KR101630070B1 - 그래핀 및 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 성장 방법 - Google Patents

그래핀 및 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 성장 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101630070B1
KR101630070B1 KR1020140140506A KR20140140506A KR101630070B1 KR 101630070 B1 KR101630070 B1 KR 101630070B1 KR 1020140140506 A KR1020140140506 A KR 1020140140506A KR 20140140506 A KR20140140506 A KR 20140140506A KR 101630070 B1 KR101630070 B1 KR 101630070B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene
mask
growth
thin film
pattern
Prior art date
Application number
KR1020140140506A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160042368A (ko
Inventor
김진교
이상화
주미연
Original Assignee
경희대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경희대학교 산학협력단 filed Critical 경희대학교 산학협력단
Publication of KR20160042368A publication Critical patent/KR20160042368A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101630070B1 publication Critical patent/KR101630070B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • C01B32/186—Preparation by chemical vapour deposition [CVD]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2204/00—Structure or properties of graphene

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

기판 상의 촉매층의 촉매 마스크 패턴을 그래핀 성장용 금속 박막에 자발적 패턴 마스크로 전사시켜, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 선택적으로 성장시키는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 성장 방법이 개시된다.

Description

그래핀 및 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 성장 방법{GRAPHENE AND METHOD FOR GROWING OF GRAPHENE USING SPONTANEOUS PATTERN TRANSFER}
본 발명은 기판 상의 촉매층의 촉매 마스크 패턴을 그래핀 성장용 금속 박막에 자발적 패턴 마스크로 전사시켜, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 선택적으로 성장시키는, 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 성장 방법에 관한 것이다.
그래핀은 높은 전기전도도를 가질 뿐만 아니라 광학적으로도 높은 성능을 가지고 있어서 플렉시블 디스플레이와 터치패널 등 차세대 디스플레이 분야와 태양전지 등 에너지 사업분야, 스마트윈도우, RFID 등 다양한 전자 산업 분야에서 신소재로 활용도가 확대되고 있다.
그래핀은 상대적으로 가벼운 원소인 탄소로 이루어져 1차원 또는 2차원 나노패턴을 가공하기가 매우 용이하다는 장점이 있고, 이를 활용하면 반도체-도체 성질을 조절할 수 있을 뿐 아니라, 탄소가 가지는 화학결합의 다양성을 활용하여 다양한 소자로의 활용이 가능하다.
최근 수년간 그래핀은 기초적인 학문의 발전뿐만 아니라, 산업적인 기술을 성장시킬 수 있는 가능성 때문에 많은 관심을 받고 있다. 특히 최근에는 그래핀의 대면적 제작기법이 개발되면서 다양한 산업분야에 그 응용 가능성이 확대되고 있다.
그 중 산업전반에 널리 사용되고 있는 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)을 이용하여 대면적이면서도 용이한 성장으로 인하여 큰 응용 가능성에 대한 관심을 받고 있다.
그래핀을 이용한 많은 응용을 위해서는 그래핀층에 대한 패턴 생성 프로세스가 필수적인데, 종래에는 패턴 생성 프로세스는 성장 후 리소그래피(post-growth lithography) 방법 또는 촉매 패턴 성장(catalyst-patterned growth) 방법을 활용해 왔다.
이와 같은 종래 기술들은 그래핀에 직접적으로 원하는 패턴을 형성하거나, 금속 촉매층에 형성된 패턴을 이용하여 그래핀을 성장시키는 방법들로서, 성장 후 리소그래피 방법은 산소 플라즈마 환경하에서의 그래핀에 대한 건식 식각 프로세스로 인하여 결정 결함(dangling bond) 및 그래핀 나노리본(nanoribon)의 엣지(edge)에서의 결함(defect)으로 인하여 그래핀의 고유 특성을 저하시키는 문제점이 존재한다. 또한, 성장 후 리소그래피 방법은 그래핀 성장 후 그래핀 상에 제거하기가 어려운 잔여 유기물이 생성될 수 있고, 생성된 잔여 유기물은 그래핀의 전기적 특성 구조를 변화시키는 문제점이 존재한다.
또한, 촉매 패턴 성장 방법의 경우, 성장된 그래핀은 패턴을 포함하는 촉매 물질과의 직접적인 접촉으로 인하여, 성장된 그래핀이 제거되지 못한 잔여 유기물에 노출되어 전술한 특성 저하 등을 야기시키는 문제점이 존재한다.
이에, 전술한 그래핀의 성장 과정 중 잔여 유기물에 대한 노출이 없고, 그래핀의 고유 특성의 저하가 발생하지 않는 그래핀의 성장 방법에 대한 필요성이 대두되었다.
한국공개특허 제2012-0119789호(2012.10.31), "그래핀 다중층의 제조방법" 한국등록특허 제10-1367846호(2014.02.20), "전자 소자용 기판 및 이를 포함하는 발광 다이오드" 미국등록특허 제8,597,738호(2013.12.03), "FABRACATION OF SINGLE-CRYSTALLINE GRAPHENE ARRAYS"
본 발명은 마스크 패턴을 포함하는 촉매층 및 기판으로 구성되는 구조체 상에 형성된 그래핀 성장용 금속 박막에 그래핀의 성장 시, 촉매층의 마스크 패턴이 그래핀 성장용 금속 박막에 자발적으로 전사되어, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 선택적으로 성장시키는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 촉매층, 마스크 패턴을 포함하는 원자종 제공층 및 기판으로 구성되는 구조체 상에 형성된 그래핀 성장용 금속 박막에 그래핀의 성장 시, 원자종 제공층의 마스크 패턴이 그래핀 성장용 금속 박막에 자발적으로 전사되어, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 선택적으로 성장시키는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 그래핀에 직접적인 패턴을 생성하지 않아, 그래핀 성장 과정 중, 잔여 유기물에 대한 노출이 없고, 그래핀의 고유 특성의 저하가 발생하지 않는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 금속 박막(촉매)의 패턴 형성 과정 중의 생성된 잔여 유기물에 대한 노출 가능성이 존재하지 않는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법은 기판 상에 촉매 마스크 패턴을 갖는 촉매층을 형성하는 단계; 상기 형성된 촉매층 상에 그래핀 성장용 금속 박막을 형성하는 단계; 및 상기 그래핀 성장용 금속 박막에 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시켜, 상기 촉매 마스크 패턴이 상기 그래핀 성장용 금속 박막 상에 자발적 패턴 마스크로 전사되고, 상기 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 성장시키는 단계를 포함한다.
