(57)【要約】【課題】グラフェンを電子素子作製に利用した場合、グラフェンの層数は電子素子の特性に影響を与える。そのため、グラフェンの層数は均一であることが求められる。グラフェン成長は、触媒金属表面の結晶状態に大きく影響を受ける。そのため、均一なグラフェン成長のためには、触媒金属は単結晶であることが望まれる（例えば特許文献１参照）。前記従来の結晶性基板上に金属膜の単結晶を成長する方法では、均一なグラフェン成長を実現する結晶性基板と金属の組み合わせが限定されていた。【解決手段】ＭｇおよびＡｌが酸素間に配位したスピネル単結晶基板上に銅の単結晶膜を成長させたものを基板とし、グラフェンを成長させる。【選択図】図１
2014055086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭｇおよびＡｌが酸素間に配位しその比率が１：２であるスピネル単結晶（１１１）面基板上に、銅の単結晶膜を成長させたものを触媒とし、炭素を含む原料ガスによりＣＶＤ法によりグラフェンの成長を行うことを特徴とするグラフェンの製造方法。
【請求項２】
前記成長させたグラフェンをチャネルとして用いるトランジスタを形成する工程を含む、
請求項１に記載グラフェンの製造方法。
【請求項３】
単結晶のＭｇＡｌ２Ｏ４の上に、銅の単結晶膜を形成する工程と、
炭素を含む原料ガスを用いたＣＶＤ法により、前記銅の単結晶膜の上に、グラフェンを成長させる工程とを含む、
グラフェンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラフェンの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
グラフェンは、ニッケルや銅、ルテニウム等の金属を触媒とし、炭素を含むガスや固体状の炭素を原料として成長できることが知られている。（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
グラフェンを電子素子作製に利用した場合、グラフェンの層数は電子素子の特性に影響を与える。そのため、グラフェンの層数は均一であることが求められる。
【０００４】
グラフェン成長は、触媒金属表面の結晶状態に大きく影響を受ける。そのため、均一なグラフェン成長のためには、触媒金属は単結晶であることが望まれる（例えば特許文献１参照）。しかし、金属単結晶は大きなものの育成が難しく、大面積基板による効率的なグラフェン成長という点からは好ましくない。
【０００５】
この課題に対し、結晶性基板上に金属膜の単結晶を成長し、それを触媒として利用する方法が提唱されている。これまで、ｃ面サファイア上ルテニウム（非特許文献２参照）と、ＭｇＯ（１１１）基板上銅（非特許文献３参照）の組み合わせで、均一なグラフェン成長が実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０２５０４５号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】S. Hagstromら著, Phys. Rev. Lett誌 １９６５年１５号頁４９１
【非特許文献２】Yoshiiら著、Nano Letters誌２０１１年１１号頁２６２８
【非特許文献３】Ogawaら著、The Journal of Physical Chemistry Letters誌２０１２年３号頁２１９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の結晶性基板上に金属膜の単結晶を成長する方法では、均一なグラフェン成長を実現する結晶性基板と金属の組み合わせが限定されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明ではスピネル単結晶（１１１）面基板を利用し、その上に成長させた銅の結晶膜をグラフェン成長に利用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の方法により、おおよそ均一なグラフェンを成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１グラフェンの成長手順を示す図。
【図２】グラフェンを利用したトランジスタの作製手順を示す図。
【図３】グラフェンを利用したトランジスタの作製手順を示す図。
【図４】グラフェンを利用したトランジスタの作製手順を示す図。
【図５】スピネル単結晶（１１１）面基板上に成長した銅膜の｛２００｝極点図。
【図６】ｃ面サファイア基板上に成長した銅膜の｛２００｝極点図。
【図７】スピネル単結晶（１１１）面基板上に成長した銅膜を用いグラフェン成長した後の表面顕微鏡像を示す図。
【図８】ラマン分光における２Ｄ強度分布を示す図。
