KR101556360B1

KR101556360B1 - 그래핀 물성 복귀 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101556360B1
Application number: KR1020120089736A
Authority: KR
Inventors: 최재영; 유원종; 이승환; 임영대
Original assignee: 삼성전자주식회사; 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2015-09-30
Also published as: US9643850B2; KR20140023631A; US20140048411A1

Abstract

그래핀 물성 복귀 방법 및 장치가 개시된다. 개시된 그래핀 물성 복귀 방법 및 장치는 그래핀을 접지한 상태에서 0.3*10⁸~30*10⁸ cm^-3의 범위 내에 저밀도 플라즈마에 상기 그래핀을 노출하여 상기 그래핀의 물성을 복귀시킨다. 이러한 그래핀 물성 복귀 방법 및 장치는 저온, 대면적, 빠른 공정속도, 친환경, 그리고 실리콘 공정과 호환가능하다.

Description

그래핀 물성 복귀 방법 및 장치{Method and apparatus for restoring property of Graphene}

본 개시는 그래핀 물성 복귀 방법 및 장치에 관한 것이다.

탄소 원자들로 구성된 저차원 나노물질로는 풀러렌(fullerene), 탄소나노튜브(carbon Nanotube), 그래핀(graphene), 흑연(graphite) 등이 존재한다. 즉, 탄소 원자들이 6 각형 모양의 배열을 이루면서 공 모양이 되면 0 차원 구조인 풀러렌, 1 차원적으로 말리면 탄소나노튜브, 2 차원상에서 원자 한 층으로 이루어지면 그래핀, 3 차원으로 쌓이면 흑연으로 구분을 할 수 있다.

그래핀은 전기적/기계적/화학적인 특성이 매우 안정적이고 뛰어날 뿐만 아니라 우수한 전도성을 가져 그래핀을 이용한 나노소자에 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 그래핀은 벌크(bulk) 형태의 실리콘과 비교할 때 외부 환경에 민감하며 이로 인해 O, H, H₂O 에 의해 쉽게 그 고유의 성질이 변화된다. 또한 그래핀을 전자 소자에 적용할 때 그래핀은 마스크 패터닝 공정에 의해 레지스트 잔류물와의 접촉을 피할 수 없다. 이러한 그래핀의 오염은 그래핀의 전하중성점, 도핑상태, 반송자(전자와 홀) 전도도와 같은 물성의 변화를 일으키게 되는데, 이는 그래핀이 전자소자에 적용되기 위해서 시급히 해결되어야 할 문제이다.

이러한 그래핀 물성변화 문제 해결하기 위해 열 처리(thermal annealing), 전류처리(electrical current annealing), 클로로포름(Chloroform)과 같은 용제에 의한 처리(solvent treatment) 등의 그래핀 클리닝 공정이 제안되었다.

하지만 열 처리 경우 대략 200 ~ 500 °C의 고온, 대략 2~4 시간의 느린 공정속도의 공정이며 이로 인하여 소자가 데미지를 받을 수 있다. 또한 열 처리만으로는 폴리머 잔류물이 완전히 제거되지 않는다. 한편, 전류처리는 그래핀의 국소면적 어닐링만 가능하다. 더 나아가 클로로포름 처리(Chloroform treatment)는 클로로포름이 독성의 마취제라는 점에서 공정 환경측면에서 볼 때 부적합하다.

본 발명의 실시예들은 대면적, 저온, 빠른 공정속도, 친환경, 그리고 실리콘 공정과 호환가능한(Si compatible) 그래핀의 물성 복귀 방법 및 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 한 측면에 따르는 그래핀 물성 복귀 방법은 그래핀을 접지하는 단계; 및 0.3*10⁸~30*10⁸ cm^-3의 범위 내에 저밀도 플라즈마에 상기 그래핀을 노출하여 상기 그래핀의 물성을 복귀시키는 단계;를 포함한다.

