본 논문에서는 고주파 13.56[㎒] RF전원을 이용한 플라즈마 프로세스 그래핀 합성연구에 대하여 논하였다. 캐리어 가스로는 수소(H2) 및 메탄(CH4)을 사용하였으며, 석영관(외경: 50[㎜])을 진공상태를 유지한 후 석영관 내에 캐리어 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시켰다. 또한, ...
본 논문에서는 고주파 13.56[㎒] RF전원을 이용한 플라즈마 프로세스 그래핀 합성연구에 대하여 논하였다. 캐리어 가스로는 수소(H2) 및 메탄(CH4)을 사용하였으며, 석영관(외경: 50[㎜])을 진공상태를 유지한 후 석영관 내에 캐리어 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시켰다. 또한, 박막의 표면에 형성되는 미결합 탄소성분들의 에칭을 위하여 산소를 사용하였으며, 석영관 내의 압력은 1×10-2[torr]가 되도록 유지하였다. 사용한 웨이퍼로는 N-type Si(100) 웨이퍼를 10×10[㎟]으로 절단하였으며, 대기 중 노출에 의하여 웨이퍼 표면에 형성된 SiO2 산화막을 제거하기 다이아몬드 파우더(1[㎛])를 이용하여 초음파 세척을 하였다. 모든 공급되는 가스의 유량은 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 조절하였다.
박막의 표면분석 및 증착속도를 측정하기 위해서 SEM(Scanning Electron Microscopy)를 사용하였으며, 박막의 측면을 관찰하여 박막의 증착속도를 확인하였다. 245.5[㎚]의 아르곤 레이저를 이용한 라만분광기를 통하여 박막의 결정성분을 관찰할 수 있었다.
그래핀(Graphene)은 sp2 탄소원자들이 6각 벌집 격자를 이룬 형태의 2 차원 나노시트를 의미하며, 높은 비표면적(2,630[m2/g])과 우수한 전기전도도(전형치 8×107 [S/m]) 및 기계적 강도를 가진다. 그래핀(Graphene)은 다이아몬드와 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube), 풀러렌(Fullerene)과 같은 탄소 구조체 중 하나이다. 지금까지 알려진 물질 중 가장 얇은 0.34[㎚] 두께의 물질이며 그 구조적 성질에 따른 매우 빠른 hole, electron mobility를 가지며, 이외에도 기계적, 화학적으로 뛰어난 특성을 가진다. 이 때문에 2차원 물질들인 MoS2, WS2 등과 함께 초고속 트랜지스터, 초박막, 투명 전도체등 많은 분야에서 연구가 진행되고 있다.
그래핀을 얻기 위해 다양한 합성방법이 연구되었고 크게 몇 가지 방법으로 나누어진다. 흑연 덩어리(Graphite flake)에서 스카치테이프를 이용해 그래핀을 얻는 기계적 박리법(Mechanical exfoliation), 실리콘 카바이드 기판(SiC)을 이용한 에피택셜(Epitaxial) 성장법, Graphite Oxide를 용매에 분산 후 환원 시키는 화학적 박리법(Chemical exfoliation), CNT를 이용한 그래핀 리본 형성방법, 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매 층으로 이용하여 그래핀을 합성하는 CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학기상증착법)등이 있으며, 소자로 사용하기 위에서는 대면적의 균일한 그래핀 합성방법이 필요하다. 다양한 그래핀 합성방법 중 제작비용, 시간, 품질 등을 고려했을 때 특히, 흑연을 산화시켜 용액상에서 분리한 후 환원시키는 화학적 박리법은 대량생산의 가능성과 화학적 응용이 용이하여 다른 소재와의 복합체가 가능하다는 장점 때문에 촉매금속을 이용한 CVD 방법이 많은 연구가 진행되고 있다.
