[发明专利]非晶相碳/M金属层形成于基板的制造方法

说明书

本发明公开一种碳、金属双层及碳、金属、碳三层形成于基板的制造方法，包含施以镍溅镀工艺，电浆轰击镍靶，以沉积铜或镍层于基板上；以电浆轰击含碳的反应气体及铜或镍靶以形成铜或镍、碳混合层于镍层上；施以真空退火工艺以形成(非)晶相碳/铜或镍层/(非)晶相碳/铜或镍层于基板上。在另一实施例中，先预于溅镀室先预镀镍层，再以电浆同时轰击铜或镍靶及石墨靶或顺序轰击铜或镍靶及石墨靶，然后，再予以退火，退火时在含氢气氛下形成(非)晶相碳/铜或镍层/(非)晶相碳三层。

技术领域

本发明涉及一种碳单成分层、或碳铜双层或碳铜碳三层的低温制造方法，特别是涉及一种基板在室温至400℃以下的温度进行电浆轰击铜、含碳反应气体或铜靶、石墨靶双靶同时轰击或以预定顺序轰击，再于预定温度退火或不退火以形成目的产物，以供工业产业利用。

背景技术

完美的石墨烯是指碳原子沿一平面以sp2混成轨域相互以共价键键结而形成的仅有单一碳原子层厚度且具有正六角晶格结构的薄膜。石墨烯已知具有极佳的载子迁移率(5000-10000cm²/Vs)、硬度(1050Gpa)、热传导率(5000W/mk)、电流承载能力(108A/cm²)及极大的反应表面-体积比(2630m²/g)。各方面的优势使石墨烯成为下世代生医、电子、光电组件应用范围中，兼具取代与整合性的优异材料。因此，自2004年发现石墨烯至今，各界无不积极发展制作石墨烯的制备方法，然而，在这各式各样的制备方法中，几乎每一种方式都会伴随双层甚至更多层数、数百至数千层的石墨烯，此外，其中还存在非正六角晶格结构包含缺陷的石墨烯。

常规较主要的制备方法包括机械剥离法(mechanical exfoliation)、高温碳化硅热裂解法及化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)法。机械剥离法运用的是通过破坏高定向热裂解石墨层与层间微弱的凡得瓦力键结进而获得石墨烯。以此方法制备石墨烯不仅快速且便利，更吸引人的是不需昂贵的工艺设备，仅需要胶带及石墨片等少量成本即可着手进行。此外，被用来剥离的石墨母片为纯度高且结晶性极佳的高定向热裂解石墨，所以，所获得石墨烯几乎不具任何缺陷。只可惜，最终所获得的是其中掺有从单层、双层以至数层不等的不均匀的石墨碎片，因此并不利于导入半导体工业的标准工艺中。

化学气相沉积法(Chemical vapor deposition，CVD)乃目前最常见用于制备石墨烯的方法，此法亦是目前最适合与现今半导体工业的标准工艺整合的方法，同时又可获得大面积且高质量的石墨烯。因此是当前制备石墨烯相当受欢迎的技术。为降低反应气体如甲烷(CH₄)等的裂解温度，常规技术是以钴、镍、铜、等过渡金属元素为催化剂以降低裂解温度，特别是铜。例如2011年，由中国台湾中央研究院应用科学研究中心Ching-Yuan Su所率领的研究团队，将芯片等级大小的石墨烯，直接成长在绝缘基板上。他们先在SiO₂/Si基板上以溅镀的方式沉积一层厚约300nm的铜薄膜，之后再将基板放进CVD的腔体中，并将腔体温度升高达900℃后再通入甲烷气体；自甲烷裂解出来的碳原子会沉积在铜的表面上，在此同时，沉积在铜表面的碳原子会经由铜薄膜的晶界(Grain boundary)逐渐扩散至铜薄膜与基板的夹层间，进一步成核且形成石墨烯。此法可以省去基板转移的步骤，直接将石墨烯成长在目标基板上，同时，也因为省去此转移步骤，更可以将转移过程中可能导致薄膜破损的机率降低，因此，提高了生产的良率。上述碳源气体的碳氢化合物气体的裂解温度还是须维持在900℃左右的高温。这对于日后石墨烯导入组件工艺，仍可能是阻碍。