KR102513940B1 - 씨드 구조체로부터 탄소 구조체를 분리하기 위한 방법 - Google Patents

씨드 구조체로부터 탄소 구조체를 분리하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 씨드 구조체(2) 상에 증착되는 탄소 구조체(1), 예를 들어 그래핀, 탄소 나노튜브들 또는 반도체 나노와이어들을 씨드 구조체(2)로부터 분리시키기 위한 방법에 관한 것이다. 탄소 구조체들의 제조를 단순화하기 위해, 그리고 특히 씨드 구조체로부터 탄소 구조물의 분리가 증착이 발생하는 프로세스 챔버 내에서 진행하는 방법을 제공하기 위해, CVD 반응기들의 프로세스 챔버(process chamber)에서 씨드 구조체(2) 상에 증착된 탄소 구조체를 준비하는 단계; 씨드 구조체(2) 및 탄소 구조체(1)를 포함하는 기판을 프로세스 온도로 가열하는 단계; 화학식 AOmXn, AOmXnYp 또는 AmXn을 갖는 적어도 하나의 에칭 가스(etching gas)를 주입하는 단계 (여기서 A는 S, C, N을 포함하는 엘리먼트들의 그룹으로부터 선택되며, 여기서 O는 산소이며, 여기서 X, Y는 상이한 할로겐들이며 그리고, 여기서 m, n, p는 0보다 큰 자연수들임); 상기 에칭 가스와의 화학 반응을 통해 씨드 구조체(2)를 기체 반응 생성물로 변환시키는 단계; 및 캐리어 가스 유동에 의해 프로세스 챔버로부터 기체 반응 생성물을 제거하는 단계가 제안된다.

Description

씨드 구조체로부터 탄소 구조체를 분리하기 위한 방법 {METHOD FOR SEPARATING A CARBON STRUCTURE FROM A SEED STRUCTURE}
본 발명은 씨드 구조체 상에 증착되는 탄소 구조체, 예를 들어 그래핀, 탄소 나노튜브들 또는 반도체 나노와이어들을 씨드 구조체로부터 분리시키기 위한 방법에 관한 것이다.
탄소 구조체들, 예를 들어 그래핀 층들, 탄소 나노튜브들 및 반도체 나노와이어들을 기판들 상에 증착시키는 것은 종래 기술로부터 공지되어 있다. US 8,685,843 B2는 특히 이러한 방법을 설명한다. 탄소 구조체들의 증착은, 이에 의해 씨드 구조체, 예를 들어 금속 구조체(금속 층, 특히 구리 층일 수 있음)상에 발생한다. 그래핀의 침착은 또한 US 8,728,433 B2에 기술되어있다. 씨드 구조체 상의 탄소 나노튜브들의 또는 반도체 나노와이어들의 그래핀 층의 증착 후에, 구조체들 또는 층들을 각각 서로로부터 해제하는(release) 것이 필요하다. 종래 기술에서, 이는 습식 에칭 방법에 의해 발생하며, 그 경우에 씨드 구조체가 수용액에서 제거되게 에칭된다(etched away).
게다가, 건식 에칭 방법에서 CVD 반응기의 프로세스 챔버를 세정하기 위한 방법이 공지되어 있다. 예를 들어, WO 2014/094103 A1은 티오닐 클로라이드를 프로세스 챔버 내로 도입함으로써 반응기의 벽 위의 III-V 코팅들을 제거하기 위한 세정 방법을 나타낸다.
본 발명은 탄소 구조체들의 제조를 단순화시키는 목적에 기초하고, 특히 씨드 구조체로부터 탄소 구조체의 분리가 증착이 발생하는 프로세스 챔버 내에서 가능한 방법을 특정할 수 있다.
본 목적은 청구 범위에 특정된 발명에 의해 해결되며, 여기서, 원리적으로, 모든 청구항은 목적의 독립적인 해결책이다. 본 방법은 실질적으로 다음 단계들:
- CVD 반응기들의 프로세스 챔버에서 씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 제공하는 단계;
- 씨드 구조체(2) 및 탄소 구조체(1)를 포함하는 기판을 프로세스 온도로 가열하는 단계;
- 분자식 AOmXn, AOmXnYp 또는 AmXn을 갖는 적어도 하나의 에칭 가스(etching gas)를 주입하는 단계
(여기서 A는 S, C, N을 포함하는 엘리먼트들의 그룹으로부터 선택되며,
여기서 O는 산소이며,
여기서 X, Y는 상이한 할로겐들이며 그리고,
m, n, p는 0보다 큰 자연수들임);
- 에칭 가스와의 화학 반응을 통해 씨드 구조체를 기체 반응 생성물로 변환시키는 단계;
- 캐리어 가스 유동에 의해 프로세스 챔버로부터 기체 반응 생성물을 제거하는 단계로 구성된다.
