KR20230126665A - 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법과 이를 적용한 소자의 제조 방법 - Google Patents

2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법과 이를 적용한 소자의 제조 방법 Download PDF

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박기태
윤성근
주영호
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Abstract

2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법과 이를 적용한 소자의 제조 방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법은 서로 다른 적어도 두 개의 물질층이 측방으로 접하여 배열된 접착 대상층을 포함하는 기판 구조체를 마련하는 단계, 2차원 물질(2D material)을 포함하되 상기 2차원 물질이 단위층을 구성하고 복수의 상기 단위층이 결합에 의해 층상(layered) 구조를 이루는 결정질 물질 부재를 마련하는 단계, 상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층 사이에 결합이 형성되도록 상기 결정질 물질 부재를 상기 접착 대상층의 표면에 접착시키는 단계 및 상기 접착 대상층의 표면에 상기 결정질 물질 부재로부터 박리된 2차원 물질층 패턴이 형성되도록 상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층을 분리하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 2차원 물질층 패턴의 형태는 상기 적어도 두 개의 물질층에 의해 정의될 수 있다.

Description

2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법과 이를 적용한 소자의 제조 방법{Method for selective separation and transfer of two-dimensional material and method of fabricating device using the same}
본 발명은 물질층 형성 방법 및 그 활용에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2차원 물질층 패턴의 형성 방법 및 이를 적용한 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
2차원 물질(two-dimensional material)(2D material)은 원자들이 소정의 결정 구조를 이루고 있는 단층(single-layer) 또는 반층(half-layer)의 고체로, 우수한 전기적/광학적/기계적 특성을 나타낼 수 있다. 대표적인 2차원 물질로 그래핀(graphene)이 있으며, 그래핀에 대한 연구를 시작으로 반도체 특성 또는 절연성을 갖는 다양한 2차원 물질에 대한 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 2차원 물질들은 기존 소자의 한계를 극복할 수 있는 차세대 소재로 주목받고 있다.
이러한 이유로, 2차원 물질을 다양한 소자에 적용하기 위한 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있다. 그러나, 2차원 물질을 소자에 적용함에 있어서, 다양한 기술적 문제점들이 존재하고, 우수한 특성/성능을 확보하기가 어려울 수 있다. 특히, 2차원 물질을 형성 및 패터닝함에 있어서, 2차원 물질의 취급(handling)이 용이하지 않을 수 있고, 그 형상이나 위치 및 두께의 제어가 용이하지 않을 수 있으며, 2차원 물질이 손상되거나 오염될 수 있다는 기술적 문제와 어려움이 존재한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 2차원 물질에 대한 손상이나 오염, 잔여물 발생 등의 문제 없이 2차원 물질의 물리/화학적 특성에 미치는 영향을 최소화하면서 2차원 물질층 패턴을 용이하게 형성할 수 있는 '2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법'을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 2차원 물질을 정교하게 패터닝할 수 있고 2차원 물질 패턴의 형상이나 위치, 두께 등을 용이하게 제어할 수 있는 '2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법'을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 외부 환경 및 화학 물질 노출에 취약한 2차원 물질에까지 용이하게 적용할 수 있는 '2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법'을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법을 적용한 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 다른 적어도 두 개의 물질층이 측방으로(laterally) 접하여 배열된 접착 대상층을 포함하는 기판 구조체를 마련하는 단계; 2차원 물질(2D material)을 포함하되 상기 2차원 물질이 단위층을 구성하고 복수의 상기 단위층이 결합에 의해 층상(layered) 구조를 이루는 결정질 물질 부재를 마련하는 단계; 상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층 사이에 결합이 형성되도록 상기 결정질 물질 부재를 상기 접착 대상층의 표면에 접착시키는 단계; 및 상기 접착 대상층의 표면에 상기 결정질 물질 부재로부터 박리된 2차원 물질층 패턴이 형성되도록 상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층을 분리하는 단계를 포함하고, 상기 2차원 물질층 패턴의 형태는 상기 적어도 두 개의 물질층에 의해 정의되는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법이 제공된다.
상기 기판 구조체를 마련하는 단계는 베이스 기판 상에 원하는 패턴 형상을 갖는 상기 접착 대상층을 형성하는 단계; 상기 접착 대상층 상에 지지층(supporting layer)을 형성하는 단계; 상기 지지층 상에 핸들링층(handling layer)을 형성하는 단계; 및 상기 접착 대상층, 상기 지지층 및 상기 핸들링층을 포함하는 적층 구조체를 상기 베이스 기판으로부터 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함할 수 있고, 상기 제 1 물질층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 복수의 단위층 사이의 결합력 보다 클 수 있고, 상기 제 2 물질층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 복수의 단위층 사이의 결합력 보다 작을 수 있고, 상기 2차원 물질층 패턴은 상기 제 2 물질층이 아닌 상기 제 1 물질층 상에 형성될 수 있다.
상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함할 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 물질층은 서로 다른 표면 거칠기(surface roughness)를 가질 수 있다.
상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함할 수 있고, 상기 제 1 물질층은 도전체, 반도체 및 절연체 중 어느 하나일 수 있고, 상기 제 2 물질층은 도전체, 반도체 및 절연체 중 어느 하나일 수 있다.
상기 접착 대상층의 표면에 형성된 상기 2차원 물질층 패턴을 상기 접착 대상층에서 별도의 접착 대상 기판으로 전사시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 접착 대상 기판과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 접착 대상층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력 보다 클 수 있다.
상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 물질층, 상기 제 1 물질층의 양측 각각에 배치된 제 2 물질층 및 적어도 상기 제 2 물질층 주위에 배치된 제 3 물질층을 포함할 수 있다. 상기 2차원 물질층 패턴은 상기 제 3 물질층이 아닌 상기 제 1 및 제 2 물질층 상에 형성될 수 있다.
상기 제 1 물질층은 제 1 절연체일 수 있고, 상기 제 2 물질층은 도전체일 수 있고, 상기 제 3 물질층은 제 2 절연체일 수 있다.
상기 2차원 물질층 패턴은 상기 제 1 물질층 양측에 배치된 두 개의 상기 제 2 물질층을 상호 연결하는 채널층 패턴일 수 있다.
상기 2차원 물질은, 예를 들어, 2차원 페로브스카이트(perovskite) 물질 및 TMD(transition metal dichalcogenide) 물질 중 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 다른 적어도 두 개의 물질층이 측방으로(laterally) 접하여 배열된 접착 대상층을 포함하는 기판 구조체를 마련하는 단계;
2차원 물질(2D material)을 포함하되 상기 2차원 물질이 단위층을 구성하고 복수의 상기 단위층이 결합에 의해 층상(layered) 구조를 이루는 결정질 물질 부재를 마련하는 단계; 상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층 사이에 결합이 형성되도록 상기 결정질 물질 부재를 상기 접착 대상층의 표면에 접착시키는 단계; 상기 접착 대상층의 표면에 상기 결정질 물질 부재로부터 박리된 2차원 물질층이 잔류되도록 상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층을 분리하는 단계; 상기 접착 대상층의 표면에 배치된 상기 2차원 물질층을 접착 대상 기판의 표면에 접착시키는 단계; 및 상기 접착 대상 기판의 표면에 상기 2차원 물질층으로부터 패턴 형태로 분리된 2차원 물질층 패턴이 잔류되도록 상기 접착 대상층과 상기 접착 대상 기판을 분리하는 단계를 포함하고, 상기 2차원 물질층 패턴의 형태는 상기 적어도 두 개의 물질층 및 상기 접착 대상 기판에 의해 정의되는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법이 제공된다.
상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함할 수 있고, 상기 제 1 물질층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 복수의 단위층 사이의 결합력 보다 클 수 있고, 상기 제 2 물질층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 복수의 단위층 사이의 결합력 보다 클 수 있고, 상기 2차원 물질층은 상기 제 1 및 제 2 물질층 상에 잔류될 수 있다.
상기 제 1 물질층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 접착 대상 기판과 상기 2차원 물질 사이의 결합력 보다 클 수 있고, 상기 제 2 물질층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 접착 대상 기판과 상기 2차원 물질 사이의 결합력 보다 작을 수 있고, 상기 2차원 물질층 패턴은 상기 접착 대상 기판에서 상기 제 2 물질층에 대응하는 영역 상에 잔류될 수 있다.
