CN110970289A - 形成石墨烯的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种形成石墨烯的方法。形成石墨烯的方法包括：当对放置在反应室中的基板施加偏压时用等离子体处理基板的表面；以及通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在基板的表面上生长石墨烯。

Description

形成石墨烯的方法
技术领域
本公开涉及一种形成石墨烯的方法，更具体地，涉及在基板上直接形成石墨烯的方法。
背景技术
在半导体器件的领域中，已经积极地进行了对石墨烯的研究，以解决由金属布线的宽度减小引起的电阻增大并满足新的金属阻挡材料发展的需要。石墨烯是具有由二维连接的碳原子形成的六边形蜂窝结构的材料，并且石墨烯的厚度非常小。石墨烯可以具有原子尺寸的厚度。与硅(Si)相比，这样的石墨烯可以具有高电迁移率、令人满意的热特性、化学稳定性和宽的表面面积。
发明内容
提供了在基板上直接形成石墨烯的方法。
另外的方面将部分地在下面的描述中阐述，并将部分地从该描述变得明显，或者可以通过实践给出的实施方式而掌握。
根据一实施方式的一方面，一种形成石墨烯的方法可以包括：当对放置在反应室中的基板施加偏压时用等离子体处理基板的表面；以及通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在基板的表面上生长石墨烯。
在一些实施方式中，处理基板的表面可以包括在基板的表面上形成引起活性碳的吸附的电荷和活性位点中的至少一种。活性位点可以包括粗糙和缺陷中的至少一种。
在一些实施方式中，处理基板的表面可以包括：将预处理气体注入到反应室中；将偏压施加到基板；以及当施加偏压到基板时在反应室中产生等离子体。
在一些实施方式中，预处理气体可以包括惰性气体、氢气、氧气、氨气、氯气、溴气、氟气和碳氟化合物中的至少一种。
在一些实施方式中，施加偏压到基板可以包括供应偏置功率到基板。偏置功率可以在从约1W至约100W的范围内。
在一些实施方式中，生长石墨烯可以包括：将包含碳源的反应气体注入到反应室中；以及通过在反应室中产生等离子体而在基板的表面上直接生长石墨烯。
在一些实施方式中，反应气体还可以包括惰性气体和氢气中的至少一种。
在一些实施方式中，处理基板的表面和生长石墨烯可以在约1000℃或更低的处理温度进行。
在一些实施方式中，处理基板的表面可以在比生长石墨烯低的处理压力进行。处理基板的表面可以在约0.02托至约5.0托的处理压力进行。
在一些实施方式中，用于处理基板的表面的等离子体可以由射频(RF)等离子体产生装置和微波(MW)等离子体产生装置中的至少一个产生。用于生长石墨烯的等离子体可以由射频(RF)等离子体产生装置和微波(MW)等离子体产生装置中的至少一个产生。
在一些实施方式中，处理基板的表面时的等离子体功率可以大于生长石墨烯时的等离子体功率。处理基板的表面时的等离子体功率可以在从约10W至约4000W的范围内。
在一些实施方式中，生长石墨烯还可以包括向基板施加偏压。
在一些实施方式中，基板可以包括IV族半导体材料、半导体化合物、金属和绝缘材料中的至少一种。基板还可以包括掺杂剂。
根据另一实施方式的一方面，一种形成石墨烯的方法可以包括：通过向基板施加偏压来处理基板的表面；以及在基板的表面上生长石墨烯。
在一些实施方式中，处理基板的表面可以包括：将预处理气体注入到反应室中；将偏压施加到基板；以及当施加偏压到基板时在反应室中产生等离子体。
在一些实施方式中，生长石墨烯可以包括：将包含碳源的反应气体注入到反应室中；以及通过在反应室中产生等离子体而在基板的表面上直接生长石墨烯。
根据另一实施方式的一方面，一种形成石墨烯的方法可以包括：制备包括等离子体处理过的表面的基板以及通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在基板的等离子体处理过的表面上生长石墨烯。制备基板可以包括当施加偏压到基板时对基板执行等离子体操作。
