一種可控石墨烯陣列的製備方法
2023-06-25 17:42:21
專利名稱：一種可控石墨烯陣列的製備方法
技術領域：
本發明屬於半導體領域，特別是涉及一種可控石墨烯陣列的製備方法。
背景技術：
石墨烯是由Sp2雜化碳原子鍵合，且具有六方點陣蜂窩狀二維結構的單層平面石墨，具有極聞的晶體品質和電學性能。作為一種嚴格的二維晶體材料，石墨稀具有獨特的物理性能，載流子濃度高達1013cm_2，遷移率超過20000(cm^-1 s—1，為電晶體、傳感器等高性能器件的製備提供了材料基礎。石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力於石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由於原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯內部電子受到的幹擾也非常小。石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾，人們發現，石墨烯具有非同尋常的導電性能、超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性，它的出現有望在現代電子科技領域引發一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統的半導體和導體，例如矽和銅，其遠沒有石墨烯表現得好。由於電子和原子的碰撞，傳統的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦晶片以這種方式浪費了 70% -80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非同尋常的優良特性。在石墨烯的製備方面，目前主要有三種生長方法:1)化學氣相沉積法(CVD)。這種方法是利用在基片表面沉積一層幾十納米厚的具有催化性能的多晶金屬薄膜，然後利用熱催化分解碳氫化合物來在金屬薄膜的表面生長石墨烯。2) SiC表面外延法。這種方法是利用高溫(一般在1350°C以上)處理SiC基底的辦法來蒸發掉表面的矽原子，留下碳原子，形成石墨烯。3)金屬單晶表面外延法。和方法一類似，催化劑為具有催化性能的金屬單晶，然後利用晶體內部碳雜質的析出或熱催化分解碳氫化合物，在金屬薄膜的表面外延石墨烯。和方法一不同之處在於生長的石墨烯的晶格和金屬單晶的晶格相匹配。然而，單純採用以上方法難以製備出可控性較高的石墨烯陣列。因此提供一種可控性良好，可靠性高的石墨烯陣列的製備方法實屬必要。
發明內容
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種可控石墨烯陣列的製備方法，以提供一種工藝簡單、可控性良好且可靠性高的石墨烯陣列的製備方法。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種可控石墨烯陣列的製備方法，所述製備方法至少包括以下步驟:提供一 SOI襯底及與所述SOI襯底的頂矽層具有相同晶向的娃襯底，將所述頂娃層與娃襯底進行扭轉鍵合，使鍵合後的頂娃層的晶向與該娃襯底的晶向呈預設夾角，以在鍵合界面形成具有網格狀分布的螺旋位錯的位錯線；2)去除所述SOI襯底的背襯底及絕緣層以露出所述頂矽層的背表面，刻蝕所述頂矽層的背表面以在各該位錯線影響的垂向對應的區域形成凹槽結構，其中，凹槽結構之間具有平臺結構；3)在所述各該平臺結構表面形成具有石墨烯偏析特性的金屬納米顆粒，然後採用化學氣相沉積法在各該金屬納米顆粒表面形成碳-金屬固溶體，最後對所述碳-金屬固溶體進行降溫偏析以完成所述石墨烯陣列的製備。在本發明的可控石墨烯陣列的製備方法中，所述頂娃層的厚度為5nm lOOnm。在本發明的可控石墨烯陣列的製備方法中，所述預設夾角的角度m為O °< m ^ 5°。優選地，所述網格狀位錯線為正方形網格狀位錯線，其中，平行且相鄰的兩位錯線的間距為IOnm 200nm。在本發明的可控石墨烯陣列的製備方法中，所述步驟2)中採用應力選擇性化學腐蝕法對所述頂矽層的背表面進行腐蝕，包括採用HF與CrO3混合溶液進行第一步腐蝕以及採用HF、CH3COOH及HNO3混合溶液進行第二步腐蝕的步驟。在本發明的可控石墨烯陣列的製備方法中，所述步驟3)中採用電子束蒸發技術形成所述金屬納米顆粒。在本發明的可控石墨烯陣列的製備方法中，所述金屬納米顆粒的直徑為IOnm 200nmo在本發明的可控石墨烯陣列的製備方法中，所述金屬納米顆粒為鎳納米顆粒或銅納米顆粒。優選地，所述步驟3)中,對於鎳納米顆粒,採用5°C /s 15°C /s的降溫速度對所述石墨烯進行偏析；對於銅納米顆粒採用0.1°C /s 1°C /s的降溫速度對所述石墨烯進行偏析。 