상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함할 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 물질층은 서로 다른 표면 거칠기(surface roughness)를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 다른 적어도 두 개의 물질층이 측방으로(laterally) 접하여 배열된 접착 대상층을 포함하는 기판 구조체를 마련하는 단계; 2차원 물질(2D material)을 포함하되 상기 2차원 물질이 단위층을 구성하고 복수의 상기 단위층이 결합에 의해 층상(layered) 구조를 이루는 결정질 물질 부재를 마련하는 단계; 상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층 사이에 결합이 형성되도록 상기 결정질 물질 부재를 상기 접착 대상층의 표면에 접착시키는 단계; 및 상기 접착 대상층의 표면에 상기 결정질 물질 부재로부터 박리된 2차원 물질층이 잔류되도록 상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층을 분리하는 단계를 포함하고, 상기 2차원 물질층은 상기 적어도 두 개의 물질층 상에서 서로 다른 두께를 갖는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법이 제공된다.
상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함할 수 있고, 상기 2차원 물질층은 상기 제 1 물질층 상에 배치된 제 1 부분 및 상기 제 2 물질층 상에 배치된 제 2 부분을 포함할 수 있고, 상기 제 1 부분은 제 1 두께를 가질 수 있고, 상기 제 2 부분은 상기 제 1 두께와 다른 제 2 두께를 가질 수 있다.
상기 적어도 두 개의 물질층은 제 3 물질층을 더 포함할 수 있고, 상기 2차원 물질층은 상기 제 3 물질층 상에 배치된 제 3 부분을 더 포함할 수 있고, 상기 제 3 부분은 상기 제 1 및 제 2 두께와 다른 제 3 두께를 가질 수 있다.
상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함할 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 물질층은 서로 다른 표면 거칠기(surface roughness)를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 방법을 이용해서 2차원 물질층 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 2차원 물질층 패턴을 포함하는 소자를 형성하는 단계를 포함하는 2차원 물질이 적용된 소자의 제조 방법이 제공된다.
상기 소자는 반도체 소자, 디스플레이 소자, 태양전지 소자 및 센서용 소자 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 소재 간 결합력의 차이를 이용함으로써, 2차원 물질에 대한 손상이나 오염, 잔여물 발생 등의 문제 없이 2차원 물질의 물리/화학적 특성에 미치는 영향을 최소화하면서 2차원 물질층 패턴을 용이하게 형성할 수 있는 '2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법'을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 2차원 물질을 정교하게 패터닝할 수 있고 2차원 물질 패턴의 형상이나 위치, 두께 등을 용이하게 제어할 수 있는 '2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법'을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 건식 공정의 특성으로 인해 외부 환경 및 화학 물질 노출에 취약한 2차원 물질에까지 용이하게 적용할 수 있는 '2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법'을 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 접착 대상층의 재료 구성 및 표면 거칠기(surface roughness)를 영역 별로 제어함으로써, 소재 간 결합력을 넓은 범위로 제어할 수 있기 때문에, 상기한 '2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법'의 적용 범위를 다양한 2차원 소재로 확장시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법을 이용하면, 우수한 성능을 갖는 다양한 소자를 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 접착 대상층과 지지층 등에 다양한 소재와 제작 방법을 적용할 수 있기 때문에, 상기 접착 대상층과 지지층에 박막 소자를 구성하는 소재 및 구조를 적용함으로써, 상기한 선택적 분리 및 전사의 결과물을 직접 박막 소자의 제조에 적용할 수 있다는 이점이 있다.
그러나, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 적용될 수 있는 기판 구조체의 형성 방법을 보여주는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 2차원 물질층 패턴을 보여주는 광학 현미경(OM) 사진 이미지이다.
도 4는 도 3의 2차원 물질층 패턴의 하나의 픽셀에 대한 AFM(atomic force microscope) 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 3의 2차원 물질층 패턴의 하나의 픽셀에 대해 PL(photoluminescence) 특성을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 적용될 수 있는 접착 대상층의 평면적 구조를 예시적으로 보여주는 광학 현미경(OM) 사진 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 도 7의 접착 대상층 상에 전사된 2차원 물질층 패턴을 보여주는 광학 현미경(OM) 사진 이미지이다.
도 9는 도 8의 구조를 갖는 2차원 물질이 적용된 광센서(포토디텍터) 소자의 구동 특성을 보여주는 그래프이다.
도 10a 내지 도 10f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 보여주는 단면도이다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 보여주는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 적용될 수 있는 접착 대상층의 평면적 구조를 예시적으로 보여주는 광학 현미경(OM) 사진 이미지이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 도 12의 접착 대상층 상에 전사된 2차원 물질층을 보여주는 광학 현미경(OM) 사진 이미지이다.
도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 보여주는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 설명할 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 명확하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 용어는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "연결"이라는 용어는 어떤 부재들이 직접적으로 연결된 것을 의미할 뿐만 아니라, 부재들 사이에 다른 부재가 더 개재되어 간접적으로 연결된 것까지 포함하는 개념이다.
아울러, 본원 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본원 명세서에서 사용되는 "약", "실질적으로" 등의 정도의 용어는 고유한 제조 및 물질 허용 오차를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 영역이나 파트들의 사이즈나 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 적용될 수 있는 기판 구조체의 형성 방법을 보여주는 단면도이다. 본 발명의 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법은 서로 다른 적어도 두 개의 물질층이 측방으로(laterally) 접하여 배열된 접착 대상층을 포함하는 기판 구조체를 마련하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 기판 구조체는, 예를 들어, 도 1a 내지 도 1g에서 설명할 방법으로 형성될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 베이스 기판(1) 상에 포토레지스트막(2)을 형성할 수 있다. 베이스 기판(1)의 상면은 기준 표면(reference surface)(S1)일 수 있고, 기준 표면(S1) 상에 포토레지스트막(2)이 형성될 수 있다. 베이스 기판(1)은, 예를 들어, 반도체 기판이거나 절연체 기판 또는 도전체 기판일 수 있다. 구체적인 예로, 베이스 기판(1)은 실리콘(Si) 기판일 수 있지만, 베이스 기판(1)의 물질은 다양하게 변화될 수 있다. 기준 표면(S1)은, 예를 들어, 수 Å 내지 수십 Å 범위의 표면 거칠기(surface roughness)를 가질 수 있다. 일례로서, 베이스 기판(1)으로는 CMP(chemical mechanical polishing) 공정을 거쳐 Å 수준의 표면 거칠기를 갖는 Si 웨이퍼를 사용할 수 있지만, 본원의 실시예는 이에 한정되지 않는다.
도 1b를 참조하면, 포토레지스트막(2)에 대한 노광 및 현상 공정을 수행하여 포토레지스트막(2)의 일부를 제거하여 포토레지스트 패턴(2')을 형성할 수 있다. 상기 노광에는, 예를 들어, 자외선(UV ray)이 이용될 수 있지만, 자외선이 아닌 다른 대역의 광이 이용될 수도 있다. 포토레지스트 패턴(2') 주위에서 기준 표면(S1)이 노출될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 포토레지스트 패턴(2') 주위에 노출된 기준 표면(S1) 상에 제 1 물질층(10)을 증착할 수 있다. 제 1 물질층(10)의 종류와 증착 조건 등에 따라서, 기준 표면(S1)에 접촉되는 제 1 물질층(10)의 표면의 표면 거칠기가 조절될 수 있다.
도 1d를 참조하면, 리프트 오프(lift-off) 등의 공정을 이용해서 포토레지스트 패턴(2')을 제거할 수 있다. 그 결과, 제 1 물질층(10) 주위의 기준 표면(S1)이 노출될 수 있다.
도 1e를 참조하면, 제 1 물질층(10) 주위에 노출된 기준 표면(S1) 상에 제 2 물질층(20)을 증착할 수 있다. 제 2 물질층(20)은 제 1 물질층(10)과 다른 물질로 형성될 수 있다. 제 2 물질층(20)의 종류와 증착 조건 등에 따라서, 기준 표면(S1)에 접촉되는 제 2 물질층(20)의 표면의 표면 거칠기가 조절될 수 있다.
베이스 기판(1) 상에 서로 다른 적어도 두 개의 물질층(10, 20)이 측방으로(laterally) 접하여 배열된 접착 대상층(50)이 형성될 수 있다. 제 1 물질층(10)의 측면에 제 2 물질층(20)의 측면이 접촉될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 2 물질층(20)의 양측에 제 1 물질층(10)이 배치될 수 있다. 제 2 물질층(20)의 양측면에 제 1 물질층(10)이 접촉될 수 있다. 제 2 물질층(20)은 제 1 물질층(10)과 동일한 두께를 가질 수 있지만, 경우에 따라서는, 제 1 물질층(10)과 다른 두께를 가질 수도 있다. 또한, 제 2 물질층(20)은 제 1 물질층(10)의 상면의 적어도 일부를 덮도록 연장된 형태를 가질 수도 있다.
