專利名稱：以SiC為基底的結(jié)構(gòu)化石墨烯制備方法
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，具體地說是以SiC為基底的結(jié)構(gòu)化石墨烯制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí),英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈 杰姆和克斯特亞 諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。從這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，但使用最多的主要有以下兩種 I.電弧法最早由Rao CNR等人用來制備石墨烯，他們使用氫氣和氦氣的混合氣體作為反應(yīng)氣。使用該方法制備石墨烯需要較高的氫氣壓力和較大的放電電流，危險(xiǎn)性較高。2.熱分解SiC法將單晶SiC加熱以通過使表面上的SiC分解而除去Si，隨后殘留的碳形成石墨烯。然而，SiC熱分解中使用的單晶SiC非常昂貴，并且生長(zhǎng)出來的石墨烯呈島狀分布，孔隙多，層數(shù)不均勻，而且做器件時(shí)由于光刻，干法刻蝕等會(huì)使石墨烯的電子遷移率降低，從而影響了器件性能?，F(xiàn)有的石墨烯的制備方法，如申請(qǐng)?zhí)枮?00810113596. 0的“化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的方法”專利，公開的方法是首先制備催化劑，然后進(jìn)行高溫化學(xué)氣相沉積，將帶有催化劑的襯底放入無氧反應(yīng)器中，使襯底達(dá)到500-1200°C，再通入含碳?xì)庠催M(jìn)行化學(xué)沉積而得到石墨烯，然后對(duì)石墨烯進(jìn)行提純，即酸處理或低壓、高溫下蒸發(fā)，以除去催化劑。該方法的主要缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，需要專門去除催化劑，能源消耗大，生產(chǎn)成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種以SiC為基底的結(jié)構(gòu)化石墨烯制備方法，以提高石墨烯表面光滑度、降低孔隙率，并免除在后續(xù)制造器件過程中要對(duì)石墨烯進(jìn)行刻蝕的工藝過程，保證石墨烯的電子遷移率穩(wěn)定，提高器件性能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的制備方法包括以下步驟(I)對(duì)SiC樣片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗，即先使用nh4oh+h2o2試劑浸泡樣片10分鐘，取出后烘干，再使用HC1+H202試劑浸泡樣片10分鐘；(2)在清洗后的SiC樣片表面利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD淀積一層
0.4-1. 2 ii m厚的SiO2,作為掩膜；(3)在掩膜表面涂一層光刻膠，再在掩膜上刻出與所需制作的器件的襯底形狀相同的窗口，露出SiC，形成結(jié)構(gòu)化圖形；(4)將開窗后的樣片置于石英管中，并連接好各個(gè)裝置，再對(duì)石英管加熱至800-1IOO0C ；
(5)對(duì)裝有CCl4液體的三口燒瓶加熱至65_80°C，再向三口燒瓶中通入流速為50-80ml/min的Ar氣,利用Ar氣攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管中，使CCl4與裸露的SiC反應(yīng)，生成雙層碳膜，反應(yīng)時(shí)間為20-120min ；(6)將生成的雙層碳膜樣片置于流速為25-100ml/min的Ar氣中，在溫度為1000-120(TC下退火10-30分鐘，使雙層碳膜在窗口位置重構(gòu)成雙層石墨烯。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)I.本發(fā)明由于選擇性地生長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)化石墨烯，在此石墨烯上制作器件時(shí)無需對(duì)石墨烯進(jìn)行刻蝕，因而石墨烯中的電子遷移率不會(huì)降低，保證了制作的器件性能。2.本發(fā)明由于利用SiC與CCl4氣體反應(yīng)，因而生成的雙層結(jié)構(gòu)化石墨烯表面光滑，孔隙率低。
3.本發(fā)明使用的方法工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，安全性高。