방법 단계들은 바람직하게는 코팅 방법의 방법 단계들 직후에 실행되며, 그 경우에 탄소 구조체가 전술된 종래 기술에 설명된 바와 같이 씨드 구조체에 또는 씨드 구조체 아래에 적용되었다. 본 발명에 따른 분리 방법에 선행하는 "탄소 나노튜브들"및 "탄소 나노섬유들"의 촉매 합성은 나노과학 및 나노기술 백과 사전(Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology), 제 10 권, 페이지 1 - 22, Kenneth BK Teo, Charanjeet Singh, Manish Chhowalla 및 William I. Milne에 의한 "탄소 나노튜브들 및 나노섬유들의 촉매 합성(Catalytic Synthesis of Carbon Nanotubes and Nanofibers)" 제목의 문헌 하에서 설명된다. 이러한 문헌의 내용은 이러한 특허 출원의 개시 내용에 속한다. 씨드 구조체로부터 탄소 구조체의 분리는 바람직하게는 증착 프로세스가 또한 발생하고 프로세스 챔버로부터 제거된 탄소 구조체를 가지는 대상물 없는 동일한 공정 챔버에서 발생한다. 탄소 구조체를 운반하는 대상물은 기판, 예를 들어 유전체 기판(dielectric substrate)일 수 있으며, 이 기판에는 씨드 구조체가 제공된다. 씨드 구조체는 Cu, Ni, Co, Fe, Ru, Ir, Ga, Gd, Mo, Mn, Ag, Au, B, Si 또는 Ge 또는 금속뿐만 아니라, 전술된 엘리먼트들을 포함하는 복수의 재료로 구성될 수 있다. 씨드 구조체는 기판 상의 구조화되거나 비구조화된 층 또는 입자들일 수 있다. 특히, 기판과 탄소 구조체 사이에 배열되는 씨드 구조체에 대한 제공이 이루어진다. 기판, 씨드 구조체 및 탄소 구조체로 구성된 이러한 대상물은 씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 포함한다. 대상물은 또한 오직 씨드 구조체 상에 증착되는 탄소 구조체일 수 있다. 이러한 경우에, 씨드 구조체가 기판 자체를 형성한다. 씨드 구조체는 나노 구조체들, 따라서 나노튜브들 또는 나노와이어들이 성장하는 촉매 엘리먼트를 형성한다. 이러한 촉매 구조체들은 또한 기판에 의해 운반되는 입자들에 의해 형성될 수 있다. 탄소 구조체는, 그 후, 기판과 입자들 사이에서 성장한다. 본 발명에 따라, 씨드 구조체는 상승된 온도에서 프로세스 챔버로 에칭 가스를 도입함으로써 기체 형태로 유도된다(brought into). 에칭 프로세스의 결과로써, 탄소 구조체는 기판 상에 또는 서셉터 상에 실질적으로 느슨하게 지탱된다. 에칭 가스가 활성화될 수 있다. 에칭 가스의 활성화는 에너지 공급에 의해 일어날 수 있다. 열 소스(heat source), 특히 히터 또는 UV 램프 또는 플라즈마 발생기가 에너지 소스의 역할을 할 수 있다. 특히 바람직하게는, 예를 들어, 에칭 가스가 프로세스 챔버의 가열된 벽과 접촉하게 되거나 프로세스 챔버 내의 가열된 가스와 접촉하게 하기 때문에, 활성화는 거기서 발생된 열을 이용함으로써 프로세스 챔버 내에서 발생한다. 특히 가열에 의해 일어나는 활성화는 가스 유입구 본체 또는 프로세스 챔버 자체에서 발생할 수 있다. 그러나, 에칭 가스가 가열된 서셉터에 의해 방출된 열에 의해 활성화되며, 이에 의해 대상물은 서셉터 상에 지탱되는 것이 또한 가능하다. 서로 상이한 2 개의 가스들로 구성되는 에칭 가스에 대한 제공이 추가적으로 이루어질 수 있다. 에칭 가스는 바람직하게는 준비 상태로 유지되거나, 가스 소스에서 생성된다. 가스 소스는 캐리어 가스, 예를 들어 Ar, N2 또는 H2가 유동하는 액체 탱크일 수 있다. 에칭 가스는 특히 SOCl2SOBr2, COCl2, NOCl, NOBr, SOBr로 구성된다. 특히 바람직하게는, 티오닐 클로라이드(SOCl2)가 에칭 가스로서 사용된다. 특히, 기체 형태로 유도되고 카르보닐, 티오닐 또는 니트로실기 및 할로겐을 가지는 액체, 예를 들어 클로라이드, 브롬화물 또는 요오드화물은 에칭 가스로서 사용된다. 본 발명에 따른 방법은 기밀(gas-tight) 방식으로 외부에 대해 밀봉되는 반응기 하우징을 가지는 디바이스에서 실행된다. 