도 1a 내지 도 1e에서 설명한 포토레지스트막(2)의 노광 및 현상과 물질층의 증착 공정을 반복 수행함으로써, 접착 대상층(50)을 구성하는 물질층의 개수를 세 개 이상으로 증가시킬 수 있다. 도 1a 내지 도 1e에서 설명한 포토레지스트막(2)의 노광 및 현상과 물질층의 증착 공정 등은 리소그라피(lithography) 공정의 일례라고 할 수 있다. 따라서, 접착 대상층(50)은 리소그라피(lithography) 공정을 적용하여 형성된 층이라고 할 수 있다. 상기 리소그라피(lithography) 공정은, 예컨대, 포토리소그라피 공정일 수 있다. 그러나, 리소그라피(lithography) 이외에 다른 방법으로도 원하는 패턴 형상을 갖는 접착 대상층(50)을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제 1 물질층(10)은 도전체, 반도체 및 절연체 중 어느 하나일 수 있고, 제 2 물질층(20)은 도전체, 반도체 및 절연체 중 다른 하나일 수 있다. 상기 도전체는, 비제한적인 예로, Ni, Au, Ag, Pd, Cu 등의 금속을 포함하거나 금속 화합물을 포함할 수 있다. 상기 반도체는, 비제한적인 예로, Mo 산화물(e.g., MoO3), Ni 산화물(e.g., NiO), Sn 산화물(e.g., SnO2), Ti 산화물(e.g., TiO2) 등의 산화물계 반도체 물질을 포함하거나 비산화물계 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 절연체는, 비제한적인 예로, Al 산화물(e.g., Al2O3), Si 산화물(e.g., SiO2) 등과 같은 절연성 산화물 또는 Mg 불화물(e.g., MgF2)과 같은 절연성 불화물을 포함하거나, 그 밖에 다른 절연 물질을 포함할 수 있다. 접착 대상층(50)이 제 3 물질층을 더 포함하는 경우, 상기 제 3 물질층은 도전체, 반도체 및 절연체 중 어느 하나일 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제 1 물질층(10)은 제 1 도전체일 수 있고, 제 2 물질층(20)은 상기 제 1 도전체와 다른 제 2 도전체일 수 있다. 또는, 제 1 물질층(10)은 제 1 반도체일 수 있고, 제 2 물질층(20)은 상기 제 1 반도체와 다른 제 2 반도체일 수 있다. 또는, 제 1 물질층(10)은 제 1 절연체일 수 있고, 제 2 물질층(20)은 상기 제 1 절연체와 다른 제 2 절연체일 수 있다.
제 1 및 제 2 물질층(10, 20)을 다양한 물질로 형성할 수 있기 때문에, 추후에 접착 대상층(50)을, 필요에 따라, 다양한 소자에 적용하기가 용이할 수 있다.
도 1f를 참조하면, 접착 대상층(50) 상에 지지층(supporting layer)(60)을 형성할 수 있다. 지지층(60)은, 비제한적인 예로, Ni과 같은 금속이나 금속 화합물 또는 소정의 절연체나 반도체 등으로 형성될 수 있다. 지지층(60)은, 예컨대, 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 지지층(60)은 증착 공정으로 형성될 수 있다. 다음으로, 지지층(60) 상에 핸들링층(handling layer)(70)을 형성할 수 있다. 핸들링층(70)은, 예컨대, 폴리머를 포함하거나 폴리머층일 수 있다. 핸들링층(70)은 지지층(60)에 부착하는 방식으로 형성할 수 있다. 핸들링층(70)은, 예를 들어, 수백 ㎛ 내지 그 이상의 두께를 가질 수 있다.
도 1g를 참조하면, 접착 대상층(50)과 지지층(60) 및 핸들링층(70)을 포함하는 적층 구조체(ST10)를 베이스 기판(1)으로부터 분리할 수 있다. 핸들링층(70)을 통해 적층 구조체(ST10)에 외력을 가하여 접착 대상층(50)을 기준 표면(S1)으로부터 분리할 수 있다. 핸들링층(70)은 상기한 분리 공정 및 이후 공정에서 적층 구조체(ST10)를 핸들링하기 위한 층일 수 있다. 지지층(60)은 상기한 분리 공정에서 접착 대상층(50)의 분리를 용이하게 하는 층일 수 있다. 지지층(60)의 물질 종류와 증착 조건 및 두께 조건을 조절하여 접착 대상층(50)의 분리 공정을 최적화할 수 있다. 적절한 지지층(60)을 사용함으로써, 기준 표면(S1)에서 접착 대상층(50)을 분리할 때, 분리 과정에서 발생하는 복잡한 응력장이 접착 대상층(50)의 표면을 손상시키는 문제를 방지 또는 최소화할 수 있다. 제 1 및 제 2 물질층(10, 20)의 노출된 표면은 수 Å 내지 수십 Å 범위의 표면 거칠기(surface roughness)를 가질 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 물질층(10, 20)은 서로 다른 표면 거칠기를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 베이스 기판(1)의 표면 처리를 통해서 그 위해 형성되는 접착 대상층(50)의 표면 거칠기를 제어할 수 있고, 또한, 물질층(10, 20)의 증착 공정을 제어함으로써 해당 물질층(10, 20)의 표면 거칠기를 제어할 수 있지만, 이러한 방법은 다양하게 변화될 수 있다.
적층 구조체(ST10)는 서로 다른 적어도 두 개의 물질층(10, 20)이 측방으로 접하여 배열된 접착 대상층(50)을 포함하는 기판 구조체라고 할 수 있다. 이하에서는, 적층 구조체(ST10)를 기판 구조체(ST10)라고 지칭한다. 기판 구조체(ST10)는 접착 대상층(50)과 지지층(60) 및 핸들링층(70)을 포함할 수 있다. 그러나, 경우에 따라, 기판 구조체(ST10)의 구성은 다양하게 변화될 수 있다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 보여주는 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 서로 다른 적어도 두 개의 물질층(10, 20)이 측방으로 접하여 배열된 접착 대상층(50)을 포함하는 기판 구조체(ST10)를 마련할 수 있다. 도 2a에서는 기판 구조체(ST10)를 간략히 도시하였으나, 기판 구조체(ST10)는 도 1g에서 설명한 구조를 가질 수 있다. 따라서, 도 2a에서 접착 대상층(50) 아래에 지지층(도 1g의 60)이 구비될 수 있고, 상기 지지층 아래에 배치된 핸들링층(도 1g의 70)이 더 구비될 수 있다.
2차원 물질(2D material)을 포함하되 상기 2차원 물질이 단위층을 구성하고 복수의 상기 단위층이 반데르발스(van der Waals)(vdW) 결합에 의해 층상(layered) 구조를 이루는 결정질 물질 부재(100)를 마련할 수 있다. 여기서, 상기 층상 구조는 결정질 물질 부재(100)의 상면 및 하면에 평행할 수 있다. 상기 복수의 단위층은 결정질 물질 부재(100)의 두께 방향으로 적층될 수 있다. 결정질 물질 부재(100)는 벌크(bulk) 부재이거나 박막일 수 있다. 결정질 물질 부재(100)가 박막인 경우, 결정질 물질 부재(100)는 별도의 핸들링 기판(미도시)에 부착될 수 있다. 도면상, 결정질 물질 부재(100)의 하부 표면을 평탄하게 하거나 깨끗하게 하기 위해, 결정질 물질 부재(100)의 하부의 최외곽 단위층(또는, 2층 이상의 단위층)을 벗겨내는 작업을 미리 수행할 수도 있다. 이를 통해, 결정질 물질 부재(100)의 하면은 도 1a에서 설명한 기준 표면(S1)과 유사한 수준의 표면 거칠기를 가질 수 있다.
도 2b를 참조하면, 결정질 물질 부재(100)와 접착 대상층(50) 사이에 결합이 형성되도록 결정질 물질 부재(100)를 접착 대상층(50)의 표면에 접착시킬 수 있다. 다시 말해, 결정질 물질 부재(100)의 2차원 물질(단위층)과 접착 대상층(50) 사이에 결합이 형성되도록 결정질 물질 부재(100)의 표면을 접착 대상층(50)의 표면에 부착시킬 수 있다. 이때, 결정질 물질 부재(100)와 접착 대상층(50) 사이에 긴밀한 계면이 형성될 수 있도록 결정질 물질 부재(100)와 접착 대상층(50) 중 적어도 하나에 적당한 압력을 인가할 수 있다. 또한, 필요에 따라서는, 상기 계면에 포집될 수 있는 이물질을 제거하거나 이물질의 포집을 방지하기 위해, 상기 계면을 가열하거나 진공 상태를 형성하는 방법을 적용할 수도 있다. 도 2b의 공정의 결과, 제 1 물질층(10)과 상기 2차원 물질 사이에 결합이 형성될 수 있고, 제 2 물질층(20)과 상기 2차원 물질 사이에 반데르발스 결합이 형성될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 접착 대상층(50)의 표면에 결정질 물질 부재(100)로부터 박리된 2차원 물질층 패턴(110)이 형성되도록 결정질 물질 부재(100)와 접착 대상층(50)을 분리할 수 있다. 결정질 물질 부재(100)와 접착 대상층(50)은 외력에 의해 물리적으로 분리될 수 있다. 2차원 물질층 패턴(110)이 분리된 결정질 물질 부재는 참조번호 100a로 표시한다.