상기 자발적 패턴 마스크는 상기 기판으로부터 제공되는 원자 종(atomic species)이 상기 촉매 마스크 패턴을 통하여 상기 그래핀 성장용 금속 박막으로 확산되어 상기 반응 가스 및 열과 반응하여 생성된 마스크 물질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 촉매층은 상기 원자 종이 상기 그래핀 성장용 금속 박막으로의 확산되는 것을 활성화할 수 있다.
상기 촉매층은 FeCl3로 이루어질 수 있고, 상기 마스크 물질은 상기 그래핀의 성장을 억제하여 상기 자발적 패턴 마스크를 통하여 상기 그래핀이 선택적으로 형성되도록 할 수 있다.
또한, 상기 기판은 커츠(quartz)로 이루어지고, 상기 원자 종은 Si 이며, 상기 마스크 물질은 SiO2으로 이루어질 수 있다.
상기 그래핀 성장용 금속 박막은 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 게르마늄(Ge)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 촉매층을 형성하는 상기 단계는, 상기 촉매 마스크 패턴이 형성된 기판을 준비하는 단계; 및 상기 기판 상에 촉매 물질을 도포하여 상기 촉매 마스크 패턴을 포함하는 상기 촉매층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 그래핀 선택 성장 방법은 상기 그래핀 성장용 금속 박막을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법은 기판 상에 마스크 패턴을 갖는 원자종 제공층을 형성하는 단계; 상기 형성된 원자종 제공층 상에 촉매층을 형성하는 단계; 상기 형성된 촉매층 상에 그래핀 성장용 금속 박막을 형성하는 단계; 및 상기 그래핀 성장용 금속 박막에 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시켜, 상기 마스크 패턴이 상기 그래핀 성장용 금속 박막 상에 자발적 패턴 마스크로 전사되고, 상기 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 성장시키는 단계를 포함한다.
상기 자발적 패턴 마스크는 상기 원자종 제공층으로부터 제공되는 원자 종이 상기 마스크 패턴을 기반으로 상기 촉매층을 거쳐 상기 그래핀 성장용 금속 박막으로 확산되어 상기 반응 가스 및 열과 반응하여 생성된 마스크 물질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 촉매층은 상기 원자 종이 상기 그래핀 성장용 금속 박막으로 확산되는 것을 활성화할 수 있다.
또한, 상기 마스크 물질은 상기 그래핀의 성장을 억제하여 상기 자발적 패턴 마스크를 통하여 상기 그래핀이 선택적으로 형성되도록 할 수 있다.
또한, 상기 원자종 제공층은 실리콘 산화물로 이루어지고, 상기 원자 종은 실리콘(Si) 이며, 상기 마스크 물질은 SiO2 로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 그래핀 선택 성장 방법은 상기 그래핀 성장용 금속 박막을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 마스크 패턴을 포함하는 촉매층 및 기판으로 구성되는 구조체 상에 형성된 그래핀 성장용 금속 박막에, 그래핀의 성장 시, 촉매층의 마스크 패턴이 그래핀 성장용 금속 박막에 자발적으로 전사되어 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 선택적으로 성장시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 촉매층, 마스크 패턴을 포함하는 원자종 제공층 및 기판으로 구성되는 구조체 상에 형성된 그래핀 성장용 금속 박막에 그래핀의 성장 시, 원자종 제공층의 마스크 패턴이 그래핀 성장용 금속 박막에 자발적으로 전사되어, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 선택적으로 성장시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 그래핀에 직접적인 패턴을 생성하지 않기 때문에 그래핀 성장 과정 중, 잔여 유기물에 대한 노출이 없고, 그래핀의 고유 특성의 저하가 발생하지 않는다.
또한, 본 발명에 따르면 금속 박막(촉매)의 패턴 형성 과정 중의 생성된 잔여 유기물에 대한 노출 가능성이 존재 하지 않는다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용하여 그래핀을 선택적으로 성장시키는 과정을 설명하기 위한 사시도 및 단면도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀의 선택적 합성을 위한 반응 가스 및 어닐링 조건을 설명하기 위하여 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 마스크가 전사되어, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 선택적으로 합성하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 자발적 패턴 마스크가 전사된 마스크 물질이 존재하는 영역 및 선택적으로 성장된 그래핀 성장 영역에 대한 EDX 스펙트럼를 도시한 것이고, 도 4c 및 도 4d 는 XPS 데이터를 도시한 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 마스크를 이용한 그래핀 선택 성장 방법에 따라 그래핀이 형성된 샘플에 대한 광학적 이미지를 도시한 것이다.
도 5b 및 도 5c 는 도 5a에서의 본 발명의 실시예의 광학적 이미지에서 적색 및 청색 원으로 표시된 지점의 라만 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 5d 는 라만 스펙트럼의 G 피크의 라만 세기에 대한 윤곽 곡선(contour map)을 도시한 것이고, 도 5e는 라만 스펙트럼의 2D 피크의 라만 세기에 대한 윤곽 곡선을 도시한 것이며, 도 5f는 2D 피크 및 G 피크의 라만 세기의 비를 도시한 것이다.
도 6a는 본 발명의 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀의 선택 성장 방법의 실시예에 따른 마스크 물질 영역 및 그래핀 성장 영역의 경계 영역에서의 SEI(secondary electron image)를 도시한 것이고, 도 6b는 경계 영역에 대한 원자 힘 현미경(AFM) 이미지를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀의 성장 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8a 내지 도 8d 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용하여 그래핀을 선택적으로 성장 시키는 과정을 설명하기 위한 사시도 및 단면도를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자발적 패턴 마스크가 전사되어, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀이 선택적으로 합성되는 과정을 설명하기 위하여 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀의 성장 방법을 도시한 흐름도이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 ""직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below 또는 beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이 경우 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법은 촉매 마스크 패턴을 포함하는 촉매층 및 기판으로 구성된 구조체 상에 그래핀 성장용 금속 박막을 형성한 이후, 그래핀을 선택적으로 성장시킨다. 보다 상세하게는 본 발명의 그래핀 선택 성장 방법은 촉매층의 촉매 마스크 패턴이 그래핀을 성장시키기 위한 환경 하에서 그래핀 성장용 금속 박막에 자발적으로 전사되고, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 선택적으로 성장시킨다. 이하에서는 도 1a 내지 도 1d 를 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 선택 성장 방법을 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용하여 그래핀을 선택적으로 성장시키는 과정을 설명하기 위한 사시도 및 단면도를 도시한 것이다.
