WO2023200300A1 - 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법 - Google Patents

오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법 Download PDF

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WO2023200300A1
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graphene
thin film
ozone
layer
manufacturing
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PCT/KR2023/005097
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이규현
권용덕
유병욱
문승일
문종택
김기수
이상민
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주식회사 그래핀랩
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    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/194—After-treatment
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F1/00—Originals for photomechanical production of textured or patterned surfaces, e.g., masks, photo-masks, reticles; Mask blanks or pellicles therefor; Containers specially adapted therefor; Preparation thereof
    • G03F1/62—Pellicles, e.g. pellicle assemblies, e.g. having membrane on support frame; Preparation thereof

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a graphene thin film for pellicle material using ozone gas. More specifically, the thickness of the graphene thin film is easy to control, exhibits excellent extreme ultraviolet (EUV) transmittance and uniformity, and is etched. It relates to a method of manufacturing a graphene thin film for a pellicle material using ozone gas, which provides a graphene thin film in which damage to the graphene layer is suppressed during the process, mechanical strength is maintained, and a capping layer can be uniformly deposited through surface functionalization. .
  • EUV extreme ultraviolet
  • the ultraviolet exposure device includes a light source power, resist, pellicle, and mask.
  • the pellicle is installed on the mask to prevent foreign substances generated during the exposure process from attaching to the mask, and is used selectively depending on the exposure device.
  • a clean system would be established in the extreme ultraviolet exposure process, eliminating the need for a pellicle.
  • the mask was contaminated by tin particles and extreme ultraviolet sensitizer generated during the oscillation of the light source and foreign substances generated from the driving part inside the device during the operation process after building the actual exposure device.
  • the mask was used in the extreme ultraviolet exposure process.
  • pellicle is recognized as an essential material.
  • Graphene has a transmittance of more than 90% for extreme ultraviolet rays and has a basal surface arranged equally in the area direction. Because it is a material with very high tensile strength, it can satisfy all characteristic indicators such as high transmittance, thermal stability, and mechanical stability.
  • the thickness of graphene in order to be used as a pellicle, the thickness of graphene must be 10 to 15 nm, but the minimum thickness of graphene formed by low-temperature direct growth is about 30 nm, which is a characteristic in which the thickness of graphene is determined by the thickness of the catalyst metal and amorphous carbon. This is because a thin catalytic metal film is heat treated on an inert substrate and is formed into agglomeration.
  • Oxygen plasma is a chemical etching caused by radicals and has excellent oxidizing power, so etching occurs at a high speed, but the graphene layer becomes uneven.
  • oxygen plasma oxygen plasma
  • Ar plasma argon plasma
  • Oxygen plasma is a chemical etching caused by radicals and has excellent oxidizing power, so etching occurs at a high speed, but the graphene layer becomes uneven.
  • argon plasma As the processing time increases due to physical etching by ion bombardment, the stress applied to the graphene surface increases, causing the graphene thin film to sag after etching.
  • the purpose of the present invention is to easily control the thickness of the graphene thin film, exhibit excellent extreme ultraviolet ray transmittance and uniformity, maintain mechanical strength by suppressing damage to the graphene layer during the etching process, and uniformly deposit the capping layer through surface functionalization.
  • the aim is to provide a method for manufacturing a graphene thin film for a pellicle material using ozone gas, which provides a graphene thin film that can be produced.
  • the object of the present invention is a graphene forming step of forming graphene on the upper surface of a substrate, an ozonation step of exposing the graphene layer formed through the graphene forming step to ozone, and a graphene layer ozonated through the ozonation step.
  • This is achieved by providing a method of manufacturing a graphene thin film for a pellicle material using ozone gas, which consists of an etching step of heat treatment and etching.
  • the graphene layer formed through the graphene formation step is exposed to ozone for 10 to 600 seconds at a temperature of 100 to 400 ° C. and an atmosphere of oxygen mixed gas.
  • the oxygen mixed gas is made by mixing oxygen and nitrogen in a weight ratio of 97:3, and is injected at 900 to 1100 sccm.
  • the ozone has a concentration of 50 to 500 g/Nm 3 .
  • the etching step is performed by heat treating the graphene layer ozonated through the ozone treatment step at a temperature of 400 to 1000° C. and a hydrogen gas atmosphere for 1 to 120 minutes.
