一种在SiC衬底上通过点籽晶定位生长大尺寸单晶石墨烯的方法与流程

文档序号：12099864阅读：278来源：国知局

本发明涉及一种在SiC衬底上通过点籽晶工艺定位生长大尺寸单晶石墨烯的新方法，属于微电子材料技术领域。

背景技术：

石墨烯是由C原子以sp²轨道组成的六角形成蜂巢状的单层原子二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学Geim和Novoselov所在小组首次利用胶带微机械剥离高定向热解石墨得到了二维石墨烯，打破了之前二维材料不能独立存在的定论。

石墨烯作为碳基材料，其特定的二维结构决定了它可以合成其余维度碳纳米材料如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨以及几何形状不尽相同的石墨烯纳米条带。同时石墨烯材料因独特的二维结构在力学、热学、光电学上都有着自己独特的性质。首先，石墨烯材料最高可以超过200,000cm²·v^-1·s^-1的理论电子迁移率以及室温下特有的量子霍尔效应吸引了大批微电子研究工作者的注意力。另外，石墨烯还具有高的理论比表面积2600m²·g^-1、优良的导热性能3000W·m^-1K^-1、高的透光率以及良好的力学性能。

石墨烯成为继碳纳米管后又一个新型的、被广泛研究的碳材料。在能源、电子、生物医药、光催化等方面有着明朗的应用前景。光电器件方面，可以利用石墨烯制备透明导电薄膜，透明导电薄膜透光率为80％以上，而且在机械强度和柔韧度方面比常用的氧化铟锡材料更好。储能器件方面，石墨烯优异的电学性能赋予其在能源相关领域广泛的应用，其本征的高比表面积、高传导能力决定其可以充当储能器件的理想电极材料，包括石墨烯储氢、太阳能电池、锂离子电池以及超级电容器等领域。石墨烯制作的超级电容器的比电容高达205F/g；石墨烯储氢量可达1.7wt.％；石墨烯制作的锂电池储能密度能够达到160Wh/kg，功率密度将近100kW/kg。生物医药方面，已经被应用于活细胞成像、药物载体、生物分子检测等方面。石墨烯还具备较高的抗腐蚀性，利用石墨烯制作金属保护膜，可以有效地降低金属的腐蚀速率，甚至阻止空气对金属的氧化作用。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。石墨烯优异的性能使其应用在众多领域，特别是微电子器件领域具有重大的应用前景。

目前制备石墨烯的方法有很多，主要分为微机械剥离石墨法、化学气相沉积法(CVD)、氧化石墨还原法和SiC衬底上外延生长石墨烯法。

中国专利文件CN103074878A公开了单晶石墨烯的制备方法，主要使用微机械力的方法，将石墨用胶带撕裂出，然后将单晶石墨烯黏贴到铜箔基板上进行石墨烯生长。该方法虽然能够控制石墨烯的成核生长，但制备的石墨烯需要进行后续的转移处理，转移过程容易造成石墨烯污染及大量缺陷形成，因此，该方法制备的石墨烯不能够用于微电子器件。

中国专利文件CN104498902A公开了一种常压化学气相沉积石墨烯薄膜的制备方法，其步骤是，在处理好的铜箔上进行成核并获得小尺寸石墨烯晶畴，再将载有小尺寸石墨烯晶畴的铜箔进行钝化处理，然后将钝化后的铜箔进行回炉生长获得石墨烯薄膜。该方法虽然能够得到石墨烯薄膜，但由于钝化处理需要将石墨烯暴露在外界空气环境中，势必影响石墨烯晶畴的边界活性，不利于后续石墨烯生长。此外，由于采用金属铜箔为衬底，依然需要将制备的石墨烯进行转移处理。该方法制备的石墨烯同样难以用于石墨烯微电子器件。

中国专利文件CN105112998A一种氧化物衬底辅助的快速制备大尺寸单晶石墨烯的方法。其主要特征为用金属箔片作为催化剂及生长基底，用氧化物作为衬底与金属箔片紧密接触，利用氧化物释放氧原子，加速了碳源气体的裂解，实现石墨烯在金属衬底的快速生长。采用该方法虽然能够获得石墨烯大晶畴，但同专利文件CN103074878A和专利文件CN104498902A一样，都不能避免石墨烯在转移过程中所带来的破损和污染问题。

中国专利文件CN103204498A公开了一种热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法，在氩气辅助下热裂解碳化硅制备外延石墨烯过程，在碳化硅制备外延石墨烯方法的基础上进行改进，是利用罩在加热石墨上方的带孔石墨罩减少气流和温度的影响，同时控制Si的蒸发速率，该方法虽然能够得到均匀性较好的石墨烯薄膜，但是在衬底上不能控制单一成核，难以获得大尺寸单晶石墨烯，并且存在缓冲层，降低了石墨烯的性能。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种在SiC衬底上通过点籽晶定位生长大尺寸单晶石墨烯的方法。