【図９】ｃ面サファイア基板上に成長した銅膜を用いグラフェン成長した後の表面顕微鏡像を示す図。
【図１０】ラマン分光における２Ｄ強度分布を示す図。
【図１１】ｃ面サファイア基板上に成長したニッケル膜の｛２００｝極点図。
【図１２】ｃ面サファイア基板上に成長したニッケル膜を用いグラフェン成長した後の表面顕微鏡像を示す図。
【図１３】スピネル単結晶（１１１）面基板上に成長したニッケル膜の｛２００｝極点図。
【図１４】スピネル単結晶（１１１）面基板上に成長したニッケル膜を用いグラフェン成長した後の表面顕微鏡像を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、実施形態１のグラフェン成長手順を示す。
【００１４】
ここでは、発明の実施に影響を与えない要素、例えばグラフェン成長に利用されない部分に形成されている可能性のある素子などは記載していない。また、図は概念図であり、その縮尺、縦横比等は全く考慮されていない。
【００１５】
（ステップＳ１  基板１０１の準備）
基板１０１は、ＭｇおよびＡｌが酸素間に配位されたスピネル単結晶であり、かつ、その表面が（１１１）面を有する基板を用いる。一般的に、スピネルは、スピネル型構造のＸＹ２Ｏ４（Ｘ：Ｍｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｙ：Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒなど）の組成を有する材料を意味する。
【００１６】
スピネル型構造は、酸素が面心立方型の基本骨格を形成し、その酸素間に異種材料が配位した構造である。本明細書のスピネル型構造は、酸素間に、ＭｇとＡｌが１：２の割合で配位した構造を意味する。本明細書のスピネルの化学式は、ＭｇＡｌ２Ｏ４である。
【００１７】
スピネルは、潮解性を有さないため、ＭｇＯとは異なり安定な材料である。例えば、ＣＺ法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）などを用いて育成した単結晶基板が入手可能である。
【００１８】
ステップ２の前に、基板１０１の（１１１）面を洗浄することが望ましい。これにより、基板１０１の（１１１）面の不純物および異物を取り除く。
【００１９】
例えば、アセトン中による超音波処理を用いて、基板１０１を洗浄する。また、有機系の不純物を除去するためには、ＵＶオゾナイザによるオゾン暴露を用いて、基板１０１を洗浄しても良い。液体を用いた洗浄をする場合、乾燥窒素等を利用し、十分乾燥させる。
【００２０】
なお、基板１０１の下に、他の単結晶の材料が位置されていても良い。
【００２１】
（ステップＳ２  金属膜堆積）
基板１０１の（１１１）面上に、金属膜１０２を堆積させる。金属膜１０２の材料は、銅である。例えば、スパッタリング法を用いて、金属膜１０２を堆積させる。スパッタリング装置のチャンバー内に基板１０１を配置し、基板１０１の（１１１）面に対して、金属膜１０２の材料をスパッタリングする。
【００２２】
金属膜１０２を堆積する時は、基板１０１を加熱することは必須ではない。ただし、加熱した基板１０１上に、金属膜１０２を堆積することにより、結晶化を促進できるため、次の固相エピタキシー工程を短時間化することができる。
【００２３】
なお、金属膜１０２の堆積時に、所定以上の温度あり、かつ、所定以下の速度で金属膜１０２を堆積させることで、基板１０１上に、単結晶の金属膜１０２を堆積することも可能である。この場合には、次のステップＳ３を省略することができる。金属膜１０２は、２００ｎｍ以上の厚みを有することが望ましい。
【００２４】
この例示以外の厚みを用いても良い。スパッタリング装置のシャッターにより、スパッタリングする材料の調整することで、金属膜１０２の厚みを制御できる。
【００２５】
なお、金属膜１０２の堆積をするために、ＭＢＥ法、電子ビーム蒸着法、又はＣＶＤ法などを利用することもできる。
【００２６】
（ステップＳ３  金属の固相エピタキシー）
次に、基板１０１上の金属膜１０２を単結晶化する。この工程は、上述のように、基板１０１上に、単結晶の金属膜１０２を堆積する場合には省略可能である。
【００２７】
基板１０１上の金属膜１０２である銅を加熱することにより、基板１０１の影響を受けながら、銅を単結晶にする。つまり、金属膜１０２は基板１０１の（１１１）面と接しており、金属膜１０２を加熱することにより、基板１０１の（１１１）面の結晶構造を反映させた結晶構造に変化させることができる。これを、固相エピタキシー（Ｓｏｌｉｄ−Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：  ＳＰＥ）と呼ぶ。
