KR20200011821A - 탄소물 직접 성장방법 - Google Patents

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Abstract

탄소물 직접 성장방법에 관해 개시되어 있다. 일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법은 탄소를 공급하여 기판에 흡착시키는 과정과, 탄소공급을 중지하고, 기판 상으로부터 미반응 잔류탄소를 제거하는 과정을 포함한다. 상기 기판 상에 원하는 그래핀이 형성될 때까지 상기 두 단계를 반복할 수 있다. 상기 기판은 700℃를 넘지 않는 온도로 유지될 수 있다. 다른 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법은 기판 상에 탄소층을 형성하는 과정과, 상기 탄소층에서 상기 기판에 직접 흡착되지 않은 탄소를 제거하는 과정과, 상기 기판 상에 원하는 그래핀이 형성될 때까지 상기 두 단계를 반복하는 과정을 포함한다. 상기 탄소층을 형성하는 과정은 개별 탄소를 준비하여 상기 기판 상으로 공급하는 과정을 포함할 수 있다.

Description

탄소물 직접 성장방법{Method of directly growing carbon material on substrate}
본 개시는 기판 상에 물질을 형성하는 방법과 관련된 것으로써, 보다 자세하게는 탄소물질을 기판 상에 직접 성장시키는 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브, 그래핀 등과 같은 탄소물질은 다양한 방법들로 형성할 수 있고, 이러한 방법들은 잘 알려져 있다. 그래핀은 물리적, 전기적 및 광학적 특성이 우수하여 그 활용도가 점점 높아지고 있다.
현재 알려진 그래핀 형성방법에는 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD) 방법을 이용하여 그래핀을 성장시킨 다음, 성장된 그래핀을 원하는 곳으로 전사하는 방법과 기판 상에 직접 성장하는 방법이 있다.
일 실시예는 기존에 비해 낮은 온도에서 비금속 기판 상에 직접 고품질 그래핀을 얻을 수 있는 탄소물 직접 성장방법을 제공한다.
일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법은 탄소를 공급하여 기판에 흡착시키는 과정과, 탄소공급을 중지하고, 기판 상으로부터 미반응 잔류탄소를 제거하는 과정을 포함한다.
이러한 성장방법에서, 상기 기판 상에 원하는 그래핀이 형성될 때까지 상기 두 과정을 반복할 수 있다. 그리고 반복되는 과정에서 공급되는 탄소의 양은 최초 과정에서 공급된 탄소의 양과 동일하거나 다를 수 있다.
상기 탄소를 공급하여 기판에 흡착시키는 과정은 상기 기판을 700℃를 넘지 않은 온도로 유지한 다음, 탄소소스를 준비하는 과정과, 상기 탄소소스에 포함된 탄소들을 분리하여 상기 기판 상으로 공급하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 미반응 잔류탄소는 상기 기판 상으로 공급된 탄소들 중, 상기 기판에 직접 흡착되지 않은 것으로, 상기 기판에 직접 흡착된 탄소 상에 흡착된 탄소 또는 탄소 덩어리를 포함할 수 있다.
상기 미반응 잔류탄소를 제거하는 과정은,
상기 기판 상에 존재하는 탄소를 대상으로 플라즈마 처리하는 과정을 포함할 수 있고, 상기 플라즈마 처리과정에서 플라즈마 에너지는 상기 기판과 상기 기판에 직접 흡착된 탄소 사이의 흡착 에너지보다 작을 수 있다.
상기 기판은 200℃~700℃의 온도로 유지할 수 있다.
상기 탄소소스는 지방족 탄소(aliphatic carbon)물질과 방향족 탄소(aromatic carbon)물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄소소스에 포함된 탄소들을 분리하는 과정은,
탄소들을 분리하기 위해 상기 탄소소스에 플라즈마를 조사하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 기판 상에 직접 흡착된 탄소에 탄소가 아닌 부차적인 물질이 결합되어 있는 경우, 상기 부차적인 물질을 제거하기 위한 공정을 수행할 수 있다.
일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법은 기판 상에 탄소층을 형성하는 과정과, 상기 탄소층에서 상기 기판에 직접 흡착되지 않은 탄소를 제거하는 과정과, 상기 기판 상에 원하는 그래핀이 형성될 때까지 상기 두 단계를 반복하는 과정을 포함한다.