상기 저밀도 플라즈마의 이온 밀도는 1.0*10⁸~10*10⁸ cm^-3의 범위 내에 있을 수 있다.

상기 저밀도 플라즈마는 유도결합 플라즈마용 전극에 입력되는 파워를 조절하여 저밀도를 구현한 유도결합 플라즈마일 수 있다.

또는 상기 저밀도 플라즈마는 상대 전극에 입력되는 파워를 펄스 주파수 및 듀티 사이클을 조절하여 저밀도를 구현할 수도 있다.

상기 플라즈마는 비활성 가스에 의해 생성될 수 있다.

상기 그래핀의 물성은 전하중성점, 도핑상태, 및 반송자전도도 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르는 그래핀 물성 복귀 장치는 처리 용기; 상기 처리 용기 내에 배치되며 그래핀을 접지 상태로 지지하는 전극 척; 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 전극; 및 상기 플라즈마 전극이 0.3*10⁸~30*10⁸ cm^-3의 범위 내에 저밀도 플라즈마를 생성시키도록 상기 플라즈마 전극에 파워를 공급하는 플라즈마용 전원;을 포함할 수 있다.

상기 플라즈마 전극은 유도결합 플라즈마용 전극이며, 상기 저밀도 플라즈마는 상기 유도결합 플라즈마용 전극에 입력되는 파워를 조절하여 저밀도를 구현한 유도결합 플라즈마일 수 있다.

상기 플라즈마 전극은 상대 전극이며, 상기 저밀도 플라즈마는 상기 상대 전극에 입력되는 파워를 펄스 주파수 및 듀티 사이클을 조절하여 저밀도를 구현한 펄스 플라즈마일 수 있다.

상기 플라즈마는 비활성 가스에 의해 생성될 수 있다.

개시된 실시예들에 의한 그래핀 물성 복귀 방법 및 장치는 저온, 대면적, 빠른 공정속도, 친환경, 그리고 실리콘 공정과 호환가능하다. 가령, 개시된 실시예들에 의한 그래핀 물성 복귀 방법 및 장치는 열 처리(thermal annealing)에 비해 실리콘 공정과 호환가능하며, 고속 및 저온 공정이 가능하며, 전류처리(electrical current annealing)에 비하여 실리콘 공정과 호환가능하며, 대면적 공정이 가능하며, 화학적 처리(chemical treatment)에 비하여 실리콘 공정과 호환가능하며, 친환경적 공정이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 물성 복귀 장치를 도시한다.
도 2는 도 1의 장치의 동작을 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 오염된 그래핀을 처리하여 그래핀의 물성을 복귀시키는 과정을 도시한다.
도 4는 도 1의 그래핀 물성 복귀 장치에서 플라즈마 이온의 밀도와 전자 온도의 예를 도시한다.
도 5는 플라즈마 처리에 따른 그래핀 표면 상태의 변화를 보여주는 AFM 이미지이다.
도 6 및 도 7은 도 5에서 A, B, C, D, 및 E에 해당되는 그래핀 표면 상태의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8a는 플라즈마 처리의 설정에 따른 그래핀들의 라만 스펙트럼 그래프이며, 도 8b는 도 8a에서 G밴드 영역 A 박스 지역을 확대한 그래프이다.
도 9는 그래핀 소자의 일 예인 G-FET를 도시한다.
도 10 내지 도 13은 본 실시예에 따른 그래핀 물성 복귀 방법에 따라 도 9의 G-FET을 처리한 후 G-FET의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 물성 복귀 장치를 도시한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.