【００２８】
例えば、次のグラフェン成長の工程を行う炉内で、金属膜１０２を熱処理する。
【００２９】
熱処理に要する時間は、熱処理温度と、金属膜１０２の厚みとに依存する。金属膜１０２が単結晶化したか否かは、Ｘ線回折又はＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）分析により、確認できる。熱処理温度及び金属膜１０２の厚みに対して処理時間が十分であるか、条件検討用試料を用いて確認し、十分であることが確認できた処理時間を用いて処理を行えばよい。
【００３０】
還元性又は不活性雰囲気下での熱処理することにより、金属膜１０２を単結晶金属膜１０３にする。例えば、水素を含む還元雰囲気又はアルゴンの不活性雰囲気で、金属膜１０２を熱処理することが望ましい。その他の加熱処理する雰囲気の例は、１０００℃において酸素圧力が１０−４Ｐａ以下の超高真空である。
【００３１】
酸化性の気体を含む雰囲気中で熱処理する場合、金属膜１０２の表面が酸化する可能性があるため、望ましくない。また、炭素を含む分子が含まれた雰囲気中で熱処理を行うと、金属膜１０２の表面にアモルファスカーボン等が堆積する恐れがあるのでやはり望ましくない。
【００３２】
例えば、常圧の水素雰囲気下で、１０５０℃に加熱し、かつ、２０分間維持することにより、金属膜１０２が１μｍの厚みを有する銅を単結晶化することができる。
【００３３】
以下、触媒構造体１０５は、基板１０１と、基板１０１上に位置する単結晶金属膜１０３とを備えることを意味する。
【００３４】
（ステップＳ４  グラフェン１０４の成長）
次に、単結晶金属膜１０３上に、グラフェン１０４を成長させる。
【００３５】
触媒構造体１０５を、単結晶金属膜１０３の表面が酸化されていない状態で、炭素を含む原料ガス雰囲気下に位置する。次に、触媒構造体１０５を、加熱し、その後、冷却することにより、単結晶金属膜１０３の表面に、グラフェン１０４を成長させる。
【００３６】
炭素を含む原料ガスの例は、メタン又はエチレン等の炭化水素である。または、炭素を含む原料ガスは、樟脳等の炭素含有分子でもよい。なお、原料ガスは、純粋なメタン又はエチレンの場合、アモルファスカーボンが成長する可能性があるため、水素又はアルゴンにより１００ｐｐｍから１％程度に希釈された原料ガスが望ましい。また、その圧力は大気圧でも減圧でも良い。なお、圧力が高い場合には、やはりアモルファスカーボンが成長しやすいため、減圧雰囲気が好ましい。
【００３７】
触媒構造体１０５を、加熱する温度や時間は、原料ガスの種類、単結晶金属膜１０３の種類及び厚みに依存する。単結晶金属膜１０３が銅で、原料ガスが１００ｐｐｍの水素希釈エチレンの場合、グラフェンが成長する条件の一例は、原料ガス圧力３５０Ｐａ前後、１０００℃以上１０５０℃以下の温度範囲で２０分加熱である。なお、銅触媒でグラフェンを成長させられるのであれば、ここに開示した条件以外の条件を用いることは本発明の実施を妨げない。
【００３８】
ステップＳ３において、還元性雰囲気（ｒｅｄｕｃｉｎｇ  ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ）下で、単結晶金属膜１０３を熱処理することにより、単結晶金属膜１０３の表面が酸化されていない状態にすることができる。この場合、ステップＳ３の後、触媒構造体基板１０５にグラフェンを成長させるのに適した所定の温度に加熱し、かつ、炉内の雰囲気を原料ガス雰囲気に変更するだけでよい。
【００３９】
ステップＳ３とステップＳ４とを別の炉で行う場合あるいはステップＳ３を不活性雰囲気で処理した場合、ステップＳ４でグラフェン成長させる炉内でステップＳ４に先立ち、単結晶金属膜１０３の表面の還元処理を行う。すなわち、還元性雰囲気下で、触媒構造体１０５を加熱する。例えば、水素雰囲気下において１０５０℃で２０分間加熱する。
【００４０】
還元に要する時間や温度は表面の酸化状態に依存する。表面還元が不十分な場合、グラフェン成長がうまく行われない。そこで、発明の実施者は試作サンプルにおいて、還元処理が十分かを確認し、還元処理が十分であることを確認した条件を用いればよい。
【００４１】
還元処理が行われた後に、同一炉内でステップＳ４を行う。ここまでの工程で、単結晶金属膜１０３上に、グラフェン１０４が成長せることができる。以下、積層体１０６は、基板１０１と、基板１０１上に位置する単結晶金属膜１０３と、単結晶金属膜１０３上に位置するグラフェン１０４と備えることを意味する。グラフェン１０４はトランジスタ等の製造に利用することができる。
【００４２】
図２〜図４に、ここまでの工程で成長させたグラフェン１０４を利用したトランジスタの製造方法手順の一例を示す。なお、グラフェン１０４の用途および利用手順は下記例に限定されるものではない。