  • the hydrogen gas is injected at 10 to 500 sccm.
  • the ozone treatment step and the etching step are repeated until the thickness of the graphene thin film produced through the etching step is 10 to 15 nanometers.
  • the method of manufacturing a graphene thin film for pellicle material using ozone gas according to the present invention is easy to control the thickness of the graphene thin film, exhibits excellent extreme ultraviolet ray transmittance and uniformity, and suppresses damage to the graphene layer during the etching process, improving mechanical strength. It is maintained and has an excellent effect of providing a graphene thin film on which the capping layer can be uniformly deposited through surface functionalization.
  • Figure 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a graphene thin film for a pellicle material using ozone gas according to the present invention.
  • Figure 2 is a photograph showing graphene thin films prepared through Examples 1 to 8 of the present invention taken with a scanning electron microscope (SEM).
  • Figures 3 to 6 are photographs and graphs showing graphene thin films manufactured through Examples 1 to 8 of the present invention measured by Raman spectroscopy.
  • the method of manufacturing a graphene thin film for a pellicle material using ozone gas includes a graphene forming step (S101) of forming graphene on the upper surface of the substrate, and a graphene layer formed through the graphene forming step (S101). It consists of an ozone treatment step (S103) of exposing to ozone and an etching step (S105) of heat treating and etching the ozonated graphene layer through the ozone treatment step (S103).
  • the graphene forming step (S101) is a step of forming graphene on the upper surface of the substrate.
  • the method of forming graphene on the upper surface of the substrate is not particularly limited and various methods may be used, but graphene of uniform thickness is formed. It is preferable to use a low-temperature direct growth method to form a pin layer to provide graphene suitable as a pellicle material.
  • a small layer of graphene is formed on a silicon nitride substrate, a metal catalyst layer is formed on the upper surface of the small layer graphene, an amorphous carbon layer is formed on the upper surface of the metal catalyst layer, and the small layer graphene is used as a seed layer.
  • the carbon of the amorphous carbon layer passes through the metal catalyst layer and moves onto the small-layer graphene, directly growing the small-layer graphene into multi-layer graphene. It can be done through a process.
  • the small-layer graphene is a seed layer of the multi-layer graphene, and serves as a diffusion barrier layer that prevents the metal of the metal catalyst layer from diffusing into the silicon nitride substrate.
  • the material of the metal catalyst layer may include Ni, Co, Ru, or Pt.
  • the metal catalyst layer is 10 nm to 100 nm through sputtering or e-beam evaporation method. It is preferably formed to a thickness of .
  • the amorphous carbon layer is preferably formed to a thickness of 10 nm to 100 nm through sputtering.
  • the heat treatment is preferably performed for 10 minutes to 10 hours at a temperature of 500 to 1100 ° C. in an atmosphere of hydrogen gas and inert gas, and the inert gas is nitrogen, argon, and helium. It is preferable that it consists of one or more selected from the group consisting of.
  • a step may be taken to remove the metal catalyst layer formed on the upper surface of the multilayer graphene.
  • the ozone treatment step (S103) is a step of exposing the graphene layer formed through the graphene forming step (S101) to ozone.
  • the ozone treatment step (S103) is a step of exposing the graphene layer formed through the graphene forming step (S101). It consists of exposing the ozone for 10 to 600 seconds at a temperature of 100 to 400°C and an atmosphere of oxygen mixed gas.
  • the thickness must be reduced to 10 to 15 nm in order to be applied as a pellicle material.
  • the graphene layer Ozone molecules are adsorbed on the base surface, and the adsorbed ozone chemically reacts with graphene to form epoxide groups and oxygen molecules.
  • the oxygen mixed gas is made by mixing oxygen and nitrogen in a weight ratio of 97:3, and is preferably injected at 900 to 1100 sccm, and the ozone is used at a concentration of 50 to 500 g/Nm 3 . It is more desirable.
  • the graphene layer that has been ozonated through the ozone treatment step (S103) under the above conditions can be removed through the heat treatment process performed in the etching step (S105).
  • the etching step (S105) is a step of etching the graphene layer ozonated through the ozonation step (S103) by heat treatment.
  • the graphene layer ozonated through the ozonation step (S103) is heated at a temperature of 400 to 1000° C. and heat treatment in a hydrogen gas atmosphere for 1 to 120 minutes. At this time, the hydrogen gas is preferably injected at 10 to 500 sccm.
