CN103204455A - 一种可控石墨烯阵列的制备方法 - Google Patents

一种可控石墨烯阵列的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可控石墨烯阵列的制备方法，采用晶向相同的两硅衬底进行小角度键合形成方形网格状的螺旋位错，由于位错引起硅表面应力分布不均，利用应力选择性腐蚀，对位错线影响的垂向对应的区域进行刻蚀，形成正方形网格状的图形化硅岛，采用电子束外延形成具有偏析特性的金属纳米颗粒，最后采用化学气相沉积法与偏析方法制备出所述石墨烯阵列。采用本发明制备的石墨烯阵列具有很高的可控性和可靠性，石墨烯阵列的分布通过硅硅小角度键合进行控制，可达到较高的精度。本发明制备方法工艺简单，效果显著，且兼容于一般的半导体工艺，适用于工业生产。

Description

一种可控石墨烯阵列的制备方法
技术领域
本发明属于半导体领域，特别是涉及一种可控石墨烯阵列的制备方法。
背景技术
石墨烯是由sp2杂化碳原子键合，且具有六方点阵蜂窝状二维结构的单层平面石墨，具有极高的晶体品质和电学性能。作为一种严格的二维晶体材料，石墨烯具有独特的物理性能，载流子浓度高达1013cm-2，迁移率超过20000cm2V-1s-1，为晶体管、传感器等高性能器件的制备提供了材料基础。
石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜，其远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70％-80％的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非同寻常的优良特性。
在石墨烯的制备方面，目前主要有三种生长方法：1)化学气相沉积法(CVD)。这种方法是利用在基片表面沉积一层几十纳米厚的具有催化性能的多晶金属薄膜，然后利用热催化分解碳氢化合物来在金属薄膜的表面生长石墨烯。2)SiC表面外延法。这种方法是利用高温(一般在1350℃以上)处理SiC基底的办法来蒸发掉表面的硅原子，留下碳原子，形成石墨烯。3)金属单晶表面外延法。和方法一类似，催化剂为具有催化性能的金属单晶，然后利用晶体内部碳杂质的析出或热催化分解碳氢化合物，在金属薄膜的表面外延石墨烯。和方法一不同之处在于生长的石墨烯的晶格和金属单晶的晶格相匹配。
然而，单纯采用以上方法难以制备出可控性较高的石墨烯阵列。因此提供一种可控性良好，可靠性高的石墨烯阵列的制备方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可控石墨烯阵列的制备方法，以提供一种工艺简单、可控性良好且可靠性高的石墨烯阵列的制备方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可控石墨烯阵列的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：提供一SOI衬底及与所述SOI衬底的顶硅层具有相同晶向的硅衬底，将所述顶硅层与硅衬底进行扭转键合，使键合后的顶硅层的晶向与该硅衬底的晶向呈预设夹角，以在键合界面形成具有网格状分布的螺旋位错的位错线；2)去除所述SOI衬底的背衬底及绝缘层以露出所述顶硅层的背表面，刻蚀所述顶硅层的背表面以在各该位错线影响的垂向对应的区域形成凹槽结构，其中，凹槽结构之间具有平台结构；3)在所述各该平台结构表面形成具有石墨烯偏析特性的金属纳米颗粒，然后采用化学气相沉积法在各该金属纳米颗粒表面形成碳-金属固溶体，最后对所述碳-金属固溶体进行降温偏析以完成所述石墨烯阵列的制备。
在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述顶硅层的厚度为5nm～100nm。
在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述预设夹角的角度m为0°＜m≤5°。
优选地，所述网格状位错线为正方形网格状位错线，其中，平行且相邻的两位错线的间距为10nm～200nm。
在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述步骤2)中采用应力选择性化学腐蚀法对所述顶硅层的背表面进行腐蚀，包括采用HF与CrO3混合溶液进行第一步腐蚀以及采用HF、CH3COOH及HNO3混合溶液进行第二步腐蚀的步骤。
在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述步骤3)中采用电子束蒸发技术形成所述金属纳米颗粒。
在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述金属纳米颗粒的直径为10nm～200nm。