【００４３】
（ステップＳ５  樹脂塗布）
積層体１０６に含まれるグラフェン１０４上に、硬化性樹脂２０１を塗布し、硬化させる。硬化性樹脂２０１の材料は、例えば、ＰＭＭＡ等である。
【００４４】
（ステップＳ６  金属除去）
次に、塩酸や塩化第二鉄等のエッチング液により単結晶金属膜１０３を除去する。この工程により、グラフェン（１０４）と硬化性樹脂（２０１）の積層体（２１０）が、スピネル基板（１０１）から離れる。
【００４５】
（ステップＳ７  転写）
積層体（２１０）を、酸化膜（２０３）が表面に形成された低抵抗シリコン基板（２０２）上に載せる。
【００４６】
（ステップＳ８  樹脂の除去）
アセトン等の有機溶剤により硬化性樹脂（２０１）を除去する。この工程により、グラフェン（１０４）のみが低抵抗シリコン基板（２０２）表面の酸化膜（２０３）上に残る。
【００４７】
（ステップＳ９  グラフェン１０４の加工）
フォトリソグラフィーないしは電子ビームリソグラフィー技術を用いて、グラフェンを素子として用いる範囲にのみマスク（３０１）を形成し、その他の領域のグラフェンをドライエッチングを用いて除去する。
【００４８】
（ステップＳ１０  ソース・ドレイン堆積）
フォトリソグラフィーないしは電子ビームリソグラフィー技術を用いて、ソース・ドレインとなる領域のみ開口したマスク（３０２）を形成する。その後、全面にニッケル等の金属（２０４），（２０５）を堆積する。
【００４９】
（ステップＳ１１  リフトオフ）
アセトン等の有機溶剤を用いてマスク（３０２）をその上に堆積した金属（２０５）ごと除去する。結果、グラフェン（１０４）上のソース・ドレイン領域にのみ金属（２０４）が残る。
【００５０】
以上のプロセスにより、低抵抗シリコン基板（２０２）をゲート電極、シリコン酸化膜（２０３）をゲート絶縁膜とし、グラフェン（１０４）をチャネルとする電界効果型トランジスタが完成する。必要に応じ、パッシベーション膜や配線等を追加して利用する。これらに関しては、一般的半導体プロセスであるので、明を省略する。
【実施例】
【００５１】
以下の実験例は、本発明をより詳細に説明する。
【００５２】
（実施例１）
図１に示される基板（１０１）を以下のように用意した。
【００５３】
有限会社クリスタルベースから購入したＣＲＹＳＴＡＬ  ＧｍｂＨ製の（１１１）面を有するスピネルの基板１０１を利用した。基板１０１の組成は、Ｍｇ：Ａｌ＝１：２であった。
【００５４】
基板１０１を常温のアセトン中で２０分間超音波洗浄した後、乾燥窒素によるブロー乾燥を行った。次に、株式会社エイコー製ＲＦスパッタ装置で、スピネル（１１１）基板上に、金属膜１０２を堆積させた。金属膜１０２の材料は、銅であった。このとき、スパッタ装置のチャンバー内の環境は、基板設定温度３００℃であり、１Ｐａのプロセス圧力、ＲＦ出力１００Ｗの条件であった。約１０ｎｍ／ｍｉｎの堆積速度で２０分間銅を堆積した。
【００５５】
金属膜１０２を堆積させた基板１０１を、アルバック理工社製常圧ＣＶＤ装置のチャンバー内に導入し、大気圧の水素雰囲気に置換した後、１０５０℃に加熱、２０分間保持した。
【００５６】
この後、基板温度はそのままで、チャンバー内を３５０Ｐａの１％エチレン９９％水素雰囲気に置換し２０分間保持した。
その後、ヒーターへの電源供給を停止し、室温まで冷却してＣＶＤ装置から取り出した。
【００５７】
プロセス完了後の結晶状態を調査するため、Ｘ線回折装置により金属結晶の｛２００｝面が現れる数を調べた。ブラッグの反射条件から特定の面からの反射は、入射Ｘ線と反射Ｘ線の成す角が面間隔と特定の関係にあり、かつその面に対する入射角と反射角が一致する場合にのみ観測される。そのため、Ｘ線源と測定器の相対的な角度を｛２００｝面に対応するように固定しておき、結晶を回転させれば、｛２００｝面がブラッグの反射条件を満たす方向を向いた時だけ反射Ｘ線が測定器に入る。
【００５８】
そこで、結晶を色々な向きに回転させ、何種類の向きで反射Ｘ線が測定器に入るかを数えることで、結晶が何枚の｛２００｝面を持つかを知ることが出来る。結晶の向きは天頂角と方位角の２つの角度で指定することができる。今回は、天頂角が０から９０度、方位角が０から３６０度の半球領域を調査した。その結果を図５に示す。
【００５９】
銅の単結晶には、｛２００｝面は６個しか存在せず、今回調査した天頂角が０から９０度、方位角が０から３６０度の半球領域には３個しか存在しない。
【００６０】
図５には３個の回折極（５０１）が見られた。つまり実施例１の金属膜１０２が単結晶であることが確認できた。また、表面の顕微鏡写真を図７に示す。ダストが原因と推定される局所的な膜はがれ７０２の領域を除けば、表面はきわめて均一である。図７中７０１で示した領域をラマン分光法で評価した結果を図８に示す。図８はグラフェン１０４の層数と強い相関関係があることが知られている２Ｄピークと呼ばれる信号の値の分布を示したものである。ラマン分光で評価した範囲において、２Ｄピークの強度は均一であり、これは均一なグラフェンが成長したことを示す。