반응기 하우징은 펌프에 의해 비워질(evacuated) 수 있다. 적어도 하나뿐만 아니라, 바람직하게는 복수의 가스 유출구 개구들을 포함하는 가스 유입구 본체는 반응기 하우징 내에 로케이팅된다. 금속 또는 그라파이트로 구성될 수 있고 히터에 의해 100℃ 내지 적어도 1000℃의 프로세스 온도로 가열될 수 있는 서셉터는 프로세스 챔버 내에 추가적으로 로케이팅된다. 씨드 구조체들이 탄소 구조체들, 예를 들어 그래핀, 나노튜브들 또는 반도체 나노와이어들 상에 또한 증착되는 방식으로 코팅 프로세스에서 처리되는 기판들은 서셉터 상에 로케이팅된다. 증착 프로세스 후, 프로세스 챔버는 불활성 가스로 씻어낸다(flushed). 프로세스 챔버는, 후속하여, 에칭 가스가 씨드 층과 화학적으로 반응하는 프로세스 온도에 상응하는 반응 온도로 유도된다. 이러한 온도는 최소 800°C일 수 있다. 탄소 구조체를 가지며 기판 상에 로케이팅되는 대상물이 프로세스 온도에 도달하자마자, 에칭 가스, 특히 티오닐 클로라이드가 프로세스 챔버 내로 도입된다. 900mbar의 총 압력에서, 예를 들어 분당 120 mmol로 프로세스 챔버 내로 도입될 수 있다. 에칭 가스는 캐리어 가스에 의해 프로세스 챔버 내로 도입되고 그곳에서 가열되어서, 이 에칭 가스는 활성화된다. 이러한 활성에 응답하여, 에칭 가스는 제 1 반응 생성물로 사전-분해될 수 있다. 씨드 구조체 및 탄소 구조체는 에칭 가스에 의해 또는 이로부터 각각 초래된 예비-분해 생성물들에 의해 서로로부터 분리된다. 에칭 프로세스는 통상적으로 5 분간 지속된다. 그 후, 에칭 가스의 공급이 정지되고, 불활성 가스 만이 프로세스 챔버 내로 도입되며, 프로세스 챔버는 탄소 구조체의 제거를 위해 냉각된다. 에칭 단계의 완료 후에, 반응 생성물들 또는 에칭 가스들 각각의 제거는 진공 압력으로 프로세스 챔버 밖으로 펌핑함으로써 또한 발생할 수 있다. 전술된 에칭 가스 외에도, 수소 또는 금속과 할로겐 사이의 화학 결합물인 첨가 가스가 프로세스 챔버 내로 또한 도입될 수 있다. 본 발명의 대안예에서, 프로세스 챔버는 기체 반응 생성물로의 씨드 구조체의 기체 반응 생성물로의 변환의 진행이 연속적으로 관찰될 수 있는 검출기 수단을 가진다. 이는 연속적이거나 펄스형 광, 예를 들어 광 빔을 방출하는 광 소스일 수 있다. 광 빔은 대상물에 부딪히고 대상물에 의해 반사된다. 반사된 광 빔은 검출기에 부딪힌다. 검출기는 특히 광 빔의 강도를 측정한다. 따라서, 반사 또는 반사 용량 각각의 레벨, 대상물의 반사율(reflectivity) 또는 반사율(reflectance)이 결정된다. 특히, 반사율의 시간 변화는 검출기 배열에 의해 결정된다. 광 빔은 바람직하게는 탄소 구조체를 관통하고 씨드 구조체의 표면 상에서, 따라서 씨드 구조체에 대한 탄소 구조체의 경계층에서 효과적으로 반사된다. 따라서, 에칭 프로세스의 과정에서 변화하는 표면의 반사 용량이 결정된다. 에칭 프로세스의 시작에서, 표면은 상응하게 높은 반사 용량을 포함하는 매끄러운 금속 층일 수 있다. 에칭 프로세스 중에, 씨드 구조체는 표면 상에서 제거되게 에칭되어서, 표면이 보다 더 거칠어진다. 표면의 반사 용량은 씨드 구조체의 완전한 제거 바로 전에 다시 증가하기 위해 최소로 떨어진다. 씨드 구조체를 제거한 후에, 광 빔은 높은 반사 용량을 가지며 에칭 가스에 의해 공격받지 않는 기판의 매끄러운 표면상에서 반사된다. 에칭 가스는 기판과 반응하지 않는다. 최소를 통과한 후의 반사 용량의 증가의 검출은 에칭 가스 공급을 차단하는데 사용될 수 있다. 에칭 가스 주입의 자동식 차단(turn-off)은 특히 최소를 통과한 후의 반사 용량이 다시 최대값에 도달할 때 발생한다.
본 발명은, 게다가, 에칭 가스에 대한 소스가 제공되는 것을 특징으로 하는, 상기 방법을 실행하기 위한 디바이스에 관한 것이다. 또한, 디바이스는 분리 프로세스의 진행을 결정하기 위한 광학 검출 수단을 가질 수 있으며, 이 광학 검출 수단은 에칭 가스의 공급을 차단하기 위해 제어 디바이스와 협력한다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 첨부된 도면들에 의해 아래에서 설명될 것이다.
