KR20240080847A - 그래핀 필름의 제조방법 - Google Patents
그래핀 필름의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240080847A KR20240080847A KR1020220164568A KR20220164568A KR20240080847A KR 20240080847 A KR20240080847 A KR 20240080847A KR 1020220164568 A KR1020220164568 A KR 1020220164568A KR 20220164568 A KR20220164568 A KR 20220164568A KR 20240080847 A KR20240080847 A KR 20240080847A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- substrate
- graphene film
- chamber
- positive voltage
- forming
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 125
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 97
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 58
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 7
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 54
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 42
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 23
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 12
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001530 Raman microscopy Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000007809 chemical reaction catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/184—Preparation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
- B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
Abstract
본 발명의 일 실시예에서는 챔버 내에서 탄소층을 포함하는 기판을 준비하는 단계 및 상기 챔버 내에 플라즈마를 형성하고, 상기 기판에 양전압 펄스를 인가하여 그래핀 층을 형성하는 단계를 포함하는 그래핀 필름 제조방법을 제공할 수 있다.
Description
본 발명의 실시예들은 그래핀 필름의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 800℃ 이하의 온도에서 균일도가 우수한 그래핀 필름의 제조방법에 관한 것이다.
2차원 소재로서 벌집 격자 구조를 갖추고 있는 그래핀(Graphene)은 현존하는 구리(Cu) 소재의 도선보다 1000배의 전류를 더 흐르게 하면서 열 발생률은 10배나 낮으며, 다이아몬드보다 2배 이상 높은 열전도도를 가지고 있다. 또한, 홑겹 그래핀은 실험적으로 97.7%의 가시광선 투과율을 가지고, 같은 두께의 철보다 200배나 강한 강도를 가지고 있으며 밀도가 높기 때문에 수소 가스를 제외한 거의 모든 가스를 차폐할 수 있는 소재이다. 따라서 그래핀은 전기적, 광학적, 기계적 특성 때문에 차세대 소재로서 반도체 및 다양한 분야에서 주목 받고 있다.
그래핀 제조하는 대표적인 방법으로는 기계적 박리법(Mechanical Exfoliation), 허머스 방법(Hummer's Methods), 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition), 실리콘 카바이드 기판에서의 에피텍셜 성장법(Epitaxial Growth on SiC) 등이 있다. 그 중에서 생성된 그래핀의 품질, 양산성 등을 고려하면, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)이 대표적인 제조방법이다. 그러나 CVD 법은, 1000 ℃ 이상의 높은 공정 온도가 필요하고, 기판으로 사용되는 구리(Cu), 니켈(Ni)등 금속 호일에 대한 조건이 까다로워서 우수한 품질의 그래핀을 제조하기 어려운 문제가 있다. 또한, 반응 촉매로 니켈(Ni), 구리(Cu), 백금(Pt), 알루미늄(Al)등 금속 물질을 반드시 사용해야 하며 이러한 금속 촉매 물질 위에 형성된 그래핀을 사용하고자 하는 기판으로 옮기는 전사 과정에서 주름(Wrinkle), 오염, 구멍(Crack), 필름에 걸리는 응력(Stress)등에 의한, 그래핀 품질의 저하의 문제가 필연적으로 수반된다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 제조방법이 용이하고, 그래핀 필름의 우수한 품질을 보장할 수 있는 그래핀 필름 제조방법이 필요한 실정이다.
본 발명의 실시예들은 균일한 그래핀 층이 형성되는 그래핀 필름의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 필름 제조방법은, 챔버 내에서 탄소층을 포함하는 기판을 준비하는 단계 및 상기 챔버 내에 플라즈마를 형성 및 상기 기판에 양전압 펄스를 인가를 통하여 그래핀 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 챔버 내에 플라즈마를 형성 및 상기 기판에 양전압 펄스를 인가를 통하여 그래핀 층을 형성하는 단계에서, 상기 기판은 400℃ 내지 800℃ 범위의 온도를 유지할 수 있다.
상기 챔버 내에 플라즈마를 형성하는 것은, 1mTorr 내지 100mTorr 범위의 진공도에서 수행할 수 있다.