  • the ozone treatment step It is desirable to repeat S103 and the etching step (S105).
  • a small layer of graphene is formed on a silicon nitride substrate, a metal catalyst layer is formed on the upper surface of the small layer graphene, an amorphous carbon layer is formed on the upper surface of the metal catalyst layer, and heat treatment is performed using the small layer graphene as a seed layer.
  • the carbon of the amorphous carbon layer passes through the metal catalyst layer and moves onto the small-layer graphene, directly growing the small-layer graphene into multi-layer graphene.
  • Example 2 Proceed in the same manner as Example 1, but expose to ozone for 60 seconds to prepare a graphene thin film for pellicle material.
  • Example 2 The same procedure as in Example 1 was carried out, but a graphene thin film for pellicle material was manufactured by exposure to ozone at a temperature of 250°C.
  • Example 2 The same procedure as in Example 1 was carried out, but a graphene thin film for a pellicle material was manufactured by exposing to ozone at a temperature of 250° C. for 60 seconds.
  • the graphene thin films for pellicle materials manufactured through Examples 1 to 8 of the present invention show that Examples 4 and 8 at the bottom in Figure 2 are graphene treated under the harshest conditions in the SEM results. As shown, it can be confirmed that the graphene has been etched, as the boundaries of the wrinkles and seeds (flower shapes) of the graphene are blurred compared to Examples 1 and 5 at the top of Figure 2.
  • the peak that appears in the 1350 cm -1 region is the D peak, which occurs when the hexagonal lattice structure of graphene is broken, and the peak tends to become larger as defects increase.
  • the peak that appears in the 1580 ⁇ 1650 cm -1 range is the G peak, which commonly appears in graphite-based materials and detects the scattering signal of carbons forming sp2 bonds.
  • the peak that appears at 2350cm -1 is a 2D peak and indicates the number of layers.
  • the method of manufacturing a graphene thin film for pellicle material using ozone gas according to the present invention is easy to control the thickness of the graphene thin film, exhibits excellent extreme ultraviolet ray transmittance and uniformity, and prevents damage to the graphene layer during the etching process, thereby reducing mechanical stress.

Abstract

본 발명은 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판의 상부면에 그래핀을 형성하는 그래핀형성단계, 상기 그래핀형성단계를 통해 형성된 그래핀층을 오존에 노출하는 오존처리단계 및 상기 오존처리단계를 통해 오존처리된 그래핀층을 열처리하여 식각하는 식각단계로 이루어진다. 상기의 과정으로 이루어지는 그래핀박막의 제조방법은 그래핀박막의 두께 제어가 용이하며, 우수한 극자외선 투과율과 균일도를 나타내고, 식각과정에서 그래핀층의 손상이 억제되어 기계적 강도가 유지되며, 표면 기능화를 통해 캡핑층이 균일하게 증착될 수 있는 그래핀박막을 제공한다.

Description

오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법
본 발명은 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀박막의 두께 제어가 용이하며, 우수한 극자외선(Extreme Ultraviolet, EUV) 투과율과 균일도를 나타내고, 식각과정에서 그래핀층의 손상이 억제되어 기계적 강도가 유지되며, 표면 기능화를 통해 캡핑층이 균일하게 증착될 수 있는 그래핀박막을 제공하는 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 산업이 발달되고 반도체 소자의 집적도가 향상됨에 따라 전자기기들이 점차 소형화 및 경량화되고 있는데, 반도체 소자의 집적도 향상을 위해 노광 기술의 고도화가 함께 요구되고 있다.
최근에는 광원의 파장을 감소시켜 반도체의 미세한 패턴을 구현하는 방향으로 기술이 발전하고 있으며, 이 중 차세대기술인 극자외선 노광 기술은 한 번의 레지스트 공정으로 미세 패턴을 구현할 수 있는데, 반도체 공정에 사용되는 극자외선 노광 장치는 광원(light source power), 레지스트(resist), 펠리클(pellicle) 및 마스크를 포함한다.