그래핀은 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것으로서, 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 그 결과 그래핀은 서로 공유결합된 탄소원자들(통상 sp² 결합)의 단일층으로서 보이게 된다. 본 명세서에서 사용되는 "그래핀(graphene)"이라는 용어는 단일층의 그래핀 뿐만 아니라, 몇몇의 층으로 이루어진 그래핀(few-layer graphene)까지도 포괄적으로 지칭한다. 이러한 그래핀은 종래에 알려진 방법에 따라 제조하는 것이 가능하며, 예를 들어 그래핀 시트를 제조한 후 이를 소정 크기로 절단하여 사용할 수 있으며, 또는 기판 상에서 직접 성장시켜 제조하는 것도 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 물성 복귀 장치(100)를 도시한다. 도 1을 참조하면, 본 실시예의 그래핀 물성 복귀 장치(100)는 처리 용기(110), 전극 척(120), 유도결합 플라즈마용 전극(130), 및 유도결합 플라즈마용 전원(160)을 포함한다. 이와 같은 본 실시예의 그래핀 물성 복귀 장치(100)는 (Inductively Coupled Plasma, ICP)를 이용하여 그래핀의 물성을 복귀시키는 장치이다.

처리 용기(110)는 감압가능한 진공 챔버일 수 있다. 처리 용기(110)의 상부는 유전체창(140)으로 이루어질 수 있다. 처리 용기(110)에는 주입구(115) 및 배출구(119)가 마련되어 처리 가스(117)가 주입 및 배출될 수 있다. 처리 가스(117)는 아르곤(Ar), 제논(Xe), 및 네온(Ne) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 비활성 가스일 수 있다.

전극 척(120)은 처리 용기(110) 내에 배치되어, 피처리체인 그래핀(10)을 지지한다. 전극 척(120)은 접지 상태를 유지한다. 전극 척(120)에는 바이어스 전원(170)이 연결될 수 있는데, 이 경우 바이어스 전원(170)은 전극 척(120)에 파워를 공급하지 않는다.

유도결합 플라즈마용 전극(130)은 유전체창(140)을 사이에 두고 배치된다. 유도결합 플라즈마용 전극(130)으로는 도 1에 도시된 것과 같은 나선형 코일이나 그밖에 다양한 변형예들이 채용될 수 있다. 본 실시예는 유도결합 플라즈마용 전극(130) 및 유전체창(140)이 처리 용기(110)의 상부 쪽에 배치된 예를 가지고 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로서, 유도결합 플라즈마용 전극(130) 및 유전체창(140)은 처리 용기(110)의 측벽쪽에 마련될 수도 있다. 또 다른 예로, 유도결합 플라즈마용 전극(130)은 처리 용기(110)의 내부에 마련될 수도 있다.

유도결합 플라즈마용 전원(160)은 유도결합 플라즈마용 전극(130)에 고주파 파워를 공급함으로써 처리 가스(117)를 방전시켜 플라즈마를 형성한다. 예를 들어, 처리 가스(117)가 아르곤(Ar) 가스인 경우, 유도결합 플라즈마용 전원(160)은 13.56MHz의 고주파 파워를 공급한다. 이때, 공급되는 파워는 유도결합 플라즈마용 전극(130)에 의해 발생되는 플라즈마의 농도가 0.3*10⁸~30*10⁸ cm^-3, 바람직하게는 1.0*10⁸~10*10⁸ cm^-3의 범위 내에 있도록 설정될 수 있다.

도 2는 도 1의 장치의 동작을 도시하며, 도 3a 내지 도 3c는 오염된 그래핀을 처리하여 그래핀의 물성을 복귀시키는 과정을 도시한다. 도 2 및 도 3a 내지 도 3c를 참조하여, 본 실시예의 장치(100)를 이용하여 그래핀의 물성을 복귀시키는 방법을 설명한다.

