층을 이온빔 리쏘그라피(E-beam lithography) 또는 산소 플라즈마 식각방법(Oxygen plasma etching)으로 형성하고, 이러한 방법에 의해 형성되어 20~30nm 정도의 폭을 가지며 그래핀 패턴 층을 진공챔버에 위치시킨 후 진공챔버를 섭씨 800도 이상으로 가열하고, 산소가 그래핀 패턴 층 테두리의 탄소 원자를 식각하도록 가열된 진공챔버에 산소가 포함된 암모니아나 가스 또는 산소가 포함된 아르곤 가스를 유입시켜 10nm 정도의 폭을 가지는 그래핀 패턴 층을 제조하는 방법이 개발되었다.

그런데, 종래의 10nm 정도의 폭을 가지는 그래핀 패턴 층을 제조하는 방법은 진공챔버를 가열함으로써 에너지 소비가 과도한 문제점이 있다.

또한, 그래핀 패턴 층에 그래핀 재질이 아닌 전극이 연결되어 있는 경우에는 그래핀 패턴 층에 연결되어 있는 전극이 섭씨 800도 이상의 고온에 의해 변형되는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 에너지 소비가 감소되면서 그래핀 패턴 층에 연결된 전극의 변형을 방지할 수 있는 그래핀 식각장치 및 이를 이용한 식각방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 진공챔버; 상기 진공챔버 내부에 배치되고 그래핀 패턴 층이 안착되는 스테이지; 및 상기 그래핀 패턴 층에 전원을 인가하기 위한 전원공급부를 포함하는 그래핀 식각장치를 제공한다.

여기서, 반응가스가 상기 진공챔버 내부로 유입되는 통로를 제공하는 반응가스 유입구를 포함하고, 상기 반응가스는 산소와 암모니아의 혼합가스 또는 산소와 아르곤의 혼합가스일 수 있다.

또한, 상기 스테이지에 결합되고 상기 그래핀 패턴 층의 양단 각각에 접촉하는 제1 전원전극 및 제2 전원전극을 포함하고, 상기 전원공급부는 상기 제1 전원전극과 상기 제2 전원전극에 전원을 인가할 수 있다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 진공챔버; 반응가스가 상기 진공챔버 내부로 유입되는 통로를 제공하는 반응가스 유입구; 상기 진공챔버 내부에 배치되어 그래핀 패턴 층이 안착되는 스테이지; 상기 그래핀 패턴 층의 온도를 감지하는 그래핀 온도센서; 및 상기 그래핀 패턴 층에 전원을 인가하기 위한 전원공급부를 포함하고, 상기 스테이지에 상기 그래핀 패턴 층이 안착된 상태에서 상기 전원공급부는 상기 그래핀 패턴 층에 전원을 인가하고, 상기 그래핀 온도센서가 일정한 온도 이상이면 상기 반응가스 유입구가 개방되어 상기 반응가스가 상기 진공챔버로 유입되는 그래핀 패턴 층 식각장치를 제공한다.

여기서, 상기 반응가스는 산소와 암모니아의 혼합가스 또는 산소와 아르곤의 혼합가스이고, 상기 일정한 온도는 섭씨 800도 이상일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 20~30nm 정도의 폭을 가지며 그래핀 패턴 층을 형성하는 단계; 상기 그래핀 패턴 층을 진공챔버의 스테이지에 안착시키는 단계; 상기 스테이지에 안착된 상기 그래핀 패턴 층에 전원을 인가하는 단계; 및 상기 그래핀 패턴 층의 온도가 일정한 온도 이상이면 상기 진공챔버 내부로 반응가스를 유입시키는 단계를 포함하는 그래핀 패턴 층 식각장치를 이용한 식각방법을 제공할 수 있다.

여기서, 상기 일정한 온도는 섭씨 800도일 수 있다.

또한, 상기 반응가스는 산소와 암모니아의 혼합가스 또는 산소와 아르곤의 혼합가스일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 그래핀 패턴 층 자체만 가열됨으로써 에너지 소비가 감소됨과 동시에 그래핀 패턴 층에 연결된 전극의 변형이 방지될 수 있게 된다.

