KR20110014847A - 그라핀 제조방법 및 그라핀층을 포함하는 적층구조물 - Google Patents

그라핀 제조방법 및 그라핀층을 포함하는 적층구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대면적으로 저렴하게 그라핀을 제조할 수 있는 방법 및 이 방법으로 제조된 그라핀층을 포함하는 적층구조물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 그라핀 제조방법은 실리콘 기판을 탄소를 함유하는 제1가스에 노출시켜, 실리콘 기판 표면이 탄화(carbonization)된 실리콘 카바이드(SiC)층을 형성한 후, 인시튜(in-situ)로, 탄소를 함유하는 제2가스를 실리콘 카바이드층 상에 공급하여 그라핀(graphene)층을 형성한다.

Description

그라핀 제조방법 및 그라핀층을 포함하는 적층구조물{Method of manufacturing graphene and laminated structure having graphene layer}
본 발명은 고기능성 탄소 재료의 합성에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 그라핀 제조방법 및 그라핀층을 포함하는 적층구조물에 관한 것이다.
그라핀(graphene)은 탄소 화합물로, 육각형 구조의 그라파이트 (0001)면의 한 층 또는 수 층으로 이루어진 것을 의미한다. 그라핀은 기존의 다른 탄소화합물인 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite) 등과 매우 다른 유용한 특징을 가지고 있다.
가장 주목할 특징으로는 그라핀에서 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이며, 이는 전자가 진공 중의 빛이 이동하는 속도 즉 광속으로 흐른다는 것을 의미한다. 또 하나의 특징은 그라핀은 전자와 정공에 대하여 비정상적 반-정수 양자홀 효과(unusual half-integer quantum hall effect)를 가진다는 것이다.
한편, 현재까지 알려진 그라핀의 이동도는 약 20,000 내지 50,000 cm2/Vs의 높은 값을 가진다고 알려져 있다. 무엇보다도 그라핀 시트와 비슷한 계열의 탄소나노튜브(CNT)의 경우 합성 후 정제를 거치는 경우 수율이 매우 낮기 때문에 값싼 재료를 이용하여 합성을 할지라도 최종 제품의 가격이 비싼 반면, 그라파이트는 매우 싸다는 장점이 있으며, 단일벽 카본나노튜브(SWCNT)의 경우 SWCNT의 키랄성 및 직경에 따라 금속, 반도체 특성이 달라질 뿐만이 아니라, 동일한 반도체 특성을 가지더라도 밴드갭이 모두 다르다는 특징을 가지므로, 주어진 SWCNT로부터 특정 반도체 성질 또는 금속성 성질을 이용하기 위해서는 각 SWCNT를 모두 분리해야 할 필요가 있으며, 이는 매우 어렵다고 알려져 있다.
이와 달리 그라핀의 경우 그라핀의 결정 방향성에 따라서 전기적 특성이 변화하여 선택 방향으로의 전기적 특성이 발현되므로 소자를 쉽게 디자인할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 그라핀의 특징은 향후 탄소계 전기 소자 또는 탄소계 전자기 소자 등에 매우 효과적으로 이용될 수 있다.
그라핀을 제조하기 위하여 개발된 방법으로서 미세 기계적(micromechanical) 방법과 실리콘 카바이드(SiC) 결정 열분해 방법을 예로 들 수 있다. 미세 기계적 방법은 그라파이트 시료에 스카치 테이프를 붙인 다음, 이를 떼어내게 되면 스카치 테이프 표면에 그라파이트로부터 떨어져 나온 그라핀을 얻는 방식이다. 이 경우 떼어져 나온 그라핀은 그 층의 수가 일정하지 않으며, 모양도 종이가 찢긴 형상으로 일정하지가 않다. 더욱이 대면적으로 그라핀을 얻는 것은 지극히 곤란하다는 단점이 있다.
