KR20120042655A - 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법 - Google Patents

대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대면적의 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성 방법에 관한 것이다. 이 대면적 그라핀은 기판상의 촉매층 과 그라핀을 형성하고 촉매층과 그라핀의 분리 없이 하부의 촉매층을 제거하여, 그라핀은 최초의 기판에 흡착된다. 이로써, 공정을 단순하게 하고 안정적으로 대면적의 그라핀 기판 및 그라핀 소자를 형성할 수 있다.

Description

대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법{Forming method of a large-scaled graphene substrate and a graphene device}
본 발명은 기판 상에 대면적의 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노미터 크기를 갖는 대면적의 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법에 관한 것이다.
그라핀(graphene)은 탄소 원자가 벤젠 모양으로 연속 구성된 한 층(두께가 약 4Å인 이차원 판)을 말하며, 다중벽 탄소나노튜브 및 흑연의 구성 물질이다. 대표적인 층상 물질인 흑연은, 그라핀을 이루고 있는 탄소 원자 간의 결합은 매우 강한 공유결합이지만, 그라핀 간의 결합은 미약한 반데르발스(van der waals)결합을 가진다. 이러한 특성으로 인하여 두께가 약 4Å로 매우 얇은 이차원 구조를 갖는 그라핀막이 존재할 수 있다. 만일, 금속이 이 정도 두께로 얇게 될 경우 이차원 구조를 유지할 수 없다. 그라핀은 높은 전자이동도(~200,000 cm2/Vs), 80% 이상의 빛 투과도, 금속수준의 전기전도도, 우수한 열전도도 특성을 지니고 있기 때문에 반도체를 비롯해 에너지, 디스플레이 등 산업 분야에서 다양한 용도로 쓰여질 수 있다.
그라핀을 형성하기 위한 방법은, 물리적 또는 화학적 박리법, 화학 증기 증착법(Chemical vapor deposition), 에피택시(epitaxy) 성장법, 및 유기 합성법을 포함한다.
물리적 박리법은 흑연으로부터 한층 한층 접착 테이프로 벗겨내는 방법이다. 화학적 박리법은 흑연결정으로부터 박리된 그라핀 조각들을 화학적 방법을 통하여 용액 상에 분산시킨다. 에피택시 합성법은 탄소가 표면의 결을 따라 그라핀으로 성장하는 것이다. 화학 증기 증착법(Chemical vapor deposition)은 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 이용하여 그라핀을 합성하는 방법이다. 화학 증기 증착법에 의하면, 촉매의 종류와 두께, 반응시간, 냉각속도, 반응가스의 농도 등을 조절함으로써 그라핀의 층수를 조절하는 것이 가능하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 그라핀의 생성 공정을 단순화 하고, 안정적으로 대면적의 그라핀 기판 및 그라핀 소자를 형성하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 그라핀의 패터닝 크기를 나노미터 크기로 조절함으로써 밴드갭을 가지는 그라핀 기판 및 그라핀 소자를 형성하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법에 관한 것이다. 이 형성방법은 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 촉매층을 형성하는 단계; 상기 촉매층 상에 그라핀(graphene)을 형성하는 단계; 상기 촉매층을 선택적으로 제거하는 단계; 및 상기 그라핀은 상기 기판에 침강 내지 흡착되는 단계를 포함하는 대면적의 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그라핀 기판 및 그라핀 소자는 기판상의 촉매층 위에 그라핀을 형성하고, 상기 촉매층과 상기 그라핀의 분리 없이 하부의 상기 촉매층을 제거한다. 상기 그라핀은 최초의 기판에 흡착된다. 공정을 단순하게 하고 안정적으로 대면적의 그라핀 기판 및 그라핀 소자를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그라핀 기판 및 그라핀 소자는 촉매층 상에 형성된 그라핀을 패터닝하여, 패터닝된 홀(hole)을 통하여 상기 촉매층을 용이하게 제거하고, 상기 그라핀이 최초의 기판에 흡착되도록 한다. 