도 1은 예시적인 제 1 실시예의 CVD 반응기 배열을 개략도로 도시한다;
도 2는 예시적인 제 2 실시예의 CVD 반응기 배열을 개략도로 도시한다;
도 3은 분리 방법의 예시적인 제 1 실시예를 개략도로 도시한다;
도 4는 분리 방법의 예시적인 제 2 실시예를 도시한다;
도 5는 분리 방법의 예시적인 제 3 실시예를 도시한다;
도 6은 분리 방법의 예시적인 제 4 실시예를 도시한다;
도 7은 시간(t0)에서 에칭 가스의 도입 전의 도 6에 따른 예시를 도시한다;
도 8은 시간(t1)에서 에칭 프로세스 중에 도 7에 대한 후속 예시를 도시한다;
도 9는 시간(t2)에서 도 8에 대한 후속 예시를 도시한다;
도 10은 에칭 프로세싱 중에 탄소 구조체(1)에 대한 씨드 구조체(2)의 경계 표면(2')의 반사율에 대한 시간순으로의 순서를, 오직 정성적으로(qualitatively) 도시한다.
도 1 및 도 2에 예시된 CVD 반응기(4)는 외측에 대해 기밀형(gas-tight)인 하우징(housing)으로 구성된다. 탄소 구조체(1)가 증착되는 대상물들(2, 3)을 수용하기 위한 그라파이트, 석영 또는 금속의 서셉터(5)는 하우징 내부에 로케이팅된다. 히터(6)는 서셉터(5) 아래에 로케이팅된다. 이는 저항 히터, IR 히터 또는 RF 히터일 수 있습니다. 원반 형상의(circular disk-shaped) 서셉터(5)는 가스 드레인(gas drain)(16)에 의해 펌프(pump)(15)에 연결되는 가스 유출구 본체(gas outlet body)에 의해 둘러싸인다. 프로세스 챔버(7)는 서셉터(5) 위에 로케이팅된다. 프로세스 챔버(7)의 천정(ceiling)은 가스 유입구 본체(8)의 가스 배출 표면에 의해 형성된다. 가스 유입구 본체(8)는 그 하부에 복수의 가스 배출 개구(9)를 가지는 샤워 헤드 형상 중공형 본체일 수 있다. 프로세스 가스는 공급 라인(10)에 의해 가스 유입구 본체(8) 내로 주입될 수 있다.
탄소 나노튜브들의 또는 반도체 나노와이어들의 탄소 구조체(1), 따라서 예를 들어, 그래핀 층(그래핀 층은 복수의 층으로 이루어짐)을 증착시키기 위한 방법을 실행하기 위해, 탄소, 예를 들어 메탄을 포함하는 적합한 프로세스 가스가 공급 라인(10)을 통해 프로세스 챔버(7) 내로 주입된다. 그 내부의 서셉터(5) 상에 지탱되는 대상물들은 씨드 구조체, 예를 들어 구리로 구성된 씨드 층 또는 구조화된 씨드 층(2)을 가진다. 언급된 탄소 나노구조체들(1)은 이러한 씨드 구조체(2) 상에 형성된다. 대상물들은 씨드 구조체(2)에 의해 코팅된 기판들(3)을 가질 수 있다. 씨드 구조체(2)는 매끄러운 표면을 가질 수 있다. 그러나, 씨드 구조체(2)를 형성하는 촉매 작용 입자들(catalytically acting particles)이 기판들(3) 상에 지탱되는 것이 또한 가능하다. 입자들은 나노 미터 범위에 놓이는 직경을 가진다. 나노구조체들의 증착에 응답하여, 나노튜브들 또는 나노와이어들은 기판과 입자 사이에 형성된다. 입자들은 서로로부터 이격될 수 있다.
에칭 가스는 탄소 나노구조체들(1)을 씨드 구조체들(2)로부터 분리시키는데 사용된다. 이러한 에칭 가스는 에칭 가스 소스(11)에서 발생된다. 에칭 가스는 공급 라인(12)으로 주입되는 Ar, N2 또는 H2로부터의 불활성 가스인 캐리어 가스에 의해 공급 라인(10)을 통해 가스 유입구 본체(8) 내로 안내된다. 공급 라인(10)에서, 추가의 불활성 가스, 예를 들어 Ar, N2 또는 H2가 공급 라인(13)에 의해 공급 라인(10)에 또한 주입된다.
도 1에 예시된 예시적인 실시예의 경우에서, 에칭 가스(11)는 프로세스 챔버(7) 내에 또는 가스 유입구 본체(8) 내에서 가열함으로써 각각 활성화된다. 에칭 가스 소스가 도 2에 예시된 바와 같이, 에칭 가스 소스(11)는 버블러(bubbler)일 수 있다.
