[发明专利]一种微纳尺度石墨烯自组装生长的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，尤其涉及一种微纳尺度石墨烯自组装生长的方法。

背景技术

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，利用其极高的载流子迁移率（理论估计超过2×10⁵cm²V^-1s^-1，是硅的数百倍），可以制成超高速电子器件；利用超强的机械性能（杨氏模量约10³GPa），可以研制超轻超强度的复合材料；利用其极高的比表面积和极好的气敏特性，可以研制高灵敏度的气敏探测器；利用其极高的透明性和柔韧性，可以制备高柔韧性的透明电极；最奇特的是它具有半整数量子霍尔效应和室温量子霍尔效应，是绝佳的理论物理研究素材。因此，石墨烯无论在基础研究还是微电子、光电子、材料和生物等多个领域具有极大的应用潜力。

但是，目前石墨烯材料的制备还存在诸多困难，成为石墨烯器件走向应用的瓶颈。相比于碳化硅（SiC）衬底高温热解法成本高昂，可控性和兼容性差的缺点，过渡族金属催化化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）外延是国际上广泛采用的大面积石墨烯制备的方法，它不受衬底尺寸的限制，设备简单，可以大批量生产。目前广泛采用的过渡族金属化学气相沉积（CVD）就是在过渡族金属（如铜Cu）表面，高温下碳源裂解产生的碳原子吸附在衬底表面，经过二维生长可以形成连续的石墨烯。一般采用这种方法能够生长出较大面积的石墨烯。

在过渡族金属颗粒的阵列上进行化学气相沉积（CVD）可以获得微纳尺度的石墨烯薄膜，这种石墨烯薄膜因其具有良好的晶格质量，可以作为二次覆盖生长的籽晶，又因其与衬底的良好接触，可以作为石墨烯器件的电极。遗憾的是，形成金属颗粒的阵列需要专门的步骤，增加了工艺复杂度。

发明内容

本发明提供了一种微纳尺度石墨烯自组装生长的方法，旨在解决在过渡族金属颗粒的阵列上进行化学气相沉积获得微纳尺度的石墨烯薄膜时，形成金属颗粒的阵列需要专门的步骤，增加了工艺复杂度的问题。

本发明的目的在于提供一种微纳尺度石墨烯自组装生长的方法，该方法在衬底上利用电子束蒸发形成过渡族金属薄膜，通过控制电子束蒸发过渡族金属的流量、温度、压强、时间因素以控制过渡族金属薄膜的厚度，利用金属薄膜的表面张力，在衬底上自然形成过渡族金属颗粒分布，继而在形成的过渡族金属颗粒分布阵列上通过化学气相沉积（CVD）形成微纳尺度的石墨烯。

进一步，该方法的具体实现步骤为：

步骤一，将半导体器件级的衬底依次用洗涤剂、纯净水、去离子水、分析纯的丙酮和分析纯的乙醇各超声清洗5分钟，再烘干5~10分钟；

步骤二，将衬底在氩气（Ar）气氛中、0.1~1Torr真空度下，对铜进行电子束蒸发镀膜；

步骤三，将衬底放入化学气相沉积（CVD）生长室，向反应室通入H₂，对化学气相沉积（CVD）的金属薄膜进行处理，在表面张力的作用下，铜薄膜缩聚成团，在衬底表面形成铜颗粒的阵列分布；

步骤四，向反应室通入Ar和CH₄；

步骤五，自然降温到100℃以下，保持步骤四中的Ar和CH₄流量不变，气压0.1~1Torr，完成石墨烯的生长。

进一步，在步骤一中，半导体器件级的衬底包括Si/SiO₂、Si/SiN、Al₂O₃、Al_xGa_1-xN、In_xGa_1-xN、Mg_xZn_1-xO、SiC。

进一步，在步骤二中，将衬底在氩气（Ar）气氛中、0.1~1Torr真空度下，对铜进行电子束蒸发镀膜时，电子束电压10~100kV，电流1~10mA，铜膜厚度0.1~1μm。

进一步，在步骤三中，将衬底放入化学气相沉积（CVD）生长室，向反应室通入H₂，对化学气相沉积（CVD）的金属薄膜进行处理时，流量1~20sccm，温度900~1000℃，时间20~60分钟，气压1~50Torr。