一種基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到半導(dǎo)體材料制造的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯用途非常廣泛，是一種被科學(xué)家寄于厚望的新型材料。石墨烯材料是一種碳基二維晶體，是目前已知最輕最薄的材料，是由碳原子以蜂巢結(jié)構(gòu)組成的六角形平面薄膜，單層僅原子厚度，它具有極其優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，超強(qiáng)的機(jī)械性能，極高的比表面積和極好的氣敏特性，極高的透明性和柔韌性，而且它與襯底不存在失配問(wèn)題，因此，被認(rèn)為是半導(dǎo)體材料制造領(lǐng)域最有前途的材料。
[0003]目前，石墨烯的制備方法主要有微機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、SiC表面石墨化法、有機(jī)分子分散法、尚子插層法、溶劑熱法、氧化還原法、C摻雜析出法等。微機(jī)械剝尚法是采用離子束對(duì)物質(zhì)表面刻蝕，并通過(guò)機(jī)械力對(duì)物質(zhì)表面進(jìn)行剝離制備石墨烯。但由于工藝復(fù)雜，制備的石墨烯產(chǎn)率低，不能滿足工業(yè)化需求，在一定程度上限制了規(guī)?；a(chǎn)?；瘜W(xué)氣相沉積法是利用化學(xué)反應(yīng)在基底表面形成石墨烯薄膜的薄膜生長(zhǎng)方法，已有通過(guò)CH4分解、還原CO生成氣態(tài)碳原子，產(chǎn)物沉積在基底表面，生成二維石墨烯薄膜。由于CH4分解溫度很高，這種方法只能適用于耐高溫的少數(shù)材料基底。SiC表面石墨化法是在超高真空下將4H-SiC或6H-SiC加熱到1300°C以上，SiC晶體表面的Si原子被蒸發(fā)后，碳原子發(fā)生重構(gòu)，就可以在單晶Si面上生成二維石墨烯薄膜。這種方法制備出來(lái)的石墨烯薄膜厚度僅為I?2個(gè)碳原子層，具有高的載流子遷移率，但利用這種方法制備出來(lái)的石墨烯中并沒(méi)有觀測(cè)到量子霍爾效應(yīng)，并且石墨烯表面的電子性質(zhì)受SiC襯底的影響很大，進(jìn)一步研究仍在進(jìn)行中。有機(jī)分子分散法將石墨在有機(jī)溶劑中超聲分散得到石墨烯的一種方法，這種方法得到的石墨烯缺陷少，但濃度不高。離子插層法首先制備石墨層間化合物，然后在有機(jī)溶劑中分散制備石墨烯，這種方法制備石墨烯分散度較低。溶劑熱法是將反應(yīng)物加入溶劑，利用溶劑在高于臨界溫度和臨界壓力下，能夠溶解絕大多數(shù)物質(zhì)的性質(zhì)，可以是常規(guī)條件下不能發(fā)生的反應(yīng)在高壓下能夠以較低的溫度進(jìn)行，或加速進(jìn)行。這種方法發(fā)展時(shí)間短，現(xiàn)階段許多理論和技術(shù)問(wèn)題仍不能突破，有待進(jìn)一步探索。氧化還原法是將石墨氧化得到在溶液中分散的氧化石墨烯，再用還原劑還原制備石墨烯；其成本低、產(chǎn)率高，但強(qiáng)氧化劑完全氧化過(guò)的石墨難以完全還原，導(dǎo)致其一些物理、化學(xué)等性能，尤其是導(dǎo)電性能的損失。C摻雜析出法是利用MBE生長(zhǎng)C摻雜的GaAs材料，通過(guò)提高溫度使GaAs分解，其中C原子析出形成石墨烯，這種方法可控性很低，生成的石墨烯質(zhì)量比較低，仍然處于摸索階段。這就要求提高現(xiàn)有制備工藝的水平，目前石墨烯的制備仍然是這一領(lǐng)域的技術(shù)難題。
[0004]目前國(guó)際上主流的晶圓級(jí)石墨烯生長(zhǎng)方法是基于過(guò)渡金屬催化的CVD法，可用于大面積石墨烯的制備，且不受襯底尺寸的限制，設(shè)備簡(jiǎn)單。但這種方法一個(gè)最顯著的缺點(diǎn)是必須使用金屬催化襯底，因此很難將石墨烯清潔轉(zhuǎn)移到其他適用于器件的介質(zhì)襯底上，并且轉(zhuǎn)移過(guò)程后殘留在石墨烯上的殘留物或污染物將降低石墨烯的遷移率，從而影響石墨烯器件的電學(xué)特性。因此，必須突破現(xiàn)有技術(shù)的限制，從工藝上大膽突破，探索新的襯底，實(shí)現(xiàn)無(wú)轉(zhuǎn)移的大面積潔凈石墨烯生長(zhǎng)方法。例如專利CN102627274雖然采用了 CBr4，但由于采用了 Ga的催化，以及二者的預(yù)生長(zhǎng)再轉(zhuǎn)化的過(guò)程，使得工藝比較復(fù)雜。
