專利名稱：基于C注入的Ni膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法
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C注入的Ni膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，用于制作微電子器件。
背景技術(shù)：
石墨烯是由單層Sp2雜化碳原子組成的六方點陣蜂窩狀二維結(jié)構(gòu)，包含兩個等價的子晶格A和B。自2004年底在室溫下被成功制備以來，石墨烯由于其卓越的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)，成為被寄予厚望取代Si的半導(dǎo)體候選材料之一。因此，探索低成本的工藝方法，制備大面積、聞質(zhì)量、低缺陷的石墨稀，是一個亟需解決的問題。目如，石墨稀有諸多制備方法，譬如機械剝離法、氧化石墨還原法、加熱SiC分解法和化學(xué)氣相沉積法等，各 種方法均有其優(yōu)點和不足。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?；瘜W(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，通過其在基體表面的高溫分解生長石墨烯，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，此方法的缺點是制備工藝復(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，喪失了許多單層石墨烯的性質(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熱分解時溫度較高，并且生長出來的石墨烯呈島狀分布，孔隙多，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)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于C注入的Ni膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，以有選擇性地生長石墨烯納米帶，提高石墨烯納米帶表面光滑度和連續(xù)性，同時避免在后序制作器件時對石墨烯進行刻蝕的工藝過程，而導(dǎo)致電子遷移率降低的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的制備方法包括以下步驟( I)對4-12英寸的Si襯底基片進行標(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保護的情況下逐步將反應(yīng)室升至碳化溫度1000°C -1200°C，通入流量為30ml/min的C3H8,對襯底進行碳化4_8min,生長一層碳化層；(4)將反應(yīng)室迅速升溫至1200°C -1350°c后，通入30_60min的C3H8和SiH4,再在H2保護下逐步降至室溫，完成3C-SiC外延薄膜的生長；
(5)制作由隔離帶和離子注入帶組成的掩膜板，隔離帶寬度100-200nm，離子注入帶寬度50-200nm ；(6)在生長好的3C_SiC樣片上的離子注入?yún)^(qū)域，注入能量為15_45keV、劑量為5 X IO14 5 X IO16CnT2 的 C 離子；(7)將注入C離子后的3C_SiC樣片放入外延爐中，調(diào)節(jié)外延爐中壓強為0. 5 I X KT6Torr,快速加熱至1200-1300°C，然后通入流速為500-800ml/min的Ar氣，恒溫保持3(T90min,使離子注入帶區(qū)域3C_SiC熱解生成碳膜；(8)在Si基體上電子束沉積300-500nm厚的Ni膜；
(9)將生成的碳膜樣片置于Ni膜上，再將它們一同置于流速為30-150ml/min的Ar氣中，在900-1200°C下退火10-20min,使碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶；(10)從石墨烯納米帶樣片上取開Ni膜,在外延3C_SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點I.本發(fā)明由于在生長3C_SiC時先在Si襯底上成長一層碳化層作為過渡，然后再生長3C-SiC，因而生長的3C-SiC質(zhì)量高。2.本發(fā)明由于在Si圓片上異質(zhì)外延生長3C_SiC，因而生長成本便宜。3.本發(fā)明由于先在Si樣品上外延一層3C_SiC，再在3C_SiC樣品的離子注入帶中注入了 C離子，注入帶寬度與需要制作器件的寬度相同，即石墨烯納米帶的寬度與需要制作器件的寬度相等，避免了在后序制作器件時由于要對石墨烯進行刻蝕而導(dǎo)致電子遷移率降低的問題。4.本發(fā)明由于利用在Ni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，表面光滑的石墨烯納米帶。


圖I是本發(fā)明制備石墨烯納米帶的流程圖。
具體實施例方式參照圖I，本發(fā)明的制作方法給出如下三種實施例。實施例I步驟I:去除樣品表面污染物。對4英寸的Si襯底基片進行表面清潔處理，即先使用NH40H+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；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lCr7mbar 級別。步驟3:生長碳化層。在H2保護的情況下將反應(yīng)室溫度升至碳化溫度1000°C，然后向反應(yīng)室通入流量為30ml/min的C3H8,持續(xù)8min,以在Si襯底上生長一層碳化層。步驟4 :在碳化層上生長3C_SiC外延薄膜。
