KR20120099917A

KR20120099917A - 그래핀 배선 형성 방법

Info

Publication number: KR20120099917A
Application number: KR1020110018436A
Authority: KR
Inventors: 정종완; 이원준
Original assignee: 세종대학교산학협력단
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2012-09-12

Abstract

본원은 금속촉매층 및 그래핀층을 서로 교대로 다수층으로 적층하여 배선을 형성하는 방법에 관한 것이다.

Description

그래핀 배선 형성 방법 {METHOD FOR FORMING GRAPHENE WIRING}

현재의 그래핀 제조방법은 아직까지도 그래핀의 층수를 자유롭게 조절할 수 있는 기술이 개발되지 못하고 있다. Ni과 같은 금속촉매 상에 그래핀을 성장할 경우 1층에서부터 수층 혹은 수십층의 그래핀이 아주 불규칙적으로 성장되며, 현재 가장 많이 사용하고 있는 Cu위에 성장할 경우에는 1층이 가장 많이 성장되지만, 다층의 그래핀을 얻기는 극히 어렵다. 배선으로 사용하기 위해서는 저항이 낮아야 하며, 저항을 낮추기 위해서는 배선의 단면적을 증가시킬 필요가 있다. 이를 위해서는 어느 정도의 두꺼운 다층 그래핀이 필요하나 현재로서는 제조가 어렵다. 또한, 단일 그라파이트 층인 그래핀은 단일층(1층)일 때는 저항율이 매우 낮으나 층수가 증가할수록(두꺼워 질수록) 층간의 전자의 도약(hopping) 현상으로 인해 저항율이 나빠지는 단점이 있다.

본원은, 금속촉매층 및 그래핀층을 교대로 다수층으로 적층하여 형성함으로써 그래핀층 사이에 발생하는 상호 결합을 없애고 저항을 낮출 수 있는 그래핀 배선을 제공하고자 한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본원의 일 측면은, 기판 상에 금속촉매층을 형성하고; 상기 금속촉매층 상에 그래핀층을 형성하고; 및, 상기 그래핀층 상에 금속촉매층 및 그래핀층을 서로 교대로 다수층으로 적층하여 형성하는 것: 을 포함하는, 그래핀 배선 형성 방법을 제공한다.

일 구현예에 있어서, 상기 금속촉매층은 원자층증착(atomic layer deposition; ALD), 스퍼터링(sputtering), 열증착(thermal evaporation), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 분자빔 증착(molecular beam epitaxy; MBE), 펄스레이저증착(pulsed laser deposition; PLD), 화학기상증착(chemical vapour deposition; CVD) 또는 졸겔(Sol-Gel) 방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

다른 구현예에 있어서, 상기 금속촉매층은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Ge, 황동(brass), 청동(bronze), 백동 및 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 그래핀층은 화학기상증착(chemical vapour deposition; CVD) 방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 화학기상증착 방법은 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapour Deposition; RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition; ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD), 금속 유기화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 및 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD) 방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 그래핀층은 상압, 저압 또는 진공 하에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 다른 측면은, 상기 방법에 의해 형성된 그래핀 배선을 제공한다.

본원에 의하면, 그래핀의 경우 전자가 움직일 때 방해를 주는 산란 정도가 매우 작기 때문에, 금속촉매층과 그래핀층을 서로 교대로 다수층으로 적층하여 형성하는 경우 전자가 산란되는 것을 감소시킬 수 있다. 또한, 금속촉매층과 그래핀층을 교대로 적층하여 다수층을 형성하게 되면 결합성이 증가되어 전기저항 증가가 발생되지 않는 동시에 안정성 및 제조 공정 효율을 극대화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 배선 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 그래핀 배선 제조 방법의 각 단계를 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.

그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 배선 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2a 내지 도 2d는 도 1의 그래핀 배선 제조 방법의 각 단계를 설명하기 위한 단면도이다. 이하에서는, 도 1 내지 도 2d를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기판 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 그래핀 배선을 제조하기 위한 기판(100)을 마련한다(S100).

여기서, 상기 기판(100)은, 예를 들어, 유리, 석영, 실리콘, 탄소, 탄소펠트, 사파이어, 질화실리콘, 탄화실리콘, 티타늄 코팅기판, 세라믹, 금속, 플라스틱, CdTe 기판, GaAs 기판, GaInP 기판, GaP 기판, SiGe 기판, Ge 기판, 또는 InGaAsN 기판을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이어서, 상기 기판(100)의 표면에 금속촉매층(110)을 형성한다(S200).

상기 금속촉매층(110)은 그래핀 필름의 성장을 용이하게 하기 위하여 형성되며, 예를 들어, 상기 금속촉매층(110)은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Ge, 황동(brass), 청동(bronze), 백동 및 스테인레스 스틸(stainless steel)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 금속촉매층의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 박막 또는 후막일 수 있다.

상기 금속촉매층(110)을 형성하는 방법은 예를 들어, 원자층증착(atomic layer deposition; ALD), 스퍼터링(sputtering), 열증착(thermal evaporation), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 분자빔 증착(molecular beam epitaxy; MBE), 펄스레이저증착(pulsed laser deposition; PLD), 화학기상증착(chemical vapour deposition; CVD), 졸겔(Sol-Gel) 방법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이어서, 상기 금속촉매층(110) 상에 그래핀층(120)을 형성한다(S300).