상기 챔버 내에 플라즈마를 형성 및 상기 기판에 양전압 펄스를 인가를 통하여 그래핀 층을 형성하는 단계에서, 전력을 1kHz 내지 10 kHz 주파수, 0.5% 내지 60% 범위의 듀티 사이클(Duty Cycle)로 인가하고, 상기 기판에의 200V 내지 2kV 범위의 양전압 펄스 전압을 인가할 수 있다. 또한, 상기 양전압 펄스의 주파수는 1kHz 내지 20 kHz 범위이고, 양전압 펄스 듀티 사이클(Duty Cycle)이 0.5% ~ 60% 범위일 수 있다.
한편, 상기 챔버 내에 플라즈마를 형성하는 것은, 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것일 수 있고, 상기 불활성 가스는 수소(H2), 헬륨(He), 네온(Ne) 또는 아르곤(Ar) 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
챔버 내에서 탄소층을 포함하는 기판을 준비하는 단계는, 상기 챔버 내에 시료판을 배치하고, 상기 시료판의 상부면에 탄소층을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 시료판은 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 탄화실리콘(SiC) 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 챔버 내에 플라즈마를 형성 및 상기 기판에 양전압 펄스를 인가를 통하여 그래핀 층을 형성하는 단계는, 상기 챔버 내에 플라즈마를 형성한 다음 상기 기판에 양전압 펄스를 인가하는 단계, 상기 기판에 양전압 펄스를 인가한 다음 상기 챔버 내에 플라즈마를 형성하는 단계 또는 상기 챔버 내에 플라즈마를 형성과 상기 기판에 양전압 펄스를 인가를 동시에 진행하는 단계 중 선택되는 1종 단계일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 그래핀 필름을 제조방법에 따르면, 표면 균일도가 우수한 그래핀층이 형성된 그래핀 필름을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 그래핀 필름을 제조방법에 따르면, 운전온도를 낮춰서, 생산비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 그래핀 필름 제조장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 참고예 1에 따른 그래핀 필름의 라만 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2, 비교예 2 및 참고예 1에 따른 그래핀 필름의 라만 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 그래핀 필름의 라만 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 2에 따른 그래핀 필름의 면저항을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 그래핀 필름의 라만 매핑 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 그래핀 필름 표면의 AFM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 참고예 1에 따른 그래핀 필름의 라만 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2, 비교예 2 및 참고예 1에 따른 그래핀 필름의 라만 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 그래핀 필름의 라만 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 2에 따른 그래핀 필름의 면저항을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 그래핀 필름의 라만 매핑 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 그래핀 필름 표면의 AFM 분석 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 명세서에서 제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름 제조장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름 제조장치는 내부에 기판을 장착하고, 프라즈마를 형성하여 그래핀 필름을 제조할 수 있는 공간 및 조건을 제공할 수 있는 챔버(10), 챔버(10)의 중앙에 위치하는 시료대(5), 플라즈마를 발생시킬 수 있는 RF 안테나(2), 시료대(5) 위에 배치되는 시료(6)의 표면에 탄소층을 형성할 수 있는 스퍼터 건(3), 챔버(10)의 일 측벽을 관통하여 위치하여 챔버(10) 내부를 관측할 수 있는 뷰포트(14) 및 RF 안타나(2)에 전력을 공급하는 RF 전력공급장치(13), 스퍼터 건(3)에 전력을 공급하는 전원장치(4)를 포함할 수 있다. 또한 챔버(10) 내부에 플라즈마를 형성하기 위해 공급되는 공정가스 공급부(9) 및 가스 유량계(8), 챔버(10) 내부를 진공 조건으로 만들기 위한 고진공 펌프(11) 및 저진공 펌프(12), 챔버(10) 내부의 진공도를 측정하는 진공 게이지(10), 시료대(5)에 양전압 펄스를 인가하기 위한 전원장치(7)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 그래핀 필름 제조장치를 이용하여 그래핀 필름 제조방법을 제공할 수 있다. 그래핀 필름 제조방법은 챔버 내에서 탄소층을 포함하는 기판을 준비하는 단계 및 챔버 내에 플라즈마를 형성하고, 상기 기판에 양전압 펄스를 인가하여 그래핀 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 챔버 내에서 탄소층을 포함하는 기판을 준비하는 단계는, 탄소층을 포함하는 기판을 탄소층이 상면으로 노출되도록 그래핀 필름 제조장치의 시료대(5) 위에 배치할 수 있다. 또는 시료판(6)을 시료대(5)위에 배치하고, 스퍼터 건(3)을 이용하여 시료펀(6) 상부 표면에 탄소층을 형성하여 기판을 준비할 수 있다. 이때 시료판은 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 탄화실리콘(SiC) 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 특히 한정되지 않는다. 시료(6)를 시료대(5)위에 배치한후, 챔버(10) 내부를 고진공 상태가 되도록 한 다음, 불활성가스를 주입하여, 1 mTorr 정도의 진공도에서 고순도의 탄소 타겟에 직류 전압을 인가하여 스퍼터 건(3)을 이용하여 시료 상에 탄소층을 형성하여, 탄소층을 포함하는 기판을 준비할 수 있다.
