CN109850877A - 石墨烯纳米带的转移方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石墨烯纳米带的转移方法，包括如下步骤：提供一初始衬底；在所述初始衬底上形成石墨烯纳米带；在所述初始衬底及所述石墨烯纳米带的上方形成支撑层，所述支撑层包覆所述石墨烯纳米带；提供一目标衬底，将所述目标衬底与所述支撑层键合；去除所述初始衬底。本发明通过在初始衬底上形成支撑层，包覆石墨烯纳米带，并将所述支撑层与目标衬底键合，实现石墨烯纳米带的转移，避免了石墨烯纳米带在转移中容易出现有机物残留及结构损坏的问题，提高了制品良率。

Description

石墨烯纳米带的转移方法

技术领域

本发明涉及石墨烯器件制备技术领域，特别是涉及一种石墨烯纳米带的转移方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种比较典型的半金属材料，具有优异的电学性能，是室温下导电性最好的材料。但鉴于石墨烯材料带隙的缺乏，在实际应用中很难控制其导电性的大小。石墨烯纳米带是指宽度在50纳米以下的石墨烯条带结构。在纳米带结构下，石墨烯能产生带隙，并且带隙大小和石墨烯纳米带的宽度成反比。石墨烯纳米带具有高电导率、高热导率、低噪声等性质，这些优良特性促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的新一代选择。

目前，制备石墨烯纳米带器件都是基于薄膜转移的工艺，如湿法转移或键合转移。其中，在湿法转移过程中所使用的PMMA胶会导致有机物残留，进而降低所制备的石墨烯纳米带器件的性能；而现有的键合转移技术多为使用石墨烯直接和衬底键合，成功率较低。此外，石墨烯纳米带的不连续性分布使其在转移过程中很容易产生褶皱甚至破损。

因此，开发一种无胶转移石墨烯纳米带的方法对微电子技术领域的发展有着重大的意义，有必要提出一种新的石墨烯纳米带的转移方法，解决上述问题。

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石墨烯纳米带的转移方法，用于解决现有技术中石墨烯纳米带在转移过程中容易出现有机物残留及结构损坏的问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一初始衬底；

在所述初始衬底上形成石墨烯纳米带；

在所述初始衬底及所述石墨烯纳米带的上方形成支撑层，所述支撑层包覆所述石墨烯纳米带；

提供一目标衬底，将所述目标衬底与所述支撑层键合；

去除所述初始衬底。

作为本发明的一种可选方案，形成所述石墨烯纳米带的方法包括化学气相沉积。

作为本发明的一种可选方案，所述初始衬底包括半导体衬底或金属衬底。

作为本发明的一种可选方案，所述初始衬底包括锗单晶衬底或锗多晶衬底。

作为本发明的一种可选方案，去除所述初始衬底的方法包括对所述初始衬底进行湿法腐蚀。

作为本发明的一种可选方案，在所述湿法腐蚀中所使用的腐蚀液为磷酸与过氧化氢的混合溶液。

作为本发明的一种可选方案，所述支撑层包括介电材料层。

作为本发明的一种可选方案，所述支撑层包括二氧化硅层。

作为本发明的一种可选方案，所述二氧化硅层的厚度范围介于200纳米至400纳米。

作为本发明的一种可选方案，形成所述二氧化硅层的方法包括低压化学气相沉积。

作为本发明的一种可选方案，所述目标衬底包括半导体衬底或金属衬底。

作为本发明的一种可选方案，所述目标衬底包括硅衬底。

作为本发明的一种可选方案，在将所述目标衬底与所述支撑层键合前，还包括对所述目标衬底与所述支撑层中参与键合的键合面进行表面处理的步骤。

作为本发明的一种可选方案，对所述键合面进行表面处理的步骤包括：

使用浓硫酸对所述键合面进行清洗并干燥；

使用氩离子对所述键合面进行激活处理。

作为本发明的一种可选方案，在所述目标衬底与所述支撑层进行键合后，还包括对所述目标衬底与所述支撑层的键合面进行退火的步骤。

作为本发明的一种可选方案，所述退火工艺的退火温度范围为200至300摄氏度。

如上所述，本发明提供了一种石墨烯纳米带的转移方法，通过在初始衬底上形成支撑层，包覆石墨烯纳米带，并将所述支撑层与目标衬底键合，实现石墨烯纳米带的转移，避免了石墨烯纳米带在转移中容易出现有机物残留及结构损坏的问题，提高了制品良率。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的石墨烯纳米带的转移方法的流程图。