도 1은 본발명의 일실시예에 따른 그래핀 식각장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전원공급부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 식각장치의 제어블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 식각장치를 이용한 식각방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일실예에 따른 그래핀 식각장치를 이용한 식각방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 패턴 층의 모양에 의해 그래핀 패턴 층의 폭이 조절되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하여 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 이하에서 상하, 좌우 및 전후 등의 방향 또는 위치는 첨부되는 도면을 기준으로 사용되는 용어임을 밝혀둔다.

도 1은 본발명의 일실시예에 따른 그래핀 식각장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전원공급부를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 식각장치의 제어블록도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 식각장치(100)는 진공챔버(110), 진공챔버(110)에 결합되어 진공챔버(110)의 내부가 진공상태가 되도록 하는 진공펌프(120), 진공챔버(110)의 내부에 위치하고 그래핀 패턴 층(GP)이 안착되는 스테이지(130), 스테이지(130)에 결합되고 그래핀 패턴 층(GP)이 자체 발열되어 가열되도록 하는 전원공급부(140), 진공챔버(110)의 일측에 구비되어 진공챔버(110)의 내부로 반응가스가 유입되도록 하는 반응가스 유입구(150), 진공챔버(110)의 타측에 구비되어 진공챔버(110) 내부의 이물질이 배출되는 통로를 제공하는 배출구(160) 및 스테이지(130)의 그래핀 패턴 층(GP)이 안착되는 부분에 설치되는 그래핀 층 온도센서(190)를 포함할 수 있다.

그리고 반응가스 유입구(150)에는 반응가스 유입구 밸브(151)가 결합되고, 배출구(160)에는 배출구 밸브(161)가 결합될 수 있다.

그리고 그래핀 패턴 층(GP)의 식각 속도가 향상되도록 진공챔버(110)에는 이온빔 발생장치(170)가 결합될 수 있다.

그리고 진공펌프(120), 반응가스 유입구 밸브(151), 배출구 밸브(161), 전원공급부(140), 및 이온빔 발생장치(170)를 제어하는 제어부(200)를 포함할 수 있다.

한편, 진공챔버(110), 진공펌프(120), 스테이지(130) 및 이온빔 발생장치(170)에 대한 설명은 한국공개특허 제10-2003-0039080호에서 이미 알려진 사항이므로 생략하기로 한다.

반응가스 유입구(150)는 진공챔버(110)의 내부로 제1 반응가스가 유입되도록 하는 제1 반응가스 유입구(150-1)와 진공챔버(110)의 내부로 제2 반응가스가 유입되도록 하는 제2 반응가스 유입구(150-2)를 포함할 수 있다. 이때, 반응가스 유입구 밸브(151)는 제1 반응가스 유입구(150-1)에 결합되는 제1 유입구 밸브(151-1)와 제2 유입구 밸브(151-2)를 포함할 수 있다.

한편, 제1 반응가스 유입구(150-1)를 통해 진공챔버(110) 내부로 유입되는 제1 반응가스는 산소일 수 있다. 그리고 제2 반응가스 유입구(150-2)를 통해 진공챔버(110) 내부로 유입되는 제2 반응가스는 암모니아 가스 또는 아르곤 가스일 수 있다. 따라서 제1 반응가스 유입구(150-1)와 제2 반응가스 유입구(150-2)를 포함한 반응가스 유입구(150)를 통해 진공챔버(110)로 유입되는 반응가스는 산소와 암모니아의 혼합가스이거나 산소와 아르곤의 혼합가스일 수 있다.

전원공급부(140)는 제어부(200)에 의해 제어되어, 스테이지(130)에 서로 이격되어 결합되는 제1 및 제2 전원전극(141, 142)에 전원을 공급할 수 있다.

