[发明专利]基于Cu膜辅助退火和Cl2反应的大面积石墨烯制备方法

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膜辅助退火和Cl₂反应的大面积石墨烯制备方法。

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：

1.化学气相沉积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。

2.热分解SiC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，且尺寸较小，很难大面积制造石墨烯。

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膜辅助退火和Cl₂反应的大面积石墨烯制备方法，以提高表面光滑度和连续性、降低孔隙率、减少成本，实现在3C-SiC衬底上大面积的制造石墨烯。

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)迅速升温至生长温度1150℃-1350℃，通入C₃H₈和SiH₄，进行3C-SiC异质外延薄膜的生长，时间为36-60min，然后在H₂保护下逐步降温至室温，完成3C-SiC外延薄膜的生长；

(5)将生长好的3C-SiC样片置于石英管中，加热至700-1100℃；

(6)向石英管中通入Ar气和Cl₂气的混合气体，持续时间4-7min，使Cl₂与3C-SiC反应生成碳膜；

(7)将生成的碳膜样片的碳面置于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，碳膜重构成石墨烯，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.本发明由于在生长3C-SiC时先在Si衬底上成长一层碳化层作为过渡，然后再生长3C-SiC，因而生长的3C-SiC质量高。

2.本发明由于3C-SiC可异质外延生长在Si圆片上，而Si圆片尺寸可达12英寸，因而用此方法可以生长大面积的石墨烯，且价格便宜。

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，可用于对气体和液体的密封。

5.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。

附图说明

图1是本发明制备石墨烯的装置示意图；

图2是本发明制备石墨烯的流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明的制备设备主要由石英管1和电阻炉2组成，其中石英管1设有进气口3和出气口4，电阻炉为2为环状空心结构，石英管1插装在电阻炉2内。

参照图2，本发明的制作方法给出如下三种实施例。

实施例1

步骤1：去除样品表面污染物。