그리고 실리콘 카바이드 결정 열분해 방법은 실리콘 카바이드 단결정을 가열 하게 되면 표면의 실리콘 카바이드는 분해되어 실리콘은 제거되며, 남아 있는 탄소(C)에 의하여 그라핀이 생성되는 원리이다. 이 방법의 경우 출발물질로 사용하는 실리콘 카바이드 단결정이 매우 고가이며, 대면적으로 얻기가 매우 어렵다는 단점이 있다.
따라서 전기적으로 매우 유용한 성질을 가지고 있는 그라핀을 값싸고, 대면적으로, 재현성 있게 제조할 수 있는 방법이 절실히 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 대면적으로 저렴하게 그라핀을 제조할 수 있는 방법 및 이 방법으로 제조된 그라핀층을 포함하는 적층구조물을 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 그라핀층을 포함하는 적층구조물의 바람직한 일 실시예는 실리콘층; 상기 실리콘층 상에 형성된 실리콘 카바이드(SiC)층; 및 상기 실리콘 카바이드층 상에 형성된 그라핀(graphene)층;을 포함하며, 상기 실리콘 카바이드층과 상기 그라핀층은 인시튜(in-situ)로 형성된다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 그라핀층을 포함하는 적층구조물의 바람직한 다른 실시예는 절연층; 상기 절연층 상에 형성된 실리콘 카바이드(SiC)층; 및 상기 실리콘 카바이드층 상에 형성된 그라핀(graphene)층;을 포함하며, 상기 실리콘 카바이드층과 상기 그라핀층은 인시튜(in-situ)로 형성된다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 그라핀 제조방법의 바람직한 일 실시예는 실리콘 기판을 탄소를 함유하는 제1가스에 노출시켜, 상기 실리콘 기판 표면이 탄화(carbonization)된 실리콘 카바이드(SiC)층을 형성하는 단계; 및 인시튜(in-situ)로, 탄소를 함유하는 제2가스를 실리콘 카바이드층 상에 공급하여 그라핀(graphene)층을 형성하는 단계;를 갖는다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 그라핀 제조방법의 바람직한 다른 실시예는 제1온도에서 실리콘 기판을 탄소를 함유하는 가스에 노출시켜, 상기 실리콘 기판 표면이 탄화(carbonization)된 실리콘 카바이드(SiC)층을 형성하는 단계; 및 인시튜(in-situ)로, 상기 제1온도보다 높은 제2온도에서 상기 실리콘 카바이드층을 열처리하여, 상기 실리콘 카바이드층 중 적어도 일부를 그라핀(graphene)층으로 형성시키는 단계;를 갖는다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 그라핀 제조방법의 바람직한 또 다른 실시예는 절연층 상에 실리콘층이 형성된 SOI(silicon on insulator) 기판을 탄소를 함유하는 제1가스에 노출시킴으로 인해, 상기 실리콘층을 탄화(carbonization)시켜 상기 절연층 상에 실리콘 카바이드(SiC)층을 형성하는 단계; 및 인시튜(in-situ)로, 탄소를 함유하는 제2가스를 실리콘 카바이드층 상에 공급하여 그라핀(graphene)층을 형성하는 단계;를 갖는다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 그라핀 제조방법의 바람직한 또 다른 실시예는 제1온도에서 절연층 상에 실리콘층이 형성된 SOI(silicon on insulator) 기판을 탄소를 함유하는 가스에 노출시킴으로 인해, 상기 실리콘층을 탄화(carbonization)시켜 상기 절연층 상에 실리콘 카바이드(SiC)층을 형성하는 단계; 및 인시튜(in-situ)로, 상기 제1온도보다 높은 제2온도에서 상기 실리콘 카바이드층을 열처리하여, 상기 실리콘 카바이드층 중 적어도 일부를 그라핀(graphene)층으로 형성시키는 단계;를 갖는다.