도 2에 예시된 버블러는 액체 시작 재료가 저장되는 컨테이너(container)이다. 시작 재료는 SOCl2, SOBr2, COCl2, NOCl2, NOBr2 또는 SOBr일 수 있다. 바람직하게는, 액체는 티오닐 클로라이드이다. 에칭 가스는 액체를 통해 불활성 가스를 안내함으로써 발생된다.
도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 에칭 가스가 활성화되는 외부 활성화기(activator)(14)에 대한 제공이 이루어진다. 이는 에칭 가스로 열을 추가함으로써, UV에 의해 또는 플라즈마에 의해 발생할 수 있다. 열 소스, UV 소스 또는 플라즈마 발생기는, 따라서, 활성화기(activator)(14)에 배열될 수 있다.
에칭 가스의 사전-분해(pre-decomposition)는 에칭 가스의 활성화에 응답하여 발생할 수 있다.
에칭 프로세스를 실행하기 위해, 서셉터(5)는 약 800℃의 온도로 가열된다. 에칭 가스 또는 사전-분해된 에칭 가스는 씨드 구조체(2)와 반응하고 캐리어 가스와 함께 프로세스 챔버(7)로부터 드레인(16)으로부터 제거되는 휘발성 시작 재료로 후자를 변환시킨다.
도 3에 예시된 예시적인 실시예는 기판(3)으로 구성되는 대상물을 도시하며, 이 기판은 유전체 본체일 수 있으며, 그리고 이 기판은 거기에 적용되는 씨드 구조체(2)로 구성된다. 씨드 구조체(2)는 구리로 구성될 수 있고 매끄러운 표면을 포함하는 층일 수 있다. 그래핀 층(1)은 씨드 구조체(2) 상에 증착된다. 이는 단층의 그래핀일 수 있다. 수 개의 그래핀 층이 서로의 최상부에서 또한 증착될 수 있다. 전술된 에칭 프로세스에 응답하여, 에칭 가스 또는 에칭 가스의 제 1 반응 생성물들은 그래핀 층(1)을 관통하고 씨드 구조체(2)를 기체의 제 2 반응 생성물로 변환시켜서, 도 3에서의 우측에 예시된 결과가 생성되며, 그 경우에, 그래핀 층(1)이 기판(3) 바로 위에서 지탱된다.
좌측에서, 도 4는 구리 플레이트인, 씨드 구조체(2) 상에 증착된 그래핀 층(1)을 도시한다. 구리 플레이트(2)는 에칭 프로세스에 의해 제거되어서, 도 4의 우측에 예시된 바와 같이, 그래핀(1)만이 남게 된다.
도 5에 도시된 예시적인 실시예의 경우에, 예를 들어 나노와이어들 또는 나노튜브들의 형태의 탄소 구조체(1)는 기판(3)의 표면 상에서 지탱되는 입자들로 구성되는 구리의 씨드 구조체(2) 아래에서 성장한다. 이러한 탄소 구조체들(1)을 증착하기 위해, 구리 입자들 또는 다른 적합한 촉매 작용 재료의 입자들이 기판(3)에 적용된다. 탄소 구조체들(1)은, 그 후, 기판(3)과 입자들 사이에서 성장한다. 상응하는 구조체들은 도 5의 좌측에 개략적으로 예시된다. 에칭 프로세스 후, 씨드 구조체(2)가 제거되어서, 도 5의 우측에 도시된 바와 같이, 나노튜브들(1) 또는 나노와이어들 각각이 기판(3) 바로 위에서 지탱된다.
도 6에 예시된 예시적인 실시예의 경우에, 그 경우에 기판(3)이 횡 방향으로 구조화된 씨드 구조체(2)를 가지는 대상물이 좌측에 예시된다. 나노 튜브들(1)은 이러한 씨드 구조체(2)에 증착된다. 도 6의 우측에 예시된 상태(그 경우에, 나노튜브들(1)이 기판(3) 바로 위에 지탱됨)는 전술 된 에칭 프로세스에 의해 달성되며, 그 경우에 씨드 구조체(2)는 건식 에칭 방법에 의해 제거된다.
에칭 가스를 도입함으로써 발생하는 증착 프로세스 뿐만 아니라 분리 프로세스는 도 1 및 도 2에서 예시되는 디바이스에서 실행될 수 있다.
도 7 내지 도 9는 매끄러운 표면(2')을 포함하는 금속성 씨드 구조체(2)가 적용된 기판(3)으로 구성된 대상물을 통과하는 단면을 개략도로 도시한다. 탄소 구조체(1)는 그래핀 층 또는 그래핀 층 시퀀스(sequence)로서 또는 나노튜브들 또는 나노와이어들로서 표면(2') 상에 증착되었다. 따라서, 표면(2')은 탄소 구조체(1)와 씨드 구조체(2) 사이의 경계 표면을 형성한다. 입사 광 빔(19)은 반도체 레이저일 수 있는 광 소스(18)에 의해 발생된다. 입사 광 빔은 경계 표면(2') 상에서 반사된다. 출사 광 빔(outgoing light beam)(20)은 검출기(21)로 떨어진다. 광 소스(18) 및 검출기(21)는 프로세스 챔버 내에 배열될 수 있어서, 경계 표면(2)에서 반사되는 광 빔(19, 20)의 강도의 변화가 에칭 프로세스 중에 연속적으로 측정될 수 있다. 예시적인 실시예의 경우에, 입사 광 빔(19)은 예각(> 20°)으로 경계 표면(2')에 부딪친다. 그러나, 입사 광 빔(19)이 경계 표면(2')에 대해 수직으로 경계 표면(2')에 부딪치는 것이 또한 가능하다.
