CN102674333B - 基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法 - Google Patents

基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法，主要解决现有技术制备的石墨烯连续性不好、层数不均匀的问题。其实现步骤是：(1)在Si衬底基片上生长一层碳化层作为过渡；(2)在温度为1200℃-1300℃下生长3C-SiC薄膜；(3)在3C-SiC薄膜表面淀积一层SiO2，并刻出图形窗口；(4)将开窗后裸露的3C-SiC在700-1100℃下与Cl2反应，生成碳膜；(5)将生成的碳膜样片置于缓冲氢氟酸溶液中去除窗口之外的SiO2；(6)在另外一片Si样片上电子束沉积一层Ni膜；(7)将去除SiO2后的碳膜样片置于Ni膜上，再将它们一同置于Ar气中，在温度为900-1100℃下退火15-30min，使碳膜在窗口位置重构成结构化石墨烯。本发明制备的结构化石墨烯表面光滑，连续性好，孔隙率低，可用于制作微电子器件。

Description

基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及一种半导体薄膜材料及其制备方法，具体地说是基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法。 
技术背景
石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷。目前的制备方法主要有两种： 
第一热分解SiC法，此方法将单晶SiC加热以通过使表面上的SiC分解而除去Si，随后残留的碳形成石墨烯。然而，SiC热分解中使用的单晶SiC非常昂贵，并且生长出来的石墨烯呈岛状分布，层数不均匀，而且做器件时由于光刻工艺会使石墨烯的电子迁移率降低，从而影响了器件性能。 
第二化学气相沉积法，此方法提供了一种可控制备石墨烯的有效方法,它是将平面基底，如金属薄膜、金属单晶等置于高温可分解的前驱体，如甲烷、乙烯等气氛中,通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯,最后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨烯片。通过选择基底的类型、生长的温度、前驱体的流量等参数可调控石墨烯的生长，如生长速率、厚度、面积等，此方法最大的缺点在于获得的石墨烯片层与衬底相互作用强，丧失了许多单层石墨烯的性质，而且石墨烯的连续性不是很好。 
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法，以减少成本，提高石墨烯表面光滑度和连续性、降低孔隙率，实现在3C-SiC衬底上选择性地生长结构化石墨烯，以免除在后续制造器件过程 中要对石墨烯进行刻蚀的工艺过程，保证石墨烯的电子迁移率稳定，提高器件性能。 
为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤： 
（1）对4-12英寸的Si衬底基片进行标准清洗； 
（2）将清洗后的Si衬底基片放入CVD***反应室中，对反应室抽真空达到10-7mbar级别； 
（3）在H2保护的情况下，使反应室逐步升温至碳化温度900℃-1200℃，通入流量为30sccm的C3H8，对衬底进行碳化5-10min，生长一层碳化层； 
（4）对反应室升温至生长温度1200℃-1300℃，通入C3H8和SiH4，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为30-60min，然后在H2保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC薄膜的生长； 
（5）在生长好的3C-SiC薄膜表面利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，淀积一层0.5-1μm厚的SiO2掩膜层； 
（6）在掩膜层表面涂一层光刻胶，并刻出与所需制作的器件的衬底形状相同的窗口，露出3C-SiC，形成结构化图形； 
（7）将开窗后的样片置于石英管中，加热至700-1100℃； 
（8）向石英管中通入Ar气和Cl2气的混合气体，持续3-5min，使Cl2与裸露的3C-SiC发生反应，生成碳膜； 
（9）将生成的碳膜样片置于缓冲氢氟酸溶液中以去除窗口之外的SiO2； 
（10）在另一片Si样片上电子束沉积300-500nm厚的Ni膜； 