도 1a에 도시된 바와 같이 촉매 마스크 패턴(111)이 형성된 기판(110)을 준비한다. 촉매 마스크 패턴(111)은 다이아몬드 컷팅 방식으로 기판(110)에 직접적인 스크래치(direct scratch)를 통하여 제작될 수 있고, 전형적인 포토리소그래피(photolithography) 또는 전자-빔 리소그래피(e-beam lithography)와 같은 패턴 형성 기술을 이용하여 기판(110) 위에 제작될 수도 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이 촉매 마스크 패턴(111)은 알파벳 'N'의 형태를 갖는다.
또한, 기판(110)은 원자 종(atomic species)을 후술할 그래핀 성장용 금속 박막으로 확산되도록 원자 종을 제공할 수 있는 물질로 이루어지는 소재의 베이스 부재일 수 있고, 바람직하게는 쿼츠(Quartz)일 수 있다. 예를 들어, 기판(110)이 쿼츠인 경우, 상기 원자 종은 실리콘(Si)일 수 있다.
도 1b에서 촉매 마스크 패턴(111)이 형성된 기판(110) 상에 촉매 마스크 패턴(111)을 갖는 촉매층(120)을 형성한다.
실시예에 따라 촉매층(120)은 촉매 마스크 패턴(111)이 형성된 기판(110)에 촉매물질이 도포되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 성장 방법의 촉매층(120)은 기판(110)에서 제공되는 원자 종이 향후 형성될 그래핀 성장용 금속 박막으로의 확산되는 것을 활성화하기 위한 층으로서, 촉매층(120)의 촉매물질은 염화철(FeCl3)로 이루어질 수 있다.
도 1a 및 도 1b에서는 기판(110)에 촉매 마스크 패턴(111)을 형성하고, 패턴을 포함하는 기판(110) 상에 촉매층(120)이 도포되는 예를 도시하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법은 이에 한정되지 아니하고, 패턴이 형성되지 않은 기판(110)에 대면적으로 촉매층(120)이 형성된 후, 형성된 촉매층(120)에 패턴 형성 기술을 이용하여 촉매 마스크 패턴(111)이 직접적으로 형성될 수도 있다.
이후, 도 1c에서, 촉매 마스크 패턴(111)을 갖는 촉매층(120) 상에 그래핀 성장용 금속 박막(130)이 형성된다.
그래핀 성장용 금속 박막(130)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 게르마늄(Ge)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 합금으로 이루어 질 수 있다.
도 1d 에서, 그래핀 성장용 금속 박막(130)에 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열이 제공되어 반응이 되고, 촉매 마스크 패턴(111)이 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상에 자발적 패턴 마스크(140)로 전사되며, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀(150)이 성장된다.
자발적 패턴 마스크(140)는 기판(110)으로부터 제공되는 원자 종이 촉매 마스크 패턴(111)을 통하여 그래핀 성장용 금속 박막(130)으로 확산되어 반응 가스 및 열과 반응하여 생성된 마스크 물질로 구성된다.
이 경우, 촉매층(120)은 원자 종이 그래핀 성장용 금속 박막(130)으로 확산되는 것을 활성화하는 반면, 자발적 패턴 마스크(140)의 마스크 물질은 그래핀의 성장을 억제하여 자발적 패턴 마스크(140)를 통하여 그래핀(150)이 선택적으로 성장될 수 있다.
그래핀(150)의 선택적 성장은 자발적 패턴 마스크가 형성되지 않은 그래핀 성장용 금속 박막(130)과 고온에서 메탄 및 수소의 혼합가스가 반응하여 적절한 양의 탄소가 그래핀 성장용 금속 박막(130)에 녹아 들어가거나 흡착되도록 하고, 이후 냉각(cooling)하는 동안 그래핀 성장용 금속 박막(130)에 포함되어 있던 탄소원자들이 표면에서 결정화되면서 그래핀 결정 구조를 그래핀 성장용 금속 박막(130) 위에 형성되는 과정을 포함한다.
자발적 패턴 마스크(140)는 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상에 형성되어 탄소원자들이 결정화되는 프로세스를 억제하여 그래핀이 선택적으로 성장할 수 있도록 한다.
실시예에 따라, 기판(110)이 커츠(quartz)인 경우, 기판(110)에서 제공하는 원자 종은 실리콘(Si)일 수 있고, 촉매층(120)은 촉매층은 FeCl3로 이루어질 수 있으며, 자발적 패턴 마스크(140)를 이루는 마스크 물질은 SiO2일 수 있다.
즉, 자발적 패턴 마스크(140)를 이루는 SiO2는 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상의 그래핀의 성장을 억제할 수 있다.
이후, 본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 성장 방법은 그래핀 성장용 금속 박막(130)을 제거하여 선택적으로 성장된 그래핀을 제조할 수 있다.
<자발적 패턴 전사를 이용하여 선택적으로 성장시킨 그래핀의 제조>
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 마스크를 이용한 그래핀의 선택적 성장 방법의 실시예를 설명하기로 한다.
기판의 양면을 폴리싱한 쿼츠 기판(both-side-polished quartz substrate)를 준비하고, 다이아몬드 커터를 이용하여 기판의 일면에 스크라이빙을 통하여 알파벳 'N' 의 촉매 마스크 패턴을 형성하였다. 상기 기판의 일면에 형성된 촉매 마스크 패턴의 단차는 약 10um 였다.
이후, 42%-FeCl3의 촉매물질을 촉매 마스크 패턴의 형성된 기판 상에 상기 도포하여 촉매 마스크 패턴을 포함하는 촉매층을 형성하고, 촉매 마스크 패턴을 포함하는 촉매층 상에 그래핀 성장용 금속 박막을 형성하였다. 본 실시예에서의 그래핀 성장용 금속 박막은 상기 촉매층 상에 25um 의 구리 호일(Cu foil)을 증착시켰다.