본 발명에 따르면, 실리콘 카바이드 단결정에 비해 상대적으로 값싼 실리콘을 이용하여 그라핀을 제조하므로, 제조단가가 저렴할 뿐 아니라, 상대적으로 대면적으로 제조하기 용이하다. 또한, 실리콘을 탄화시켜 실리콘 카바이드를 형성시키는 공정과 실리콘 카바이드 상에 그라핀을 제조하는 공정을 인시튜로 진행할 수 있어, 생산성이 우수하다. 그리고 SOI 기판을 이용하여 그라핀을 제조하면, 산화실리콘(SiO2) 상에 그라핀을 제조할 수도 있다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 그라핀 제조방법 및 그라핀층을 포함하는 적층구조물의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
실시예 : 실리콘 기판 상에 그라핀 제조 1
도 1은 본 발명에 따른 그라핀 제조방법에 있어서, 실리콘 기판 상에 그라핀을 형성하는 바람직한 일 실시예의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1을 참조하면, 우선, 실리콘 기판(110)을 불산(HF)에 담그어 실리콘 기판(110) 상에 형성된 자연 산화막을 제거한다. 그리고 수소(H2) 분위기, 1000 ℃에서 열처리하여 실리콘 기판(110)을 클리닝한다.
다음으로, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(110)을 탄소를 함유하 는 제1가스에 노출시켜, 실리콘 기판(110)의 표면을 탄화(carbonization)시킨다. 이때 탄소를 함유하는 제1가스는 C2H4와 같은 탄화수소가 사용될 수 있다. 실리콘 기판(110) 표면을 탄화시키는 공정은 900 ℃ 내지 1300 ℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기의 방법을 통해 실리콘 기판(110)의 표면이 탄화됨으로써, 실리콘 기판(110) 표면에는 실리콘 카바이드(SiC)층(120)이 형성된다.
다음으로, 도 1(c)에 도시된 바와 같이, 탄소를 함유하는 제2가스를 실리콘 카바이드층(120) 상에 공급하여 그라핀(graphene)층(130)을 형성한다. 실리콘 카바이드층(120)을 형성하는 단계와 그라핀층(130)을 형성하는 단계는 인시튜(in-situ)로 수행된다. 그리고 실리콘 카바이드층(120)을 형성할 때 사용되는 탄소를 함유하는 제1가스와 그라핀층(130)을 형성할 때 사용되는 탄소를 함유하는 제2가스는 동일할 수 있으며, 제1가스와 제2가스 모두 C2H4와 같은 탄화수소일 수 있다. 또한, 그라핀층(130)을 형성하는 단계는 실리콘 카바이드층(120)을 형성하는 단계와 동일한 온도에서 수행할 수 있으며, 이때 온도는 900 ℃ 내지 1300 ℃ 범위의 온도일 수 있다. 이와 같은 방법으로 그라핀층(130)을 형성시키면, 그라핀층(130)은 실리콘 카바이드층(120) 상에 에피성장하게 된다.
즉, 탄소 함유 가스를 실리콘 기판(110) 상에 공급하여 실리콘 기판(110) 표면이 탄화되어 실리콘 카바이드층(120)이 형성되며, 동일한 온도에서 동일한 탄소 함유 가스를 계속하여 공급하게 되면, 실리콘 카바이드층(120) 상에 그라핀층(130)이 형성된다. 이와 같은 방법으로 형성된 실리콘 카바이드층(120)과 그라핀층(130) 의 단면 투과전자현미경(cross section transmission electron microscope) 사진과 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 데이터를 각각 도 2 및 도 3에 나타내었다. 이때 명확한 데이터를 얻기 위해, 그라핀층(130) 상에 다결정 실리콘(poly-Si)을 증착하였다.
도 2 및 도 3을 살펴보면, 실리콘 기판과 다결정 실리콘 사이에 두 개의 층이 형성되었음을 알 수 있고, 아래의 층은 실리콘 카바이드로 이루어지고, 위의 층은 그라핀으로 이루어짐을 전자현미경 사진과 XPS 데이터로부터 명확히 알 수 있다.