在一些实施方式中，制备基板可以包括：将包括等离子体处理过的表面的基板放置在反应室中；将预处理气体注入到反应室中；将偏压施加到基板；以及当施加偏压到反应室中的基板时在反应室中产生等离子体。
在一些实施方式中，预处理气体可以包括惰性气体、氢气、氧气、氨气、氯气、溴气、氟气和碳氟化合物中的至少一种。基板可以包括IV族半导体材料、半导体化合物、金属和绝缘材料中的至少一种。
在一些实施方式中，制备基板可以在约1000℃或更低的处理温度、在约0.02托至约5.00托的范围内的处理压力、在从约1W至约100W的范围内的偏置功率以及在从约10W至约4000W的范围内的等离子体功率下进行。
在一些实施方式中，在基板的等离子体处理过的表面上生长石墨烯可以包括：将包含碳源的反应气体注入到反应室中以及当包括等离子体处理过的表面的基板在反应室中时从反应气体在反应室中产生等离子体。
附图说明
从以下结合附图对实施方式的描述，这些和/或其它的方面将变得明显并更容易理解，附图中：
图1至图8是示出根据一示例实施方式的形成石墨烯的方法的视图；
图9是示出在根据第一方法(包括在硅基板的预处理工艺中施加偏压到硅基板的工艺)和根据第二方法(不包括在硅基板的预处理工艺中施加偏压到硅基板的工艺)在硅基板的表面上生长石墨烯之后从硅基板的表面测量的拉曼光谱的视图；
图10是示出在根据第一方法(包括在硅基板的预处理工艺中施加偏压到硅基板的工艺)和根据第二方法(不包括在硅基板的预处理工艺中施加偏压到硅基板的工艺)在硅基板的表面上生长石墨烯之后形成在硅基板的表面上的Si-C键的量的视图；
图11至图12是示出根据另一示例实施方式的形成石墨烯的方法的视图；以及
图13是根据一些示例实施方式的用于形成石墨烯的装置的剖视图。
具体实施方式
现在将详细参照实施方式，其示例在附图中示出。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且为了图示的清楚，可以夸大元件的尺寸。在这方面，当前的实施方式可以具有不同的形式，并且不应被解释为限于这里阐述的描述。因此，下面通过参照附图仅描述了实施方式以说明各方面。如这里所用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项目的任何和所有组合。诸如“……中的至少一个”的表述，当在一列元件(例如A、B和C)之后时，修饰整列元件而不是修饰该列的单个元件。例如，“A、B和C中的至少一个”和“A、B或C中的至少一个”可以被解释为覆盖以下组合中的任一个：A；B；A和B；A和C；B和C；以及A、B和C。
在以下的描述中，当一元件被称为在另一元件“之上”或“上”时，它可以直接在该另一元件上同时与该另一元件接触，或者可以在该另一元件上方而不与该另一元件接触。除非另外地说明，否则单数形式的术语可以包括复数形式。还将理解的，这里使用的术语“包括”和/或“包含”指定所述特征或元件的存在，但是不排除一个或更多个其它特征或元件的存在或添加。
用定冠词或指示代词指代的元件可以被解释为元件或多个元件，即使它具有单数形式。方法的操作可以以适当的顺序执行，除非在顺序方面被明确描述或被相反地描述。也就是，操作不限于描述操作的顺序。示例或示范性术语在这里仅用于描述技术思想，而不应被认为是为了限制的目的，除非由权利要求书限定。
石墨烯是具有由二维连接的碳原子形成的六边形蜂窝结构的材料，并且石墨烯的厚度非常小，也就是，石墨烯具有原子尺寸的厚度。与硅(Si)相比，这样的石墨烯具有高电迁移率、令人满意的热特性、化学稳定性以及宽的表面积。在以下的实施方案中，将描述形成石墨烯的方法。
图1至图8是示出根据一示例实施方式的形成石墨烯的方法的视图，该方法包括基板预处理工艺和石墨烯生长工艺。图1至图4B是示出基板预处理工艺的视图，图5至图8是示出石墨烯生长工艺的视图。
在下文，将首先参照图1至图4B描述基板预处理工艺。
参照图1，预处理气体被注入到其中提供基板110的反应室(未示出)中。