상기 펠리클은 마스크에 설치되어 노광 공정 중에 발생하는 이물질이 마스크에 부착되는 것을 방지하며, 노광 장치에 따라서 선택적으로 사용되고 있는데, 극자외선 노광 공정에서는 클린 시스템이 구축되어 펠리클이 필요 없을 것이라는 기대가 초기에 존재하였으나, 실제 노광 장치 구축 후 구동 과정에서 장치 내부 구동부에서 발생하는 이물질 및 광원의 발진 과정에서 생성된 주석 입자와 극자외선 감광제에 의한 마스크의 오염이 발생하는 것이 확인됨에 따라 극자외선 노광 공정에서는 마스크의 오염을 방지하기 위해서, 펠리클은 필수의 소재로 인식되고 있다.
현재 국내외 펠리클 개발사들은 다결정 실리콘(p-Si) 기반 또는 SiN 기반으로 하는 투과 소재를 개발 중에 있는데, 이들 소재는 극자외선용 펠리클의 가장 중요한 조건인 90% 이상의 투과율을 만족하지 못하고 있다. 또한 이들 소재는 극자외선 노광 환경에서의 열적 안정성, 기계적 안정성, 및 화학적 내구성에 취약점을 갖고 있기 때문에, 특성 보완을 위한 공정 개발 연구가 진행되고 있다.
상기의 문제점을 해소하기 위해서, 그래핀을 기반으로 하는 극자외선용 펠리클도의 개발이 시도되고 있는데, 그래핀은 극자외선에 대해 90% 이상의 투과율을 갖음과 동시에 기저면이 면적 방향으로 동일하게 배열되는 경우 매우 높은 인장 강도를 가지는 물질이기 때문에, 높은 투과율, 열적 안정성, 기계적 안정성 등 모든 특성 지표를 만족시킬 수 있다.
한편, 저온에서 직성장하는 방법으로 그래핀박막층을 형성하는 기술은 이미 다양한 방법이 공지되어 있으며, 촉매 금속/ 비정질 탄소를 열처리하게 되면 층간 교환이 일어나며 그래핀이 형성되는데, 이때, 열처리 온도가 일반적으로 메탄을 열분해하여 그래핀을 형성하는 conventional CVD 공법보다 온도가 400 내지 500도 정도 낮다. 또 형성 메커니즘 특성으로는 그래핀의 두께가 균일하다는 장점이 있다.
이러한 장점들 때문에 최근 극자외선 펠리클 코어 소재로서 그래핀이 각광받고 있는 상황인데, 펠리클에 적용되기 위해선 해결해야 되는 문제들이 있다.
우선, 펠리클로 사용되기 위해선 그래핀의 두께가 10 내지 15nm가 되어야 하나 저온 직성장법으로 형성되는 그래핀은 최소 두께가 30nm 정도로, 이는 그래핀의 두께가 촉매금속과 비정질 탄소 두께로 결정되는 특성, 얇은 촉매금속 박막이 불활성(inert)한 기판 위에서 열처리되며 집합체(agglomeration)로 형성되는 특성 때문이다.
상기의 문제점을 해소하기 위해서는 30nm 정도로 형성된 그래핀을 식각하는 방법이 요구되는데, 그래핀은 표면이 화학적으로 안정하여 습식 식각 방법으로는 식각에 한계가 있다.
또한, 건식식각으로는 산소 플라즈마(O2 Plasma)나 아르곤 플라즈마(Ar plasma)를 이용하는 방법이 있는데, 산소 플라즈마는 라디칼에 의한 화학적 식각으로 산화력이 뛰어나 빠른 속도로 식각이 이루어지지만 그래핀층이 불균일해지는 문제점이 있으며, 아르곤 플라즈마의 경우 이온충격(ion bombardment)에 의한 물리적 식각으로 처리시간이 길어질수록 그래핀 표면에 가해지는 스트레스가 증가하여, 식각 후에 그래핀박막이 처지는 현상이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 그래핀박막의 두께 제어가 용이하며, 우수한 극자외선 투과율과 균일도를 나타내고, 식각과정에서 그래핀층의 손상이 억제되어 기계적 강도가 유지되며, 표면 기능화를 통해 캡핑층이 균일하게 증착될 수 있는 그래핀박막을 제공하는 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 기판의 상부면에 그래핀을 형성하는 그래핀형성단계, 상기 그래핀형성단계를 통해 형성된 그래핀층을 오존에 노출하는 오존처리단계 및 상기 오존처리단계를 통해 오존처리된 그래핀층을 열처리하여 식각하는 식각단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법을 제공함에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 오존처리단계는 상기 그래핀형성단계를 통해 형성된 그래핀층을 100 내지 400℃의 온도와 산소혼합가스의 분위기에서 오존에 10 내지 600초 동안 노출시키는 것으로 한다.