CVD 방법에서 그래핀을 성장시키기 위한 촉매금속으로는 전이금속(transition metal)을 사용되고 있으며, 대부분의 전이금속에서 그래핀이 성장된다. 촉매금속 중 Ni, Co, Fe 등의 탄소고용도가 높은 금속은 탄소가 금속내부로 확산 후 표면으로 석출되고 표면흡착의 2가지 메커니즘(mechanism)을 따라 다층의 그래핀(Multi Layer Graphene, MLG)이 성장된다. 금속 내부에 있던 탄소가 표면으로 석출되어 성장된 다층 그래핀의 경우 매우 불균일하며 층수의 조절이 힘들다. 반면 탄소고용도가 거의 없는 Cu 에서는 탄소가 표면에 흡착되는 메커니즘만 작용하여 균일한 단층의 그래핀(Single layer Graphene, SLG)이 성장된다. 성장된 그래핀의 특성을 평가하기 위해 광학적 분석(Optical analysis), 라만분석(Raman spectroscopy)과 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM), 분광 분석(Ultraviolet-visible spectroscopy, UV-Vis)으로 그래핀의 평균적인 두께를 알 수 있다.
본 논문에서는 RF 플라즈마 CVD 프로세스에 의한 그래핀 나노월의 효율적인 성장특성에 대한 것을 논하였다. 특히, 플라즈마 내부에 존재하는 양 및 음 전하로부터 기판으로의 충돌을 제어하기 위하여 기판 홀더에 인가되는 양극성 전압을 사용가하였다. 주요한 프로세스 단계로는 수소 플라즈마 상태에서 기판 표면의 이물질 제거 및 박막 성장의 시드를 제공하기 위하여 기판에 양의 바이어스 전압을 인가하여 전자 충격을 실시하였으며, 그 후 수소 및 메탄가스로 구성된 플라즈마 중에 음의 바이어스 인가하여 양 전하인 탄화수소 이온들에 의하여 박막을 성장시킬 수 있도록 약 10분 동안 프로세스를 진행하였다. 이때 성장된 박막은 투명한 탄화수소막으로서 그래핀의 특성과는 매우 상이하지만, 수소 플라즈마를 추가적으로 처리함에 의하여 투명한 탄화수소막이 그래핀 나노월로 변환됨을 보였다. 특히, 라만 스펙트럼 분석 결과에서 그래핀에 상당하는 강한 2D 피크가 존재함을 보였다.
본 논문에서는 고주파 13.56[㎒] RF전원을 이용한 플라즈마 프로세스 그래핀 합성연구에 대하여 논하였다. 캐리어 가스로는 수소(H2) 및 메탄(CH4)을 사용하였으며, 석영관(외경: 50[㎜])을 진공상태를 유지한 후 석영관 내에 캐리어 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시켰다. 또한, 박막의 표면에 형성되는 미결합 탄소성분들의 에칭을 위하여 산소를 사용하였으며, 석영관 내의 압력은 1×10-2[torr]가 되도록 유지하였다. 사용한 웨이퍼로는 N-type Si(100) 웨이퍼를 10×10[㎟]으로 절단하였으며, 대기 중 노출에 의하여 웨이퍼 표면에 형성된 SiO2 산화막을 제거하기 다이아몬드 파우더(1[㎛])를 이용하여 초음파 세척을 하였다. 모든 공급되는 가스의 유량은 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 조절하였다.
박막의 표면분석 및 증착속도를 측정하기 위해서 SEM(Scanning Electron Microscopy)를 사용하였으며, 박막의 측면을 관찰하여 박막의 증착속도를 확인하였다. 245.5[㎚]의 아르곤 레이저를 이용한 라만분광기를 통하여 박막의 결정성분을 관찰할 수 있었다.
그래핀(Graphene)은 sp2 탄소원자들이 6각 벌집 격자를 이룬 형태의 2 차원 나노시트를 의미하며, 높은 비표면적(2,630[m2/g])과 우수한 전기전도도(전형치 8×107 [S/m]) 및 기계적 강도를 가진다. 그래핀(Graphene)은 다이아몬드와 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube), 풀러렌(Fullerene)과 같은 탄소 구조체 중 하나이다. 지금까지 알려진 물질 중 가장 얇은 0.34[㎚] 두께의 물질이며 그 구조적 성질에 따른 매우 빠른 hole, electron mobility를 가지며, 이외에도 기계적, 화학적으로 뛰어난 특성을 가진다. 이 때문에 2차원 물질들인 MoS2, WS2 등과 함께 초고속 트랜지스터, 초박막, 투명 전도체등 많은 분야에서 연구가 진행되고 있다.
