CN102931078A - 蓝宝石衬底转移石墨烯的退火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蓝宝石衬底转移石墨烯的退火方法，采用高温退火的方式，修复衬底转移过程中产生的石墨烯缺陷，进一步去除转移过程中没能去除或是新引进的杂质，同时高温退火还可以使衬底与石墨烯接触得到改善，有效地处理了蓝宝石衬底对石墨烯的影响，优化石墨烯在蓝宝石衬底上附着时的电学性质，最终使转移石墨烯表面更洁净，缺陷更少，石墨烯平整，且与蓝宝石衬底接触更好。

Description

蓝宝石衬底转移石墨烯的退火方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及石墨烯转移到半导体衬底的退火方法，特别是一种基于蓝宝石(Al2O3)衬底的退火方法，可通过转移到衬底后的退火改变石墨烯材料的性质。
背景技术
石墨烯作为一种新兴的二维材料，一出现就引起了广泛的兴趣关注，在众多奇特的性质中，石墨烯的迁移率在室温下可以达到200000cm-2v-ls-1，石墨烯之所以具有这样高的迁移率，是由它独特的能带结构所造成的——理论上石墨烯的载流子有效质量为零。正是因为石墨烯具有这么优异的电学性质，所以被认为具备制作高速高频器件的巨大潜力。
目前制备石墨烯的方法主要有三种：微机械剥离法、热解SiC法以及过渡族金属衬底CVD生长法，其中金属衬底CVD生长法被认为是大量经济的制作器件的最有前景的方案。通常，CVD外延生长是以Cu作为衬底材料，所以为了后续制作器件，首先必须把Cu衬底表面附着的石墨烯转移到绝缘衬底上。常用的衬底有高纯Si、二氧化硅、蓝宝石等等。蓝宝石衬底是常用于异质外延生长的衬底，GaN等III-V宽禁带半导体与蓝宝石衬底失配较小，常以蓝宝石衬底为基外延生长，同时c面蓝宝石的表面为六方结构，与二维石墨烯的结构相似。把石墨烯转移至蓝宝石衬底上，为与蓝宝石衬底上GaN材料集成制作高频高功率器件提供可能。另外，蓝宝石衬底对石墨烯的表面声子散射效应较小可以尽量消除对石墨烯的不利影响。
然而，使用常规转移方法转移到普通衬底上的石墨烯缺陷多接触差，难以对石墨烯形成有效的影响，因此急需发明一种合适的转移后处理方法。
发明内容
本发明的目的在于使用合适的退火方法处理蓝宝石衬底对石墨烯的影响，优化石墨烯在蓝宝石衬底上附着时的电学性质，提供一种改善衬底接触的转移后退火方法。
实现本发明目的技术关键是：采用低温退火的方式，修复衬底转移过程中产生的石墨烯缺陷，进一步去除转移过程中没能去除或是新引进的杂质。同时，低温退火还可以使衬底与石墨烯接触得到改善。其实现步骤包括如下：
2、将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量1～20sccm，温度900～1000℃，时间20～60min，气压1～50Torr；
3、向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为10∶1～2∶1，Ar流量20～200sccm，CH4流量1～20sccm，气压维持在0.1～1Torr，温度900～1100℃，升温和保持时间共20～60min；
(3)在0.05g/ml-0.15g/ml的Fe(NO4)3水溶液中浸泡30-60min，使用蓝宝石衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150-200℃；
(4)放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA；
(5)分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干；
(6)反应室抽真空，再通入Ar气，气压0.01-0.1Torr，温度上升到100-200℃，保持30-40min；
(7)再通入Ar和H2的混合气，混合比例为10∶1～1∶1，气压维持在0.01-0.1Torr，退火温度为200-600℃，退火时间1-2h。
用上述退火方法得到的转移石墨烯样品其特征在于：最终使转移石墨烯表面更洁净，缺陷更少，石墨烯平整，且与蓝宝石衬底接触更好。
本发明具有如下优点：
1.由于采用在H2气气氛中较低温度退火，有效的去除石墨烯表面吸附的水分子和其他杂质分子。
2.由于采用200-600℃的低退火温度，修复转移过程中形成的石墨烯缺陷，消除蓝宝石对石墨烯电学性质的不利影响。
附图说明
图1是本发明的蓝宝石衬底上石墨烯退火流程图。
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。
参照图1，本发明给出如下实施例：
实施例1：
本发明的实现步骤如下：
步骤1，高温处理铜箔。
将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量5sccm，温度900℃，时间60min，气压15Torr。
步骤2，CVD成长石墨烯。
向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为10∶1，Ar流量200sccm，CH4流量20sccm，气压维持在1Torr，温度900℃，升温和保持时间共20min。
步骤3，腐蚀Cu衬底。
在Fe(NO4)3水溶液(0.15g/ml)中浸泡30min，使用蓝宝石衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150℃。
步骤4，去除表面有机物。
放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA。
步骤5，分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干。
步骤6，去除反应室水蒸气。
反应室抽真空，再通入Ar气，气压0.1Torr，温度上升到160℃，保持40min。
步骤7，低温退火。
再通入Ar和H2的混合气，混合比例为10∶1，气压维持在0.1Torr，退火温度为600℃，退火时间2h。
实施例2：
本发明的实现步骤如下：
步骤A，高温处理铜箔。
将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量10sccm，温度950℃，时间40min，气压25Torr
步骤B，CVD成长石墨烯。
向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为5∶1，Ar流量100sccm，CH4流量20sccm，气压维持在1Torr，温度950℃，升温和保持时间共40min。
步骤C，腐蚀Cu衬底。
在Fe(NO4)3水溶液(0.1g/ml)中浸泡40min，使用蓝宝石衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在200℃。
步骤D，去除表面有机物。
放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA。
步骤E，分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干。
步骤F，去除反应室水蒸气。
反应室抽真空，再通入Ar气，气压0.06Torr，温度上升到170℃，保持30min。
步骤G，低温退火。
再通入Ar和H2的混合气，混合比例为7∶1，气压维持在0.07Torr，退火温度为600℃，退火时间1.5h。
实施例3：
本发明的实现步骤如下：
步骤1，高温处理铜箔。
将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量20sccm，温度1000℃，时间20min，气压50Torr
步骤2，CVD成长石墨烯。
向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为3∶1，Ar流量180sccm，CH4流量60sccm，气压维持在1Torr，温度1100℃，升温和保持时间共20min。
步骤3，腐蚀Cu衬底。
在Fe(NO4)3水溶液(0.15g/ml)中浸泡30min，使用蓝宝石衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在160℃。
步骤4，去除表面有机物。
放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA。
步骤5，分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干。
步骤6，去除反应室水蒸气。
反应室抽真空，再通入Ar气，气压0.1Torr，温度上升到200℃，保持30-40min。
步骤7，高温退火。
再通入Ar和H2的混合气，混合比例为3∶1，气压维持在0.1Torr，退火温度为400℃，退火时间2h。
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 (7)