在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述金属纳米颗粒为镍纳米颗粒或铜纳米颗粒。优选地，所述步骤3)中，对于镍纳米颗粒，采用5℃/s～15℃/s的降温速度对所述石墨烯进行偏析；对于铜纳米颗粒采用0.1℃/s～1℃/s的降温速度对所述石墨烯进行偏析。
在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述步骤3)中采用CH4、H2及Ar混合气体进行反应形成石墨烯，反应温度为800℃～1200℃。
如上所述，本发明的可控石墨烯阵列的制备方法，具有以下有益效果：采用晶向相同的两硅衬底进行小角度键合形成方形网格状的螺旋位错，由于位错引起硅表面应力分布不均，利用应力选择性腐蚀，对位错线影响的垂向对应的区域进行刻蚀，形成正方形网格状的图形化硅岛，采用电子束外延形成具有偏析特性的金属纳米颗粒，最后采用化学气相沉积法与偏析方法制备出所述石墨烯阵列。采用本发明制备的石墨烯阵列具有很高的可控性和可靠性，石墨烯阵列的分布通过硅硅小角度键合进行控制，可达到较高的精度。本发明制备方法工艺简单，效果显著，且兼容于一般的半导体工艺，适用于工业生产。
附图说明
图1～图2显示为本发明的可控石墨烯阵列的制备方法步骤1)所呈现的结构示意图。
图3～图4显示为本发明的可控石墨烯阵列的制备方法步骤2)所呈现的结构示意图。
图5～图6显示为本发明的可控石墨烯阵列的制备方法步骤3)所呈现的结构示意图。
图7显示为采用本发明的可控石墨烯阵列的制备方法所制备的石墨烯阵列的立体示意图。
图8显示为采用本发明的可控石墨烯阵列的制备方法所制备的石墨烯阵列的平面示意图。
元件标号说明
101～103    SOI衬底
104         硅衬底
105         位错线
106         凹槽结构
107         平台结构
108         金属纳米颗粒
109         石墨烯阵列
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～8所示，本发明提供一种可控石墨烯阵列的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
请参阅图1～2，如图所示，首先进行步骤1)，提供SOI衬底101～103及与所述SOI衬底101～103的顶硅层103具有相同晶向的硅衬底，将所述顶硅层103与硅衬底进行晶向位错键合，使键合后的所述顶硅层103的晶向与所述硅衬底的晶向呈预设夹角，以在键合界面形成具有网格状位错线105的螺旋位错。需要说明的是，所述SOI衬底101～103具有背衬底101，结合于所述背衬底101上的绝缘层102及结合于所述绝缘层102上的顶硅层103，所述SOI衬底101～103的顶硅层103的厚度为5nm～100nm。
具体地，对所述SOI衬底101～103的顶硅层103和所述硅衬底104进行疏水处理，首先采用RCA湿式化学清洗法对所述SOI衬底101～103的顶硅层103和所述硅衬底104进行清洗，然后采用HF溶液进行清洗，使其表面具有疏水特性，然后使所述顶硅层103的晶向与所述硅衬底104的晶向呈预设夹角，对所述顶硅层103的晶向与所述硅衬底104进行键合，以在键合界面形成具有网格状位错线105的螺旋位错，其中，所述预设夹角的角度m为0°＜m≤5°，在本实施例中，暂以该预设夹角的角度m为1°进行描述，所述网格状位错线105为正方形网格状位错线105，其中，平行且相邻的两位错线105的间距为10nm～200nm，其具体数值由所述预设夹角的角度所决定，在本实施例中，1°的预设夹角所产生的位错线105间距为22nm。由于螺旋位错，所述顶硅层103内会产生相应的应力分布。
请参阅图3～图4，如果所示，然后进行步骤2)，去除所述SOI衬底101～103的背衬底101及绝缘层102以露出所述顶硅层103的背表面，腐蚀所述顶硅层103的背表面以在所述网格状位错线105各交点所对应的区域形成多个凹槽结构106，其中，凹槽结构106之间具有平台结构107。
具体地，采用背衬底101刻蚀技术去除所述SOI的背衬底101与绝缘层102，当然，在其它实施例中，也可以采用智能剥离技术与抛光的方法去除所述SOI的背衬底101与绝缘层102。由于螺旋位错，所述顶硅层103内会产生相应的应力分布，所述顶硅层103在拉伸应力的作用下的区域更容易被腐蚀，选用采用应力选择性化学腐蚀法对所述顶硅层103的背表面进行腐蚀，包括采用HF与CrO3混合溶液进行第一步刻蚀以及采用HF、CH3COOH及HNO3混合溶液进行第二步刻蚀的步骤，在本实施例中，采用HF∶CrO3的比例为3∶1000进行初步刻蚀，采用HF∶CH3COOH∶HNO3的比例为0.02∶7∶3继续进行刻蚀以获得所述的凹槽结构106及其之间的平台结构107。