이러한 성장방법에서, 상기 탄소층을 형성하는 과정은 개별 탄소를 준비하여 상기 기판 상으로 공급하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 세 단계는 챔버에서 진행되고, 상기 챔버의 내부 압력은 대기압보다 낮게 유지될 수 있다.
상기 개별 탄소는 탄소소스를 플라즈마 처리하여 형성할 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 상기 미반응 잔류탄소를 제거하는 과정은,
퍼징가스를 공급하는 제1 서브 단계와 상기 미반응 잔류탄소를 포함하는 가스를 배출하는 제2 서브 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 서브 단계는 순차적으로 반복 실시할 수 있다.
상기 제1 서브 단계와 상기 제2 서브 단계는 서로 다른 압력조건에서 실시할 수 있다.
상기 반복 실시 단계에서 어느 한 회(예, 1회) 실시 때의 압력조건과 다른 회(예, 2회) 실시 때의 압력조건은 서로 다를 수 있다.
일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법은 순차적으로 탄소소스를 공급하고 그 사이사이에 배출(evacuation)공정을 적용하여 미반응 잔류탄소를 제거하는 방법이다. 이러한 방법으로 그래핀을 성장할 경우, 기존에 직접 성장이 어려웠던 조건(비금속 기판, 낮은 온도)에서도 기판 상에 그래핀을 직접 성장시킬 수 있다. 상기 배출 공정에서 미반응 잔류탄소가 제거되면서 비정질 탄소물을 제거할 수 있으므로, 그래핀의 결정성을 높일 수 있다. 이에 따라 기존의 직접 성장방법으로는 얻을 수 없었던 고품질 그래핀을 얻을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법에 대한 순서도이다.
도 2는 도 1의 제2 단계(S2)에 대한 순서도이다.
도 3은 일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법에서 탄소소스에 플라즈마를 조사하여 탄소소스를 개별 탄소로 분리하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법에서 기판 상에 미반응 탄소잔류물이 함께 성장된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법에서 기판 상에 공급된 탄소가 배출단계서 안정된 자리로 이동(확산)하여 그래핀 결정을 형성하는 경우를 나타낸 평면도이다.
도 6은 도 5의 과정에 따라 기판 상에서 측방향으로 그래핀이 성장되는 경우를 나타낸 평면도이다.
도 7은 동일조건(저온, 비금속 기판)에서 일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법과 기존의 성장방법으로 그래핀 성장과정을 진행한 후, 각 방법에서의 그래핀 성장유무를 보여주는 그래프이다.
CVD 방법으로 그래핀을 성장시킬 수 있으나, 성장된 그래핀을 원하는 곳으로 다시 전사(transfer)해야 한다. 이러한 방법은 비효율적이고 반도체 공정에 도입하기 어렵다.
기존에도 기판 상에 그래핀을 직접 성장하는 방법이 있지만, 기존의 방법으로는 낮은 공정온도(예, 700℃ 이하)와 비금속 기판의 제약으로 인해 고품질 그래핀을 얻을 수 없었다.
그래핀 결정성은 그래핀의 전도도 같은 전기적 특성 및 배리어(barrier) 특성에 영향을 미치므로, 고품질 그래핀을 얻기 위해서는 그래핀의 우수한 결정성을 확보할 수 있어야 한다.
이를 위한 방법의 하나로 그래핀 성장에 사용되는 탄소소스를 한번에 공급하지 않고, 몇 번에 걸쳐 나누어 공급하며, 그 사이사이에 배출공정을 실시하는 방법을 제시한다.
이하, 일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 동작방법은 모듈 설명과정에서 함께 설명된다.
일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법은 그래핀이 완전히 형성되기 전까지 복수의 단계를 반복하여 그래핀의 결정성을 높여 고품질의 그래핀을 얻고자 하는 방법이다.
도 1은 일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법을 단계별로 보여주는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 의한 그래핀 직접 성장방법은 기판 상으로 탄소소스를 공급하여 기판 상에 탄소를 부착하는 제1 단계(S1)와 제1 단계(S1)에서 기판에 부착되지 않은 탄소와 결함성 탄소 덩어리 등 미반응 탄소를 배출(제거)하는 제2 단계(S2)와 그래핀이 형성될 때까지 제1 단계(S1)와 제2 단계(S2)를 정해진 횟수만큼 반복하는 제3 단계(S3)를 포함할 수 있다.
