[发明专利]基于Cu膜退火和Cl2反应的结构化石墨烯制备方法

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，具体地说是基于Cu膜退火和Cl₂反应的结构化石墨烯制备方法。

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。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷。目前的制备方法主要有两种：

第一种方法是化学气相沉积法，这种方法提供了一种可控制备石墨烯的有效方法,它是将平面基底，如金属薄膜、金属单晶等置于高温可分解的前驱体，如甲烷、乙烯等气氛中,通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯,最后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨烯片。通过选择基底的类型、生长的温度、前驱体的流量等参数可调控石墨烯的生长，如生长速率、厚度、面积等，此方法最大的缺点在于获得的石墨烯片层与衬底相互作用强，丧失了许多单层石墨烯的性质，而且石墨烯的连续性不是很好。

第二种方法是热分解SiC法，这种方法将单晶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，而且做器件时由于光刻，干法刻蚀等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

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于Cu膜退火和Cl₂反应的结构化石墨烯制备方法，以减少成本，提高石墨烯表面光滑度和连续性、降低孔隙率，实现在3C-SiC衬底上选择性地生长结构化石墨烯，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1000℃-1150℃，通入流量为40sccm的C₃H₈，对衬底进行碳化4-8min，生长一层碳化层；

（4）对反应室升温至生长温度1150℃-1350℃，通入C₃H₈和SiH₄气体，进行3C-SiC薄膜异质外延生长，生长时间为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薄膜表面利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，淀积一层0.5-1μm厚的SiO₂掩膜层；

（6）在掩膜层表面涂一层光刻胶，并刻出与所需制作器件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，加热至700-1100℃；

（8）向石英管中通入Ar气和Cl₂气的混合气体，持续4-7min，使Cl₂与裸露的3C-SiC发生反应，生成碳膜；

（9）将生成的碳膜样片置于缓冲氢氟酸溶液中以去除窗口之外的SiO₂；

（10）将去除SiO₂后的碳膜样片置于Cu膜上，再将它们一同置于Ar气中，在温度为900-1100℃下退火10-30分钟，使碳膜在窗口位置重构成石墨烯，再将Cu膜从石墨烯样片上取开。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明由于利用在Cu膜上退火，因而生成的碳膜更容易重构形成连续性较好的石墨烯。

2.本发明由于选择性地生长了结构化石墨烯，因而制作器件时不再需要光刻，使得石墨烯中的电子迁移率不会降低，从而制作的器件性能得到保证。

3.本发明中3C-SiC与Cl₂可在较低的温度和常压下反应，且反应速率快。

4.本发明由于利用3C-SiC与Cl₂气反应，因而生成的石墨烯表面光滑，空隙率低，且厚度容易控制。