本发明属于半导体工艺技术领域，特别涉及一种石墨烯的外延生长设备。
背景技术：
石墨烯材料具有很好的物理和电性能，在国防和国民经济中具有重大的应用前景，但是想在工业应用中把这些特性完全展现出来并不容易，首先要解决就是高性能材料的制备问题，因此能批量生长具有特殊性质的石墨烯工艺和关键设备驱动和主导着石墨烯应用市场，而且各种数据表明这种状况似乎要持续几十年。
由于石墨烯在国防和国民经济中的重要性，世界上主要国家和地区投入大量的人力物力致力于对石墨烯材料制备研究。人们迄今为止，已经发展出两种主要制备晶圆级石墨烯材料的方法：cvd外延生长法和sic高温热解法。cvd外延生长法制备出的石墨烯质量较高并且能够满足规模化和大面积生成的要求，但是此方法的缺点是石墨烯材料必须从金属衬底上转移到sio2等衬底材料上才能进行器件的制备，工艺控制的复杂度较高，材料性能损失严重，并由此带来工艺重复性等一系列问题。
sic高温热解法将单晶4h/6h-sic衬底在高真空下或气氛下加热，表层硅原子升华，留下的碳原子重构生成石墨烯。该方法被认为是实现石墨烯在集成电路中应用的最有希望的途径之一。在sic衬底表面上生长的石墨烯不需要进行转移，sic衬底可以使石墨烯产生稳定的禁带宽度，有利于提高器件的开关特性。而且sic作为宽禁带半导体，其热导率高散热好，是很好的半绝缘衬底。经过几十年的研究和发展，sic材料已经在微电子学、mems等领域被广泛研究并应用，人们对它已经有比较完善的了解，并发展了相关的半导体加工工艺，与si工艺兼容性较好。与其他方法相比，sic衬底上生长的石墨烯可以直接在整个晶片上利用传统的光刻和微纳米加工技术进行器件或电路的刻蚀，直接利用已有的sic生产工艺实现大规模生产，因而在sic上通过热解法生长的晶圆级石墨烯是制备射频晶体管和电路的目前为止最有希望的解决方案之一。
此外，目前6英寸碳化硅衬底已经商用化，8英寸和12英寸的碳化硅材料正在研发，碳化硅衬底的价格降到了较低的水平，为大规模制备大晶圆尺寸sic上石墨烯材料奠定了良好的基础。目前普通的sic高温热解法存在工艺温度较高，对真空度和气氛的控制要求较高，工艺时间较长等不足之处，因此如何又快又好的制备大面积全晶圆的sic基石墨烯材料变成非常迫切的问题。
技术实现要素：
本发明提供了一种石墨烯的外延生长设备，旨在解决现有技术中存在的上述缺陷。
为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种石墨烯的外延生长设备，由源气体供给与气体运输系统1、外延生长反应室系统2、尾气处理系统3、安全保障系统4、冷却系统5、自动控制系统6组成；源气体供给与气体运输系统1与外延生长反应室系统2通过管道连通；安全保障系统4与尾气处理系统3、冷却系统5、自动控制系统6电连接；尾气处理系统3与外延生长反应室系统2通过管道连通；冷却系统5与外延生长反应室系统2、尾气处理系统3通过管道连通；自动控制系统5还与源气体供给与气体运输系统1、外延生长反应室系统2电连接。
源气体供给与气体运输系统1由一个的氩气给气装置11、一个的氢气给气装置12、两个的氮气给气装置13、一个的氯气给气装置14、一个的氯化氢给气装置15、压力测量仪16、流量测量仪17、一个的四氯化碳给气装置18、电磁阀门19、直接入气管路、混合入气管路、尾气排空管路组成。
直接入气管路是由氩气给气装置11、氢气给气装置12与外延生长反应室系统2直接连通的管道组成，管路上设有电磁阀门19，管路上还设有压力测量仪16、流量测量仪17。
混合入气管路由氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通的管道、氩气给气装置11与第一氮气给气装置131连通后和氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通管道连通的管道、氩气给气装置11与氢气给气装置12连通后和氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通管道连通的管道、氩气给气装置11与氯气给气装置14连通后和氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