一种通过控制衬底上的石墨烯成核位点生长石墨烯的方法
【专利摘要】本发明属于碳基集成电路制造【技术领域】，具体为一种通过控制衬底上的石墨烯成核位点生长石墨烯的方法。本发明是在一块铜或二氧化硅衬底上，通过控制衬底上石墨烯成核位点来生长各种形状的连续的石墨烯，其中利用一块设计好形状的掩模板，用物理气相沉积的方法在衬底上淀积上很小点状的铜作为石墨烯成核位点，通过控制成核位点让石墨烯生长成特定形状的连续的石墨烯。该方法简单方便可靠，可以作为低压化学气相沉积生长石墨烯的一种基本方法。
【专利说明】—种通过控制衬底上的石墨烯成核位点生长石墨烯的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于碳基集成电路制造【技术领域】，具体涉及一种在衬底上生长石墨烯的方法。
【背景技术】
[0002]随着第一块集成电路的发明，集成电路和半导体行业经历了快速的发展，而且越来也发挥其重要的作用，推动着科学技术的快速发展。然而，摩尔定律的不断延展与纵深使得硅基集成电路器件尺寸距离其物理极限越来越近。随着，一种新型半导体材料——石墨烯(Graphene )的发现,给未来半导体行业带来无限发展的可能。石墨烯(Graphene )是由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体，图1所示为石墨烯的基本结构示意图。石墨烯具有远比硅高的载流子迁移率，石墨烯具有室温下高速的电子迁移率200 000 cm2 / V-s,量子霍尔效应、高的理论比表面积2600 m2/g、还具有高热导率3000 ff/m.K和出色的力学性能(高模量1060GPa，高强度130GPa)，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。基于石墨烯独特的二维结构和物理特性，石墨烯被认为是下一代集成电路中有望延续摩尔定律的重要材料。
[0003]对于石墨烯发现之初，能难生长和制作出大面积的石墨烯。自低压化学气相沉积的方法以来，利用甲烷和氢气在高温下可以在铜片上生长石墨烯，这种方法生长石墨烯比较简单，生长出石墨烯的面积大。可在生长过程中，铜衬底上的石墨烯成核位点不可控，在铜上有的地方有成核位点，有的地方没有成核位点，这样生长的石墨烯不连续，形状非常奇怪，面积也很难变得很大。对于在铜上生长的石墨烯，如需制造石墨烯器件，还需将铜上石墨烯转移到绝缘体衬底上。
[0004]本发明在于在金属或绝缘体衬底上，利用控制和制造石墨烯成核位点，直接生长石墨烯。即可在铜衬底上，也可以在二氧化硅绝缘体制造生产石墨烯成核位点。如需制作石墨烯器件，可以直接在绝缘体衬底上生长特定形状和尺寸的石墨烯。在生长石墨烯之前，需要设计和制造好需要的掩模板，通过物理气相沉积在衬底上淀积铜或者其他材料作为石墨烯成核位点，有了特定的成核位点，石墨烯就会在这些成核位点的地方生长，从一小块到一大块，由于设计的成核位点足够多，而且特定形状，这些生长的石墨烯会连成一块，生长在一起，这样就可以在金属或绝缘体衬底上生长出特出特定形状的连续的石墨烯。通过这种方法可以实现生长大面积和特定形状的石墨烯，如需制备器件，可以直接在绝缘体衬底上生长石墨烯。这是一种有效和新颖的方法，将进一步推动碳基集成电路的发展。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提出一种可控制的石墨烯生长的方法，这种石墨烯的生长方法可以在金属和绝缘体衬底上生长特定形状连续的大面积石墨烯，有利用研究和制备石墨烯器件。[0006]本发明提出的可控制的生长石墨烯的方法，是在金属或绝缘体衬底上，通过控制和制造石墨烯成核位点，直接生长石墨烯，具体步骤为:
(1)提供铜或二氧化硅衬底；
(2)提供设计好的特定形状的掩模板，用以控制衬底上的石墨烯成核位点；
(3)利用掩模板，采用物理气相沉积在衬底上淀积铜，作为石墨烯成核位点；
(4)利用低压化学气相沉积在有成核位点的衬底上生长石墨烯。