본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 산소혼합가스는 산소와 질소가 97:3의 중량부로 혼합되어 이루어지며, 900 내지 1100sccm으로 주입되는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 오존은 50 내지 500 g/Nm3의 농도를 나타내는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 식각단계는 상기 오존처리단계를 통해 오존처리된 그래핀층을 400 내지 1000℃의 온도와 수소가스 분위기에서 1 내지 120분 동안 열처리하여 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 수소가스는 10 내지 500sccm으로 주입되는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 식각단계를 통해 제조되는 그래핀박막의 두께가 10 내지 15 나노미터를 나타낼 때까지 상기 오존처리단계 및 상기 식각단계가 반복되는 것으로 한다.
본 발명에 따른 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법은 그래핀박막의 두께 제어가 용이하며, 우수한 극자외선 투과율과 균일도를 나타내고, 식각과정에서 그래핀층의 손상이 억제되어 기계적 강도가 유지되며, 표면 기능화를 통해 캡핑층이 균일하게 증착될 수 있는 그래핀박막을 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 8을 통해 제조된 그래핀박막을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영하여 나타낸 사진이다.
도 3 내지 6는 본 발명의 실시예 1 내지 8을 통해 제조된 그래핀박막을 라만분광법으로 측정하여 나타낸 사진 및 그래프이다.
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
본 발명에 따른 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법은 기판의 상부면에 그래핀을 형성하는 그래핀형성단계(S101), 상기 그래핀형성단계(S101)를 통해 형성된 그래핀층을 오존에 노출하는 오존처리단계(S103) 및 상기 오존처리단계(S103)를 통해 오존처리된 그래핀층을 열처리하여 식각하는 식각단계(S105)로 이루어진다.
상기 그래핀형성단계(S101)는 기판의 상부면에 그래핀을 형성하는 단계로, 기판의 상부면에 그래핀을 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않고 다양한 방법이 사용될 수 있으나, 균일한 두께의 그래핀층을 형성하여 펠리클 소재로 적합한 그래핀을 제공하는 저온 직성장 방법을 이용하는 것이 바람직하다.
더욱 상세하게는 질화실리콘 기판 위에 소층 그래핀을 형성하고, 상기 소층 그래핀의 상부면에 금속촉매층을 형성하고, 상기 금속촉매층의 상부면에 비정질 탄소층을 형성하고, 상기 소층 그래핀을 씨드층으로 하여 열처리를 통한 상기 금속촉매층과 상기 비정질 탄소층 간의 층간 교환에 의해 상기 비정질 탄소층의 탄소가 상기 금속촉매층을 통과하여 상기 소층 그래핀 위로 이동하여 상기 소층 그래핀을 다층 그래핀으로 직성장하는 과정으로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 소층 그래핀은 상기 다층 그래핀의 씨드층이며, 상기 금속촉매층의 금속이 상기 질화실리콘 기판으로 확산되는 것을 방지하는 확산방지층의 역할을 한다.
또한, 상기 금속촉매층의 소재는 Ni, Co, Ru 또는 Pt를 포함할 수 있으며, 상기 금속촉매층을 형성하는 과정에서, 상기 금속촉매층은 스퍼터링 또는 전자빔 증착법(e-beam evaporation method)을 통해 10nm 내지 100nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 비정질 탄소층을 형성하는 과정에서, 상기 비정질 탄소층은 스퍼터링을 통해 10nm 내지 100nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다층 그래핀으로 직성장하는 과정에서, 상기 열처리는 수소 가스 및 불활성 가스 분위기에서 500 내지 1100℃의 온도로 10분 내지 10시간 동안 이루어지는 것이 바람직한데, 상기 불활성가스는 질소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 다층 그래핀으로 직성장하는 과정 이후에는 다층 그래핀의 상부면에 형성된 금속촉매층을 제거하는 단계를 진행할 수도 있다.
