基于Cu膜退火的Si襯底圖形化石墨烯制備方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種基于Cu膜退火的Si襯底圖形化石墨烯制備方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)制備的石墨烯形狀不規(guī)則，需要先圖形化后，才可制成晶體管且過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)率低的問(wèn)題。其實(shí)現(xiàn)步驟是：首先在Si襯底上生長(zhǎng)一層碳化層作為過(guò)渡；然后進(jìn)行3C-SiC薄膜異質(zhì)外延生長(zhǎng)；再在3C-SiC樣片表面淀積一層SiO2，并在SiO2上光刻出圖形窗口；然后將裸露的3C-SiC與氣態(tài)CCl4反應(yīng)，生成碳膜；再將生成的碳膜樣片置于緩沖氫氟酸溶液中去除圖形以外的SiO2；再在碳膜上利用PVD法鍍一層Cu膜；將它們一同置于Ar氣中退火，生成圖形化石墨烯；最后去除Cu膜。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)制備的圖形化石墨烯產(chǎn)量大，分布均勻，不用進(jìn)行刻蝕就可直接進(jìn)行電極沉積等工藝步驟，制成半導(dǎo)體元器件。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)屬于微電子
，涉及一種半導(dǎo)體薄膜材料及其制備方法，具體地說(shuō)是。
技術(shù)介紹
自從2004年英國(guó)Manchester大學(xué)的Andre Geim和他的合作者Kostya Novoselov使用機(jī)械剝離法首次制備出石墨烯以來(lái)，石墨烯即引起了全球轟動(dòng)，從而引發(fā)了材料、凝聚 態(tài)物理、微電子、化學(xué)等領(lǐng)域的研究熱潮。石墨烯是由SP2雜化的單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，這是目前發(fā)現(xiàn)最薄的材料。它不僅具有比碳納米管更為優(yōu)越的性質(zhì)，而且還克服了碳納米管具有較大的接觸電阻，難以逾越的手性控制、金屬型和半導(dǎo)體型分離以及催化劑雜質(zhì)等諸多缺點(diǎn)，更容易與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝技術(shù)相兼容，為制備碳基納米器件帶來(lái)了很大的靈活性，被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界認(rèn)為是post-CMOS時(shí)代微電子技術(shù)取代硅，克服目前電子器件越來(lái)越小所遇到的尺寸極限效應(yīng)的技術(shù)瓶頸最有希望的候選材料。石墨烯由于其優(yōu)異的電學(xué)特性，引起了廣泛關(guān)注，繼而制備石墨烯的新方法層出不窮，但使用最多的主要有化學(xué)氣相沉積法和熱分解SiC法兩種。化學(xué)氣相沉積法，是制備半導(dǎo)體薄膜材料應(yīng)用最廣泛的一種大規(guī)模工業(yè)化方法，它是利用甲烷、乙烯等含碳化合物作為碳源，通過(guò)其在基體表面的高溫分解生長(zhǎng)石墨烯，最后用化學(xué)腐蝕法去除金屬基底后即可得到獨(dú)立的石墨烯片。通過(guò)選擇基底的類(lèi)型、生長(zhǎng)的溫度、前驅(qū)體的流量等參數(shù)可調(diào)控石墨烯的生長(zhǎng)，如生長(zhǎng)速率、厚度、面積等，此方法的缺點(diǎn)是制備工藝復(fù)雜，能源消耗大，成本較高，精確控制較差，而且獲得的石墨烯片層與襯底相互作用強(qiáng)，喪失了許多石墨烯的性質(zhì)，且石墨烯的連續(xù)性不是很好。熱分解SiC法，是通過(guò)高溫加熱使得SiC襯底表面碳硅鍵斷裂，使SiC表面上的Si原子升華，剩余C原子在原襯底表面重構(gòu)，形成石墨烯。然而，SiC熱分解時(shí)溫度較高，并且生長(zhǎng)出來(lái)的石墨烯呈島狀分布，孔隙多，而且做器件時(shí)由于光刻，干法刻蝕等會(huì)使石墨烯的電子遷移率降低，從而影響了器件性能。石墨烯已被證明可以應(yīng)用于多種電子器件的制備，如分子傳感器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、太陽(yáng)能電池等等。基于微納器件的制備，通常需要對(duì)石墨烯進(jìn)行圖形化，目前常用的石墨烯圖形化方法有I)光刻法。對(duì)大面積石墨烯進(jìn)行光刻、離子刻蝕工藝，得到圖形化的石墨烯，這種方法圖形化精度高，但是工藝難度大，工藝過(guò)程中容易對(duì)石墨烯造成污染與損傷；2)直接生長(zhǎng)法。