CN108183064B - 碳化硅热解制备石墨烯的衬底可控台阶形貌预处理方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
由于SiC热解石墨烯的过程即SiC界面重构的过程，因此，外延石墨烯结构的完整性和质量的好坏受SiC表面结构的直接影响。要想获得具有高质量的SiC外延石墨烯，具有接近完美晶格的SiC衬底表面是先决条件。接近完美晶格的SiC衬底的获得一般要经历三个阶段：机械研磨、化学机械抛光及刻蚀。机械研磨是利用较硬的物质将SiC表面的大量损伤层去除，本步骤留下的损伤层较厚，划痕较多。化学机械抛光是利用化学反应和机械去除共同的作用，将SiC表面的损伤层进一步降低，本步骤残留很浅的损伤层，晶片表面划痕少，但是晶片表面会残留部分的氧化物。当前，主要通过原位氢气刻蚀工艺利用气体和Si表面直接反应生成气相物质脱离表面，使SiC内部的完美晶格暴露，能够有效除去衬底表面因抛光带来的损伤和微划痕，在衬底表面形成台阶形貌。但是，氢气原位刻蚀工艺存在工艺窗口窄和台阶形貌难以控制等缺点。而SiC热解石墨烯厚度的均匀性依赖于SiC表面硅解离的均匀性以及碳原子的有效性，刻蚀后SiC衬底的形貌对在它上面生长的石墨烯的结构特性和电学特性具有重要影响，形貌可控的台阶-台面是后续制备高质量石墨烯薄膜的基础。本专利通过工艺气体辅助刻蚀处理热解石墨烯用碳化硅衬底，形成可控平直、无缺陷表面台阶，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。
发明内容
本发明提出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，其目的旨在克服现有技术所存的缺陷,通过引入碳源或硅烷等工艺气体辅助氢气刻蚀，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。可以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。
本发明的技术解决方案: 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，包括如下述步骤：
(1)将清洗过的碳化硅衬底置于化学气相沉积CVD设备内的基座上;
(2)设置反应室压力为70-150 mbar，氢气H2流量50-150L/min，系统升温至1400-1450℃;
(3)保持压力和H2流量不变，继续升温至刻蚀温度1500-1600℃，升温阶段同时通入1-5sccm的碳源辅助刻蚀;
(4)当升温至刻蚀温度1500-1600℃后，保持压力、温度和H2流量不变，采用线性缓变的方式缓慢提高步骤(3)所采用的碳源流量至5-50sccm，辅助H2刻蚀5-20min;
(5)关闭碳源通入反应室阀门，纯H2刻蚀5-20min;
(6)向反应室通入5-50sccm的硅烷辅助H2刻蚀5-20min;
(7)保持反应室压力和H2流量不变，关闭硅烷通入反应室阀门，关闭射频源，降温至室温，而后氩气充填反应室至大气压，取出完成预处理的碳化硅衬底。
本发明的优点:
1)采用工艺气体辅助刻蚀处理碳化硅衬底，对比常规纯氢气刻蚀工艺，通过引入碳源或硅烷等工艺气体辅助氢气刻蚀，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，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。同时避免了SiC表面缺陷处择优刻蚀造成表面退化，可应用于后续制备高质量碳化硅热解石墨烯薄膜。
2)预处理方法简单易行，且兼容现有常规氢气刻蚀工艺，具有较高的推广价值。
附图说明
图1 是碳化硅热解制备石墨烯的衬底可控台阶形貌预处理得到的碳化硅衬底表面形貌示意图。
具体实施方式
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，该方法包括如下述步骤：
(1)将清洗过的碳化硅衬底置于化学气相沉积CVD设备内的基座上；
(2)设置反应室压力为70-150 mbar，氢气H2流量50-150L/min，系统升温至1400-1450℃；
(3)保持压力和H2流量不变，继续升温至刻蚀温度1500-1600℃，升温阶段同时通入1-5sccm的碳源辅助刻蚀；
(4)当升温至刻蚀温度1500-1600℃后，保持压力、温度和H2流量不变，采用线性缓变的方式缓慢提高步骤(3)所采用的碳源流量至5-50sccm，辅助H2刻蚀5-20min；
(5)关闭碳源通入反应室阀门，纯H2刻蚀5-20min；
(6)向反应室通入5-50sccm的硅烷辅助H2刻蚀5-20min；
(7)保持反应室压力和H2流量不变，关闭硅烷通入反应室阀门，关闭射频源，降温至室温，而后氩气充填反应室至大气压，取出完成预处理的碳化硅衬底。
所述步骤(1)所述碳化硅衬底为正晶向的3~8英寸高纯半绝缘碳化硅衬底。
所述步骤(3)所述碳源采用甲烷、乙烯、乙炔或丙烷。
所述步骤(3)采用的条件为低温时通入1-5sccm的小流量碳源辅助氢气刻蚀。
