[發明專利]一種石墨烯的外延生長設備

在審

• 申請號: 201711184193.0
• 申請日: 2017-11-23
• 公開（公告）號: CN107904659A
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 關赫
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C30B29/02
• 分類號: C30B29/02;C30B25/02;C30B25/18;C30B25/14;C30B25/10
• 代理公司: 西安利澤明知識產權代理有限公司61222
• 代理人: 賈曉玲

技術領域

本發明屬于半導體工藝技術領域，特別涉及一種石墨烯的外延生長設備。

背景技術

石墨烯材料具有很好的物理和電性能，在國防和國民經濟中具有重大的應用前景，但是想在工業應用中把這些特性完全展現出來并不容易，首先要解決就是高性能材料的制備問題，因此能批量生長具有特殊性質的石墨烯工藝和關鍵設備驅動和主導著石墨烯應用市場，而且各種數據表明這種狀況似乎要持續幾十年。

由于石墨烯在國防和國民經濟中的重要性，世界上主要國家和地區投入大量的人力物力致力于對石墨烯材料制備研究。人們迄今為止，已經發展出兩種主要制備晶圓級石墨烯材料的方法：CVD外延生長法和SiC高溫熱解法。CVD外延生長法制備出的石墨烯質量較高并且能夠滿足規模化和大面積生成的要求，但是此方法的缺點是石墨烯材料必須從金屬襯底上轉移到SiO₂等襯底材料上才能進行器件的制備，工藝控制的復雜度較高，材料性能損失嚴重，并由此帶來工藝重復性等一系列問題。

SiC高溫熱解法將單晶4H/6H-SiC襯底在高真空下或氣氛下加熱，表層硅原子升華，留下的碳原子重構生成石墨烯。該方法被認為是實現石墨烯在集成電路中應用的最有希望的途徑之一。在SiC襯底表面上生長的石墨烯不需要進行轉移，SiC襯底可以使石墨烯產生穩定的禁帶寬度，有利于提高器件的開關特性。而且SiC作為寬禁帶半導體，其熱導率高散熱好，是很好的半絕緣襯底。經過幾十年的研究和發展，SiC材料已經在微電子學、MEMS等領域被廣泛研究并應用，人們對它已經有比較完善的了解，并發展了相關的半導體加工工藝，與Si工藝兼容性較好。與其他方法相比，SiC襯底上生長的石墨烯可以直接在整個晶片上利用傳統的光刻和微納米加工技術進行器件或電路的刻蝕，直接利用已有的SiC生產工藝實現大規模生產，因而在SiC上通過熱解法生長的晶圓級石墨烯是制備射頻晶體管和電路的目前為止最有希望的解決方案之一。

此外，目前6英寸碳化硅襯底已經商用化，8英寸和12英寸的碳化硅材料正在研發，碳化硅襯底的價格降到了較低的水平，為大規模制備大晶圓尺寸SiC上石墨烯材料奠定了良好的基礎。目前普通的SiC高溫熱解法存在工藝溫度較高，對真空度和氣氛的控制要求較高，工藝時間較長等不足之處，因此如何又快又好的制備大面積全晶圓的SiC基石墨烯材料變成非常迫切的問題。

發明內容

本發明提供了一種石墨烯的外延生長設備，旨在解決現有技術中存在的上述缺陷。

為達到上述技術目的，本發明采用如下技術方案：

一種石墨烯的外延生長設備，由源氣體供給與氣體運輸系統1、外延生長反應室系統2、尾氣處理系統3、安全保障系統4、冷卻系統5、自動控制系統6組成；源氣體供給與氣體運輸系統1與外延生長反應室系統2通過管道連通；安全保障系統4與尾氣處理系統3、冷卻系統5、自動控制系統6電連接；尾氣處理系統3與外延生長反應室系統2通過管道連通；冷卻系統5與外延生長反應室系統2、尾氣處理系統3通過管道連通；自動控制系統5還與源氣體供給與氣體運輸系統1、外延生長反應室系統2電連接。

源氣體供給與氣體運輸系統1由一個的氬氣給氣裝置11、一個的氫氣給氣裝置12、兩個的氮氣給氣裝置13、一個的氯氣給氣裝置14、一個的氯化氫給氣裝置15、壓力測量儀16、流量測量儀17、一個的四氯化碳給氣裝置18、電磁閥門19、直接入氣管路、混合入氣管路、尾氣排空管路組成。

直接入氣管路是由氬氣給氣裝置11、氫氣給氣裝置12與外延生長反應室系統2直接連通的管道組成，管路上設有電磁閥門19，管路上還設有壓力測量儀16、流量測量儀17。

混合入氣管路由氬氣給氣裝置11與外延生長反應室系統2連通的管道、氬氣給氣裝置11與第一氮氣給氣裝置131連通后和氬氣給氣裝置11與外延生長反應室系統2連通管道連通的管道、氬氣給氣裝置11與氫氣給氣裝置12連通后和氬氣給氣裝置11與外延生長反應室系統2連通管道連通的管道、氬氣給氣裝置11與氯氣給氣裝置14連通后和氬氣給氣裝置11與外延生長反應室系統2連通管道連通的管道、氬氣給氣裝置11與氯化氫給氣裝置15連通后和氬氣給氣裝置11與外延生長反應室系統2連通管道連通的管道、氬氣給氣裝置11與第二氮氣給氣裝置132連通后和氬氣給氣裝置11與外延生長反應室系統2連通管道連通的管道、氬氣給氣裝置11與四氯化碳給氣裝置18連通后和氬氣給氣裝置11與外延生長反應室系統2連通管道連通的管道組成，各管路上設有電磁閥門19，各管路上還設有壓力測量儀16、流量測量儀17、電磁閥門19。