例如，基板110可以包括半导体材料。半导体材料可以包括例如IV族半导体材料或半导体化合物。例如，IV族半导体材料可以包括硅(Si)、锗(Ge)或锡(Sn)。此外，例如，半导体化合物可以包括其中硅(Si)、锗(Ge)、碳(C)、锌(Zn)、镉(Cd)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、硼(B)、氮(N)、磷(P)、硫(S)、硒(Se)、砷(As)、锑(Sb)和碲(Te)中的至少两种彼此结合的材料。
基板110可以包括金属。例如，金属可以包括铜(Cu)、钼(Mo)、镍(Ni)、铝(Al)、钨(W)、钌(Ru)、钴(Co)、锰(Mn)、钛(Ti)、钽(Ta)、金(Au)、铪(Hf)、锆(Zr)、锌(Zn)、钇(Y)、铬(Cr)和钆(Gd)中的至少一种。此外，基板110可以包括绝缘材料。绝缘材料可以包括例如氧化物、氮化物、碳化物等。基板110的上述材料仅是示例，基板110可以包括各种其它的材料。此外，基板110还可以包括掺杂剂。基板110可以包括表面110a。
例如，在基板预处理工艺中注入到反应室中的预处理气体可以包括惰性气体、氢气、氧气、氨气、氯气、溴气、氟气和碳氟化合物中的至少一种。例如，惰性气体可以包括氩气、氖气、氮气、氦气、氪气和氙气中的至少一种。图1示出其中氢气被用作预处理气体的示例。
接下来，使用偏置电源120将偏压施加到基板110。施加到基板110的偏压可以是例如射频(RF)偏压或直流(DC)偏压。因此，正(+)偏压或负(-)偏压可以被施加到基板110。为此，具有给定值的偏置功率可以被施加到基板110。例如，在基板预处理工艺中施加到基板110的偏置功率可以在从约1W至约100W的范围内。然而，这仅是示例，并且施加到基板110的偏置功率可以不同地变化。
参照图2，在偏压被施加到基板110的状态下，用于产生等离子体的功率从等离子体功率源(未示出)施加到反应室的内部。在基板预处理工艺中施加的等离子体功率可以大于在后面描述的石墨烯生长工艺中施加的等离子体功率。然而，这是非限制性的示例，并且在基板预处理工艺中施加的等离子体功率可以根据石墨烯的生长条件而不同地变化。例如，在基板预处理工艺中施加的等离子体功率可以在从约10W至约4000W的范围内。
例如，等离子体功率源可以是RF等离子体产生装置或微波(MW)等离子体产生装置。RF等离子体产生装置可以产生例如在约3MHz至约100MHz的频率范围内的RF等离子体，MW等离子体产生装置可以产生例如在约0.7GHz至约2.5GHz的频率范围内的MW等离子体。然而，这些频率范围仅是示例。也就是，可以使用其它的频率范围。或者，等离子体功率源可以包括多个RF等离子体产生装置或多个MW等离子体产生装置。
参照图3，当在对基板110施加偏压的状态下等离子体功率被施加到反应室的内部时，气体等离子体(例如氢等离子体)可以在反应室中产生。如上所述，当在对基板110施加偏压的状态下气体等离子体在反应室中产生时，可以在基板110的表面110a上形成电荷131。例如，当负(-)偏压被施加到基板110时，正(+)电荷131可以形成在基板110的表面110a上，如图3所示。或者，当正(+)偏压被施加到基板110时，可以在基板110的表面110a上形成负(-)电荷。
通过在偏压被施加到基板110的状态下施加等离子体功率而在基板110的表面110a上形成的电荷131可以在后面描述的石墨烯生长工艺中引起活性碳140(参照图7)的吸附。
当在偏压被施加到基板110的状态下通过施加等离子体功率产生气体等离子体时，能够引起活性碳140(参照图7)的吸附的活性位点132(参照图4A)可以形成在基板110的表面110a上。
图4A示出通过在偏压被施加到基板110的状态下施加等离子体功率而形成在基板110的表面110a上的活性位点132。参照图4A，当等离子体通过在偏压被施加到基板110的状态下施加等离子体功率而产生时，电荷131可以朝向基板110移动并可以在反应室中与基板110的表面110a碰撞。因此，活性位点132可以形成在基板110的表面110a上，并且活性位点132可以在后面描述的石墨烯生长工艺中引起活性碳140(参照图7)的吸附。这里，活性位点132可以包括例如粗糙或缺陷。图4A示出粗糙作为活性位点132的示例。
当气体等离子体通过在偏压被施加到基板110的状态下施加等离子体功率而产生时，能够引起活性碳140(参照图7)的吸附的电荷131和活性位点132可以都形成在基板110的表面110a上。
