CN102931076A - 一种氧化锌衬底转移石墨烯的退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化锌衬底转移石墨烯的退火方法，采用低压低温气氛退火的方式，针对氧化锌衬底的特性，为避免掺杂效应，通过改变气氛条件，调节退火温度和退火处理的时间，去除转移过程中的PMMA光刻胶残留，并尽可能减少掺杂效应对石墨烯性能的影响，针对新型光电、压电器件的应用需求，实现了氧化锌和石墨烯衬底的特性结合，同时实现了原子重整和弛豫共格生长，减小了局部应力，改善了石墨烯和衬底的结合状况，消除了残胶引起的性能退化，为氧化锌-石墨烯结构器件提供了材料。

Description

一种氧化锌衬底转移石墨烯的退火方法

技术领域

本发明属于半导体材料与器件制造技术领域，涉及II-VI族半导体衬底转移石墨烯薄膜的退火方法，特别是一种氧化锌衬底转移石墨烯的退火方法，可用于石墨烯材料的性能提高和氧化锌-石墨烯光电、压电器件的制备。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，具有非常奇特的物理化学性质，且具有突出的产业优势，有望替代Si成为下一代基础半导体材料的新材料。

目前，过渡族金属催化化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)外延是国际上广泛采用的大面积石墨烯制备的方法，它不受衬底尺寸的限制，设备简单，可以大批量生产。但是，CVD外延制备的石墨烯下方的金属衬底导电性使得其无法直接应用，必须依赖衬底转移技术，将金属衬底去除并转移至合适的半导体衬底上，因此，衬底的质量与特性直接影响着石墨烯材料以及器件的最终性能，为石墨烯材料选择合适的衬底，具有重要意义。

氧化锌(ZnO)作为六方纤锌矿晶体，其表面和石墨烯具有相似的晶格结构，如果利用氧化锌作为石墨烯的衬底，能够实现晶格应力弛豫，在一定程度上改善石墨烯与衬底的结合情况。另外，氧化锌作为一种直接带隙宽禁带材料，具有良好的压电和光电等性能，成为光电研究领域的热门研究课题。可用于制备表面声波器件、太阳能电池、压敏器件、气敏器件、紫外探测器、发光器件等，而石墨烯因其具有的良好的透光性、导电性、力学特性，可以成为氧化锌光电、压电器件的理想电极，氧化锌—石墨烯器件结构已经成为研究热点。因此，探索将石墨烯转移在氧化锌衬底之上的技术工艺具有重要意义。

目前国际上通行的石墨烯衬底转移技术主要采用石墨烯-PMMA自支撑，金属衬底湿法腐蚀，石墨烯-PMMA转移，PMMA去胶定型的工艺，这种方法能较为稳定高效的完成石墨烯的衬底转移，基本保持优良的性能。但是，由于该工艺涉及许多化学过程，不可避免地带来许多污染，尤其是PMMA光刻胶的残留问题，是国际上公认的严重影响转移后石墨烯电学性能的关键问题。目前，转移后的退火工艺被认为是消除光刻残胶影响的有效方法。退火能够进行原子重整，有效去除杂质影响，对于氧化锌衬底而言，还可以实现与石墨烯的弛豫共格生长，减小界面局部应力。

发明内容

本发明的目的在于在传统石墨烯转移技术的基础上，针对石墨烯、氧化锌材料的特殊性质，提供一种基于氧化锌衬底转移石墨烯的退火方法，以改善石墨烯和衬底的结合状况，消除残胶引起的性能退化，为氧化锌—石墨烯结构器件提供材料。

实现本发明目的技术关键是：采用低压低温气氛退火的方式，针对氧化锌衬底，通过改变气氛条件，调节退火温度和退火处理的时间，去除转移过程中的PMMA光刻胶残留，并尽可能减少掺杂效应对石墨烯性能的影响。