제1 단계(S1)는 탄소공급 및 부착단계로 볼 수 있다. 제1 단계(S1)에서 그래핀이 성장될 기판은 주어진 온도로 유지한다. 상기 기판은 200℃-700℃로 유지될 수 있는데, 일 예로 상기 기판은 400℃ 정도로 유지될 수 있다. 상기 온도 범위는 기존의 그래핀 성장 온도(예, 1000℃)에 비해 상대적으로 낮은 온도이다.
제1 단계(S1)에서 전체 탄소 공급량의 일부가 먼저 공급될 수 있고, 나머지는 반복되는 단계에서 순차적으로 공급될 수 있다. 반복되는 단계에서 공급되는 탄소의 양은 최초 단계에서 공급된 탄소의 양과 동일하거나 다를 수 있다.
제1 단계(S1)에서의 탄소공급은 다음과 같이 수행될 수 있다. 먼저, 탄소소스를 준비한다. 상기 탄소소스는 탄소를 포함하는 물질일 수 있다. 상기 탄소소스는 예를 들면, CH4 또는 C2H2를 포함하는 물질일 수 있다. 일 예로, 상기 탄소소스는 CH4나 C2H2를 포함하는 지방족 탄소(aliphatic carbon) 물질 또는 방향족 탄소(aromatic carbon) 물질일 수 있다. 다른 실시예에서 상기 탄소소스는 상기 지방족 탄소와 상기 방향족 탄소를 모두 포함할 수도 있다. 상기 탄소소스를 기판 상에 공급할 때, 상기 탄소소스를 개별 탄소로 분리한다. 이를 위해, 도 3에 도시한 바와 같이, 탄소소스(40)에 플라즈마가 조사된다. 탄소소스(40)는 복수의 탄소(C1, C2)를 포함할 수 있다. 탄소소스(40)는 설명을 위한 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아니다. 탄소소스(40)는 상기한 지방족 탄소물질 또는 방향족 탄소물질일 수 있다. 플라즈마는 H2, Ar, N2 중 적어도 하나를 소스로 사용하는 플라즈마일 수 있다. 이러한 플라즈마의 에너지는 탄소소스(40)의 종류에 따라 조절될 수 있다. 이러한 플라즈마 처리에 의해 탄소소스(40)에 포함된 복수의 탄소들(42)은 분리되어 기판 상에 공급된다. 탄소소스(40)가 방향족 탄소물질인 경우, 상기 플라즈마 조사는 탄소소스에서 탄소를 개별적으로 분리하는 대신에, 방향족 탄소물질의 육각형 고리 형태는 유지하고, 고리에 가지처럼 붙은 물질(예, 수소)을 제거하는 방향으로 조사될 수 있다. 탄소소스 별 형편을 고려하여 플라즈마 에너지 세기는 다르게 할 수 있다.
한편, 플라즈마 처리에 의해 개별적으로 분리된 탄소에 부차적 물질(예컨대, 수소)이 결합되어 있을 수 있다. 개별적으로 분리된 탄소가 기판에 흡착된 후, 탄소에 붙은 상기 부차적인 물질을 탄소로부터 제거하기 위해 상기 기판에 흡착된 탄소를 플라즈마에 노출시킬 수도 있다. 이때의 플라즈마 에너지의 세기는 탄소소스(40)에 조사되는 플라즈마의 에너지 세기와 다를 수 있다.
탄소소스(40)에서 분리된 탄소들(42)은 도 4에 도시한 바와 같이 기판(30) 상으로 공급되어 기판(30)에 흡착된다. 기판(30) 상으로 공급된 탄소들(42)의 일부는 기판(42)에 흡착된 탄소 상에 부착된다. 기판(30)에 직접 흡착되지 못하고, 기판(30)에 흡착된 탄소 상에 부착된 탄소들(44, 46)을 미반응 잔류탄소라 한다. 기판(30)은 비금속 기판일 수 있으나, 이것으로만 한정하지 않는다. 필요에 따라, 기판(30)으로 금속기판이 사용될 수도 있다. 기판(30)이 비금속 기판일 때, 기판(30)은 실리콘(Si) 기판, 게르마늄(Ge) 기판 또는 유전체 기판일 수 있다. 기판(30)이 금속일 때, 기판(30)은 일 예로 구리기판일 수 있다.