2차원 물질층 패턴(110)의 형태는 접착 대상층(50)을 구성하는 적어도 두 개의 물질층, 여기서는, 제 1 및 제 2 물질층(10, 20)에 의해 정의될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 1 물질층(10)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력은 결정질 물질 부재(100) 내에 존재하는 상기 복수의 단위층 사이의 반데르발스 결합력 보다 클 수 있다. 제 2 물질층(20)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력은 상기 복수의 단위층 사이의 반데르발스 결합력 보다 작을 수 있다. 따라서, 결정질 물질 부재(100)의 2차원 물질의 일부는 결정질 물질 부재(100)로부터 선택적으로 분리되어 제 1 물질층(10) 상에 선택적으로 전사될 수 있다. 제 1 물질층(10)에 결합된 2차원 물질 부분은 그와 인접한 다른 2차원 물질 부분과 분리되어 제 1 물질층(10) 상에 잔류될 수 있다. 반면, 제 2 물질층(20)에 결합된 2차원 물질 부분의 경우, 제 2 물질층(20)과 상대적으로 약하게 결합되고, 결정질 물질 부재(100) 내부에서 상대적으로 강한 결합력을 갖기 때문에, 결정질 물질 부재(100)로부터 분리되지 않을 수 있다. 이러한 이유로, 2차원 물질층 패턴(110)의 형태는 제 1 및 제 2 물질층(10, 20)에 의해 정의될 수 있다. 본 실시예에서 2차원 물질층 패턴(110)은 제 2 물질층(20)이 아닌 제 1 물질층(10) 상에 형성될 수 있다. 이러한 2차원 물질의 패터닝은 물리적인 힘에 의한 기계적인 패터닝일 수 있고, 건식 공정으로 수행될 수 있다. 상기 2차원 물질의 패터닝은 패턴 가장자리를 nm 수준에서 제어할 수 있는 우수한 정교성을 가질 수 있다.
상기 2차원 물질에 대한 제 1 및 제 2 물질층(10, 20)의 반데르발스 결합력은 일종의 접착력이라고 여길 수 있다. 상기 반데르발스 결합력은 소재의 종류, 표면 거칠기 등에 의해 조절될 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 물질층(10, 20)으로 적절한 소재를 선택하고, 필요에 따라, 그 표면 거칠기를 제어함으로써, 상기한 2차원 물질의 패터닝을 용이하게 수행할 수 있다. 또한, 경우에 따라서는, 제 1 및 제 2 물질층(10, 20)의 소재의 종류는 동일하게 하거나 유사하게 하면서, 이들의 표면 거칠기를 다르게 조절함으로써, 상기한 반데르발스 결합력을 제어하는 것도 가능할 수 있다.
2차원 물질층 패턴(110)은 2차원 물질의 단층(monolayer)(즉, 단위층)이거나, 상기 단층(즉, 단위층)이 복수 회 적층된 구조를 가질 수도 있다. 2차원 물질의 단층(즉, 단위층)이 복수 회 적층되더라도, 양자역학적으로 2차원 물질의 특성이 유지될 수 있다. 따라서, 2차원 물질층 패턴(110)은 상기 단층(즉, 단위층)이 복수 회 적층된 구조를 갖는 경우에도, '2차원 물질'이라고 할 수 있다. 2차원 물질층 패턴(110)에서 상기 단층은 수 회 내지 수십 회 정도 적층될 수 있다.
도 2d 내지 도 2f를 참조하면, 접착 대상층(50)의 표면에 형성된 2차원 물질층 패턴(110)을 접착 대상층(50)에서 별도의 접착 대상 기판(200)으로 전사시키는 단계를 더 수행할 수 있다.
접착 대상 기판(200)의 표면에 2차원 물질층 패턴(110)을 부착하여 접착 대상 기판(200)과 2차원 물질층 패턴(110) 사이에 반데르발스 결합을 형성할 수 있다(도 2e). 이때, 적당한 압력 인가 등을 통해서, 접착 대상 기판(200)과 2차원 물질층 패턴(110) 사이에 긴밀한 계면을 형성할 수 있다. 접착 대상 기판(200)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력은 접착 대상층(50)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력 보다 클 수 있다. 접착 대상 기판(200)과 2차원 물질층 패턴(110) 사이에 반데르발스 결합력은 제 1 물질층(10)과 2차원 물질층 패턴(110) 사이에 반데르발스 결합력 보다 클 수 있다. 따라서, 접착 대상 기판(200)과 접착 대상층(50)을 물리적으로 분리시킬 경우, 2차원 물질층 패턴(110)은 접착 대상 기판(200) 상에 잔류될 수 있다(도 2f). 즉, 2차원 물질층 패턴(110)은 접착 대상 기판(200)으로 전사될 수 있다. 접착 대상 기판(200)은 제 1 물질층(10) 및 제 2 물질층(20)과 다른 물질로 구성될 수 있다. 또는, 접착 대상 기판(200)의 표면 거칠기는 적어도 제 1 물질층(10)의 표면 거칠기와 다를 수 있다. 접착 대상 기판(200)은 기판 구조체일 수 있지만, 일종의 층이거나 박막일 수도 있다.
본 발명의 실시예에서는 2차원 물질과 접착 대상 소재들 간의 반데르발스(vdW) 결합력의 절대적 크기와 상대적 크기에 따라, 2차원 물질을 선택적으로 분리 및 전사할 수 있다. 따라서, 비화학적인 물리적 방식을 이용해서 2차원 물질을 패터닝 및 전사할 수 있다. 이와 관련해서, 본 발명의 실시예에 따르면, 2차원 물질에 대한 오염이나 손상을 방지하거나 최소화할 수 있고, 패터닝 및 전사를 용이하게 그리고 정교하게 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 2차원 물질층 패턴(110)에 적용되는 상기 2차원 물질은, 예를 들어, 2차원 페로브스카이트(perovskite) 물질 및 TMD(transition metal dichalcogenide) 물질 중 하나를 포함할 수 있다. 상기 2차원 페로브스카이트(perovskite) 물질은, 비제한적인 예로, PEA2MA2Pb3I10 등을 포함할 수 있다. 상기 TMD 물질은 잘 알려진 다양한 TMD를 포함할 수 있다. 상기 2차원 페로브스카이트 물질 및 TMD 물질은 2차원 반도체 물질일 수 있다. 그러나, 2차원 물질층 패턴(110)에 적용되는 상기 2차원 물질은 2차원 페로브스카이트 물질 및 TMD 물질로 한정되지 않으며, 그 밖에 다른 2차원 물질들이 적용될 수 있다. 예를 들어, 그래핀이나 h-BN(hexagonal boron nitride)과 같은 다른 2차원 물질들도 본 발명의 실시예에 적용이 가능할 수 있다. 이는 이하에서 설명할 다른 실시예들에서도 마찬가지일 수 있다.
상기한 설명에서 "반데르발스 결합" 또는 "반데르발스 결합력"이라는 표현을 사용하였지만, "반데르발스 결합"은 예시적인 것이고, 경우에 따라, "반데르발스 결합"은 임의의 다른 결합이나 접착으로 변경될 수도 있다. 이는 본 명세서 전체에서 해당될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 2차원 물질층 패턴(110A)을 보여주는 광학 현미경(OM) 사진 이미지이다.
도 3을 참조하면, 접착 대상 기판(200A) 상에 2차원 물질층 패턴(110A)이 형성될 수 있다. 여기서, 접착 대상 기판(200A)은 도 2f의 접착 대상 기판(200)에 대응될 수 있고, 2차원 물질층 패턴(110A)은 도 2f의 2차원 물질층 패턴(110)에 대응될 수 있다. 접착 대상 기판(200A)은 MoO3로 구성된 층이고, 2차원 물질층 패턴(110A)은 PEA2MA2Pb3I10 단일층 패턴이다.
도 4는 도 3의 2차원 물질층 패턴(110A)의 하나의 픽셀에 대한 AFM(atomic force microscope) 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 형성된 2차원 물질층 패턴(110A)이 우수한 패턴 형상 및 해상도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 도 3의 2차원 물질층 패턴(110A)의 하나의 픽셀에 대해 PL(photoluminescence) 특성을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상기 픽셀에 해당하는 PEA2MA2Pb3I10 단일층(픽셀)은 반도체의 광학적 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 보여주는 단면도이다.
