石墨烯器件制造裝置和使用該裝置的石墨烯器件制造方法
【專利摘要】本發明提供一種石墨烯器件制造裝置和使用該裝置的石墨烯器件制造方法。該石墨烯器件制造裝置包括：電極；石墨烯結構，包括基板、形成在基板上的金屬催化劑層、形成在金屬催化劑層上的石墨烯層、以及形成在石墨烯層上的保護層；電源單元，在電極和金屬催化劑層之間施加電壓；槽，容納電極和石墨烯結構；以及在槽中準備的電解液。
【專利說明】石墨烯器件制造裝置和使用該裝置的石墨烯器件制造方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及石墨烯器件制造裝置和使用該裝置的石墨烯器件制造方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯是具有二維六角形碳結構的材料并且像單原子厚的片一樣薄。此外，石墨烯的導電速度是主要用作半導體的單晶硅的100倍。石墨烯是零帶隙半導體，其可以替換常規的半導體材料，因此石墨烯作為電子電路的基底材料已經引起注意。
[0003]石墨烯通常通過使用化學氣相沉積法形成在金屬薄層(B卩，Cu或Ni)上，或通過使用熱分解法形成在SiC基板上。然而，石墨烯需要生長在絕緣層上以便在半導體器件或類似物中使用石墨烯薄層，而且難以利用最新的技術在絕緣層上形成高品質的石墨烯薄層。
【發明內容】
[0004]提供一種制造石墨烯器件的裝置和使用該裝置制造石墨烯器件的方法。
[0005]附加的方面將在隨后的描述中部分地闡述，并且部分由該描述而明顯，或可以通過對給出的實施例的實踐而習之。
[0006]根據本發明的一方面，一種石墨烯器件制造裝置包括:電極；石墨烯結構，其包括基板、形成在基板上的金屬催化劑層、形成在金屬催化劑層上的石墨烯層、以及形成在石墨烯層上的保護層；電源單元，在電極和金屬催化劑層之間施加電壓；槽，容納電極和石墨烯結構；以及在槽中制備的電解液。
[0007]絕緣層可以進一步形成在基板和金屬催化劑層之間，絕緣層可以包括通過氧化所述基板的表面而形成的氧化物。在這點上，一部分絕緣層可以被蝕刻，由此可以形成基板和金屬催化劑層彼此直接接觸的區域。
[0008]基板可以是導電基板，電源單元可以連接到導電基板以施加電壓到金屬催化劑層。
[0009]電解液可以由通過混合K2S2O8或FeCl3與水所制備的溶液形成。
[0010]金屬催化劑層可以包括Cu、N1、Fe、Co、Pt和Ru中的任意材料。
[0011]根據本發明另一方面，一種石墨烯器件制造方法包括:形成石墨烯結構，該石墨烯結構包括基板、形成在基板上的金屬催化劑層、形成在金屬催化劑層上的石墨烯層、以及形成在石墨烯層上的保護層；通過因化學反應而在基板和金屬催化劑層之間產生氣泡，使金屬催化劑層與基板分離；去除與基板分離的金屬催化劑層；在目標基板上形成目標絕緣層之后，使石墨烯層接觸目標絕緣層；以及在使石墨烯層接觸目標絕緣層之后去除保護層。
[0012]使金屬催化劑層與基板分離可以包括:將石墨烯結構放置在裝備有電解液和電極的槽中，以及在金屬催化劑層和電極之間施加電壓。
[0013]基板可以是導電基板，其中可以在導電基板和電極之間施加電壓。
[0014]電解液可以由通過混合K2S2O8或FeCl3與水所制備的溶液形成。
[0015]可以利用濕蝕刻法去除與基板分離的金屬催化劑層。[0016]使石墨烯層接觸目標絕緣層還可以包括對目標絕緣層表面處理以在目標絕緣層的表面上形成-OH基。
[0017]目標絕緣層的表面處理可以利用RCA清潔技術。
[0018]使石墨烯層接觸目標絕緣層可以利用真空擠壓法以使得目標絕緣與石墨烯層接觸。
[0019]形成石墨烯結構還可以包括在基板和金屬催化劑層之間形成絕緣層，在這點上，一部分絕緣層可以被蝕刻，由此可以形成基板與金屬催化劑層彼此直接接觸的區域。
[0020]絕緣層可以包括通過氧化基板的表面而形成的氧化物。
[0021]在石墨烯結構的形成中，保護層可以由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成。