圖I是本發(fā)明制備石墨烯的裝置示意圖；圖2是本發(fā)明制備石墨烯的流程圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)DI，本發(fā)明的制備設(shè)備主要由三通閥門3，三口燒瓶10，水浴鍋11，石英管5，電阻爐6組成；三通閥門3通過第一通道I與石英管5相連，通過第二通道2與三口燒瓶10的左側(cè)口相連，而三口燒瓶10的右側(cè)口與石英管5相連，三口燒瓶中裝有CCl4液體，且其放置在水浴鍋11中，石英管5放置在電阻爐6中。三通閥門3設(shè)有進(jìn)氣口 4，用于向設(shè)備內(nèi)通入氣體。參照?qǐng)D2，本發(fā)明的制作方法給出如下三種實(shí)施例。實(shí)施例I步驟I:去除樣品表面污染物。對(duì)6H_SiC襯底基片進(jìn)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(jī)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 :在6H_SiC樣片表面淀積一層SiO2。(2. I)將清洗后的6H_SiC樣片放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD系統(tǒng)內(nèi)，將系統(tǒng)內(nèi)部壓力調(diào)為3. OPa，射頻功率調(diào)為100W，溫度調(diào)為150°C ；(2. 2)向 PECVD 系統(tǒng)內(nèi)通入流速分別為 30sccm、60sccm 和 200sccm 的 SiH4、N20 和N2,并持續(xù)20min，使SiH4與N2O發(fā)生反應(yīng)，從而在6H_SiC樣片表面淀積一層0. 4 y m厚的Si02。步驟3 :在SiO2層上刻出圖形窗口。( 3. I)在SiO2層上旋涂一層光刻膠；(3. 2)按照所要制作的器件的襯底形狀制成光刻版，然后再進(jìn)行光刻，將光刻版上圖形轉(zhuǎn)移到SiO2層上；(3. 3)用緩沖氫氟酸腐蝕SiO2刻蝕出圖形窗口，露出6H_SiC，形成結(jié)構(gòu)化圖形。
步驟4 :將開窗后的樣片裝入石英管，并排氣加熱。(4. I)將開窗后的樣片放入石英管5中，并把石英管置于電阻爐6中；再將CCljf體裝入三口燒瓶10中，并將三口燒瓶放入水浴鍋11中，然后按照?qǐng)DI將石英管與三口燒瓶進(jìn)行連接；(4. 2)從三通閥門3的進(jìn)氣口 4通入流速為80ml/min的Ar氣，并利用三通閥門3控制Ar氣從第一通道I進(jìn)入對(duì)石英管進(jìn)行排空30分鐘，使石英管內(nèi)的空氣從出氣口 7排出；(4. 3)打開電阻爐電源開關(guān)，對(duì)石英管升溫至800°C。步驟5 生長(zhǎng)雙層碳膜。(5. I)打開水浴鍋11電源，對(duì)裝有CCl4液體的三口燒瓶10加熱至65°C ；(5. 2)當(dāng)電阻爐達(dá)到設(shè)定的800°C后，旋轉(zhuǎn)三通閥門，使流速為50ml/min的Ar氣從第二通道2流入三口燒瓶，并攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管，使氣態(tài)CCl4與裸露的6H-SiC在石英管中反應(yīng)20分鐘，生成雙層碳膜。步驟6 :用生成的雙層碳膜重構(gòu)成雙層石墨烯。(6.1)反應(yīng)結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)三通閥門，使Ar氣迅速轉(zhuǎn)向第一通道進(jìn)入石英管，并將Ar氣的流速從50ml/min調(diào)整為25ml/min ；(6. 2)將電阻爐溫度迅速升至1000°C，使生成的雙層碳膜退火30分鐘，在窗口位置重構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)化石墨烯；然后關(guān)閉電阻爐電源和水浴鍋電源，使雙層結(jié)構(gòu)化石墨烯在Ar氣保護(hù)下冷卻至室溫，并打開水浴鍋排水口 9，排掉熱水后，從進(jìn)水口 8引入冷水，使CCl4液體快速降溫，取出雙層結(jié)構(gòu)化石墨烯樣片。實(shí)施例2步驟一去除樣品表面污染物。對(duì)4H_SiC襯底基片進(jìn)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(jī)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 在4H_SiC樣片表面淀積一層Si02。