在本發明的可控石墨烯陣列的製備方法中，所述步驟3)中採用CH4、H2及Ar混合氣體進行反應形成石墨烯，反應溫度為800°C 1200°C。如上所述，本發明的可控石墨烯陣列的製備方法，具有以下有益效果:採用晶向相同的兩矽襯底進行小角度鍵合形成方形網格狀的螺旋位錯，由於位錯引起矽表面應力分布不均，利用應力選擇性腐蝕，對位錯線影響的垂向對應的區域進行刻蝕，形成正方形網格狀的圖形化矽島，採用電子束外延形成具有偏析特性的金屬納米顆粒，最後採用化學氣相沉積法與偏析方法製備出所述石墨烯陣列。採用本發明製備的石墨烯陣列具有很高的可控性和可靠性，石墨烯陣列的分布通過矽矽小角度鍵合進行控制，可達到較高的精度。本發明製備方法工藝簡單，效果顯著，且兼容於一般的半導體工藝，適用於工業生產。
圖1 圖2顯示為本發明的可控石墨烯陣列的製備方法步驟I)所呈現的結構示意圖。圖3 圖4顯示為本發明的可控石墨烯陣列的製備方法步驟2)所呈現的結構示意圖。圖5 圖6顯示為本發明的可控石墨烯陣列的製備方法步驟3)所呈現的結構示意圖。圖7顯示為採用本發明的可控石墨烯陣列的製備方法所製備的石墨烯陣列的立體示意圖。
圖8顯示為採用本發明的可控石墨烯陣列的製備方法所製備的石墨烯陣列的平面示意圖。元件標號說明101 103 SOI 襯底104矽襯底105位錯線106凹槽結構107平臺結構108金屬納米顆粒109石墨烯陣列
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖1至圖8。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜 。如圖1 8所示，本發明提供一種可控石墨烯陣列的製備方法，所述製備方法至少包括以下步驟:請參閱圖1 2，如圖所示，首先進行步驟I)，提供SOI襯底101 103及與所述SOI襯底101 103的頂矽層103具有相同晶向的矽襯底，將所述頂矽層103與矽襯底進行晶向位錯鍵合，使鍵合後的所述頂矽層103的晶向與所述矽襯底的晶向呈預設夾角，以在鍵合界面形成具有網格狀位錯線105的螺旋位錯。需要說明的是，所述SOI襯底101 103具有背襯底101，結合於所述背襯底101上的絕緣層102及結合於所述絕緣層102上的頂矽層103，所述SOI襯底101 103的頂矽層103的厚度為5nm lOOnm。具體地，對所述SOI襯底101 103的頂矽層103和所述矽襯底104進行疏水處理，首先採用RCA溼式化學清洗法對所述SOI襯底101 103的頂矽層103和所述矽襯底104進行清洗，然後採用HF溶液進行清洗，使其表面具有疏水特性，然後使所述頂矽層103的晶向與所述矽襯底104的晶向呈預設夾角，對所述頂矽層103的晶向與所述矽襯底104進行鍵合，以在鍵合界面形成具有網格狀位錯線105的螺旋位錯，其中，所述預設夾角的角度m為0° <m^5°，在本實施例中，暫以該預設夾角的角度m為1°進行描述，所述網格狀位錯線105為正方形網格狀位錯線105，其中，平行且相鄰的兩位錯線105的間距為IOnm 200nm,其具體數值由所述預設夾角的角度所決定，在本實施例中，1°的預設夾角所產生的位錯線105間距為22nm。由於螺旋位錯，所述頂矽層103內會產生相應的應力分布。請參閱圖3 圖4，如果所示，然後進行步驟2)，去除所述SOI襯底101 103的背襯底101及絕緣層102以露出所述頂矽層103的背表面，腐蝕所述頂矽層103的背表面以在所述網格狀位錯線105各交點所對應的區域形成多個凹槽結構106，其中，凹槽結構106之間具有平臺結構107。具體地，採用背襯底101刻蝕技術去除所述SOI的背襯底101與絕緣層102，當然，在其它實施例中，也可以採用智能剝離技術與拋光的方法去除所述SOI的背襯底101與絕緣層102。由於螺旋位錯，所述頂矽層103內會產生相應的應力分布，所述頂矽層103在拉伸應力的作用下的區域更容易被腐蝕，選用採用應力選擇性化學腐蝕法對所述頂矽層103的背表面進行腐蝕，包括採用HF與CrO3混合溶液進行第一步刻蝕以及採用HF、CH3COOH及HNCV混合溶液進行第二步刻蝕的步驟，在本實施例中，採用HF: CrO3的比例為3: 1000進行初步刻蝕，採用HF: CH3COOH: HNO3的比例為0.02: 7: 3繼續進行刻蝕以獲得所述的凹槽結構106及其之間的平臺結構107。請參閱圖5 圖8,如圖所示,最後進行步驟3),在所述各該平臺結構107表面形成具有石墨烯偏析特性的金屬納米顆粒108，然後採用化學氣相沉積法在各該金屬納米顆粒108表面形成碳-金屬固溶體，最後對所述碳-金屬固溶體進行降溫偏析以完成所述石墨烯109陣列的製備。具體地，採用電子束蒸發技術形成所述金屬納米顆粒108，由於本發明所使用的金屬納米顆粒的沉積特性，所述金屬納米顆粒優先在所述平臺結構107上進行沉積，沉積的所述金屬納米顆粒的直徑為IOnm 200nm。