도 9는 에칭 프로세스의 시작에서의 시간(t0)에서 대상물을 도시한다.
도 10은 정성적인(qualitative) 방식으로 에칭 프로세스 동안 경계 표면(2') 상의 반사율의 변화 과정을 도시한다. 시간(t0)에서, 입사 광 빔(19)은 높은 반사 용량을 가지는 씨드 구조체(2)의 매끄러운 표면 상에서 반사되어서, 반사된 광 빔의 강도를 통해 결정될 수 있는 반사율(R)은 최대값(maximum)을 가진다.
씨드 구조체(2)의 재료는 에칭 프로세스 중에 경계 표면(2')에서 제거되어서, 에칭 프로세스가 계속되는 경우, 경계 표면(2')은 더 거칠어진다. 반사 용량이 감소하여서, 검출기(21)는 감소하는 강도/반사율을 검출한다. 이는 시간(t1)의 도 8에 도시된다. 기판 표면(3')의 부분 섹션들만이 여전히 씨드 구조체(2)의 재료로 코팅된다면, 강도/반사율은 최소를 지나고 후속하여 다시 증가한다. 기판 표면(3')은 높은 반사 용량을 가지는데, 왜냐하면 이 기판 표면은 매끄럽기 때문이다. 시간(t2)에서, 강도/반사율은 최대에 도달한다. 이는 더 이상 증가하지 않는다. 이는 광 빔(19)만이 이제 탄소 구조체(1)와 기판(3) 사이의 경계 표면을 형성하는 기판 표면(3') 상에서 여전히 반사된다는 표시이다.
최소값을 따르는 강도/반사율(R)이 최대 값에 도달하거나, 반사율이 더 이상 증가하지 않는다고 각각 결정되면, 에칭 프로세스는 종료된다.
상기 서술들은, 전체적으로 본 출원에 의해 포함되는 본 발명들을 설명하는 역할을 하며, 이는 적어도 다음의 특징 조합들을 통해 각각 독립적으로 종래 기술을 더 개량하며, 즉:
씨드 구조체(2) 상에 증착된 탄소 구조체(1), 예를 들어 그래핀, 탄소 나노튜브들 또는 반도체 나노와이어들을 씨드 구조체(2)로부터 분리시키는 방법으로서, 상기 방법은 다음의 단계들:
- CVD 반응기들(4)의 프로세스 챔버(7)에서 씨드 구조체(2) 상에 증착된 탄소 구조체를 제공하는 단계;
- 씨드 구조체(2) 및 탄소 구조체(1)를 포함하는 기판을 프로세스 온도로 가열하는 단계;
- 분자식 AOmXn, AOmXnYp 또는 AmXn을 갖는 적어도 하나의 에칭 가스를 주입하는 단계,
여기서 A는 S, C, N을 포함하는 엘리먼트들의 그룹으로부터 선택되며,
여기서 O는 산소이며,
여기서 X, Y는 상이한 할로겐들이며 그리고,
m, n, p는 0보다 큰 자연수들이며;
- 에칭 가스와의 화학 반응을 통해 씨드 구조체(2)를 기체 반응 생성물로 변환시키는 단계;
- 캐리어 가스 유동에 의해 프로세스 챔버(7)로부터 기체 반응 생성물을 제거하는 단계로 구성된다.
방법은, 씨드 구조체가 금속 구조체인 것을 특징으로 한다.
방법은 씨드 구조체가 다음의 엘리먼트 그룹들로부터의 적어도 하나의 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 한다: Cu, Ni, Co, Fe, Ru, Ir, Ga, Gd, Mo, Mn, Ag, Au, B, Si,Ge.
방법은, 씨드 구조체(2)가 기판(3)과 탄소 구조체(1) 사이에 또는 탄소 구조체 위에 그리고 기판 내에 배열되고, 입자들에 의해 형성되며, 기판(3) 상의 층 또는 씨드 구조체는 기판 그 자체에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
방법은, 에칭 가스가 특히 열의 공급에 의해, 자외선(ultraviolet light)에 의해 또는 플라즈마(plasma)에 의해 활성화되는 것을 특징으로 하며, 여기서 CVD 반응기(4) 내에서, 특히 그 내부에 있는 가스 유입구 본체(8) 내에서 또는 프로세스 챔버(7) 내에서 가열함으로써 발생하는 에칭 가스의 활성화에 대한 제공이 특히 이루어진다.
