CN102915913A - 基于蓝宝石衬底的石墨烯cvd直接外延生长方法及制造的器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蓝宝石衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法，采用蓝宝石作为衬底，通过对蓝宝石衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，在蓝宝石上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，便可以直接用于制造各种器件，提高了器件的电学特性，可靠性，降低了器件制造的复杂性。可以生长出具有半导体洁净度的大面积石墨烯材料，单层的可控性超过80％，圆片面积最大可以到8英寸。

Description

基于蓝宝石衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法及制造的器件

技术领域

本发明属于半导体材料制造领域，涉及半导体材料制备的关键技术，特别是一种基于蓝宝石衬底的大面积石墨烯可控外延生长方法，可用于无需转移的大面积圆片级石墨烯材料的制备。

背景技术

随着集成电路的发展，目前硅(Si)基器件的关键尺寸已经达到理论和技术极限，量子效应已经成为主要限制机制。石墨烯材料是一种碳基二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，单层仅原子厚度，它具有极其优异的物理化学性质，比如极高的载流子迁移率(理论估计超过200000cm²V^-1s^-1，是Si的数百倍)，超强的机械性能(杨氏模量约1000GPa)，极高的比表面积和极好的气敏特性，极高的透明性和柔韧性，而且它与衬底不存在失配问题，可以与Si基器件工艺完全兼容，具有突出的产业优势。因此，石墨烯的出现为产业界和科技界带来曙光，它是最被看好的替代Si成为下一代基础半导体材料的新材料。

尽管石墨烯具有如此优异的性质，但是目前在石墨烯的制备方面仍然存在很多亟待解决的关键问题。目前国际上主流的晶圆级石墨烯生长方法是基于过渡金属催化的CVD法，可用于大面积石墨烯的制备，且不受衬底尺寸的限制，设备简单。一个最显著的缺点是必须使用金属催化衬底，因此很难将石墨烯清洁转移到其他适用于器件的介质衬底上，并且转移过程后残留在石墨烯上的残留物或污染物将降低石墨烯的迁移率，从而影响石墨烯器件的电学特性。因此，必须突破现有技术的限制，从工艺上大胆突破，探索新的衬底，实现无转移的大面积洁净石墨烯生长方法。

蓝宝石通常作为各种材料生长的衬底，蓝宝石是一种绝缘材料，在高温情况下具有高的稳定性，并且具有六方结构。蓝宝石材料作为衬底，主要是由于其低花费，大面积等特点。除此以外，蓝宝石衬底存在多种表面，如c面，a面，r面等等，因此可以生长出多种不同结构的材料，可以研究不同衬底对材料特性的影响。总之，蓝宝石在半导体材料制造和器件制造过程中具有深远的潜力。

石墨烯为六方蜂窝结构，晶格常数为0.246nm，纤锌矿蓝宝石也为六方结构，晶格常数为0.4758nm，二者的晶格失配较大，约为50％。H.J.Song等人的实验表明较大的晶格失配有利于石墨烯的生长，参见Large scale metal-freesynthesis of graphene on sapphire and transfer-free device fabrication.Nanoscale，V4，p3050(2012)。为了将蓝宝石与石墨烯结合起来，并且无石墨烯转移过程，以获得高质量大面积石墨烯材料，有必要研究在蓝宝石衬底上直接进行石墨烯CVD外延生长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有大面积石墨烯生长技术中的不足，提出一种基于蓝宝石衬底的无需转移的大面积高质量石墨烯生长方法，以改善石墨烯及器件的电学特性。

实现本发明的技术关键是：采用蓝宝石作为衬底，通过对蓝宝石衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，在蓝宝石上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，便可以直接用于制造各种器件，提高了器件的电学特性，可靠性，降低了器件制造的复杂性。其生长方法实现步骤包括如下：

(1)将蓝宝石衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间5～10min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999％)吹干；

(2)将蓝宝石衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10^-5～10^-6Torr，以去除反应室内的残留气体；

(3)向反应室内通入H₂进行衬底表面预处理，气体流量1～20sccm，反应室真空度0.1～1Torr，衬底温度900～1000℃，处理时间5～10min；

(4)向反应室中通入Ar和CH₄，保持Ar和CH₄的流量比为10∶1～2∶1，Ar流量20～200sccm，CH₄流量1～20sccm，气压维持在0.1～1atm，温度1000～1200℃，升温时间20～60min，保持时间30～60min；