상기 오존처리단계(S103)는 상기 그래핀형성단계(S101)를 통해 형성된 그래핀층을 오존에 노출하는 단계로, 상기 오존처리단계(S103)는 상기 그래핀형성단계(S101)를 통해 형성된 그래핀층을 100 내지 400℃의 온도와 산소혼합가스의 분위기에서 오존에 10 내지 600초 동안 노출시키는 과정으로 이루어진다.
상기의 그래핀형성단계를 통해 형성되는 그래핀층은 30 내지 50nm의 두께로 형성되기 때문에 펠리클 소재로 적용하기 위해서는 두께를 10 내지 15nm로 줄여야하는데, 상기의 과정으로 이루어지는 오존처리의 과정을 통해 그래핀층의 기저면에 오존 분자가 흡착되고, 흡착된 오존은 그래핀과 화학적으로 반응하여 에폭사이드 그룹과 산소분자를 형성하게 된다.
더욱 상세하게는, 상기의 과정으로 이루어지는 오존처리단계(S103)를 통해 그래핀의 C=C SP2 혼성화 결합이 파괴되며, C=O와 C-O-H가 생성된다.
이때, 상기 산소혼합가스는 산소와 질소가 97:3의 중량부로 혼합되어 이루어지며, 900 내지 1100sccm으로 주입되는 것이 바람직하고, 상기 오존은 50 내지 500 g/Nm3의 농도를 나타내는 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기의 조건으로 이루어지는 오존처리단계(S103)를 통해 오존처리된 그래핀층은 상기 식각단계(S105)에서 진행되는 열처리의 과정을 통해 제거될 수 있다.
상기 식각단계(S105)는 상기 오존처리단계(S103)를 통해 오존처리된 그래핀층을 열처리하여 식각하는 단계로, 상기 오존처리단계(S103)를 통해 오존처리된 그래핀층을 400 내지 1000℃의 온도와 수소가스 분위기에서 1 내지 120분 동안 열처리하여 이루어지는데, 이때, 상기 수소가스는 10 내지 500sccm으로 주입되는 것이 바람직하다.
상기의 과정으로 이루어지는 식각단계(S105)를 통해 에폭사이드 그룹이 형성된 그래핀의 최외각층이 제거되어 그래핀층의 두께가 얇아지게 된다.
더욱 상세하게는 상기 오존처리단계(S103)를 통해 그래핀의 표면에 생성된 C=O와 C-O-H가 고온의 열처리로 인해 제거되면서 이산화 탄소와 일산화탄소 가스를 발생시키는 과정으로 이루어진다.
이때, 상기 식각단계(S105)를 통해 그래핀의 최외각층이 한층씩 제거되기 때문에, 그래핀층의 두께가 10 내지 15nm에 도달하지 못하는경우, 상기의 두께 범위에 도달할 때까지 상기 오존처리단계(S103)와 상기 식각단계(S105)를 반복하여 진행하는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명에 따른 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 그래핀 박막의 물성을 실시예를 들어 설명하기로 한다.
<실시예 1>
질화실리콘 기판 위에 소층 그래핀을 형성하고, 상기 소층 그래핀의 상부면에 금속촉매층을 형성하고, 상기 금속촉매층의 상부면에 비정질 탄소층을 형성하고, 상기 소층 그래핀을 씨드층으로 하여 열처리를 통한 상기 금속촉매층과 상기 비정질 탄소층 간의 층간 교환에 의해 상기 비정질 탄소층의 탄소가 상기 금속촉매층을 통과하여 상기 소층 그래핀 위로 이동하여 상기 소층 그래핀을 다층 그래핀으로 직성장하는 과정을 통해 2층 그래핀을 형성하고, 그래핀층을 200℃의 온도와 산소혼합가스(산소와 질소가 97:3의 중량부로 혼합)가 1000sccm으로 공급되는 분위기에서 오존(250g/Nm3)에 30초 동안 노출시키고, 700℃의 온도와 수소가스 분위기(250sccm)에서 60분 동안 열처리하여 펠리클 소재용 그래핀박막을 제조하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 오존에 60초 동안 노출하여 펠리클 소재용 그래핀박막을 제조하였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 250℃의 온도에서 오존에 노출하여 펠리클 소재용 그래핀박막을 제조하였다.
<실시예 4>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 250℃의 온도에서 오존에 60초 동안 노출하여 펠리클 소재용 그래핀박막을 제조하였다.
