Graphene, an atomically flat monolayer of carbon atoms densely packed in honeycomb lattice, is a basic building block for all others dimensional graphite materials like Bucky ball (0D), carbon nanotube (1D) and graphite (3D). Dimensional crystals such as graphene had been believed to be thermodynamically unstable and not to exist in nature until the discovery of graphene with a graphite flake and plastic adhesive tape was experimentally demonstrated in 2004. After that many researchers have surged in demonstration graphene’s excellent electrical and physical properties. In graphene research area, the biggest obstacle is how to grow large scale graphene and transfer arbitrary substrate.
In this work, to make wafer scale graphene, CVD graphene synthesis on metal method is used. Using thin film Cu film, various process parameter (process temperature, pre-annealing time, ambient pressure, gas flow rate, annealing time) is controlled. Thus, high quality graphene is synthesized on wafer scale thin film Cu. and without metal catalyst, graphitic carbon film is synthesized on Yttrium oxide. From Raman spectra and Atomic Force Microscopy(AMF), highly ordered graphitic carbon film is verified. And for the semiconductor device application, graphene which is synthesized on metal surface should be transferred on dielectric substrate. To improve results of old transfer method, baking step is introduced before remove PMMA in acetone. Thus graphene is transferred without cracks and wrinkles. And using photo lithography new graphene transfer method is developed. This method is compatible with conventional CMOS process, so it can be used mass production process.
미래 전자 소자로서 그래핀을 응용하기 위해서는 고품질의 그래핀 합성과 손상 없이 원하는 기판으로의 transfer하는 기술이 필수이다.
이를 위하여 thin film Cu를 이용하여 합성온도, gas flow rate, pre-annealing 효과, surface pretreatment, pressure 등 여러 가지 CVD 그래핀 합성의 조건을 변화시키며 그에 따른 그래핀 morphology를 살펴보았다. 이를 통하여 Multi-layer 그래핀과 mono-layer 그래핀의 합성 조건을 밝혀 내었다. 또한 thin film Cu에 high carbon solubility 를 갖는 금속을 첨가하여 그래핀의 coverage 를 높이고 샘플 전면적에 uniform한 mono-layer그래핀을 합성하였다.
또한 금속 촉매를 이용하지 안고 Yttrium oxide 기판 위에 CVD방법을 통하여 직접적으로 graphitic film을 성공적으로 증착하였다. Raman spectrum과 AFM 측정을 통하여 graphitic film의 존재를 확인 하였으며 film의 두께를 측정 하였다. 두께 조절과 얇은 층의 그래핀을 합성과 film의 quality 개선을 위해서는 성장 조건에 대한 더 많은 실험이 필요하지만, 이 방법은 uniform large area 그래핀을 dielectric 기판 위에 직접 증착 하기 위한 길잡이가 될 수 있다.
마지막으로 금속 촉매 위에서 합성된 그래핀의 경우 전자 소자로서 응용되기 위해서는 원하는 기판으로의 transfer가 필요하다. 하지만 기존의 방법은 금속 촉매와 그래핀 본연의 grain boundary와 주름 등으로 인해 crack이 생기고 찢어지게 된다. 이를 개선하기 위하여 transfer 과정 중 baking과정을 도입하여 그래핀을 기판 위에서 release해주어 그래핀에 손상 없이 transfer 가증하게 하였다. 또한 금속 촉매 위에 합성된 그래핀에 직접 patterning과 etching을 통하여 기존의 conventional CMOS process와 compatible한 transfer 방법을 고안하여 합성된 그래핀을 mother substrate로 직접 transfer하여 기존의 transfer 방법을 개선하였다.