상술한 방법으로 그라핀을 제조하면, 하나의 공정을 통해 실리콘 기판(110) 상에 실리콘 카바이드층(120)과 그라핀층(130)이 에피성장된 적층구조물(100)을 제조할 수 있게 된다. 따라서 단결정 실리콘 카바이드를 이용하여 그라핀을 제조하는 것에 비해, 실리콘 기판을 이용하므로 상대적으로 저렴하고, 대면적의 그라핀을 제조하기 용이하다. 그리고 그라핀층을 증착 방법으로 형성할 수 있으므로, 종래의 방법에 비해 물성이 우수하고, 다양한 응용분야에 이용하기에 적합하다.
실시예 : 실리콘 기판 상에 그라핀 제조 2
도 4는 본 발명에 따른 그라핀 제조방법에 있어서, 실리콘 기판 상에 그라핀을 형성하는 바람직한 다른 실시예의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4를 참조하면, 우선, 실리콘 기판(410)을 불산(HF)에 담그어 실리콘 기판(410) 상에 형성된 자연 산화막을 제거한다. 그리고 수소(H2) 분위기, 1000 ℃에 서 열처리하여 실리콘 기판(110)을 클리닝한다.
다음으로, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(410)을 탄소를 함유하는 가스에 노출시켜, 실리콘 기판(410)의 표면을 탄화(carbonization)시킨다. 이때 탄소를 함유하는 가스는 C2H4와 같은 탄화수소가 사용될 수 있다. 실리콘 기판(410) 표면을 탄화시키는 공정은 900 ℃ 내지 1300 ℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기의 방법을 통해 실리콘 기판(410)의 표면이 탄화됨으로써, 실리콘 기판(410) 표면에는 실리콘 카바이드(SiC)층(420)이 형성된다.
다음으로, 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 실리콘 카바이드층(420)을 열처리하여, 실리콘 카바이드층(420) 중 적어도 일부를 그라핀(graphene)층(430)으로 형성시킨다. 실리콘 카바이드층(420)을 형성하는 단계와 그라핀층(430)을 형성하는 단계는 인시튜(in-situ)로 수행된다. 그리고 그라핀층(430)을 형성하는 단계는 실리콘 카바이드층(420)을 형성하는 단계보다 높은 온도에서 수행되며, 바람직하게는 1300 ℃ 이상의 온도에서 수행된다. 탄소를 함유하는 가스를 공급하지 않고, 상기와 같이 실리콘 카바이드층(420)을 열처리하게 되면, 실리콘 카바이드층(420) 특히 실리콘 카바이드층(420)의 표층부에 함유되어 있는 실리콘이 외부로 제거되어 실리콘 카바이드층(420) 표면에 그라핀층(430)이 형성된다.
실리콘 카바이드층(420)을 얇게 형성한 후, 열처리하게 되면, 실리콘 카바이드층(420) 전부를 그라핀층(430)으로 형성할 수 있다. 이와 같이 실리콘 카바이드층(420) 전부를 그라핀층(430)으로 형성한다면, 실리콘 기판(410) 상에 바로 그라 핀층(430)을 형성할 수 있게 된다.
상술한 방법으로 그라핀을 제조하면, 인시튜로 실리콘 기판(410) 상에 실리콘 카바이드층(420)과 그라핀층(430)이 순차적으로 형성되거나 그라핀층(430)만이 형성된 적층구조물(400)을 제조할 수 있게 된다. 따라서 단결정 실리콘 카바이드를 이용하여 그라핀을 제조하는 것에 비해, 실리콘 기판을 이용하므로 상대적으로 저렴하고, 대면적의 그라핀을 제조하기 용이하다.
실시예 : SOI 기판 상에 그라핀 제조 1
도 5는 본 발명에 따른 그라핀 제조방법에 있어서, SOI 기판 상에 그라핀을 형성하는 바람직한 일 실시예의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5를 참조하면, 우선, SOI(silicon on insulator) 기판을 준비한다. SOI 기판은 실리콘 기판(510) 상에 절연층(520)과 실리콘층(530)이 순차적으로 적층되어 있는 기판이다. 이때 절연층(520)은 산화실리콘(SiO2)으로 이루어질 수 있다. SOI 기판 제조 공정은 주지의 공정이므로, 여기서는 자세한 설명은 생략한다.