將反應(yīng)室溫度迅速升至生長溫度1200°C，再通入60min的SiH4和C3H8，其中SiH4的流量為20ml/min，C3H8的流量為40ml/min ;然后在H2保護下逐步降至室溫，完成3C_SiC外延薄膜的生長。步驟5 :根據(jù)需要制作器件的寬度設(shè)制由隔離帶和離子注入帶相互交替組成的掩膜板，本實例選用隔離帶寬度為lOOnm，離子注入帶寬度為200nm，該離子注入帶寬與器件的寬度相同。步驟6 :對3C_SiC樣片的離子注入帶區(qū)域進行C離子注入。在生長好的3C_SiC外延薄膜樣片中的離子注入帶區(qū)域注入能量為15keV，劑量為
5X IO14Cm 2 的 C 離子。步驟7 3C-SiC熱解生成碳膜。將注入C離子后的3C_SiC樣片放入外延爐中，調(diào)節(jié)外延爐中壓強為0. 5 X KT6Torr,快速加熱至1200°C，然后通入流速為500ml/min的Ar氣，恒溫保持90min，使離子注入帶區(qū)域3C-SiC熱解生成碳膜。步驟8 =Si基體上電子束沉積Ni膜；取另一 Si襯底樣片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機中的基底載玻片上，基底到靶材的距離為50cm，將反應(yīng)室壓強抽至5 X 10_4Pa，調(diào)節(jié)束流為40mA，蒸發(fā)lOmin，在Si襯底樣片上沉積一層300nm厚的Ni膜。步驟9 :碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶。 (9. I)將生成的碳膜樣片從外延爐中取出，將其碳膜置于Ni膜上；(9.2)將碳膜樣片和Ni膜整體置于流速為30ml/min的Ar氣中，在溫度為900°C下退火20min，通過金屬Ni的催化作用使碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶。步驟10 :從石墨烯納米帶樣片上取開Ni膜，在外延3C_SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。實施例2步驟一對8英寸的Si襯底基片進行表面清潔處理，即先使用NH40H+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；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。步驟二 與實施例I中的步驟2相同，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。步驟三在H2保護的情況下將反應(yīng)室溫度升至碳化溫度1100°C，然后向反應(yīng)室通入流量為30ml/min的C3H8，持續(xù)6min，以在Si襯底上生長一層碳化層。步驟四將反應(yīng)室溫度迅速升至生長溫度1300°C，再通入45min的SiH4和C3H8,其中SiH4的流量為30ml/min，C3H8的流量為60ml/min ;然后在H2保護下逐步降至室溫，完成3C-SiC外延薄膜的生長。步驟五根據(jù)器件的寬度制作由隔離帶和離子注入帶相互交替組成的掩膜板，本實例選用隔離帶寬度為150nm，離子注入帶寬度為lOOnm，該離子注入帶寬與器件的寬度相同。步驟六在生長好的3C_SiC外延薄膜樣片中的離子注入帶區(qū)域注入能量為30keV，劑量為5 X IO15CnT2的C離子。
步驟七將注入C離子后的3C_SiC樣片放入外延爐中，調(diào)節(jié)外延爐中壓強為0. 8 X IO-6Torr,快速加熱至1250°C，然后通入流速為600ml/min的Ar氣，恒溫保持60min，使離子注入帶區(qū)域3C-SiC熱解生成碳膜。步驟八取另一 Si襯底樣片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機中的基底載玻片上，基底到靶材的距離為50cm，將反應(yīng)室壓強抽至5 X 10_4Pa，調(diào)節(jié)束流為40mA，蒸發(fā)15min，在Si襯底樣片上沉積一層400nm厚的Ni膜。步驟九將生成的碳膜樣片從外延爐中取出并置于Ni膜上，再將它們一同置于流速為100ml/min的Ar氣中,溫度為1000°C下退火15min,通過金屬Ni的催化作用使碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶。步驟十從石墨烯納米帶樣片上取開Ni膜,在外延3C_SiC上得 到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。實施例3步驟A :對12英寸的Si襯底基片進行表面清潔處理，即先使用NH40H+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；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B :與實施例I中的步驟2相同，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。步驟C :在H2保護的情況下將反應(yīng)室溫度升至碳化溫度1200°C，然后向反應(yīng)室通入流量為30ml/min的C3H8，持續(xù)4min，以在Si襯底上生長一層碳化層。步驟D :將反應(yīng)室溫度迅速升至生長溫度1350°C，再通入30min的SiH4和C3H8,其中SiH4的流量為35ml/min，C3H8的流量為70ml/min ;然后在H2保護下逐步降至室溫，完成3C-SiC外延薄膜的生長。步驟E :根據(jù)器件的寬度制作由隔離帶和離子注入帶相互交替組成的掩膜板，即離子注入帶寬與器件的寬度相同，本實例選用隔離帶寬度為200nm，離子注入帶寬度為50nmo步驟F:在生長好的3C_SiC外延薄膜樣片中的離子注入帶區(qū)域注入能量為45keV，劑量為5 X IO16CnT2的C離子。