[0022]在石墨烯結構的形成中，保護層可以由膠帶(adhesive tape)、膠水(glue)、諸如聚碳酸酯(PC)的環氧樹脂、熱分離膠帶(thermal release tape)、水溶性膠帶(water-soluble tape)、UV膠帶(UV tape)、可圖案化干膜或諸如SU-8的材料形成。
[0023]在石墨烯結構的形成中，保護層可以包括第一層和第二層，該第一層由PMMA形成，該第二層由膠帶、膠水、諸如聚碳酸酯(PC)的環氧樹脂、熱分離膠帶、水溶性膠帶、UV膠帶、可圖案化干膜或諸如SU-8的材料形成。
[0024]在去除保護層之后，還可以包括在石墨烯層上形成第一電極和第二電極。
[0025]使石墨烯層接觸目標絕緣層還可以包括在目標基板和目標絕緣層之間形成柵電極，在這點上，該方法還可以包括在去除保護層之后在石墨烯層上形成源電極和漏電極。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]通過下文結合附圖對實施例的描述，這些和/或其他方面將變得明顯且更易于理解，附圖中:
[0027]圖1示出根據本發明一實施例的石墨烯器件制造裝置的示意結構；
[0028]圖2示出根據本發明另一實施例的石墨烯器件制造裝置的示意結構；
[0029]圖3A至圖3H示出根據本發明一實施例的石墨烯器件制造方法；
[0030]圖4是曲線圖，示出將石墨烯層轉移到目標基板上之后的拉曼位移(RamanShift)；
[0031]圖5示出通過根據本發明另一實施例的石墨烯器件制造方法制造的石墨烯器件的一示范結構；以及
[0032]圖6示出通過根據本發明另一實施例的石墨烯器件制造方法制造的石墨烯器件的另一示范結構。
【具體實施方式】
[0033]在下文，現將參考附圖更充分地描述半導體緩沖結構和包括其的半導體器件，在附圖中示出本發明的示范實施例。相同的附圖標記始終指代相同的元件，為了描述的清晰和方便，每個元件的尺寸可以被夸大。因此，僅在下文描述實施例以解釋本說明書的多個方面，因此本實施例可具有不同的形式并且不應被理解為限于在此闡述的描述。將理解的是，當元件被稱為在另一元件“上”時，該元件或層可以直接在另一元件上或者可以存在中間元件。[0034]圖1示出根據本發明一實施例的石墨烯器件制造裝置100的示意結構。
[0035]根據本發明一實施例的石墨烯器件制造裝置100是用于從石墨烯結構200 (包括形成在金屬催化劑層230上的石墨烯層240)中的基板210分離金屬催化劑層230從而將石墨烯轉移到目標基板上的裝置。
[0036]石墨烯器件制造裝置100包括電極130、石墨烯結構200、在電極130與金屬催化劑層230之間施加電壓的電源單元150、容納電極130和石墨烯結構200的槽110、以及填充槽120的電解液120。
[0037]石墨烯結構200包括基板210、形成在基板210上的金屬催化劑層230、形成在金屬催化劑層230上的石墨烯層240以及形成在石墨烯層240上的保護層250。
[0038]基板210可以是導電基板，例如，是低電阻率硅基板。
[0039]金屬催化劑230可以包括Cu、N1、Fe、Co、Pt和Ru中的任意材料。
[0040]此外，絕緣層220可以進一步制備在基板210和金屬催化劑層230之間。絕緣層220可以由氧化物(該氧化物通過氧化基板的表面形成)形成，例如硅氧化物，或者絕緣層220可以由氮化物形成。
[0041]制備保護層250以保護和支撐石墨烯層240，該保護層250可具有包括第一層252和第二層255的多層結構，如圖1所示。第一層252可以由例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成。第二層255可以由膠帶、膠水、諸如聚碳酸酯(PC)的環氧樹脂、熱分離膠帶、水溶性膠帶、UV膠帶、可圖案化干膜或諸如SU-8的材料形成。然而，該結構是實施例的一示例，可以僅包括第一層252和第二層255中的一個。
[0042]電解液120可以由通過混合K2S2O8或FeCl3與水制備的溶液形成。
[0043]雖然圖1顯示金屬催化劑層230和電極130連接成分別是正性和負性。然而，該結構不限于此，金屬催化劑層230和電極130可以連接成具有相反極性。
