一种在石墨烯薄膜上剥离外延材料的方法
【专利摘要】本发明公开了一种在石墨烯薄膜上剥离外延材料的方法，包括以下步骤：步骤1、提供一表面有石墨烯薄膜的基底，所述石墨烯薄膜层数≥2，且所述石墨烯薄膜是直接生长于基底上或者是经过1次或多次转移到基底上的；步骤2、在所述石墨烯薄膜上直接外延生长材料；步骤3、剥离所述外延材料，所述剥离发生在石墨烯薄膜间或者是石墨烯薄膜与基底之间。本发明利用石墨烯薄膜完美的六元环结构，能够实现在石墨烯薄膜上直接外延生长材料并使外延材料剥离，为解决异质外延及当中剥离的难题提供了方案。
【专利说明】一种在石墨烯薄膜上剥离外延材料的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体【技术领域】，特别是指在石墨烯薄膜上直接外延生长结构并剥离 外延材料的方法。剥离后石墨烯薄膜可去除；亦可依然与外延材料是一个整体，此时石墨烯 薄膜可以作为透明电流扩展层或热沉等应用。
【背景技术】
[0002] 严格意义上的石墨烯（Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈 蜂巢晶格的单原子层二维结构，具有高透过率（97. 7% );高导热系数（5300W/m ·Κ)，高电子 迁移率（200000cm2/V· s)，低电阻率只约（10-6Ω · cm)，理论上方阻可低至31Ω / □。因 为它极低的电阻率，极高的电子迁移率，所以被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新 一代电子元件或晶体管。现已应用于制造透明导电层，触控屏幕、光板和太阳能电池。除了 严格意义上的石墨烯（单层）外，双层和少数层（一般小于10层）石墨层片在结构和性能 上也都明显区别于块体石墨，在广义上也被归为石墨烯范畴。
[0003] 石墨烯平面内的晶格结构由正六边形组成，其中碳-碳键长约0. 142nm，就整个平 面内的所有正六边形而言，以六元环上相隔一个（两个）碳原子的俩碳原子作为新"六元 环"上相邻的碳原子，则新"六元环"上"碳-碳键"长约为〇. 142 X 31/2 (0. 142 X 2)。综上所 述，新"晶格常数"约为〇. 142(η彡1，m彡0)。因此在作为衬底生长六方结构晶 体时有明显优势，不存在极性问题，石墨烯薄膜衬底晶格常数可以成数列规律变化，更容易 与外延物质形成晶格相匹配的生长。另外石墨烯层与层之间的相互作用力为范德瓦耳斯力 或者是物理吸附，相比于化学键，更容易断裂进而剥离。
[0004] 石墨烯化学性质稳定，不与酸性或碱性物质发生反应。同时热稳定性较好，蓝宝石 上直接生长石墨烯温度达到1600°c能在一定程度上说明石墨烯较好的热稳定性。较好的热 稳定性使得石墨烯薄膜作为外延基底在高温条件下生长材料/结构有了可靠保证。石墨烯 薄膜也能够加强石墨烯的机械强度。
[0005] 异质外延当中剥离一直以来都是很重要的，所以在石墨烯薄膜上直接外延生长结 构并使外延结构剥离的方法在半导体技术当中具有重要价值。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于，提供一种在石墨烯薄膜上剥离外延材料的方法。
[0007] 具体地，本发明提供了一种在石墨烯薄膜上剥离外延材料的方法，包括以下步 骤：
[0008] 步骤1、提供一表面有石墨烯薄膜的基底，所述石墨烯薄膜层数> 2,且所述石墨 烯薄膜是直接生长于基底上或者是经过1次或多次转移到基底上的；
[0009] 步骤2、在所述石墨烯薄膜上直接外延生长材料；
[0010] 步骤3、剥离所述外延材料，所述剥离发生在石墨烯薄膜间或者是石墨烯薄膜与基 底之间。 toon] 本发明利用石墨烯薄膜完美的六元环结构，能够实现在石墨烯薄膜上直接外延生 长结构并使外延结构剥离，为解决异质外延及当中剥离的难题提供了方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明中在石墨烯薄膜上剥离外延结构方法的制备流程图。
【具体实施方式】
[0013] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0014] 请参阅图1所示，本发明提供一种在石墨烯薄膜上剥离外延材料的方法，包括以 下步骤：
[0015] 步骤1，提供一表面有石墨烯薄膜的基底。所述石墨烯薄膜为直接生长在基底上的 彡2层的石墨烯，或者是一次转移到基底上的彡2层的石墨烯，亦或是多次（彡2)转移到 基底上的> 1层的石墨烯；所述石墨烯薄膜是原位掺杂的或未掺杂的石墨烯薄膜；所述石 墨烯薄膜为经过修饰（氮化、氟化、硫化、氯化等）处理或者未加任何修饰处理的石墨烯薄 膜。