도 2를 참조하면, 유도결합 플라즈마용 전원(160)에서 고주파 코일(130)에 파워를 공급하게 되면, 고주파 코일(130)에 흐르는 고주파 전류에 의해 고주파 코일(130) 주위에 교류 자계가 발생된다. 교류 자계는 유전체창(140)을 통해 처리 용기(110) 내의 처리 공간을 통과한다. 이러한 교류 자계의 시간적인 변화에 따라 처리 공간 내에서 방위각 방향으로 유도 전계가 발생되고, 유도 전계에 의해 방위각 방향으로 가속된 전자가 처리 가스의 분자 또는 원자와 전리 충동을 일으켜 플라즈마가 생성된다. S1 영역은 플라즈마가 생성된 영역이고 S2 영역은 쉬스(sheath)를 나타낸다. 쉬스(S2)는 잘 알려진 바와 같이 전자가 고갈되어 전자에 의한 이온화가 거의 발생하지 않는 영역이다. 한편, 그래핀(10)이 탑재된 전극 척(120)은 접지되어 있으므로, 그 전위(potential)은 0V이다. 전극 척(120)에 파워가 공급되지 않고 저밀도의 유도결합 플라즈마만이 생성된 상태에서 그래핀(10)에 도달되는 것은 실질적으로 처리 가스의 플라즈마 이온(예를 들어 Ar⁺)과 전자로 이해될 수 있다.

도 3a는 그래핀(10)이 오염 물질(20)에 오염된 경우를 도시한다. 도 3a와 같이 그래핀(10)은 외부 환경에 민감하여 오염 물질(20)에 쉽게 오염될 수 있다. 이러한 오염의 예로서, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 공정으로 생산된 대면적 그래핀일 경우 핸들레이어(handle layer)로 PMMA(Poly(methyl methacrylate))가 사용되는데, 이로 인한 폴리머 잔류물(residue polymer) 발생될 수 있다. 또한, 그래핀은 O, H, H₂O 와 같은 물질과 쉽게 결합하거나 탄소 결합 구조가 변형될 수 있다. 나아가, 그래핀이 소자에 적용될 경우 제조 공정에서 발생되는 레지스트 잔류물(resist residue)이 그래핀에 남을 수 있다. 이와 같은 오염 물질이나 변형에 의하여 그래핀(10)의 전하중성점, 도핑상태, 반송자(전자와 홀) 전도도와 같은 물성이 변화될 수 있다.

도 3b는 저밀도의 플라즈마로 그래핀(10)을 처리하는 중간 상태를 도시하며, 도 3c는 그래핀(10)을 저밀도의 프라즈마로 소정 시간동안 처리한 후의 상태를 도시한다. 통상적인 플라즈마 처리 장치는 상대적으로 고밀도의 플라즈마를 이용하는데, 이러한 고밀도의 플라즈마는 그래핀(10)에 붙은 오염 물질(20)을 제거할 뿐만 아니라 그래핀(10)의 탄소 결합 구조를 파괴하기도 한다. 또한, 통상적인 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 처리과정에서 전극 척(120)에 바이어스 전압이 인가되어 그래핀(10)에 전원이 공급됨에 따라 그래핀(10) 자체의 탄소 결합 구조를 파괴하기도 한다. 반면에 본 실시예는 전극 척(120)에 바이어스 전압을 인가하지 않고 단순히 접지된 상태를 유지시킨 상태에서 저밀도의 플라즈마로 그래핀(10)을 처리함으로써 플라즈마에 의한 그래핀(10)의 탄소 결합 구조의 손상을 방지하며, 나아가 후술하는 실험데이터에서 확인할 수 있듯이 그래핀(10)의 물성을 오염되지 않은 상태로 복원시킨다.

도 4는 본 실시예의 그래핀 물성 복귀 장치(100)에서 플라즈마 이온의 밀도와 전자 온도의 예를 도시한다. 플라즈마 이온의 밀도와 전자 온도의 측정을 위해 실시간 측정이 가능한 랭뮤어 탐침(Langmuir probe)(150)를 사용하였다. 한편, 본 실시예의 그래핀 물성 복귀 장치(100)에서 전극 척(120)에 파워가 인가되는 경우를 비교예로서 살펴보기 위하여, 바이어스 전원(170)을 전극 척(120)에 연결하였다.

