CN211689227U

CN211689227U - 一种石墨烯沉积设备

Info

Publication number: CN211689227U
Application number: CN201922187923.3U
Authority: CN
Inventors: 孙其君; 孟艳芳; 丁美; 贾传坤; 冯昊阳
Original assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Current assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2029-12-09

Abstract

本实用新型涉及石墨烯制备领域，公开一种石墨烯沉积设备。该石墨烯沉积设备包括：机体，设有容纳腔，位于容纳腔内的真空腔，以及位于真空腔内的反应腔，反应腔内设有加热组件和位于加热组件上方的承载板，承载板的内部均匀设置有多个温度传感器；其中，反应腔包括设置于真空腔的底板上的保温墙和设置于承载板上方且与保温墙的顶部闭合的保温盖；真空腔与反应腔气路连通且均为长方体结构。利用该设备能够解决现有石墨烯沉积设备由于反应腔室温度不均从而造成产品质量合格率低的问题。

Description

一种石墨烯沉积设备

技术领域

本实用新型涉及石墨烯制备领域，特别涉及一种石墨烯沉积设备。

背景技术

近年来，石墨烯以其优良的电、光、磁以及力学性能备受青睐。其中，单层石墨烯的单原子层厚度赋予其优良透明性和柔性。因此，单层石墨烯广泛用于柔性透明电极、晶体管半导体、射频、传感器等器件。

石墨烯的制备方法主要有以下四种：微机剥离法、碳化硅外延生长法、氧化还原法和化学气相沉积法。微机械剥离法虽然结构完整，成本较低，但不易量产；外延生长法因成本较高而只适合小批量生产；氧化石墨还原法虽然成本低，可大规模生产但分子结构容易被破坏；气相沉积法因其结构完整，质量较好，可大规模生产而应用最为广泛。

在气相沉积法制备石墨烯的过程中，由于管管式气相沉积设备工艺条件相对稳定，目前通常采用的化学气相沉积设备为管式炉。但是管式炉由于其反应腔室的空间有限，且反应基底不能实现平铺设置，因此限制了石墨烯的生产尺寸，不能实现更大尺寸石墨烯的生产。通过将沉积腔室的承载平台改为矩形结构的反应腔室，可以进一步提高石墨烯的生产尺寸。但是目前的反应腔室由于直接设置在真空腔室内，因此，腔室的温度均匀性难以得到有效控制，常常会因温度不均造成产品质量问题，降低产品的合格率。

