KR20150006417A - 그래핀의 가공 방법, 그래핀 나노리본의 제조 방법 및 그래핀 나노리본 - Google Patents
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Abstract
가스 클러스터 이온 빔 장치(100)의 노즐(12)을 통하여 클러스터 생성부(10) 내에 H2O 분자를 포함하는 기체(수증기)를 도입한다. 도입된 수증기는, 단열 팽창에 의한 냉각에 의해 응집되어, 빔 형상의 H2O 클러스터가 형성된다. 조사부(20) 내에 도입된 H2O 클러스터는, 이온화 장치(22)에 의해 이온화된다. 이온화되어 플러스로 대전된 H2O 클러스터는, 이온화 장치(22)보다 낮은 전압이 인가된 복수의 전극(23A 내지 23D)에 의해 인출되어, 전극(23A 내지 23D)에 의해, 가속, 빔의 집속 및 클러스터 사이즈의 분리가 행하여진 후, 시트 형상의 그래핀이 형성된 기판(S)에 조사되어, 그래핀을 에지 형상이 암체어형인 나노 리본으로 에칭한다.
Description
본 발명은 각종 전자 부품의 재료로서 유용한 그래핀의 가공 방법, 그래핀 나노리본의 제조 방법 및 이 방법에 의해 얻어지는 그래핀 나노리본에 관한 것이다.
그래핀은, 탄소 원자가 평면 위에 6각형으로 규칙적으로 배열된 구조를 가지며, 매우 높은 전기 전도성을 갖고 있다. 그래핀은, 전자의 이동도가 200,000cm2/Vs로, 실리콘의 100배 이상이라고 하는 우수한 물성을 갖는 점에서, 차세대의 고주파 디바이스 재료로서 주목받고 있다(예를 들어, 특허문헌 1; 일본 특허 공개2008-205272호 공보, 특허문헌 2; 일본 특허 공개2011-114299호 공보 및 특허문헌 3; 일본 특허 제4669957호 공보). 또한, 그래핀은, 전자뿐만 아니라 스핀도 발리스틱 수송할 수 있으므로, 스핀트로닉스 디바이스에의 적용도 기대되고 있다. 이러한 특성을 갖는 그래핀은, 제로 갭의 반도체이며, 그 상태 자체로는 오프 상태를 만들 수 없다. 그러나, 그래핀은, 그 선 폭을 100nm 이하의 나노리본 구조로 함으로써, 그 폭에 반비례하여 밴드 갭이 커진다. 단, 그래핀의 에지 형상은, 지그재그 단(시스폴리아세틸렌과 같은 구조)과 암체어 단(트랜스폴리아세틸렌과 같은 구조)으로 되는 것으로 알려져 있으며, 그래핀 나노리본은, 에지를 암체어 단으로 하지 않으면 큰 밴드 갭이 발생하지 않는다.
그래핀의 패터닝 방법으로서, 친수화 처리 및 소수화 처리된 기판 위에, 화학적 친화성을 이용하여 패터닝된 그래핀 구조체를 형성하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 4; 일본 특허 공개2011-121828호 공보). 또한, 그래핀의 패터닝에는, 전자선 리소그래피가 자주 사용되지만, 산소 플라즈마 에칭 시에 채널부의 그래핀에 손상을 끼치는 것이나, 마스크 재료의 잔사에 의해 트랜지스터 성능을 저하시키는 것이 문제로 되어 있다. 전자선 리소그래피 이외의 가공 방법으로서, 예를 들어 원자간력 현미경(AFM)의 캔틸레버에 의한 양극 산화법이 알려져 있다(예를 들어 비특허문헌 1; "NANOSCALE PATTERNING OF GRAPHENE USING AFM LOCAL ANODIC OXIDATION", K. YOSHIDA, S. MASUBUCHI, M. ONO, K. HIRAKAWA, T. MACHIDA, Technical Digest. International Symposium on Graphene Devices: Technology, Physics, and Modeling, 2008). 이 방법에서는, AFM 캔틸레버의 곡률 반경과 동일 정도의 10nm 이하의 미세 가공이 가능하지만, 300mm 직경 웨이퍼 레벨에서의 대면적 가공에는 부적합하여, 스루풋에 문제가 있었다.