图4B示出通过在偏压被施加到基板110的状态下施加等离子体功率而在基板110的表面110a上形成的电荷131和活性位点132。参照图4B，当等离子体通过在偏压被施加到基板110的状态下施加等离子体功率而产生时，电荷131可以在反应室中朝向基板110移动。在此过程中，电荷131中的一些可以形成在基板110的表面110a上，并且另一些电荷131可以与基板110的表面110a碰撞并可以形成活性位点132。这里，活性位点132可以包括例如粗糙或缺陷。
在基板预处理工艺中，反应室内部的处理温度和处理压力可以根据石墨烯的生长条件而不同地变化。例如，基板预处理工艺可以在相对低的温度进行。例如，基板预处理工艺可以在约1000℃或更低的处理温度进行。例如，基板预处理工艺可以在约700℃或更低的处理温度(例如约400℃或更低)进行。此外，例如，执行基板预处理工艺的处理压力可以小于执行石墨烯生长工艺(稍后描述)的处理压力。然而，这是非限制性的示例。也就是，执行基板预处理工艺的处理压力可以根据石墨烯的生长条件而不同地变化。例如，进行基板预处理工艺的处理压力可以在从约0.02托至约5.0托的范围内。
能够引起活性碳140(参照图7)的吸附的电荷131和活性位点132中的至少一种可以通过上述基板预处理工艺形成在基板110的表面110a上。由于形成在基板110的表面110a上的电荷131或活性位点132，活性碳140(参照图7)可以在石墨烯生长工艺(后面描述)中被有效地吸附在基板110的表面110a上，因此石墨烯150(参照图8)可以在约700℃或更低的相对低温度直接生长并形成在基板110的表面110a上。
在下文，将参照图5至图8描述已经对其执行基板预处理工艺的基板110的表面110a上生长石墨烯150(参照图8)的工艺。如上所述，能够引起活性碳140(参照图7)的吸附的电荷131和活性位点132中的至少一种可以通过上述基板预处理工艺形成在基板110的表面110a上。在图5至图8中，为了方便起见，没有示出通过基板预处理工艺形成在基板110的表面110a上的电荷131和活性位点132。
图5至图8示出通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在基板110的表面110a上生长石墨烯150的操作。
参照图5，在基板预处理工艺之后，用于生长石墨烯150的反应气体被注入到反应室中。这里，反应气体可以包括碳源。这里，碳源可以是用于供应用来生长石墨烯150的碳的源。
例如，碳源可以包括碳氢气体和含碳的液体前体的蒸气中的至少一种。例如，碳氢气体可以包括甲烷气体、乙烯气体、乙炔气体或丙烯气体、其子组合、或其组合。此外，含碳的液体前体可以包括例如苯、甲苯、二甲苯、苯甲醚、己烷、辛烷、异丙醇、乙醇、其子组合、或其组合等。然而，上述碳源材料仅是示例。也就是，可以使用各种其它材料作为碳源。
反应气体还可以包括惰性气体和氢气中的至少一种。例如，惰性气体可以包括氩气、氖气、氮气、氦气、氪气和氙气中的至少一种。图5示出其中反应气体包括碳源、惰性气体和氢气的示例，其中乙炔气体和氩气分别用作碳源和惰性气体。另外，注入到反应室中的反应气体的混合比可以根据石墨烯150的生长条件而不同地变化。
参照图6，用于在反应室内产生等离子体的功率从等离子体功率源(未示出)施加。在石墨烯生长工艺中施加的等离子体功率可以小于在基板预处理工艺中施加的等离子体功率。然而，这是非限制性的示例，并且在石墨烯生长工艺中施加的等离子体功率可以根据石墨烯150的生长条件而不同地变化。
例如，等离子体功率源可以是RF等离子体产生装置或MW等离子体产生装置。RF等离子体产生装置可以产生例如在约3MHz至约100MHz的频率范围内的RF等离子体，MW等离子体产生装置可以产生例如在约0.7GHz至约2.5GHz的频率范围内的MW等离子体。然而，这些频率范围仅是示例。也就是，可以使用其它的频率范围。或者，等离子体功率源可以包括多个RF等离子体产生装置或多个MW等离子体产生装置。