步驟G :將注入C離子后的3C_SiC樣片放入外延爐中，調(diào)節(jié)外延爐中壓強為I X KT6Torr,快速加熱至1300°C,然后通入流速為800ml/min的Ar氣,恒溫保持30min,使離子注入帶區(qū)域3C-SiC熱解生成碳膜；步驟H :取另一 Si襯底樣片放入電子束蒸發(fā)鍍膜機中的基底載玻片上，基底到靶材的距離為50cm，將反應(yīng)室壓強抽至5 X 10_4Pa，調(diào)節(jié)束流為40mA，蒸發(fā)20min，在Si襯底樣片上沉積一層500nm厚的Ni膜。步驟I :將生成的碳膜樣片從外延爐中取出并置于Ni膜上，再將它們一同置于流速為150ml/min的Ar氣中,溫度為1200°C下退火IOmin,通過金屬Ni的催化作用使碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶。步驟J :從石墨烯納米帶樣片上取開Ni膜,在外延3C_SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。
權(quán)利要求
1.一種基于C注入的Ni膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，包括以下步驟 (1)對4-12英寸的Si襯底基片進行標(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保護的情況下逐步將反應(yīng)室升至碳化溫度1000°C-1200°C，通入流量為30ml/min的C3H8,對襯底進行碳化4_8min,生長一層碳化層； (4)將反應(yīng)室迅速升溫至1200°C-1350°C后，通入30-60min的C3H8和SiH4,再在H2保護下逐步降至室溫，完成3C-SiC外延薄膜的生長； (5)制作由隔離帶和離子注入帶組成的掩膜板，隔離帶寬度100-200nm，離子注入帶寬 度 50-200nm ； (6)在生長好的3C-SiC樣片上的離子注入?yún)^(qū)域，注入能量為15-45keV、劑量為5 X IO14 5 X IO16CnT2 的 C 離子； (7)將注入C離子后的3C-SiC樣片放入外延爐中，調(diào)節(jié)外延爐中壓強為0.5 I X KT6Torr,快速加熱至1200-1300°C，然后通入流速為500-800ml/min的Ar氣，恒溫保持3(T90min,使離子注入帶區(qū)域3C_SiC熱解生成碳膜； (8)在Si基體上電子束沉積300-500nm厚的Ni膜； (9)將生成的碳膜樣片置于Ni膜上，再將它們一同置于流速為30-150ml/min的Ar氣中，在900-1200°C下退火10-20min,使碳膜重構(gòu)成石墨烯納米帶； (10)從石墨烯納米帶樣片上取開Ni膜,在外延3C-SiC上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于C注入的Ni膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(I)對Si樣片進行清洗，是先使用NH40H+H202試劑浸泡Si樣片10分鐘，取出后烘干，以去除樣片表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣片10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于C注入的Ni膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(4)通入的SiH4和C3H8，其流量分別為20-35ml/min和40_70ml/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于C注入的Ni膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(5)中的注入帶寬度與需要制作器件的寬度相同，即石墨烯納米帶的寬度與需要制作器件的寬度相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于C注入的Ni膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(8)中電子束沉積，其工藝條件為基底到靶材的距離為50cm，反應(yīng)室壓強為5 X 10 4Pa,束流為40mA,蒸發(fā)時間為10_20min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于C注入的Ni膜輔助退火石墨烯納米帶制備方法。其實現(xiàn)步驟是(1)將清洗后的Si樣片放入CVD系統(tǒng)反應(yīng)室中，生長一層碳化層；(2)對反應(yīng)室升溫至1200℃-1350℃，在碳化層上生長3C-SiC異質(zhì)外延薄膜；(3)制作由隔離帶和離子注入帶組成的掩膜板；(4)對3C-SiC樣片中離子注入帶區(qū)域注入C離子；(5)將3C-SiC樣片置于外延爐中通Ar氣，快速加熱至1200-1300℃，恒溫保持30~90min,使離子注入帶區(qū)域的3C-SiC熱解生成碳膜；(6)在Si基體上電子束沉積Ni膜；(7)將生成的碳膜樣片放在Ni膜上，并置于Ar氣中，在900-1200℃下退火，最后取開Ni膜，得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。本發(fā)明成本低，安全性高，3C-SiC熱解溫度較低，且生成的石墨烯納米帶表面光滑，連續(xù)性好，可用于制作微電子器件。
文檔編號C01B31/02GK102674319SQ20121017663
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者張克基, 張玉明, 湯曉燕, 趙艷黎, 郭輝 申請人:西安電子科技大學(xué)