패터닝된 상기 그라핀 및 그라핀 소자를 대면적으로 기판상에 형성하는 공정을 제공할 수 있다. 일부 영역의 패터닝 크기를 조절하여 제거되지 않은 촉매층은 그라핀의 지지대 또는 그라핀 소자의 전극 역할을 할 수 있다. 패터닝 크기를 나노미터 크기로 조절함으로써, 밴드갭을 가지는 그라핀 및 그라핀 소자를 대면적의 기판상에 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 그라핀 기판 및 그라핀 소자는 촉매층의 제거 시, 일부 영역을 보호하여 일부의 상기 촉매층을 제거하지 않는다. 제거되지 않은 일부의 상기 촉매층은 그라핀의 지지대 역할을 할 수 있으며, 그라핀 소자의 전극역할을 할 수 있다. 그러므로 상기 그라핀 소자의 제작 공정을 간단하게 할 수 있으며, 그라핀 소자의 접촉저항을 줄일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그라핀은 촉매층과 그라핀의 분리 없이 하부의 상기 촉매층을 산화 또는 질화 등의 화학반응을 통하여 절연막으로 개질시킨다. 대면적의 상기 그라핀을 기판상에 형성하는 공정을 단순화 할 수 있다. 또한 상기 촉매층 상에 형성된 상기 그라핀을 패터닝하여, 패터닝된 홀(hole)을 통하여 상기 촉매층을 산화 또는 질화 등의 화학반응을 통하여 절연막으로 개질시킨다. 패터닝된 그라핀을 대면적으로 기판 상에 형성할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그라핀의 패턴모양을 나타낸 평면도들이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 다른 형태로 형성된 단면도들이다.
도 4e 내지 4g는 도 4a를 응용하여 제작한 그라핀 소자의 사시도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 다른 형태로 형성된 단면도들이다.
도 6c 내지 도 6d는 도 6a를 응용하여 제작한 그라핀 소자의 사시도이다.
도 6e 내지 도 6g는 도 6a 내지 6b를 응용하여 제작한 그라핀 트랜지스터의 단면도들이다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
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.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 1a을 참조하면, 기판(11)상에 촉매층(12)을 형성하고, 상기 촉매층(12) 상에 그라핀(13)을 형성한다.
상기 기판(11)은 글라스(glass), 플리스틱 등의 절연물질 또는 Si, SiC, Ge 등을 포함한 단층의 반도체일 수 있다. 상기 기판(11)은 이중층일 수 있으며, 그 이중층은 두 기판으로 이루어질 수 있다. 상기 두 기판 중 하나의 기판은 제 1 기판(11a)이며, 다른 하나는 제 2 기판(11b) 일 수 있다. 상기 제 1 기판(11a)은 글라스(glass), 플라스틱, Si 중 하나의 물질일 수 있다. 상기 제 2 기판(11b)은 SiO2, SiN 중 하나의 물질일 수 있으며, 상기 제 1 기판(11a) 상에 위치할 수 있다. 상기 기판(11)의 표면은 상기 그라핀(13)의 흡착특성을 향상시키는 물질을 가질 수 있다. 상기 그라핀(13)의 흡착특성을 향상시키는 물질은 소수성 성질의 물질일 수 있다. 상기 소수성 물질은 수산기, 아미노기, 카르복실기 등일 수 있다.
상기 촉매층(12)은 Ni, Co, Cu, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, SiC, Ta, Ti, W, U, V, Zr 들 중 적어도 하나의 전이금속으로 이루어질 수 있다. 상기 촉매층(12)은 물리적 증기 증착법(Physical vapor deposition ; PVD), 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition; CVD), 원자 층 증착법(Atom layer deposition ; ALD), 또는 증발법(evaporation) 중 어느 하나에 의하여 형성될 수 있다.
상기 그라핀(13)은 화학 증기 증착법, 이온 주입법(Ion Implantation), 에피텍셜 성장법(epitaxial growth)등의 방법 중 어느 하나에 의하여 형성될 수 있다. 상기 그라핀(13)은 단일층 또는 이중층으로 형성될 수 있다.
