局域供碳裝置及局域供碳制備晶圓級石墨烯單晶的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于二維材料制備領(lǐng)域，特別是涉及一種局域供碳裝置及局域供碳制備晶圓級石墨烯單晶的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種單原子層厚度的二維碳基材料，此前一種被認(rèn)為是一種假設(shè)性結(jié)構(gòu)而無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年英國物理學(xué)家成功分離出該物質(zhì)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎，石墨稀正式登上歷史的舞臺。石墨稀具有超尚的透光率，超尚硬度、柔初性、超尚的導(dǎo)熱系數(shù)和超高霍爾迀移率等眾多優(yōu)異性能于一身，使其在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。成為近幾年來學(xué)術(shù)研宄的熱點、經(jīng)濟投資的重點、國家經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略選擇點。
[0003]石墨烯的眾多優(yōu)異性能主要集中在石墨烯單晶上，由于晶界的大量存在，極大的降低了石墨烯的優(yōu)異性能，這也限制了石墨烯的廣泛應(yīng)用。因此提高石墨烯單晶的尺寸是減收石墨烯薄膜晶界，提高石墨烯優(yōu)異性能的唯一途徑。目前為制備大尺寸石墨烯單晶，各國科學(xué)家經(jīng)不懈努力發(fā)明了很多種方法。有襯底拋光處理法，降低銅襯底揮發(fā)的方法，襯底高溫退火處理法，這些方法在制備石墨烯單晶方面還停留在毫米級階段。后期又發(fā)明了銅箔氧化法，雖然尺寸達到了近厘米級，但由于石墨烯形核數(shù)量的不可控性導(dǎo)致其成核密度的無法進一步降低，進而無法實現(xiàn)單晶的進一步長大；該種方法由于形核點的隨機性又導(dǎo)致其大尺寸單晶的重復(fù)性無法得到保障。另外就是石墨烯單晶的生長速度極其緩慢，生長一次從十幾個小時到幾天不等。如此種種問題導(dǎo)致其無法實現(xiàn)大規(guī)模制備。嚴(yán)重阻礙了其在微電子領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此能夠?qū)崿F(xiàn)單一形核的控制，性能優(yōu)異的晶圓級六角石墨烯單晶的快速生長，對高性能石墨烯單晶在微電子領(lǐng)域、探測器領(lǐng)域、異質(zhì)節(jié)、新能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用有著重要戰(zhàn)略意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種局域供碳裝置及局域供碳制備晶圓級石墨烯單晶的方法來實現(xiàn)單一形核中心，快速制備晶圓級石墨烯單晶的方法，用于解決現(xiàn)在石墨烯單晶生長緩慢，形核數(shù)量的不可控，尺寸小的問題。
[0005]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種局域供碳裝置，所述局域供碳裝置包括:第一基片、第二基片及支撐單元；
[0006]所述第一基片與第二基片上下對應(yīng)分布；
[0007]所述支撐單元適于支撐所述第一基片及第二基片，且使所述第一基片及第二基片保持一定的間距；
[0008]所述第一基片或第二基片上設(shè)有通孔。
[0009]作為本發(fā)明的局域供碳裝置的一種優(yōu)選方案，所述支撐單元位于所述第一基片及第二基片之間，且一端與所述第一基片相接觸，另一端與所述第二基片相接觸。
[0010]作為本發(fā)明的局域供碳裝置的一種優(yōu)選方案，所述第一基片及第二基片為石英片或陶瓷片。
[0011]作為本發(fā)明的局域供碳裝置的一種優(yōu)選方案，所述通孔位于所述第一基片或第二基片的中心。
[0012]作為本發(fā)明的局域供碳裝置的一種優(yōu)選方案，所述第一基片與第二基片之間的間距為0.1mm?5_ ;所述通孔的孔徑為0.2mm?5_。
[0013]本發(fā)明還提供一種局域供碳制備晶圓級石墨烯單晶的方法，包括步驟:
[0014]提供上述方案中所述的局域供碳裝置；
[0015]制備鎳銅合金襯底，并將所述鎳銅合金襯底置于所述局域供碳裝置內(nèi)；
