一種通過控制襯底上的石墨烯成核位點(diǎn)生長石墨烯的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于碳基集成電路制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種通過控制襯底上的石墨烯成核位點(diǎn)生長石墨烯的方法。本發(fā)明是在一塊銅或二氧化硅襯底上，通過控制襯底上石墨烯成核位點(diǎn)來生長各種形狀的連續(xù)的石墨烯，其中利用一塊設(shè)計(jì)好形狀的掩模板，用物理氣相沉積的方法在襯底上淀積上很小點(diǎn)狀的銅作為石墨烯成核位點(diǎn)，通過控制成核位點(diǎn)讓石墨烯生長成特定形狀的連續(xù)的石墨烯。該方法簡單方便可靠，可以作為低壓化學(xué)氣相沉積生長石墨烯的一種基本方法。
【專利說明】—種通過控制襯底上的石墨烯成核位點(diǎn)生長石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳基集成電路制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種在襯底上生長石墨烯的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著第一塊集成電路的發(fā)明，集成電路和半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)歷了快速的發(fā)展，而且越來也發(fā)揮其重要的作用，推動(dòng)著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。然而，摩爾定律的不斷延展與縱深使得硅基集成電路器件尺寸距離其物理極限越來越近。隨著，一種新型半導(dǎo)體材料——石墨烯(Graphene )的發(fā)現(xiàn),給未來半導(dǎo)體行業(yè)帶來無限發(fā)展的可能。石墨烯(Graphene )是由單層六角元胞碳原子組成的蜂窩狀二維晶體，圖1所示為石墨烯的基本結(jié)構(gòu)示意圖。石墨烯具有遠(yuǎn)比硅高的載流子遷移率，石墨烯具有室溫下高速的電子遷移率200 000 cm2 / V-s,量子霍爾效應(yīng)、高的理論比表面積2600 m2/g、還具有高熱導(dǎo)率3000 ff/m.K和出色的力學(xué)性能(高模量1060GPa，高強(qiáng)度130GPa)，被認(rèn)為在單分子探測(cè)器、集成電路、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等量子器件、功能性復(fù)合材料、儲(chǔ)能材料、催化劑載體等方面有廣泛的應(yīng)用前景。基于石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和物理特性，石墨烯被認(rèn)為是下一代集成電路中有望延續(xù)摩爾定律的重要材料。
[0003]對(duì)于石墨烯發(fā)現(xiàn)之初，能難生長和制作出大面積的石墨烯。自低壓化學(xué)氣相沉積的方法以來，利用甲烷和氫氣在高溫下可以在銅片上生長石墨烯，這種方法生長石墨烯比較簡單，生長出石墨烯的面積大?？稍谏L過程中，銅襯底上的石墨烯成核位點(diǎn)不可控，在銅上有的地方有成核位點(diǎn)，有的地方?jīng)]有成核位點(diǎn)，這樣生長的石墨烯不連續(xù)，形狀非常奇怪，面積也很難變得很大。對(duì)于在銅上生長的石墨烯，如需制造石墨烯器件，還需將銅上石墨烯轉(zhuǎn)移到絕緣體襯底上。
[0004]本發(fā)明在于在金屬或絕緣體襯底上，利用控制和制造石墨烯成核位點(diǎn)，直接生長石墨烯。即可在銅襯底上，也可以在二氧化硅絕緣體制造生產(chǎn)石墨烯成核位點(diǎn)。如需制作石墨烯器件，可以直接在絕緣體襯底上生長特定形狀和尺寸的石墨烯。在生長石墨烯之前，需要設(shè)計(jì)和制造好需要的掩模板，通過物理氣相沉積在襯底上淀積銅或者其他材料作為石墨烯成核位點(diǎn)，有了特定的成核位點(diǎn)，石墨烯就會(huì)在這些成核位點(diǎn)的地方生長，從一小塊到一大塊，由于設(shè)計(jì)的成核位點(diǎn)足夠多，而且特定形狀，這些生長的石墨烯會(huì)連成一塊，生長在一起，這樣就可以在金屬或絕緣體襯底上生長出特出特定形狀的連續(xù)的石墨烯。通過這種方法可以實(shí)現(xiàn)生長大面積和特定形狀的石墨烯，如需制備器件，可以直接在絕緣體襯底上生長石墨烯。這是一種有效和新穎的方法，將進(jìn)一步推動(dòng)碳基集成電路的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種可控制的石墨烯生長的方法，這種石墨烯的生長方法可以在金屬和絕緣體襯底上生長特定形狀連續(xù)的大面積石墨烯，有利用研究和制備石墨烯器件。[0006]本發(fā)明提出的可控制的生長石墨烯的方法，是在金屬或絕緣體襯底上，通過控制和制造石墨烯成核位點(diǎn)，直接生長石墨烯，具體步驟為:
(1)提供銅或二氧化硅襯底；
(2)提供設(shè)計(jì)好的特定形狀的掩模板，用以控制襯底上的石墨烯成核位點(diǎn)；
(3)利用掩模板，采用物理氣相沉積在襯底上淀積銅，作為石墨烯成核位點(diǎn)；
