CN102936009A - 一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法 - Google Patents

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本发明是一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法，包括如下工艺步骤：一、选取硅面碳化硅衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；二、***升温；三、降低反应室温度至1200℃以下；四、提高氩气流量；五、***升温；六、降低氩气流量，反应室压力减低至0~1mbar；七、继续采用机械泵控制反应室真空度；八、采用分子泵控制反应室真空度，开始碳化工艺；七、关闭加热，通入氩气；八、反应室温度降低至1000℃后，关闭氩气； 九、反应室温度降温，向反应室通入氩气至大气压，开腔取片。优点：可促进石墨烯薄膜的形成，有效抑制升温和降温过程中SiC衬底中硅原子的升华，使碳化工艺时间更加可控，从而实现低层数石墨烯薄膜的制备。

Description

一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法
技术领域
本发明提出的是一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法，通过该方法制备的石墨烯薄膜层数低，且重复性好，稳定可控。属于半导体材料技术领域。
背景技术
石墨烯是英国曼彻斯特大学Geim课题组于2004年发现的单原子层石墨晶体薄膜，是由sp2杂化的碳原子构成的二维蜂窝状物质，是构建其它维数碳材料的基本单元，可以包裹起来形成零维的富勒烯, 卷起来形成一维的碳纳米管, 层层堆积形成三维的石墨。石墨烯C-C键长约为0.142nm，完美的石墨烯是二维的，只包括六角元胞(等角六边形)，是人类首次发现的二维晶体。
石墨烯薄膜具有许多优异特性，例如：室温下高达200000 cm2/Vs的本征电子迁移率（硅的140 倍）；微米级电子的平均自由程；比铜高两个数量级的电流密度（108A/cm2）；良好的导热性[5000W/ (m·K)]，（金刚石的5倍）；高强度( 1060GPa) 和超大的比表面积( 2630m2/g)。
电子在石墨烯中可不被散射而进行传输，用其制备的晶体管尺寸更小、速度更快，能耗更低。同时石墨烯器件工艺还与传统的CMOS工艺兼容，可利用平面光刻技术制备石墨烯器件及电路，石墨烯是器件关键材料的更新换代的首选。专家预测石墨烯的研究成果将对高端军用***的创新发展产生难以估量的冲击力，包括超级计算机、毫米波精密成像***、毫米波超宽带通信***、雷达及电子战***等。目前，硅器件的工作速度能达到GHz范围，而石墨烯器件的工作频率可达到THz。如果能进一步开发，其意义不言而喻。
目前石墨烯材料的制备主要有以下几种：机械剥离法、SiC热分解法、化学气相淀积法、分子束外延及化学分散法。SiC热分解法更适合于圆片级别的石墨烯薄膜制备。理由如下：首先从器件制作的角度出发，通过SiC热分解法可以直接制备石墨烯/碳化硅结构，无需加入石墨烯薄膜向器件衬底转移的工序，简化工艺流程，降低加工过程对薄膜性能的不利影响，因此可以提供更加可信的质量和界面，因而具有良好的可生产性及可重复性。
石墨烯薄膜的性能和层数有着很大的关系。SiC热分解法通过升华SiC衬底中的硅原子，使SiC衬底碳化，硅原子升华后剩下的碳原子在衬底表面吸附成核形成石墨烯。和外延生长不同，SiC热分解法无法通过调节通入源的时间和流量实现石墨烯薄膜层数控制。如何控制SiC衬底的有效碳化时间，如何抑制达到碳化温度之前和完成碳化工艺降温过程中SiC衬底中硅原子的升华是实现低层数石墨烯薄膜的制备需要解决的关键问题。
发明内容
本发明提出的是一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法，其目的旨在控制SiC热分解法制备石墨烯薄膜的有效碳化时间，实现低层数石墨烯薄膜的制备。本发明在SiC衬底完成氢气刻蚀之后，降低反应室温度，向反应室通入氩气置换反应室内残余的氢气，并提高反应室压力，来抑制升温过程中SiC衬底中硅原子的升华。在完成碳化工艺，降温过程中，同样通入氩气并提高反应室压力，来抑制降温过程中SiC衬底中硅原子的升华。
本发明的技术解决方案，该方法包括如下工艺步骤：
一、选取硅面碳化硅衬底（1），将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；
二、***升温至1570℃，设置反应室压力为100mbar，在氢气流量80L/min、氩气流量3L/min气氛下在线对衬底表面进行处理，去除表面的损伤，并在衬底表面形成微台阶，处理时间约需30分钟；
三、降低反应室温度至1200℃，并将氢气流量通过缓变的方式从80L/min降低至0L/min，氩气流量保持3L/min不变，设置反应室压力为100mbar，处理时间约需20分钟；
四、将氩气流量通过缓变的方式从3L/min提高至15L/min，处理时间约需5分钟，反应室压力逐渐爬坡至200mbar以上；
五、***升温至碳化温度1580~1650℃，设置反应室压力为200mbar，氩气流量15L/min；
六、通过缓变的方法降低氩气流量至0L/min，反应室压力减低至0~1mbar，处理时间约需10分钟；
七、继续采用机械泵控制反应室真空度，处理时间约需15分钟；
八、关闭机械泵，采用分子泵控制反应室真空度，反应室真空度10-4~10-1 mbar，开始碳化工艺，处理时间约需15~60分钟；
七、关闭加热，向反应室通入氩气，氩气流量由0L/min缓变至10L /min，反应室压力由0mbar缓变至200mbar以上，处理时间约需5分钟；
八、反应室温度降低至1000℃之后，关闭氩气输入；
 九、反应室温度降低至室温之后，向反应室通入氩气至大气压，开腔取片。
本发明的优点：完成氢气刻蚀工艺之后，通入氩气置换反应室内的氢气，可以有效降低反应室内残余氢气的量，避免高温时吸附的氢气释放导致硅原子升华后产生的碳原子形成气态碳氢化合物而非石墨烯。另外在升温和降温过程中，通过氩气氛结合提高反应室压力的方法，可以有效抑制升温和降温过程中硅原子的升华，从而实现SiC衬底有效碳化时间稳定可控。
附图说明
附图1碳化过程中反应室真空度随时间的变化的示意图，有较好的重复性。
附图2采用本方法制备的SiC衬底上单层石墨烯的拉曼图谱，石墨烯的2D峰可以通过单个洛伦兹峰拟合，半高宽36cm-1。
附图3采用本方法制备的SiC衬底上双层石墨烯的拉曼图谱，石墨烯的2D峰可以由4个洛伦兹峰拟合。
具体实施方式
实施例
提供的在正晶向(0001)硅面高纯半绝缘碳化硅衬底生长低层数石墨烯薄膜的方法包括以下步骤：
1）选取正晶向(0001)硅面高纯半绝缘碳化硅衬底，将衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；
2）***升温至1570℃，设置反应室压力为100mbar，在氢气流量80L/min、氩气流量3L/min气氛下在线对衬底表面进行处理，去除表面的损伤，并在衬底表面形成微台阶，处理时间为30分钟；
3）降低反应室温度至1200℃，并将氢气流量从80L/min逐渐降低至0L/min，氩气流量保持3L/min不变，设置反应室压力为100mbar，处理时间为20分钟；
4）将氩气流量从3L/min逐渐提高至15L/min，反应室压力由100mbar逐渐提高至200mbar，处理时间为5分钟；
5）***升温至1600℃，反应室压力设定200mbar，氩气流量15L/min，升温时间为30分钟；
6）将氩气流量由15 L/min逐渐降低至0L/min，反应室压力降低至0~1mbar，处理时间为10分钟；
7）继续采用机械泵控制反应室真空度，处理时间15分钟；
8）关闭机械泵，打开分子泵控制反应室真空度，开始碳化工艺，反应室真空度10-4~10-1 mbar，处理时间30分钟；
9）关闭加热，向反应室通入氩气，氩气流量由0L/min逐渐加大至10L /min，反应室压力由0mbar逐渐提高至200mbar，处理时间为5分钟；
10）反应室温度降低至1000℃之后，关闭氩气输入；
11）反应室温度降低至室温之后，向反应室通入氩气至大气压，开腔取片。
采用拉曼光谱仪对制备的石墨烯薄膜进行表征。通过对石墨烯2D峰的拟合可以判断石墨烯的层数。同时结合石墨烯D峰强度和G峰强度的对比可以判断石墨烯的晶体质量。
本方法可以有效制备高质量低层石墨烯薄膜。通入氩气置换反应室内的氢气，可以有效降低反应室内残余氢气的量，通过氩气氛结合提高反应室压力的方法，可以有效抑制升温和降温过程中硅原子的升华，从而实现有效碳化时间稳定可控。工艺重复性和一致性好，适合规模生产。