방법은, 에칭 가스가 엘리먼트 클로린을 포함하고 특히 SOCl2인 것을 특징으로 한다.
방법은, 에칭 가스가 서로 다른 복수의 가스들로 구성된 가스 혼합물인 것을 특징으로 한다.
방법은, 에칭 가스가 특히 액체가 증발되는 에칭 가스 소스(11) 내에 제공되는 것을 특징으로 한다.
방법은, 분자식 RX를 갖는 첨가 가스(additive gas)가 에칭 가스와 함께 프로세스 챔버 내로 주입되는 것을 특징으로 하며, 여기서 R은 수소 또는 금속이며, 그리고 X는 할로겐이다.
방법은, 기체 반응 생성물로의 씨드 구조체(2)의 변환의 진행이 씨드 구조체의 표면(2')의 반사율을 결정함으로써 결정되는 것을 특징으로 하며, 여기서 광 소스(18)는 표면(2')에서 반사되는 입사 광 빔(19)을 생성하며, 그리고 반사된 광 빔(20)의 강도를 측정하는 검출기(21)는 특히 반사율을 결정하는데 사용되며, 여기서 입사 광 빔(19)은 표면 (2')의 표면 연장부에 대해 수직으로 또는 각이 있게(at an angle) 배향되며, 그리고/또는 광 빔은 연속적으로 또는 펄스 방식(pulsed manner)으로 발생된다.
방법은, 검출기(21)에 의해 결정된 출사 광 빔(20)의 강도가 최소 통과 후 최대에 도달했을 때, 프로세스 챔버로의 에칭 가스의 도입이 종료되는 것을 특징으로 한다.
방법은, 탄소 구조체(1)가 씨드 구조체(2)로부터 탄소 구조체(1)를 분리하기 전에 동일한 프로세스 챔버(7) 내의 씨드 구조체(2) 상에 증착되는 것을 특징으로 한다.
디바이스는, 에칭 가스를 제공하기 위한 소스를 가지는 것을 특징으로 하며, 특히 액체가 저장되는 컨테이너(11)를 가지며, 이 컨테이너로부터 증발에 의해 에칭 가스가 발생될 수 있다.
디바이스는, 광 소스(18) 및 검출기(21)를 가지는 것을 특징으로 하며, 여기서 광 소스(18)는 탄소 구조체(1)와 씨드 구조체(2) 사이의 경계층 상에서 반사되는 광 빔을 발생시키며, 그리고 이 디바이스는 경계층에서 반사된 광 빔의 강도를 결정하는 검출기(21)를 가진다.
디바이스는, 검출기(21)와 협동하고, 검출기(21)에 의해 결정되는 반사된 광 빔(20)의 강도가 최소를 통과한 후 추가적으로 증가되지 않을 때, 프로세스 챔버(7) 내로의 에칭 가스의 진입(admission)을 차단하는(turn off) 제어 디바이스를 가지는 것을 특징으로 한다.
개시된 모든 피처들은 본 발명에 대해 중요하다(단독일 뿐만 아니라 또한 서로 조합됨). 또한 당면한(at hand) 출원의 청구항들 내로 이러한 문헌들의 피처들을 추가하는 목적을 위해, 상응하는/첨부된 우선권 문헌들(종래 출원의 문서)의 개시 내용은 이에 의해 본 출원의 개시 내로 그 전체가 또한 포함된다. 그 피처들에 의해, 종속항들은, 특히 이러한 청구항들을 기초하여 분할 출원들을 출원하기 위해, 종래 기술의 독립적인 추가적인 개량들을 특징으로 한다.