[0016] 例如在蓝宝石上直接生长石墨烯薄膜：沉积400nm镍（Ni)，1000°C时一个大气压 下通入氢气（H 2)甲烷（CH4)生长40min后利用氧（02)等离子体打掉Ni膜上沉积的石墨烯， 腐蚀掉Ni膜，就得到了直接生长在蓝宝石上的石墨烯薄膜（利用C在Ni中扩散生长在Ni 膜和蓝宝石间）。原位掺杂是指在石墨烯生长过程中加入别的气源，比如说氮掺杂用的氨气 (NH 3)。例如后期修饰处理氮化可以是高温下生长通入氨气，氟化可以使用CF4等离子体轰 击，其他修饰处理还可以是SF 6等等离子体轰击及化学吸附。
[0017] 步骤2,在所述石墨烯薄膜上外延生长材料，该外延材料直接在石墨烯薄膜上外延 生长。所述的外延材料是直接生长在石墨烯薄膜上的。直接在石墨烯上生长表明石墨烯并 不是使基底图形化，基底的作用仅仅是支撑石墨烯，而外延生长的成核位置是在石墨烯上。
[0018] 步骤3,外延生长完成后剥离所述外延材料。所述剥离是在外延生长完成后改变 条件过程中外延材料自动剥离或是外延生长完成后通过机械剥离、化学剥离等手段实现剥 离；所述剥离发生在石墨烯薄膜间、石墨烯薄膜与基底之间或是以上两种剥离同时存在。外 延材料生长完成后，石墨烯薄膜和外延材料所处条件发生变化，在降温到室温过程中有可 能由于热失配产生应力，从而在降温过程中自动剥离。即使未自动剥离，也可在降到室温后 通过机械力、化学力等使之剥离。
[0019] 剥离后石墨烯薄膜可去除，也可保留。保留时石墨烯薄膜与结构或器件可以是一 个整体，此时石墨烯薄膜可以作为透明电流扩展层、热沉等应用。
[0020] 以上所述仅是本发明的【具体实施方式】，利用本发明原理在石墨烯薄膜上外延生长 材料并使外延材料剥离也应视为本发明的保护范围，比如说在石墨烯薄膜当中插层一些其 他物质从而达到剥离之目的。本发明的具体实施方案已说明如上，熟悉本领域的技术人员 可以在不违背本发明的精神及范围内，根据上述说明对实施例进行修改。因此本发明的权 利保护范围，应如权利要求所述为准。
【权利要求】
1. 一种在石墨烯薄膜上剥离外延材料的方法，包括以下步骤： 步骤1、提供一表面有石墨烯薄膜的基底，所述石墨烯薄膜层数> 2,且所述石墨烯薄 膜是直接生长于基底上或者是经过1次或多次转移到基底上的； 步骤2、在所述石墨烯薄膜上直接外延生长材料； 步骤3、剥离所述外延材料，所述剥离发生在石墨烯薄膜间或者是石墨烯薄膜与基底之 间。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述石墨烯薄膜为直接生长在基底上的> 2层的 石墨烯，或者是一次转移到基底上的>2层的石墨烯，亦或是多次转移到基底上的> 1层的 石墨烯。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述石墨烯薄膜是原位掺杂的或未掺杂的石墨 烯薄膜。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述石墨烯薄膜为经过掺杂修饰处理或者未加 任何修饰处理的石墨烯薄膜。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述修饰是指对所述石墨烯薄膜进行氮化、氟 化、硫化和氯化处理。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述剥离的方式包括自动剥离、机械剥离和化学 剥离方式。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述自动剥离方式是指在外延生长完成后改变条 件使得外延材料自动剥离。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述剥离发生在石墨烯薄膜的层间。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述剥离发生在石墨烯薄膜与基底之间。
10. 如权利要求1所述的方法，其还包括：将所述石墨烯薄膜从所述外延材料去除。
11. 如权利要求1所述的方法，其中，将所述石墨烯薄膜作为电流扩展层或热沉保留在 所述外延材料上。
【文档编号】C30B25/18GK104099662SQ201410332170
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】赵云, 王钢, 魏同波, 段瑞飞, 孙连峰, 王军喜, 李晋闽 申请人:中国科学院半导体研究所