[0044]當電壓從電源單元150施加在金屬催化劑層230和電極130之間時，由于通過電解液120中發生的化學反應所產生的氣泡B，金屬催化劑層230與基板210分離。
[0045]例如，當金屬催化劑層230由Cu形成，以及電解液120由K2S2O8與水的混合物的溶液形成時，當施加電壓以使得金屬催化劑層230是負性且電極130是正性時，可以在電解液120中發生以下的化學反應。
[0046]方程式I
[0047]2H20 (I) +2e_ — H2 (g) +20F
[0048]Cu+S2082 (aq) — Cu2++2S042
[0049]3Cu2+ (aq) +40F (aq) +2e_ — Cu2O (s) +CuO (s) +2H20 (I)
[0050]由于通過化學反應產生的氫氣泡(H2氣泡)，所以金屬催化劑層230與基板210分離。
[0051]在電解液120中發生的化學反應是示范性的且不限于方程式I。例如，當金屬催化劑層230是正性且電極130是負性時，可以產生氧氣泡(O2氣泡)，因此金屬催化劑層230可以與基板210分離。
[0052]金屬催化劑層230與基板210分離的時間或類型可以通過控制在金屬催化劑層230與電極210之間施加的電壓以及電解液120的濃度來調節。在這點上，當使用利用化學反應的氣泡時，可以防止對石墨烯層240的破壞。[0053]圖2示出根據本發明另一實施例的石墨烯器件制造裝置100’的示意結構。圖2的石墨烯器件制造裝置100’與圖1的石墨烯器件制造裝置100的不同在于:一部分絕緣層220被蝕刻，由此制備了基板210和金屬催化劑層230彼此直接接觸的區域。在本實施例中，基板210是導電基板，因此基板可以直接連接到電源單元150，從而在金屬催化劑層230和電極130之間施加電壓。此外，如上所述，連接到電源單元150的基板210和電極的極性可以相反地改變。
[0054]在下文，將參考圖3A至圖3H詳細描述根據本發明一實施例的石墨烯器件制造方法。
[0055]圖3A和圖3B示出石墨烯結構200的形成，該石墨烯結構200包括基板210、形成在基板210上的金屬催化劑層230、形成在金屬催化劑層230上的石墨烯層240以及形成在石墨烯層240上的保護層250。
[0056]基板210可以是導電基板，例如，可以是低電阻率硅基板。
[0057]金屬催化劑層230可以包括Cu、N1、Fe、Co、Pt和Ru中的任意材料，這些金屬材料可以通過利用濺射設備、電子束蒸發器設備或類似物的沉積工藝形成。
[0058]此外，在石墨烯結構200中，絕緣層220可以進一步制備在基板210和金屬催化劑層230之間。絕緣層220可以由氧化物(該氧化物通過氧化基板的表面形成)形成，例如硅氧化物，或者絕緣層220可以由氮化物形成。
[0059]石墨烯層240可以通過利用化學氣相沉積(CVD)法形成。在其上形成有金屬催化劑層230的基板210和含碳的氣體(CH4、C2H2, C2H4或CO)被放入用于熱化學氣相沉積或感應耦合等離子體化學氣相沉積(ICP-CVD)的感應器中并且被加熱，使得碳被吸入金屬催化劑層230中。隨后，通過快速冷卻該所得物，碳可以從金屬催化劑層230分離并且結晶，由此生長石墨烯。
[0060]如圖3B所示，通過在石墨烯層240上形成保護層250來制備石墨烯結構200。制備保護層250以保護和支撐石墨烯層240，該保護層250可具有包括第一層252和第二層255的多層結構，如圖3B所示。第一層252可以通過旋涂例如PMMA而形成。第二層255可以由膠帶、膠水、諸如PC的環氧樹脂、熱分離膠帶、水溶性膠帶、UV膠帶、可圖案化干膜或諸如SU-8的材料形成。然而，該結構是實施例的一示例，可以僅包括第一層252和第二層255中的一個。
[0061]圖3C示出通過將石墨烯結構200放入用電解液120填充的槽110中以允許發生化學反應而發生的基板210與金屬催化劑層230的分離。
[0062]電極130被放置在槽110中，電壓將被施加在該電極130與金屬催化劑層230之間。當電壓從電源單元150施加在金屬催化劑層230和電極130之間時，由于在電解液120中發生的化學反應，在金屬催化劑層230和電極130之間產生氣泡B，因此基板210與金屬催化劑層230分離。當金屬催化劑層230由Cu形成，以及電解液由K2S2O8和水的混合物的溶液形成時，可以在電解液120中發生前述的方程式I的化學反應。