在本實施例中，所述金屬納米顆粒108為鎳納米顆粒或銅納米顆粒。然後，採用CH4、H2及Ar混合氣體進行反應形成碳源，利用化學氣相沉積法在納米顆粒表面沉積一層碳源，反應溫度為800°C 1200°C，在較高溫度下沉積的少量碳會進入金屬納米顆粒內部，形成碳-金屬的固溶體。最後對所述金屬納米顆粒108進行降溫以使所述石墨烯進行偏析，對於鎳納米顆粒，採用5°C /s 15°C /s的降溫速度對所述石墨烯進行偏析；對於銅納米顆粒採用0.1°C /s 1°C /s的降溫速度對所述石墨烯進行偏析，以完成所述石墨烯陣列109的製備，如圖7 圖8所示。綜上所述，本發明的可控石墨烯陣列的製備方法，採用晶向相同的兩矽襯底進行小角度鍵合形成方形網格狀的螺旋位錯，由於位錯引起矽表面應力分布不均，利用應力選擇性腐蝕，對位錯線影響的垂向對應的區域進行刻蝕，形成正方形網格狀的圖形化矽島，採用電子束外延形成具有偏析特性的金屬納米顆粒，最後採用化學氣相沉積法與偏析方法製備出所述石墨烯陣列。採用本發明製備的石墨烯陣列具有很高的可控性和可靠性，石墨烯陣列的分布通過矽矽小角度鍵合進行控制，可達到較高的精度。本發明製備方法工藝簡單，效果顯著，且兼容於一般的半導體工藝，適用於工業生產。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種可控石墨烯陣列的製備方法，其特徵在於，所述製備方法至少包括以下步驟: 1)提供一SOI襯底及與所述SOI襯底的頂矽層具有相同晶向的矽襯底，將所述頂矽層與矽襯底進行扭轉鍵合，使鍵合後的頂矽層的晶向與該矽襯底的晶向呈預設夾角，以在鍵合界面形成具有網格狀分布的螺旋位錯的位錯線； 2)去除所述SOI襯底的背襯底及絕緣層以露出所述頂矽層的背表面，刻蝕所述頂矽層的背表面以在各該位錯線影響的垂向對應的區域形成凹槽結構，其中，凹槽結構之間具有平臺結構； 3)在所述各該平臺結構表面形成具有石墨烯偏析特性的金屬納米顆粒，然後採用化學氣相沉積法在各該金屬納米顆粒表面形成碳-金屬固溶體，最後對所述碳-金屬固溶體進行降溫偏析以完成所述石墨烯陣列的製備。
2.根據權利要求1所述的可控石墨烯陣列的製備方法，其特徵在於:所述頂矽層的厚度為5nm lOOnm。
3.根據權利要求1所述的可控石墨烯陣列的製備方法，其特徵在於:所述預設夾角的角度m為0° < m彡5°。
4.根據權利要求1所述的可控石墨烯陣列的製備方法，其特徵在於:所述網格狀位錯線為正方形網格狀位錯線，其中，平行且相鄰的兩位錯線的間距為IOnm 200nm。
5.根據權利要求1所述的可控石墨烯陣列的製備方法，其特徵在於:所述步驟2)中採用應力選擇性化學腐蝕法對所述頂矽層的背表面進行腐蝕，包括採用HF與CrO3混合溶液進行第一步腐蝕以及採用HF、CH3COOH及HNO3混合溶液進行第二步腐蝕的步驟。
6.根據權利要求1所述的可控石墨烯陣列的製備方法，其特徵在於:所述步驟3)中採用電子束蒸發技術形成所述金屬納米顆粒。
7.根據權利要求1所述的可控石墨烯陣列的製備方法，其特徵在於:所述金屬納米顆粒的直徑為IOnm 200nm。
8.根據權利要求1所述的可控石墨烯陣列的製備方法，其特徵在於:所述金屬納米顆粒為鎳納米顆粒或銅納米顆粒。
9.根據權利要求8所述的可控石墨烯陣列的製備方法，其特徵在於:所述步驟3)中，對於鎳納米顆粒，採用5°C /s 15°C /s的降溫速度對所述石墨烯進行偏析；對於銅納米顆粒採用0.10C /s 1°C /s的降溫速度對所述石墨烯進行偏析。
10.根據權利要求1所述的可控石墨烯陣列的製備方法，其特徵在於:所述步驟3)中採用CH4、H2及Ar混合氣體進行反應形成石墨烯， 反應溫度為800°C 1200°C。
全文摘要
本發明提供一種可控石墨烯陣列的製備方法，採用晶向相同的兩矽襯底進行小角度鍵合形成方形網格狀的螺旋位錯，由於位錯引起矽表面應力分布不均，利用應力選擇性腐蝕，對位錯線影響的垂向對應的區域進行刻蝕，形成正方形網格狀的圖形化矽島，採用電子束外延形成具有偏析特性的金屬納米顆粒，最後採用化學氣相沉積法與偏析方法製備出所述石墨烯陣列。採用本發明製備的石墨烯陣列具有很高的可控性和可靠性，石墨烯陣列的分布通過矽矽小角度鍵合進行控制，可達到較高的精度。本發明製備方法工藝簡單，效果顯著，且兼容於一般的半導體工藝，適用於工業生產。
文檔編號B81C1/00GK103204455SQ201210008150
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者狄增峰, 陳龍, 王剛, 魏星, 張苗, 王曦 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所