[0007]进一步地，所述的提供铜或二氧化硅衬底应十分平整和光滑，表面经过抛光处理。之后要对样品进行清洗，去除样品表面的杂质，颗粒，残留试剂等，使衬底十分干净，平整光滑，没有玷污。接着在衬底上制备特定的石墨烯成核位点，最后生长出所需要的石墨烯。
[0008]本发明中，通过在衬底上控制石墨烯成核位点，生长特定形状的石墨烯。
[0009]本发明中，通过设计掩模板，控制衬底上的石墨烯成核位点。
[0010]本发明是利用在衬底制备出可控制的石墨烯成核位点，然后再衬底上生长出所需要的特定形状的连续的石墨烯。由于在不经过处理的铜片上直接生长石墨烯，其石墨烯成核位点不好控制，随机出现。因而本发明通过一些处理，在衬底上淀积出石墨烯成核位点来直接控制石墨烯的生长，在哪些区域生长和生长出什么形状的石墨烯，来达到生长出的石墨烯直接达到所需的要求。这种方法简单方便可靠，可以在许多金属和绝缘体衬底上生长特定形状的连续的石墨烯。该方法可以作为制备石墨烯的一种基本方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0011 ] 图1为石墨稀基本结构不意图。
[0012]图2至图4为本发明提供的生长石墨烯过程示意图。
[0013]图5为本发明操作流程图。
【具体实施方式】
[0014]本发明利用控制和制备衬底上石墨烯成核位点，可以直接在金属或绝缘体衬底上通过低压化学气相沉积的方法在衬底生长出特定形状的连续的石墨烯样品。这种利用控制衬底上的石墨烯成核位点生长石墨烯的方法可靠，工艺步骤简单方便可靠，而且可以在金属或绝缘体衬底上生长，生长的石墨烯可以控制。以下所述的是采用本发明所提出的利用控制衬底上的石墨烯成核位点生长石墨烯的实施例。
[0015]在图中，为了方便说明，结构大小和比例并不代表实际尺寸。
[0016]首先，在铜(Cu)衬底或300nm厚度的二氧化硅(Si02) 101衬底进行抛光处理，使其表面干净光滑平整。接下来，对衬底样品进行清洁，去除衬底的杂质，颗粒，残留试剂等，使石墨烯样品十分干净，光滑平整没有玷污。其中二氧化硅样品如图2中的101。
[0017]接下来，制备和设计物理气相沉积所需的特定形状的掩模板，设计的掩模板是圆孔阵列，形成一个六边形。其中圆孔的半径为5um，两个圆孔的距离为15um。六边形的边为五个圆孔组成。形成的掩模板俯视图102。如图3所示。
[0018]接着，利用物理气相沉积在二氧化硅101衬底上淀积上铜，在衬底上形成所需的石墨烯成核位点。具体步骤为。当反应腔中真空度达到5X 10-3 mbar,开始在淀积铜,其中样品旋转为60转每分钟，淀积3分钟。当淀积结束后，关闭物理气相沉积仪器，取出样品，在二氧化硅衬底形成石墨烯成核位点103，如图4所示。
[0019]最后，将样品放入低压化学气相沉积的反应炉中，开启反应炉。通入氩气，清除掉反应炉中的空气，然后通入氢气5sccm和500sccm氩气，加热反应炉，待温度上升到1000度，关闭IS气，打开甲烧IOsccm,氢气IOsccm反应5分钟。快速冷却,最后待样品冷却至常温，取出样品。
[0020]如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。
【权利要求】
1.一种通过控制衬底上的石墨烯成核位点生长石墨烯的方法，其特征在于具体步骤为: (1)提供铜或二氧化硅衬底； (2)设计特定形状的掩模板，用以控制衬底上的石墨烯成核位点； (3)利用掩模板，采用物理气相沉积方法在衬底上淀积铜，作为石墨烯成核位点； (4)利用低压化学气相沉积方法在有成核位点的衬底上生长石墨烯。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述的二氧化硅衬底表面先要经过抛光处理，并进行清洗，去除表面的杂质、颗粒、残留试剂，使衬底表面干净，平整光滑，没有玷污。
【文档编号】C01B31/04GK103928305SQ201410157129
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月19日 优先权日:2014年4月19日
【发明者】周鹏, 杨松波, 沈于兰 申请人:复旦大学