1.一种蓝宝石衬底转移石墨烯的退火方法，其特征在于，
采用在H2气气氛中较低温度退火，有效地去除了石墨烯表面吸附的水分子和其他杂质分子；采用低温退火的方式，修复衬底转移过程中产生的石墨烯缺陷，进一步去除转移过程中没能去除或是新引进的杂质，同时低温退火还可使衬底与石墨烯接触得到改善。
2.如权利要求1所述的退火方法，其特征在于，其实现步骤包括如下：
(1)将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2；
(2)向反应室通入Ar和CH4；
(3)在0.05g/ml-0.15g/ml的Fe(NO4)3水溶液中浸泡30-60min，使用蓝宝石衬底打捞起来；
(4)放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA；
(5)分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干；
(6)反应室抽真空，再通入Ar气；
(7)通入Ar和H2的混合气。
3.如权利要求2所述的退火方法，其特征在于，将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量1～20sccm，温度900～1000℃，时间20～60min，气压1～50Torr.
4.如权利要求2所述的退火方法，其特征在于，向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为10∶1～2∶1，Ar流量20～200sccm，CH4流量1～20sccm，气压维持在0.1～1Torr，温度900～1100℃，升温和保持时间共20～60min。
5.如权利要求2所述的退火方法，其特征在于，在0.05g/ml-0.15g/ml的Fe(NO4)3水溶液中浸泡30-60min，使用蓝宝石衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150-200℃。
6.如权利要求2所述的退火方法，其特征在于，反应室抽真空，再通入H2气，气压0.01-0.1Torr，温度上升到100-200℃，保持30-40min。
7.如权利要求2所述的退火方法，其特征在于，通入Ar和H2的混合气，混合比例为10∶1～1∶1，气压维持在0.01-0.1Torr，退火温度为200-600℃，退火时间1-2h。
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