또한, 제1 단계(S1)에서 탄소들(42)의 일부는 기판(30) 상으로 공급되는 과정에서 기판(30)에 도달되기 전에 자기들끼리 반응할 수 있다. 이 결과, 탄소덩어리가 형성될 수 있다. 이러한 탄소덩어리는 기판(30) 상에 혹은 기판(30)에 흡착된 탄소 상에 떨어져서 그래핀 결함으로 작용할 수 있다. 이러한 탄소덩어리는 그래핀 성장에 기여하지 못하므로 넓은 의미에서 미반응 잔류탄소의 범위에 들어갈 수 있다.
배출(evacuation)단계인 제2 단계(S2)가 실시되는 동안 탄소공급은 이루어지지 않는다. 제2 단계(S2)에서 미반응 잔류탄소(44, 46)가 제거된다. 일 예에서 제2 단계(S2)는 한번에 쭉 진행할 수도 있다.
다른 예에서 제2 단계(S2)는 도 2에 도시한 바와 같이 복수의 단계로 나누어 진행할 수도 있다. 도 2는 제2 단계(S2)를 복수의 단계로 나누어 진행하는 경우에대한 순서도이다.
제2 단계(S2)를 복수의 단계로 나누어 진행하는 경우에도 복수의 각 단계는 연속적으로 진행될 수 있다. 예를 들면, 제2 단계(S2)는 미반응 잔류탄소(44, 46)를 기판(30)에 흡착된 탄소로부터 떼어내기 위해 챔버 내부에 퍼징가스(purging gas)를 공급하는 제1 서브 단계(SB1)와 제1 서브 단계(SB1)에 의해 기판(30)에 흡착된 탄소로부터 떨어진 미반응 잔류탄소(44, 46)가 섞인 가스, 곧 배출가스를 배출하는 제2 서브 단계(SB2)로 구분할 수 있다.
제1 서브 단계(SB1)에서 챔버 내부로 공급하는 퍼징가스의 공급 압력을 높일 수 있다. 이때, 퍼징가스 공급 압력은 미반응 잔류탄소(44, 46)의 양을 고려하여 적절히 조절할 수 있다. 제1 서브 단계(SB1)에서 챔버 내부로 공급하는 퍼징가스는, 예를 들면 N2, Ar, H2 및 O2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 서브 단계(SB2)는 제1 서브 단계(SB1)와 다른 압력에서 진행될 수 있다. 예를 들면, 제2 서브 단계(SB2)의 압력은 제1 서브 단계(SB1)의 압력보다 낮은 압력에서 진행될 수 있다. 곧, 미반응 잔류탄소(44, 46)가 섞인 퍼징가스의 배출 압력은 상기 퍼징가스의 공급압력보다 낮을 수 있다.
제2 단계(S2)에서 제1 서브 단계(SB1)와 제2 서브 단계(SB2)는 순차적으로 반복해서 진행될 수 있다. 곧, 제1 및 제2 서브 단계(SB1, SB2)를 진행한 후, 미반응 잔류탄소가 충분히 제거되었는지를 판단하는 제3 서브 단계(SB3)에서 미반응 잔류탄소가 충분히 제거되었다고 판단되면(예), 제2 단계(S2)를 종료하고, 미반응 잔류탄소가 충분히 제거되지 않았다고 판단되면(아니오), 제1 및 제2 서브 단계(SB1, SB2)를 차례로 반복한다.
제2 단계(S2)를 수행하는 시간이 총 60초라 하면, 20초 동안 제1 서브 단계(SB1)와 제2 서브 단계(SB2)를 한번 실시하는 방식으로 제2 단계(S2)에서 총 3번 제1 및 제2 서브 단계(SB1, SB2)를 순차적으로 반복할 수 있다.
제1 및 제2 서브 단계(SB1, SB2)가 순차적으로 반복해서 실시되는 동안에 반복되는 시간은 다를 수 있다. 곧, 1회째 반복되는 시간보다 2회째 반복되는 시간이 길거나 짧을 수 있고, 2회째 반복되는 시간이 3회째 반복되는 시간과 다를 수 있다.
또한, 제1 및 제2 서브 단계(SB1, SB2)가 반복 실시되는 동안에 챔버내 압력이 조절될 수도 있다. 예를 들면, 2회 때의 제1 서브 단계(SB1) 혹은 제1 및 제2 서브 단계(SB1, SB2)의 압력은 1회 때의 제1 서브 단계(SB1) 혹은 제1 및 제2 서브 단계(SB1, SB2)의 압력과 동일하거나 다를 수 있다.