Claims (3)

1.一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：
一、选取硅面碳化硅衬底（1），将硅面碳化硅衬底置于有碳化钽涂层的石墨基座上；
二、***升温至1570℃，设置反应室压力为100mbar，在氢气流量80L/min、氩气流量3L/min气氛下在线对硅面碳化硅衬底表面进行处理，去除表面的损伤，并在硅面碳化硅衬底表面形成微台阶；
三、降低反应室温度至1200℃以下，并将氢气流量通过缓变的方式从80L/min降低至0L/min，氩气流量保持3L/min不变，设置反应室压力为100mbar；
四、将氩气流量通过缓变的方式从3L/min提高至15L/min，采用机械泵控制反应室真空度，反应室压力逐渐爬坡至200mbar以上；
五、***升温至碳化温度1580~1650℃，设置反应室压力200mbar以上，氩气流量15L/min；
六、通过缓变的方法降低氩气流量至0L/min；
七、继续采用机械泵控制反应室0~1mbar；
八、关闭机械泵，采用分子泵控制反应室真空度，反应室压力10-4~10-1mbar，开始碳化工艺，时间15~60分钟；
七、关闭加热，向反应室通入氩气，氩气流量由0L/min缓变至10L /min，反应室压力由0mbar缓变至200mbar以上；
八、反应室温度降低至1000℃之后，关闭氩气输入；
  九、反应室温度降低至室温之后，向反应室通入氩气至大气压，开腔取片。
2.如权利要求1所述的一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法，其特征是所述硅面碳化硅衬底（1）选自4H、6H的多型碳化硅。
3.如权利要求1所述的一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法，其特征是在大于200mbar氩气氛下将生长温度由1200℃以下提升至碳化温度。
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