상기 탄소층을 포함하는 기판이 준비된 후, 챔버(10) 내부를 고진공 상태로 형성한 다음, 불활성 가스를 주입하여 챔버(10) 내부의 압력을 1mTorr 내지 100mTorr 범위의 공정압력이 되도록 조절할 수 있다. 그 다음, RF 안테나(2)에 전력을 인가하여 플라즈마를 발생할 수 있다. 이때, 500W 내지 5kW 정도의 전력을 1kHz 내지 10 kHz 주파수, 0.5% 내지 60% 범위의 듀티 사이클(Duty Cycle)로 인가하여 플라즈마를 발생할 수 있다.
한편, 상기 불활성 가스는 수소(H2), 헬륨(He), 네온(Ne) 또는 아르곤(Ar) 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
이어서, 상기 기판에 양전압 펄스를 인가할 수 있다. 기판에 양전압 펄스를 인가하는 것은, 시료대(5)에 양전압 펄스를 인가하는 것을 통하여 수행될 수 있다. 구체적으로 200V 내지 2kV 범위의 양전압 펄스 전압을, 1kHz 내지 20kHz 범위의 양전압 펄스, 0.5% ~ 60% 범위의 듀티 사이클(Duty Cycle)로 인가할 수 있다. 또한, 기판에 양전압 펄스를 10분 내지 60분 동안 인가할 수 있고, 이때, 상기 기판의 600℃ 이하의 온도를 유지할 수 있고, 구체적으로 400℃ 내지 600℃ 범위의 온도를 유지할 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에서는, 상기 플라즈마를 발생하는 단계와 상기 기판에 양전압 펄스를 인가하는 단계는 그 순서가 명확하게 구분되지 않을 수 있다. 즉 플라즈마를 발생한 다음 기판에 양전압 펄스를 인가할 수 있고, 기판에 양전압 펄스를 인가한 다음 플라즈마를 발생할 수 있으며, 플라즈마 발생과 기판에 양전압 펄스를 인가하는 것을 동시에 수행할 수 있다.
상기 플라즈마 발생 및 기판에 양전압 펄스를 인가하여, 상기 탄소층을 그래핀 층으로 전환되게 함으로써 그래핀 필름을 제조할 수 있다.
또한 상기 그래핀 층은 평균 거칠기 Ra값이 0.1 내지 0.5nm 범위일 수 있고, 라만 분광법(Raman Spectra)에 따른 I2D/IG 값이 0.15 내지 2.0 범위일 수 있으며, ID/IG 값이 0.1 내지 2.2 범위일 수 있다. 또한, 상기 그래핀 층의 면저항은 1 MΩ/□ 이하일 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(참고예 1)
그래핀 필름 제조장치 챔버 내의 시료대에 실리콘 웨이퍼(Si)위에 1,000Å 두께의 산화실리콘(SiO2)이 도포된 산화실리콘 웨이퍼(SiO2 Wafer)를 준비하였다. 고진공 상태에서 진공 챔버에 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 공정압력이 1 mTorr가 되도록 하였다. 그 다음, -500 V의 직류 전압을 탄소 타겟(두께 1/8", 순도 99.99 wt%)에 인가하여 스퍼터링 공정을 통해 기판 위에 탄소층을 증착하여, 탄소층이 형성된 기판을 제조하였다.