请参阅图5～图8，如图所示，最后进行步骤3)，在所述各该平台结构107表面形成具有石墨烯偏析特性的金属纳米颗粒108，然后采用化学气相沉积法在各该金属纳米颗粒108表面形成碳-金属固溶体，最后对所述碳-金属固溶体进行降温偏析以完成所述石墨烯109阵列的制备。
具体地，采用电子束蒸发技术形成所述金属纳米颗粒108，由于本发明所使用的金属纳米颗粒的沉积特性，所述金属纳米颗粒优先在所述平台结构107上进行沉积，沉积的所述金属纳米颗粒的直径为10nm～200nm。在本实施例中，所述金属纳米颗粒108为镍纳米颗粒或铜纳米颗粒。然后，采用CH4、H2及Ar混合气体进行反应形成碳源，利用化学气相沉积法在纳米颗粒表面沉积一层碳源，反应温度为800℃～1200℃，在较高温度下沉积的少量碳会进入金属纳米颗粒内部，形成碳-金属的固溶体。最后对所述金属纳米颗粒108进行降温以使所述石墨烯进行偏析，对于镍纳米颗粒，采用5℃/s～15℃/s的降温速度对所述石墨烯进行偏析；对于铜纳米颗粒采用0.1℃/s～1℃/s的降温速度对所述石墨烯进行偏析，以完成所述石墨烯阵列109的制备，如图7～图8所示。
综上所述，本发明的可控石墨烯阵列的制备方法，采用晶向相同的两硅衬底进行小角度键合形成方形网格状的螺旋位错，由于位错引起硅表面应力分布不均，利用应力选择性腐蚀，对位错线影响的垂向对应的区域进行刻蚀，形成正方形网格状的图形化硅岛，采用电子束外延形成具有偏析特性的金属纳米颗粒，最后采用化学气相沉积法与偏析方法制备出所述石墨烯阵列。采用本发明制备的石墨烯阵列具有很高的可控性和可靠性，石墨烯阵列的分布通过硅硅小角度键合进行控制，可达到较高的精度。本发明制备方法工艺简单，效果显著，且兼容于一般的半导体工艺，适用于工业生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种可控石墨烯阵列的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：
1)提供一SOI衬底及与所述SOI衬底的顶硅层具有相同晶向的硅衬底，将所述顶硅层与硅衬底进行扭转键合，使键合后的顶硅层的晶向与该硅衬底的晶向呈预设夹角，以在键合界面形成具有网格状分布的螺旋位错的位错线；
2)去除所述SOI衬底的背衬底及绝缘层以露出所述顶硅层的背表面，刻蚀所述顶硅层的背表面以在各该位错线影响的垂向对应的区域形成凹槽结构，其中，凹槽结构之间具有平台结构；
3)在所述各该平台结构表面形成具有石墨烯偏析特性的金属纳米颗粒，然后采用化学气相沉积法在各该金属纳米颗粒表面形成碳-金属固溶体，最后对所述碳-金属固溶体进行降温偏析以完成所述石墨烯阵列的制备。
2.根据权利要求1所述的可控石墨烯阵列的制备方法，其特征在于：所述顶硅层的厚度为5nm～100nm。
3.根据权利要求1所述的可控石墨烯阵列的制备方法，其特征在于：所述预设夹角的角度m为0°＜m≤5°。
4.根据权利要求1所述的可控石墨烯阵列的制备方法，其特征在于：所述网格状位错线为正方形网格状位错线，其中，平行且相邻的两位错线的间距为10nm～200nm。
5.根据权利要求1所述的可控石墨烯阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中采用应力选择性化学腐蚀法对所述顶硅层的背表面进行腐蚀，包括采用HF与CrO3混合溶液进行第一步腐蚀以及采用HF、CH3COOH及HNO3混合溶液进行第二步腐蚀的步骤。
6.根据权利要求1所述的可控石墨烯阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中采用电子束蒸发技术形成所述金属纳米颗粒。
7.根据权利要求1所述的可控石墨烯阵列的制备方法，其特征在于：所述金属纳米颗粒的直径为10nm～200nm。
8.根据权利要求1所述的可控石墨烯阵列的制备方法，其特征在于：所述金属纳米颗粒为镍纳米颗粒或铜纳米颗粒。
9.根据权利要求8所述的可控石墨烯阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，对于镍纳米颗粒，采用5℃/s～15℃/s的降温速度对所述石墨烯进行偏析；对于铜纳米颗粒采用0.1℃/s～1℃/s的降温速度对所述石墨烯进行偏析。
10.根据权利要求1所述的可控石墨烯阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中采用CH4、H2及Ar混合气体进行反应形成石墨烯，反应温度为800℃～1200℃。
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