다음으로, 그래핀 성장용 금속 박막(Cu foil)/촉매 마스크 패턴을 갖는 촉매층(FeCl3)/기판(quartz)의 구성체를 석영 반응기(quartz reactor)에 넣고, 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시켜, 촉매 마스크 패턴(111)이 그래핀 성장용 금속 박막 상에 자발적 패턴 마스크(미도시)로 전사되도록 하여 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 성장시켰다.
본 실시예에 따른 성장된 그래핀은 알파벳 'N' 의 패턴으로 선택적으로 성장되었다.
이하에서는 그래핀을 선택적으로 합성하기 위한 공정 조건을 도 2를 참고하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀의 선택적 합성을 위한 반응 가스 및 어닐링 조건을 설명하기 위하여 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀의 합성을 위하여 그래핀 성장용 금속 박막(Cu foil)/촉매 마스크 패턴을 갖는 촉매층(FeCl3)/기판(quartz)의 구성체를 석영 반응기 또는 석영관(quartz tube)에서 1000℃, 40분 동안의 400sccm 유량의 H2 가스 환경에서의 1차 어닐링(Segment 1)하였다.
1차 어닐링 이후, 1000℃, 20분 동안의 각각 10sccm/300sccm 유량을 갖는 H2/Ar 혼합가스 환경에서의 2차 어닐링(Segment 2)을 수행하였고, 이후 3분 동안의 각각 10sccm/300sccm/0.5sccm 유량을 갖는 H2/Ar/CH4 의 혼합가스 환경에서의 그래핀을 성장시키는 프로세스(Segment 3)를 수행하였다.
이후, 10분 동안의 각각 H2/Ar 혼합가스에 의한 냉각 프로세스(Cooling)와, 10분 동안의 Ar 환경에서의 퍼지 프로세스(Purge)를 수행하였다.
이하에서는 도 3을 참조하여, 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀이 선택적으로 합성되는 과정을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 마스크가 전사되어, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 선택적으로 합성하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 그래핀의 선택 성장 방법은 기판(110)에 촉매 마스크 패턴(111)을 형성하고, 촉매 마스크 패턴(111)을 포함하는 기판(110) 상에 촉매층(120)을 도포한다. 이후, 그래핀 성장용 금속 박막(130)을 촉매층 상에 형성하고, 그래핀 성장용 금속 박막(Cu foil)/촉매 마스크 패턴을 갖는 촉매층(FeCl3)/기판(quartz)의 구성체를 석영 반응기(quartz reactor)에 넣어, 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시켜, 촉매 마스크 패턴이 그래핀 성장용 금속 박막 상에 자발적 패턴 마스크로 전사되도록 하여 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 성장시킨다.
도 3을 참조하면, 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공되는 환경 하에서 기판 상에 형성된 촉매 마스크 패턴을 갖는 촉매층(120)의 FeCl3은 기판(110)인 쿼츠로부터 원자 종인 Si(310)이 촉매 마스크 패턴(111)을 통하여 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상으로 확산되도록 활성화한다.
확산된 원자 종(Si)은 산소(Oxigen, 320)와 반응하여 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상에 마스크 물질인 SiO2 로 이루어진 자발적 패턴 마스크를 형성하여 촉매 마스크 패턴으로부터 자발적 패턴 마스크로 전사가 이루어진다.
자발적 패턴 마스크가 전사되어 마스크 물질(SiO2)이 존재하지 않는 패턴 알파벳 'N' 의 안쪽 영역인 그래핀 성장 영역에서는, 고온의 메탄 및 수소의 혼합가스 하에서 탄소 원자(330)가 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상에 녹아 들어가 흡착되고, 이후의 냉각되는 프로세스 동안 그래핀 성장용 금속 박막(130)에 포함되어 있던 탄소 원자(330)가 그래핀 성장용 금속 박막(130)의 표면에서 결정화되면서 그래핀 결정 구조를 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상에 형성한다다.
반면, 자발적 패턴 마스크가 전사되어 마스크 물질(SiO2)이 존재하는 패턴 알파벳 'N' 의 바깥 영역인 마스크 물질(SiO2) 영역에서는 마스크 물질인 SiO2 가 탄소원자(330)들이 결정화되는 프로세스를 억제하여 그래핀의 합성이 이루어지지 않는다.
본 발명의 실시예에 따르면, 자발적 패턴 마스크를 구성하는 마스크 물질인 SiO2가 형성된 마스크 물질 영역에서는 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상에 형성되어 탄소원자(330)들이 결정화되는 프로세스를 억제하고, SiO2가 존재하지 않는 자발적 패턴 마스크가 미형성된 영역에서는 그래핀을 선택적으로 성장시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 그래핀에 직접적인 패턴을 생성하지 않기 때문에 그래핀 성장 과정 중, 잔여 유기물에 대한 노출이 없고, 그래핀의 고유 특성의 저하가 발생하지 않도록 그래핀을 선택적으로 성장시킬 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 자발적 패턴 마스크가 전사된 마스크 물질이 존재하는 영역 및 선택적으로 성장된 그래핀 성장 영역에 대한 EDX 스펙트럼를 도시한 것이고, 도 4c 및 도 4d 는 XPS 데이터를 도시한 그래프이다.
도 4a 는 마스크 물질(SiO2)이 존재하는 마스크 물질 영역 영역에 대한 EDX(energy dispersive X-ray spectroscopy) 스펙트럼을 도시한 것이고, 도 4b는 마스크 물질(SiO2)이 존재하지 않는 그래핀 성장 영역의 EDX 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 4a 를 참조하면, 마스크 물질이 존재하는 마스크 물질 영역에 대한 EDX 스펙트럼 상에는 구리 원자(Cu) 종과 함께 실리콘(Si) 및 산소(O) 원자 종이 포함되어 있음을 확인할 수 있으나, 도 4b에 도시된 마스크 물질(SiO2)이 존재하지 않는 그래핀 성장 영역의 EDX 스펙트럼에는 실리콘(Si) 및 산소(O) 원자 종이 포함되어 있지 않음을 확인할 수 있다.