(실시예 1)
참고예 1에 따라 탄소층이 형성된 기판을 제조한 후, 챔버 내부를 고진공 상태로 만들고, 헬륨(He) 가스를 주입하여, 공정압력 40 mTorr가 되도록 하였다. 그 다음, RF 안테나에 1 kW의 전력을 10 kHz 주파수, 50% Duty Cycle로 인가하여 플라즈마를 발생시켰다.
플라즈마를 발생시킨 후, 기판에 600V 전압을 20분 동안 인가하고, 기판 온도는 600℃를 유지하여 그래핀 필름을 제조하였다.
(실시예 2)
플라즈마를 발생시킨 후, 기판에 1kV 전압을 20분 동안 인가하고, 기판 온도는 400℃를 유지하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀 필름을 제조하였다.
(실시예 3)
플라즈마를 발생시킨 후, 기판에 600V 전압을 40분 동안 인가하고, 기판 온도는 600℃를 유지하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀 필름을 제조하였다.
(비교예 1)
참고예 1에 따라 탄소층이 형성된 기판을 제조한 후, 상기 기판을 RTP(Rapid Thermal Process)장비로 옮겨서 할로겐 램프를 이용하여650℃의 온도조건에서 20분 동안 어닐링(Annealing)하여, 그래핀 필름을 제조하였다.
(비교예 2)
탄소층이 형성된 기판을 RTP(Rapid Thermal Process)장비로 옮겨서 할로겐 램프를 이용하여400℃의 온도조건에서 20분 동안 어닐링(Annealing)하는 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법으로 그래핀 필름을 제조하였다.
도 2는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 참고예 1에 따른 그래핀 필름의 라만 분석 결과를 나타낸 것이다.
본 발명에서 Renishaw (UK)사의 inVia?? Raman Microscope을 이용하여 라만 분석을 진행하였고, Nd:YAG 레이저를 이용하여 365 nm 파장에서 레이저를 생성하였다.
도 2 를 참고하면, 실시예 1에 따라 제조된 그래핀 필름의 경우 D 피크 (1300 cm-1 부근) 및 G 피크 (1580 cm-1 부근) 모두 비교예 1 대비 뚜렷하게 구분되어 나타나는 것을 확인할 수 있고, 2D 피크(2600 cm-1 부근)도 뚜렷하게 나타난 것을 확인할 수 있다. 이로부터 실시예 1에 따라 제조된 그래핀 필름의 그래핀 결정이 비교예 1 대비 잘 형성되었음을 확인 할 수 있다.
한편, 도 2를 참고하면, 실시예 1에 따른 ID/IG 값은 1.6 정도였고, 비교예 1에 따른 ID/IG 값은 0.75정도인 것으로 나타났다. 또한, 실시예 1에 따른 I2D/IG 값은 0.2정도인 것으로 나타났다. 즉, 실시예 1인 경우, 비교예 1 대비 품질이 우수한 그래핀 층을 형성한 것을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예 2, 비교예 2 및 참고예 1에 따른 그래핀 필름의 라만 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3을 참고하면, 실시예 2에 따라 제조된 그래핀 필름의 경우 D 피크 (1300 cm-1 부근) 및 G 피크 (1580 cm-1 부근) 모두 비교예 2 대비 뚜렷하게 구분되어 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 실시예 2에 따라 제조된 그래핀 필름의 그래핀 결정이 비교예 2 대비 잘 형성되었음을 확인 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 그래핀 필름의 라만 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4를 참고하면, 실시예 3에 따라 제조된 그래핀 필름의 경우 D 피크 (1300 cm-1 부근), G 피크 (1580 cm-1 부근) 및 2D 피크(2600 cm-1 부근)가 뚜렷하게 나타난 것을 확인할 수 있다. 한편, ID/IG값은 1.011 정도로 고품질의 그래핀 층이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 2에 따른 그래핀 필름의 면저항을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
구체적으로 도 5(a)는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 그래핀 필름의 면저항 측정 결과이고, 도 5(b)는 실시예 2 및 비교예 2에 다른 그래핀 필름의 면저항 측정 결과이다.