在金屬膜基底上生長(zhǎng)圖形化的石墨烯再轉(zhuǎn)移到元器件襯底，這種方法無(wú)需用到后續(xù)的光刻蝕工藝，但是無(wú)法將石墨烯精確定位到襯底上；3)納米壓印法。在需要有圖形的地方壓印出石墨烯，這種方法方便簡(jiǎn)單，但是無(wú)法得到較為復(fù)雜的圖形，模板制備成本也很高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種，以提高表面光滑度和連續(xù)性、降低孔隙率、減少成本，實(shí)現(xiàn)在Si襯底上選擇性地生長(zhǎng)出圖形化石墨烯，以免除在后續(xù)制造器件過(guò)程中要對(duì)石墨烯進(jìn)行刻蝕的工藝過(guò)程，保證石墨烯的電子遷移率穩(wěn)定，提高器件性能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)的制備方法包括以下步驟(I)對(duì)4-12英寸的Si襯底基片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；(2)將清洗后的Si襯底基片放入CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室抽真空達(dá)到10_7mbar級(jí)別； (3)在H2保護(hù)的情況下，使反應(yīng)室逐步升溫至碳化溫度900°C -1100°C，通入流量 為40ml/min的C3H8,對(duì)襯底進(jìn)行碳化3_8min,生長(zhǎng)一層碳化層；(4)對(duì)反應(yīng)室加熱至IlOO0C _1250 °C，通入C3H8和SiH4,使C3H8和SiH4反應(yīng)35-70min,在碳化層表面異質(zhì)外延生長(zhǎng)一層3C_SiC薄膜,然后在H2保護(hù)下逐步冷卻至室溫；(5)在生長(zhǎng)好的3C-SiC樣片表面利用PECVD淀積一層O. 5-1 μ m厚的SiO2,作為掩膜；(6)在SiO2掩膜表面涂一層光刻膠，再在掩膜上刻出與所需制作的器件的襯底形狀相同的窗口，露出3C-SiC，形成與窗口形狀相同的圖形；(7)將形成圖形的樣片置于石英管中，再對(duì)石英管加熱至800-1000°C ；(8)對(duì)裝有CCl4液體的三口燒瓶加熱至60_80°C，再向三口燒瓶中通入Ar氣，利用Ar氣攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管中，使CCl4與裸露的3C-SiC反應(yīng)30_120min，生成碳膜；(9)將生成的碳膜樣片置于緩沖氫氟酸溶液中以去除圖形以外的SiO2 ；(10)在碳膜上利用PVD法鍍一層200-300nm厚的Cu膜；(11)將鍍有Cu膜的樣片置于Ar氣中，在溫度為900-1100°C下退火10-25分鐘，使碳膜在圖形位置重構(gòu)成圖形化石墨烯；(12)將生成的圖形化石墨烯的樣片置于FeCl3溶液中以去除Cu膜，獲得圖形化石墨稀材料。本專(zhuān)利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)I.本專(zhuān)利技術(shù)由于3C_SiC可異質(zhì)外延生長(zhǎng)在Si圓片上，因而用此方法生長(zhǎng)的圖形化石墨烯成本低，成品率高，適宜未來(lái)集成工藝的發(fā)展。2.本專(zhuān)利技術(shù)由于利用3C_SiC與CCl4氣體反應(yīng)，因而生成的圖形化石墨烯表面光滑，孔隙率低。3.本專(zhuān)利技術(shù)由于利用在Cu膜上退火，因而生成的碳膜更容易重構(gòu)形成連續(xù)性較好，形狀規(guī)則的圖形化石墨烯。4.本專(zhuān)利技術(shù)由于選擇性地生長(zhǎng)了圖形化石墨烯，在此石墨烯上制作元器件時(shí)無(wú)需光刻即可直接進(jìn)行電極沉積等工藝步驟，避免了刻蝕工藝對(duì)石墨烯造成污染和損傷，制作出的石墨稀晶體管具有聞轉(zhuǎn)換速度和聞遷移率。附圖說(shuō)明圖I是本專(zhuān)利技術(shù)制備石墨烯的裝置示意圖；圖2是本專(zhuān)利技術(shù)制備石墨烯的流程圖。具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，本專(zhuān)利技術(shù)的制備設(shè)備主要由三通閥門(mén)3，三口燒瓶8，水浴鍋9，石英管5，電阻爐6組成；三通閥門(mén)3通過(guò)第一通道I與石英管5相連，通過(guò)第二通道2與三口燒瓶8的左側(cè)口相連，而三口燒瓶8的右側(cè)口與石英管5相連，三口燒瓶中裝有CCl4液體，且其放置在水浴鍋9中，石英管5放置在電阻爐6中。三通閥門(mén)3設(shè)有進(jìn)氣口 4，用于向設(shè)備內(nèi)通入氣體。