또한, Ni 촉매 나노 입자에 의해 그래핀을 에칭하는 방법(예를 들어, 비특허문헌 2; "구조 제어한 고체 기판상 그래핀의 평가와 가공", 오기노 도시오, 쓰카모토 다카히로, 일본 결정 성장 학회지 37(3), 207-213, 2010)도 알려져 있다. 그러나, 이 방법에서는, Ni 촉매 나노 입자를 그래핀 표면의 임의의 위치에 배치해 두는 것은 곤란하여, 미세한 패터닝을 행하는 것은 곤란하다.
또한, 상기 종래 기술의 어느 방법에서도, 그래핀의 에지를 지그재그 단과 암체어 단으로 구분 제작하는 것은 곤란하였다.
본 발명은 그래핀에 데미지를 끼치지 않고 에칭하는 그래핀의 가공 방법, 그래핀 나노리본의 제조 방법 및 그래핀 나노리본을 제공한다.
본 발명에 따른 그래핀의 가공 방법은, 가스 클러스터 이온 빔 장치를 사용하여, 물 분자 또는 물 분자가 응집된 클러스터를 이온화하여 형성한 이온 빔을 그래핀에 조사하여 에칭하는 것이다. 이 경우, 시트 형상의 그래핀으로부터, 에지 형상이 암체어형인 그래핀 나노리본으로 가공하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 그래핀 나노리본의 제조 방법은, 가스 클러스터 이온 빔 장치를 사용하여, 물 분자 또는 물 분자가 응집된 클러스터를 이온화하여 형성한 이온 빔을 시트 형상의 그래핀에 조사함으로써, 에지 형상이 암체어 단인 그래핀 나노리본을 제조하는 것이다.
본 발명에 따른 그래핀 나노리본은, 물 분자 또는 물 분자가 응집된 클러스터를 이온화하여 형성한 이온 빔을 시트 형상의 그래핀에 조사하여 얻어진 암체어 단의 에지 형상을 갖는 것이다.
본 발명에 따르면, 가스 클러스터 이온 빔 장치를 사용하여 물 분자 또는 물 분자의 클러스터 이온을 조사함으로써, 그래핀에 데미지를 끼치지 않고, 나노 리본 구조의 그래핀으로 가공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 그래핀의 가공 방법에 이용할 수 있는 가스 클러스터 이온 빔 장치의 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 형태에서 가공 대상으로 되는 시트 형상 그래핀을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 2b는, 도 2a의 시트 형상 그래핀으로부터, 에칭에 의해, 그래핀 나노리본을 제작한 상태를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 형태에서 가공 대상으로 되는 시트 형상 그래핀을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 2b는, 도 2a의 시트 형상 그래핀으로부터, 에칭에 의해, 그래핀 나노리본을 제작한 상태를 모식적으로 도시하는 도면이다.
[가스 클러스터 이온 빔 장치]
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 그래핀의 가공 방법에 바람직하게 이용할 수 있는 가스 클러스터 이온 빔 장치의 개략도이다. 이 가스 클러스터 이온 빔 장치(100)는, 진공 용기(1)를 구비하고, 이 진공 용기(1)는, 격벽(1a)에 의해 이격된 클러스터 생성부(10)와 조사부(20)를 갖고 있다. 조사부(20)에는, 피처리체로서, 표면에 시트 형상의 그래핀이 형성된 기판(S)이 수용되어 있다.
클러스터 생성부(10)에는, 배기구(10a)를 통하여 도시하지 않은 진공 펌프 등을 구비한 배기 장치(11)가 접속되고, 그 내부를 진공 배기할 수 있도록 구성되어 있다. 클러스터 생성부(10) 내에는 가스 클러스터 생성용의 기체인 수증기(H2O)를 도입하는 노즐(12)이 배치되어 있다. 클러스터 생성부(10)와 조사부(20)를 이격하는 격벽(1a)에는 노즐(12)로부터 도입된 H2O 클러스터를 통과시키는 구멍을 갖는 틈(13)이 형성되어 있다. 이 틈(13)은 클러스터 빔으로부터 클러스터를 형성하지 않은 기체 분자를 분리하는 기능을 갖고 있다. 도시는 생략하지만, 노즐(12) 및 틈(13)은 접지되어 있고, 이들의 전위는 0V이다.