1 탄소 구조체
2 씨드 구조체
2' 경계 표면
3 기판
3' 경계 표면
4 CVD 반응기
5 서셉터
6 히터
7 프로세스 챔버
8 가스 유입구 본체
9 가스 출구 개구
10 공급 라인
11 에칭 가스 소스
12 공급 라인
13 불활성 가스 라인
14 활성 어나이얼레이터
15 펌프
16 드레인
18 광 소스
19 입사 광 빔
20 출사 광 빔
21 검출기
R 반사율
t0 시간
t1 시간
t2 시간

Claims (16)

  1. 씨드 구조체(seed structure)(2) 상에 증착된 탄소 구조체(carbon structure)(1)를 씨드 구조체(2)로부터 분리시키는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    - CVD 반응기(4)의 프로세스 챔버(process chamber)(7)에서 씨드 구조체(2) 상에 증착된 탄소 구조체를 제공하는 단계;
    - 씨드 구조체(2) 및 탄소 구조체(1)를 포함하는 기판을 프로세스 온도로 가열하는 단계;
    - 분자식 AOmXn, AOmXnYp 또는 AmXn을 갖는 적어도 하나의 에칭 가스(etching gas)를 상기 프로세스 챔버(7) 내로 주입하는 단계─
    A는 S, C, N을 포함하는 엘리먼트들의 그룹으로부터 선택되며,
    O는 산소이며,
    X, Y는 상이한 할로겐들이며 그리고,
    m, n, p는 0보다 큰 자연수들임─;
    - 상기 프로세스 챔버 내에서 열, 자외선(ultraviolet light) 또는 플라즈마(plasma)로 상기 에칭 가스를 활성화하는 단계─활성화에 응답하여 상기 에칭 가스가 제1 반응 생성물들로 분해됨─;
    - 상기 제1 반응 생성물들과의 화학 반응을 통해 씨드 구조체(2)를 기체의 제2 반응 생성물로 변환시키는 단계;
    - 캐리어 가스 유동(carrier gas flow)에 의해 상기 프로세스 챔버(7)로부터 기체 반응 생성물을 제거하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 씨드 구조체로부터 분리시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 씨드 구조체가 금속 구조체인 것을 특징으로 하는,
    씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 씨드 구조체로부터 분리시키는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 구조체(1)는 그래핀(graphene) 또는 탄소 나노튜브들(carbon nanotubes)인 것을 특징으로 하는,
    씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 씨드 구조체로부터 분리시키는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 씨드 구조체가 다음의 엘리먼트들 그룹: Cu, Ni, Co, Fe, Ru, Ir, Ga, Gd, Mo, Mn, Ag, Au, B, Si, Ge로부터의 적어도 하나의 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 씨드 구조체로부터 분리시키는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 씨드 구조체(2)가 기판(3)과 상기 탄소 구조체(1) 사이에 배열되거나, 또는 상기 탄소 구조체 위 및 상기 기판 내에 배열되고, 상기 씨드 구조체(2)는 상기 기판(3) 상의 입자들 또는 층에 의해 형성되거나 또는 상기 씨드 구조체는 기판 그 자체에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는,
    씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 씨드 구조체로부터 분리시키는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 에칭 가스가 엘리먼트 클로린(element chlorine)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 씨드 구조체로부터 분리시키는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 에칭 가스는 SOCl2인 것을 특징으로 하는,
    씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 씨드 구조체로부터 분리시키는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 에칭 가스가 서로 다른 복수의 가스들로 구성된 가스 혼합물인 것을 특징으로 하는,
    씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 씨드 구조체로부터 분리시키는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 에칭 가스가 액체가 증발되는 에칭 가스 소스(etching gas source)(11) 내에 제공되는 것을 특징으로 하는,
    씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 씨드 구조체로부터 분리시키는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    분자식 RX를 갖는 첨가 가스(additive gas)가 상기 에칭 가스와 함께 상기 프로세스 챔버 내로 주입되며, R은 수소 또는 금속이며, 그리고 X는 할로겐인 것을 특징으로 하는,
    씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 씨드 구조체로부터 분리시키는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    기체 반응 생성물로의 상기 씨드 구조체(2)의 변환의 진행이 상기 씨드 구조체의 표면(2')의 반사율을 결정함으로써 결정되며, 광 소스(light source)(18)는 상기 씨드 구조체(2)의 표면(2')에서 반사되는 입사 광 빔(19)을 생성하며, 그리고 반사된 광 빔(20)의 강도를 측정하는 검출기(21)는 상기 반사율을 결정하는데 사용되며, 상기 입사 광 빔(19)은 상기 표면 (2')의 표면 연장부에 대해 수직으로 또는 기울여지게 배향되며, 그리고/또는 상기 광 빔은 연속적으로 또는 펄스 방식(pulsed manner)으로 발생되는 것을 특징으로 하는,
    씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 씨드 구조체로부터 분리시키는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 검출기(21)에 의해 결정된 상기 반사된 광 빔(20)의 강도가 최소 통과 후 최대에 도달했을 때, 상기 프로세스 챔버로의 상기 에칭 가스의 도입이 종료되는 것을 특징으로 하는,
    씨드 구조체 상에 증착된 탄소 구조체를 씨드 구조체로부터 분리시키는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 방법을 실행하기 위해 설치되는 디바이스로서,
    에칭 가스를 제공하기 위한 소스(source)를 가지며, 상기 소스는 액체가 저장되는 컨테이너(container)를 가지며, 상기 컨테이너로부터 증발에 의해 상기 에칭 가스가 발생될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    광 소스(light source)(18) 및 검출기(detector)(21)를 가지며, 상기 광 소스(18)는 탄소 구조체(1)와 씨드 구조체(2) 사이의 경계층 상에서 반사되는 광 빔을 발생시키며, 그리고 상기 검출기(21)는 경계층에서 반사된 광 빔의 강도를 결정하는 것을 특징으로 하는,
    디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 검출기(21)와 협동하고, 상기 검출기(21)에 의해 결정되는 반사된 광 빔(20)의 강도가 최소를 통과한 후 추가적으로 증가되지 않을 때, 상기 프로세스 챔버(7) 내로의 상기 에칭 가스의 진입을 차단하는(turn off) 제어 디바이스(control device)를 가지는 것을 특징으로 하는,
    디바이스.
  16. 삭제
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