[发明专利]基于SiC与氯气反应的Cu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Cu膜退火图形化石墨烯制备方法。

技术背景

石墨烯是由sp²杂化的单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，这是目前发现最薄的材料。由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量，石墨烯中存在着丰富而新奇的物理现象及优异的物理性能。由于这些优良的性质，石墨烯可望在高性能纳米电子器件、复合材料、太阳能电池、场发射材料、超级电容器等领域获得广泛应用。因此，石墨烯迅速成为材料科学和凝聚态物理领域近年来研究的热点之一。科学界认为石墨烯极有可能取代硅而成为未来的半导体材料，具有极其广阔的应用前景。

石墨烯由于其优异的电学特性，引起了广泛关注，继而制备石墨烯的新方法层出不穷，但使用最多的主要有化学气相沉积法和热分解SiC法两种。

化学气相沉积法，是制备半导体薄膜材料应用最广泛的一种大规模工业化方法，它是利用甲烷、乙烯等含碳化合物作为碳源，通过其在基体表面的高温分解生长石墨烯，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，此方法的缺点是制备工艺复杂，能源消耗大，成本较高，精确控制较差，而且获得的石墨烯片层与衬底相互作用强，丧失了许多石墨烯的性质，且石墨烯的连续性不是很好。

热分解SiC法，是通过高温加热使得SiC衬底表面碳硅键断裂，使SiC表面上的Si原子升华，剩余C原子在原衬底表面重构，形成石墨烯。然而，SiC热分解时温度较高，并且生长出来的石墨烯呈岛状分布，孔隙多，而且做器件时由于光刻，干法刻蚀等会使石墨烯的电子迁移率降低，从而影响了器件性能。

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Cu膜退火图形化石墨烯制备方法，以实现选择性的生长图形化石墨烯，使后续制造器件过程中不需要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4-10min，使Cl₂与裸露的SiC发生反应，生成碳膜；

(6)将生成的碳膜样片置于缓冲氢氟酸溶液中，以去除图形以外的SiO₂；

(7)在去除SiO₂后的碳膜上利用PVD法镀一层200-300nm厚的Cu膜；

(8)将镀有Cu膜的样片置于Ar气中，在温度为900-1200℃下退火15-25min，使碳膜在图形位置重构成图形化石墨烯；

(9)将生成图形化石墨烯的样片置于FeCl₃溶液中以去除Cu膜。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明由于在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。

2.本发明由于选择性地生长了图形化石墨烯，在此石墨烯上制作晶体管时无需对其进行光刻即可直接用作导电沟道，因此电子迁移率不会降低，制作出的石墨烯晶体管具有超高迁移率。

3.本发明由于利用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。

4.本发明中SiC与Cl₂可在较低的温度和常压下反应，且反应速率快。

5.本发明使用的方法工艺简单，节约能源，安全性高。

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。