도 4c는 마스크 물질 영역 및 그래핀 성장 영역에서의 Si 2p에 대한 X선 광전자 분광법(XPS, X-ray photoelectron spectroscopy)의 데이터를 도시한 것이고, 도 4d는 Cu 2p 에 대한 X선 광전자 분광법의 데이터를 도시한 것이다.
도 4c를 참조하면, 자발적 패턴 마스크가 전사되어 마스크 물질(SiO2)이 존재하는 마스크 물질 영역(Whitish area)에서 결합에너지(binding energy)가 약 104.1eV 에서 Si 2p 피크가 나타남을 확인할 수 있으나, 그래핀 성장 영역에서는 Si 2P 피크가 나타나지 않음을 확인할 수 있었다.
이는 마스크 물질(SiO2)이 존재하는 마스크 물질 영역에 존재하는 Si 의 화학적 상태는 SiO2 임을 나타냄을 확인할 수 있었다.
또한, 도 4d를 참조하면, 자발적 패턴 마스크가 전사되어 마스크 물질(SiO2)이 존재하는 마스크 물질 영역(whitish area), 마스크 물질(SiO2)이 존재하지 않는 그래핀 성장 영역(grapheme/Cu area)에서 Cu 의 화학적 상태는 동일한 것으로 분석되었다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따라 선택적으로 합성된 그래핀층은 자발적 패턴 마스크가 전사되어 마스크 물질(SiO2)이 존재하는 마스크 물질 영역과, 마스크 물질(SiO2)이 존재하지 않는 그래핀 성장 영역으로 구분할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 마스크를 이용한 그래핀 선택 성장 방법에 따라 그래핀이 형성된 샘플에 대한 광학적 이미지를 도시한 것이다.
도 5a에서는 본 발명의 실시예에 따라 선택적으로 합성된 그래핀에 폴리메타크릴산메틸(Poly(methyl methacrylate) 및 벤젠을 혼합한 PMMA를 합성된 그래핀 위에 스핀-코팅하고, PMMA의 코팅을 통하여 PMMA가 FeCl3 용액을 사용하여 구리 호일을 제거할 때 그래핀을 잡아서 고정시키는 역할을 하도록 하였다. 이후, FeCl3 용액에 구리 호일을 제거한 후, 그래핀 상에 잔존하는 용액을 초순수(DI water)로 세척하고, 세척된 그래핀을 SiO2/Si 기판 위에 전사하여 광학적 이미지를 측정하였다.
도 5a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 선택적으로 합성된 그래핀층은 자발적 패턴 마스크가 전사되어 마스크 물질인 SiO2 가 존재하는 마스크 물질 영역, SiO2 가 존재하지 않는 그래핀 성장 영역으로 구분할 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이 마스크 물질 영역은 그래핀 성장 영역에 비해 상대적으로 밝게 측정되었다.
도 5b 및 도 5c 는 도 5a에서의 본 발명의 실시예의 광학적 이미지에서 적색 및 청색 원으로 표시된 지점의 라만 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
그래핀과 같은 2차원 물질들은 강한 전자-포논(phonon) 결합(coupling)으로 인하여 다양한 라만 피크(peak)들이 관찰된다.
도 5b 및 도 5c 에서는 도 5a 에서의 본 발명의 실시예에 따른 시료에서의 PMMA 의 제거 없이 라만 스펙트럼을 측정한 것으로서, 도 5b를 참조하면, 도 5a의 적색 원(red dot) 지점인 그래핀 성장 영역에서는 1580~1590 cm-1 부근(약, 1590 cm-1)의 G 피크와, 2660~2700 cm-1 부근(약 2664 cm-1)의 2D 피크로서 포논과 관련된 라만 피크가 나타남은 확인할 수 있다.
일반적으로, G 피크와 2D 피크에서의 라만 세기의 비(I(G/2D))는 그래핀의 두께(층수)와 관련이 있고, D 피크와 G 피크의 라만 세기의 비(I(D/G))는 그래핀의 결정성(또는 결함의 양)과 깊은 관련이 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, G 피크와 2D 피크에서의 라만 세기의 비(I(G/2D))는 0.59 로서 본 발명의 실시예에 따른 선택적으로 합성된 그래핀은 양질인 것으로 확인이 되었다.
반면, 도 5c 를 참조하면, 도 5a의 청색 원(blue dot) 지점인 마스크 물질 영역에서는 라만 피크가 관찰되지 않아, 그래핀이 합성되지 않았음을 확인할 수 있었다.
도 5d 는 라만 스펙트럼의 G 피크의 라만 세기에 대한 윤곽 곡선(contour map)을 도시한 것이고, 도 5e는 라만 스펙트럼의 2D 피크의 라만 세기에 대한 윤곽 곡선을 도시한 것이며, 도 5f는 2D 피크 및 G 피크의 라만 세기의 비를 도시한 것이다.
도 5d 내지 도 5f를 참조하면, 자발적 패턴 마스크가 전사되어 마스크 물질인 SiO2 가 존재하는 마스크 물질 영역에서는 2D 피크 및 G 피크의 라만 세기의 비가 무시할 정도의 적은 값을 가진 반면, SiO2 가 존재하지 않는 그래핀 성장 영역에서는 대부분 영역에서 1 보다 큰 값을 가짐을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 그래핀 선택 성장 방법에 따라 제조된 그래핀 층의 그래핀 성장 영역에서는 단일층 또는 이중층의 그래핀이 성장되었음을 확인할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀의 선택 성장 방법의 실시예에 따른 마스크 물질 영역 및 그래핀 성장 영역의 경계 영역에서의 SEI(secondary electron image)를 도시한 것이고, 도 6b는 경계 영역에 대한 원자 힘 현미경(AFM) 이미지를 도시한 것이다.
도 6a 의 왼쪽 아래의 거시적인 SEI 이미지를 참조하면, 마스크 물질 영역 및 그래핀 성장 영역의 경계 영역은 명확하게 구분되는 반면, 중앙 부분의 SEI 이미지를 참조하면, 거시적인 경계 영역의 방향과 평행한 줄무늬 형태의 전이 영역(transition area)이 관찰된다.
도 6a의 오른쪽 윗 부분의 전이영역에 대한 SEI 이미지와 도 6b에서 확인할 수 있듯이, 상기 전이영역에서는 마스크 물질(SiO2)의 결정(grain)이 확인되었다.