(4)利用低壓化學(xué)氣相沉積在有成核位點(diǎn)的襯底上生長石墨烯。
[0007]進(jìn)一步地，所述的提供銅或二氧化硅襯底應(yīng)十分平整和光滑，表面經(jīng)過拋光處理。之后要對(duì)樣品進(jìn)行清洗，去除樣品表面的雜質(zhì)，顆粒，殘留試劑等，使襯底十分干凈，平整光滑，沒有玷污。接著在襯底上制備特定的石墨烯成核位點(diǎn)，最后生長出所需要的石墨烯。
[0008]本發(fā)明中，通過在襯底上控制石墨烯成核位點(diǎn)，生長特定形狀的石墨烯。
[0009]本發(fā)明中，通過設(shè)計(jì)掩模板，控制襯底上的石墨烯成核位點(diǎn)。
[0010]本發(fā)明是利用在襯底制備出可控制的石墨烯成核位點(diǎn)，然后再襯底上生長出所需要的特定形狀的連續(xù)的石墨烯。由于在不經(jīng)過處理的銅片上直接生長石墨烯，其石墨烯成核位點(diǎn)不好控制，隨機(jī)出現(xiàn)。因而本發(fā)明通過一些處理，在襯底上淀積出石墨烯成核位點(diǎn)來直接控制石墨烯的生長，在哪些區(qū)域生長和生長出什么形狀的石墨烯，來達(dá)到生長出的石墨烯直接達(dá)到所需的要求。這種方法簡單方便可靠，可以在許多金屬和絕緣體襯底上生長特定形狀的連續(xù)的石墨烯。該方法可以作為制備石墨烯的一種基本方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011 ] 圖1為石墨稀基本結(jié)構(gòu)不意圖。
[0012]圖2至圖4為本發(fā)明提供的生長石墨烯過程示意圖。
[0013]圖5為本發(fā)明操作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明利用控制和制備襯底上石墨烯成核位點(diǎn)，可以直接在金屬或絕緣體襯底上通過低壓化學(xué)氣相沉積的方法在襯底生長出特定形狀的連續(xù)的石墨烯樣品。這種利用控制襯底上的石墨烯成核位點(diǎn)生長石墨烯的方法可靠，工藝步驟簡單方便可靠，而且可以在金屬或絕緣體襯底上生長，生長的石墨烯可以控制。以下所述的是采用本發(fā)明所提出的利用控制襯底上的石墨烯成核位點(diǎn)生長石墨烯的實(shí)施例。
[0015]在圖中，為了方便說明，結(jié)構(gòu)大小和比例并不代表實(shí)際尺寸。
[0016]首先，在銅(Cu)襯底或300nm厚度的二氧化硅(Si02) 101襯底進(jìn)行拋光處理，使其表面干凈光滑平整。接下來，對(duì)襯底樣品進(jìn)行清潔，去除襯底的雜質(zhì)，顆粒，殘留試劑等，使石墨烯樣品十分干凈，光滑平整沒有玷污。其中二氧化硅樣品如圖2中的101。
[0017]接下來，制備和設(shè)計(jì)物理氣相沉積所需的特定形狀的掩模板，設(shè)計(jì)的掩模板是圓孔陣列，形成一個(gè)六邊形。其中圓孔的半徑為5um，兩個(gè)圓孔的距離為15um。六邊形的邊為五個(gè)圓孔組成。形成的掩模板俯視圖102。如圖3所示。
[0018]接著，利用物理氣相沉積在二氧化硅101襯底上淀積上銅，在襯底上形成所需的石墨烯成核位點(diǎn)。具體步驟為。當(dāng)反應(yīng)腔中真空度達(dá)到5X 10-3 mbar,開始在淀積銅,其中樣品旋轉(zhuǎn)為60轉(zhuǎn)每分鐘，淀積3分鐘。當(dāng)?shù)矸e結(jié)束后，關(guān)閉物理氣相沉積儀器，取出樣品，在二氧化硅襯底形成石墨烯成核位點(diǎn)103，如圖4所示。
[0019]最后，將樣品放入低壓化學(xué)氣相沉積的反應(yīng)爐中，開啟反應(yīng)爐。通入氬氣，清除掉反應(yīng)爐中的空氣，然后通入氫氣5sccm和500sccm氬氣，加熱反應(yīng)爐，待溫度上升到1000度，關(guān)閉IS氣，打開甲燒IOsccm,氫氣IOsccm反應(yīng)5分鐘?？焖倮鋮s,最后待樣品冷卻至常溫，取出樣品。
[0020]如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的實(shí)施例。本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種通過控制襯底上的石墨烯成核位點(diǎn)生長石墨烯的方法，其特征在于具體步驟為: (1)提供銅或二氧化硅襯底； (2)設(shè)計(jì)特定形狀的掩模板，用以控制襯底上的石墨烯成核位點(diǎn)； (3)利用掩模板，采用物理氣相沉積方法在襯底上淀積銅，作為石墨烯成核位點(diǎn)； (4)利用低壓化學(xué)氣相沉積方法在有成核位點(diǎn)的襯底上生長石墨烯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述的二氧化硅襯底表面先要經(jīng)過拋光處理，并進(jìn)行清洗，去除表面的雜質(zhì)、顆粒、殘留試劑，使襯底表面干凈，平整光滑，沒有玷污。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK103928305SQ201410157129
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月19日
【發(fā)明者】周鵬, 楊松波, 沈于蘭 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)