（11）将去除SiO2后的碳膜样片置于Ni膜上，再将它们一同置于Ar气中，在温度为900-1100℃下退火15-30分钟，使碳膜在窗口位置重构成石墨烯，再将Ni膜从石墨烯样片上取开。 
本发明与现有技术相比具有如下优点： 
1.本发明由于利用在Ni膜上退火，因而生成的碳膜更容易重构成连续性较好的石墨烯。 
2.本发明由于选择性地生长了结构化石墨烯，在此石墨烯上制作器件时无需对石墨烯进行刻蚀，因而石墨烯中的电子迁移率不会降低，保证了制作的器件性能。 
3.本发明中3C-SiC与Cl2可在较低的温度和常压下反应，且反应速率快。 
4.本发明由于利用3C-SiC与Cl2气反应，因而生成的石墨烯表面光滑，空隙率 低，且厚度容易控制。 
5.本发明由于在生长3C-SiC时先在Si衬底上成长一层碳化层作为过渡，然后再生长3C-SiC，因而生长的3C-SiC质量高。 
6.本发明由于3C-SiC可异质外延生长在Si圆片上，因而用此方法生长结构化石墨烯成本低。 
附图说明
图1是本发明制备石墨烯的装置示意图； 
图2是本发明制备石墨烯的流程图。 
具体实施方式
参照图1，本发明的制备设备主要由石英管1和电阻炉2组成，其中石英管1设有进气口3和出气口4，电阻炉为2为环状空心结构，石英管1插装在电阻炉2内。 
参照图2，本发明的制作方法给出如下三种实施例。 
实施例1 
步骤1:去除样品表面污染物。 
对4英寸的Si衬底基片进行表面清洁处理，即先使用NH4OH+H2O2试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HCl+H2O2试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。 
步骤2：将Si衬底基片放入CVD***反应室中，对反应室抽真空达到10-7mbar级别。 
步骤3：生长碳化层。 
在H2保护的情况下，将反应室温度升至900℃的碳化温度，然后向反应室通入流量为30sccm的C3H8，在Si衬底上生长一层碳化层，生长时间为10min。 
步骤4：在碳化层上生长3C-SiC薄膜。 
将反应室温度迅速升至1200℃的生长温度，通入流量分别为20sccm和40sccm的SiH4和C3H8，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为60min；然后在H2保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC薄膜的生长。 
步骤5：在生长好的3C-SiC薄膜表面淀积一层SiO2掩膜层。 
（5.1）将生长好的3C-SiC薄膜样片放入PECVD***内，将***内部压力调为3.0Pa，射频功率调为100W，温度调为150℃； 
（5.2）向PECVD***内通入流速分别为30sccm、60sccm和200sccm的SiH4、N2O和N2，持续30min，使SiH4和N2O发生反应，从而在3C-SiC薄膜表面淀积一层0.5μm厚的SiO2掩膜层。 
步骤6：在SiO2掩膜层上刻出图形窗口。 
在SiO2掩膜层上刻出图形窗口。 
（6.1）在SiO2掩膜层上旋涂一层光刻胶； 
（6.2）按照所要制作器件的衬底形状制成光刻版，然后再进行光刻，将光刻版上图形转移到SiO2掩膜层上； 
（6.3）用缓冲氢氟酸腐蚀SiO2掩膜层，刻蚀出图形窗口，露出3C-SiC，形成结构化图形。 
步骤7：将开窗后的样片装入石英管，并排气加热。 
（7.1）将开窗后的样片装入石英管1中，把石英管置于电阻炉2中； 
（7.2）从进气口3向石英管中通入流速为80sccm的Ar气，对石英管进行10分钟排空，使气体从出气口4排出； 
（7.3）打开电阻炉电源开关，对石英管加热至700℃。 
步骤8：生成碳膜 
向石英管通入流速分别为98sccm和2sccm的Ar气和Cl2气，持续5分钟，使Cl2与裸露的3C-SiC反应，生成碳膜。 
步骤9：去除剩余的SiO2。 
将生成的碳膜样片从石英管取出并置于氢氟酸与水配比为1:10的缓冲氢氟酸溶液中去除窗口之外的SiO2。 
步骤10：在Si样片上淀积Ni膜。 
取另一Si样片放入电子束蒸发镀膜机中的载玻片上，调整载玻片到靶材的距离为50cm，并将反应室压强抽至5×10-4Pa，调节束流为40mA，蒸发10min，在Si样片上沉积一层300nm厚的Ni膜。 
步骤11：重构成石墨烯。 
（11.1）将去除SiO2后的碳膜样片置于Ni膜上； 
（11.2）将碳膜样片和Ni膜整体置于流速为90sccm的Ar气中，在温度为1100℃下退火15分钟，使碳膜在窗口位置重构成连续的结构化石墨烯； 