当用于在反应室内产生等离子体的功率从等离子体功率源施加时，反应气体的等离子体可以在反应室中产生。此外，活性碳140(参照图7)(例如活性的碳源自由基)可以通过反应气体的等离子体而形成在反应室中。
参照图7，由反应气体的等离子体激活的碳140(即碳源自由基)被吸附在基板110的表面110a上。这里，如上所述，由于能够引起活性碳140的吸附的电荷131(参照图3)和活性位点132(参照图4A)中的至少一种通过基板预处理工艺形成在基板110的表面110a上，所以活性碳140可以由于电荷131和活性位点132而被更有效地吸附在基板110的表面110a上。
参照图8，如上所述，当活性碳140连续地吸附在基板110的表面110a上时，石墨烯150可以生长并形成在基板110的表面110a上。在这种情况下，碳化物可以形成在基板110的与石墨烯150接触的表面110a上，因为碳与基板材料结合。
在石墨烯生长工艺中，反应室内部的处理温度和处理压力可以根据石墨烯的生长条件而不同地变化。例如，石墨烯生长工艺可以在相对低的温度进行，像基板预处理工艺一样。例如，石墨烯生长工艺可以在约1000℃或更低的处理温度进行。例如，石墨烯生长工艺可以在约700℃或更低的处理温度进行。
进行石墨烯生长工艺的处理压力可以大于上述基板预处理工艺的处理压力。然而，这是非限制性的示例。也就是，进行石墨烯生长工艺的处理压力可以根据石墨烯的生长条件而不同地变化。
如上所述，在基板预处理工艺中，偏压被施加到基板110，并且产生等离子体使得能够引起活性碳140的吸附的电荷131或活性位点132可以形成在基板110的表面110a上。因此，由于电荷131或活性位点132，活性碳140可以在石墨烯生长工艺中被更有效地吸附在基板110的表面110a上。因此，石墨烯150可以在相对低的温度直接生长在基板110的表面110a上。
例如，当制造包括可用作金属阻挡材料的石墨烯的半导体器件时，会需要在约700℃或更低的相对低的温度在非催化基板上直接生长石墨烯。根据示例实施方式，基板预处理工艺可以在相对低的温度执行以引起活性碳140吸附在基板110的表面110a上，并且石墨烯150可以通过PECVD直接生长并形成在基板110的预处理的表面110a上。因此，可以通过低温工艺容易地制造包括石墨烯的半导体器件。
图9示出在根据第一方法(在硅基板的预处理工艺中包括施加偏压到硅基板的工艺(曲线B))和第二方法(在硅基板的预处理工艺中不包括施加偏压到硅基板的工艺(曲线A))在硅基板的表面上生长石墨烯之后从硅基板的表面测量的拉曼光谱。图9示出当25W的偏置功率被施加到硅基板达5分钟时的结果。
参照图9，当在硅基板的预处理工艺中偏压被施加到硅基板时(曲线B)时的拉曼峰值大于当在硅基板的预处理工艺中偏压没有被施加到硅基板时(曲线A)的拉曼峰值。因此，可以理解，通过在硅基板的预处理工艺中对硅基板施加偏压，即使在约700℃或更低的相对低的温度，也可以在硅基板的表面上直接生长石墨烯。
图10示出在根据第一方法(在硅基板的预处理工艺中包括施加偏压到硅基板的工艺(曲线D))和第二方法(在硅基板的预处理工艺中不包括施加偏压到硅基板的工艺(曲线C))在硅基板的表面上生长石墨烯之后形成在硅基板的表面上的Si-C键的量。图10示出当25W的偏置功率被施加到硅基板达5分钟时的结果。
参照图10，与当在硅基板的预处理工艺中偏压没有被施加到硅基板时(曲线C)相比，当在硅基板的预处理工艺中偏压被施加到硅基板时(曲线D)形成更多的Si-C键。因此，可以理解，通过在硅基板的预处理工艺中对硅基板施加偏压，可以增加硅基板和石墨烯之间的结合强度。
图11至图12是示出根据另一示例实施方式的形成石墨烯的方法的视图。
形成本实施方式的石墨烯的方法包括基板预处理工艺和石墨烯生长工艺。基板预处理工艺与参照图1至图4B示出的基板预处理工艺相同，因此这里将不给出其描述。然而，在本实施方式中，例如，可以在基板210中形成具有给定形状的沟槽。如上所述，能够引起活性碳的吸附的电荷和活性位点中的至少一种可以通过基板预处理工艺形成在基板210的表面上。