图2显示为本发明实施例一中提供的初始衬底的示意图。

图3显示为本发明实施例一中提供的初始衬底的截面图。

图4显示为本发明实施例一中提供的在初始衬底上形成石墨烯纳米带的示意图。

图5显示为本发明实施例一中提供的在初始衬底上形成石墨烯纳米带的截面图。

图6显示为本发明实施例一中提供的在初始衬底及石墨烯纳米带的上方形成支撑层的示意图。

图7显示为本发明实施例一中提供的在初始衬底及石墨烯纳米带的上方形成支撑层的截面图。

图8显示为本发明实施例一中提供的目标衬底与支撑层在键合前的示意图。

图9显示为本发明实施例一中提供的目标衬底与支撑层在键合前的截面图。

图10显示为本发明实施例一中提供的目标衬底与支撑层在键合后的示意图。

图11显示为本发明实施例一中提供的目标衬底与支撑层在键合后的截面图。

图12显示为本发明实施例一中提供的初始衬底去除前的示意图。

图13显示为本发明实施例一中提供的初始衬底去除前的截面图。

图14显示为本发明实施例一中提供的初始衬底去除后的示意图。

图15显示为本发明实施例一中提供的初始衬底去除后的截面图。

元件标号说明

101 初始衬底

102 石墨烯纳米带

103 支撑层

104 目标衬底

S1～S5 步骤1)～5)

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它优点与功效。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15。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，虽图示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形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1至图15，本实施例提供了一种石墨烯纳米带的转移方法，包括如下步骤：

1)提供一初始衬底101；

2)在所述初始衬底101上形成石墨烯纳米带102；

3)在所述初始衬底101及所述石墨烯纳米带102的上方形成支撑层103，所述支撑层103包覆所述石墨烯纳米带102；

4)提供一目标衬底104，将所述目标衬底104与所述支撑层103键合；

5)去除所述初始衬底101。

在步骤1)中，请参阅图1的S1步骤及图2至图3，提供一初始衬底101。图2是本实施例中所提供的初始衬底101的示意图，图3是其截面图。作为示例，在本实施例中，所述初始衬底101包括用于生长石墨烯纳米带的锗单晶衬底或锗多晶衬底。在本发明的其他实施方案中，所述初始衬底还可以选择其他金属衬底、半导体衬底或无机非金属衬底。例如，可用于生长石墨烯的碳化硅衬底或铜衬底，或者在半导体制造中常用的硅衬底、玻璃衬底或陶瓷衬底。

在步骤2)中，请参阅图1的S2步骤及图4至图5，在所述初始衬底101上形成石墨烯纳米带102。图4是本实施例中所提供的在所述初始衬底101上形成石墨烯纳米带102的示意图，图5是其截面图。作为示例，所述石墨烯纳米带102是通过化学气相沉积(CVD)在所述初始衬底101上直接生长获得的。具体地，所述初始衬底101为锗衬底。在特定晶面的锗衬底上，如锗(001)面，通过调节化学气相沉积过程中的生长时间、温度和气体流量等工艺参数可以直接在锗衬底上生长得到具有选择性的生长方向，且生长方向相互垂直的石墨烯纳米带，如图4所示。所述石墨烯纳米带也可以通过其他生长方式获得。例如，通过对衬底上的石墨烯薄膜进行图形化，进而得到石墨烯纳米带；或者通过解离并平铺位于衬底上碳纳米管，以获得石墨烯纳米带。本实施例中所生长的石墨烯纳米带为单层，在本发明的其他实施方案中，也可以形成多层的石墨烯纳米带。此外，本发明还可以用于转移通过微纳加工技术获得的其他微米/纳米级结构。例如，金属或半导体纳米线结构、碳纳米管、半导体器件结构或微机电系统(MEMS)结构等。

在步骤3)中，请参阅图1的S3步骤及图6至图7，在所述初始衬底及所述石墨烯纳米带的上方形成支撑层，所述支撑层包覆所述石墨烯纳米带。图6是本实施例中所提供的在所述初始衬底101及所述石墨烯纳米带102的上方形成支撑层103的示意图，图7是其截面图。需要指出的是，在图7中，为了更清楚的展示下层的所述初始衬底101和所述石墨烯纳米带102，移除了左侧部分所述支撑层103。作为示例，在本实施例中，所述支撑层103包括二氧化硅层。二氧化硅是一种理想的介电材料，不但具有优良的绝缘性能，其与石墨烯良好的结合性能也能确保二氧化硅层能够有效地包覆并粘附其下层的石墨烯纳米带。通过引入二氧化硅层作为支撑层，还避免了现有的石墨烯转移技术中常用的PMMA胶等有机材料的使用，防止了后续器件制程中可能出现的有机物污染，提高了器件良率及可靠性。此外，在本发明的其他实施方案中，所述支撑层103也可以选用其他介电材料层，例如，氮化硅层或氮氧化硅层。作为示例，在本实施例中，所述二氧化硅层可以通过低压化学气相沉积(LPCVD)生长得到。相比常压化学气相沉积，低压化学气相沉积生长的膜层更为致密且具有更好的台阶覆盖能力，可以使二氧化硅层更紧密地贴合并粘附位于其下层的石墨烯纳米带。通过低压化学气相沉积所生长的所述二氧化硅层的厚度介于200～400nm之间，可选为300nm。此外，在本发明的其他实施方案中，所述支撑层103的厚度可以根据实际的工艺和结构进行相应调整。