通管道连通的管道、氩气给气装置11与氯化氢给气装置15连通后和氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通管道连通的管道、氩气给气装置11与第二氮气给气装置132连通后和氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通管道连通的管道、氩气给气装置11与四氯化碳给气装置18连通后和氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通管道连通的管道组成，各管路上设有电磁阀门19，各管路上还设有压力测量仪16、流量测量仪17、电磁阀门19。
尾气排空管路由氩气给气装置11与尾气处理系统3连通的管道、第一氮气给气装置131与氩气给气装置11连通后和氩气给气装置11与尾气处理系统3连通管道相连通的管路、氢气给气装置12与氩气给气装置11连通后和氩气给气装置11与尾气处理系统3连通管道相连通的管路、氯气给气装置14与氩气给气装置11连通后和氩气给气装置11与尾气处理系统3连通管道相连通的管路、氯化氢给气装置15与氩气给气装置11连通后和氩气给气装置11与尾气处理系统3连通管道相连通的管路、四氯化碳给气装置18与氩气给气装置11连通后和氩气给气装置11与尾气处理系统3连通管道相连通的管路组成，各管路上设有压力测量仪16、流量测量仪17、电磁阀门19。
外延生长反应室系统2包括反应室21、混气室22、石墨基片23、反应室顶盖24，石墨支撑臂25、顶盖固定臂26、红外测温仪27、rf射频加热器28；反应室21顶部设有反应室顶盖24，反应室顶盖24与顶盖固定臂26固定连接，其位置由顶盖固定臂26固定；石墨支撑臂25设置在反应室21内，一端与反应室21底部连接，一端与石墨基片23连接，石墨基片23由石墨支撑臂25支撑在反应室21内；反应室21外壁上缠绕设有rf射频加热器28，反应室21内顶部还设有红外测温仪27；反应室21与混气室22通过管道连通。
rf射频加热器28由中频电源281、外接补偿电容282，感应线圈283组成，中频电源281与外接补偿电容282电连接，感应线圈283与外接补偿电容282电连接；感应线圈283由壁厚大于1mm的紫铜管或方铜管制成。
混气室22为圆柱状，上顶端开设有若干蜂窝状分布的入气口211，其内部设有匀气片212，匀气片212上贯通设有若干呈蜂窝状分布的匀气孔213；混气室22底部设有圆柱状出气口214，其侧壁上开设有出气通路215。
尾气处理系统3由氢气处理装置31、氯化物处理装置32、中间产物处理装置33组成；中间产物处理装置33与源气体供给与气体运输系统1、外延生长反应室系统2通过管道相连通，另一端与氯化物处理装置32通过管道连通，氯化物处理装置32另一端与氢气处理装置31通过管道连通。
中间产物处理装置33由机械泵331、活性炭吸附罐332组成，两者通过管道相连通，机械泵331与源气体供给与气体运输系统1、外延生长反应室系统2的反应室21连通；氯化物处理装置32由喷淋填料塔321、循环水池322、抽水泵323组成，喷淋填料塔321、循环水池322、抽水泵323通过管道相互连通，喷淋填料塔321与活性炭吸附罐332通过管道连通；氢气处理装置31由氢气燃烧装置311、排风机312组成，两者通过管道连通，氢气燃烧装置311与喷淋填料塔321通过管道连通；活性炭吸附罐332、喷淋填料塔321、氢气燃烧装置311内都设有温度感应器34。
安全保障系统4与红外测温仪27、温度感应器34电连接，接受实时温度反馈，并且反馈给自动控制系统6。
冷却系统5由冷水储存罐、水管组成，两者相连管道上还设有电磁开合阀，电磁开合阀与plc控制器61电连接；冷水储存罐与反应室21、活性炭吸附罐332、喷淋填料塔321、氢气燃烧装置311通过管道连通。
自动控制系统6由plc控制器61、显示屏62组成；plc控制器61与显示屏62电连接。
采用以上技术方案，具有如下有益效果：