그래핀은 빠른 전자이동도와 긴 평균 자유행로를 가진다. 상온에서 그래핀의 최대 전자이동도는 200,000 ㎝/Vs로 실리콘보다 100~200배 빨라 고성능 반도체 소재로 활용도가 매우 높다. 이는 그래핀의 경우 전자가 움직일 때 방해를 주는 산란 정도가 매우 작기 때문이며, 이로 인해 긴 평균 자유행로를 가지게 된다. 따라서 저항이 매우 낮은 구리보다도 35% 이상 낮은 저항값을 나타낸다.

상기 그래핀층(120)을 형성하는 방법은 당업계에서 그래핀 성장을 위해 통상적으로 사용하는 방법을 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 화학기상증착(Chemical Vapour Deposition; CVD) 방법을 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 화학기상증착법은 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapour Deposition; RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition; ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD), 금속 유기화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 방법을 포함할 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 상기 그래핀층(120)은 상기 금속촉매층(110) 상에서 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시킴으로써 형성된 것일 수 있다. 상기 탄소 공급원은, 예를 들어, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 알코올 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 탄소 소스를 기상으로 공급하면서, 예를 들어, 300℃ 내지 2000℃의 온도로 열처리하면 상기 탄소 소스에 존재하는 탄소 성분들이 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀층(120)이 성장된다.

상기 그래핀층(120)을 성장시키는 공정은 상압, 저압 또는 진공 하에서 수행 가능하다. 예를 들어, 상압 조건 하에서 상기 공정을 수행하는 경우 헬륨(He) 등을 캐리어 가스로 사용함으로써 고온에서 무거운 아르곤(Ar)과의 충돌에 의해 야기되는 그래핀의 손상(damage)을 최소화시킬 수 있다. 또한 상압 조건 하에서 상기 공정을 수행하는 경우, 저비용으로 간단한 공정에 의하여 대면적 그래핀 필름을 제조할 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 공정이 저압 또는 진공 조건에서 수행되는 경우, 수소(H₂)를 분위기 가스로 사용하며, 온도를 올리면서 처리하여 주면 금속 촉매의 산화된 표면을 환원시킴으로써 고품질의 그래핀을 합성할 수 있다.

이어서, 상기 그래핀층(120) 상에 또 다른 금속촉매층(130)을 형성하고, 상기 금속촉매층(130) 상에 그래핀층(140)을 형성한다. 즉, 상기 그래핀층(120) 상에 상기 금속촉매층(130) 및 그래핀층(140)을 서로 교대로 다수층으로 적층하여 형성하여 원하는 두께의 배선을 형성한다(S400).

상기 금속촉매층(130)은, 상기 금속촉매층(110)과 동일한 물질일 수 있으며, 상기 금속촉매층(110)과 동일한 방법에 의해 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 그래핀층(140)을 상기 금속촉매층(130) 상에 형성하는 방법은 상기 그래핀층(120)을 상기 금속촉매층(110) 상에 형성하는 방법과 동일한 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

배선 저항은 배선 단면적과 배선 재료의 고유 물성값인 비저항에 의해 결정된다. 배선의 비저항을 줄이기 위해서는 계면 부분의 금속 결정에서 전자가 산란될 가능성을 가능한 한 줄일 필요가 있는데, 그래핀의 경우 전자가 움직일 때 방해를 주는 산란 정도가 매우 작아 금속촉매층과 그래핀층을 교대로 적층하여 다수층을 형성하면 전자가 산란되는 것을 감소시킬 수 있다. 또한, 금속촉매층과 그래핀층을 교대로 적층하여 다수층을 형성하게 되면 결합성이 증가되어 전기저항 증가가 발생되지 않는 동시에 안정성 및 제조 공정 효율을 극대화시킬 수 있다.

이상, 실시예를 들어 본원을 상세하게 설명하였으나, 본원은 상기 구현예 및 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본원의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다.

100: 기판
110: 금속촉매층
120: 그래핀층
130: 금속촉매층
140: 그래핀층

Claims

기판 상에 금속촉매층을 형성하고;
상기 금속촉매층 상에 그래핀층을 형성하고; 및,
상기 그래핀층 상에 금속촉매층 및 그래핀층을 서로 교대로 다수층으로 적층하여 형성하는 것: 을 포함하는, 그래핀 배선 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 금속촉매층은 원자층증착(atomic layer deposition; ALD), 스퍼터링(sputtering), 열증착(thermal evaporation), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 분자빔 증착(molecular beam epitaxy; MBE), 펄스레이저증착(pulsed laser deposition; PLD), 화학기상증착(chemical vapour deposition; CVD), 졸겔(Sol-Gel) 방법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 형성되는 것인, 그래핀 배선 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 금속촉매층은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Ge, 황동(brass), 청동(bronze), 백동 및 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 그래핀 배선 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 그래핀층은 화학기상증착(chemical vapour deposition; CVD) 방법에 의해 형성되는 것인, 그래핀 배선 형성 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 화학기상증착 방법은 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapour Deposition; RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition; ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD), 금속 유기화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 방법을 포함하는 것인, 그래핀 배선 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 그래핀층은 상압, 저압 또는 진공 하에 형성되는 것인, 그래핀 배선 형성 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 형성된 그래핀 배선.