도 6a를 참조하면, 서로 다른 적어도 두 개의 물질층(11, 21, 31)이 측방으로 접하여 배열된 접착 대상층(51)을 포함하는 기판 구조체(ST11)를 마련할 수 있다. 기판 구조체(ST11)는 도 1a 내지 도 1g에서 설명한 방법을 활용하여 제조될 수 있다. 도 6a에 도시하지는 않았지만, 접착 대상층(51) 아래에 지지층(도 1g의 60)이 구비될 수 있고, 상기 지지층 아래에 배치된 핸들링층(도 1g의 70)이 더 구비될 수 있다.
본 실시예에서 상기 적어도 두 개의 물질층(11, 21, 31)은 제 1 물질층(11), 제 1 물질층(11)의 양측 각각에 배치된 제 2 물질층(21) 및 적어도 제 2 물질층(21) 주위에 배치된 제 3 물질층(31)을 포함할 수 있다. 제 1 물질층(11)의 측면에 제 2 물질층(21)의 측면이 접촉될 수 있고, 제 2 물질층(21)의 측면에 제 3 물질층(31)의 측면이 접촉될 수 있다. 비제한적인 일례에 따르면, 제 1 물질층(11)은 제 1 절연체일 수 있고, 제 2 물질층(21)은 도전체일 수 있고, 제 3 물질층(31)은 제 2 절연체일 수 있다. 또한, 제 1 내지 제 3 물질층(11, 21, 31) 중 적어도 두 개는 서로 다른 표면 거칠기를 가질 수 있다.
한편, 2차원 물질(2D material)을 포함하되 상기 2차원 물질이 단위층을 구성하고 복수의 상기 단위층이 반데르발스(vdW) 결합에 의해 층상(layered) 구조를 이루는 결정질 물질 부재(101)를 마련할 수 있다. 결정질 물질 부재(101)는 도 2a에서 설명한 결정질 물질 부재(100)와 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 결정질 물질 부재(101)와 접착 대상층(51) 사이에 반데르발스 결합이 형성되도록 결정질 물질 부재(101)를 접착 대상층(51)의 표면에 접착시킬 수 있다. 다시 말해, 결정질 물질 부재(101)의 2차원 물질(단위층)과 접착 대상층(51) 사이에 반데르발스 결합이 형성되도록 결정질 물질 부재(101)의 표면을 접착 대상층(51)의 표면에 부착시킬 수 있다. 본 단계의 공정은 도 2b에서 설명한 공정과 동일하거나 유사할 수 있다. 도 6b의 공정의 결과, 제 1 물질층(11)과 상기 2차원 물질 사이에 반데르발스 결합이 형성될 수 있고, 제 2 물질층(21)과 상기 2차원 물질 사이에 반데르발스 결합이 형성될 수 있고, 제 3 물질층(31)과 상기 2차원 물질 사이에 반데르발스 결합이 형성될 수 있다.
도 6c를 참조하면, 접착 대상층(51)의 표면에 결정질 물질 부재(101)로부터 박리된 2차원 물질층 패턴(111)이 형성되도록 결정질 물질 부재(101)와 접착 대상층(51)을 상호 분리할 수 있다. 결정질 물질 부재(101)와 접착 대상층(51)은 외력에 의해 물리적으로 분리될 수 있다. 2차원 물질층 패턴(111)이 분리된 결정질 물질 부재는 참조번호 101a로 표시한다.
2차원 물질층 패턴(111)의 형태는 접착 대상층(51)을 구성하는 적어도 두 개의 물질층, 여기서는, 제 1 내지 제 3 물질층(11, 21, 31)에 의해 정의될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 1 물질층(11)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력은 결정질 물질 부재(101) 내에 존재하는 상기 복수의 단위층 사이의 반데르발스 결합력 보다 클 수 있다. 제 2 물질층(21)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력은 결정질 물질 부재(101) 내에 존재하는 상기 복수의 단위층 사이의 반데르발스 결합력 보다 클 수 있다. 한편, 제 3 물질층(31)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력은 상기 복수의 단위층 사이의 반데르발스 결합력 보다 작을 수 있다. 따라서, 결정질 물질 부재(101)의 2차원 물질의 일부는 결정질 물질 부재(101)로부터 선택적으로 분리되어 제 1 및 제 2 물질층(11, 21) 상에 선택적으로 전사될 수 있다. 제 1 및 제 2 물질층(11, 21)에 결합된 2차원 물질 부분은 그와 인접한 다른 2차원 물질 부분과 분리되어 제 1 및 제 2 물질층(11, 21) 상에 잔류될 수 있다. 반면, 제 3 물질층(31)에 결합된 2차원 물질 부분의 경우, 제 3 물질층(31)과 상대적으로 약하게 결합되고, 결정질 물질 부재(101) 내부에서 상대적으로 강한 결합력을 갖기 때문에, 결정질 물질 부재(101)로부터 분리되지 않을 수 있다. 이러한 이유로, 2차원 물질층 패턴(111)의 형태는 제 1 내지 제 3 물질층(11, 21, 31)에 의해 정의될 수 있다.
본 실시예에서 2차원 물질층 패턴(111)은 제 3 물질층(31)이 아닌 제 1 및 제 2 물질층(11, 21) 상에 형성(잔류)될 수 있다. 제 1 물질층(11)이 절연체이고 제 2 물질층(21)이 도전체인 경우, 본 실시예에서 2차원 물질층 패턴(111)은 제 1 물질층(11) 양측에 배치된 두 개의 제 2 물질층(21)을 상호 연결하는 채널층 패턴일 수 있다. 이때, 2차원 물질층 패턴(111)은 반도체일 수 있다.
도 6c에서 접착 대상층(51) 및 그 위에 형성된 2차원 물질층 패턴(111)은 소정의 소자를 제조하는데 직접 적용될 수 있다. 따라서, 접착 대상층(51)의 적어도 일부의 구성은 상기 소자를 구성하는 구성요소로 사용될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 제 2 물질층(21)은 전극으로 사용될 수 있다. 또한, 도 6c에 도시하지는 않았지만, 접착 대상층(51)의 하면에 배치된 지지층 또한 상기 소자를 구성하는 구성요소로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 2차원 물질층 패턴(111)은 반도체이거나 도전체일 수도 있다. 2차원 물질층 패턴(111)이 반도체인지 도전체인지에 따라, 다른 종류의 소자를 제작할 수 있다. 또한, 제 1 내지 제 3 물질층(11, 21, 31)이 배치된 단위 영역을 규칙적으로 반복해서 배치함으로써, 다수의 소자를 제작할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 적용될 수 있는 접착 대상층의 평면적 구조를 예시적으로 보여주는 광학 현미경(OM) 사진 이미지이다.
도 7을 참조하면, 접착 대상층은 제 1 물질층(11A), 제 2 물질층(21A) 및 제 3 물질층(31A)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 물질층(11A)은 도 6a의 제 1 물질층(11)에 대응될 수 있고, 제 2 물질층(21A)은 도 6a의 제 2 물질층(21)에 대응될 수 있고, 제 3 물질층(31A)은 도 6a의 제 3 물질층(31)에 대응될 수 있다. 본 실시예에서 제 1 물질층(11A)은 MgF2층이고, 제 2 물질층(21A)은 Au층이고, 제 3 물질층(31A)은 SiO2층이다. 도 7의 구조는 본 발명의 실시예에 따른 2×2 배열 형태의 광센서(포토디텍터) 어레이를 구성하기 위한 기판 구조체일 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 도 7의 접착 대상층 상에 전사된 2차원 물질층 패턴을 보여주는 광학 현미경(OM) 사진 이미지이다.
도 8을 참조하면, 상기 제 1 및 제 2 물질층(도 7의 11A, 21A) 상에는 2차원 물질이 전사될 수 있고, 상기 제 3 물질층(도 7의 31A) 상에는 2차원 물질이 전사되지 않을 수 있다. 따라서, 도 8에서 2차원 물질층 패턴은 도 6c에서 설명한 바와 같은 2차원 물질층 패턴(111)의 형태를 가질 수 있다. 도 8에서 상기 2차원 물질층 패턴은 PEA2MA2Pb3I10 단일층 패턴이다. 이때, 상기 2차원 물질층 패턴은 두 개의 제 2 물질층(도 7의 21A)을 상호 연결하는 채널층으로 기능할 수 있다.