实用新型内容

本实用新型公开了一种石墨烯沉积设备，用于解决现有石墨烯沉积设备由于反应腔室温度不均从而造成产品质量合格率低的问题。

为达到上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种石墨烯沉积设备，包括：

机体，设有容纳腔，

位于所述容纳腔内的真空腔，以及

位于所述真空腔内的反应腔，所述反应腔内设有加热组件和位于所述加热组件上方的承载板，所述承载板的内部均匀设置有多个温度传感器；

其中，所述反应腔包括设置于所述真空腔的底板上的保温墙和设置于所述承载板上方且与所述保温墙的顶部闭合的保温盖；

所述真空腔与所述反应腔气路连通。

进一步地，所述保温盖的朝向所述承载板的一侧表面设有隔热板。

进一步地，所述隔热板包括碳毡或石英毡。

进一步地，所述保温盖与所述真空腔的侧壁顶部密闭设置。

进一步地，所述保温盖与所述真空腔的侧壁顶部之间设有橡胶密封圈。

进一步地，所述石墨烯沉积设备包括与所述真空腔连通的抽空系统和用于向所述反应腔通入反应气体的气路系统；

其中，所述真空腔的底板上设有与所述抽空系统连接的排气口和第一进气口，所述真空腔的侧壁上设有与所述气路系统连接的第二进气口；

所述保温墙上设有位于所述承载板上方的第三进气口，所述第二进气口和所述第三进气口之间通过进气管道连通；

所述承载板上或所述承载板与所述保温墙之间设有用于气体流动的气流通道。

进一步地，所述加热组件包括电阻加热组件、辐射加热组件、电磁加热组件或激光加热组件。

进一步地，所述反应腔体内设有用于分散所述反应气体的气体分散器。

进一步地，所述抽空系统与所述排气口连接的排气管道上设有控制阀，所述控制阀包括用于粗调的蝶阀和用于微调的针阀。

进一步地，所述抽空系统与所述第一进气口连接的进气管道的内部拐角处设有用于导流的导向板。

与现有技术相比，采用上述技术方案产生的有益效果如下：

本实用新型提供的石墨烯沉积设备，将反应腔设置于真空腔内，且反应腔和真空腔保持气路连通状态，通过真空腔为反应腔提供沉积反应所需的真空环境，并使化学气相沉积反应在反应腔中进行。该石墨烯沉积设备直接将加热组件设置于反应腔内，并将承载板直接设置于加热组件的上方，同时在承载板内部直接设置温度传感器，从而可实现反应腔的加热、控温和恒温过程，减少热量损失，提高反应腔温度的均匀性，可有效将反应腔内的温度均匀性控制在±2℃以内。通过提高反应腔内温度的均匀性，进而能有效提高石墨烯的生产质量。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种石墨烯沉积设备的结构示意图；

图2为图1所示结构一种实施方式的真空腔和反应腔的结构示意图；

图3为本实用新型一种实施方式的真空腔和反应腔的剖视结构示意图；

图4为本实用新型一种实施方式的真空腔和反应腔的俯视结构示意图。

1、机体；10、容纳腔；11、电动位移柱；20、真空腔；21、第一进气口；22、排气口；23、第二进气口；24、水冷管；30、反应腔；301、加热组件；302、承载板；303、保温墙；304、保温盖；305、隔热板；2、抽空系统；3、气路系统。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图2所示，本实用新型实施例提供了一种石墨烯沉积设备，包括：

机体1，设有容纳腔10，

位于容纳腔10内的真空腔20，以及

位于真空腔20内的反应腔30，反应腔30内设有加热组件301和位于加热组件301上方的承载板302，承载板302的内部均匀设置有多个温度传感器；

其中，反应腔30包括设置于真空腔20的底板上的保温墙303和设置于承载板302上方且与保温墙303的顶部闭合的保温盖304；

真空腔20与反应腔30气路连通。

上述石墨烯沉积设备，将反应腔30设置于真空腔20内，且反应腔30和真空腔20保持气路连通状态，通过真空腔20为反应腔30提供沉积反应所需的真空环境，并使化学气相沉积反应在反应腔30中进行。其中，反应腔30包括设置于真空腔20的底板上的保温墙303，并且包括一保温盖304，保温盖304闭合于保温墙303的顶部。该结构中，真空腔20除了可以用于提供真空环境外，还可以作为反应腔30外的保温腔，防止反应腔30内的热量流失。

由此，该实施例石墨烯沉积设备直接将加热组件301设置于反应腔30内，并将承载板302直接设置于加热组件301的上方，同时在承载板302内部直接设置温度传感器，从而可实现反应腔30的加热、控温和恒温过程，减少热量损失，提高反应腔30温度的均匀性，可有效将反应腔30内的温度均匀性控制在±2℃以内。

其中，承载板302可以与加热组件301接触，即直接设置于加热组件301的表面，也可以与加热组件301间隔设置。间隔设置时，可以在反应腔30的内壁上设置限位台阶，以将承载板302搭设于限位台阶上。

需要说明的是，该实施例石墨烯沉积设备中，实现真空腔20和反应腔30气路连通的方式有很多，例如，可以在反应腔30的侧壁上开口通气孔等方式实现真空腔20和反应腔30的连通。

参照图1，该实施例石墨烯沉积设备中，机体1结构中包括一容纳腔10，真空腔20设置于容纳腔10之中。容纳腔10的门可以为一透明开关门，便于观察容纳腔10内的情况。另外，参照图2，该设备中，真空腔20和反应腔30均为长方体型结构，该结构便于放置各种类型的基板。真空腔的侧壁201和真空腔的底板、保温墙303以及保温盖304均采用不锈钢材料，例如不锈钢，以提高真空腔20和反应腔30的整体结构强度。

在一种具体的实施例中，反应腔30的启闭可采用数控电动对开门的设计，即上下对开结构，保温盖304连接电动位移柱11，其他部分固定于容纳腔10内的底板上。

继续参照图1，该设备中包括触控单元，触控单元连接电动位移柱11，控住电动位移柱11的升降，从而控制保温盖304的打开和关闭。其中，电动位移柱11为能够上下升降的杆件，该杆件在驱动机构例如驱动电机的作用下实现上下位移。