도 1b 및 도 1c를 참조하면, 상기 기판(11)상의 형성된 상기 촉매층(12)을 식각한다. 상기 촉매층(12)은 습식식각으로 제거 될 수 있다. 상기 습식식각으로 사용되는 에칭액으로는 산, 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etch), 염화 제2철(FeCl3) 용액, 질산 제2철(Fe(No3)3)용액, HCl 용액 또는 이들의 혼합용액 등이 사용될 수 있다. 다른 방법으로는 이온빔식각, 이온빔밀링 또는 스퍼터식각 방법으로 촉매층이 제거될 수 있다.
상기 촉매층(12)이 제거된 후 상기 그라핀(13)층은 상기 기판(11) 상에 침강 내지는 흡착된다.
도 2a 내지 도 2d 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 기판(21)상에 촉매층(22)을 형성하고, 상기 촉매층(22) 상에 그라핀(23)을 형성한다.
상기 기판(21)은 글라스(glass), 플리스틱 등의 절연물질 또는 Si, SiC, Ge 등을 포함한 단층의 반도체 일 수 있다. 상기 기판(21)은 이중층일 수 있으며, 그 이중층은 두 기판으로 이루어질 수 있다. 상기 두 기판 중 하나의 기판은 제 1 기판(21a)이며, 다른 하나는 제 2 기판(21b)일 수 있다. 상기 제 1 기판(21a)은 글라스(glass), 플라스틱, Si 중 하나의 물질일 수 있다. 상기 제 2 기판(21b)은 SiO2, SiN 중 하나의 물질일 수 있으며, 상기 제 1 기판(21a) 상에 위치할 수 있다. 상기 기판(21)의 표면은 상기 그라핀(23)의 흡착특성을 향상시키는 물질을 가질 수 있다. 상기 그라핀(23)의 흡착특성을 향상시키는 물질은 소수성 성질의 물질일 수 있다. 상기 소수성 물질은 수산기, 아미노기, 카르복실기 등일 수 있다.
상기 촉매층(22)은 Ni, Co, Cu, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, SiC, Ta, Ti, W, U, V, Zr 들 중 적어도 하나의 전이금속으로 이루어질 수 있다. 상기 촉매층(22)은 물리적 증기 증착법(Physical vapor deposition ; PVD), 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition; CVD), 원자 층 증착법(Atom layer deposition ; ALD), 또는 증발법(evaporation) 중 어느 하나에 의하여 형성될 수 있다.
상기 그라핀(23)은 화학 증기 증착법, 이온 주입법(Ion Implantation), 에피텍셜 성장(epitaxial growth)등의 방법 중 어느 하나에 의하여 형성될 수 있다. 상기 그라핀(23)은 단일층 또는 이중층으로 형성될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 그라핀(23)을 패터닝 한다. 상기 그라핀(23)은 상기 촉매층(22)과 동시에 패터닝 할 수 있다. 상기 그라핀(23)은 광학리소그라피, 전자 빔 리소그라피(Electron-beam Lithography), 블록 공중합체(Block copolymer)를 이용한 리소그라피, 원자현미경(Atomic force microscopy), 나노임프린트(Nanoimprint) 등과 건식식각 또는 습식식각 중 어느 하나의 방법에 의하여 패터닝 공정을 수행할 수 있다.
도 2c 및 도 2d를 참조하면, 패터닝된 상기 그라핀(23)의 홀(hole)(25)를 통하여 상기 촉매층(22)을 식각한다. 상기 촉매층(22)은 습식식각으로 제거 될 수 있다. 상기 습식식각으로 사용되는 에칭액으로는 산, 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etch), 염화 제2철(FeCl3) 용액, 질산 제2철(Fe(No3)3)용액 HCl 용액 또는 이들의 혼합용액 등이 사용될 수 있다. 다른 방법으로는 이온빔식각, 이온빔밀링 또는 스퍼터식각 방법으로 상기 촉매층(22)이 제거될 수 있다.
상기 촉매층(22)이 제거된 후 상기 그라핀(23)층은 상기 기판(21) 상에 침강 내지는 흡착된다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2b를 참조하여 설명된 상기 그라핀(23)의 패턴모양을 나타낸 평면도들이다.