도 9는 도 8의 구조를 갖는 2차원 물질이 적용된 광센서(포토디텍터) 소자의 구동 특성을 보여주는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 2차원 물질이 적용된 광센서(포토디텍터) 소자는 자외선(UV ray) 조사에 의해 광전류가 변화되는 구동 특성을 나타낼 수 있다.
도 10a 내지 도 10f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 보여주는 단면도이다.
도 10a를 참조하면, 서로 다른 적어도 두 개의 물질층(12, 22)이 측방으로 접하여 배열된 접착 대상층(52)을 포함하는 기판 구조체(ST12)를 마련할 수 있다. 기판 구조체(ST12)는 도 1a 내지 도 1g에서 설명한 방법을 활용하여 제조될 수 있다. 도 10a에 도시하지는 않았지만, 접착 대상층(52) 아래에 지지층(도 1g의 60)이 구비될 수 있고, 상기 지지층 아래에 배치된 핸들링층(도 1g의 70)이 더 구비될 수 있다.
또한, 2차원 물질(2D material)을 포함하되 상기 2차원 물질이 단위층을 구성하고 복수의 상기 단위층이 반데르발스(vdW) 결합에 의해 층상(layered) 구조를 이루는 결정질 물질 부재(102)를 마련할 수 있다. 결정질 물질 부재(102)는 도 2a에서 설명한 결정질 물질 부재(100)와 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다.
도 10b를 참조하면, 결정질 물질 부재(102)와 접착 대상층(52) 사이에 반데르발스 결합이 형성되도록 결정질 물질 부재(102)를 접착 대상층(52)의 표면에 접착시킬 수 있다. 다시 말해, 결정질 물질 부재(102)의 2차원 물질(단위층)과 접착 대상층(52) 사이에 반데르발스 결합이 형성되도록 결정질 물질 부재(102)의 표면을 접착 대상층(52)의 표면에 부착시킬 수 있다. 본 단계의 공정은 도 2b에서 설명한 공정과 동일하거나 유사할 수 있다. 도 10b의 공정의 결과, 제 1 물질층(12)과 상기 2차원 물질 사이에 반데르발스 결합이 형성될 수 있고, 제 2 물질층(22)과 상기 2차원 물질 사이에 반데르발스 결합이 형성될 수 있다.
도 10c를 참조하면, 접착 대상층(52)의 표면에 결정질 물질 부재(102)로부터 박리된 2차원 물질층(112)이 잔류되도록 결정질 물질 부재(102)와 접착 대상층(52)을 상호 분리할 수 있다. 결정질 물질 부재(102)와 접착 대상층(52)은 외력에 의해 물리적으로 분리될 수 있다. 2차원 물질층(112)이 분리된 결정질 물질 부재는 참조번호 102a로 표시한다.
본 실시예에서 제 1 물질층(12)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력은 결정질 물질 부재(102) 내에 존재하는 상기 복수의 단위층 사이의 반데르발스 결합력 보다 클 수 있다. 또한, 제 2 물질층(22)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력은 상기 복수의 단위층 사이의 반데르발스 결합력 보다 클 수 있다. 따라서, 2차원 물질층(112)은 제 1 및 제 2 물질층(12, 22) 상에 잔류될 수 있다. 제 1 및 제 2 물질층(12, 22)은 서로 다른 물질로 구성될 수 있다. 제 1 및 제 2 물질층(12, 22)은 서로 다른 표면 거칠기를 가질 수 있다.
도 10d 및 도 10e를 참조하면, 접착 대상층(52)의 표면에 배치된 2차원 물질층(112)을 접착 대상 기판(300)의 표면에 접착시킬 수 있다. 접착 대상 기판(300)의 표면에 2차원 물질층(112)을 부착하여 접착 대상 기판(300)과 2차원 물질층(112) 사이에 반데르발스 결합을 형성할 수 있다. 이때, 적당한 압력 인가 등을 통해서, 접착 대상 기판(300)과 2차원 물질층(112) 사이에 긴밀한 계면을 형성할 수 있다.
도 10f를 참조하면, 접착 대상 기판(300)의 표면에 2차원 물질층(112)으로부터 패턴 형태로 분리된 2차원 물질층 패턴(112b)이 잔류되도록 접착 대상층(52)과 접착 대상 기판(300)을 상호 분리할 수 있다. 2차원 물질층 패턴(112b)의 형태는 상기 적어도 두 개의 물질층(12, 22) 및 접착 대상 기판(300)에 의해 정의될 수 있다. 2차원 물질층 패턴(112b)이 분리된 2차원 물질층은 참조번호 112a로 표시한다.
본 실시예에서 제 1 물질층(12)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력은 접착 대상 기판(300)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력 보다 클 수 있다. 즉, 제 1 물질층(12)과 상기 2차원 물질층(112) 사이의 반데르발스 결합력은 접착 대상 기판(300)과 상기 2차원 물질층(112) 사이의 반데르발스 결합력 보다 클 수 있다. 한편, 제 2 물질층(22)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력은 접착 대상 기판(300)과 상기 2차원 물질 사이의 반데르발스 결합력 보다 작을 수 있다. 즉, 제 2 물질층(22)과 상기 2차원 물질층(112) 사이의 반데르발스 결합력은 접착 대상 기판(300)과 상기 2차원 물질층(112) 사이의 반데르발스 결합력 보다 작을 수 있다. 따라서, 2차원 물질층 패턴(112b)은 접착 대상 기판(300)에서 제 2 물질층(22)에 대응하는 영역 상에 잔류될 수 있다. 다시 말해, 상기 2차원 물질층(112)의 일부가 접착 대상 기판(300)으로 선택적으로 분리 및 전사될 수 있다.
접착 대상 기판(300)은 제 1 및 제 2 물질층(12, 22) 중 적어도 하나와 다른 물질로 구성될 수 있다. 접착 대상 기판(300)의 표면 거칠기는 제 1 및 제 2 물질층(12, 22) 중 적어도 하나의 표면 거칠기와 다를 수 있다. 제 1 및 제 2 물질층(12, 22)은 서로 다른 표면 거칠기를 가질 수 있다. 접착 대상 기판(300)은 기판 구조체일 수 있지만, 일종의 층이거나 박막일 수도 있다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 보여주는 단면도이다.
도 11a를 참조하면, 서로 다른 적어도 두 개의 물질층(13, 23, 33)이 측방으로 접하여 배열된 접착 대상층(53)을 포함하는 기판 구조체(ST13)를 마련할 수 있다. 기판 구조체(ST13)는 도 1a 내지 도 1g에서 설명한 방법을 활용하여 제조될 수 있다. 예컨대, 적어도 두 개의 물질층(13, 23, 33)은 제 1 물질층(13), 제 2 물질층(23) 및 제 3 물질층(33)을 포함할 수 있다. 제 1 물질층(13)의 측면에 제 2 물질층(23)의 측면이 접촉될 수 있고, 제 2 물질층(23)의 측면에 제 3 물질층(33)의 측면이 접촉될 수 있다. 제 1 내지 제 3 물질층(13, 23, 33) 중 적어도 두 개는 서로 다른 표면 거칠기를 가질 수 있다. 도 11a에 도시하지는 않았지만, 접착 대상층(53) 아래에 지지층(도 1g의 60)이 구비될 수 있고, 상기 지지층 아래에 배치된 핸들링층(도 1g의 70)이 더 구비될 수 있다.
또한, 2차원 물질(2D material)을 포함하되 상기 2차원 물질이 단위층을 구성하고 복수의 상기 단위층이 반데르발스(vdW) 결합에 의해 층상(layered) 구조를 이루는 결정질 물질 부재(103)를 마련할 수 있다. 결정질 물질 부재(103)는 도 2a에서 설명한 결정질 물질 부재(100)와 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다.
도 11b를 참조하면, 결정질 물질 부재(103)와 접착 대상층(53) 사이에 반데르발스 결합이 형성되도록 결정질 물질 부재(103)를 접착 대상층(53)의 표면에 접착시킬 수 있다. 다시 말해, 결정질 물질 부재(103)의 2차원 물질(단위층)과 접착 대상층(53) 사이에 반데르발스 결합이 형성되도록 결정질 물질 부재(103)의 표면을 접착 대상층(53)의 표면에 부착시킬 수 있다. 본 단계의 공정은 도 2b에서 설명한 공정과 동일하거나 유사할 수 있다. 도 11b의 공정의 결과, 제 1 물질층(13)과 상기 2차원 물질 사이에 반데르발스 결합이 형성될 수 있고, 제 2 물질층(23)과 상기 2차원 물질 사이에 반데르발스 결합이 형성될 수 있고, 제 3 물질층(33)과 상기 2차원 물질 사이에 반데르발스 결합이 형성될 수 있다.