在下文，将参照图11和图12描述在基板预处理工艺之后执行的石墨烯生长工艺。图11和图12示出通过PECVD在基板210上生长石墨烯250的操作。在图11和图12中，为了方便起见，没有示出通过基板预处理工艺形成在基板210的表面上的电荷和活性位点。
参照图11，在基板预处理工艺之后，用于生长石墨烯250(参照图12)的反应气体被注入到反应室中。这里，反应气体可以包括碳源。例如，碳源可以包括碳氢气体和含碳的液体前体的蒸气中的至少一种。
反应气体还可以包括惰性气体和氢气中的至少一种。例如，惰性气体可以包括氩气、氖气、氮气、氦气、氪气和氙气中的至少一种。图11示出其中反应气体包括碳源、惰性气体和氢气的示例，其中乙炔气体和氩气分别用作碳源和惰性气体。
接下来，使用偏置电源220将偏压施加到基板210。施加到基板210的偏压可以是例如RF偏压或DC偏压。这里，施加到基板210的偏置功率可以不同地变化。因此，正(+)偏压或负(-)偏压可以被施加到基板210。接下来，在偏压被施加到基板210的状态下，用于产生等离子体的功率从等离子体功率源(未示出)施加到反应室的内部。例如，等离子体功率源可以是RF等离子体产生装置或MW等离子体产生装置。或者，等离子体功率源可以包括多个RF等离子体产生装置或多个MW等离子体产生装置。
当用于在反应室内产生等离子体的功率从等离子体功率源施加时，反应气体的等离子体可以在反应室中产生。此外，活性碳240(例如活性的碳源自由基)可以通过反应气体的等离子体形成在反应室中。
由反应气体的等离子体(即碳源自由基)产生的活性碳240被吸附在基板210的表面上。在这种情况下，由于偏压被施加到基板210，所以由反应气体的等离子体产生的活性碳240可以朝向基板210直线地移动。因此，活性碳240可以附着到基板210的选定区域。例如，由于活性碳240如图11所示朝向基板210直线地移动，所以活性碳240可以被选择性地吸收到沟槽的底表面210a，而不是附着到沟槽的斜面210b。
此外，由于能够引起活性碳240的吸附的电荷或活性位点通过基板预处理工艺形成在基板210的表面上，所以活性碳240可以被更有效地吸附在沟槽的底表面210a上。
参照图12，当活性碳240连续地吸附在基板210的表面上(例如在沟槽的底表面210a上)时，石墨烯250可以选择性地生长并形成在沟槽的底表面210a上。
在石墨烯生长工艺中，反应室内部的处理温度和处理压力可以根据石墨烯的生长条件而不同地变化。例如，石墨烯生长工艺可以在约1000℃或更低(例如约700℃或更低)的处理温度进行。
如上所述，由于在石墨烯生长工艺中反应气体的等离子体在偏压被施加到基板210的状态下产生，所以石墨烯250可以通过使活性碳240选择性地吸附在基板210的表面上(例如在沟槽的底表面210a上)来生长。
图13是根据一些示例实施方式的用于形成石墨烯的装置的剖视图。
参照图13，装置1300可包括气体供应1310、处理室1360、等离子体产生单元1370、基板传送器1372、泵送系统1374、加热器1376、电源1378和操作站1380。处理室1360可以包括腔室壳体1320、腔室壳体1320中的上部电极1330、以及腔室壳体1320中的基板支撑件1350。上部电极1330可以连接到具有导管和气流控制器的气体供应1310以提供反应气体到处理室1360中。基板支撑件1350可以是静电卡盘，但不限于此。
诸如机器人臂的基板传送器1372可以将基板1340传送进入处理室1360和传送出处理室1360。处理室1360可以包括闸阀，该闸阀在基板传送器1372将基板1340传送到处理室1360中或传送出处理室1360时打开并且在处理室1360执行操作(例如，真空处理)时关闭。加热器1376(例如，电加热器)可以控制基板支撑件1350、处理室1360的内壁和上电极1330的温度。等离子体产生单元1370可以是RF功率发生器，并且可以连接到基板支撑件1350，并可以用于在处理室1360中产生反应气体的等离子体P。或者，微波发生器可以用于在处理室1360中产生等离子体P。连接到处理室1360的泵送系统1374可以在处理室1360中产生真空。电源1378(例如，电路)可以向装置1300提供电力。