(1)本发明提出将sic衬底上石墨烯材料的形成过程分解为两步：首先是通过氯化处理在sic表面形成一定结构碳层，然后是通过退火使碳层在sic衬底的诱导下重构成石墨烯晶体。减少了sic分解过程和无定型碳层重构过程的互相干扰，反应过程清晰，机理明确，便于进行生长动力学理论研究和工艺控制。尤其是在退火的过程提出引入cu等过渡金属作为碳层重构的催化，把cvd方法和sic热解法制备石墨烯结合起来，具有较强的创新性。
(2)通过对cdc过程动态数学模型及相关物性条件的研究，多方向的物质流和能量流的研究，以及温度场演变规律的研究，设计温场，能量稳定均匀的生长室系统，以达到单次生长3片6英寸均匀样品的需求。结合压力测试仪、流量测量仪、全智能微机系统及二次稀释，智能分流等技术实现对c膜的精确n掺杂。对源气体、反应室内压强、反应时间以及上述因素变化中的弛豫过程实现精确控制和智能学习实现材料层厚的精确控制。
(3)基于cdc原理，提出采用氯气反应-退火的方法使sic表面形成多层石墨烯的温度(1000摄氏度以下)与主流的热解法(1400度以上)相比大大降低，工艺时间明显缩短，从而使得石墨烯的制备对工艺条件和设备的要求降低，而材料的制备效率大幅度提高，也使未来在si/3c-sic衬底上制备和si工艺兼容性更好成本更低的大面积晶圆级石墨烯变得更加容易。率先提出利用ccl4作为反应气体，一方面在sic表面进行c原子的淀积，一方面cl原子与sic反应使si原子析出留下c原子，从两个途径为后续石墨烯的形成提供c源。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是本发明源气体供给与气体运输系统的气路连接图；
图3是本发明反应室的结构示意图；
图4是本发明rf射频加热器的电路图；
图5是本发明混气室的结构示意图；
图6是本发明混气室的剖视图；
图7是本发明尾气处理系统的连接示意图。
具体实施例
下面结合附图、实施例，对本方案进行进一步说明。
如图1所示，一种石墨烯的外延生长设备，由源气体供给与气体运输系统1、外延生长反应室系统2、尾气处理系统3、安全保障系统4、冷却系统5、自动控制系统6组成；源气体供给与气体运输系统1与外延生长反应室系统2通过管道连通；安全保障系统4与尾气处理系统3、冷却系统5、自动控制系统6电连接；尾气处理系统3与外延生长反应室系统2通过管道连通；冷却系统5与外延生长反应室系统2、尾气处理系统3通过管道连通；自动控制系统5还与源气体供给与气体运输系统1、外延生长反应室系统2电连接。
如图2所示，源气体供给与气体运输系统1由一个的氩气给气装置11、一个的氢气给气装置12、两个的氮气给气装置13、一个的氯气给气装置14、一个的氯化氢给气装置15、压力测量仪16、流量测量仪17、一个的四氯化碳给气装置18、电磁阀门19、直接入气管路、混合入气管路、尾气排空管路组成。
直接入气管路是由氩气给气装置11、氢气给气装置12与外延生长反应室系统2直接连通的管道组成，管路上设有电磁阀门19，管路上还设有压力测量仪16、流量测量仪17。
混合入气管路由氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通的管道、氩气给气装置11与第一氮气给气装置131连通后和氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通管道连通的管道氩气给气装置11与氢气给气装置12连通后和氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通管道连通的管道、氩气给气装置11与氯气给气装置14连通后和氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通管道连通的管道、氩气给气装置11与氯化氢给气装置15连通后和氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通管道连通的管道、氩气给气装置11与第二氮气给气装置132连通后和氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通管道连通的管道、氩气给气装置11与四氯化碳给气装置18连通后和氩气给气装置11与外延生长反应室系统2连通管道连通的管道组成，各管路上设有电磁阀门19，各管路上还设有压力测量仪16、流量测量仪17、电磁阀门19。