도 11c를 참조하면, 접착 대상층(53)의 표면에 결정질 물질 부재(103)로부터 박리된 2차원 물질층(113)이 잔류되도록 결정질 물질 부재(103)와 접착 대상층(53)을 상호 분리할 수 있다. 결정질 물질 부재(103)와 접착 대상층(53)은 외력에 의해 물리적으로 분리될 수 있다. 2차원 물질층(113)이 분리된 결정질 물질 부재는 참조번호 103a로 표시한다.
본 실시예에서 2차원 물질층(113)은 접착 대상층(53)에 포함된 적어도 두 개의 물질층(13, 23, 33) 상에서 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 제 1 내지 제 3 물질층(13, 23, 33)과 상기 2차원 물질 사이의 결합력(접착력)과 상호작용의 차이를 이용함으로써, 각각의 물질층(13, 23, 33)에 전사되는 2차원 물질의 두께를 다르게 만들 수 있다. 일례에 따르면, 2차원 물질층(113)은 제 1 물질층(13) 상에 배치된 제 1 부분(P1) 및 제 2 물질층(23) 상에 배치된 제 2 부분(P2)을 포함할 수 있고, 제 1 부분(P1)은 제 1 두께를 가질 수 있고, 제 2 부분(P2)은 상기 제 1 두께와 다른 제 2 두께를 가질 수 있다. 또한, 2차원 물질층(113)은 제 3 물질층(33) 상에 배치된 제 3 부분(P3)을 더 포함할 수 있고, 제 3 부분(P3)은 상기 제 1 및 제 2 두께와 다른 제 3 두께를 가질 수 있다. 제 1 내지 제 3 부분(P1, P2, P3)은 서로 다른 층수의 2차원 물질을 포함할 수 있다. 2차원 물질의 경우, 나노미터 수준의 두께 범위에서 두께에 따라 새로운 물리적 특성을 발현시키거나 내재적인 물리적 특성을 조절할 수 있기 때문에, 영역 별로 서로 다른 두께로 전사된 2차원 물질층(113)을 이용하면 2차원 소재 기반 소자의 기능을 다양화할 수 있다. 2차원 물질층(113)은 일종의 패턴으로 여길 수도 있다. 따라서, 2차원 물질층(113)은 2차원 물질층 패턴이라고 지칭할 수도 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 적용될 수 있는 접착 대상층의 평면적 구조를 예시적으로 보여주는 광학 현미경(OM) 사진 이미지이다.
도 12를 참조하면, 접착 대상층은 제 1 물질층(13A), 제 2 물질층(23A) 및 제 3 물질층(33A)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 물질층(13A)은 도 11a의 제 1 물질층(13)에 대응될 수 있고, 제 2 물질층(23A)은 도 11a의 제 2 물질층(23)에 대응될 수 있고, 제 3 물질층(33A)은 도 11a의 제 3 물질층(33)에 대응될 수 있다. 본 실시예에서 제 1 물질층(13A)은 Au층이고, 제 2 물질층(23A)은 Ag층이고, 제 3 물질층(33A)은 Ni층이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 도 12의 접착 대상층 상에 전사된 2차원 물질층을 보여주는 광학 현미경(OM) 사진 이미지이다.
도 13을 참조하면, 상기 제 1 내지 제 3 물질층(도 12의 13A, 23A, 33A) 상에 2차원 물질이 전사되되, 각 물질층 영역 별로 서로 다른 두께를 갖도록 전사될 수 있다. 도 13에서 상기 2차원 물질은 PEA2MA2Pb3I10 이다.
도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법에 보여주는 단면도이다.
도 14a를 참조하면, 접착 대상층(54)을 포함하는 기판 구조체(ST14)를 마련할 수 있다. 또한, 2차원 물질을 포함하되 상기 2차원 물질이 단위층을 구성하고 복수의 상기 단위층이 반데르발스(vdW) 결합에 의해 층상(layered) 구조를 이루는 결정질 물질 부재(104)를 마련할 수 있다.
도 14b 및 도 14c를 참조하면, 앞서 설명한 실시예들에 적용된 방법과 동일하거나 유사한 방법을 이용해서, 결정질 물질 부재(104)를 접착 대상층(54)에 접합했다가 분리함으로써, 결정질 물질 부재(104)의 2차원 물질을 접착 대상층(54)의 표면으로 전사시킬 수 있다. 그 결과, 2차원 물질층(114)이 접착 대상층(54)의 표면에 형성될 수 있다. 2차원 물질층(114)이 분리된 결정질 물질 부재는 참조번호 104a로 표시한다(도 14c). 2차원 물질층(114)은 소정의 패턴 형태를 가질 수도 있다.
도 14c의 결과물(중간 결과물), 즉, 접착 대상층(54)과 그 위에 배치된 2차원 물질층(114)으로 구성된 결과물(중간 결과물)은 예시적인 것에 불과하고, 상기 결과물(중간 결과물)로서 도 2c의 결과물이나 도 2f의 결과물이 적용될 수 있다. 또한, 상기 결과물(중간 결과물)로서 도 6c의 결과물이나 도 10f의 결과물 또는 도 11c의 결과물이 적용될 수 있다.
도 14d를 참조하면, 복수의 부재층(14) 및 복수의 부재층(14)을 물리적으로 홀드(hold)하면서 지지하는 지지 요소층(24)을 포함하는 구조체를 마련할 수 있다. 복수의 부재층(14)은 상호 이격하여 배치될 수 있고, 그 일면이 2차원 물질층(114)을 향하여 노출되도록 배치될 수 있다.
도 14e를 참조하면, 복수의 부재층(14) 및 지지 요소층(24)을 포함하는 구조체를 2차원 물질층(114) 상에 적층할 수 있다. 복수의 부재층(14)의 일면은 2차원 물질층(114)과 접촉될 수 있다.
도 14f를 참조하면, 지지 요소층(도 14e의 24)을 제거할 수 있다. 지지 요소층(24)은 물리적 제거 방법 또는 화학적 제거 방법으로 제거될 수 있다. 지지 요소층(24)의 제거에는 소정의 식각 방식이 적용될 수 있다. 복수의 부재층(14)은, 예를 들어, 소자의 구성요소인 전극일 수 있다. 일례로, 복수의 부재층(14) 중 하나는 제 1 전극일 수 있고, 다른 하나는 제 2 전극일 수 있다. 그러나, 복수의 부재층(14)은 전극이 아닌 다른 부재일 수도 있다. 도 14f의 구조는 일종의 소자 구조일 수 있다. 따라서, 도 14a 내지 도 14f의 방법은 2차원 물질이 적용된 소자의 제조 방법이라고 할 수도 있다.