도 3a를 참조하면, 상기 그라핀(23)의 패턴모양은 규칙적으로 또는 불규칙적으로 배열되는 라인(line)들일 수 있다. 도 3b를 참조하면, 상기 그라핀(23)의 패턴모양은 서로 교차하는 라인(line)들일 수 있다. 도 3c를 참조하면, 상기 그라핀(23)은 다양한 모양의 홀(hole)들로 구성된 형태일 수 있다.
상기 그라핀(23)의 패턴 폭(W)과 간격(S)은 각각 1nm~1mm까지의 다양한 크기를 가질 수 있다. 상기 그라핀(23)의 각각의 폭과 간격은 균일한 값을 가질 수 있다. 또한 상기 그라핀(23)의 각각의 폭과 간격은 불균일한 임의의 값을 가질 수 있다. 상기 그라핀(23)의 홀(25)은 다양한 모양을 가질 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 다른 실시예에 따른 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 다른 형태로 형성된 단면도들이다. 설명의 간결함을 위해, 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 중복되는 기술적, 구조적 특징 및 형성방법에 대한 설명은 생략될 것이다.
도 4a를 참조하면, 상기 일부 그라핀(23) 영역의 패턴 폭을 크게 한 후 상기 촉매층(22)을 식각하면, 상기 촉매층(22)의 일부 영역은 제거되지 않는다. 그러므로 제거되지 않은 상기 촉매층(22)은 상기 일부 그라핀(23)을 지지할 수 있다. 또는, 포토리소그라피(photolithography) 공정으로 상기 그라핀(23)과 상기 촉매층(22)의 일부 영역을 보호한 후, 개방된 영역의 상기 촉매층(22)을 제거한다. 그러므로 제거되지 않은 상기 촉매층(22)은 상기 일부 그라핀(23)을 지지할 수 있다. 상기 촉매층(22)에 지지되지 않은 상기 패터닝된 일부 그라핀(23)은 상기 기판(21)위의 공간상에 부유할 수 있다.
또는, 도 4b를 참조하면, 상기 촉매층(22)에 지지되지 않은 상기 일부 그라핀(23)은 상기 기판(21)상에 흡착될 수 있다.
도 4c를 참조하면, 도 4a에서 도시된 상기 촉매층(22)에 의해 지지된 상기 그라핀(23) 층은 추가적인 보호막(26)의 증착, 포토리소그라피(photolithography) 공정, 식각 공정 및 이들의 조합으로 제거할 수 있다.
도 4d를 참조하면, 도 4b에 도시된 상기 촉매층(22)에 지지되지 않은 상기 그라핀(23) 층은 추가적인 보호막(26)의 증착, 포토리소그라피(photolithography) 공정, 식각 공정 및 이들의 조합으로 제거할 수 있다.
도 4e 내지 도 4g는 도 4a를 응용하여 제작한 그라핀 소자의 사시도이다.
도 4e 내지 도 4g를 참조하면, 상기 그라핀 소자는 저항체, 전도체, 센서 등의 전자 소자로 사용될 수 있다. 제거되지 않은 상기 촉매층(22)은 상기 전자 소자의 전극 역할을 할 수 있다. 상기 촉매층(22)에 지지된 상기 그라핀(23)의 폭 또는 간격은 마이크로미터 단위일 수 있다. 상기 패터닝된 그라핀(23)의 폭 또는 간격은 나노미터 단위일 수 있다. 패터닝된 상기 그라핀(23) 사이의 홀(25) 모양은 전술한 바와 같이 원형, line 등의 다양한 모양일 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 5a를 참조하면, 기판(31)상에 촉매층(32)을 형성하고, 상기 촉매층(32) 상에 그라핀(33)을 형성한 후 상기 그라핀(33) 상에 보호층(34)을 형성한다.
