一种绝缘体上石墨烯的制备方法与流程

本发明属于微电子技术领域，特别是涉及一种绝缘体上石墨烯的制备方法。

背景技术：

绝缘体上单晶石墨烯(sgroisingle-crystallinegrapheneoninsulator)具有单晶特性，又能消除衬底的电荷耦合效应，是实现石墨烯集成电路的理想衬底，可以有力推动集成电路技术进入后硅cmos时代的持续发展。

目前，高质量绝缘体上石墨烯的制备都是基于薄膜转移的工艺。传统的方法是通过旋涂pmma，然后湿法腐蚀用于生长石墨烯的衬底，最后进行薄膜转移并去除pmma，该工艺的最大挑战是pmma难以完全去除，有机沾污会影响该材料在微电子领域的应用。为此，开发一种微电子工艺全兼容的绝缘体上石墨烯制备技术对推动石墨烯材料在微电子领域的应用具有重要意义。

因此，如何提供一种微电子工艺全兼容的绝缘体上石墨烯的制备方法，以解决现有技术中的上述问题实属必要。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种绝缘体上石墨烯的制备方法，用于解决现有技术中绝缘体上石墨烯的制备中容易造成有机沾污(如pmma)或者金属沾污等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种绝缘体上石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

1)提供一牺牲衬底；

2)于所述牺牲衬底表面形成一层石墨烯层；

3)于所述石墨烯层表面形成一层介质层；

4)提供一支撑衬底，并将步骤3)得到的结构键合于所述支撑衬底的上表面，其中，所述介质层与所述支撑衬底的上表面相接触；以及

5)通过氧化工艺去除所述牺牲衬底，以得到转移的绝缘体上石墨烯。

作为本发明的一种优选方案，步骤1)中，所述牺牲衬底为锗衬底。

作为本发明的一种优选方案，所述锗衬底包括锗单晶衬底或锗多晶衬底。

作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，所述石墨烯层为单层或多层石墨烯层。

作为本发明的一种优选方案，步骤3)中，所述介质层的材料包含氧化铝及氧化硅中的任意一种。

作为本发明的一种优选方案，步骤3)中，所述介质层包含氧化铝层及氧化硅层构成的叠层结构，其中，所述氧化铝层的厚度为10～30nm；所述氧化硅层的厚度为20～500nm。

作为本发明的一种优选方案，步骤4)中，所述支撑衬底包含硅衬底。

作为本发明的一种优选方案，步骤4)中，所述支撑衬底包含氧化硅层与硅层构成的叠层结构，其中，所述氧化硅层的厚度为20～500nm；所述硅层的厚度为100～800μm。

作为本发明的一种优选方案，步骤4)中，还包括于所述支撑衬底上表面形成一层绝缘层的步骤。

作为本发明的一种优选方案，所述绝缘层的材料与所述介质层的材料相同。

作为本发明的一种优选方案，步骤4)中，将步骤3)得到的结构键合于所述支撑衬底的上表面之前，还包括对相键合的所述介质层的表面和/或所述支撑衬底的上表面进行等离子活化处理的步骤。

作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，通过化学气相沉积的方式于所述牺牲衬底表面生长所述石墨烯层；步骤3)中，通过原子层沉积、物理气相沉积或磁控溅射的方式于所述石墨烯表面沉积所述介质层。

作为本发明的一种优选方案，步骤5)中，所述氧化工艺的工作温度为300～700℃；所述氧化工艺的工作气体包含氧气。

如上所述，本发明的绝缘体上石墨烯的制备方法，具有以下有益效果：

本发明提供的绝缘体上石墨烯的转移制备方法，本发明采用干法转移技术，并提供锗衬底作为牺牲衬底，最终采用低温氧化的工艺去除所述牺牲衬底，其中，低温氧化工艺可以在保留石墨烯薄膜的情况下有效去除ge衬底，保留石墨烯，从而避免了有机物去除过程中的沾污，同时也不会存在如金属等引入的沾污，使用该方法可以将石墨烯成功转移到绝缘衬底上，形成绝缘体上石墨烯，并且该工艺与微电子工艺完全兼容，对推动石墨烯材料在微电子领域的应用具有重要意义。