本方案技术方案如下：

一种在SiC衬底上通过点籽晶定位生长大尺寸单晶石墨烯的方法，包括步骤如下：

(1)将SiC进行抛光、清洗后，平放于高温CVD石墨烯生长炉的石墨加热器中，高温CVD石墨烯生长炉腔抽真空度为10^-3～10^-4Pa，快速升温至1200～1300℃；通入高纯氩气和氢气，压力控制在800～900mbar，然后缓慢升温至1500℃～1600℃，保温10～15min，进行氢刻蚀；刻蚀结束后，关闭氢气，然后缓慢降温至1400～1500℃，保温10～30min。降温至1400～1500℃达到Si-C键开始断裂的温度，此时保温10～30min，使SiC表面少量的Si-C键部分断裂，部分硅蒸发。

然后，在氩气的氛围下降温至800℃～1100℃，将微细导热探针放在SiC衬底上，形成以导热探针为中心的局部过冷点；通入碳源气体和氢气，压力控制在800～900mbar，由碳源气体分解后的活性碳源在过冷点处优先生长为石墨烯籽晶。过冷点处石墨烯生长驱动力最大。

(2)保持SiC衬底温度为800℃～1100℃，系统压力为800～900mbar；在碳源气体的供应下，石墨烯以SiC衬底上的籽晶为中心不断长大，最终获得大尺寸单晶石墨烯；

(3)生长过程结束后，通入氩气，压力控制在800～900mbar，缓慢降温至600～700℃，停止通入氩气，自然降温，即得大尺寸单晶石墨烯。

根据本发明，优选的，步骤(1)中升温至1200～1300℃的升温速率为10～50℃/min，升温至1500～1600℃的升温速率为0.5～5℃/min；

优选的，高纯氩气和氢气的纯度≥99.9％；氩气和氢气的流量分别为10～100sccm和10～100sccm。

根据本发明，优选的，步骤(1)中所述的微细导热探针为铂金或铂铑合金材质。

根据本发明，优选的，步骤(1)中所述的过冷点的纵向温度梯度为1～10℃/cm。

根据本发明，优选的，步骤(1)中所述的碳源气体为甲烷或乙烷。

本发明步骤(1)中对SiC进行清洗，清洗方法可采用标准湿法化学清洗工艺；可加工出表面清洁、粗糙度小的SiC衬底。

根据本发明，步骤(1)中形成石墨烯籽晶最优选的方法如下：

将SiC进行抛光、清洗后，平放于高温CVD石墨烯生长炉内的加热器中，炉腔抽真空度为10^-3Pa，快速升温至1300℃，升温速率为10℃/min；通入高纯氩气和氢气，流量分别为50sccm和50sccm，压力控制在900mbar，然后缓慢升温至1500℃，升温速率为2℃/min，保温10min，进行氢刻蚀；刻蚀结束后关闭氢气，继续通氩气，然后缓慢降温至1400℃，达到Si-C键开始断裂的温度，此时保温20min，使SiC表面Si-C键部分断裂，部分硅蒸发；

然后，在氩气氛围下降温至1100℃，将铂金材质的微细导热探针放在SiC衬底上，形成以导热探针为中心的局部过冷点，通入高纯甲烷气体和氢气，气体流量分别为10sccm和50sccm，压力控制在900mbar。此时，将微细导热探针放在SiC选定位置上，形成局部过冷点并获得石墨烯籽晶。

根据本发明，优选的，步骤(2)中氩气的流量为50sccm，氢气流量为50sccm，甲烷的流量为5～15sccm。

根据本发明，步骤(2)中石墨烯生长最优选的方法如下：

在氩气的氛围下保持温度为1100℃，然后通入甲烷和氢气，气体流量为10sccm和50sccm，保温60min。保证只沿着过冷位置处的石墨烯籽晶继续生长。

根据本发明，优选的，步骤(3)中氩气的流量为10～100sccm，降温至600～700℃的降温速率为100～200℃/min。

本发明方法中所有设备、原料均为市售产品。没有特别限定的部分，可参照现有技术。

根据石墨烯的晶格结构，本发明提出一种在SiC衬底上通过点籽晶定位生长单晶石墨烯的方法，能够获得大尺寸单晶石墨烯，不仅可以直接用于微电子器件，而且可用于制作石墨烯新型传感器件。在经过优选的条件下，可得到层数更均匀的石墨烯材料。