상기 기판(31)은 글라스(glass), 플리스틱 등의 절연물질 또는 Si, SiC, Ge 등의 물질을 포함한 단층의 반도체일 수 있다. 상기 기판(31)은 이중충일 수 있으며, 그 이중층은 두 기판으로 이루어질 수 있다. 상기 두 기판 중 하나의 기판은 제 1 기판(31a)이며, 다른 하나는 제 2 기판(31b) 일 수 있다. 상기 제 1 기판(31a)은 글라스(glass), 플라스틱, Si 중 하나의 물질일 수 있다. 상기 제 2 기판(31b)은 SiO2, SiN 중 하나의 물질일 수 있으며, 상기 제 1 기판(31a) 상에 위치할 수 있다. 상기 기판(31)의 표면은 상기 그라핀(33)의 흡착특성을 향상시키는 물질을 가질 수 있다. 상기 그라핀(33)의 흡착특성을 향상시키는 물질은 소수성 성질의 물질일 수 있다. 상기 소수성 물질은 수산기, 아미노기, 카르복실기 등일 수 있다.
상기 촉매층(32)은 Ni, Co, Cu, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, SiC, Ta, Ti, W, U, V, Zr 들 중 적어도 하나의 전이금속으로 이루어질 수 있다. 상기 촉매층(32)은 물리적 증기 증착법(Physical vapor deposition ; PVD), 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition; CVD), 원자 층 증착법(Atom layer deposition ; ALD), 또는 증발법(evaporation) 중 어느 하나에 의하여 형성될 수 있다.
상기 그라핀(33)은 화학 증기 증착법, 이온 주입법(Ion Implantation), 에피텍셜 성장(epitaxial growth)등의 방법 중 어느 하나에 의하여 형성될 수 있다. 상기 그라핀(33)은 단일층 또는 이중층으로 형성될 수 있다.
상기 보호층(34)은 상기 그라핀(33)을 공정상에서 보호하기 위한 것이다. 상기 보호층(34)은 PMMA(Poly methyl methacrylate), PR(photo resist), ER(electro resist), SiOx, AlOx 등의 단일막 또는 이들을 조합한 다중막일 수 있다. 상기 보호층(34)는 스퍼터링 또는 스핀코팅 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 상기 그라핀(33)을 패터닝 한다. 상기 그라핀(33)은 상기 보호층(34)과 동시에 패터닝될 수 있다. 상기 그라핀(33)은 상기 보호층(34)및 촉매층(32)과 동시에 패터닝될 수 있다. 상기 그라핀(33) 및 상기 보호층(34)은 광학리소그라피, 전자 빔 리소그라피(Electron-beam Lithography), 블록 공중합체(Block copolymer)를 이용한 리소그라피, 원자현미경(Atomic force microscopy), 나노임프린트(Nanoimprint) 등과 건식식각 또는 습식식각 중 어느 하나의 방법에 의하여 패터닝 공정을 수행할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 패터닝된 상기 그라핀(33)의 홀(hole)(35)을 통하여 상기 촉매층(32)을 식각한다. 상기 촉매층(32)은 습식식각으로 제거 될 수 있다. 상기 습식식각으로 사용되는 에칭액으로는 산, 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etch), 염화 제2철(FeCl3) 용액, 질산 제2철(Fe(No3)3)용액 HCl 용액 또는 이들의 혼합용액 등이 사용될 수 있다. 다른 제거 방법으로는 이온빔식각, 이온빔밀링 또는 스퍼터식각 방법으로 촉매층이 제거될 수 있다.
도 5d를 참조하면, 상기 촉매층(32)이 제거된 후 상기 그라핀(33)층은 상기 기판(31) 상에 침강 내지는 흡착된다. 상기 보호층(34)은 습식식각 또는 건식식각으로 제거할 수 있다. 상기 습식 식각으로 사용되는 에칭액으로는 산, 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etch), 염화 제 2철(FeCl3)용액, 질산 제 2철(Fe(No3)3)용액 HCl 용액 또는 이들의 혼합용액 등이 사용될 수 있다. 상기 보호층(34)은 상기 그라핀(33)의 사용 용도에 따라 제거하지 않을 수 있다.
도 6a 내지 6b는 또 다른 실시예에 따른 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 다른 형태로 형성된 단면도들이다.