（11.3）将Ni膜从结构化石墨烯上取开，获得结构化石墨烯样片。 
实施例2 
步骤一：去除样品表面污染物。 
对8英寸的Si衬底基片进行表面清洁处理，即先使用NH4OH+H2O2试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HCl+H2O2试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。 
步骤二：与实施例1的步骤2相同。 
步骤三：生长碳化层。 
在H2保护的情况下，将反应室温度升至碳化温度1050℃，然后向反应室通入流量为30sccm的C3H8，在Si衬底上生长一层碳化层，生长时间为7min。 
步骤四：在碳化层上生长3C-SiC薄膜。 
将反应室温度迅速升至生长温度1200℃，通入流量分别为25sccm和50sccm的SiH4和C3H8，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为45min；然后在H2保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC薄膜的生长。 
步骤五：在生长好的3C-SiC薄膜表面淀积一层SiO2。 
将生长好的3C-SiC薄膜样片放入PECVD***内，将***内部压力调为3.0Pa，射频功率调为100W，温度调为150℃；向***内通入流速分别为30sccm、60sccm和200sccm的SiH4、N2O和N2，持续75min，使SiH4和N2O发生反应，从而在3C-SiC样片表面淀积一层0.8μm厚的SiO2掩膜层。 
步骤六：与实施例1的步骤6相同。 
步骤七：将开窗后的样片装入石英管，并排气加热。 
将开窗后的样片置于石英管1中，把石英管置于电阻炉2中；从进气口3向石英管中通入流速为80sccm的Ar气，对石英管进行10分钟排空，气体从出气口4排出；再打开电阻炉电源开关，对石英管加热至1000℃。 
步骤八：生成碳膜 
向石英管通入流速分别为97sccm和3sccm的Ar气和Cl2气，持续4分钟，使Cl2与裸露的3C-SiC反应，生成碳膜。 
步骤九：与实施例1的步骤9相同。 
步骤十：在Si样片上淀积Ni膜。 
取另一Si样片放入电子束蒸发镀膜机中的载玻片上，载玻片到靶材的距离调为50cm，将反应室压强抽至5×10-4Pa，调节束流为40mA，蒸发15min，在Si样片上沉积一层400nm厚的Ni膜。 
步骤十一：重构成石墨烯。 
将去除SiO2后的碳膜样片置于Ni膜上；将碳膜样片和Ni膜整体置于流速为55sccm的Ar气中，在温度为1000℃下退火20分钟，使碳膜在窗口位置重构成连续的结构化石墨烯；将Ni膜从结构化石墨烯上取开，获得结构化石墨烯样片。 
实施例3 
步骤A：对12英寸的Si衬底基片进行表面清洁处理，即先使用NH4OH+H2O2试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HCl+H2O2试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。 
步骤B：与实施例1的步骤2相同。 
步骤C：在H2保护的情况下将反应室温度升至碳化温度1200℃，然后向反应室通入流量为30sccm的C3H8，持续5min，以在Si衬底上生长一层碳化层。 
步骤D：将反应室温度迅速升至生长温度1300℃，通入流量分别为30sccm和60sccm的SiH4和C3H8，进行3C-SiC薄膜异质外延生长30min，然后在H2保护下逐步降温至室温。 
步骤E：将生长好的3C-SiC样片放入PECVD***内，将***内部压力调为3.0Pa，射频功率调为100W，温度调为150℃；向***内通入流速分别为30sccm、60sccm和200sccm的SiH4、N2O和N2，持续100min，使SiH4和N2O发生反应，在3C-SiC样片表面淀积一层1μm厚的SiO2掩膜层。 
步骤F：与实施例1的步骤6相同。 
步骤G：将开窗后的样片置于石英管1中，把石英管置于电阻炉2中；从进气口3向石英管中通入流速为80sccm的Ar气，对石英管进行10分钟排空，气体从出气 口4排出；再打开电阻炉电源开关，对石英管加热至1100℃。 
步骤H：向石英管中通入流速分别为95sccm和5sccm的Ar气和Cl2气，持续时间为3分钟，使Cl2与裸露的3C-SiC反应，生成碳膜。 
步骤I：与实施例1的步骤9相同。 