미반응 잔류탄소(44, 46)의 제거수단의 하나로 플라즈마를 이용할 수 있다. 플라즈마를 이용한 미반응 잔류탄소(44, 46)의 제거는 기판(30)에 직접 성장된 탄소(42), 곧 기판(30)에 직접 흡착된 탄소(42)와 기판(30) 사이의 흡착 에너지와 기판(30)에 직접 흡착된 탄소(42)와 미반응 잔류탄소(44, 46) 사이의 흡착 에너지 차이를 이용한다.
구체적으로, 제1 단계(S1)가 완료된 후, 기판(30) 상에는 탄소층(42+44, 42+46)이 형성된다. 탄소층(42+44, 42+46)은 기판(30)에 직접 흡착된 탄소(42)와 탄소(42) 위에 부착된 미반응 잔류탄소(44, 46)를 포함한다. 기판(30) 상에 직접 흡착된 탄소(42)의 경우, 탄소(42)와 기판(30)은 제1 흡착에너지로 흡착되어 있다. 상기 제1 흡착 에너지는 기판(30)과 탄소(42)의 결합 에너지로 볼 수도 있다. 탄소(42) 상에 탄소가 부착된 층 구조, 곧 탄소(42) 상에 미반응 잔류탄소(44, 46)가 존재하는 층구조에서 탄소(42)와 미반응 잔류탄소(44, 46)은 제2 흡착 에너지로 흡착되어 있다. 상기 제2 흡착 에너지는 상기 제1 흡착 에너지보다 작다. 이러한 특성을 이용하여 제2 단계(S2)에서는 기판(30) 상에 형성된 탄소층(42+44, 42+46)을 플라즈마로 처리할 수 있다. 상기 제1 및 제2 흡착 에너지 차이로 인해 이러한 플라즈마 처리는 선택성을 가질 수 있다. 이렇게 해서 탄소(42) 상에 부착된 미반응 잔류탄소(44, 46)를 선택적으로 제거할 수 있다. 탄소층(42+44, 42+46)에 대한 플라즈마 처리에서 플라즈마 에너지는 상기 제1 흡착에너지보다는 작고 상기 제2 흡착 에너지보다는 큰 값으로 설정할 수 있다. 이렇게 설정함으로써, 미반응 잔류탄소(44, 46)만 선택적으로 제거할 수 있다. 제2 단계(S2)에서의 상기 플라즈마는 H2, Ar, N2 중 적어도 하나를 소스로 포함하는 플라즈마일 수 있다. 미반응 잔류탄소(44, 46)를 제거하기 위한 플라즈마 처리과정에서 기판(30)에 직접 흡착된 탄소(42)에 붙은 상기 부차적인 물질(예, 수소)도 탄소로부터 제거될 수 있다. 탄소(42)에 붙은 상기 부차적인 물질을 제거하기 위한 별도의 플라즈마 처리과정을 수행할 수도 있다.
한편, 제1 및 제2 단계(S1, S2)는 기판(30)이 로딩된 챔버(미도시)에서 실시될 수 있다. 제2 단계(S2)에서 제거된 미반응 잔류탄소(44, 46)는 상기 챔버에 배기가스를 공급하여 상기 챔버 외부로 배출할 수 있다. 제2 단계(S2)에서 상기 챔버의 내부 압력은 대기압보다 낮을 수 있는데, 일 예로 상기 챔버의 내부 압력은 진공에 가까운 압력으로 유지될 수 있다.
제2 단계(S2)에서는 미반응 잔류탄소(44, 46)의 제거와 함께 기판(30)에 직접 흡착된 탄소(42)의 측방향 이동(확산)이 일어날 수 있다. 도 5는 이러한 이동을 개략적으로 보여준다. 이러한 이동은 제2 단계(S2) 동안에 기판에 흡착된 탄소(42)가 에너지적으로 안정된 위치를 찾아가는 과정으로 볼 수 있다. 일 예로, 기판(30)에 기 흡착된 탄소들(50)이 육각형의 단위 그래핀(60)을 만들어가는 과정에 있고, 단위 그래핀(60)의 마지막 한 자리(L1)가 비어 있는 경우, 기판(30)에 막 흡착된 탄소(42)는 제2 단계(S2)가 실시되는 동안에 안정된 빈자리(L1)로 이동될 것이다. 이후, 기판(30)에 흡착된 다른 탄소는 단위 그래핀(60) 부근의 안정된 제2 자리(L2) 또는 제3 자리(L3)를 찾아 이동될 것이다.