在步骤4)中，请参阅图1的S4步骤及图8至图11，提供一目标衬底104，将所述目标衬底104与所述支撑层103键合。图8和10是本实施例中所提供的所述目标衬底104与所述支撑层103键合的示意图，图9和图11分别是对应的截面图。需要指出的是，在图10中，为了更清楚的展示下层的所述初始衬底101和所述石墨烯纳米带102，移除了左侧部分所述目标衬底104。作为示例，在图8中，所提供的所述目标衬底104包括硅衬底。硅衬底是一种半导体业界常用的衬底，其相关工艺制程也较为成熟完善。本实施例中，通过将锗衬底上的石墨烯纳米带转移至硅衬底上，为石墨烯纳米带与现有半导体工艺制程的整合以及制备基于石墨烯纳米带的半导体器件提供了一种高效而可行的途径。如图9所示，是所述目标衬底104与所述支撑层103键合后的示意图。作为示例，二氧化硅层与硅衬底可以通过直接键合工艺进行键合。在键合前一般需要对键合面进行抛光并进行表面处理。可选地，采用化学机械研磨(CMP)对二氧化硅层与硅衬底的键合面进行抛光，以确保两者的键合面平整且相互贴合。所述表面处理的步骤包括：使用浓硫酸对所述键合面进行清洗并干燥；使用氩离子对所述键合面进行激活处理。浓硫酸可以洗去键合面表面残留的影响键合的杂质，在酸洗后通过去离子水冲洗并干燥。在键合前，使用氩离子对所述键合面进行激活处理，通过氩离子的轰击作用可以激活键合面上的Si-Si/Si-O键，使二氧化硅层与硅衬底在贴合后通过Si-Si/Si-O键键合在一起。

在步骤5)中，请参阅图1的S5步骤及图12至图15，去除所述初始衬底101。图12和14是本实施例中所提供的去除所述初始衬底101的示意图，图13和图15分别是对应的截面图。需要指出的是，在图12中，为了更清楚的展示下层的所述支撑层103和所述石墨烯纳米带102，移除了右侧部分所述初始衬底101。如图12所示，是在所述目标衬底104与所述支撑层103键合后，将键合后的衬底整体翻转后的示意图，所述初始衬底101位于上表面，所述目标衬底104位于下表面。在图14中，将所述初始衬底101去除，暴露出位于下层的所述支撑层103和所述石墨烯纳米带102。作为示例，当所述初始衬底101为锗衬底时，可以采用磷酸与过氧化氢的混合溶液对锗衬底进行湿法腐蚀，磷酸与过氧化氢的混合溶液在刻蚀锗衬底时，对下层的二氧化硅层、石墨烯纳米带及硅衬底具有选择性，不会对二氧化硅层、石墨烯纳米带或硅衬底造成影响。在湿法腐蚀完成后，采用去离子水漂洗硅衬底及其上表面的石墨烯纳米带及二氧化硅层，并进行干燥，最终在硅衬底上得到了结构完整的石墨烯纳米带。需要指出的是，在本发明的其他实施方案中，去除所述初始衬底101所使用的湿法腐蚀药液应该根据所述初始衬底101、所述石墨烯纳米带102、所述支撑层103和所述目标衬底104的材质进行灵活选择。需要确保去除所述初始衬底101的同时，不能影响到所述石墨烯纳米带102、所述支撑层103和所述目标衬底104的结构完整性。例如，当所述初始衬底101为二氧化硅层，而所述目标衬底104为硅材料，所述支撑层103为氮化硅材料时，可以选用氢氟酸溶液进行湿法腐蚀，以去除所述初始衬底101。此外，对所述初始衬底101的去除也不限于湿法腐蚀工艺。在不影响所述石墨烯纳米带102及其与所述支撑层103结合性的前提下，还可以采用干法刻蚀或研磨等方法去除所述初始衬底101。