먼저 유도결합 플라즈마 방전(ICP DISCHARGE)인 경우를 살펴본다. 이때, 바이어스 전원(170)은 전극 척(120)에 파워를 공급하지 않으며, 전극 척(120)은 접지 상태를 유지한다. 도 4를 참조하면 유도결합 플라즈마용 전원(160)로부터 유도결합 플라즈마용 전극(130)에 공급되는 파워의 크기에 플라즈마 이온밀도가 대체로 비례한다. 특히, 유도결합 플라즈마용 전원(160)으로부터의 파워(power)가 5W에서 3.5*10⁸ cm^-3의 매우 낮은 이온밀도를 가지는 유도결합 플라즈마가 형성됨을 볼 수 있다. 유도결합 플라즈마용 전원(160)을 통해 입력되는 파워가 5W에서 점차 커지게 되면, 이온밀도가 커지며 가령 40W 정도가 되면 10¹⁰ cm^-3의 높은 이온밀도의 플라즈마가 형성됨을 볼 수 있다.

한편, 5W 파워에서 전자 온도가 3.5 eV 근방임을 볼 수 있다. 통상적으로 플라즈마의 전자온도가 1~5eV이면 플라즈마를 이용한 처리(treatment)가 가능하므로, 5W의 낮은 파워에서도 본 실시예의 그래핀 물성 복귀 장치(100)는 정상적으로 작동함을 알 수 있다.

다음으로, 용량결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 방전인 경우를 살펴본다. 이때, 유도결합 플라즈마용 전원(160)에서 파워는 공급되지 않는다. 도 4를 참조하면, 전극 척(120)에 파워가 공급되는 경우, 용량결합 플라즈마가 형성되는데, 5W은 낮은 파워에서도 3*10⁹ cm^-3 이상의 고밀도 플라즈마가 형성됨을 볼 수 있다. 용량결합 플라즈마는 낮은 파워에서도 고밀도 플라즈마가 형성되어 도 10을 참조한 후술하는 설명에서도 언급하는 바와 같이 그래핀의 물성을 복귀시키기 보다 그래핀에 결함을 유발하는 것으로 보여진다. 따라서, 본 실시예의 그래핀 물성 복귀 장치(100)는 전극 척(120)에 파워를 공급하지 않고 접지된 상태로 유지시킨다.

도 5는 플라즈마 처리에 따른 그래핀 표면 상태의 변화를 보여주는 원자힘 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM) 이미지이다. 도 5에서 A는 오염되지 않은 그래핀(pristine graphen)의 이미지이며, B는 오염물질이 완전히 제거되지 않은 그래핀-전계효과트랜지스터(G-FET)의 이미지이며, C는 B의 G-FET에 5W의 파워로 81초동안 ICP 처리한 후의 이미지이며, D는 B의 G-FET에 5W의 파워로 162초동안 ICP 처리한 후의 이미지이며, E는 B의 G-FET에 5W의 파워로 486초동안 ICP 처리한 후의 이미지이다. 도면에서 Gr은 그래핀을 가리킨다. 도면을 참조하면, 162초에서 오염물질이 제거되어 깨끗해진 상태를 볼 수 있다.

도 6은 도 5에서 A, B, C, D, 및 E에 해당되는 그래핀 표면의 프로파일 변화를 보여주는 그래프이며, 도 7은 도 5에서 A, B, C, D, 및 E에 해당되는 그래핀의 표면 거칠기(RMS roughness) 및 두께 변화를 보여주는 그래프이다. 도 6에서 그래핀은 대략 0.5μm 이후의 위치(X)에 놓여져 있다.