그리고 SOI 기판을 불산(HF)에 담그어 실리콘층(530) 상에 형성된 자연 산화막을 제거한다. 그리고 수소(H2) 분위기, 1000 ℃에서 열처리하여 SOI 기판을 클리닝한다.
다음으로, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, SOI 기판을 탄소를 함유하는 제1가스에 노출시킴으로 인해, 실리콘층(530)을 탄화(carbonization)시켜 실리콘층(530)을 실리콘 카바이드(SiC)층(540)으로 만든다. 이때 탄소를 함유하는 제1가스는 C2H4 와 같은 탄화수소가 사용될 수 있다. 실리콘층(530)을 탄화시키는 공정은 900 ℃ 내지 1300 ℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기의 방법을 통해 실리콘층(530)이 탄화됨으로써, 절연층(520) 상에 실리콘 카바이드층(540)이 형성된다.
다음으로, 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 탄소를 함유하는 제2가스를 실리콘 카바이드층(540) 상에 공급하여 그라핀(graphene)층(550)을 형성한다. 실리콘 카바이드층(540)을 형성하는 단계와 그라핀층(550)을 형성하는 단계는 인시튜(in-situ)로 수행된다. 그리고 실리콘 카바이드층(540)을 형성할 때 사용되는 탄소를 함유하는 제1가스와 그라핀층(550)을 형성할 때 사용되는 탄소를 함유하는 제2가스는 동일할 수 있으며, 제1가스와 제2가스 모두 C2H4와 같은 탄화수소일 수 있다. 또한, 그라핀층(550)을 형성하는 단계는 실리콘 카바이드층(540)을 형성하는 단계와 동일한 온도에서 수행할 수 있으며, 이때 온도는 900 ℃ 내지 1300 ℃ 범위의 온도일 수 있다. 이와 같은 방법으로 그라핀층(550)을 형성시키면, 그라핀층(550)은 실리콘 카바이드층(540) 상에 에피성장하게 된다.
즉, 탄소 함유 가스를 SOI 기판 상에 공급하여 실리콘층(530)을 탄화시킴으로 인해 실리콘 카바이드층(540)이 형성되며, 동일한 온도에서 동일한 탄소 함유 가스를 계속하여 공급하게 되면, 실리콘 카바이드층(540) 상에 그라핀층(550)이 형성된다.
상술한 방법으로 그라핀을 제조하면, 하나의 공정을 통해 절연층(520) 상에 실리콘 카바이드층(540)과 그라핀층(550)이 에피성장된 적층구조물(500)을 제조할 수 있게 된다. 따라서 절연층(520) 상에 간단한 방법으로 그라핀층(550)을 형성할 수 있어, 다양한 응용분야에 이용하기에 적합하다.
실시예 : SOI 기판 상에 그라핀 제조 2
도 6은 본 발명에 따른 그라핀 제조방법에 있어서, SOI 기판 상에 그라핀을 형성하는 바람직한 다른 실시예의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6을 참조하면, 우선, SOI(silicon on insulator) 기판을 준비한다. SOI 기판은 실리콘 기판(610) 상에 절연층(620)과 실리콘층(630)이 순차적으로 적층되어 있는 기판이다. 이때 절연층(620)은 산화실리콘(SiO2)으로 이루어질 수 있다. SOI 기판 제조 공정은 주지의 공정이므로, 여기서는 자세한 설명은 생략한다.
그리고 SOI 기판을 불산(HF)에 담그어 실리콘층(630) 상에 형성된 자연 산화막을 제거한다. 그리고 수소(H2) 분위기, 1000 ℃에서 열처리하여 SOI 기판을 클리닝한다.