參照?qǐng)D2，本專(zhuān)利技術(shù)的制作方法給出如下三種實(shí)施例。實(shí)施例I·步驟I:去除樣品表面污染物。對(duì)4英寸的Si襯底基片進(jìn)行表面清潔處理，即先使用ΝΗ40Η+Η202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機(jī)殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟2 :將Si襯底基片放入CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室抽真空達(dá)到10_7mbar級(jí)別。步驟3 生長(zhǎng)碳化層。在H2保護(hù)的情況下將反應(yīng)室溫度升至碳化溫度900°C，然后向反應(yīng)室通入流量為40ml/min的C3H8,在Si襯底上生長(zhǎng)一層碳化層，生長(zhǎng)時(shí)間為8min。步驟4 :在碳化層上生長(zhǎng)3C_SiC薄膜。將反應(yīng)室溫度迅速升至生長(zhǎng)溫度1100°C，通入流量分別為15ml/min和30ml/min的SiH4和C3H8，進(jìn)行3C-SiC薄膜異質(zhì)外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間為70min ;然后在H2保護(hù)下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC薄膜的生長(zhǎng)。步驟5 :在生長(zhǎng)好的3C_SiC樣片表面淀積一層SiO2。(5. I)將生長(zhǎng)好的3C_SiC樣片放入PECVD系統(tǒng)內(nèi)，將系統(tǒng)內(nèi)部壓力調(diào)為3. OPaJf頻功率調(diào)為100W，溫度調(diào)為150°C ；(5. 2)向系統(tǒng)內(nèi)分別通入流速為30sccm的SiH4、流速為60sccm的N2O和流速為200sccm的N2,持續(xù)通入30min，使SiH4和N2O反應(yīng)在3C_SiC樣片表面淀積一層O. 5本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于Cu膜退火的Si襯底圖形化石墨烯制備方法，包括以下步驟：（1）對(duì)4？12英寸的Si襯底基片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；（2）將清洗后的Si襯底基片放入CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室抽真空達(dá)到10？7mbar級(jí)別；（3）在H2保護(hù)的情況下，使反應(yīng)室逐步升溫至碳化溫度900℃？1100℃，通入流量為40ml/min的C3H8，對(duì)襯底進(jìn)行碳化3？8min，生長(zhǎng)一層碳化層；（4）對(duì)反應(yīng)室加熱至1100℃？1250℃，通入C3H8和SiH4，使C3H8和SiH4反應(yīng)35？70min，在碳化層表面異質(zhì)外延生長(zhǎng)一層3C？SiC薄膜，然后在H2保護(hù)下逐步冷卻至室溫；（5）在生長(zhǎng)好的3C？SiC樣片表面利用PECVD淀積一層0.5？1μm厚的SiO2，作為掩膜；（6）在SiO2掩膜表面涂一層光刻膠，再在掩膜上刻出與所需制作的器件的襯底形狀相同的窗口，露出3C？SiC，形成與窗口形狀相同的圖形；（7）將圖形化的樣片置于石英管中，再對(duì)石英管加熱至800？1000℃；（8）對(duì)裝有CCl4液體的三口燒瓶加熱至60？80℃，再向三口燒瓶中通入Ar氣，利用Ar氣攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管中，使CCl4與裸露的3C？SiC反應(yīng)30？120min，生成碳膜；（9）將生成的碳膜樣片置于緩沖氫氟酸溶液中以去除圖形以外的SiO2；（10）在碳膜上利用PVD法鍍一層200？300nm厚的Cu膜；（11）將鍍有Cu膜的樣片置于Ar氣中，在溫度為900？1100℃下退火10？25分鐘，使碳膜在圖形位置重構(gòu)成圖形化石墨烯；（12）將生成的圖形化石墨烯的樣片置于FeCl3溶液中以去除Cu膜，獲得圖形化石墨烯材料。...

【技術(shù)特征摘要】

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：郭輝，張晨旭，張玉明，趙艷黎，雷天民，張克基，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：西安電子科技大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：