【００６１】
（比較例１）
基板１０１が、ｃ面サファイアであること以外は、実施例１と同様の実験が行われた。ｃ面サファイアは、京セラ株式会社から購入した材料を用いた。図６に｛２００｝面の数を調べた結果を示す。スピネルの場合とは異なり、６つの｛２００｝面からの極（６０１）が確認された。これは銅膜が双晶であることを示す。またグラフェン成長後の表面顕微鏡写真を図９に示す。スピネル基板の場合には見られなかった、幾何学的な双晶境界（９０２）が明らかに認められた。また、図９の四角で囲んだ範囲（９０１）をラマン分光法で評価した結果を図１０に示す。２Ｄピーク強度の増大が、双晶境界において見られる。これは双晶境界においてグラフェンが多層化したことを示す。つまり、サファイア基板を用いたサンプルでは双晶が原因となり、グラフェンの均一成長が妨げられた。
【００６２】
（比較例２）
基板１０１をｃ面サファイアに変更、金属膜１０２の材質をニッケルに変更、原料ガスを１％メタン９９％水素に変更した実施例１と同様の実験が行われた。図１１に｛２００｝面の数を調べた結果を示す。比較例１同様、６つの｛２００｝面からの極（１１０１）が確認された。すなわち、ニッケルの場合においても、ｃ面サファイアを基板とした場合、双晶が形成されることが確認された。また、グラフェン成長後の表面顕微鏡写真を図１２に示す。黒くなった部分は、多層グラフェンないしはグラファイトが析出した部分である。双晶境界特有の１２０°の角度をもつ幾何学模様に析出が生じているのが確認できた。このように、ｃ面サファイア基板上のニッケル金属膜においても双晶が原因となり、グラフェンの均一成長が妨げられた。
【００６３】
（比較例３）
基板１０１が実施例１に用いたスピネルと同一であることを除けば、比較例２と同様の実験が行われた。図１３に｛２００｝面の数を調べた結果を示す。実施例１と同様３つの極（１３０１）しか確認されず、スピネル基板上ではニッケルも単結晶化することが確認された。図１４にグラフェン成長後の表面顕微鏡写真を示す。比較例２同様、多層グラフェンないしはグラファイトが析出し、黒くなった領域（１４０１）が確認できる。このように、金属膜１０２としてニッケルを用いた場合には、金属層１０２が単結晶化してもグラフェンの均一成長が困難であることが判明した。この原因は、ニッケルの炭素固溶度が高く、ＣＶＤ成長中に金属膜１０２に過剰に溶け込んだ炭素が冷却過程において表面に析出するためと推定される。本発明に利用する銅は、ニッケルよりも炭素固溶度が低く、このような過剰析出が抑制されたものと推定される。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の方法により均一なグラフェンを成長させることができ、トランジスタの製造等に利用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１０１  基板
１０２  金属膜
１０３  単結晶金属膜
１０４  グラフェン
１０５  単結晶金属膜を成長させた基板
１０６  積層体
２０１  硬化性樹脂
２０２  低抵抗シリコン基板
２０３  酸化膜
２０４  金属
２０５  金属
２１０  積層体
３０１  マスク
３０２  マスク
５０１  銅結晶｛２００｝面からの回折
６０１  銅結晶｛２００｝面からの回折
７０１  ラマン分光測定を行った範囲
７０２  ダストに起因する膜はがれ領域
９０１  ラマン分光測定を行った範囲
９０２  双晶境界
１１０１  ニッケル結晶（２００）面からの回折
１２０１  双晶境界に析出したグラファイト
１３０１  ニッケル結晶（２００）面からの回折
１４０１  析出したグラファイト
【図１】
2014055086.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014055086.tif 000009
【図８】
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【図９】
2014055086.tif 000011
【図１０】
2014055086.tif 000012
【図１１】
2014055086.tif 000013
【図１２】
2014055086.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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