설명의 간결함을 위해, 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 중복되는 기술적, 구조적 특징 및 형성방법에 대한 설명은 생략될 것이다.
도 6a를 참조하면, 상기 일부 그라핀(33) 영역의 패턴 폭을 크게 한 후 상기 촉매층(32)을 식각하면, 상기 촉매층(32)의 일부 영역은 제거되지 않는다. 그러므로 제거되지 않은 상기 촉매층(32)은 상기 일부 그라핀(33)을 지지할 수 있다. 또는, 포토리소그라피(photolithography) 공정으로 상기 그라핀(33)과 상기 촉매층(32)의 일부 영역을 보호한 후, 개방된 영역의 상기 촉매층(32)을 제거한다. 그러므로 제거되지 않은 상기 촉매층(32)은 상기 일부 그라핀(33)을 지지할 수 있다. 상기 촉매층(32)에 지지되지 않은 상기 패터닝된 일부 그라핀(33)은 상기 기판(31)위의 공간상에 부유할 수 있다. 패터닝된 상기 그라핀(33)의 홀(35)은 원형, line등의 다양한 모양을 가질 수 있다.
또는, 도 6b를 참조하면, 상기 촉매층(32)에 지지 지 않은 상기 일부 그라핀(33)은 상기 기판(31)상에 흡착될 수 있다. 패터닝된 상기 그라핀(33)의 홀(35)은 전술한 바와 같이 원형, line 등의 다양한 모양을 가질 수 있다.
도 6c 내지 도 6d는 도 6a를 응용하여 제작한 그라핀 소자의 사시도이다.
도 6c 내지 도 6d를 참조하면, 상기 그라핀 소자는 저항체, 전도체, 센서 등의 전자 소자로 사용될 수 있다. 제거되지 않은 상기 촉매층(32)은 상기 전자 소자의 전극 역할을 할 수 있다. 상기 촉매층(32)에 지지된 상기 그라핀(33)의 폭 또는 간격은 마이크로미터 단위일 수 있다. 패터닝된 상기 그라핀(33)의 폭 또는 간격은 나노미터 단위일 수 있다. 패터닝된 상기 그라핀(33) 사이의 홀(35) 모양은 원형, line 등의 다양한 모양일 수 있다.
도 6e 내지 도 6g는 도 6a 내지 도 6b를 응용하여 제작한 그라핀 트랜지스터의 단면도들이다. 설명의 간결함을 위해, 도 6a 내지 도 6b를 참조하여 중복되는 기술적, 구조적 특징 및 형성방법에 대한 설명은 생략될 것이다. (단, 패터닝된 그라핀(33)의 홀(35) 모양은 도면에 도시화 하지 않았다.)
도 6e를 참조하면, 상기 기판(31) 상에 게이트 물질(37)을 증착 한다. 상기 게이트 물질(37)은 알루미늄, 몰리브덴, 구리 등의 저 저항의 금속일 수 있다. 상기 게이트 물질(37)은 원자 층 증착(atomic-layer deposition, ALD), 화학 증기 증착(chemical vapor deposition, CVD), 스핀 코팅 중 어느 하나의 방법으로 증착될 수 있다. 상기 게이트 물질(37)을 증착 후 패터닝한다. 패터닝된 상기 게이트 물질(37) 상에 게이트 절연막(36)을 증착한다. 상기 게이트 절연막(36)의 재료는 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 실리콘 나이트나이드(SiNx) 일 수 있다. 상기 게이트 절연막(36)은 원자 층 증착(atomic-layer deposition, ALD), 화학 증기 증착(chemical vapor deposition, CVD), 스핀 코팅 중 어느 하나의 방법으로 증착될 수 있다. 상기 게이트 절연막(36)상에 상기 촉매층(32), 상기 그라핀(32), 상기 보호막(34)을 증착한다. 증착된 상기 촉매층(32), 상기 그라핀(32), 상기 보호막(34)를 도 6b의 형태로 형성함으로써, 버텀 게이트(Bottom-Gate) 그라핀 트랜지스터를 대면적의 기판상에 용이하게 제작할 수 있다. 상기 촉매층(32)은 상기 그라핀 트랜지스터의 소스/드레인 전극 역할을 할 수 있다.
