[发明专利]碳化硅热解制备石墨烯的衬底可控台阶形貌预处理方法

说明书

本发明公开了一种应用于碳化硅热解制备石墨烯的衬底可控台阶形貌预处理方法，包括如下步骤:(1)将碳化硅衬底置于化学气相沉积CVD设备内的基座上;(2)设置反应室压力、氢气流量，氢气气氛下升温至开始刻蚀温度;(3)保持压力和H₂流量不变，继续升温至最终刻蚀温度的同时通入小流量碳源辅助刻蚀;(4)升温至最终刻蚀温度后，保持压力、温度和H₂流量不变，线性缓变的方式缓慢提高碳源流量辅助刻蚀;(5)关闭碳源通入反应室阀门，纯H₂刻蚀;(6)向反应室通入硅烷辅助H₂刻蚀;(7)氢气气氛下降温至室温，取出完成预处理的碳化硅衬底。优点:扩大纯氢气刻蚀的可控工艺窗口，同时解决纯氢气刻蚀导致的衬底表面台阶难以控制的问题。既有效去除衬底表面的亚损伤层，又可在碳化硅衬底表面形成可控平直、无缺陷台阶，其上解离速度一致，台面上碳原子的供给速度一样，可以使得生长的石墨烯更加均匀。具有较高的推广价值。

技术领域

本发明具体涉及的是一种应用于碳化硅热解制备石墨烯的衬底可控台阶形貌预处理方法。属于半导体外延材料技术领域。

背景技术

石墨烯薄膜具有完美的二维晶体结构，赋予其许多优异特性，例如：单原子层构成的二维平面结构，室温下大于200000 cm²/V·s的本征电子迁移率（硅的140 倍，且高于碳纳米管）；微米级电子的平均自由程；比铜高两个数量级的电流密度（108 A/cm²）；优秀的导热性[～5000 W/ (m·K)]（金刚石的5倍，且高于碳纳米管）。显然，若能挖掘出石墨烯这些本征性能在射频电子领域的应用潜力，有望突破高速晶体管在接近THz范围主要噪声源（热噪声以及散粒噪声）的限制，大幅提升高速器件的噪声性能。目前，硅器件的工作速度能达到GHz范围，而石墨烯由于具有超高的电子迁移率以及二维结构可突破短沟道效应的限制，以之为沟道材料制备的器件工作频率有望超越THz范围。如果其潜力能够得到开发，其意义不言而喻。

石墨烯的合成方法主要有微机械分离法、取向附生法、化学分散法、SiC热分解法等。SiC热分解法是通过加热单晶SiC衬底，使Si元素解离，在表面上剩余的C原子形成石墨烯片层。具体过程是：将经氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下或气氛下加热，表层硅原子升华，碳原子重构生成石墨烯。该法被人们认为是实现石墨烯在集成电路中应用的最有希望的途径之一。在SiC衬底表面上生长的石墨烯有很多优势。其中就衬底而言，SiC是宽禁带半导体，可以是很好的半绝缘衬底，SiC衬底热导率高，散热好。经过几十年的研究和发展，SiC已经被广泛应用于电子学、MEMS等领域。作为一个被人们广泛研究并应用的材料，人们对它已经有比较完善的了解，并发展了相关的半导体加工工艺，因此在SiC表面上生长的石墨烯可比较容易地实现半导体器件应用。与其他方法相比，在SiC衬底表面上生长的石墨烯在很多方面具有更高的质量，这种材料表面非常均匀，其主要形貌由下面的SiC衬底的台阶决定。SiC衬底上生长的石墨烯可以在整个晶片上利用传统的光刻和微纳米加工技术进行器件或电路的刻蚀，可直接利用已有的SiC生产工艺实现大规模生产，因而在微纳电子器件和大规模集成逻辑电路领域有着重要的应用前景，SiC上生长的晶圆级石墨烯是目前为止最有希望取代晶体硅的材料。