本实施例通过上述步骤，将形成于所述初始衬底101上的所述石墨烯纳米带102，通过所述支撑层103与所述目标衬底104的键合，转移至所述目标衬底104上。由于引入了所述支撑层103，使所述石墨烯纳米带102在转移过程中不会因外力而发生褶皱等形变乃至破损。对于基于石墨烯纳米带的半导体器件的制备而言，通过引入二氧化硅构成的所述支撑层103，还避免了现有的石墨烯纳米带转移工艺中常用的PMMA等有机材料造成的有机物污染。此外，对于本发明而言，石墨烯纳米带相比整片的石墨烯薄膜具有更多的悬挂键，更容易附着在二氧化硅层上，从而实现石墨烯纳米带的转移。

还需要指出的是，本实施例为了清楚地表述实施方案，对各步骤进行了编号排序，但这并不意味着需要严格限定本发明中各步骤的先后顺序。例如，在本发明的其他实施案例中，当支撑层具有足够的结构强度时，完全可以先执行步骤5)中的去除所述初始衬底，而后再执行步骤4)中的将所述目标衬底与所述支撑层键合。

实施例二

与实施例一中的方案相比，本实施例中所述石墨烯纳米带的转移方法在所述目标衬底与所述支撑层进行键合后，还包括对所述目标衬底与所述支撑层的键合面进行退火的步骤。

作为示例，当所述支撑层103为二氧化硅层、所述目标衬底104为硅衬底时，在二氧化硅层与硅衬底贴合键合后，将其置于氮气或惰性气体的保护气氛下，在一定的温度条件下进行退火。可选地，所述退火工艺的退火温度范围为200至300摄氏度，可选为250摄氏度。通过引入退火工艺可以帮助键合界面进一步反应，增强键合面的化学键连接，使二氧化硅层与硅衬底的结合更为紧密。

在本实施例中，是将所述初始衬底101、所述石墨烯纳米带102、所述支撑层103和所述目标衬底104一同置于高温环境下进行退火的，例如在退火炉中退火。在本发明的其他实施案例中，如果所述初始衬底101或所述石墨烯纳米带102无法耐受退火时的高温条件，也可以采用激光退火等能够仅针对键合面进行升温退火的局域性退火工艺，以保护所述石墨烯纳米带102不会受到高温破坏。

综上所述，本发明提供了一种石墨烯纳米带的转移方法，包括如下步骤：提供一初始衬底；在所述初始衬底上形成石墨烯纳米带；在所述初始衬底及所述石墨烯纳米带的上方形成支撑层，所述支撑层包覆所述石墨烯纳米带；提供一目标衬底，将所述目标衬底与所述支撑层键合；去除所述初始衬底。本发明通过在初始衬底上形成支撑层，包覆石墨烯纳米带，并将所述支撑层与目标衬底键合，实现石墨烯纳米带的转移，避免了石墨烯纳米带在转移中容易出现有机物残留及结构损坏的问题，提高了制品良率。

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 (16)

1.一种石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一初始衬底；

在所述初始衬底上形成石墨烯纳米带；

在所述初始衬底及所述石墨烯纳米带的上方形成支撑层，所述支撑层包覆所述石墨烯纳米带；

提供一目标衬底，将所述目标衬底与所述支撑层键合；

去除所述初始衬底。

2.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：形成所述石墨烯纳米带的方法包括化学气相沉积。

3.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：所述初始衬底包括半导体衬底或金属衬底。

4.根据权利要求3所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：所述初始衬底包括锗单晶衬底或锗多晶衬底。

5.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：去除所述初始衬底的方法包括对所述初始衬底进行湿法腐蚀。

6.根据权利要求5所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：在所述湿法腐蚀中所使用的腐蚀液为磷酸与过氧化氢的混合溶液。

7.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：所述支撑层包括介电材料层。

8.根据权利要求7所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：所述支撑层包括二氧化硅层。

9.根据权利要求8所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：所述二氧化硅层的厚度范围介于200纳米至400纳米。

10.根据权利要求8所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：形成所述二氧化硅层的方法包括低压化学气相沉积。

11.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：所述目标衬底包括半导体衬底或金属衬底。

12.根据权利要求11所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：所述目标衬底包括硅衬底。

13.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：在将所述目标衬底与所述支撑层键合前，还包括对所述目标衬底与所述支撑层中参与键合的键合面进行表面处理的步骤。

14.根据权利要求13所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：对所述键合面进行表面处理的步骤包括：

使用浓硫酸对所述键合面进行清洗并干燥；

使用氩离子对所述键合面进行激活处理。

15.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：在所述目标衬底与所述支撑层进行键合后，还包括对所述目标衬底与所述支撑层的键合面进行退火的步骤。

16.根据权利要求15所述的石墨烯纳米带的转移方法，其特征在于：所述退火工艺的退火温度范围为200至300摄氏度。