[0016]將放置有所述鎳銅合金襯底的所述局域供碳裝置置于化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的腔室中，使所述鎳銅合金襯底處于預(yù)設(shè)溫度下的由還原氣體和惰性氣體的混合氣體形成的保護氣氛中，在所述局域供碳裝置中通入氣態(tài)碳源，從而在所述鎳銅合金襯底上生長石墨烯單晶。
[0017]作為本發(fā)明的局域供碳制備晶圓級石墨烯單晶的方法的一種優(yōu)選方案，制備所述鎳銅合金襯底的方法包括:
[0018]提供一銅箔；
[0019]采用電鍍、蒸鍍或磁控濺射工藝在所述銅箔表面沉積鎳層形成鎳-銅雙層襯底；
[0020]將所述鎳-銅雙層襯底進行退火處理，形成所述鎳銅合金襯底。
[0021 ] 作為本發(fā)明的局域供碳制備晶圓級石墨烯單晶的方法的一種優(yōu)選方案，對所述鎳-銅雙層襯底進行退火處理的具體方法為:將所述鎳-銅雙層襯底置于所述局域供碳裝置內(nèi)，并將放置有所述鎳-銅雙層襯底的所述局域供碳裝置置于壓強為20Pa?15Pa的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的腔室中，使所述鎳-銅雙層襯底處于900°C?1100°C下的由氫氣和氬氣的混合氣體形成的保護氣氛下進行退火處理10分鐘?300分鐘；其中，氫氣和氬氣的體積比為 1:10 ?1:200。
[0022]作為本發(fā)明的局域供碳制備晶圓級石墨烯單晶的方法的一種優(yōu)選方案，在進行所述鎳層沉積之前還包括對所述銅箔進行退火處理的步驟；對所述銅箔進行退火處理的過程在常壓下進行，并通入氫氣和氬氣的混合氣體，退火溫度為1000°c?1080°C，退火時間為10分鐘?300分鐘;其中，氫氣和氬氣的體積比為1:2?1:30。
[0023]作為本發(fā)明的局域供碳制備晶圓級石墨烯單晶的方法的一種優(yōu)選方案，在對所述銅箔進行退火處理之前還包括將所述銅箔進行電化學(xué)拋光的步驟。
[0024]作為本發(fā)明的局域供碳制備晶圓級石墨烯單晶的方法的一種優(yōu)選方案，所述鎳銅合金襯底位于與設(shè)有所述通孔的基片相對應(yīng)的基片上，且所述鎳銅合金襯底的中心與所述通孔上下對應(yīng)。
[0025]作為本發(fā)明的局域供碳制備晶圓級石墨烯單晶的方法的一種優(yōu)選方案，所述鎳銅合金襯底中鎳原子占鎳銅原子總數(shù)的比例為10%?20%，鎳原子和銅原子總數(shù)占所述鎳銅合金襯底中原子總數(shù)的比例大于99.9%。
[0026]作為本發(fā)明的局域供碳制備晶圓級石墨烯單晶的方法的一種優(yōu)選方案，在所述鎳銅合金襯底上生長石墨烯單晶的過程中，所述腔室內(nèi)的壓強為20Pa?15Pa;所述預(yù)設(shè)溫度為90(TC?11(KTC ;所述還原氣體為氫氣，所述惰性氣體為氬氣，且所述氫氣的流量為5sccm?200sccm，所述氬氣的流量為300sccm?2000sccm ;所述氣態(tài)碳源的流量為5sccm?10sccm ;生長時間為10分鐘?180分鐘。
[0027]作為本發(fā)明的局域供碳制備晶圓級石墨烯晶圓的方法的一種優(yōu)選方案，在所述鎳銅合金襯底上生長石墨烯單晶的過程中，所述氣態(tài)碳源的流量呈梯度變化:生長初期所述氣態(tài)碳源的流量為5sccm?8sccm，之后每半小時所述氣態(tài)碳源的流量提升3sccm?5sccm0
[0028]作為本發(fā)明的局域供碳制備晶圓級石墨烯晶圓的方法的一種優(yōu)選方案，所述氣態(tài)碳源為被惰性氣體稀釋至濃度為0.1%?1%的甲烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔等氣態(tài)含碳有機物中的任意一種或幾種的組合。
[0029]作為本發(fā)明的局域供碳制備晶圓級石墨烯晶圓的方法的一種優(yōu)選方案，生長結(jié)束后還包括在氫氣和氬氣的混合氣體中進行降溫的過程，降溫在常壓下進行，其中，氫氣和氬氣的體積比為1:10?1:400。
[0030]如上所述，本發(fā)明提供一種局域供碳裝置及局域供碳制備晶圓級石墨烯單晶的方法，包括如下步驟:先制備銅鎳合金箔作為襯底，將所述襯底置于化學(xué)氣相沉積腔室中，使所述襯底的溫度保持在950?1100°C，并引入獨有的局域供碳技術(shù)實現(xiàn)了石墨烯單晶的形核控制。采用梯度提升甲烷氣體流量的方法，控制石墨烯單晶的快速可控生長以及抑制二次形核的產(chǎn)生。同時通入保護氣體生長10分鐘?3小時，在所述銅鎳合金箔襯底表面制備尺寸達英寸級的石墨烯單晶。獨特的局域供碳技術(shù)的引入實現(xiàn)了石墨烯單晶的形核控制，制