所述步骤(4)采用线性缓变的方式缓慢提高步骤(3)所采用的碳源流量至5-50sccm的较大流量碳源辅助H2刻蚀5-20min。
所述步骤(5)在完成步骤(4)碳源辅助氢气刻蚀后采用纯H2刻蚀5-20min。
所述步骤(6)在完成步骤(5)纯氢气刻蚀后采用5-50sccm的硅烷辅助H2刻蚀5-20min。
所述步骤(4)、(5)和(6)为一个完整的工艺气体辅助氢气刻蚀周期，根据实际需要进行多个周期的工艺气体辅助刻蚀，以得到完美的可控台阶形貌。
所述碳源辅助氢气刻蚀、纯氢气刻蚀和硅烷辅助氢气刻蚀的时间比例根据衬底厂家的不同和表面具体加工情况进行调整。
实施例1
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)将清洗过的正晶向、高纯半绝缘4H-SiC衬底置于化学气相沉积CVD设备内的基座上。
(2)设置反应室压力为90 mbar，氢气（H2）流量90L/min，系统升温至1420℃。
(3)保持压力和H2流量不变，继续升温至刻蚀温度1550℃，升温阶段同时通入2sccm的碳源辅助刻蚀。
(4)当升温至刻蚀温度1550℃后，保持压力、温度和H2流量不变，采用线性缓变的方式缓慢提高步骤(3)所采用的碳源流量至40sccm，辅助H2刻蚀10min。
(5)完成步骤(4)后，关闭碳源通入反应室阀门，纯H2刻蚀10min。
(6)完成步骤(5)后，向反应室通入30sccm的硅烷辅助H2刻蚀10min。
(7)保持反应室压力和H2流量不变，关闭硅烷通入反应室阀门，关闭射频源，降温至室温，而后氩气充填反应室至大气压，取出完成预处理的碳化硅衬底。
上述实施例中预处理得到的碳化硅衬底表面形貌如附图1所示，可以看出采用本方法可以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。
Claims (8)
1.一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，其特征是该方法包括如下述步骤：
(1)将清洗过的碳化硅衬底置于化学气相沉积CVD设备内的基座上；
(2)设置反应室压力为70-150 mbar，氢气H2流量50-150L/min，系统升温至1400-1450℃；
(3)保持压力和H2流量不变，继续升温至刻蚀温度1500-1600℃，升温阶段同时通入1-5sccm的碳源辅助刻蚀，条件为低温时通入1-5sccm的小流量碳源辅助氢气刻蚀；
(4)当升温至刻蚀温度1500-1600℃后，保持压力、温度和H2流量不变，采用线性缓变的方式缓慢提高步骤(3)所采用的碳源流量至5-50sccm，辅助H2刻蚀5-20min；
(5)关闭碳源通入反应室阀门，纯H2刻蚀5-20min；
(6)向反应室通入5-50sccm的硅烷辅助H2刻蚀5-20min；
(7)保持反应室压力和H2流量不变，关闭硅烷通入反应室阀门，关闭射频源，降温至室温，而后氩气充填反应室至大气压，取出完成预处理的碳化硅衬底。
2.根据权利要求1所述的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的方法，其特征是步骤(1)所述碳化硅衬底为正晶向的3~8英寸高纯半绝缘碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的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的方法，其特征是步骤(3)所述碳源采用甲烷、乙烯、乙炔或丙烷。
4.根据权利要求1所述的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的方法，其特征是步骤(4)采用线性缓变的方式缓慢提高步骤(3)所采用的碳源流量至5-50sccm的较大流量碳源辅助H2刻蚀5-20min。
5.根据权利要求1所述的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的方法，其特征是步骤(5)在完成步骤(4)碳源辅助氢气刻蚀后采用纯H2刻蚀5-20min。
6.根据权利要求1所述的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的方法，其特征是步骤(6)在完成步骤(5)纯氢气刻蚀后采用5-50sccm的硅烷辅助H2刻蚀5-20min。
7.根据权利要求1所述的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的方法，其特征是步骤(4)、(5)和(6)为一个完整的工艺气体辅助氢气刻蚀周期，根据实际需要进行多个周期的工艺气体辅助刻蚀，以得到完美的可控台阶形貌。
8.根据权利要求1所述的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的方法，其特征是碳源辅助氢气刻蚀、纯氢气刻蚀和硅烷辅助氢气刻蚀的时间比例根据衬底厂家的不同和表面具体加工情况进行调整。
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