[發(fā)明專利]基于Cu膜退火和Cl2反應(yīng)的結(jié)構(gòu)化石墨烯制備方法

無效

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• 申請日: 2012-05-22
• 公開（公告）號: CN102718207A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭輝;張克基;張玉明;張鳳祁;鄧鵬飛;雷天民
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;H01L21/02
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體薄膜材料及其制備方法，具體地說是基于Cu膜退火和Cl₂反應(yīng)的結(jié)構(gòu)化石墨烯制備方法。

技術(shù)背景

石墨烯出現(xiàn)在實驗室中是在2004年，當(dāng)時，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮。目前的制備方法主要有兩種：

第一種方法是化學(xué)氣相沉積法，這種方法提供了一種可控制備石墨烯的有效方法,它是將平面基底，如金屬薄膜、金屬單晶等置于高溫可分解的前驅(qū)體，如甲烷、乙烯等氣氛中,通過高溫退火使碳原子沉積在基底表面形成石墨烯,最后用化學(xué)腐蝕法去除金屬基底后即可得到獨立的石墨烯片。通過選擇基底的類型、生長的溫度、前驅(qū)體的流量等參數(shù)可調(diào)控石墨烯的生長，如生長速率、厚度、面積等，此方法最大的缺點在于獲得的石墨烯片層與襯底相互作用強，喪失了許多單層石墨烯的性質(zhì)，而且石墨烯的連續(xù)性不是很好。

第二種方法是熱分解SiC法，這種方法將單晶SiC加熱以通過使表面上的SiC分解而除去Si，隨后殘留的碳形成石墨烯。然而，SiC熱分解中使用的單晶SiC非常昂貴，并且生長出來的石墨烯呈島狀分布，層數(shù)不均勻，而且做器件時由于光刻，干法刻蝕等會使石墨烯的電子遷移率降低，從而影響了器件性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于Cu膜退火和Cl₂反應(yīng)的結(jié)構(gòu)化石墨烯制備方法，以減少成本，提高石墨烯表面光滑度和連續(xù)性、降低孔隙率，實現(xiàn)在3C-SiC襯底上選擇性地生長結(jié)構(gòu)化石墨烯，以免除在后續(xù)制造器件過程中要對石墨烯進(jìn)行刻蝕的工藝過程，保證石墨烯的電子遷移率穩(wěn)定，提高器件性能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的制備方法包括以下步驟：

（1）對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，對反應(yīng)室抽真空達(dá)到10^-7mbar級別；

（3）在H₂保護(hù)的情況下，使反應(yīng)室逐步升溫至碳化溫度1000℃-1150℃，通入流量為40sccm的C₃H₈，對襯底進(jìn)行碳化4-8min，生長一層碳化層；

（4）對反應(yīng)室升溫至生長溫度1150℃-1350℃，通入C₃H₈和SiH₄氣體，進(jìn)行3C-SiC薄膜異質(zhì)外延生長，生長時間為36-60min，然后在H₂保護(hù)下逐步降溫至室溫，完成3C-SiC薄膜的生長；

（5）在生長好的3C-SiC薄膜表面利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積PECVD方法，淀積一層0.5-1μm厚的SiO₂掩膜層；

（6）在掩膜層表面涂一層光刻膠，并刻出與所需制作器件襯底形狀相同的窗口，露出3C-SiC，形成結(jié)構(gòu)化圖形；

（7）將開窗后的樣片置于石英管中，加熱至700-1100℃；

（8）向石英管中通入Ar氣和Cl₂氣的混合氣體，持續(xù)4-7min，使Cl₂與裸露的3C-SiC發(fā)生反應(yīng)，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窗口之外的SiO₂；

（10）將去除SiO₂后的碳膜樣片置于Cu膜上，再將它們一同置于Ar氣中，在溫度為900-1100℃下退火10-30分鐘，使碳膜在窗口位置重構(gòu)成石墨烯，再將Cu膜從石墨烯樣片上取開。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：

1.本發(fā)明由于利用在Cu膜上退火，因而生成的碳膜更容易重構(gòu)形成連續(xù)性較好的石墨烯。

2.本發(fā)明由于選擇性地生長了結(jié)構(gòu)化石墨烯，因而制作器件時不再需要光刻，使得石墨烯中的電子遷移率不會降低，從而制作的器件性能得到保證。

3.本發(fā)明中3C-SiC與Cl₂可在較低的溫度和常壓下反應(yīng)，且反應(yīng)速率快。

4.本發(fā)明由于利用3C-SiC與Cl₂氣反應(yīng)，因而生成的石墨烯表面光滑，空隙率低，且厚度容易控制。