한편, 제1 및 제2 전원전극(141, 142) 사이에 그래핀 패턴 층(GP)이 위치된 상태에서 전원공급부(140)가 제1 및 제2 전원전극(141, 142)에 전원을 공급하면, 그래핀 패턴 층(GP)은 자체 저항에 의해 발열되어 가열된다.

그래핀 패턴 층 온도센서(190)는 그래핀 패턴 층(GP)의 온도를 감지하여 제어부(200)로 전송한다.

제어부(200)의 입력측에는 그래핀 패턴 층(GP)의 온도를 감지하는 그래핀 패턴 층 온도센서(190)와 사용자가 명령을 입력할 수 있도록 하는 입력부(210)가 제공되고, 출력측에는 반응가스 유입구 밸브(151), 배출구 밸브(161), 전원공급부(140)가 제공될 수 있다.

이러한 제어부(200)는 20~30nm 정도의 폭을 가지는 그래핀 패턴 층(GP)이 제1 및 제2 전원전극(141, 142) 사이에 위치하는 경우 전원공급부(143)가 제1 및 제2 전원전극(141, 142)에 전원을 공급하게 하고, 그래핀 패턴 층 온도센서(190)가 일정한 온도 이상을 감지하면 반응가스 유입구(150)이 개방되도록 반응가스 유입구 밸브(151)를 개방하여 반응가스가 진공챔버(110)로 유입되도록 한다. 이때, 일정한 온도는 섭씨 800도 이상일 수 있다. 이러한 제어부(200)의 제어에 의해 그래핀 패턴 층(GP)는 반응가스와 반응하여 식각된다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 식각장치를 이용한 식각방법에 대해 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 식각장치를 이용한 식각방법을 나타낸 흐름도이고, 도 5, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일실예에 따른 그래핀 식각장치를 이용한 식각방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3, 도 5, 도 8 및 도 9를 참조하면, 우선, 20~30nm 정도의 폭을 가지는 도 5와 같이 그래핀 패턴 층(GP)을 형성한다(301). 여기서, 그래핀 패턴 층(GP)을 형성하는 방법은 이온빔 리쏘그라피(E-beam lithography) 또는 산소 플라즈마 식각방법(Oxygen plasma etching)일 수 있다.

한편, 301 단계에서 그래핀 패턴 층(GP)의 모양을 변형하여 그래핀 패턴 층(GP)의 폭을 조절할 있다. 이에 대해, 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 6과 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 패턴 층의 모양에 의해 그래핀 패턴 층의 폭이 조절되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

구체적으로, 도 6에서 도시되는 바와 같이, 그래핀 패턴 층(GP)의 일부분의 폭(d1)을 다른 일부분의 폭(d2)보다 작게 하면, 작은 폭(d1)을 가지는 부분에서는 충전 에너지(charging energy)가 증가하게 된다. 이에 따라, 작은 폭(D1)을 가지는 부분에서의 식각속도가 빨라지게 됨으로써, 도 7에서 도시되는 바와 같이, 작은 폭(d1)을 가지는 부분에서의 식각 폭(d3)은 큰 폭(d2)을 가지는 부분에서의 식각 폭(d4)보다 크게 된다. 이와 같은 원리를 이용하여 그래핀 패턴 층(GP)의 폭을 조절할 수 있게 된다.

그 다음, 도 8에서 도시되는 바와 같이, 그래핀 패턴 층(GP)을 스테이지(130)에 안착시키고, 전원공급부(140)의 제1 전원전극(141)과 제2 전원전극(142)을 그래핀 패턴 층(GP)에 접촉시킨다(302).

그 다음, 제어부(200)는 전원공급부(143)를 제어하여 전원공급부(143)가 제1 및 제2 전원전극(141, 142)에 전원을 공급하도록 한다(303).

그 다음, 제어부(200)는 그래핀 패턴 층 온도센서(190)으로부터 입력되는 온도 정보를 이용하여 그래핀 패턴 층(GP)의 온도가 일정한 온도 이상인지를 판단한다(304). 즉, 그래핀 패턴 층(GP)의 온도가 섭씨 800도 이상인지를 판단한다.

