CN103590100A - 用于生长石墨烯的mocvd反应室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于生长石墨烯的MOCVD反应室，主要解决现有外延技术制备效率低、晶体质量差和有效面积小的问题。它包括源入口(1)，顶板(2)，吹扫气流(3)，倒置塔状喷淋头(4)，石英管(5)，凹槽石墨基座(7)，电阻加热装置(8)，排气口(9)，转动支架(10)，和支撑板(11)。石英管(5)固定在支撑板(6)的上方，顶板(2)位于石英管(5)上方，转动支架(10)位于石英管(5)的中间且固定于支撑板(11)上，喷淋头(4)固定于顶板(2)的下方，吹扫气流(3)均匀分布在石英管(5)与喷淋头(4)之间的整个圆形腔体内，加热装置(8)固定于支架(10)的上方，石墨基座(7)位于加热装置(8)的上方，且正对着喷淋头(4)的下表面。本发明结构简单，改善了反应腔中气流和温度的均匀性，可用于生长高质量，大面积的石墨烯。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料制备的关键设备术，特别是一种基于金属有机源化学气相淀积MOCVD的反应室，可用于原位生长圆片级，高质量的石墨烯材料。
技术背景
随着集成电路的发展，目前硅（Si）基器件的关键尺寸已经达到理论和技术极限，量子效应已经成为主要机制，传统的基于扩散-漂移理论的Si基器件受到物理和技术双重限制，无法继续承担延续摩尔定律的重任，因此，必须寻找新一代基础半导体材料，发展新的理论和器件模型，以满足集成电路继续发展的需要。
石墨烯材料是一种碳基二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，其厚度仅为原子尺度，它具有极其优异的物理化学性质，比如载流子迁移率的理论估计超过200000cm2V-1s-1，是Si的数百倍；并且机械性能很高，杨氏模量约1000GP；极高的比表面积和极好的气敏特性，极高的透明性和柔韧性，而且它与衬底不存在失配问题，可以与Si基器件工艺完全兼容，具有突出的产业优势。因此，石墨烯的出现为产业界和科技界带来曙光，它是最被看好的替代Si成为下一代基础半导体材料的新材料。
目前大面积石墨烯制备的方法有多种，其中过渡族金属催化化学气相沉积CVD和碳化硅（SiC）衬底高温热分解被认为是最有希望实现大面积石墨烯可控外延的两种技术。前者基于过渡族金属催化和金属-碳的固溶-析出-重构机制，不受衬底面积限制，可以制备超大面积的石墨烯材料，缺点是可控性较差，且工序复杂，需要通过转移过程将石墨烯转移到适当的衬底上，在转移过程中会引入杂质缺陷，很难保证洁净度；后者基于SiC衬底的分解-Si蒸发-C重构的机制，可以获得结晶性能较好的石墨烯，可是受制于SiC衬底尺寸，获得的石墨烯面积较小，苛刻的工艺条件和昂贵的设备，使得石墨烯的生长成本增加，并且这种方法不能与现有Si工艺兼容。
采用MOCVD技术可以有效地克服上述外延技术的不足，但是，直接采用目前的MOCVD设备进行石墨烯材料的生长是很困难的，主要原因在于：（1）目前的MOCVD设备主要用于生长化合物半导体，如GaAs，GaN等，但是在压力控制、反应室结构、气源输运等方面都不适合金属薄膜生长的需要；（2）石墨烯生长最为核心的过程之一就是C原子析出过程，这是一个降温工艺，目前的MOCVD设备都是为恒温工艺设计的，对于降温过程几乎不能控制，而且降温过程中温度均匀性很差，会导致石墨烯材料均匀性很差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有外延技术的不足，提出一种用于生长石墨烯的MOCVD反应室，以提高石墨烯的制备效率、晶体质量和有效面积。
为实现上述目的，本发明的MOCVD反应室，包含有源入口1、顶板2、喷淋头4、石英管5、石墨基座7、加热装置8、排气口9、转动支架10和支撑板11，石英管5固定在支撑板11的上方，顶板2位于石英管5上方，转动支架10位于石英管5的中间且固定于支撑板11上，加热装置8固定于支架10上方，石墨基座7位于加热电阻上，喷淋头4位于顶板2下方，源入口1和排气口9分别位于顶板2和支撑板11上，其特征在于：
喷淋头4采用倒置塔状结构，以提高气流喷力，降低温度和压力对气流分布的影响；
石墨基座7采用凹槽结构，以减小基座热容，加快降温速率；