尾气排空管路由氩气给气装置11与尾气处理系统3连通的管道、第一氮气给气装置131与氩气给气装置11连通后和氩气给气装置11与尾气处理系统3连通管道相连通的管路、氢气给气装置12与氩气给气装置11连通后和氩气给气装置11与尾气处理系统3连通管道相连通的管路、氯气给气装置14与氩气给气装置11连通后和氩气给气装置11与尾气处理系统3连通管道相连通的管路、氯化氢给气装置15与氩气给气装置11连通后和氩气给气装置11与尾气处理系统3连通管道相连通的管路、四氯化碳给气装置18与氩气给气装置11连通后和氩气给气装置11与尾气处理系统3连通管道相连通的管路组成，各管路上设有压力测量仪16、流量测量仪17、电磁阀门19。
通过上述装置，将生长反应的反应源气体cl2、hcl、ccl4，高纯的即为反应气又为刻蚀气体的h2、即为保护气体又为载气的高纯ar，按照使用者设定的定量利用载气ar对其进行均匀稀释后运送到外延生长反应室系统2的混气室23中。在反应后残余气体通过管道进入到尾气处理系统3。为了精确控制n掺杂浓度，生长环境必须为高真空，所以在生长前必须用分子泵把生长腔的压强控制在1×10-7mbar以内。为了消除生长气体在进入反应室时的流量滞后或流量过冲，直接入气管路与尾气排空管路两路之间的压力为零，并且气体可以通过自动控制系统6调节电磁阀门19开合由直接入气管路进入反应室21、或由尾气排空管路排空。
整个源气体供给与气体运输系统1均采用数字式流量计进行控制，控制精度在1％以内，可实现对生长气氛气体的流量进行精确的控制。由于n掺杂对外延石墨烯特性影响显著，因此要对n掺杂要进行精确控制，设计了氮气直接掺杂和二次稀释掺杂两条气路，实现了对氮气超低掺杂和高掺杂的准确控制。
外延生长反应室系统2包括反应室21、混气室22、石墨基片23、反应室顶盖24，石墨支撑臂25、顶盖固定臂26、红外测温仪27、rf射频加热器28；如图3所示，反应室21顶部设有反应室顶盖24，反应室顶盖24与顶盖固定臂26固定连接，其位置由顶盖固定臂26固定；石墨支撑臂25设置在反应室21内，一端与反应室21底部连接，一端与石墨基片23连接，石墨基片23由石墨支撑臂25支撑在反应室21内；反应室21外壁上缠绕设有rf射频加热器28，反应室21内顶部还设有红外测温仪27；反应室21与混气室22通过管道连通。在进行石墨烯外延生长时，自动控制系统6上输入各种比例数据，自动控制系统6控制开启源气体供给与气体运输系统1，将气体通入外延生长反应室系统2，同时rf射频加热器28开始加热进行氯化工艺，气体在反应室21内反应，随后rf射频加热器28停止加热，进行退火，反应后的气体排出。
如图4所示，rf射频加热器28由中频电源281、外接补偿电容282，感应线圈283组成，中频电源281与外接补偿电容282电连接，感应线圈283与外接补偿电容282；感应线圈283由壁厚大于1mm的紫铜管或方铜管制成。感应线圈283内产生极性瞬间变化的强磁束贯通整个被加热物体，与加热电流相反的方向，便会产生相对应的很大涡电流。由于被加热物体内存在内阻，所以会产生很多的焦耳热，使物体自身的温度迅速上升。为了保证高功率，需采用φ8以上，壁厚大于1mm的紫铜管，方铜管以减少同的热损耗进而提高加热效率，同时感应圈需用较长铜管绕制获得大的电感量。感应线圈应与中频电源隔离链接。同时因为磁束穿过样品台，致使样品台个点温度场不相同，因而有必要对样品台形状进行优化使其表面各点处温度场相同。
如图5所示，混气室22为圆柱状，上顶端开设有若干蜂窝状分布的入气口211；如图6,混气室22内部设有匀气片212，匀气片212上贯通设有若干呈蜂窝状分布的匀气孔213；混气室22底部设有圆柱状出气口214，其侧壁上开设有出气通路215。