도 6 및 도 7을 참조하면, B나 C에서 그래핀의 높이(Z)의 변화가 매우 높고 표면이 매우 거친 것을 볼 수 있는데, 이는 그래핀-전계효과트랜지스터(G-FET)의 제조 과정에서 레지스트 잔류물(resist residue)이 그래핀에 아직 남아 있는 상태로 이해될 수 있다. 한편, A. D 및 E에서 그래핀의 높이(Z)의 변화가 거의 없으며 표면 거칠기가 매우 낮음을 볼 수 있다. 즉, ICP처리가 162초 동안 진행된 상태에서 이미 그래핀의 크리닝이 완성된 것으로 판단되며 이 이후 ICP 처리가 계속 진행되어도 그래핀의 높이 및 표면 거칠기는 거의 변화가 없음을 확인할 수 있다.

도 8a는 플라즈마 처리의 설정에 따른 그래핀들의 라만 스펙트럼(Raman spectra) 그래프이며, 도 8b는 도 8a에서 G밴드 영역 A 박스 지역을 확대한 그래프이다.

도 8a를 참조하면, 5W의 파워에서 ICP 처리를 486초동안 진행한 경우 D 밴드(1350cm^-1)가 검출되지 않았다. 하지만 40W의 파워에서 ICP 처리를 162초 동안 처리할 경우 D 밴드가 확인되었다. 이는 ICP 처리시 40W의 파워에서는 그래핀을 손상시켜 결함을 발생시키지만, 5W의 파워에서는 그래핀의 결함이 억제되는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 도 8b를 참조하면, 5W의 파워에서의 ICP 처리 시각 0초와 486초를 비교할 때, G-피크가 4cm^-1 만큼 상방 시프트(up-shift)되고 2D-피크가 12cm^-1 만큼 하방 시프트(down-shift) 하였음을 볼 수 있다. 이는 ICP 처리에 따라 그래핀에 입사하는 전류밀도(J_e)로 인하여 n-도핑이 되는 것으로 이해될 수 있다.

다음으로, 그래핀을 이용한 소자에 본 실시예의 그래핀 물성 복귀 방법을 적용한 예를 설명하기로 한다.

도 9는 그래핀 소자의 일 예인 G-FET(30)를 도시하며, 도 10 내지 도 13은 본 실시예에 따른 그래핀 물성 복귀 방법에 따라 도 9의 G-FET(30)을 처리한 후 G-FET(30)의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.

도 9를 참조하면, G-FET(30)은 p형-실리콘(p-Si)으로 이루어진 게이트(31), 게이트(31) 상에 실리콘 산화물(SiO₂)로 형성된 절연층(33), 절연층(33) 상에 형성된 그래핀(39), 그래핀(39)의 양단에 마련된 소스 및 드레인 전극(35, 37)을 포함한다. 기판(31)은 게이트 전극으로 기능할 수 있으며, 그래핀(39)은 채널층으로 기능할 수 있다. 그래핀(39)은 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)(CVD) 방식으로 형성된 후 리프트-오프 방식으로 절연층(33) 상에 전사되거나 혹은 절연층(33)에 직접 형성된 것일 수 있다. 그런데, 그래핀 형성시 핸들레이어(handle layer)로 사용되는 PMMA와 같은 기재가 아세톤등으로 완전히 제거되지 아니하여 잔류물이 발생하게 되고 이에 따라 그래핀(39)의 물성이 열화된다.

도 10은 G-FET(30)의 게이트(31)에 인가되는 게이트 전압(Vg)이 영(0)인 경우의 드레인측 전류-전압 특성을 보여준다. 5W의 파워가 인가된 CCP에 27초 동안 노출된 그래핀(39)은 거의 파괴되어 전도 수준(conduction level)이 0이 되었음을 볼 수 있다. 또한 40W의 파워가 인가된 ICP에 그래핀(39)이 노출된 경우도 그래핀(39)의 전도 수준이 크게 감소하였음을 볼 수 있다. 반면에, 5W의 낮은 파워가 인가된 ICP에 노출될 경우 그래핀(39)의 전도 수준에 변동이 발생되어, 그래핀(39)의 G-FET(30)의 채널층으로 기능할 수 있음을 볼 수 있다. 그래핀(39)의 전도 수준 변동은 도 8a 및 도 8b의 라만 스펙트럼에서 볼 수 있듯이, Vdirac이 시프트하기 때문으로 이해될 수 있다.