步骤J：取另一Si样片放入电子束蒸发镀膜机中的载玻片上，载玻片到靶材的距离为50cm，将反应室压强抽至5×10-4Pa，调节束流为40mA，蒸发20min，在Si样片上沉积一层500nm厚的Ni膜。 
步骤K：将去除SiO2后的碳膜样片置于Ni膜上；将碳膜样片和Ni膜整体置于流速为30sccm的Ar气中，在温度为900℃下退火30分钟，使碳膜在窗口位置重构成连续的结构化石墨烯；将Ni膜从结构化石墨烯上取开，获得结构化石墨烯样片。 

Claims (7)

1.一种基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法，包括以下步骤： 
（1）对4-12英寸的Si衬底基片进行标准清洗，即先使用NH4OH+H2O2试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HCl+H2O2试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物； 
（2）将清洗后的Si衬底基片放入CVD***反应室中，对反应室抽真空达到10-7Mbar级别； 
（3）在H2保护的情况下，使反应室逐步升温至碳化温度900℃-1200℃，通入流量为30sccm的C3H8，对衬底进行碳化5-10min，生长一层碳化层； 
（4）对反应室升温至生长温度1200℃-1300℃，通入C3H8和SiH4，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为30-60min，然后在H2保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC薄膜的生长； 
（5）在生长好的3C-SiC薄膜表面利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，淀积一层0.5-1μm厚的SiO2掩膜层； 
（6）在掩膜层表面涂一层光刻胶，并刻出与所需制作的器件的衬底形状相同的窗口，露出3C-SiC，形成结构化图形； 
（7）将开窗后的样片置于石英管中，加热至700-1100℃； 
（8）向石英管中通入Ar气和Cl2气的混合气体，持续3-5min，使Cl2与裸露的3C-SiC发生反应，生成碳膜； 
（9）将生成的碳膜样片置于缓冲氢氟酸溶液中以去除窗口之外的SiO2； 
（10）在另一片Si样片上电子束沉积300-500nm厚的Ni膜； 
（11）将去除SiO2后的碳膜样片置于Ni膜上，再将它们一同置于Ar气中，在温度为900-1100℃下退火15-30分钟，使碳膜在窗口位置重构成石墨烯，再将Ni膜从石墨烯样片上取开。 
2.根据权利要求1所述的基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法，其特征在于所述步骤（4）通入的SiH4和C3H8，其流量分别为20-30sccm和40-60sccm。 
3.根据权利要求1所述的基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法，其特征在于所述步骤（5）的利用PECVD淀积SiO2，其工艺条件为：SiH4、N2O和N2 的流速分别为30sccm、60sccm和200sccm，反应腔内压力为3.0Pa，射频功率为100W， 
淀积温度为150℃，淀积时间为30-100min。 
4.根据权利要求1所述的基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法，其特征在于所述步骤（8）通入的Ar气和Cl2气，其流速分别为95-98sccm和5-2sccm。 
5.根据权利要求1所述的基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法，其特征在于所述步骤（9）中缓冲氢氟酸溶液，是用比例为1:10的氢氟酸与水配制而成。 
6.根据权利要求1所述的基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法，其特征在于所述步骤（10）中电子束沉积的条件为：基底到靶材的距离为50cm，反应室压强为5×10-4Pa，束流为40mA，蒸发时间为10-20min。 
7.根据权利要求1所述的基于Ni膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法，其特征在于所述步骤（11）退火时Ar气的流速为30-90sccm。 
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