將清洗后的4H_SiC樣片放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD系統(tǒng)內(nèi)，將系統(tǒng)內(nèi)部壓力調(diào)為3. OPa，射頻功率調(diào)為100W，溫度調(diào)為150°C ;再向PECVD系統(tǒng)內(nèi)通入流速分別為 30sccm、60sccm 和 200sccm 的 SiH4' N2O 和 N2,持續(xù) 75min,使 SiH4 和 N2O 發(fā)生反應(yīng)，從而在4H-SiC樣片表面淀積一層0. 8 ii m厚的Si02。步驟三在SiO2層上刻出圖形窗口。在SiO2層上旋涂一層光刻膠；將所需制作的器件的襯底形狀制成光刻版，然后再 進(jìn)行光刻，將光刻版上圖形轉(zhuǎn)移到SiO2層上；用緩沖氫氟酸腐蝕SiO2刻蝕出圖形窗口，露出4H-SiC，形成結(jié)構(gòu)化圖形。步驟四將開窗后的樣片裝入石英管，并排氣加熱。將開窗后的樣片置于石英管5中，并把石英管置于電阻爐6中；再將CCl4液體裝入三口燒瓶10中，并將三口燒瓶放入水浴鍋11中，然后按照?qǐng)DI將石英管與三口燒瓶進(jìn)行連接；從三通閥門3的進(jìn)氣口 4通入流速為80ml/min的Ar氣，并利用三通閥門3控制Ar氣從第一通道I進(jìn)入對(duì)石英管進(jìn)行排空30分鐘，使石英管內(nèi)的空氣從出氣口 7排出；打開電阻爐電源開關(guān)，對(duì)石英管升溫至900°C。步驟五生長(zhǎng)雙層碳膜。打開水浴鍋11電源，對(duì)裝有CCl4液體的三口燒瓶10加熱至70°C ;當(dāng)電阻爐達(dá)到設(shè)定的900°C后，旋轉(zhuǎn)三通閥門，使流速為60ml/min的Ar氣從第二通道2流入三口燒瓶，并攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管，使氣態(tài)CCl4與裸露的4H-SiC在石英管中反應(yīng)60分鐘，生成雙層碳膜。步驟六生成的雙層碳膜重構(gòu)成雙層石墨烯。反應(yīng)結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)三通閥門，使Ar氣迅速轉(zhuǎn)向第一通道進(jìn)入石英管，并將Ar氣的流速從60ml/min調(diào)整為80ml/min ;將電阻爐溫度迅速升至1050°C，使生成的雙層碳膜退火15分鐘，在窗口位置重構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)化石墨烯；然后關(guān)閉電阻爐電源和水浴鍋電源，使、雙層結(jié)構(gòu)化石墨烯在Ar氣保護(hù)下冷卻至室溫，并打開水浴鍋排水口 9，排掉熱水后，從進(jìn)水口 8引入冷水，使CCl4液體快速降溫，取出雙層結(jié)構(gòu)化石墨烯樣片。實(shí)施例3步驟A :對(duì)6H_SiC襯底基片進(jìn)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(jī)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 :將清洗后的6H_SiC樣片放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD系統(tǒng)內(nèi)，將系統(tǒng)內(nèi)部壓力調(diào)為3. OPa，射頻功率調(diào)為100W，溫度調(diào)為150°C ;向PECVD系統(tǒng)內(nèi)通入流速分別為 30sccm、60sccm 和 200sccm 的 SiH4、N2O 和 N2,持續(xù)時(shí)間為 lOOmin，使 SiH4 和 N2O發(fā)生反應(yīng)，從而在6H-SiC樣片表面淀積一層I. 2 ii m厚的Si02。步驟C :與實(shí)施例I的步驟3相同。步驟D :將開窗后的樣片置于石英管5中，并把石英管置于電阻爐6中；再將CCl4液體裝入三口燒瓶10中，并將三口燒瓶放入水浴鍋11中，然后按照?qǐng)DI將石英管與三口燒瓶進(jìn)行連接；從三通閥門3的進(jìn)氣口 4通入流速為80ml/min的Ar氣，并利用三通閥門3控制Ar氣從第一通道I進(jìn)入對(duì)石英管進(jìn)行排空30分鐘，使石英管內(nèi)的空氣從出氣口 7排出；打開電阻爐電源開關(guān)，對(duì)石英管升溫至1100°C。步驟E :打開水浴鍋11電源，對(duì)裝有CCl4液體的三口燒瓶10加熱至80°C;當(dāng)電阻爐達(dá)到設(shè)定的1100°c后，旋轉(zhuǎn)三通閥門，使流速為80ml/min的Ar氣從第二通道2流入三口燒瓶，并攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管，使氣態(tài)CCl4與裸露的6H-SiC在石英管中反應(yīng)120分鐘，生成雙層碳膜。