그래핀을 얻기 위해 다양한 합성방법이 연구되었고 크게 몇 가지 방법으로 나누어진다. 흑연 덩어리(Graphite flake)에서 스카치테이프를 이용해 그래핀을 얻는 기계적 박리법(Mechanical exfoliation), 실리콘 카바이드 기판(SiC)을 이용한 에피택셜(Epitaxial) 성장법, Graphite Oxide를 용매에 분산 후 환원 시키는 화학적 박리법(Chemical exfoliation), CNT를 이용한 그래핀 리본 형성방법, 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매 층으로 이용하여 그래핀을 합성하는 CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학기상증착법)등이 있으며, 소자로 사용하기 위에서는 대면적의 균일한 그래핀 합성방법이 필요하다. 다양한 그래핀 합성방법 중 제작비용, 시간, 품질 등을 고려했을 때 특히, 흑연을 산화시켜 용액상에서 분리한 후 환원시키는 화학적 박리법은 대량생산의 가능성과 화학적 응용이 용이하여 다른 소재와의 복합체가 가능하다는 장점 때문에 촉매금속을 이용한 CVD 방법이 많은 연구가 진행되고 있다.
CVD 방법에서 그래핀을 성장시키기 위한 촉매금속으로는 전이금속(transition metal)을 사용되고 있으며, 대부분의 전이금속에서 그래핀이 성장된다. 촉매금속 중 Ni, Co, Fe 등의 탄소고용도가 높은 금속은 탄소가 금속내부로 확산 후 표면으로 석출되고 표면흡착의 2가지 메커니즘(mechanism)을 따라 다층의 그래핀(Multi Layer Graphene, MLG)이 성장된다. 금속 내부에 있던 탄소가 표면으로 석출되어 성장된 다층 그래핀의 경우 매우 불균일하며 층수의 조절이 힘들다. 반면 탄소고용도가 거의 없는 Cu 에서는 탄소가 표면에 흡착되는 메커니즘만 작용하여 균일한 단층의 그래핀(Single layer Graphene, SLG)이 성장된다. 성장된 그래핀의 특성을 평가하기 위해 광학적 분석(Optical analysis), 라만분석(Raman spectroscopy)과 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM), 분광 분석(Ultraviolet-visible spectroscopy, UV-Vis)으로 그래핀의 평균적인 두께를 알 수 있다.
본 논문에서는 RF 플라즈마 CVD 프로세스에 의한 그래핀 나노월의 효율적인 성장특성에 대한 것을 논하였다. 특히, 플라즈마 내부에 존재하는 양 및 음 전하로부터 기판으로의 충돌을 제어하기 위하여 기판 홀더에 인가되는 양극성 전압을 사용가하였다. 주요한 프로세스 단계로는 수소 플라즈마 상태에서 기판 표면의 이물질 제거 및 박막 성장의 시드를 제공하기 위하여 기판에 양의 바이어스 전압을 인가하여 전자 충격을 실시하였으며, 그 후 수소 및 메탄가스로 구성된 플라즈마 중에 음의 바이어스 인가하여 양 전하인 탄화수소 이온들에 의하여 박막을 성장시킬 수 있도록 약 10분 동안 프로세스를 진행하였다. 이때 성장된 박막은 투명한 탄화수소막으로서 그래핀의 특성과는 매우 상이하지만, 수소 플라즈마를 추가적으로 처리함에 의하여 투명한 탄화수소막이 그래핀 나노월로 변환됨을 보였다. 특히, 라만 스펙트럼 분석 결과에서 그래핀에 상당하는 강한 2D 피크가 존재함을 보였다.
This paper is tried to analysis the optical emission spectroscopy related to the position of inductive load coil and flow rates of methane and oxygen in the RF inductive plasma process. According to the position of load coil, peak of Hα, Hβ,and CH were appeared strongly at the middle position of the...
This paper is tried to analysis the optical emission spectroscopy related to the position of inductive load coil and flow rates of methane and oxygen in the RF inductive plasma process. According to the position of load coil, peak of Hα, Hβ,and CH were appeared strongly at the middle position of the coil and it decreased both direction. The electron temperature was approximately 0.9[eV] at that position. Emission intensities of Hα, Hβ, and CH increased linearly by increasing input power. In addition, intensities of Hα and Hβ increased by increasing the flow rate of oxygen. It might be ascribed that the oxygen species were bonded with by suppressing the combination with hydrogen atoms. Consequently, the optimal position of the inductive coil is decided to the intermediate position between 4th and 5th turns, the wanted carbon thin-film is possible to deposit by controlling flow rates of methane and oxygen.