[0063]在圖3A和圖3B中，石墨烯結構可以形成有基板210和金屬催化劑層230彼此直接接觸的區域，該區域通過與形成圖2的石墨烯結構200’的相同方式蝕刻一部分絕緣層220來制備。在這點上，如對于圖2的石墨烯結構200’所描述的，可以在基板210和電極130之間施加電壓。[0064]接著，從包括金屬催化劑層230 (該金屬催化劑層230由圖3C的步驟分離)、石墨烯層240和保護層250的結構去除金屬催化劑層230。可以通過利用濕蝕刻法執行金屬催化劑層230的去除，根據形成金屬催化劑層230的金屬材料來選擇溶液。
[0065]根據上文所述的工藝，圖3D示出包括保留在保護層250上的石墨烯層240的結構，圖3E示出目標基板310，石墨烯層240將被轉移到目標基板310上。目標絕緣層320可以形成在目標基板310上。目標絕緣層320的表面可以是被表面處理使得-OH基能夠形成在其上的表面，表面處理可以通過利用RCA清潔技術來執行。
[0066]圖3F示出被真空擠壓的圖3D的結構和圖3E的結構。即，用于真空擠壓圖3D和3E的結構的方法包括:以石墨烯層240與目標絕緣層320彼此面對的方式放置圖3D的結構和圖3E的結構,對石墨烯層240與目標絕緣層320之間的空間抽真空(evacuating),以及施加力。
[0067]然后，圖3G示出保護層250的去除。利用熱的方法是示范性的，可以根據保護層250的具體材料來改變去除保護層250的方法。
[0068]圖3H示出包括石墨烯層240的石墨烯器件300，該石墨烯層240被轉移到目標基板310上的目標絕緣層320上。
[0069]圖4是曲線圖，示出將石墨烯層轉移到目標基板上之前和之后的拉曼位移。
[0070]拉曼位移是能夠確定石墨烯的存在的曲線圖，在石墨烯層轉移到目標基板上之前的曲線(上部)中和在石墨烯層轉移到目標基板上之后的曲線(下部)中相同位置的拉曼位移表明石墨烯層被很好地轉移到目標基板上而沒有被破壞。
[0071]圖5示出通過根據本發明另一實施例的石墨烯器件制造方法制造的石墨烯器件400的一示范結構。
[0072]當在圖3H的步驟之后執行在石墨烯層240上形成第一電極410和第二電極420的工藝時，可以制得圖5的石墨烯器件400。石墨烯器件400可以用作傳感器，即，石墨烯層240可以用作傳感器，因此，由于具體材料的粘附等導致的電特性改變可以通過第一電極410和第二電極420來測量。
[0073]圖6示出通過根據本發明另一實施例的石墨烯器件制造方法制造的石墨烯器件500的另一示范結構。
[0074]在圖3D和3E的步驟中，可以使用一結構，該結構包括在目標基板510上形成的柵電極520和覆蓋柵電極520的絕緣層530，圖3D的石墨烯層240可以轉移到絕緣層530上。此外，通過在石墨烯層240上進一步形成源電極530和漏電極540，可以制得圖6的石墨烯器件。石墨烯器件500可以是晶體管，在該晶體管中石墨烯層240用作溝道層。
[0075]如上所述，根據本發明上述實施例的一個或更多個，其上形成有石墨烯的金屬催化劑層可以利用化學反應與基板分離。
[0076]因此，通過使用機械力所引起的對于石墨烯層的損壞可以最小化，優質的石墨烯層可以轉移到目標基板上，由此可以制造聞品質的石墨稀器件。
[0077]雖然已經參考附圖中示出的實施例在上文描述了石墨烯器件制造裝置和石墨烯器件制造方法，但是應當理解，在其中描述的示范實施例應該僅以描述的意思理解而不是限制。對于每個實施例內的特征或方面的描述應該典型地被認為是可用于其他實施例中的其他相似的特征或方面。[0078]本申請要求于2012年7月27日向韓國知識產權局提交的韓國專利申請N0.10-2012-0082239的優先權，其公開通過引用結合在此。
【權利要求】
1.一種石墨烯器件制造裝置，包括: 電極； 石墨烯結構，包括基板、形成在所述基板上的金屬催化劑層、形成在所述金屬催化劑層上的石墨烯層、以及形成在所述石墨烯層上的保護層； 電源單元，在所述電極和所述金屬催化劑層之間施加電壓； 槽，容納所述電極和所述石墨烯結構；以及 在所述槽中準備的電解液。