부가적으로, 상기한 설명에서 "반데르발스 결합" 또는 "반데르발스 결합력"이라는 표현을 사용하였지만, "반데르발스 결합"은 예시적인 것이고, 경우에 따라, "반데르발스 결합"은 임의의 다른 결합이나 접착으로 변경될 수도 있다. 일례로, 후속 공정에 따라서, 반데르발스 결합은 다른 결합으로 바뀔 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 2차원 물질이 적용된 소자의 제조 방법은 앞서 설명한 본 발명의 실시예들에 따른 방법을 이용해서 2차원 물질층 패턴을 형성하는 단계 및 상기 2차원 물질층 패턴을 포함하는 소자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 소자를 형성하는 단계는, 예를 들어, 상기 2차원 물질층 패턴에 전기적으로 연결된 전극 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 소자는 반도체 소자, 디스플레이 소자, 태양전지 소자 및 센서용 소자 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 반도체 소자는 트랜지스터와 같은 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 또한, 상기 반도체 소자는 메모리 소자이거나 비메모리 소자일 수 있다. 또한, 상기 반도체 소자는 비광학적 소자이거나 광학적 소자일 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예들에 따르면, 소재 간 결합력의 차이를 이용함으로써, 2차원 물질에 대한 손상이나 오염, 잔여물 발생 등의 문제 없이 2차원 물질의 물리/화학적 특성에 미치는 영향을 최소화하면서 2차원 물질층 패턴을 용이하게 형성할 수 있는 '2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법'을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 2차원 물질을 정교하게 패터닝할 수 있고 2차원 물질 패턴의 형상이나 위치, 두께 등을 용이하게 제어할 수 있는 '2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법'을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 건식 공정의 특성으로 인해 외부 환경 및 화학 물질 노출에 취약한 2차원 물질에까지 용이하게 적용할 수 있는 '2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법'을 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 접착 대상층의 재료 구성 및 표면 거칠기(surface roughness)를 영역 별로 제어함으로써, 소재 간 결합력을 넓은 범위로 제어할 수 있기 때문에, 상기한 '2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법'의 적용 범위를 다양한 2차원 소재로 확장시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 '2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법'은 4 인치 이상의 웨이퍼에 적용할 수 있고, 대면적 공정으로 활용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법을 이용하면, 우수한 성능을 갖는 다양한 소자를 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 접착 대상층과 지지층 등에 다양한 소재와 제작 방법을 적용할 수 있기 때문에, 상기 접착 대상층과 지지층에 박막 소자를 구성하는 소재 및 구조를 적용함으로써, 상기한 선택적 분리 및 전사의 결과물을 직접 박막 소자의 제조에 적용할 수 있다는 이점이 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1a 내지 도 14f를 참조하여 설명한 실시예에 따른 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법과 이를 적용한 소자의 제조 방법이, 본 발명의 기술적 사상이 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 치환, 변경 및 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
1 : 베이스 기판 2 : 포토레지스트막
10 : 제 1 물질층 11 : 제 1 물질층
12 : 제 1 물질층 13 : 제 1 물질층
20 : 제 2 물질층 21 : 제 2 물질층
22 : 제 2 물질층 23 : 제 2 물질층
31 : 제 3 물질층 33 : 제 3 물질층
50∼54 : 접착 대상층 60 : 지지층
70 : 핸들링층 100∼104 : 결정질 물질 부재
110∼112b : 2차원 물질층 패턴 113 : 2차원 물질층
S1 : 기준 표면 ST10∼ST14 : 기판 구조체

Claims (20)

  1. 서로 다른 적어도 두 개의 물질층이 측방으로(laterally) 접하여 배열된 접착 대상층을 포함하는 기판 구조체를 마련하는 단계;
    2차원 물질(2D material)을 포함하되 상기 2차원 물질이 단위층을 구성하고 복수의 상기 단위층이 결합에 의해 층상(layered) 구조를 이루는 결정질 물질 부재를 마련하는 단계;
    상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층 사이에 결합이 형성되도록 상기 결정질 물질 부재를 상기 접착 대상층의 표면에 접착시키는 단계; 및
    상기 접착 대상층의 표면에 상기 결정질 물질 부재로부터 박리된 2차원 물질층 패턴이 형성되도록 상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층을 분리하는 단계를 포함하고, 상기 2차원 물질층 패턴의 형태는 상기 적어도 두 개의 물질층에 의해 정의되는, 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 구조체를 마련하는 단계는,
    베이스 기판 상에 원하는 패턴 형상을 갖는 상기 접착 대상층을 형성하는 단계;
    상기 접착 대상층 상에 지지층(supporting layer)을 형성하는 단계;
    상기 지지층 상에 핸들링층(handling layer)을 형성하는 단계; 및
    상기 접착 대상층, 상기 지지층 및 상기 핸들링층을 포함하는 적층 구조체를 상기 베이스 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함하고,
    상기 제 1 물질층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 복수의 단위층 사이의 결합력 보다 크고,
    상기 제 2 물질층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 복수의 단위층 사이의 결합력 보다 작고,
    상기 2차원 물질층 패턴은 상기 제 2 물질층이 아닌 상기 제 1 물질층 상에 형성되는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 물질층은 서로 다른 표면 거칠기(surface roughness)를 갖는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함하고,
    상기 제 1 물질층은 도전체, 반도체 및 절연체 중 어느 하나이고,
    상기 제 2 물질층은 도전체, 반도체 및 절연체 중 어느 하나인 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착 대상층의 표면에 형성된 상기 2차원 물질층 패턴을 상기 접착 대상층에서 별도의 접착 대상 기판으로 전사시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 접착 대상 기판과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 접착 대상층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력 보다 큰 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 물질층, 상기 제 1 물질층의 양측 각각에 배치된 제 2 물질층 및 적어도 상기 제 2 물질층 주위에 배치된 제 3 물질층을 포함하고,
    상기 2차원 물질층 패턴은 상기 제 3 물질층이 아닌 상기 제 1 및 제 2 물질층 상에 형성되는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 물질층은 제 1 절연체이고,
    상기 제 2 물질층은 도전체이고,
    상기 제 3 물질층은 제 2 절연체인 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 2차원 물질층 패턴은 상기 제 1 물질층 양측에 배치된 두 개의 상기 제 2 물질층을 상호 연결하는 채널층 패턴인 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 물질은 2차원 페로브스카이트(perovskite) 물질 및 TMD(transition metal dichalcogenide) 물질 중 하나를 포함하는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  11. 서로 다른 적어도 두 개의 물질층이 측방으로(laterally) 접하여 배열된 접착 대상층을 포함하는 기판 구조체를 마련하는 단계;
    2차원 물질(2D material)을 포함하되 상기 2차원 물질이 단위층을 구성하고 복수의 상기 단위층이 결합에 의해 층상(layered) 구조를 이루는 결정질 물질 부재를 마련하는 단계;
    상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층 사이에 결합이 형성되도록 상기 결정질 물질 부재를 상기 접착 대상층의 표면에 접착시키는 단계;
    상기 접착 대상층의 표면에 상기 결정질 물질 부재로부터 박리된 2차원 물질층이 잔류되도록 상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층을 분리하는 단계;
    상기 접착 대상층의 표면에 배치된 상기 2차원 물질층을 접착 대상 기판의 표면에 접착시키는 단계; 및
    상기 접착 대상 기판의 표면에 상기 2차원 물질층으로부터 패턴 형태로 분리된 2차원 물질층 패턴이 잔류되도록 상기 접착 대상층과 상기 접착 대상 기판을 분리하는 단계를 포함하고, 상기 2차원 물질층 패턴의 형태는 상기 적어도 두 개의 물질층 및 상기 접착 대상 기판에 의해 정의되는, 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함하고,
    상기 제 1 물질층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 복수의 단위층 사이의 결합력 보다 크고,
    상기 제 2 물질층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 복수의 단위층 사이의 결합력 보다 크고,
    상기 2차원 물질층은 상기 제 1 및 제 2 물질층 상에 잔류되는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 물질층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 접착 대상 기판과 상기 2차원 물질 사이의 결합력 보다 크고,
    상기 제 2 물질층과 상기 2차원 물질 사이의 결합력은 상기 접착 대상 기판과 상기 2차원 물질 사이의 결합력 보다 작고,
    상기 2차원 물질층 패턴은 상기 접착 대상 기판에서 상기 제 2 물질층에 대응하는 영역 상에 잔류되는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 물질층은 서로 다른 표면 거칠기(surface roughness)를 갖는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  15. 서로 다른 적어도 두 개의 물질층이 측방으로(laterally) 접하여 배열된 접착 대상층을 포함하는 기판 구조체를 마련하는 단계;
    2차원 물질(2D material)을 포함하되 상기 2차원 물질이 단위층을 구성하고 복수의 상기 단위층이 결합에 의해 층상(layered) 구조를 이루는 결정질 물질 부재를 마련하는 단계;
    상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층 사이에 결합이 형성되도록 상기 결정질 물질 부재를 상기 접착 대상층의 표면에 접착시키는 단계; 및
    상기 접착 대상층의 표면에 상기 결정질 물질 부재로부터 박리된 2차원 물질층이 잔류되도록 상기 결정질 물질 부재와 상기 접착 대상층을 분리하는 단계를 포함하고,
    상기 2차원 물질층은 상기 적어도 두 개의 물질층 상에서 서로 다른 두께를 갖는, 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함하고,
    상기 2차원 물질층은 상기 제 1 물질층 상에 배치된 제 1 부분 및 상기 제 2 물질층 상에 배치된 제 2 부분을 포함하고,
    상기 제 1 부분은 제 1 두께를 갖고, 상기 제 2 부분은 상기 제 1 두께와 다른 제 2 두께를 갖는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 물질층은 제 3 물질층을 더 포함하고,
    상기 2차원 물질층은 상기 제 3 물질층 상에 배치된 제 3 부분을 더 포함하고,
    상기 제 3 부분은 상기 제 1 및 제 2 두께와 다른 제 3 두께를 갖는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 물질층은 제 1 및 제 2 물질층을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 물질층은 서로 다른 표면 거칠기(surface roughness)를 갖는 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법.
  19. 청구항 1 내지 18 중 어느 한 항에 기재된 방법을 이용해서 2차원 물질층 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 2차원 물질층 패턴을 포함하는 소자를 형성하는 단계를 포함하는 2차원 물질이 적용된 소자의 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 소자는 반도체 소자, 디스플레이 소자, 태양전지 소자 및 센서용 소자 중 어느 하나를 포함하는 2차원 물질이 적용된 소자의 제조 방법.
KR1020230023885A 2022-02-23 2023-02-22 2차원 물질의 선택적 분리 및 전사 방법과 이를 적용한 소자의 제조 방법 KR20230126665A (ko)

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