操作站1380可以控制装置1300的操作。操作站1380可以包括控制器1382、存储器1384、显示器1386(例如，监视器)、以及输入和输出设备1388。存储器1384可以包括非易失性存储器，例如闪存、相变随机存取存储器(PRAM)、磁阻RAM(MRAM)、电阻RAM(ReRAM)或铁电RAM(FRAM)，和/或易失性存储器，例如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)或同步DRAM(SDRAM)。输入和输出设备1388可以是键盘和/或触摸屏。
存储器1384可以存储操作系统并且可以存储配方指令，该配方指令包括用于由装置1300执行的不同制造工艺的设置(例如，气体流速、温度、时间、功率、压力等)。存储器1384根据图1至8和/或图11至12中的一个或多个实施方式，可以存储用于在基板1340上形成石墨烯产品的配方指令。
控制器1382可以是中央处理器(CPU)、控制器或专用集成电路(ASIC)，其在执行存储在存储器1384中的配方指令(用于图1至8和/或图11至12中的一个或多个实施方式)时，将控制器1382配置为专用控制器，该专用控制器操作装置1300以在基板1340上形成根据示例实施方式的石墨烯。
如上所述，根据以上示例实施方式中的一个或更多个，在基板预处理工艺中，偏压被施加到基板，并且使用等离子体使得能够引起活性碳吸附在基板的表面上的电荷或活性位点可以被形成。因此，在石墨烯生长工艺中，活性碳可以被更有效地吸附在基板的表面上，因此石墨烯可以在相对低的温度生长并形成在基板的表面上。此外，在石墨烯生长工艺中，可以对基板施加偏压以在基板的选定表面上选择性地生长石墨烯。
例如，当制造包括可用作金属阻挡材料的石墨烯的半导体器件时，会需要在约700℃或更低的相对低温度下在非催化的基板上直接生长石墨烯。根据示例实施方式，基板预处理工艺可以在相对低的温度执行以引起活性碳吸附在基板的表面上，并且石墨烯可以通过PECVD直接生长并形成在基板的预处理表面上。因此，包括石墨烯的半导体器件可以通过低温工艺容易地制造。
应当理解，这里描述的实施方式应当被认为仅是描述性的，而不是为了限制的目的。每个实施方式内的特征或方面的描述应当通常被认为可用于其它实施方式中的其它类似的特征或方面。
尽管已经参照附图描述了一个或更多个实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以其中进行形式和细节上的各种改变，而没有脱离如权利要求书限定的精神和范围。
本申请要求于2018年10月1日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0117101号的权益，其公开内容通过引用整体地结合于此。

Claims (25)

1.一种形成石墨烯的方法，该方法包括：
当对放置在反应室中的基板施加偏压时用等离子体处理所述基板的表面；以及
通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在所述基板的所述表面上生长石墨烯。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
处理所述基板的所述表面包括：在所述基板的所述表面上形成引起活性碳的吸附的电荷和活性位点中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述活性位点包括粗糙和缺陷中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述基板的所述表面包括：
将预处理气体注入到所述反应室中；
将所述偏压施加到所述基板；以及
当施加所述偏压到所述基板时在所述反应室中产生所述等离子体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述预处理气体包括惰性气体、氢气、氧气、氨气、氯气、溴气、氟气和碳氟化合物中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的方法，其中
施加所述偏压到所述基板包括供应偏置功率到所述基板，并且