2.如權利要求1所述的石墨烯器件制造裝置，其中絕緣層還形成在所述基板和所述金屬催化劑層之間。
3.如權利要求2所述的石墨烯器件制造裝置，其中所述絕緣層包括氧化物，該氧化物通過氧化所述基板的表面而形成。
4.如權利要求2所述的石墨烯器件制造裝置，其中一部分所述絕緣層被蝕刻，由此形成所述基板與所述金屬催化劑層彼此直接接觸的區域。
5.如權利要求4所述的石墨烯器件制造裝置，其中所述基板是導電基板，所述電源單元連接到所述導電基板以施加電壓到所述金屬催化劑層。
6.如權利要求1所述的石墨烯器件制造裝置，其中所述電解液由通過混合K2S2O8或FeCl3與水而制備的溶液形成。
7.如權利要求1所述的石墨烯器件制造裝置，其中所述金屬催化劑層包括Cu、N1、Fe、Co、Pt和Ru中的任意材料。
8.—種石墨稀器件制造方法，包括: 形成石墨烯結構，該石墨烯結構包括基板、形成在所述基板上的金屬催化劑層、形成在所述金屬催化劑層上的石墨烯層、以及形成在所述石墨烯層上的保護層； 通過因化學反應而在所述基板和所述金屬催化劑層之間產生氣泡，使所述金屬催化劑層與所述基板分離； 去除與所述基板分離的所述金屬催化劑層； 在目標基板上形成目標絕緣層之后，使所述石墨烯層接觸所述目標絕緣層；以及 使所述石墨烯層接觸所述目標絕緣層之后，去除所述保護層。
9.如權利要求8所述的石墨烯器件制造方法，其中使所述金屬催化劑層與所述基板分離包括: 將所述石墨烯結構放置在裝備有電解液和電極的槽中；以及 在所述金屬催化劑層和所述電極之間施加電壓。
10.如權利要求9所述的石墨烯器件制造方法，其中所述基板是導電基板，其中在所述導電基板和所述電極之間施加電壓。
11.如權利要求9所述的石墨烯器件制造方法，其中所述電解液由通過混合K2S2O8或FeCl3與水所制備的溶液形成。
12.如權利要求8所述的石墨烯器件制造方法，其中利用濕蝕刻法去除與所述基板分離的所述金屬催化劑層。
13.如權利要求8所述的石墨烯器件制造方法，其中使所述石墨烯層接觸所述目標絕緣層還包括對所述目標絕緣層表面處理以在所述目標絕緣層的表面上形成-OH基。
14. 如權利要求13所述的石墨烯器件制造方法，其中所述目標絕緣層的表面處理使用RCA清潔技術。
15.如權利要求8所述的石墨烯器件制造方法，其中使所述石墨烯層接觸所述目標絕緣層使用真空擠壓法以使得所述目標絕緣層與所述石墨烯層接觸。
16.如權利要求8所述的石墨烯器件制造方法，其中形成所述石墨烯結構還包括在所述基板與所述金屬催化劑層之間形成絕緣層。
17.如權利要求16所述的石墨烯器件制造方法，其中所述絕緣層包括氧化物，該氧化物通過氧化所述基板的表面而形成。
18.如權利要求16所述的石墨烯器件制造方法，其中一部分所述絕緣層被蝕刻，由此形成所述基板與所述金屬催化劑層彼此直接接觸的區域。
19.如權利要求8所述的石墨烯器件制造方法，其中所述保護層由聚甲基丙烯酸甲酯形成。
20.如權利要求8所述的石墨烯器件制造方法，其中所述保護層由膠帶、膠水、環氧樹月旨、熱分離膠帶、水溶性膠帶、UV膠帶、可圖案化干膜或SU-8形成。
21.如權利要求8所述的石墨烯器件制造方法，其中所述保護層包括第一層和第二層，該第一層由聚甲基丙烯酸甲酯形成，該第二層由膠帶、膠水、環氧樹脂、熱分離膠帶、水溶性膠帶、UV膠帶、可圖案化干膜或SU-8形成。
22.如權利要求8所述的石墨烯器件制造方法，其中在去除所述保護層之后，進一步包括在所述石墨烯層上形成第一電極和第二電極。
23.如權利要求8所述的石墨烯器件制造方法，其中所述石墨烯層接觸所述目標絕緣層還包括在所述目標基板和所述目標絕緣層之間形成柵電極。
24.如權利要求23所述的石墨烯器件制造方法，其中該方法還包括在去除所述保護層之后，在所述石墨烯層上形成源電極和漏電極。
【文檔編號】H01L21/04GK103579043SQ201310124248
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年4月11日 優先權日:2012年7月27日
【發明者】李周浩, 鄭鏞席, 金容誠, 李昌承, 文彰烈 申請人:三星電子株式會社