조사부(20)에는 배기구(20a)를 통하여 도시하지 않은 진공 펌프 등을 구비한 배기 장치(21)가 접속되어 있고, 그 내부를 진공 배기할 수 있도록 구성되어 있다. 조사부(20) 내에는, 격벽(1a)측부터 순서대로 가스 클러스터에 전자를 충돌시켜서 가스 클러스터를 이온화하는 이온화 장치(22), 가스 클러스터 이온에 전계를 걸어 피처리체인 기판(S)측을 향해 가속시키는 복수의 전극(23A, 23B, 23C, 23D) 및 기판(S)을 유지하는 홀더(24)가 수용된 패러데이 컵(25)이 배치되어 있다. 이온화 장치(22)는 가스 클러스터에 충돌시키는 전자를 공급하는 도시하지 않은 전자 공급원을 갖고 있다. 이온화 장치(22)는 이온화 장치 전원(26)에 의해 플러스의 전위로 유지되어 있다. 이온화 장치(22)와 홀더(24) 위의 기판(S)과의 사이에 설치된 복수의 전극(23A 내지 23D)은 전극 전원(27)에 의해 마이너스의 전위로 유지되어 있다. 또한, 가스 클러스터 이온에 전계를 걸기 위한 전극의 배치수는 4개로 한정되지 않는다.
노즐(12)은 고압 가스 공급관(31)을 통하여 고압의 수증기를 공급하는 H2O 공급원(32)에 접속되어 있다. 고압 가스 공급관(31)에는 개폐 밸브(33)가 설치되어 있다.
[에칭 방법]
이상의 구성을 갖는 가스 클러스터 이온 빔 장치(100)에서는, 클러스터 생성부(10) 내를 배기 장치(11)와 조사부(20)의 배기 장치(21)를 사용한 차동 배기에 의해 감압한다. 이어서, 클러스터 생성부(10) 내에 설치된 노즐(12)을 통하여 클러스터 생성부(10) 내에 H2O 분자를 포함하는 기체(수증기)를 도입한다. 도입된 수증기는, 단열 팽창에 의한 냉각에 의해 응집되어, 빔 형상의 H2O 클러스터가 형성된다. 생성된 H2O 클러스터는 틈(13)에 의해 클러스터화되어 있지 않은 H2O 분자가 분리되기 때문에, 주로 H2O 클러스터가 조사부(20) 내에 도입된다.
조사부(20) 내에 도입된 H2O 클러스터는, 이온화 장치(22)에 의해 이온화된다. 이온화 장치(22)에서는, 도시하지 않은 전자원으로부터 전자를 인출하여 H2O 클러스터에 충돌시켜, 클러스터를 이온화한다.
상기한 바와 같이, 이온화 장치(22)는 이온화 장치 전원(26)에 의해 플러스의 전위로 유지되고, 전극(23A 내지 23D)은 전극 전원(27)에 의해 이온화 장치(22)의 전위보다 낮은 전위로 설정되어 있다. 따라서, 전자와의 충돌에 의해 이온화되어 플러스로 대전된 H2O 클러스터 이온은 이온화 장치(22)보다 낮은 전압이 인가된 복수의 전극(23A 내지 23D)에 의해 인출된다. 즉, H2O 클러스터 이온 빔을 이온화 장치(22)로부터 인출하여 기판(S)에 수송하기 위해서, 이온화 장치(22)와 전극(23A 내지 23D)의 사이는 수십 kV 정도의 전위차로 유지되어 있다. 이온화 장치(22)로부터 인출된 H2O 클러스터 이온은, 전극(23A 내지 23D)에 의해 가속되어, 빔의 집속 및 클러스터 사이즈의 분리가 행하여진 후, 기판(S)에 조사된다. 이렇게 이온화된 H2O 클러스터 이온을 조사하는 가스 클러스터 이온 빔 장치(100)는, 적은 전류로 대량의 이온을 조사하기 때문에 빠른 가공 속도가 얻어짐과 함께, 시트 형상의 그래핀의 피가공면에의 조사 데미지가 적다는 특징을 갖고 있다.
[가공 조건]
본 실시 형태의 그래핀의 가공 방법에서는, 도 1에 도시한 가스 클러스터 이온 빔 장치(100)를 사용하여 그래핀을 가공한다. 도 1에 도시한 가스 클러스터 이온 빔 장치(100)를 사용하여 그래핀을 가공하기 위한 조건으로서는, 1 분자당의 운동 에너지를 낮게 억제할 수 있는 조건을 채용하는 것이 바람직하며, 예를 들어 1 분자당의 운동 에너지를 10eV 이하로 억제할 수 있는 조건이 보다 바람직하다.
