[发明专利]在3C-SiC衬底上制备结构化石墨烯的方法

说明书

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，具体地说是在3C-SiC衬底上制备结构化石墨烯的方法。

技术背景

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 feld effect in atomically thin carbon films》”。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，层数不均匀，用这种石墨烯材料制作器件时，由于光刻工艺会使石墨烯的电子迁移率降低，从而影响了器件性能。

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衬底上制备结构化石墨烯的方法,以提高表面光滑度、降低孔隙率、减少成本，实现在3C-SiC衬底上选择性地生长出结构化石墨烯，以免除在后续制造器件过程中要对石墨烯进行刻蚀的工艺过程，保证石墨烯的电子迁移率稳定，提高器件性能。

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H₂保护的情况下，使反应室逐步升温至碳化温度950℃-1150℃，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）对反应室加温，使其迅速升温至生长温度1150℃-1300℃，再通入C₃H₈和SiH₄，进行3C-SiC薄膜异质外延生长36-60min，然后在H2保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC薄膜的生长；

（5）在生长好的3C-SiC样片表面利用PECVD淀积一层0.5-1μm厚的SiO₂，作为掩膜；

（6）在掩膜表面涂一层光刻胶，再在掩膜上刻出与所需制作的器件的衬底形状相同的窗口，露出3C-SiC，形成结构化图形；

（7）将开窗后的样片置于石英管中，并连接好各个装置，再对石英管加热至800-1000℃；

（8）将装有CCl₄液体的三口烧瓶加热至60-80℃，再向三口烧瓶中通入流速为50-80ml/min的Ar气，利用Ar气携带CCl₄蒸汽进入石英管中，使CCl₄与裸露的3C-SiC反应30-120min,生成双层碳膜；

（9）将生成的双层碳膜样片置于Ar气中，在温度为1000-1100℃下退火10-20分钟，在刻出的窗口位置重构成双层结构化石墨烯。

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，因而用此方法生长的结构化石墨烯成本低。

3.本发明由于利用3C-SiC与CCl₄气体反应，因而生成的双层结构化石墨烯表面光滑，孔隙率低。