304 단계에서 그래핀 패턴 층(GP)의 온도가 일정한 온도 이상이 아닌 것으로 판단되면 계속하여 그래핀 패턴 층 온도센서(190)로부터 입력되는 온도 정보를 이용하여 그래핀 패턴 층(GP)의 온도가 일정한 온도 이상인지를 판단한다.

반면에, 303 단계에서 그래핀 패턴 층(GP)의 온도가 일정한 온도 이상인 것으로 판단되면, 제어부(200)는 반응가스 유입구(150)가 개방되도록 반응가스 유입구 밸브(151)를 제어하여 진공챔버(110) 내부로 제1 및 제2 반응가스가 유입되도록 한다(305).

여기서, 제1 반응가스는 산소이고, 제2 반응가스는 아르곤 가스 또는 암마모니아 가스일 수 있다. 이렇게 하면, 도 9에서 도시되는 바와 같이, 제1 반응가스와 제2 반응가스의 혼합가스가 그래핀 패턴 층(GP)의 표면과 반응하여 그래핀 패턴 층(GP)의 표면이 식각된다.

그 다음, 제어부(200)는 일정시간이 경과하였는지를 판단한다(306).

여기서, 일정시간은 그래핀 패턴 층(GP)의 식각 길이에 따라 설정될 수 있다. 즉, 그래핀 패턴 층(GP)의 식각 길이가 긴 경우에는 일정시간은 길게 설정되고, 그래핀 패턴 층(GP)의 식각 길이가 짧은 경우에는 일정시간은 짧게 설정된다.

306 단계에서 일정시간이 경과되지 않은 것으로 판단되면, 제어부(200)는 계속하여 일정시간이 경과하였는지를 판단한다.

반면에, 303 단계에서 일정시간이 경과하였는 것으로 판단되면, 제어부(200)는 배출구(160)가 개방될 수 있도록 배출구 밸브(161)를 개방하면서(307) 종료한다.

본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 그래핀 식각장치 110: 진공챔버
120: 진공펌프 130: 스테이지
140: 전원공급부 150: 반응가스 유입구
160: 배출구

Claims (8)

1. 진공챔버;
   반응가스가 상기 진공챔버 내부로 유입되는 통로를 제공하는 반응가스 유입구;
   상기 진공챔버 내부에 배치되고 그래핀 패턴 층이 안착되는 스테이지;
   상기 그래핀 패턴 층의 온도를 감지하는 그래핀 온도센서; 및
   상기 그래핀 패턴 층에 전원을 인가하기 위한 전원공급부를 포함하고,
   상기 스테이지에 상기 그래핀 패턴 층이 안착된 상태에서 상기 전원공급부는 상기 그래핀 패턴 층에 전원을 인가하고, 상기 그래핀 온도센서가 일정한 온도 이상이면 상기 반응가스 유입구가 개방되어 상기 반응가스가 상기 진공챔버로 유입되는 그래핀 식각장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 반응가스는 산소와 암모니아의 혼합가스 또는 산소와 아르곤의 혼합가스이고,
   상기 일정한 온도는 섭씨 800도 이상인 그래핀 식각장치.
3. 20 내지 30nm의 폭을 가지는 그래핀 패턴 층을 형성하는 단계;
   상기 그래핀 패턴 층을 진공챔버의 스테이지에 안착시키는 단계;
   상기 스테이지에 안착된 상기 그래핀 패턴 층에 전원을 인가하는 단계; 및
   상기 그래핀 패턴 층의 온도가 일정한 온도 이상이면 상기 진공챔버 내부로 반응가스를 유입시키는 단계를 포함하는 그래핀 식각장치를 이용한 식각방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 일정한 온도는 섭씨 800도인 그래핀 식각장치를 이용한 식각방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 반응가스는 산소와 암모니아의 혼합가스 또는 산소와 아르곤의 혼합가스인 그래핀 식각장치를 이용한 식각방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

Images