专利名称：在3C-SiC衬底上制备石墨烯的方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，涉及一种半导体薄膜材料及其制备方法，具体地说是以3C-SiC为衬底制备石墨烯的方法。
背景技术：
石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈 杰姆和克斯特亚 诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。从这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，但使用最多的主要有以下两种1.微机械剥离法直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在，见文献“K. S. Novoselovt，science，(2004)《Electric field effect in atomically thin carbonfilms》”。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足够供应用的石墨烯薄片。2.热分解SiC法将单晶SiC加热以通过使表面上的SiC分解而除去Si，随后残留的碳形成石墨烯。然而，SiC热分解中使用的单晶SiC非常昂贵，并且生长出来的石墨烯呈岛状分布，层数不均勻，且尺寸较小，很难大面积的制造石墨烯。
发明内容
本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提出一种在3C_SiC衬底上制备石墨烯的方法，以提高表面光滑度、降低孔隙率、减少成本，实现在3C-SiC衬底上大面积的制
造石墨稀。为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤(1)对4-12英寸的Si衬底基片进行标准清洗；(2)将清洗后的Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10"7mbar 级别；(3)在吐保护的情况下逐步升温至碳化温度950°C _1150°C，通入流量为30ml/min的C3H8，对衬底进行碳化3-7min，生长一层碳化层；(4)迅速升温至生长温度1150°C -1300°c，通入C3H8和SiH4,进行3C_SiC异质外延薄膜的生长，时间为36-60min，然后在压保护下逐步降温至室温，完成3C_SiC外延薄膜的生长；(5)将生长好的3C_SiC样片置于石英管中，加热至800-1000°C ；
(6)加热014至60-801，利用Ar气携带CCl4蒸汽进入石英管中与3C_SiC反应，生成双层碳膜，Ar气流速为50-80ml/min，反应时间为30-120min ；(7)反应结束后，将生成的双层碳膜样片置于Ar气中在温度为1000-110(TC下退火10-20分钟，重构成双层石墨烯。本发明与现有技术相比具有如下优点1.本发明由于在生长3C_SiC时先在Si衬底上成长一层碳化层作为过渡，然后再生长3C-SiC，因而生长的3C-SiC质量高。2.本发明由于3C_SiC可异质外延生长在Si圆片上，而Si圆片尺寸可达12英寸，因而用此方法可以生长大面积的石墨烯，且价格便宜。3.本发明由于利用3C_SiC与CCl4气体反应，因而生成的双层石墨烯表面光滑，孔隙率低，可用于对气体和液体的密封。
图1是本发明制备石墨烯的装置示意图；图2是本发明制备石墨烯的流程图。
具体实施例方式参照图1，本发明的制备设备主要由三通阀门3，三口烧瓶10，水浴锅11，石英管5，电阻炉6组成；三通阀门3通过第一通道1与石英管5相连，通过第二通道2与三口烧瓶10的左侧口相连，而三口烧瓶10的右侧口与石英管5相连，三口烧瓶中装有CCl4液体，且其放置在水浴锅11中，石英管5放置在电阻炉6中。参照图2，本发明的制作方法给出如下三种实施例。实施例1步骤1 去除样品表面污染物。对4英寸的Si衬底基片进行表面清洁处理，即先使用ΝΗ40Η+Η2Α试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HC1+H2A试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。步骤2 将Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10_7mbar级别。