(5)自然降温到100℃以下，保持工序(5)中的Ar和CH₄流量不变，气压0.1～1atm，完成石墨烯的生长。

经过以上工序，可以生长出具有半导体洁净度的大面积石墨烯材料，单层的可控性超过80％，圆片面积最大可以到8英寸。

本发明具有如下优点：

1.由于采用蓝宝石作为衬底，生长的石墨烯无需转移便可以用于器件的制造，提高了器件的可靠性和电学特性。

2.由于采用蓝宝石作为衬底，简化了石墨烯生长步骤和器件制造工艺步骤，降低了石墨烯制造成本。

附图说明

图1是本发明的基于蓝宝石衬底的石墨烯生长流程图；

图2是本发明的基于蓝宝石衬底的石墨烯生长过程结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

具体实施方式

参照图1，本发明给出如下实施例：

实施例1：

本发明的实现步骤如下：

步骤1，蓝宝石衬底准备。

将蓝宝石衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间10min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999％)吹干。

步骤2，反应室抽真空。

将半导体器件级的蓝宝石衬底置于化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10^-6Torr，以去除反应室内的残留气体。

步骤3，蓝宝石衬底表面预处理。

向反应室内通入H₂进行衬底表面预处理，气体流量2sccm，反应室真空度0.1Torr，衬底温度950℃，处理时间5min。

步骤4，石墨烯CVD外延生长。

向反应室中通入Ar和CH₄，保持Ar和CH₄的流量比为10∶1，Ar流量20sccm，CH₄流量2sccm，气压维持在0.5atm，温度1200℃，升温时间20min，保持时间50min。

步骤5，冷却过程。

自然降温到100℃以下，保持工序(4)中的Ar和CH₄流量不变，气压0.5atm，完成石墨烯的生长。

实施例2：

本发明的实现步骤如下：

步骤A，蓝宝石衬底准备。

将蓝宝石衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间10min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999％)吹干。

步骤B，反应室抽真空。

将半导体器件级的蓝宝石衬底置于化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10^-6Torr，以去除反应室内的残留气体。

步骤C，蓝宝石衬底表面预处理。

向反应室内通入H₂进行衬底表面预处理，气体流量5sccm，反应室真空度0.2Torr，衬底温度950℃，处理时间10min。

步骤D，石墨烯CVD外延生长。

向反应室中通入Ar和CH₄，保持Ar和CH₄的流量比为8∶1，Ar流量40sccm，CH₄流量5sccm，气压维持在0.2atm，温度1100℃，升温时间20min，保持时间30min。

步骤E，冷却过程。

自然降温到100℃以下，保持工序(D)中的Ar和CH₄流量不变，气压0.2Torr，完成石墨烯的生长。

实施例3：

本发明的实现步骤如下：

步骤一，蓝宝石衬底准备。

将蓝宝石衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间8min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999％)吹干。

步骤二，反应室抽真空。

将半导体器件级的蓝宝石衬底置于化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10^-6Torr，以去除反应室内的残留气体。

步骤三，蓝宝石衬底表面预处理。

向反应室内通入H₂进行衬底表面预处理，气体流量5sccm，反应室真空度0.2Torr，衬底温度1000℃，处理时间8min。

步骤四，石墨烯CVD外延生长。

向反应室中通入Ar和CH₄，保持Ar和CH₄的流量比为6∶1，Ar流量60sccm，CH₄流量10sccm，气压维持在0.2atm，温度1000℃，升温时间20min，保持时间40min。

步骤五，冷却过程。

自然降温到100℃以下，保持工序(三)中的Ar和CH₄流量不变，气压0.2atm，完成石墨烯的生长。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于蓝宝石衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于，

采用蓝宝石作为衬底，通过对蓝宝石衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，在蓝宝石上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，便可以直接用于制造各种器件。

2.如权利要求1所述的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于，其生长方法实现步骤包括如下：

(1)将蓝宝石衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间5～10min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气吹干；

(2)将蓝宝石衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10^-5～10^-6Torr，以去除反应室内的残留气体；

(3)向反应室内通入H₂进行衬底表面预处理；

(4)向反应室中通入Ar和CH₄，；

(5)自然降温到100℃以下，保持工序(5)中的Ar和CH₄流量不变，完成石墨烯的生长。

3.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于，向反应室内通入H₂进行衬底表面预处理，气体流量1～20sccm，反应室真空度0.1～1Torr，衬底温度900～1000℃，处理时间5～10min。

4.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于，向反应室中通入Ar和CH₄，保持Ar和CH₄的流量比为10∶1～2∶1，Ar流量20～200sccm，CH₄流量1～20sccm，气压维持在0.1～1atm，温度1000～1200℃，升温时间20～60min，保持时间30～60min。

5.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于，自然降温到100℃以下，保持工序(5)中的Ar和CH₄流量不变，气压0.1～1atm，完成石墨烯的生长。

6.一种利用权利要求1所述的基于蓝宝石衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法制造的器件。

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