[发明专利]基于SiC与氯气反应的Ni膜退火图形化石墨烯制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体薄膜材料及其制备方法，具体地说是基于SiC与氯气反应的Ni膜退火图形化石墨烯制备方法。

技术背景

在基础和应用科学领域，碳族材料的研究一直是件令人兴奋的事情。虽然碳族材料比如石墨很早就在工业中应用，但是直到1950年左右石墨的电子结构才被深入研究。随着纳米科技的兴起，碳的其他同素异形体不断被研究。1985年Harold等人发现了碳的零维结构富勒烯C₆₀，这一发现是纳米科技领域发展的重要一步至今人们还在探索其性质与电子应用。1991年，一维的碳纳米管由Ijima发现，因为它独特的物理性质迅速成为研究热点。以sp²杂化形成的二维碳薄膜被命名为石墨烯。石墨烯只有一个原子层厚，是构成上述其它同素异形的基本单元。但是在大多数物理学家曾一度认为，在热力学涨落下任何二维晶体材料在有限温度下都不可能存在。科学家们一直努力获得二维的石墨烯，但是直到2004年，Geim和Novoselov利用微机械玻璃高定向热解石墨的方法才获得这种一个原子厚度的二维材料。

从这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，但使用最多的主要是化学气相沉积法。该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，丧失了许多图形化石墨烯的性质，而且石墨烯的连续性不是很好。如申请号为200810113596.0的“化学气相沉积法制备石墨烯的方法”专利申请，就是一种用化学气相沉积法制备石墨烯的方法，其实现过程是：首先制备催化剂，然后进行高温化学气相沉积，将带有催化剂的衬底放入无氧反应器中，使衬底达到500-1200℃，再通入含碳气源进行化学沉积而得到石墨烯，然后对石墨烯进行提纯，即使用酸处理或在低压、高温下蒸发石墨烯，以除去石墨烯中的催化剂。该方法的主要缺点是：工艺复杂，需要专门去除催化剂，能源消耗大，生产成本高。

石墨烯已被证明可以应用于多种电子器件的制备，如分子传感器、场效应晶体管、太阳能电池等等。基于微纳器件的制备，通常需要对石墨烯进行图形化，目前常用的石墨烯图形化方法有：

1)纳米压印法。在需要有图形的地方压印出石墨烯，这种方法方便简单，但是无法得到较为复杂的图形，模板制备成本也很高；

2)直接生长法。在金属膜基底上生长图形化的石墨烯再转移到元器件衬底，这种方法无需用到后续的光刻蚀工艺，但是无法将石墨烯精确定位到衬底上；

3)光刻法。对大面积石墨烯进行光刻、离子刻蚀工艺，得到图形化的石墨烯，这种方法图形化精度高，但是工艺难度大，工艺过程中容易对石墨烯造成污染与损伤。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于SiC与氯气反应的Ni膜退火图形化石墨烯制备方法，以提高石墨烯表面光滑度和连续性、降低孔隙率，并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SiC样片进行清洗，以去除表面污染物；

(2)在清洗后的SiC样片表面利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，淀积一层0.5-1.0μm厚的SiO₂，作为掩膜；

(3)在SiO₂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SiC，形成与窗口形状相同的图形；

(4)将图形化的样片置于石英管中，加热至700-1100℃；

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

(6)将生成的碳膜样片置于缓冲氢氟酸溶液中以去除图形之外的SiO₂；

(7)在碳膜上利用电子束沉积一层400-600nm厚的Ni膜；

(8)将沉积有Ni膜的样片置于流速为30-90sccm的Ar气中，在温度为1000-1200℃下退火10-30分钟，使碳膜在图形位置重构成图形化石墨烯；