<실시예 5>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 3층 그래핀층을 형성하여 펠리클 소재용 그래핀박막을 제조하였다.
<실시예 6>
상기 실시예 2와 동일하게 진행하되, 3층 그래핀층을 형성하여 펠리클 소재용 그래핀박막을 제조하였다.
<실시예 7>
상기 실시예 3과 동일하게 진행하되, 3층 그래핀층을 형성하여 펠리클 소재용 그래핀박막을 제조하였다.
<실시예 8>
상기 실시예 4와 동일하게 진행하되, 3층 그래핀층을 형성하여 펠리클 소재용 그래핀박막을 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 8을 통해 제조된 그래핀박막을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영하여 아래 도 2에 나타내었다.
또한, 상기 실시예 1 내지 8을 통해 제조된 그래핀박막을 라만분광법으로 분석한 이미지 및 그래프를 아래 도 3 내지 6에 나타내었다.
아래 도 2에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 1 내지 8을 통해 제조된 펠리클 소재용 그래핀박막은 SEM 결과에서 도 2에 가장 밑에 있는 실시예 4와 8이 가장 가혹한 조건으로 처리된 그래핀을 나타낸 것으로, 도 2의 상단에 실시예 1과 5보다 그래핀의 주름 및 seed(꽃 모양)의 경계가 흐릿한 것으로 미루어, 그래핀이 식각된 것을 확인할 수 있다.
또한, 아래 도 3 내지 6을 보면, 1350cm-1 영역대에서 나타나는 픽은 D peak 으로 그래핀의 육각형 격자구조가 깨졌을 때 발생하며, 결함이 증가하면 픽이 커지는 경향을 나타낸다.
또한, 1580~1650cm-1 영역대에서 나타나는 픽은 G peak으로 흑연계 물질에서 공통으로 나타나며, sp2 결합을 이루는 탄소들의 산란 신호를 검출한다.
또한, 2350cm-1에서 나타나는 픽은 2D peak으로 layer 수를 나타낸다.
아래 도 3의 실시예 1과, 아래 도 5의 실시예 5를 기준으로 오른쪽(처리시간 증가), 아래(온도 증가)에서 오존 처리 조건이 가혹해짐에 따라 D peak 의 증가 (결함 증가)가 나타나는 것을 알 수 있다.
또한, 아래 도 4의 실시예 4와 아래 도 6의 실시예 8에서는 픽이 발생하지 않는데, 이는 그래핀이 제거되었기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따른 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법은 그래핀박막의 두께 제어가 용이하며, 우수한 극자외선 투과율과 균일도를 나타내고, 식각과정에서 그래핀층의 손상이 억제되어 기계적 강도가 유지되며, 표면 기능화를 통해 캡핑층이 균일하게 증착될 수 있는 그래핀박막을 제공한다.

Claims (7)

  1. 기판의 상부면에 그래핀을 형성하는 그래핀형성단계;
    상기 그래핀형성단계를 통해 형성된 그래핀층을 오존에 노출하는 오존처리단계; 및
    상기 오존처리단계를 통해 오존처리된 그래핀층을 열처리하여 식각하는 식각단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 오존처리단계는 상기 그래핀형성단계를 통해 형성된 그래핀층을 100 내지 400℃의 온도와 산소혼합가스의 분위기에서 오존에 10 내지 600초 동안 노출시키는 것을 특징으로 하는 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 산소혼합가스는 산소와 질소가 97:3의 중량부로 혼합되어 이루어지며, 900 내지 1100sccm으로 주입되는 것을 특징으로 하는 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 오존은 50 내지 500 g/Nm3의 농도를 나타내는 것을 특징으로 하는 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 식각단계는 상기 오존처리단계를 통해 오존처리된 그래핀층을 400 내지 1000℃의 온도와 수소가스 분위기에서 1 내지 120분 동안 열처리하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 수소가스는 10 내지 500sccm으로 주입되는 것을 특징으로 하는 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 식각단계를 통해 제조되는 그래핀박막의 두께가 10 내지 15 나노미터를 나타낼 때까지 상기 오존처리단계 및 상기 식각단계가 반복되는 것을 특징으로 하는 오존가스를 이용한 펠리클 소재용 그래핀박막의 제조방법.
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