所述偏置功率在从1W至100W的范围内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中生长所述石墨烯包括：
将包含碳源的反应气体注入到所述反应室中；以及
通过在所述反应室中产生等离子体，在所述基板的所述表面上直接生长所述石墨烯。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述反应气体还包括惰性气体和氢气中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的方法，其中处理所述基板的所述表面和生长所述石墨烯在1000℃或更低的处理温度进行。
10.根据权利要求7所述的方法，其中处理所述基板的所述表面在比生长所述石墨烯低的处理压力进行。
11.根据权利要求7所述的方法，其中处理所述基板的所述表面在0.02托至5.0托的处理压力进行。
12.根据权利要求7所述的方法，其中
用于处理所述基板的所述表面的等离子体由射频(RF)等离子体产生装置和微波(MW)等离子体产生装置中的至少一个产生，并且
用于生长所述石墨烯的等离子体由射频(RF)等离子体产生装置和微波(MW)等离子体产生装置中的至少一个产生。
13.根据权利要求7所述的方法，其中处理所述基板的所述表面时的等离子体功率大于生长所述石墨烯时的等离子体功率。
14.根据权利要求7所述的方法，其中处理所述基板的所述表面时的等离子体功率在从10W至4000W的范围内。
15.根据权利要求7所述的方法，其中生长所述石墨烯还包括向所述基板施加偏压。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板包括IV族半导体材料、半导体化合物、金属和绝缘材料中的至少一种。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述基板还包括掺杂剂。
18.一种形成石墨烯的方法，该方法包括：
通过向基板施加偏压来处理所述基板的表面；以及
在所述基板的所述表面上生长石墨烯。
19.根据权利要求18所述的方法，其中处理所述基板的所述表面包括：
将预处理气体注入到反应室中；
将所述偏压施加到所述基板；以及
当施加所述偏压到所述基板时在所述反应室中产生等离子体。
20.根据权利要求18所述的方法，其中生长所述石墨烯包括：
将包含碳源的反应气体注入到反应室中；以及
通过在所述反应室中产生等离子体，在所述基板的所述表面上直接生长所述石墨烯。
21.一种形成石墨烯的方法，所述方法包括：
制备包括等离子体处理过的表面的基板，制备所述基板包括当施加偏压到所述基板时对所述基板执行等离子体操作；以及
通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在所述基板的等离子体处理过的表面上生长石墨烯。
22.根据权利要求21所述的方法，其中制备所述基板包括：
将包括所述等离子体处理过的表面的所述基板放置在反应室中；
将预处理气体注入到所述反应室中；
将偏压施加到所述基板；以及
当施加所述偏压到所述反应室中的所述基板时在所述反应室中产生等离子体。
23.根据权利要求22所述的方法，其中
所述预处理气体包括惰性气体、氢气、氧气、氨气、氯气、溴气、氟气和碳氟化合物中的至少一种，并且
所述基板包括IV族半导体材料、半导体化合物、金属和绝缘材料中的至少一种。
24.根据权利要求21所述的方法，其中
制备所述基板在1000℃或更低的处理温度、在0.02托至5.00托的范围内的处理压力、在从1W至100W的范围内的偏置功率以及在从10W至4000W的范围内的等离子体功率下进行。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，在所述基板的等离子体处理过的表面上生长石墨烯包括：
将包含碳源的反应气体注入到反应室中；以及
当包括所述等离子体处理过的表面的所述基板在所述反应室中时从所述反应气体在所述反应室中产生等离子体。
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