또한, 도시되지는 않았지만, 경계 영역과 수직 방향으로의 원자 힘 현미경(AFM)의 높이 프로파일(height profile)을 분석한 결과. 높이 프로파일은 그래핀 성장용 금속 박막인 구리 호일(Cu foil)의 표면 형태(surface morphology)과 연관되어 있는 것으로 분석되었고, 전이 영역에서의 밝은 줄무늬는 그래핀 성장용 금속 박막인 구리 호일의 리지(ridge) 상에 형성된 마스크 물질(SiO2)에 의한 줄무늬임을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀의 성장 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7를 참조하면, 단계 710에서 기판 상에 촉매 마스크 패턴을 갖는 촉매층을 형성한다.
실시예에 따라 단계 710은 촉매 마스크 패턴이 형성된 기판을 준비하고, 기판 상에 촉매 물질을 도포하여 촉매 마스크 패턴을 포함하는 촉매층을 형성하는 과정일 수 있다. 또한, 상기 촉매층은 FeCl3로 이루어 질 수 있다.
또한, 실시예에 따라서는 단계 710은 기판에 촉매층을 형성한 후, 형성된 촉매층에 촉매 마스크 패턴을 직접적으로 형성하는 단계일 수도 있다.
단계 720에서 형성된 촉매층 상에 그래핀 성장용 금속 박막을 형성하고, 단계 730에서 그래핀 성장용 금속 박막에 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시켜, 촉매 마스크 패턴이 그래핀 성장용 금속 박막 상에 자발적 패턴 마스크로 전사되고, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 성장시킨다.
그래핀 성장용 금속 박막은 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg)_, 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 게르마늄(Ge)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 합금으로 이루어 질 수 있다.
본 발명의 촉매층은 기판으로부터의 원자 종이 그래핀 성장용 금속 박막으로의 확산되는 것을 활성화하고, 자발적 마스크 패턴을 이루는 마스크 물질은 그래핀의 성장을 억제하여 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀이 선택적으로 형성되도록 할 수 있다.
실시예에 따라 기판은 커츠(quartz)로 이루어지고, 상기 원자 종은 Si 이며, 상기 마스크 물질은 SiO2으로 이루어질 수 있다.
단계 740에서 그래핀 성장용 금속 박막을 제거한다.
이하에서는 본 발명의 그래핀 선택 성장 방법의 다른 실시예를 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법은 촉매층, 마스크 패턴을 포함하는 원자종 제공층 및 기판으로 구성되는 구조체 상에 그래핀 성장용 금속 박막을 형성한 이후, 그래핀의 성장 시, 원자종 제공층의 마스크 패턴이 그래핀 성장용 금속 박막에 자발적으로 전사되어, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 선택적으로 성장시킨다. 이하에서는 도 8a 내지 도 8d 를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 선택 성장 방법을 설명하기로 한다.
도 8a 내지 도 8d 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용하여 그래핀을 선택적으로 성장 시키는 과정을 설명하기 위한 사시도 및 단면도를 도시한 것이다.
도 8a에서 기판(110) 상에 마스크 패턴을 갖는 원자종 제공층(160)을 형성한다. 원자종 제공층(160)은 기판(110) 상에 원자종 제공층(160)을 대면적으로 형성한 이후, 포토리소그래피 또는 전자-빔 리소그래피와 같은 종래의 패턴 형성 기술을 이용하여, 도 8a 에 도시된 바와 같이 기판(110) 상에 마스크 패턴을 갖는 원자종 제공층(160)을 형성할 수 있다. 도 8a 에서의 마스크 패턴은 알파벳 'N' 의 형태를 표시하고 있다.
원자종 제공층(160)은 원자 종(atomic species)이 후술할 그래핀 성장용 금속 박막으로 확산되도록 원자 종을 제공하는 물질로 이루어지는 소재로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 실리콘 산화물(SiO2) 일 수 있다. 예를 들어, 원자종 제공층(160)이 SiO2 인 경우, 원자 종은 실리콘(Si) 일 수 있다.
이후 도 8b에서 마스크 패턴을 갖는 원자종 제공층(160) 상에 촉매층(120)을 형성한다.
예를 들어, 촉매층(120)은 마스크 패턴을 갖는 원자종 제공층(160)에 촉매물질을 도포하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 성장 방법의 촉매층(120)은 원자종 제공층(160)에서 제공되는 원자 종이 향후 형성될 그래핀 성장용 금속 박막으로 확산되는 것을 활성화하기 위한 층으로서, 촉매층(120)의 촉매물질은 염화철(FeCl3)로 이루어질 수 있다.
이후, 도 8c 에 도시된 바와 같이 촉매층(120) 상에 그래핀 성장용 금속 박막(130)을 형성한다.
그래핀 성장용 금속 박막(130)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 게르마늄(Ge)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 합금으로 이루어 질 수 있다.
이후, 도 8d 에서 형성된 그래핀 성장용 금속 박막(130)에 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시키고, 원자종 제공층(160) 의 마스크 패턴이 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상에 자발적 패턴 마스크(140)로 전사되도록 하여 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀(150)을 성장시킨다.
자발적 패턴 마스크(140)는 원자종 제공층(160)으로부터 제공되는 원자 종이 원자종 제공층(160)의 마스크 패턴을 통하여 그래핀 성장용 금속 박막(130)으로 확산되어 반응 가스 및 열과 반응하여 생성된 마스크 물질로 구성된다.
이 경우, 촉매층(120)은 원자 종이 그래핀 성장용 금속 박막(130)으로 확산되는 것을 활성화하는 반면, 자발적 패턴 마스크(140)의 마스크 물질은 그래핀의 성장을 억제하여 자발적 패턴 마스크(140)를 통하여 그래핀(150)이 선택적으로 성장될 수 있다.
그래핀(150)의 선택적 성장은 자발적 패턴 마스크를 형성하는 마스크 물질이 존재하지 않은 영역에서 그래핀 성장용 금속 박막(130)과 고온에서 메탄 및 수소의 혼합가스가 반응하여 적절한 양의 탄소가 그래핀 성장용 금속 박막(130)에 녹아 들어가거나 흡착되고, 이후 냉각 과정을 통하여 그래핀 성장용 금속 박막(130)에 포함되어 있던 탄소원자들이 표면에서 결정화되면서 그래핀 결정 구조를 그래핀 성장용 금속 박막(130) 위에 형성되는 과정을 포함한다.