步骤3:生长碳化层。在H2保护的情况下将反应室温度升至碳化温度950°C，然后向反应室通入流量为30ml/min的C3H8，在Si衬底上生长一层碳化层，生长时间为7min。步骤4 在碳化层上生长3C_SiC外延薄膜。将反应室温度迅速升至生长温度1150°C，通入流量分别为15ml/min和30ml/min的SiH4和C3H8，进行3C-SiC异质外延薄膜的生长，生长时间为60min ；然后在H2保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC外延薄膜的生长。步骤5 将3C-SiC样片装入石英管，并排气加热。(5. 1)将生长好的3C_SiC外延薄膜样片从CVD系统反应室取出后置于石英管5中，把石英管置于电阻炉6中的受热位置；
(5. 2)检查整个制备设备的气密性，从进气口 4通入流速为SOml/min的Ar气，并利用三通阀门3控制Ar气从第一通道1进入对石英管进行排空30分钟，使石英管内的空气从出气口7排出；(5.3)打开电阻炉电源开关，升温至800°C。步骤6:生长双层碳膜。(6. 1)打开水浴锅11电源，对装有CCl4液体的三口烧瓶10加热至60°C ；(6. 2)当电阻炉达到设定的800°C后，旋转三通阀门，使流速为50ml/min的Ar气从第二通道2流入三口烧瓶，并携带CCl4蒸汽进入石英管，使气态CCl4与3C-SiC在石英管中发生反应，生成双层碳膜，反应时间为30分钟。步骤7 生成的双层碳膜重构成双层石墨烯。(7. 1)反应结束后，旋转三通阀门，使Ar气迅速转向第一通道进入石英管，并将Ar气的流速从50ml/min调整为25ml/min ；(7. 2)将电阻炉温度迅速升至1000°C，使生成的双层碳膜退火20分钟，重构成双层石墨烯；然后关闭电阻炉电源和水浴锅电源，使双层石墨烯在Ar气保护下冷却至室温，并打开水浴锅排水口 9，排掉热水后，从进水口 8引入冷水，使CCl4液体快速降温。实施例2步骤一去除样品表面污染物。对8英寸的Si衬底基片进行表面清洁处理，即先使用NH40H+H2A试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HC1+H2A试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。步骤二 将Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到KTmbar级别。步骤三生长碳化层。在H2保护的情况下将反应室温度升至碳化温度1050°C，然后向反应室通入流量为30ml/min的C3H8，在Si衬底上生长一层碳化层，生长时间为5min。步骤四在碳化层上生长3C_SiC外延薄膜。将反应室温度迅速升至生长温度1200°C，通入流量分别为20ml/min和40ml/min的SiH4和C3H8，进行3C-SiC异质外延薄膜的生长，生长时间为45min ；然后在H2保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC外延薄膜的生长。步骤五将3C_SiC样片装入石英管，并排气加热。将生长好的3C_SiC外延薄膜样片从CVD系统反应室取出后置于石英管5中，把石英管置于电阻炉6中的受热位置；检查整个制备设备的气密性，从进气口 4通入流速为SOml/min的Ar气，并利用三通阀门3控制Ar气从第一通道1进入对石英管进行排空30分钟，使石英管内的空气从出气口 7排出；打开电阻炉电源开关，升温至900°C。步骤六生长双层碳膜。打开水浴锅11电源，对装有CCl4液体的三口烧瓶10加热至70°C ；当电阻炉达到设定的900°C后，旋转三通阀门，使流速为60ml/min的Ar气从第二通道2流入三口烧瓶，并携带CCl4蒸汽进入石英管，使气态CCl4与3C-SiC在石英管中发生反应，生成双层碳膜，反应时间为60分钟。