따라서 제2 단계(S2)를 완료하는 시간은 기판(30)에 흡착된 탄소(42)의 이동이 완료될 수 있는 시간을 고려하여 설정할 수 있다. 일 예로 제2 단계(S2)를 완료하는 시간은 탄소(42) 이동의 평균시간보다 길게 설정하거나 탄소(42) 이동의 최대 시간보다 길게 설정할 수 있다.
제3 단계(S3)는 제1 및 제2 단계(S1, S2)를 반복하는 단계이다. 제2 단계(S2)를 마친 후, 그래핀의 성장 정도를 확인하고, 그래핀이 완전히 성장되지 않았다면, 제1 단계(S1)부터 과정을 반복한다. 제1 및 제2 단계(S1, S2)의 반복 횟수는 성장되는 그래핀을 살펴서 적절히 정할 수 있다. 또는 반복 횟수는 공정 시작 전에 미리 설정할 수 있다. 이때는 그래핀이 성장되는 과정을 살피다가 그래핀이 예상보다 일찍 성장되었다면, 공정의 반복 횟수가 상기 설정한 반복 횟수에 도달되기 전에 공정을 멈출 수도 있다.
제1 및 제2 단계(S1, S2)의 반복을 통해서 기판(30) 상에서 측방향으로 그래핀이 성장하게 되는데, 도 6은 이러한 그래핀의 측방향 성장을 나타낸 것이다. 제1 및 제2 단계(S1, S2)를 거치면서 단위 그래핀(60) 둘레의 에너지적으로 안정된 자리로 탄소들이 이동되고, 결과적으로 단위 그래핀(60)으로부터 측방향으로 그래핀이 성장된다. 제1 및 제2 단계(S1, S2)의 반복 동안에 상술한 바와 같이 미반응 잔류탄소가 제거되어 그래핀 결함이 제거되므로, 기판(30) 상에 성장된 그래핀의 결정성은 기존에 비해 훨씬 좋아진다. 곧, 저온의 비금속 기판 상에 고품질의 그래핀을 직접 성장시킬 수 있다.
도 7은 일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법과 기존의 통상적인 탄소물 직접 성장방법을 이용하여 얻은 탄소물에 대한 라만 세기(Raman intensity)를 보여준다. 상기 두 방법은 400℃에서 실시하였고, 기판으로 실리콘(Si) 기판을 사용하였다. 상기 기존의 통상적인 탄소물 직접 성장방법은 탄소를 계속 공급하여 탄소물을 성장시키는 방법이다.
도 7에서 가로축은 라만 시프트(Raman shift)를, 세로축은 라만 세기를 나타낸다. 제1 그래프(G1)는 일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법으로 얻은 탄소물, 곧 그래핀에 대한 측정 결과를 보여준다. 제2 그래프(G2)는 기존의 통상적인 탄소물 직접 성장방법으로 얻은 탄소물에 대한 측정 결과를 보여준다.
도 7을 참조하면, 제1 그래프(G1)에는 제1 내지 제3 피크(P3)가 뚜렷이 나타난다. 제1 내지 제3 피크(P3)는 각각 D밴드, G밴드 및 2D 밴드를 나타내는데, 이러한 밴드는 그래핀으로부터 나타나는 특징이다. 결국, 제1 내지 제3 피크(P1-P3)는 일 실시예에 의한 탄소물 직접 성장방법을 이용할 경우, 저온의 비금속 기판 상에서도 그래핀을 성장시킬 수 있음을 나타낸다.