또한, 그래핀(150)을 선택적 성장(합성)을 위한 반응 가스 및 어닐링 조건은 도 2에 도시된 바와 같은 일련의 프로세스로 구성될 수 있다.
자발적 패턴 마스크(140)는 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상에 형성되어 탄소원자들이 결정화되는 프로세스를 억제하여 그래핀이 선택적으로 성장할 수 있도록 한다.
실시예에 따라, 원자종 제공층(160)이 실리콘 산화물인 경우, 원자종 제공층(160)에서 제공하는 원자 종은 실리콘(Si)일 수 있고, 촉매층(120)은 촉매층은 FeCl3로 이루어질 수 있으며, 자발적 패턴 마스크(140)를 이루는 마스크 물질은 SiO2일 수 있다. 자발적 패턴 마스크(140)를 이루는 SiO2는 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상의 그래핀의 성장을 억제할 수 있다.
이후, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 성장 방법은 그래핀 성장용 금속 박막(130)을 제거하여 선택적으로 성장된 그래핀을 제조할 수 있다.
이하에서는 도 9를 참조하여, 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀이 선택적으로 합성되는 과정을 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자발적 패턴 마스크가 전사되어, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀이 선택적으로 합성되는 과정을 설명하기 위하여 도시한 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀의 선택 성장 방법은 도 8a 내지 도 8d 에서 전술한 바와 같은 과정을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이 기판(110)에 마스크 패턴을 갖는 원자종 제공층(160) 상에 촉매층(120)이 도포된다. 이후, 그래핀 성장용 금속 박막(130)을 촉매층(120) 상에 형성하고, 이를 석영 반응기(quartz reactor)에 넣어, 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시켜, 상기 마스크 패턴이 그래핀 성장용 금속 박막 상에 자발적 패턴 마스크로 전사되도록 하여 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 성장시킨다.
탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공되는 환경 하에서 촉매층(120)은 원자종 제공층(160)으로부터 원자 종인 예를 들어, Si(310)이 촉매 마스크 패턴(111)을 통하여 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상으로 확산되도록 활성화한다.
확산된 원자 종(Si, 310)은 산소(Oxigen, 320)와 반응하여 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상에 마스크 물질인 예를 들어, SiO2 로 이루어진 자발적 패턴 마스크를 형성한다. 이후, 촉매 마스크 패턴으로부터 자발적 패턴 마스크로 전사가 이루어질 수 있다.
자발적 패턴 마스크가 전사되어 마스크 물질(SiO2)이 존재하지 않는 패턴 영역인 그래핀 성장 영역에서는, 고온의 메탄 및 수소의 혼합가스 하에서 탄소 원자(330)가 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상에 녹아 들어가 흡착되고, 이후의 냉각되는 프로세스 동안 그래핀 성장용 금속 박막(130)에 포함되어 있던 탄소 원자(330)가 그래핀 성장용 금속 박막(130)의 표면에서 결정화되면서 그래핀 결정 구조를 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상에 형성한다.
반면, 자발적 패턴 마스크가 전사되어 마스크 물질(SiO2)이 존재하는 영역인 마스크 물질(SiO2) 영역에서는 마스크 물질(SiO2)이 탄소 원자(330)가 결정화되는 프로세스를 억제하여 그래핀의 합성이 이루어지지 않는다.
본 발명의 실시예에 따르면, 자발적 패턴 마스크를 구성하는 마스크 물질인 SiO2가 형성된 마스크 물질 영역에서는 그래핀 성장용 금속 박막(130) 상에 형성되어 탄소 원자(330)들이 결정화되는 프로세스를 억제하고, SiO2가 존재하지 않는 자발적 패턴 마스크가 미형성된 영역에서는 그래핀이 성장할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀의 성장 방법을 도시한 흐름도이다.
도 10를 참조하면, 단계 1010에서 기판 상에 마스크 패턴을 갖는 원자종 제공층을 형성한다.
실시예에 따라 단계 1010은 기판 상에 원자종 제공층을 대면적으로 형성한 이후, 상기 형성된 원자종 제공층 상에 패턴 형성 기술을 이용하여 마스크 패턴을 형성하는 과정일 수 있다.
단계 1020에서 원자종 제공층 상에 촉매층을 형성한다. 상기 촉매층은 FeCl3로 이루어 질 수 있다.
이후, 단계 1030에서 형성된 촉매층 상에 그래핀 성장용 금속 박막을 형성하고, 단계 1040에서 그래핀 성장용 금속 박막에 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시켜, 마스크 패턴이 그래핀 성장용 금속 박막 상에 자발적 패턴 마스크로 전사되고, 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 성장시킨다.
본 발명의 촉매층은 원자종 제공층으로부터의 원자 종이 그래핀 성장용 금속 박막으로의 확산되는 것을 활성화하고, 자발적 마스크 패턴을 이루는 마스크 물질은 그래핀의 성장을 억제하여 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀이 선택적으로 형성되도록 할 수 있다. 실시예에 따라 원자종 제공층은 실리콘 산화물로 이루어지고, 상기 원자 종은 Si 이며, 상기 마스크 물질은 SiO2으로 이루어질 수 있다.