附图说明

图1显示为本发明提供的绝缘体上石墨烯的制备工艺流程图。

图2显示为本发明提供的绝缘体上石墨烯制备中提供牺牲衬底的结构示意图。

图3显示为本发明提供的绝缘体上石墨烯制备中形成石墨烯层的结构示意图。

图4显示为本发明提供的绝缘体上石墨烯制备中形成介质层的结构示意图。

图5显示为本发明提供的绝缘体上石墨烯制备中对介质层进行等离子活化的示意图。

图6显示为本发明提供的绝缘体上石墨烯制备中提供支撑衬底的结构示意图。

图7显示为本发明提供的绝缘体上石墨烯制备中形成氧化硅层的结构示意图。

图8显示为本发明提供的绝缘体上石墨烯制备中将介质层与支撑衬底键合的示意图。

图9显示为本发明提供的绝缘体上石墨烯制备中将介质层与绝缘层键合的示意图。

图10显示为本发明提供的绝缘体上石墨烯制备去除图8中牺牲衬底后的结构示意图。

图11显示为本发明提供的绝缘体上石墨烯制备去除图9中牺牲衬底后的结构示意图。

元件标号说明

11牺牲衬底

12石墨烯层

13介质层

14等离子体活化

21支撑衬底

22绝缘层

s1～s5步骤1)～步骤5)

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种绝缘体上石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

1)提供一牺牲衬底；

2)于所述牺牲衬底表面形成一层石墨烯层；

3)于所述石墨烯层表面形成一层介质层；

4)提供一支撑衬底，并将步骤3)得到的结构键合于所述支撑衬底的上表面，其中，所述介质层与所述支撑衬底的上表面相接触；以及

5)通过氧化工艺去除所述牺牲衬底，以得到转移的绝缘体上石墨烯。

下面将结合附图详细说明本发明的绝缘体上石墨烯的制备方法。

如图1中的s1及图2所示，进行步骤1)，提供一牺牲衬底11；

作为示例，步骤1)中，所述牺牲衬底11为锗衬底。其中，所述锗衬底可以为锗单晶衬底，也可以为锗多晶衬底。

具体的，所述牺牲衬底11用于后续形成石墨烯层12，并在所述石墨烯层12转移后被去除，从而实现石墨烯层12转移的目的，在本示例中，所述牺牲衬底11采用氧化工艺被去除后，不会对需要得到的结构造成沾污。在本示例中，所述牺牲衬底为锗(ge)材料衬底，由于锗较容易氧化，经过一定的工艺时间，锗材料全部被氧化，石墨烯完全转移到支撑衬底上，低温氧化工艺可以在保留石墨烯薄膜的情况下有效去除ge衬底，不会引入沾污。

另外，所述锗衬底还可以为锗非晶衬底，在此不做具体限制，本示例中，选择为锗单晶衬底，所述锗衬底也可以为后续的石墨烯层形成提供良好的条件。

如图1中的s2及图3所示，进行步骤2)，于所述牺牲衬底表面形成一层石墨烯层12；

作为示例，步骤2)中，所述石墨烯层12为单层石墨烯层。

作为示例，通过化学气相沉积的方式于所述牺牲衬底表面生长所述石墨烯层12；

具体的，于所述牺牲衬底11表面形成需要转移的所述石墨烯层12，优选地，采用化学气相沉积(cvd)形成所述石墨烯层，该方法制备的石墨烯一般为单层。当然，也可以通过其他方式形成所述石墨烯层，且也可以为多层石墨烯形成的结构层，在此不做具体限制。

如图1中的s3及图4所示，进行步骤3)，于所述石墨烯层12表面形成一层介质层13；

作为示例，步骤3)中，所述介质层13的材料包含氧化铝及氧化硅中的任意一种。

作为示例，步骤3)中，所述介质层13包含氧化铝层及氧化硅层构成的叠层结构，其中，所述氧化铝层的厚度为10～30nm；所述氧化硅层的厚度为20～500nm。

具体的，通过在所述石墨烯层表面形成一层介质层，从而可以通过所述介质层将所述石墨烯层键合在支撑衬底上，其中，可以通过原子层沉积、物理气相沉积或磁控溅射的方式于所述石墨烯表面沉积所述介质层，但不以此为限。

另外，所述介质层的材料可以为al2o3、sio2或者二者构成的叠层结构。当为氧化铝层及氧化硅层构成的叠层结构时，氧化硅层处于上层，可以更好的与支撑衬底的硅或者二氧化硅键合。在所述介质层中，所述氧化铝的厚度优选为15～25nm；所述氧化硅的厚度优选为25～50nm或者300～400nm，本示例中，所述氧化铝的厚度为20nm；所述氧化硅的厚度为350nm。

如图1中的s4及图5～9所示，进行步骤4)，提供一支撑衬底21，并将步骤3)得到的结构键合于所述支撑衬底21的上表面，其中，所述介质层13与所述支撑衬底21的上表面相接触。