本发明技术方案如下：

(1)将转移至ZnO衬底的石墨烯进行PMMA定型、下方金属腐蚀、漂洗和PMMA光刻胶去除步骤之后，放入真空气氛管式炉；

(2)管式炉抽真空至0.1Pa，向管式炉通入高纯(纯度＞99.999％)Ar气，流量100～200sccm，时间5～20min，以便赶出腔室中的空气；

(3)关闭Ar流量，待真空重新恢复至0.1Pa，通入高纯H₂，流量5～30sccm，时间10～20min；

(4)设定加热程序，将衬底缓慢加热至150～400℃，加热速率1～5℃/min，保持真空泵的抽速和步骤(3)中H₂流量不变，时间1～3h；

(5)关闭加热程序，系统温度缓慢降至室温，关闭气体流量，关闭真空泵。本发明具有以下优点：

1.针对新型光电、压电器件的应用需求，实现氧化锌和石墨烯衬底的特性结合；

2.针对氧化锌衬底的特性，为避免掺杂效应，调节适当的温度和气氛，尽可能减少石墨烯表面PMMA光刻胶残留；

3.实现原子重整和弛豫共格生长，减小局部应力。

附图说明

图1是本发明的氧化锌衬底转移石墨烯薄膜退火流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

实施例1：将金属铜衬底上的石墨烯薄膜转移至氧化锌衬底上并退火。

(1)将转移至ZnO衬底的石墨烯进行PMMA定型、下方金属腐蚀、漂洗和PMMA光刻胶去除步骤之后，放入真空气氛管式炉；

(2)管式炉抽真空至0.1Pa，向管式炉通入高纯(纯度＞99.999％)Ar气，流量100sccm，时间5min，以便赶出腔室中的空气；

(3)关闭Ar流量，待真空重新恢复至0.1Pa，通入高纯H₂，流量5sccm，时间10min；

(4)设定加热程序，将衬底缓慢加热至150℃，加热速率1℃/min，保持真空泵的抽速和步骤(3)中H₂流量不变，时间1h；

(5)关闭加热程序，系统温度缓慢降至室温，关闭气体流量，关闭真空泵。

实施例2：

(1)将转移至ZnO衬底的石墨烯进行PMMA定型、下方金属腐蚀、漂洗和PMMA光刻胶去除步骤之后，放入真空气氛管式炉；

(2)管式炉抽真空至0.1Pa，向管式炉通入高纯(纯度＞99.999％)Ar气，流量200sccm，时间20min，以便赶出腔室中的空气；

(3)关闭Ar流量，待真空重新恢复至0.1Pa，通入高纯H₂，流量30sccm，时间20min；

(4)设定加热程序，将衬底缓慢加热至400℃，加热速率5℃/min，保持真空泵的抽速和步骤(3)中H₂流量不变，时间3h；

(5)关闭加热程序，系统温度缓慢降至室温，关闭气体流量，关闭真空泵。

实施例3：

(1)将转移至ZnO衬底的石墨烯进行PMMA定型、下方金属腐蚀、漂洗和PMMA光刻胶去除步骤之后，放入真空气氛管式炉；

(2)管式炉抽真空至0.1Pa，向管式炉通入高纯(纯度＞99.999％)Ar气，流量150sccm，时间15min，以便赶出腔室中的空气；

(3)关闭Ar流量，待真空重新恢复至0.1Pa，通入高纯H₂，流量20sccm，时间15min；

(4)设定加热程序，将衬底缓慢加热至300℃，加热速率3℃/min，保持真空泵的抽速和步骤(3)中H₂流量不变，时间2h；

(5)关闭加热程序，系统温度缓慢降至室温，关闭气体流量，关闭真空泵。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于氧化锌衬底转移石墨烯的退火方法，其特征在于，

采用低压低温气氛退火的方式，针对氧化锌衬底，通过改变气氛条件，调节退火温度和退火处理的时间，去除转移过程中的PMMA光刻胶残留，并尽可能减少掺杂效应对石墨烯性能的影响，改善了石墨烯和衬底的结合状况，消除了残胶引起的性能退化，为氧化锌-石墨烯结构器件提供了材料。

2.如权利要求1所述的退火方法，其特征在于，该退火方法包括以下步骤：

(1)将转移至ZnO衬底的石墨烯进行PMMA定型、下方金属腐蚀、漂洗和PMMA光刻胶去除步骤之后，放入真空气氛管式炉；

(2)管式炉抽真空至0.1Pa，向管式炉通入高纯Ar气；

(3)关闭Ar流量，待真空重新恢复至0.1Pa，通入高纯H₂；

(4)设定加热程序，将衬底缓慢加热至，保持真空泵的抽速和步骤(3)中H₂流量不变；

(5)关闭加热程序，系统温度缓慢降至室温，关闭气体流量，关闭真空泵。

3.如权利要求2所述的退火方法，其特征在于，管式炉抽真空至0.1Pa，向管式炉通入高纯Ar气，流量100～200sccm，时间5～20min，以便赶出腔室中的空气。

4.如权利要求2所述的退火方法，其特征在于，关闭Ar流量，待真空重新恢复至0.1Pa，通入高纯H₂，流量5～30sccm，时间10～20min。

5.如权利要求2所述的退火方法，其特征在于，设定加热程序，将衬底缓慢加热至150～400℃，加热速率1～5℃/min，保持真空泵的抽速和步骤(3)中H₂流量不变，时间1～3h。

Images