本发明欲先在sic基底上生产c膜，然后退火得到均匀的高质量石墨烯，因此碳膜的均匀性显得十分重要。而要想得到均匀c膜，除了要求均匀的温度场外另一个关键因素就是反应室21内流体的均一性稳定性。因此要根据氯化和退火进程对混气室22进行特别设计。根据sic氯化反应的生长动力学研究结果把混气室22设计成至少二层的结构，反应气体经混气室22的入气口211进入混气室22上层，然后通过匀气片212上呈蜂窝状分布的匀气孔213进入下层。不同的反应气体，生长动力学不同，因而对应的混气室22的结构也有差别，因此，根据相应的工艺条件进行跟换混气室22。
如图7所示，尾气处理系统3由氢气处理装置31、氯化物处理装置32、中间产物处理装置33组成；中间产物处理装置33与源气体供给与气体运输系统1、外延生长反应室系统2通过管道相连通，另一端与氯化物处理装置32通过管道连通，氯化物处理装置32另一端与氢气处理装置31通过管道连通。
中间产物处理装置33由机械泵331、活性炭吸附罐332组成，两者通过管道相连通，机械泵331与源气体供给与气体运输系统1、外延生长反应室系统2的反应室21连通；氯化物处理装置32由喷淋填料塔321、循环水池322、抽水泵323组成，喷淋填料塔321、循环水池322、抽水泵323通过管道相互连通，喷淋填料塔321与活性炭吸附罐332通过管道连通；氢气处理装置31由氢气燃烧装置311、排风机312组成，两者通过管道连通，氢气燃烧装置311与喷淋填料塔321通过管道连通；活性炭吸附罐332、喷淋填料塔321、氢气燃烧装置311内都设有温度感应器34。
对氢气进行与氧气直接反应的燃烧处理，但是这种燃烧不能在明火下进行，氢气与空气混合遇明火会爆炸，故氢气燃烧装置311为表面接触式反应装置，其外接220v，50hz电源，通过电磁线圈对其内部设有的铜管进行加热，铜管受热变红，这时通过铜管的氢气与空气在铜管表面受热反应，与此同时，对氢气尾气的流量进行固定控制，从而保证氢气尾气的安全处理。
喷淋填料塔321工作时吸收液通过其顶部的喷淋装置被均匀的喷洒在填料层顶部，并沿着填料层自上而下呈膜状流动，而废气则自塔下部进入，穿过填料层从塔顶排出。在此过程中，废气被迫多次改变方向、速度与吸收液不断碰撞、接触，使废气与吸收液在填料层中有充分接触反应时间，令废气中有害成分能够被吸收液充分吸收净化。为了防止碱液或酸液腐蚀循环水池322，循环水池322使用一定厚度的硬聚乙烯材料制作。通过碱液与制备过程中的酸性气体反应，生成相应的盐溶于碱液中，达到耗尽酸性气体的目的。
活性炭吸附罐332对于中间反应物采用活性炭吸附的方法，应用该方法吸收效率可达90％以上。
同时温度感应器34将系统内温度反馈给安全保障系统4以确保安全。
安全保障系统4与红外测温仪27、温度感应器34电连接，接受实时温度反馈，并且反馈给自动控制系统6。
冷却系统5由冷水储存罐、水管组成，两者相连管道上还设有电磁开合阀，电磁开合阀与plc控制器61电连接；冷水储存罐与反应室21、活性炭吸附罐332、喷淋填料塔321、氢气燃烧装置311通过管道连通。
自动控制系统6由plc控制器61、显示屏62组成；plc控制器61与显示屏62电连接。
实施例1
在反应室21外还设有透密密封罩、双臂型的机械手，在外延生长过程中保持密封状态，所述石墨支撑臂25、顶盖固定臂26、双臂型的机械手与自动控制系统6电连接。
所有部件都处在密封罩中。在工作时，首先在自动控制系统6上输入各种比例数据，自动控制系统6控制开启源气体供给与气体运输系统1，将气体通入外延生长反应室系统2进行氯化工艺。完成后，反应室21中逐步通入氩气使腔内压强达到大气压水平，同时密封罩中也通入一个大气压的氩气。压力达到平衡时，由顶盖固定臂26提升上盖，反应室21内的石墨支撑臂25托举石墨基片23使上表面与真空管上沿持平；再由双臂型的机械手取金属膜置于晶片之上，腔内单轴机械臂下降使得样品台到达加热位置进行退火处理。退火完成后，石墨支撑臂25执行同样的工作取出金属膜和晶片。上述过程全程由计算机控制实现。利用这种设计可以避免人工操作带来的降温和升温过程及该过程中时间和材料的浪费，在整个操作过程中，需要对反应室压强，温度，机械过程等的变化进行精确控制。本系统中所有部件都实现模块化可自由拆装。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。