도 5(a)를 참고하면, 면저항이 140,430 kΩ/□인 탄소층이 형성된 기판을 이용하여 실시예 1에 따라 제조된 그래핀 필름의 면저항은 6.87 kΩ/□이고, 비교예 1에 따라 제조된 그래핀 필름의 면저항 20.21 kΩ/□으로, 실시예 1에 따라 제조된 그래핀 필름의 면저항은 비교예 1에 따라 제조된 그래핀 필름의 면저항 대비 1/3 수준으로 낮은 것을 확인할 수 있다. 이로부터 실시예 1는 비교예 1 대비 보다 균일하고, 품질이 우수한 그래핀 층을 형성한 것을 확인할 수 있다.
도 5(b)를 참고하면, 면저항이 140,430 kΩ/□인 탄소층이 형성된 기판을 이용하여 실시예 2에 따라 제조된 그래핀 필름의 면저항은 82.57kΩ/□이고, 면저항이 138,935 kΩ/□인 탄소층이 형성된 기판을 이용하여 비교예 2에 따라 제조된 그래핀 필름의 면저항 3,925 kΩ/□인 것으로 나타났다. 이로부터 실시예 2는 비교예 2 대비, 보다 균일하고, 품질이 우수한 그래핀 층을 형성한 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 그래핀 필름의 라만 매핑 분석 결과를 나타낸 것이다.
구체적으로 도 6(a)는 20㎛ x 20㎛ 스캔 크기에 대하여, D 피크 (1300 cm-1 부근) 및 G 피크 (1580 cm-1 부근)의 강도 비율을 도시한 것이고, 도 6(b)는 2D 피크(2600 cm-1 부근) 및 G 피크 (1580 cm-1 부근)의 강도 비율을 도시한 것이다.
도 6(a)를 참고하면, 실시예 3에 따라 제조된 그래핀 필름의 ID/IG 값은 1.0 내지 1.2 범위에 포함되는 것을 확인할 수 있고, 도 5(b)를 참고하면, 실시예 3에 따라 제조된 그래핀 필름의 I2D/IG 값은 0.15 내지 0.18 범위에 포함되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 모든 영역에서 거의 유사한 값의 ID/IG값과 I2D/IG값을 나타내는 것으로 나타나, 실시예 3에 따라 품질이 균일한 그래핀층을 형성한 것을 확인 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 그래핀 필름 표면의 AFM 분석 결과를 나타낸 것이다.
본 발명에서 AFM 분석은 Park Systems (Republic of Korea) 사의 XE-100 모델을 이용하여 진행하였다. 구체적으로 탐침이 샘플 표면에 직접 닿지 않는 non-contact 모드로 그래핀 박막 표면을 측정하였으며, 20 um x 20 um의 영역을 측정하였다. 측정한 AFM 데이터는 Park systems의 소프트웨어를 활용하여 3D 이미지로 편집하여 Ra값을 얻었다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 그래핀 필름의 표면 거칠기Ra (Average Roughness) 값은 0.1내지 0.5 ㎚ 범위에 포함되고, 평균 Ra는 0.320㎚ 정도인 것으로 나타났다.
이로부터, 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 그래핀은 매끄럽고 균일한 표면을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (11)
- 챔버 내에서 탄소층을 포함하는 기판을 준비하는 단계; 및
상기 챔버 내에 플라즈마를 형성 및 상기 기판에 양전압 펄스를 인가를 통하여 그래핀 층을 형성하는 단계;를 포함하는,
그래핀 필름 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 챔버 내에 플라즈마를 형성 및 상기 기판에 양전압 펄스를 인가를 통하여 그래핀 층을 형성하는 단계에서,
상기 기판은 400℃ 내지 800℃ 범위의 온도를 유지하는 것인,
그래핀 필름 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 챔버 내에 플라즈마를 형성하는 것은,
1mTorr 내지 100mTorr 범위의 진공도에서 수행하는 것인,
그래핀 필름 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 챔버 내에 플라즈마를 형성하는 것은,
전력을 1kHz 내지 10 kHz 주파수, 0.5% 내지 60% 범위의 듀티 사이클(Duty Cycle)로 인가하여 플라즈마를 발생하는 것인,
그래핀 필름 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 기판에 양전압 펄스를 인가하는 것은,
상기 기판에의 200V 내지 2kV 범위의 양전압 펄스 전압을 인가하는 것인,
그래핀 필름 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 기판에 양전압 펄스를 인가하는 것은,
상기 양전압 펄스의 주파수는 1kHz 내지 20 kHz 범위이고, 양전압 펄스 듀티 사이클(Duty Cycle)이 0.5% ~ 60% 범위인 것인,
그래핀 필름 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 챔버 내에 플라즈마를 형성하는 것은,
불활성 가스 분위기에서 수행되는 것인,
그래핀 필름 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 불활성 가스는 수소(H2), 헬륨(He), 네온(Ne) 또는 아르곤(Ar) 중에서 선택되는 1종 이상인 것인,
그래핀 필름 제조방법.