도 6f를 참조하면, 도 6b에 도시된 상기 보호막(34) 상에 상기 게이트 물질(37)을 증착한 후 패터닝 한다. 상기 게이트 물질(37)은 알루미늄, 몰리브덴, 구리 등의 저 저항의 금속일 수 있다. 상기 게이트 물질(37)은 원자 층 증착(atomic-layer deposition ; ALD), 화학 증기 증착(chemical vapor deposition ; CVD), 스핀 코팅 중 어느 하나의 방법으로 증착될 수 있다. 상기 증착된 게이트 물질(37)을 패터닝 하면 탑 게이트(Top-Gate) 그라핀 트랜지스터를 대면적의 기판상에 용이하게 제작할 수 있다. 상기 촉매층(32)은 상기 그라핀 트랜지스터의 소스/드레인 전극 역할을 할 수 있다.
도 6g를 참조하면, 도 6a에 도시된 상기 보호막(34) 상에 상기 게이트 절연막(36) 및 게이트 물질(37)을 순차적으로 증착한 후 패터닝 한다. 상기 게이트 절연막(36)은 패터닝된 상기 그라핀(33)의 홀을 통하여 상기 기판(31)의 표면까지 증착될 수 있다. 상기 게이트 절연막(36)의 재료는 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 실리콘 나이트나이드(SiNx)일 수 있다. 상기 게이트 물질(37)은 알루미늄, 몰리브덴, 구리 등의 저 저항의 금속일 수 있다. 패터닝된 상기 게이트 물질(37) 및 상기 게이트 절연막(36)은 원자 층 증착(atomic-layer deposition ; ALD), 화학 증기 증착(chemical vapor deposition ; CVD), 스핀 코팅 중 어느 하나의 방법으로 증착될 수 있다. 상기 게이트 물질(37) 및 상기 게이트 절연막(36)을 패터닝 하면 올 라운드 게이트(All-Rounded-Gate) 그라핀 트랜지스터를 대면적의 기판상에 용이하게 제작할 수 있다. 상기 촉매층(32)은 상기 그라핀 트랜지스터의 소스/드레인 전극 역할을 할 수 있다. 상기 보호막(34)은 게이트 절연막의 역할을 할 수 있다. 상기 보호막(34)은 상기 게이트 절연막(36) 증착 전에 제거될 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 또 다른 실시예에 따른 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 7a를 참조하면, 기판(41)상에 촉매층(42)을 형성하고, 상기 촉매층(42) 상에 그라핀(43)을 형성한 후 상기 그라핀(43) 상에 보호층(44)를 형성한다.
상기 기판(41)은 글라스(glass), 플리스틱 등의 절연물질 또는 Si, SiC, Ge 등의 물질을 포함한 단층의 반도체 일 수 있다. 상기 기판(41)은 이중층일 수 있으며 그 이중층은 두개의 기판으로 이루어질 수 있다. 상기 두 기판 중 하나의 기판은 제 1 기판(41a)이며, 다른 하나는 제 2 기판(41b) 일 수 있다. 상기 제 1 기판(41a)는 글라스(glass), 플라스틱, Si 중 하나의 물질일 수 있다. 상기 제 2 기판(41b)는 SiO2, SiN 중 하나의 물질일 수 있으며, 상기 제 1 기판(41a) 상에 위치할 수 있다. 상기 기판(41)의 표면은 상기 그라핀(43)의 흡착특성을 향상시키는 물질을 가질 수 있다. 상기 그라핀(43)의 흡착특성을 향상시키는 물질은 소수성 성질의 물질일 수 있다. 상기 소수성 물질은 수산기, 아미노기, 카르복실기 등일 수 있다.
상기 촉매층(42)은 Ni, Co, Cu, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, SiC, Ta, Ti, W, U, V, Zr 들 중 전이금속으로 이루어질 수 있다. 상기 촉매층(42)은 물리적 증기 증착법(Physical vapor deposition ; PVD), 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition; CVD), 원자 층 증착법(Atom layer deposition ; ALD), 또는 증발법(evaporation) 중 어느 하나에 의하여 형성될 수 있다.