가스 클러스터 이온 빔 장치(100)에서는, H2O 분자 또는 H2O 분자가 응집된 클러스터를 이온화하여, 이온 빔으로서 가속·수송한다. 바람직하게는, 이온 빔을 1 분자당의 운동 에너지가 10eV 이하로 되도록 제어하여 그래핀에 조사한다. 조사 부위에서는, H2O와 그래핀이 다음의 화학 반응이 발생하여, 그래핀이 에칭된다.
C+2H2O→CO2+2H2
또는
C+2OH→CO2+H2
상기 반응 시에, 이온 빔에 1 분자당의 운동 에너지를 낮게 억제함으로써, 바람직하게는 10eV 이하로 억제함으로써, 화학적으로 활성인 그래핀의 지그재그 단이 우선적으로 반응하여 에칭된다. 그 결과, 화학적으로 안정한 암체어형의 에지가 형성된 그래핀이 얻어진다. 또한, 그래핀의 폭을 100nm 이하로 가공하여, 나노리본 형상으로 함으로써, 제로 갭 반도체의 그래핀으로부터 밴드 갭을 형성할 수 있다.
도 2a는, 본 실시 형태에서 가공 대상으로 되는 시트 형상 그래핀(200)을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 2a의 시트 형상 그래핀(200)에, 가스 클러스터 이온 빔 장치(100)를 사용하여 이온 빔을 조사함으로써, 지그재그 단(JE)을 개열시킨다. 또한, 도 2a에서는 개열되는 부위를 C-C 파선으로 나타내고 있다. 그리고, 도 2b에 도시된 바와 같은 암체어 단(AE)의 그래핀 나노리본(201)을 제작할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 그래핀 가공 방법에서는, 특히 H2O 클러스터 이온을 이용함으로써, 다른 가스종, 예를 들어 산소, 오존 등을 사용하는 경우에 비해, 저에너지의 에칭이 가능하게 된다. 그리고, H2O는 산화력이 약하므로, 지그재그 단(JE)을 선택적으로 에칭할 수 있다. 그에 반해, 산화력이 강한 산소나 오존으로 그래핀을 에칭하면, 랜덤하게 에칭이 발생하여 암체어 단(AE)과 지그재그 단(JE)을 선택적으로 에칭하는 것이 어렵다.
이와 같이, 본 실시 형태의 그래핀 가공 방법에서는, 가스 클러스터 이온 빔 장치에 의해, 물 분자 또는 물 분자가 응집된 클러스터를 이온화하여 형성한 이온 빔을 조사함으로써, 그래핀의 지그재그 단(JE)을 선택적으로 에칭하는 것이 가능하다. 그리고, 본 실시 형태의 그래핀 가공 방법에서는, 암체어형의 에지 형상을 갖고, 큰 밴드 갭을 갖는 그래핀 나노리본을 효율적으로 제작할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 예시의 목적으로 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 제약되지 않는다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 시트 형상 그래핀으로부터의 나노리본 가공에 대하여 설명했지만, 본 발명의 그래핀의 가공 방법은, 2층 이상의 다층으로 형성된 그래핀에 대하여 상층부터 에칭하여 층수를 줄이는 용도에도 이용할 수 있다.
본 국제 출원은, 2012년 4월 5일에 출원된 일본 특허 출원2012-086173호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 이 출원의 전체 내용을 여기에 원용한다.
Claims (4)
- 가스 클러스터 이온 빔 장치를 사용하여, 물 분자 또는 물 분자가 응집된 클러스터를 이온화하여 형성한 이온 빔을 그래핀에 조사하여 에칭하는
그래핀의 가공 방법. - 제1항에 있어서,
시트 형상의 그래핀으로부터 에지 형상이 암체어 단인 그래핀 나노리본으로 가공하는, 그래핀의 가공 방법. - 가스 클러스터 이온 빔 장치를 사용하여, 물 분자 또는 물 분자가 응집된 클러스터를 이온화하여 형성한 이온 빔을 시트 형상의 그래핀에 조사함으로써, 에지 형상이 암체어 단인 그래핀 나노리본을 제조하는
그래핀 나노리본의 제조 방법. - 물 분자 또는 물 분자가 응집된 클러스터를 이온화하여 형성한 이온 빔을 시트 형상의 그래핀에 조사하여 얻어진 암체어 단의 에지 형상을 갖는
그래핀 나노리본.
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