다음으로, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, SOI 기판을 탄소를 함유하는 가스에 노출시킴으로 인해, 실리콘층(630)을 탄화(carbonization)시켜 실리콘층(630)을 실리콘 카바이드(SiC)층(640)으로 만든다. 이때 탄소를 함유하는 가스는 C2H4와 같은 탄화수소가 사용될 수 있다. 실리콘층(630)을 탄화시키는 공정은 900 ℃ 내지 1300 ℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기의 방법을 통해 실리콘층(630)이 탄화됨으로써, 절연층(620) 상에 실리콘 카바이드층(640)이 형성된다.
다음으로, 도 6(c)에 도시된 바와 같이, 실리콘 카바이드층(640)을 열처리하 여, 실리콘 카바이드층(640) 중 적어도 일부를 그라핀(graphene)층(650)으로 형성시킨다. 실리콘 카바이드층(640)을 형성하는 단계와 그라핀층(650)을 형성하는 단계는 인시튜(in-situ)로 수행된다. 그리고 그라핀층(650)을 형성하는 단계는 실리콘 카바이드층(640)을 형성하는 단계보다 높은 온도에서 수행되며, 바람직하게는 1300 ℃ 이상의 온도에서 수행된다. 탄소를 함유하는 가스를 공급하지 않고, 상기와 같이 실리콘 카바이드층(640)을 열처리하게 되면, 실리콘 카바이드층(640) 특히 실리콘 카바이드층(640)의 표층부에 함유되어 있는 실리콘이 외부로 제거되어 실리콘 카바이드층(640) 표면에 그라핀층(650)이 형성된다.
실리콘층(630)이 얇게 형성된 SOI 기판을 이용하게 되면 실리콘 카바이드층(640) 역시 얇게 형성되고, 이를 열처리하게 되면, 실리콘 카바이드층(640) 전부를 그라핀층(650)으로 형성할 수 있게 된다. 이와 같이 실리콘 카바이드층(640) 전부를 그라핀층(650)으로 형성한다면, 절연층(620) 상에 바로 그라핀층(650)을 형성할 수 있게 된다.
상술한 방법으로 그라핀을 제조하면, 인시튜로 절연층(620) 상에 실리콘 카바이드층(640)과 그라핀층(650)이 순차적으로 형성되거나 그라핀층(650)만이 형성된 적층구조물(600)을 제조할 수 있게 된다. 따라서 절연층(620) 상에 간단한 방법으로 그라핀층(650)을 형성할 수 있어, 다양한 응용분야에 이용하기에 적합하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 그라핀 제조방법에 있어서, 실리콘 기판 상에 그라핀을 형성하는 바람직한 일 실시예의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2는 도 1의 방법으로 제조된 적층구조물의 단면 투과전자현미경(cross section transmission electron microscope) 사진이다.
도 3은 도 1의 방법으로 제조된 적층구조물의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 그라핀 제조방법에 있어서, 실리콘 기판 상에 그라핀을 형성하는 바람직한 다른 실시예의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명에 따른 그라핀 제조방법에 있어서, SOI 기판 상에 그라핀을 형성하는 바람직한 일 실시예의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 본 발명에 따른 그라핀 제조방법에 있어서, SOI 기판 상에 그라핀을 형성하는 바람직한 다른 실시예의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.

Claims (25)

  1. 실리콘층;
    상기 실리콘층 상에 형성된 실리콘 카바이드(SiC)층; 및
    상기 실리콘 카바이드층 상에 형성된 그라핀(graphene)층;을 포함하며,
    상기 실리콘 카바이드층과 상기 그라핀층은 인시튜(in-situ)로 형성된 것을 특징으로 하는 그라핀층이 포함된 적층구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    실리콘 카바이드층은 상기 실리콘층 표면이 탄화(carbonization)되어 형성된 것이고, 상기 그라핀층은 에피성장된 것을 특징으로 하는 그라핀이 포함된 적층구조물
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드층은 상기 실리콘층 표면이 탄화되어 형성된 것이고, 상기 그라핀층은 상기 실리콘 카바이드층의 표층부에 함유되어 있는 실리콘이 제거되어 형성된 것을 특징으로 하는 그라핀이 포함된 적층구조물.