作为示例，步骤4)中，所述支撑衬底21包含硅衬底。

作为示例，步骤4)中，所述支撑衬底21包含氧化硅层与硅层构成的叠层结构，其中，所述氧化硅层的厚度为20～500nm；所述硅层的厚度为100～800μm。

具体的，该步骤的目的是将所述石墨烯层转移至支撑衬底上，通过将形成在所述石墨烯层上表面的介质层与所述支撑衬底进行键合的方式将其转移，其中，所述支撑衬底具有足够的机械强度，包括刚性衬底，或具有一定机械强度的柔性衬底，可以为硅衬底，当然，也可以为其他类型的衬底，如绝缘体上硅，所述硅衬底的厚度为100～800μm，优选为200～600μm，本示例中选择为500μm的硅衬底。所述支撑衬底还可以为氧化硅层与硅层构成的叠层结构，所述氧化硅层的厚度优选为25～50nm或者优选为300～400nm；所述硅层的厚度为200～300μm或350～600μm，其层数可以任意设置，本示例中，选择在硅层上表面设置一层氧化硅层，所述氧化硅层作为后续的键合面，此时，所述氧化硅层的厚度优选为30～40nm；所述硅层的厚度为400～500μm。

作为示例，步骤4)中，还包括于所述支撑衬底21上表面形成一层绝缘层22的步骤。

作为示例，所述绝缘层22的材料与所述介质层13的材料相同。

具体的，在所述支撑衬底21表面沉积一层与所述介质层13相同的材料的绝缘层，如选择氧化硅层，使二者在后续的键合过程中具有相同的材质，从而可以具有良好的键合效果。

另外，进行键合方式为直接键合、阳极键合、金属键合、介质层键合中的任意一种。具体的，可以采用直接键合、介质层键合、金属键合或阳极键合间接键合工艺将二者进行键合。其中，所述介质层键合工艺包括生长介质层键合工艺、聚合物键合工艺、熔融玻璃键合工艺及旋涂玻璃键合工艺。

作为示例，步骤4)中，将步骤3)得到的结构键合于所述支撑衬底的上表面之前，还包括对相键合的所述介质层的表面和/或所述支撑衬底的上表面进行等离子活化处理的步骤。

具体的，也就是说，还包括对所述介质层的表面、所述支撑衬底的上表面中的一者或者两者进行等离子体活化处理的步骤，以提高相键合界面的活性，当然，也可以为与所述等离子体活化处理具有相同功效的其他表面激活工艺，在此不做限制。

如图1中的s5及图10、11所示，进行步骤5)，通过氧化工艺去除所述牺牲衬底11，以得到转移的绝缘体上石墨烯。

作为示例，步骤5)中，所述氧化工艺的工作温度为300～700℃；所述氧化工艺的工作气体包含氧气。

最后，通过采用氧化工艺将所述牺牲衬底去除掉，从而不在石墨烯层上留下残留物，防止所需要的结构被沾污，特别地，采用低温氧化工艺进行处理，所述牺牲衬底，如锗衬底，在低温氧化工艺下可以有效的被去除掉，且在该工艺条件下，也保持了石墨烯层的完整性。优选地，所述氧化工艺的工作温度可以为320℃、350℃、380℃、400℃、500℃，可以达到锗衬底的有效去除以及保留的石墨烯的良好特性。另外，本示例中，采用氧气对其进行氧化处理，优选地，所述氧化工艺在退火炉中进行处理，处理时间为100～140分钟，在本实施例中选择为120分钟。

综上所述，本发明提供一种绝缘体上石墨烯的制备方法，包括：提供一牺牲衬底；于所述牺牲衬底表面形成一层石墨烯层；于所述石墨烯层表面形成一层介质层；提供一支撑衬底，并将上一步得到的结构键合于所述支撑衬底的上表面，其中，所述介质层与所述支撑衬底的上表面相接触；以及通过氧化工艺去除所述牺牲衬底，以得到转移的绝缘体上石墨烯。通过上述方案，本发明提供的绝缘体上石墨烯的转移制备方法，本发明采用干法转移技术，并提供锗衬底作为牺牲衬底，最终采用低温氧化的工艺去除所述牺牲衬底，其中，低温氧化工艺可以在保留石墨烯薄膜的情况下有效去除ge衬底，保留石墨烯，从而避免了有机物去除过程中的沾污，同时也不会存在如金属等引入的沾污，使用该方法可以将石墨烯成功转移到绝缘衬底上，形成绝缘体上石墨烯，并且该工艺与微电子工艺完全兼容，对推动石墨烯材料在微电子领域的应用具有重要意义。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。