- 제1항에 있어서,
챔버 내에서 탄소층을 포함하는 기판을 준비하는 단계는,
상기 챔버 내에 시료판을 배치하고,
상기 시료판의 상부면에 탄소층을 형성하는 단계를 포함하는 것인,
그래핀 필름 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 시료판은 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 탄화실리콘(SiC) 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인,
그래핀 필름 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 챔버 내에 플라즈마를 형성 및 상기 기판에 양전압 펄스를 인가를 통하여 그래핀 층을 형성하는 단계는,
상기 챔버 내에 플라즈마를 형성한 다음 상기 기판에 양전압 펄스를 인가하는 단계, 상기 기판에 양전압 펄스를 인가한 다음 상기 챔버 내에 플라즈마를 형성하는 단계 또는 상기 챔버 내에 플라즈마를 형성과 상기 기판에 양전압 펄스를 인가를 동시에 진행하는 단계 중 선택되는 1종 단계인 것인,
그래핀 필름 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US18/121,169 US20240175136A1 (en) | 2022-11-30 | 2023-03-14 | Manufacturing method for graphene film |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240080847A true KR20240080847A (ko) | 2024-06-07 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4935303A (en) | Novel diamond-like carbon film and process for the production thereof | |
| JP5692794B2 (ja) | 透明導電性炭素膜の製造方法 | |
| US7446284B2 (en) | Etch resistant wafer processing apparatus and method for producing the same | |
| EP2009135B1 (en) | Base substrate for epitaxial diamond film, method for manufacturing the base substrate for epitaxial diamond film, epitaxial diamond film manufactured by the base substrate for epitaxial diamond film, and method for manufacturing the epitaxial diamond film | |
| JP2008520087A (ja) | 封入型ウェーハプロセス機器とその作製方法 | |
| US7935548B2 (en) | Deposition apparatus and deposition method | |
| KR100852329B1 (ko) | 유사 다이아몬드 탄소 필름의 제조방법 | |
| US20180347033A1 (en) | Transfer-Free Method for Producing Graphene Thin Film | |
| KR101877500B1 (ko) | 대면적 그래핀 박막의 in-situ 제조방법 | |
| KR102017251B1 (ko) | 그래핀 박막의 무전사 제조방법 | |
| JP2017066506A (ja) | グラフェン膜の作製方法 | |
| JP2007016272A (ja) | 基板上に被覆形成される保護膜及びその製造方法 | |
| CN111270207A (zh) | 一种层状结构的高熵合金薄膜材料的制备方法 | |
| Tian et al. | Production of large‐area nucleus‐free single‐crystal graphene‐mesh metamaterials with zigzag edges | |
| JP2003321296A (ja) | ダイヤモンド膜及びその製造方法 | |
| TWI521076B (zh) | 石墨烯鍍層之製造方法 | |
| KR20240080847A (ko) | 그래핀 필름의 제조방법 | |
| US20240175136A1 (en) | Manufacturing method for graphene film | |
| KR100885690B1 (ko) | 다이아몬드막의 제조방법 및 다이아몬드막 | |
| CN114171370A (zh) | 一种相对封闭区域固相法制备石墨烯的方法 | |
| JP2007224390A (ja) | 二酸化バナジウム薄膜製造装置、二酸化バナジウム薄膜製造方法、スイッチング素子製造方法、およびスイッチング素子 | |
| JP3273827B2 (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
| Soler et al. | Hot-wire chemical vapor deposition of few-layer graphene on copper substrates | |
| JP2010095408A (ja) | エピタキシャルダイヤモンド膜および自立したエピタキシャルダイヤモンド基板の製造方法 | |
| KR20150097431A (ko) | 근적외선을 이용한 그래핀의 제조 방법 및 이를 위한 장치 |