[0005]藍(lán)寶石通常作為各種材料生長(zhǎng)的襯底，是一種絕緣材料，在高溫情況下具有高的穩(wěn)定性，并且具有六方結(jié)構(gòu)。藍(lán)寶石材料作為襯底，主要是由于其低花費(fèi)，大面積等特點(diǎn)。除此以外，藍(lán)寶石襯底存在多種表面，如c面，a面，r面等等，可以研究不同襯底取向?qū)Σ牧咸匦缘挠绊?。石墨烯為六方蜂窩結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為0.246nm，纖鋅礦藍(lán)寶石也為六方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為0.4758nm，二者的晶格失配較大，約為50%。較大的晶格失配有利于石墨烯的生長(zhǎng)，為了將藍(lán)寶石與石墨烯結(jié)合起來(lái)，并且無(wú)石墨烯轉(zhuǎn)移過(guò)程，以獲得高質(zhì)量大面積石墨烯材料。例如專利CN102915913雖然采用了藍(lán)寶石襯底和CVD方法，但是由于使用了 CH4，因其分解溫度過(guò)高，而導(dǎo)致石墨烯的生長(zhǎng)溫度在1000°C以上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的方法，克服現(xiàn)有大面積石墨烯生長(zhǎng)技術(shù)中的不足，分解碳基鹵化物，利用藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯，無(wú)需金屬作為催化劑，生長(zhǎng)的石墨烯無(wú)需轉(zhuǎn)移過(guò)程，便可以直接用于制造各種器件，提高了器件的電學(xué)特性，可靠性，降低了器件制造的復(fù)雜性。
[0007]為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]一種基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的方法，包括:
[0009]提供藍(lán)寶石襯底；
[0010]分解碳基鹵化物，利用所述藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯。
[0011]其中，所述藍(lán)寶石襯底為通過(guò)有機(jī)溶劑和去離子水清洗，并用氮?dú)獯蹈傻乃{(lán)寶石襯底。
[0012]其中，所述碳基鹵化物為CBr4、CCl4或CCl3Br15
[0013]其中，所述方法中在分解碳基鹵化物，利用所述藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯之前還包括通入H2對(duì)藍(lán)寶石襯底表面進(jìn)行預(yù)處理的步驟，H2流量為I?30SCCm，反應(yīng)室真空度0.1?ITorr,襯底溫度700?110CTC,處理時(shí)間5?15min。
[0014]其中，所述分解碳基鹵化物，利用所述藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯的步驟如下:
[0015]分解碳基鹵化物:在CVD反應(yīng)室中通入Ar和碳基鹵化物，Ar和碳基鹵化物的流量比為10:1?2:l，Ar流量設(shè)定根據(jù)CVD腔室大小在10?200sCCm間調(diào)節(jié)，碳基鹵化物流量設(shè)定根據(jù)CVD腔室大小在I?20sccm間調(diào)節(jié),氣壓為0.1?Iatm ;升溫分解碳基齒化物，升溫時(shí)間為10?60min，升溫后溫度為300?750°C，升溫后保持時(shí)間15?120min ；
[0016]利用藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯:保持通入Ar和碳基鹵化物的流量，自然降溫到100°C以下，氣壓為0.1?latm，利用藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯。
[0017]本發(fā)明采用藍(lán)寶石作為襯底，分解碳基鹵化物，利用藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯，無(wú)需金屬作為催化劑生長(zhǎng)的石墨烯無(wú)需轉(zhuǎn)移過(guò)程，便可以直接用于制造各種器件，提高了器件的電學(xué)特性，可靠性，降低了器件制造的復(fù)雜性。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)更加的清晰，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做出更為詳細(xì)的說(shuō)明，在下面的描述中，闡述了很多具體的細(xì)節(jié)以便于充分的理解本發(fā)明，但是本發(fā)明能夠以很多不同于描述的其他方式來(lái)實(shí)施。因此，本發(fā)明不受以下公開(kāi)的具體實(shí)施的限制。
[0020]本發(fā)明提供一種基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的方法，包括:提供藍(lán)寶石襯底；分解碳基鹵化物，利用所述藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯。優(yōu)選的，所述方法中在所述分解碳基鹵化物，利用所述藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯之前還包括通入H2對(duì)藍(lán)寶石襯底表面進(jìn)行預(yù)處理的步驟。
[0021]具體實(shí)施例如下:圖1為本發(fā)明基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的流程圖，主要包括以下步驟:
[0022]步驟101，采用藍(lán)寶石襯底，將先后放入有機(jī)溶劑和去離子水進(jìn)行清洗，每次時(shí)間為1min,從去尚子水中取出藍(lán)寶石襯底,并用氮?dú)獯蹈伞?br>[0023]步驟102，將經(jīng)過(guò)步驟101處理的藍(lán)寶石襯底置于化學(xué)氣相沉積CVD反應(yīng)室中，向CVD反應(yīng)室中通入H2對(duì)藍(lán)寶石襯底表面進(jìn)行預(yù)處理，H2的流量為I?30SCCm，反應(yīng)室真空度0.1?ITorr，襯底溫度700?1100°C，處理時(shí)間5?15min ;優(yōu)選的，在通入H2對(duì)藍(lán)寶石襯底表面進(jìn)行預(yù)處理前，可以將CVD反應(yīng)室抽至KT6Torr，然后通入H2充滿CVD反應(yīng)室，再將CVD反應(yīng)室抽至1-6Torr，反復(fù)幾次，去除CVD反應(yīng)室內(nèi)的殘留雜質(zhì)氣體。
[0024]步驟103，向CVD反應(yīng)室中，通入Ar和碳基鹵化物，其中碳基鹵化物為CBr4XCl4*CCl3Br, Ar和碳基鹵化物的流量比為10:1?1:1，Ar流量大小根據(jù)CVD腔室大小在10?200sccm間進(jìn)行調(diào)節(jié)，碳基鹵化物流量大小根據(jù)CVD腔室大小在I?20sccm間進(jìn)行調(diào)節(jié)，氣壓維持在0.1?Iatm ;升溫分解碳基齒化物,升溫時(shí)間為10?60min,升溫后溫度為300?750°C，升溫后保持時(shí)間15?120min。
[0025]步驟104，自然降溫到100°C以下，保持通入Ar和碳基鹵化物的流量不變，維持氣壓氣壓0.1?latm,利用藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯。
[0026]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的方法，其特征在于，包括: 提供監(jiān)寶石襯底； 分解碳基鹵化物，利用所述藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的方法，其特征在于，所述藍(lán)寶石襯底為通過(guò)有機(jī)溶劑和去離子水清洗,并用氮?dú)獯蹈傻乃{(lán)寶石襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的方法，其特征在于，所述碳基鹵化物為CBr4、CCl4或CCl3Br15
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的方法，其特征在于，所述方法中在所述分解碳基鹵化物，利用所述藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯之前還包括通入H2對(duì)藍(lán)寶石襯底表面進(jìn)行預(yù)處理的步驟，H2流量為I?30SCCm，反應(yīng)室真空度0.1?ITorr，襯底溫度700?1100°C，處理時(shí)間5?15min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的方法，其特征在于，所述分解碳基鹵化物，利用所述藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯的步驟如下: 分解碳基鹵化物:在CVD反應(yīng)室中通入Ar和碳基鹵化物，Ar和碳基鹵化物的流量比為10:1?2:l，Ar流量設(shè)定根據(jù)CVD腔室大小在10?200sCCm間調(diào)節(jié)，碳基鹵化物流量設(shè)定根據(jù)CVD腔室大小在I?20sccm間調(diào)節(jié),氣壓為0.1?Iatm ;升溫分解碳基齒化物,升溫時(shí)間為10?60min，升溫后溫度為300?750°C，升溫后保持時(shí)間15?120min ； 利用藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯:保持通入Ar和碳基鹵化物的流量，自然降溫到100°C以下，氣壓為0.1?latm，利用藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)石墨烯的方法，包括：提供藍(lán)寶石襯底；分解碳基鹵化物，利用所述藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯。本發(fā)明克服現(xiàn)有大面積石墨烯生長(zhǎng)技術(shù)中的不足，分解碳基鹵化物，利用藍(lán)寶石襯底催化生長(zhǎng)石墨烯，無(wú)需金屬作為催化劑，生長(zhǎng)的石墨烯無(wú)需轉(zhuǎn)移過(guò)程，便可以直接用于制造各種器件，提高了器件的電學(xué)特性，可靠性，降低了器件制造的復(fù)雜性。
【IPC分類】C04B41-50
【公開(kāi)號(hào)】CN104803709
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410035269
【發(fā)明人】林朝暉, 蔣偉
【申請(qǐng)人】泉州市博泰半導(dǎo)體科技有限公司
【公開(kāi)日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2014年1月24日