  4. 절연층;
    상기 절연층 상에 형성된 실리콘 카바이드(SiC)층; 및
    상기 실리콘 카바이드층 상에 형성된 그라핀(graphene)층;을 포함하며,
    상기 실리콘 카바이드층과 상기 그라핀층은 인시튜(in-situ)로 형성된 것을 특징으로 하는 그라핀층이 포함된 적층구조물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절연층은 산화실리콘(SiO2)층인 것을 특징으로 하는 그라핀이 포함된 적층구조물.
  6. 실리콘 기판을 탄소를 함유하는 제1가스에 노출시켜, 상기 실리콘 기판 표면이 탄화(carbonization)된 실리콘 카바이드(SiC)층을 형성하는 단계; 및
    인시튜(in-situ)로, 탄소를 함유하는 제2가스를 실리콘 카바이드층 상에 공급하여 그라핀(graphene)층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1가스와 제2가스는 동일한 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1가스와 제2가스는 탄화수소인 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드층을 형성하는 단계와 그라핀층을 형성하는 단계는 동일한 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드층을 형성하는 단계와 그라핀층을 형성하는 단계는 900 ℃ 내지 1300 ℃ 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그라핀층은 에피성장하는 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  12. 제1온도에서 실리콘 기판을 탄소를 함유하는 가스에 노출시켜, 상기 실리콘 기판 표면이 탄화(carbonization)된 실리콘 카바이드(SiC)층을 형성하는 단계; 및
    인시튜(in-situ)로, 상기 제1온도보다 높은 제2온도에서 상기 실리콘 카바이드층을 열처리하여, 상기 실리콘 카바이드층 중 적어도 일부를 그라핀(graphene)층으로 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드층 전부를 그라핀층으로 형성시켜 상기 실리콘 기판 상 에 그라핀층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제1온도는 900 ℃ 내지 1300 ℃이고, 상기 제2온도는 1300 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  15. 절연층 상에 실리콘층이 형성된 SOI(silicon on insulator) 기판을 탄소를 함유하는 제1가스에 노출시킴으로 인해, 상기 실리콘층을 탄화(carbonization)시켜 상기 절연층 상에 실리콘 카바이드(SiC)층을 형성하는 단계; 및
    인시튜(in-situ)로, 탄소를 함유하는 제2가스를 실리콘 카바이드층 상에 공급하여 그라핀(graphene)층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1가스와 제2가스는 동일한 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1가스와 제2가스는 탄화수소인 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드층을 형성하는 단계와 그라핀층을 형성하는 단계는 동일한 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드층을 형성하는 단계와 그라핀층을 형성하는 단계는 900 ℃ 내지 1300 ℃ 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그라핀층은 에피성장하는 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  21. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연층은 산화실리콘(SiO2)층인 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  22. 제1온도에서 절연층 상에 실리콘층이 형성된 SOI(silicon on insulator) 기판을 탄소를 함유하는 가스에 노출시킴으로 인해, 상기 실리콘층을 탄화(carbonization)시켜 상기 절연층 상에 실리콘 카바이드(SiC)층을 형성하는 단계; 및
    인시튜(in-situ)로, 상기 제1온도보다 높은 제2온도에서 상기 실리콘 카바이드층을 열처리하여, 상기 실리콘 카바이드층 중 적어도 일부를 그라핀(graphene)층 으로 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드층 전부를 그라핀층으로 형성시켜 상기 절연층 상에 그라핀층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 제1온도는 900 ℃ 내지 1300 ℃이고, 상기 제2온도는 1300 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
  25. 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 절연층은 산화실리콘(SiO2)층인 것을 특징으로 하는 그라핀 제조방법.
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