도 11를 참조하면, 5W의 파워에서 이루어진 ICP 처리에 따라 Id-Vg 의 곡선이 변동됨을 볼 수 있다. 각 곡선의 최저점에 해당되는 V_dirac은 0초에서 162초로 ICP 처리를 수행함에 따라 56V에서 8V로 이동한다. 하기의 표 1은 캐리어 이동도(carrier mobility)를 표시한다.

	정공 이동도(cm²/Vs)	전자 이동도(cm²/Vs)
ICP (5W) for 0s	1570	1550
ICP (5W) for 81s	3140	3120
ICP (5W) for 162s	4160	4080

상기의 표 1을 참조하면, 전자 이동도(electron mobility)는 1550 cm²/Vs에서 4080 cm²/Vs로, 정공 이동도(hole mobility)는 1570 cm²/Vs에서 4160 cm²/Vs로 증가하였다.

한편, 도 12을 참조하면, 162초 이후 486초까지 계속 ICP 처리를 하는 경우, V_dirac 은 8V 에서 -37V 로 이동하였다. 이는 그래핀(39)으로 입사한 전류 밀도(Je)로 인하여 일시적인 n-도핑이 되는 것으로 이해된다. 하지만 도 13을 참조하면, 486초에서 전기적 측정을 반복할 경우 다시 그래핀(39)은 중성으로 회복됨을 볼 수 있다. 즉, 도 12에서 ICP 처리에 따른 V_dirac의 이동은, ICP 처리 후 전기적 측정이 반복될 때 다시 원래 상태로 회복될 수 있음을 알 수 있다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 물성 복귀 장치를 도시한다.

본 실시예의 그래핀 물성 복귀 장치(200)는, 처리 용기(210)과, 전극 척(220)과 펄스 발생기(250)를 구비한 전원부를 포함한다. 전극 척(220)은 작업 전극(working electrode)로 기능하며, 처리 용기(210)의 측벽은 상대 전극(counter electrode)(240)로 기능한다. 경우에 따라서는 처리 용기(210)의 상부가 상대 전극으로 기능할 수 도 있다.

전극 척(220)에는 피처리체인 그래핀(10)이 배치된다. 본 실시예의 전극 척(220)은 전술한 실시예와 마찬가지로 접지 상태를 가지고 있다.

상대 전극(240)에는 펄스 파워가 입력된다. 이러한 펄스 파워는 13.56MHz와 같은 고주파 파워를 공급하는 바이어스 전원(260)에 펄스 발생기(250)를 장착함으로써 공급될 수 있다. 펄스의 주파수(Pulse-Frequency)와 듀티 싸이클(Duty-Cycle)을 조절함으로써, 종래의 플라즈마 공정 조건보다 저밀도의 플라즈마를 형성할 수 있다. 즉, 파워를 펄스로 공급함으로써 플라즈마가 발생되는 빈도를 낮추어 저밀도의 플라즈마를 실현할 수 있다. 예를 들어, 펄스 발생기(250)에서 공급되는 펄스 파워는 50~500Hz의 주파수와 20~99%의 듀티 범위의 펄스 조건을 만족하도록 설정하여, 플라즈마용 전극(130)에 의해 발생되는 플라즈마의 농도가 0.3*10⁸~30*10⁸ cm^-3, 바람직하게는 1.0*10⁸~10*10⁸ cm^-3의 범위 내에 있도록 설정될 수 있다.

본 실시예의 그래핀 물성 복귀 장치(200)는 그래핀(10)이 장착되는 전극 척(220)이 접지된 상태이며, 저밀도의 플라즈마를 공급한다는 점에서, 전술한 실시예의 그래핀 물성 복귀 장치(100)의 기능과 실질적으로 동일하다.