本发明的技术特点和优良效果在于：

1、本发明的生长过程不依赖于金属衬底，无需对生长得到的大尺寸单晶石墨烯进行转移，可以直接应用到微电子器件。

2、本发明通过控制SiC某一位置上的温度梯度，使用微细导热探针使得衬底上某一位置过冷，获得较大的成核驱动力，在探针位置处优先成核，实现石墨烯单一成核生长。

3、本发明通过点籽晶定位生长石墨烯，石墨烯可以沿着石墨烯籽晶的外沿继续原位生长，得到大面积的石墨烯，直接用于制作微电子器件。

附图说明

图1是本发明制备石墨烯的加热平台结构示意图。其中，1、石墨加热片2、SiC衬底3、微细导热探针。

图2是本发明的石墨加热体的温场分布图。

图3是本发明的局部过冷后石墨加热体表面的温场分布图。

图4是本发明实施例1中SiC氢刻蚀后的原子力显微镜测试的表面形貌图。

图5是本发明基于SiC衬底单晶石墨烯的生长原理示意图。

图6是本发明实施例2中在SiC衬底上生长的石墨烯的拉曼图谱(去除SiC衬底拉曼峰)。横坐标是波数(cm^-1)，纵坐标是强度(a.u.)。

图7是本发明对比例中单纯利用SiC衬底不采用本发明工艺制备的石墨烯拉曼图谱(去除SiC衬底拉曼峰)。横坐标是波数(cm^-1)，纵坐标是强度(a.u.)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例中所用的是冷壁式高温CVD石墨烯生长炉，在其周围设置冷却循环水管，使得CVD高温生长炉除石墨加热体以外温度较低。

实施例1：

一种在SiC通过点籽晶定位生长大面积石墨烯的方法，包括步骤如下：

(1)将SiC进行抛光、清洗后，平放于高温CVD石墨烯生长炉内的加热器中，炉腔抽真空度为10^-3Pa，快速升温至1200℃，升温速率为10℃/min；通入高纯氩气和氢气，流量分别为40sccm和40sccm，压力控制在800mbar，然后缓慢升温至1500℃，升温速率为2℃/min，保温10min，进行氢刻蚀；刻蚀结束后关闭氢气，继续通氩气，然后缓慢降温至1400℃，达到Si-C键开始断裂的温度，此时保温20min，使SiC表面Si-C键部分断裂，部分硅蒸发。SiC氢刻蚀后的原子力显微镜测试的表面形貌图如图4所示。

然后，在氩气氛围下降温至800℃，将铂金的微细导热探针放在SiC衬底上，形成以导热探针为中心的局部过冷点，纵向温度梯度5℃/cm，通入高纯甲烷气体和氢气，气体流量为20sccm和60sccm，压力控制在800mbar。此时，将微细导热探针放在SiC选定位置上，形成局部过冷点并获得石墨烯籽晶；

(2)保持SiC衬底温度为1000℃，系统压力为800mbar。在碳源气体的供应下，石墨烯将以SiC衬底上的籽晶为中心不断长大，最终获得大尺寸单晶石墨烯；

(3)生长过程结束后，通入氩气，压力控制在800mbar，缓慢降温至700℃，停止通入氩气，自然降温，即得大尺寸单晶石墨烯。

实施例2：

一种在SiC通过点籽晶定位生长大面积石墨烯的方法，包括步骤如下：

(1)将SiC进行抛光、清洗后，平放于高温CVD石墨烯生长炉内的加热器中，炉腔抽真空度为10^-3Pa，快速升温至1300℃，升温速率为10℃/min；通入高纯氩气和氢气，流量分别为50sccm和50sccm，压力控制在900mbar，然后缓慢升温至1500℃，升温速率为2℃/min，保温10min，进行氢刻蚀；刻蚀结束后关闭氢气，继续通氩气，然后缓慢降温至1400℃，达到Si-C键开始断裂的温度，此时保温20min，使SiC表面Si-C键部分断裂，部分硅蒸发。

然后，在氩气氛围下降温至1000℃，将铂金的微细导热探针放在SiC衬底上，形成以导热探针为中心的局部过冷点，纵向温度梯度10℃/cm，通入高纯甲烷气体和氢气，气体流量为10sccm和50sccm，压力控制在900mbar。此时，将微细导热探针放在SiC选定位置上，形成局部过冷点并获得石墨烯籽晶；

(2)保持SiC衬底温度为1000℃，系统压力为900mbar。在碳源气体的供应下，石墨烯将以SiC衬底上的籽晶为中心不断长大，最终获得大尺寸单晶石墨烯；

(3)生长过程结束后，通入氩气，压力控制在900mbar，缓慢降温至700℃，停止通入氩气，自然降温，即得大尺寸单晶石墨烯。

本实施例中，在SiC衬底上生长的石墨烯的拉曼图谱如图6所示，2D峰(2700cm^-1)的半峰宽较窄，I_2D/I_G值较小，石墨烯层数为均匀的1～2层。

实施例3：