步骤七生成的双层碳膜重构成双层石墨烯。反应结束后，旋转三通阀门，使Ar气迅速转向第一通道进入石英管，并将Ar气的流速从60ml/min调整为SOml/min ；将电阻炉温度迅速升至1050°C，使生成的双层碳膜退火15分钟，重构成双层石墨烯；然后关闭电阻炉电源和水浴锅电源，使双层石墨烯在Ar气保护下冷却至室温，并打开水浴锅排水口 9，排掉热水后，从进水口 8引入冷水，使CCl4液体快速降温。实施例3步骤A 对12英寸的Si衬底基片进行表面清洁处理，即先使用NH40H+H2A试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HC1+H2A试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。步骤B 将Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到10_7mbar级别。步骤C 在吐保护的情况下将反应室温度升至碳化温度1150°C，然后向反应室通入流量为30ml/min的C3H8，持续3min，以在Si衬底上生长一层碳化层。步骤D 将反应室温度迅速升至生长温度1300°C，通入流量分别为25ml/min和50ml/min的SiH4和C3H8，进行3C_SiC异质外延薄膜的生长36min ；然后在H2保护下逐步降
温至室温。步骤E 将生长好的3C_SiC外延薄膜样片从CVD系统反应室取出后置于石英管5中，把石英管置于电阻炉6中的受热位置；检查整个制备设备的气密性，从进气口 4通入流速为SOml/min的Ar气，并利用三通阀门3控制Ar气从第一通道1进入对石英管进行排空30分钟，使石英管内的空气从出气口 7排出；打开电阻炉电源开关，升温至1000°C。步骤F 打开水浴锅11电源，对装有CCl4液体的三口烧瓶10加热至70°C;当电阻炉达到设定的1000°c后，旋转三通阀门，使流速为SOml/min的Ar气从第二通道2流入三口烧瓶，并携带CCl4蒸汽进入石英管，使气态CCl4与3C-SiC在石英管中反应120分钟，生成双层碳膜。步骤G 反应结束后，旋转三通阀门，使Ar气迅速转向第一通道进入石英管，并将Ar气的流速从80ml/min调整为lOOml/min ；将电阻炉温度迅速升至1100°C，使生成的双层碳膜退火10分钟，重构成双层石墨烯；然后关闭电阻炉电源和水浴锅电源，使双层石墨烯在Ar气保护下冷却至室温，并打开水浴锅排水口 9，排掉热水后，从进水口 8引入冷水，使CCl4液体快速降温。
权利要求
1.一种在3C-SiC衬底上制备石墨烯的方法，包括以下步骤(1)对4-12英寸的Si衬底基片进行标准清洗；(2)将清洗后的Si衬底基片放入CVD系统反应室中，对反应室抽真空达到KTmbar级别；(3)在H2保护的情况下逐步升温至碳化温度950°C-1150°C，通入流量为30ml/min的C3H8，对衬底进行碳化3-7min，生长一层碳化层；(4)迅速升温至生长温度1150°C-1300°C，通入C3H8和SiH4,进行3C_SiC异质外延薄膜的生长，时间为36-60min，然后在吐保护下逐步降温至室温，完成3C_SiC外延薄膜的生长；(5)将生长好的3C-SiC样片置于石英管中，加热至800-1000°C；(6)加热CCl4至60-80°C，利用Ar气携带CCl4蒸汽进入石英管中与3C_SiC反应，生成双层碳膜，Ar气流速为50-80ml/min，反应时间为30-120min ；(7)反应结束后，将生成的双层碳膜样片置于Ar气中在温度为1000-1100°C下退火10-20分钟，重构成双层石墨烯。
2.根据权利要求1所述的在3C-SiC衬底上制备石墨烯的方法，其特征在于步骤(4)所述通入的SiH4和C3H8，其流量分别为15-25ml/min和30_50ml/min。
3.根据权利要求1所述的在3C-SiC衬底上制备石墨烯的方法，其特征在于所述步骤(7)退火时Ar气的流速为25-100ml/min。
全文摘要
本发明公开了在3C-SiC衬底上制备石墨烯的方法，主要解决现有技术中制备的石墨烯面积小、层数不均匀的问题。本发明采用在4-12英寸的Si衬底基片上先生长一层碳化层作为过渡，然后在温度为1150℃-1300℃下进行3C-SiC异质外延薄膜的生长，生长气源为C3H8和SiH4，然后将3C-SiC在800-1000℃下与气态CCl4反应，生成双层碳膜，再在Ar气中温度为1000-1100℃下退火10-20min生成双层石墨烯。本发明具有双层石墨烯面积大，表面光滑，孔隙率低的优点，可用于对气体和液体的密封。
文档编号C30B25/02GK102560414SQ20121000768
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月3日 优先权日2012年1月3日
发明者吕晋军, 张克基, 张玉明, 邓鹏飞, 郭辉, 雷天民 申请人:西安电子科技大学