이후, 단계 1050에서 그래핀 성장용 금속 박막을 제거하여 선택적으로 성장된 그래핀을 얻을 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 기판 상에 촉매 마스크 패턴을 갖는 촉매층을 형성하는 단계;
    상기 형성된 촉매층 상에 그래핀 성장용 금속 박막을 형성하는 단계;
    상기 그래핀 성장용 금속 박막에 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하는 단계;
    상기 반응 가스 및 열에 의해 상기 기판으로부터 제공되는 원자 종(atomic species)이 상기 촉매 마스크 패턴을 통하여 상기 그래핀 성장용 금속 박막으로 확산되어, 상기 촉매 마스크 패턴이 상기 그래핀 성장용 금속 박막 상에 자발적 패턴 마스크로 전사되는 단계; 및
    상기 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 성장시키는 단계
    를 포함하는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 상기 원자 종이 상기 그래핀 성장용 금속 박막으로의 확산되는 것을 활성화하는 것을 특징으로 하는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 촉매층은 FeCl3로 이루어진 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마스크 물질은 상기 그래핀의 성장을 억제하여 상기 자발적 패턴 마스크를 통하여 상기 그래핀이 선택적으로 형성되도록 하는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 커츠(quartz)로 이루어지고, 상기 원자 종은 Si 이며, 상기 마스크 물질은 SiO2으로 이루어진 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 성장용 금속 박막은
    니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 게르마늄(Ge)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 합금으로 이루어진 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    촉매층을 형성하는 상기 단계는,
    상기 촉매 마스크 패턴이 형성된 기판을 준비하는 단계; 및
    상기 기판 상에 촉매 물질을 도포하여 상기 촉매 마스크 패턴을 포함하는 상기 촉매층을 형성하는 단계
    를 포함하는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 선택 성장 방법은
    상기 그래핀 성장용 금속 박막을 제거하는 단계
    를 더 포함하는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법.
  10. 기판 상에 마스크 패턴을 갖는 원자종 제공층을 형성하는 단계;
    상기 형성된 원자종 제공층 상에 촉매층을 형성하는 단계;
    상기 형성된 촉매층 상에 그래핀 성장용 금속 박막을 형성하는 단계;
    상기 그래핀 성장용 금속 박막에 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하는 단계;
    상기 반응 가스 및 열에 의해 상기 원자종 제공층으로부터 제공되는 원자 종이 상기 마스크 패턴을 기반으로 상기 촉매층을 거쳐 상기 그래핀 성장용 금속 박막으로 확산되어, 상기 촉매 마스크 패턴이 상기 그래핀 성장용 금속 박막 상에 자발적 패턴 마스크로 전사되는 단계; 및
    상기 전사된 자발적 패턴 마스크를 통하여 그래핀을 성장시키는 단계
    를 포함하는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 촉매층은 상기 원자 종이 상기 그래핀 성장용 금속 박막으로 확산되는 것을 활성화하는 것을 특징으로 하는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 마스크 물질은 상기 그래핀의 성장을 억제하여 상기 자발적 패턴 마스크를 통하여 상기 그래핀이 선택적으로 형성되도록 하는 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 원자종 제공층은 실리콘 산화물로 이루어지고, 상기 원자 종은 실리콘(Si) 이며, 상기 마스크 물질은 SiO2 로 이루어진 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 선택 성장 방법.
  15. 삭제
KR1020140140506A 2014-10-08 2014-10-17 그래핀 및 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 성장 방법 KR101630070B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20140135954 2014-10-08
KR1020140135954 2014-10-08

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160042368A KR20160042368A (ko) 2016-04-19
KR101630070B1 true KR101630070B1 (ko) 2016-06-14

Family

ID=55917084

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140140506A KR101630070B1 (ko) 2014-10-08 2014-10-17 그래핀 및 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 성장 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101630070B1 (ko)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010110153A1 (ja) * 2009-03-27 2010-09-30 独立行政法人科学技術振興機構 グラフェン膜の製造方法、電子素子の製造方法および基板へのグラフェン膜の転写方法
KR101220421B1 (ko) * 2010-06-15 2013-01-09 (재)한국나노기술원 임프린트 기법을 이용한 그래핀 패턴 형성 방법
KR101271827B1 (ko) * 2010-07-22 2013-06-07 포항공과대학교 산학협력단 탄소 박막 제조 방법
KR101813172B1 (ko) 2011-04-22 2017-12-29 삼성전자주식회사 그래핀 다중층의 제조방법
KR101367846B1 (ko) 2012-03-26 2014-02-27 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 전자 소자용 기판 및 이를 포함하는 발광 다이오드

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. Kang etal. Nanoscale. 2012, Vol. 4, pp. 5527-5537 (2012.07.02.)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160042368A (ko) 2016-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI713607B (zh) 光子裝置、用於沈積層於光子裝置中的氣相沈積製程以及光活性材料
KR101636442B1 (ko) 촉매합금을 이용한 그라핀의 제조방법
JP5641484B2 (ja) グラフェン薄膜とその製造方法
EP2899295B1 (fr) Procédé de réalisation par ALD d&#39;une couche mince de formule MYx
EP3575436B1 (en) Method for direct patterned growth of atomic layer transition metal dichalcogenides
US8395265B2 (en) Metal silicide nanowires and methods of their production
Manzo et al. Pinhole-seeded lateral epitaxy and exfoliation of GaSb films on graphene-terminated surfaces
Wu et al. Large-roll growth of 25-inch hexagonal BN monolayer film for self-release buffer layer of free-standing GaN wafer
KR101523172B1 (ko) 금속-칼코게나이드 박막의 제조방법 및 그에 의해 제조되는 금속-칼코게나이드 박막
CN106898542B (zh) 一种在基材上形成目标材料特征件的方法
Heyne et al. Two-dimensional WS2 nanoribbon deposition by conversion of pre-patterned amorphous silicon
Lee et al. A self-limiting layer-by-layer etching technique for 2H-MoS2
US20200266061A1 (en) Crystallographically-oriented Metallic Films with Two-dimensional Crystal Layers
KR101630070B1 (ko) 그래핀 및 자발적 패턴 전사를 이용한 그래핀 성장 방법
CN107978659A (zh) 制造氮化镓衬底的方法
Shin et al. Study of selective graphene growth on non-catalytic hetero-substrates
Khayyat et al. Nanoscale chemical templating of Si nanowires seeded with Al
TWI500073B (zh) Method for forming crystalline silicite film
Iriarte Growth of nickel silicide (NiSix) nanowires by silane decomposition
Yang et al. 3D growth of silicon nanowires under pure hydrogen plasma at low temperature (250° C)
JP5790198B2 (ja) グラフェンリボンの製造方法
Masenya et al. The effects of the thickness of the sandwiched layer and of the annealing time on induced nanostructures during solid state dewetting of a metal-semiconductor-substrate triple layer structure
JP4673070B2 (ja) 微小構造の成長制御方法
JP6773963B2 (ja) 層状カルコゲナイド膜の形成方法及び半導体装置の製造方法
Liang et al. Two-step method for growth of adlayer-free large-area monolayer graphene on Cu foil

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190408

Year of fee payment: 4