또한, 본 실시예의 그래핀 물성 복귀 장치(200)는 상대 전극(240)에 펄스 파워를 입력하여 펄스 플라즈마를 생성시켰으나, 이에 한정되지 아니하며 유도결합 플라즈마 처리 장치의 유도결합 프라즈마용 전극에 펄스 파워를 공급함으로써 저밀도 플라즈마를 구현할 수도 있을 것이다.

전술한 본 발명인 그래핀 물성 복귀 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 그래핀 20 : 오염 물질
30 : G-FET 100 : 그래핀 물성 복귀 장치
110 : 처리 용기 115 : 유입구
119 : 유출구 120 : 전극 척
130 : 유도결합 플라즈마용 전극 140 : 유전체창
150 : 랭뮤어 탐침 160 : 유도결합 플라즈마용 전원
170 : 바이어스 전원 190 : 플라즈마
200 : 그래핀 물성 복귀 장치 210 : 처리 용기
220 : 전극 척 240 : 상대 전극
250 : 펄스 발생기 260 : 바이어스 전원
290 : 플라즈마

Claims

그래핀을 접지하는 단계; 및
0.3*10⁸~30*10⁸ cm^-3의 범위 내에 저밀도 플라즈마에 상기 그래핀을 노출하여 상기 그래핀의 물성을 복귀시키는 단계;를 포함하는 그래핀 물성 복귀 방법.
제1 항에 있어서,
상기 저밀도 플라즈마의 이온 밀도는 1.0*10⁸~10*10⁸ cm^-3의 범위 내에 있는 그래핀 물성 복귀 방법.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 저밀도 플라즈마는 유도결합 플라즈마용 전극에 입력되는 파워를 조절하여 저밀도를 구현한 유도결합 플라즈마인 그래핀 물성 복귀 방법.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 저밀도 플라즈마는 상대 전극에 입력되는 파워를 펄스 주파수 및 듀티 사이클을 조절하여 저밀도를 구현한 펄스 플라즈마인 그래핀 물성 복귀 방법.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 플라즈마는 비활성 가스에 의해 생성되는 그래핀 물성 복귀 방법.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 그래핀의 물성은 전하중성점, 도핑상태, 및 반송자전도도 중 적어도 어느 하나인 그래핀 물성 복귀 방법.
처리 용기;
상기 처리 용기 내에 배치되며 그래핀을 접지 상태로 지지하는 전극 척; 및
상기 처리 용기 내에 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 전극;
상기 플라즈마 전극이 0.3*10⁸~30*10⁸ cm^-3의 범위 내에 저밀도 플라즈마를 생성시키도록 상기 플라즈마 전극에 파워를 공급하는 플라즈마용 전원;을 포함하는 그래핀 물성 복귀 장치.
제7 항에 있어서,
상기 저밀도 플라즈마의 이온 밀도는 1.0*10⁸~10*10⁸ cm^-3의 범위 내에 있는 그래핀 물성 복귀 장치.
제7 항 또는 제8 항에 있어서,
상기 플라즈마 전극은 유도결합 플라즈마용 전극이며, 상기 저밀도 플라즈마는 상기 유도결합 플라즈마용 전극에 입력되는 파워를 조절하여 저밀도를 구현한 유도결합 플라즈마인 그래핀 물성 복귀 장치.
제7 항 또는 제8 항에 있어서,
상기 플라즈마 전극은 상대 전극이며, 상기 저밀도 플라즈마는 상기 상대 전극에 입력되는 파워를 펄스 주파수 및 듀티 사이클을 조절하여 저밀도를 구현한 펄스 플라즈마인 그래핀 물성 복귀 장치.
제7 항 또는 제8 항에 있어서,
상기 플라즈마는 비활성 가스에 의해 생성되는 그래핀 물성 복귀 장치.
제7 항 또는 제8 항에 있어서,
상기 그래핀의 물성은 전하중성점, 도핑상태, 및 반송자전도도 중 적어도 어느 하나인 그래핀 물성 복귀 장치.