Graphene which consist of simple carbon atom hexagonal honeycomb 2 dimensional materialone of carbon allotrope such as diamond, carbon nano tube(CNT) and fullerene. Among human made thin film, graphene is the thinnest(0.34[㎚]) materialand has very fast carrier mobility and outstanding mechanical, chemical property. Because of that, 2 dimensional material including graphene, MoS2 and WS2 are studied for high electron mobility transistor(HEMT), ultra thin film, transparent conductor and various field. Out of consideration of time, cost, quality, CVD method is one of the way to graphene and widely used. In CVD method, for graphene growth, transition metal is used as catalyst metal. High carbon solid solubility catalyst metal like Ni, Co, Fe have two mechanism diffusion and surface adsorption for multi layer graphene(MLG). Following diffusion mechanism, MLG is very ununiform and it is hard to control the number of layer. Cu has low carbon solubility however, and it means there is only one mechanism surface adsorption thus, uniform SLG(Single Layer Graphene) is synthesized.
This work carried out for the effective synthesis characteristics of graphene nanowall film by RF plasma enhanced CVD process. For that, the bipolar bias voltage was applied to the substrate holder such as Si and glass materials for adjusting the influence of the collision of the positive and negative charges existing in the plasma. For supplying cites of the seed formation for film and removing the oxidation layer on the substrate surface, the electron bombardment into substrates was performed by a positive few voltage. After that, carbon film, which is not a graphene nanowall, was deposited on substrates under a negative bias voltage. At this step, the film on substrates could not easily identify due to its transparent characteristics. However, the transparent film was easily changed into graphene nanowall by the final hydrogen plasma treatment process. The resultant raman spectra shows the existence of significant large 2D peaks corresponding to the graphene.
This paper is tried to analysis the optical emission spectroscopy related to the position of inductive load coil and flow rates of methane and oxygen in the RF inductive plasma process. According to the position of load coil, peak of Hα, Hβ,and CH were appeared strongly at the middle position of the coil and it decreased both direction. The electron temperature was approximately 0.9[eV] at that position. Emission intensities of Hα, Hβ, and CH increased linearly by increasing input power. In addition, intensities of Hα and Hβ increased by increasing the flow rate of oxygen. It might be ascribed that the oxygen species were bonded with by suppressing the combination with hydrogen atoms. Consequently, the optimal position of the inductive coil is decided to the intermediate position between 4th and 5th turns, the wanted carbon thin-film is possible to deposit by controlling flow rates of methane and oxygen.
Graphene which consist of simple carbon atom hexagonal honeycomb 2 dimensional materialone of carbon allotrope such as diamond, carbon nano tube(CNT) and fullerene. Among human made thin film, graphene is the thinnest(0.34[㎚]) materialand has very fast carrier mobility and outstanding mechanical, chemical property. Because of that, 2 dimensional material including graphene, MoS2 and WS2 are studied for high electron mobility transistor(HEMT), ultra thin film, transparent conductor and various field. Out of consideration of time, cost, quality, CVD method is one of the way to graphene and widely used. In CVD method, for graphene growth, transition metal is used as catalyst metal. High carbon solid solubility catalyst metal like Ni, Co, Fe have two mechanism diffusion and surface adsorption for multi layer graphene(MLG). Following diffusion mechanism, MLG is very ununiform and it is hard to control the number of layer. Cu has low carbon solubility however, and it means there is only one mechanism surface adsorption thus, uniform SLG(Single Layer Graphene) is synthesized.
This work carried out for the effective synthesis characteristics of graphene nanowall film by RF plasma enhanced CVD process. For that, the bipolar bias voltage was applied to the substrate holder such as Si and glass materials for adjusting the influence of the collision of the positive and negative charges existing in the plasma. For supplying cites of the seed formation for film and removing the oxidation layer on the substrate surface, the electron bombardment into substrates was performed by a positive few voltage. After that, carbon film, which is not a graphene nanowall, was deposited on substrates under a negative bias voltage. At this step, the film on substrates could not easily identify due to its transparent characteristics. However, the transparent film was easily changed into graphene nanowall by the final hydrogen plasma treatment process. The resultant raman spectra shows the existence of significant large 2D peaks corresponding to the graphene.
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