반면, 제2 그래프(G2)의 경우, 제1 그래프(G1)의 제1 내지 제3 피크(P1-P3)에 대응하는 위치에 피크가 없다. 이러한 결과는 기존의 통상적인 탄소물 직접 성장방법으로 얻은 탄소물에 그래핀이 포함되어 있지 않음을 의미한다. 이것은 기존의 통상적인 탄소물 직접 성장방법으로는 저온의 비금속 기판 상에 그래핀을 성장시킬 수 없음을 시사한다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고, 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
30:기판 40탄소소스
42:기판에 직접 흡착된 탄소 44, 46:미반응 잔류탄소
50:기 흡착된 탄소 60:단위 그래핀
G1, G2:제1 및 제2 그래프
L1, L2, L3:에너지적으로 안정된 빈자리
P1-P3:제1 내지 제3 피크

Claims (24)

  1. 탄소를 공급하여 기판에 흡착시키는 단계; 및
    탄소공급을 중지하고, 기판 상으로부터 미반응 잔류탄소를 제거하는 단계;를 포함하는 탄소물 직접 성장방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상에 원하는 그래핀이 형성될 때까지 상기 두 단계를 반복하고,
    반복되는 단계에서 공급되는 탄소의 양은 최초 단계에서 공급된 탄소의 양과 동일하거나 다른 탄소물 직접 성장방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소를 공급하여 기판에 흡착시키는 단계는,
    상기 기판을 700℃를 넘지 않은 온도로 유지하는 단계;
    탄소소스를 준비하는 단계; 및
    상기 탄소소스에 포함된 탄소들을 분리하여 상기 기판 상으로 공급하는 단계;를 포함하는 탄소물 직접 성장방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 미반응 잔류탄소는 상기 기판 상으로 공급된 탄소들 중, 상기 기판에 직접 흡착되지 않은 것으로, 상기 기판에 직접 흡착된 탄소 상에 흡착된 탄소 또는 탄소 덩어리를 포함하는 탄소물 직접 성장방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 미반응 잔류탄소를 제거하는 단계는,
    상기 기판 상에 존재하는 탄소를 대상으로 플라즈마 처리하는 단계는 포함하고,
    상기 플라즈마 처리단계에서의 플라즈마 에너지는 상기 기판과 상기 기판에 직접 흡착된 탄소 사이의 흡착 에너지보다 작은 탄소물 직접 성장방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 비금속 기판인 탄소물 직접 성장방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 금속기판인 탄소물 직접 성장방법.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판은 200℃~700℃의 온도로 유지하는 탄소물 직접 성장방법.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 탄소소스는 지방족 탄소(aliphatic carbon)물질을 포함하는 탄소물 직접 성장방법.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 탄소소스는 방향족 탄소(aromatic carbon)물질을 포함하는 탄소물 직접 성장방법.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 탄소소스에 포함된 탄소들을 분리하는 단계는,
    탄소들을 분리하기 위해 상기 탄소소스에 플라즈마를 조사하는 단계를 포함하는 탄소물 직접 성장방법.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판 상에 직접 흡착된 탄소에 탄소가 아닌 부차적인 물질이 결합되어 있는 경우, 상기 부차적인 물질을 제거하기 위한 공정을 수행하는 탄소물 직접 성장방법.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 비금속 기판은 Si, Ge 또는 유전체를 포함하는 탄소물 직접 성장방법.
  14. 기판 상에 탄소층을 형성하는 단계;
    상기 탄소층에서 상기 기판에 직접 흡착되지 않은 탄소를 제거하는 단계; 및
    상기 기판 상에 원하는 그래핀이 형성될 때까지 상기 두 단계를 반복하는 단계;를 포함하는 탄소물 직접 성장방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 탄소층을 형성하는 단계는,
    개별 탄소를 준비하여 상기 기판 상으로 공급하는 단계를 포함하는 탄소물 직접 성장방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판은 비금속 기판인 탄소물 직접 성장방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 세 단계는 챔버에서 진행되고, 상기 챔버의 내부 압력은 대기압보다 낮게 유지되는 탄소물 직접 성장방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판은 200℃~700℃로 유지되는 탄소물 직접 성장방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 개별 탄소는 탄소소스를 플라즈마 처리하여 형성하는 탄소물 직접 성장방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 탄소소스는 지방족 탄소물질과 방향족 탄소물질 중 적어도 하나를 포함하는 탄소물 직접 성장방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 미반응 잔류탄소를 제거하는 단계는,
    퍼징가스를 공급하는 제1 서브 단계; 및
    상기 미반응 잔류탄소를 포함하는 가스를 배출하는 제2 서브 단계;를 포함하는 탄소물 직접 성장방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 서브 단계는 순차적으로 반복 실시하는 탄소물 직접 성장방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1 서브 단계와 상기 제2 서브 단계는 서로 다른 압력조건에서 실시하는 탄소물 직접 성장방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 반복 실시 단계에서 어느 한 회(예, 1회) 실시 때의 압력조건과 다른 회(예, 2회) 실시 때의 압력조건이 서로 다른 탄소물 직접 성장방법.
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