加热装置8采用电阻加热，即将电阻丝均匀平铺在石墨基座的下面，通过改变电阻丝中的电流调整石墨基座7的温度，采用电阻加热，以避免射频加热造成的金属薄膜溶解，且提高石墨基座的温度均匀性；
石英管5的内壁与喷淋头4之间设有吹扫气流装置3，以抑制反应室管壁表面的预反应和气体湍流现象，防止管壁污染。
作为优选，所述的倒置塔状结构的喷淋头4与凹槽结构石墨基座7之间的距离L1设为10～15cm，通过减小L1，以减小反应腔体的体积，增加气流的流速。
作为优选，所述的倒置塔状结构的喷淋头4包括喷头和喷口，喷口均匀分布于喷头的上表面和下表面处，喷头上表面半径R1与下表面半径R2的比例为2，喷淋头的高度h为2～4cm，喷头上表面与下表面的喷口数量N相同，且数量N为20～60，顶端喷口半径r1与底端喷口半径r2的比例为2。
作为优选，所述的石墨基座7的表面下方设有深度D为10～25mm，高度W为1～4mm的圆环形槽，槽与基座表面的距离L2为高度W的2倍。
作为优选，所述的吹扫气流装置3均匀分布在石英管内壁与喷淋头之间的整个圆形腔体内。
作为优选，所述的吹扫气流装置3中通有吹扫气体Ar、N2和H2。
作为优选，所述的转动支架10上方设有3个石墨基座，转动支架10带动石墨基座7进行公转，同时石墨基座进行自转，公转速度为100～500r/min，自转速度为100～300r/min。
作为优选，所述的排气口9与石墨基座7的距离L3为10～15cm，通过增加L3，避免排气口对反应室气流均匀性的影响。
作为优选，所述的石墨基座7的温度调整范围为450～1030℃。
本发明具有如下优点：
1．本发明由于采用塔状喷淋头结构，吹扫气流结构，凹槽石墨基座结构，并合理设定喷淋头与基座之间的距离，改善了反应腔中气流和温度的均匀性，提高了石墨烯的晶体质量和有效面积。
2．本发明由于采用电阻加热方式，避免射频加热造成的金属薄膜溶解，提高了石墨烯的质量。
3．本发明由于采用可以原位淀积过渡金属薄膜的反应室，提高了石墨烯的制备效率。
本发明的技术方案和效果可通过以下附图和实施例进一步说明。
附图说明
图1是本发明的石墨烯MOCVD反应室结构示意图；
图2是本发明的喷淋头结构示意图；
图3是本发明的石墨基座结构示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明的石墨烯MOCVD反应室，包括源入口1、顶板2、吹扫气流3、喷淋头4、石英管5、衬底6、石墨基座7、加热装置8、排气口9、转动支架10和支撑板11。其中喷淋头4采用倒置塔状结构，通过减小塔状底端的喷口半径来提供强喷力的气流，喷淋头4固定于顶板2的下方；石墨基座7采用凹槽结构，以减小基座热容，加快降温速率；加热装置8采用电阻加热，电阻丝均匀平铺在石墨基座7的下方，通过改变电阻丝中的电流调整石墨基座7的温度；石英管5固定在支撑板11的上方，顶板2位于石英管5的上方，转动支架10位于石英管5的中间且固定于支撑板11上；加热装置8固定于支架10的上方，石墨基座7位于加热电阻的上方；吹扫气流装置3均匀分布在石英管5内壁与喷淋头4之间的整个圆形腔体内，源入口1和排气口9分别位于顶板2和支撑板11上；倒置塔状结构的喷淋头4与凹槽结构石墨基座7之间的距离L1为10～15cm，通过减小L1，以减小反应腔体的体积，增加气流的流速；排气口9与石墨基座7的距离L3为10～15cm，通过增加L3，避免排气口对反应室气流均匀性的影响。
参照图2，本发明的倒置塔状喷淋头4包括喷头12和喷口13，喷口13均匀分布于喷头12的上表面和下表面处，喷头12上表面半径R1与下表面半径R2的比例为2，喷淋头4的高度h为2～4cm，喷头12上表面与下表面的喷口数量均为N，且数量N为20～60，顶端喷口半径r1与底端喷口半径r2的比例为2。
参照图3，本发明的凹槽结构石墨基座7中设有圆环形凹槽14，以加速降温速度，提高温度均匀性，深度D为10～25mm，高度W为1～4mm，槽与基座表面的距离L2为高度W的2倍。
本发明反应室中的倒置塔状喷淋头4和凹槽结构石墨基座7的结构参数，给出如下三种实施例。
实施例1：
喷头12上表面的半径R1为6cm，下表面的半径R2为3cm，喷淋头4的高度h为2cm，喷口数量N为20，顶端喷口的半径r1为2mm，底端喷口的半径r2为1mm；凹槽14的深度D为10mm，高度W为1mm，槽与基座表面的距离L2为2mm；喷淋头4与石墨基座7的距离L1为10cm，石墨基座7与排气口9的距离L3为10cm；石墨基座7的公转速度为100r/min，自转速度为100r/min；吹扫气体采用Ar。
实施例2：