상기 그라핀(43)은 화학 증기 증착법, 이온 주입법(Ion Implantation), 에피텍셜 성장(epitaxial growth)방법 중 어느 하나에 의하여 형성될 수 있다. 상기 그라핀(43)은 단일층 또는 이중층으로 형성될 수 있다.
상기 보호층(44)은 상기 그라핀(43)을 공정상에서 보호하기 위한 것이다. 상기 보호층(44)은 PMMA(Poly methyl methacrylate), PR(photo resist), ER(electro resist), SiOx, AlOx 등의 단일막 또는 이들을 조합한 다중막일 수 있다.
도 7b를 참조하면, 상기 그라핀(43)을 패터닝 한다. 상기 그라핀(43)은 상기 보호층(44)과 동시에 패터닝될 수 있다. 상기 그라핀(43)은 상기 보호층(44) 및 촉매층(42)과 동시에 패터닝될 수 있다. 상기 그라핀(43) 및 상기 보호층(44)은 광학리소그라피, 전자 빔 리소그라피(Electron-beam Lithography), 블록 공중합체(Block copolymer)를 이용한 리소그라피, 원자현미경(Atomic force microscopy), 나노임프린트(Nanoimprint) 등과 건식식각 또는 습식식각 등의 패터닝 공정 중 어느하나의 방법에 의하여 패터닝 공정을 수행할 수 있다.
도 7c를 참조하면, 상기 촉매층(42)은 화학반응을 이용하여 비전도성의 절연막(48)으로 변화될 수 있다. 상기 화학반응은 산화반응 또는 질화반응일 수 있다.
도 7d를 참조하면, 상기 보호층(44)은 습식식각 또는 건식식각으로 제거할 수 있다. 상기 습식식각으로 사용되는 에칭액으로는 산, 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etch), 염화 제 2철(FeCl3)용액, 질산 제 2철(Fe(No3)3)용액 등이 사용될 수 있다. 상기 보호층(44)은 그라핀(43)의 사용용도에 따라 제거하지 않을 수 있다. 상기 건식식각은 이온빔 식각, 이온빔 밀링 또는 스퍼터 식각 방법일 수 있다.
도 7e를 참조하면, 패터닝된 상기 그라핀(43)의 홀(hole)(45)을 통하여 상기 절연막(48)을 식각한다. 상기 절연막(48)은 습식식각으로 제거될 수 있다. 상기 습식식각으로 사용되는 에칭액으로는 산, 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etch), 또는 인산이 포함된 용액 등이 사용될 수 있다. 상기 절연막(48)이 제거된 후 상기 그라핀(43)층은 상기 기판(41) 상에 침강 내지는 흡착된다.
11, 21, 31, 41: 기판
11a, 21a, 31a, 41a: 제 1 기판
11b, 21b, 31b, 41b: 제 2 기판
12, 22, 32, 42: 촉매층
13, 23, 33, 43: 그라핀
25, 35, 45: 그라핀의 홀
26: 보호막
34, 44: 보호막
36: 게이트 절연막
37: 게이트 물질
48: 절연막

Claims (1)

  1. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 촉매층을 형성하는 단계;
    상기 촉매층 상에 그라핀(graphene)을 형성하는 단계;
    상기 촉매층을 선택적으로 제거하는 단계; 및
    상기 그라핀은 상기 기판상에 침강 내지 흡착되는 단계를 포함하는 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법.
KR1020110103962A 2010-10-22 2011-10-12 대면적 그라핀 기판 및 그라핀 소자의 형성방법 KR20120042655A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150083484A (ko) * 2014-01-09 2015-07-20 한국전자통신연구원 Ｃｕ／Ｎｉ 다층 메탈 촉매를 이용한 고품질 단일층 그래핀 성장 방법 및 이를 활용한 그래핀 소자
US9130082B2 (en) 2012-12-27 2015-09-08 Electronics And Telecommunications Research Institute Apparatus for generating/detecting terahertz wave using graphene and manufacturing method of the same

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