步驟F :反應(yīng)結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)三通閥門，使Ar氣迅速轉(zhuǎn)向第一通道進(jìn)入石英管，并將Ar氣的流速從80ml/min調(diào)整為100ml/min ;將電阻爐溫度迅速升至1200°C，使生成的雙層碳膜退火10分鐘，在窗口位置重構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)化石墨烯；然后關(guān)閉電阻爐電源和水浴鍋電源，使雙層結(jié)構(gòu)化石墨烯在Ar氣保護(hù)下冷卻至室溫，并打開水浴鍋排水口 9，排掉熱水后，從進(jìn)水口 8引入冷水，使CCl4液體快速降溫，取出雙層結(jié)構(gòu)化石墨烯樣片。
權(quán)利要求
1.一種以SiC為基底的結(jié)構(gòu)化石墨稀制備方法，包括以下步驟 (1)對(duì)SiC樣片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗，即先使用nh4oh+h2o2試劑浸泡樣片10分鐘，取出后烘干，再使用HC1+H202試劑浸泡樣片10分鐘； (2)在清洗后的SiC樣片表面利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD淀積一層0.4-1. 2 i! m厚的SiO2,作為掩膜； (3)在掩膜表面涂一層光刻膠，再在掩膜上刻出與所需制作的器件的襯底形狀相同的窗口，露出SiC，形成結(jié)構(gòu)化圖形； (4)將開窗后的樣片置于石英管中，并連接好各個(gè)裝置，再對(duì)石英管加熱至800-1IOO0C ； (5)對(duì)裝有CCl4液體的三口燒瓶加熱至65-80°C，再向三口燒瓶中通入流速為 50-80ml/min的Ar氣,利用Ar氣攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管中，使CCl4與裸露的SiC反應(yīng)，生成雙層碳膜，反應(yīng)時(shí)間為20-120min ； (6)將生成的雙層碳膜樣片置于流速為25-100ml/min的Ar氣中，在溫度為1000-120(TC下退火10-30分鐘，使雙層碳膜在窗口位置重構(gòu)成雙層石墨烯。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以SiC為基底的結(jié)構(gòu)化石墨烯制備方法，其特征在于所述步驟(2)中利用PECVD淀積SiO2，其工藝條件為 SiH4、N2O 和 N2 的流速分別為 30sccm、60sccm 和 200sccm, 反應(yīng)腔內(nèi)壓力為3. OPa, 射頻功率為100W， 淀積溫度為150°C， 淀積時(shí)間為20-100min。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以SiC為基底的結(jié)構(gòu)化石墨烯制備方法，其特征在于所述SiC樣片的晶型采用4H-SiC或6H-SiC。
全文摘要
本發(fā)明公開了以SiC為基底的結(jié)構(gòu)化石墨烯制備方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中制備的石墨烯表面不光滑、層數(shù)不均勻，制作器件時(shí)由于光刻工藝導(dǎo)致石墨烯電子遷移率降低的問題。本發(fā)明中先對(duì)SiC樣片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；再在SiC樣片表面淀積一層0.4-1.2μm厚的SiO2，并在SiO2上刻出圖形窗口；將開窗后的樣片置于石英管中，利用Ar氣攜帶CCl4蒸汽進(jìn)入石英管，在800-1100℃下氣態(tài)CCl4與裸露的SiC反應(yīng)，生成雙層碳膜；再將生成的雙層碳膜樣片在Ar氣中溫度為1000-1200℃下退火10-30min，使雙層碳膜在窗口位置重構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)化石墨烯。本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單，安全性高，雙層結(jié)構(gòu)化石墨烯表面光滑，孔隙率低的優(yōu)點(diǎn)，可用于制作微電子器件。
文檔編號(hào)H01L21/02GK102723258SQ20121015924
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者張克基, 張鳳祁, 張玉明, 鄧鵬飛, 郭輝, 雷天民 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)