喷头12上表面的半径R1为7cm，下表面的半径R2为3.5cm，喷淋头4的高度h为2.5cm，喷口数量N为30，顶端喷口的半径r1为3mm，底端喷口的半径r2为1.5mm；凹槽14的深度D为15mm，高度W为2mm，槽与基座表面的距离L2为4mm；喷淋头4与石墨基座7的距离L1为12cm，石墨基座7与排气口9的距离L3为12cm；石墨基座7的公转速度为200r/min，自转速度为120r/min；吹扫气体采用H2。
实施例3：
喷头12上表面的半径R1为10cm，下表面的半径R2为5cm，喷淋头4的高度h为4cm，喷口数量N为60，顶端喷口的半径r1为5mm，底端喷口的半径r2为2.5mm；凹槽14的深度D为25mm，高度W为4mm，槽与基座表面的距离L2为8mm；喷淋头4与石墨基座7的距离L1为15cm，石墨基座7与排气口9的距离L3为15cm；石墨基座7的公转速度为500r/min，自转速度为300r/min；吹扫气体采用N2。
工作时，首先将半导体绝缘衬底6放在石墨基座7的上方，再从源入口1向反应室通入过渡金属有机源，从吹扫气流装置向反应室通入吹扫气体，通过改变加热电阻的电流来提高石墨基座7的温度到450℃，用来生长过渡金属薄膜；金属薄膜生长完成之后，从源入口1向反应室通入H2，通过改变加热电阻的电流再次提高石墨基座7的温度到1030℃，对金属薄膜进行退火处理；再从源入口1向反应室通入气源CH4，以生长出石墨烯薄膜。
Claims (9)
1.一种生长石墨烯的MOCVD反应室，包含有源入口（1）、顶板（2）、喷淋头（4）、石英管（5）、石墨基座（7）、加热装置（8）、排气口（9）、转动支架（10）和支撑板（11），石英管（5）固定在支撑板（11）的上方，顶板（2）位于石英管（5）上方，转动支架（10）位于石英管（5）的中间且固定于支撑板（11）上，加热装置（8）固定于支架（10）上方，石墨基座（7）位于加热电阻上，喷淋头（4）位于顶板（2）下方，源入口（1）和排气口（9）分别位于顶板（2）和支撑板（11）上，其特征在于：
喷淋头（4）采用倒置塔状结构，以提高气流喷力，降低温度和压力对气流分布的影响；
石墨基座（7）采用凹槽结构，以减小基座热容，加快降温速率；
加热装置（8）采用电阻加热，即将电阻丝均匀平铺在石墨基座的下面，通过改变电阻丝中的电流调整石墨基座（7）的温度，采用电阻加热，以避免射频加热造成的金属薄膜溶解，且提高石墨基座的温度均匀性；
石英管（5）的内壁与喷淋头（4）之间设有吹扫气流装置（3），以抑制反应室管壁表面的预反应和气体湍流现象，防止管壁污染。
2.根据权利要求1所述的生长石墨烯的MOCVD反应室，其特征在于：倒置塔状结构的喷淋头（4）与凹槽结构石墨基座（7）之间的距离L1为10～15cm，通过减小L1，以减小反应腔体的体积，增加气流的流速。
3.根据权利要求1所述的生长石墨烯的MOCVD反应室，其特征在于：倒置塔状结构的喷淋头（4）包括喷头和喷口，喷口均匀分布于喷头的上表面和下表面处，喷头上表面半径R1与下表面半径R2的比例为2，喷淋头的高度h为2～4cm，喷头上表面与下表面的喷口数量N相同，且数量N为20～60，顶端喷口半径r1与底端喷口半径r2的比例为2。
4.根据权利要求1所述的生长石墨烯的MOCVD反应室，其特征在于：石墨基座（7）的表面下方设有深度D为10～25mm，高度W为1～4mm的圆环形槽，槽与基座表面的距离L2为高度W的2倍。
5.根据权利要求1所述的生长石墨烯的MOCVD反应室，其特征在于：吹扫气流装置（3）均匀分布在石英管内壁与喷淋头之间的整个圆形腔体内。
6.根据权利要求1所述的生长石墨烯的MOCVD反应室，其特征在于：吹扫气流装置（3）中通有吹扫气体Ar、N2和H2。
7.根据权利要求1所述的生长石墨烯的MOCVD反应室，其特征在于：转动支架（10）上方设有3个石墨基座，转动支架（10）带动石墨基座（7）进行公转，同时石墨基座进行自转，公转速度为100～500r/min，自转速度为100～300r/min。
8.根据权利要求1所述的生长石墨烯的MOCVD反应室，其特征在于：排气口（9）与石墨基座（7）的距离L3为10～15cm，通过增加L3，避免排气口对反应室气流均匀性的影响。
9.根据权利要求1所述的生长石墨烯的MOCVD反应室，其特征在于：石墨基座（7）的温度调整范围为450～1030℃。
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