可以理解的是，真空腔20的密封可以直接利用保温盖304进行密封，也可以在保温盖304之上再设置一外层密封盖，以实现对真空腔20的密封设置。

在一个具体的实施例中，保温盖304与真空腔20的侧壁顶部密闭设置。直接利用保温盖304对真空腔20进行密封，可以减少元部件的使用，简化设备结构。

另外，为了保证真空腔20的密封性，保温盖304与真空腔的侧壁201顶部之间设有橡胶密封圈，例如氟橡胶密封圈，以保证真空腔20易于实现小于1×10-6Torr的真空度。

在一个具体实施例中，保温盖304的朝向承载板302的一侧表面设有隔热板305。设置隔热板305更利于控制反应腔30内温度的稳定性。

其中，隔热板305例如可以为碳毡或石英毡。

在一个具体实施例中，如图1和图3所示，石墨烯沉积设备包括与真空腔20连通的抽空系统2和用于向反应腔30通入反应气体的气路系统3；

其中，真空腔的底板上设有与抽空系统2连接的第一进气口21和排气口22，真空腔20的侧壁上设有与气路系统3连接的第二进气口23；

保温墙303上设有位于承载板302上方的第三进气口，第二进气口23和第三进气口之间通过进气管道连通；

承载板302上或承载板302与保温墙303之间设有用于气体流动的气流通道。

该实施例中，排气口22和第一进气口21用于连接抽空系统2，排气口22用于抽空时的排气处理，第一进气口21用于反应结束后的进气处理。排气口22和第一进气口21均位于真空腔20的底板上，通过从下部抽真空的方式进行排空处理，该结构可有利于杂质物质向下运动，减少杂质对承载板302的污染。该结构中，可以在承载板302上或在承载板302与保温墙303之间设有用于气体流动的气流通道，以便使反应腔30内的气体从底部的排气口22排除。具体的，可以使承载板302与保温墙303分离设置形成气流通道，从而在排气时使气体从该气流通道排出；此外，还可以在承载板302的边缘设置通气孔以形成气流通道，从而使气体从该气流通道排出。

另外，该设备中，还可以在保温墙303下部设置通气孔，以使反应腔30和真空腔20相连通，使反应腔30和真空腔20内的气体均被排除。具体的，可以在反应腔30的侧壁与真空腔20的底板的连接处设置通气孔，以使气流从该通气孔处排出。该设置结构可将反应腔30内的杂质带到反应腔30底部，提高反应腔30内的洁净度，防止通入反应气体时使杂质落在基板表面。

继续参照图3，该实施例中，与气路系统3连接的第二进气口23位于真空腔20的侧壁上，相应的，在反应腔30的侧壁上设有第三进气口，第二进气口23和第三进气口通过进气管道连通。第二进气口23用于与外部的气路系统3连接，供气时，反应气体直接通过进气管道进入反应腔30内。为了使反应气体均匀流经承载板302的表面，第三进气口设置于承载板302的上方。第三进气口的数量可以为多个，以通入不同的反应气体。

在一个具体实施例中，如图4所示，加热组件301的加热管道往复弯折形成类弓字形的结构，且加热管道的侧面为矩形结构，以提高加热组件301的平整度，从而间接提高反应腔30内的温度均匀性。该加热组件301为模块化设计结构，整体配置为矩形加热元件，可快速更换，整体腔体加热均匀度±5℃。

加热组件301包括但不限于电阻加热组件301、辐射加热组件301、电磁加热组件301或激光加热组件301。电阻加热一般要求低电压大电流，可采用石墨发热体或电阻丝发热体；辐射加热可采用卤素灯加热；电磁感应加热和激光加热等其他方式加热也按照相应的要求进行设计。

在一个具体实施例中，反应腔30体内设有用于分散反应气体的气体分散器。

通过设置气体分散器，可以将通入反应腔30内的气体进行均化处理，以提高承载板302表面反应气体的均匀性。

在一个具体实施例中，抽空系统2与排气口22连接的排气管道上设有控制阀，控制阀包括用于粗调的蝶阀和用于微调的针阀。

作为示例性说明，该实施例中的抽空系统2包括真空泵、真空阀门、管路和压力表等部件。真空腔20和反应腔30内的反应压力通过抽空系统2的控制阀和真空泵来联合实现。控制阀安装于真空泵和真空腔20之间，通过调节控制阀的开闭来调节真空泵的抽气速率，从而控制真空腔20和反应腔30内的压力。控制阀由粗调的蝶阀和微调的针法组成，通过两级阀门实现沉积压力的控制和调节。

在一个具体实施例中，抽空系统2与第一进气口连接的进气管道的内部拐角处设有用于导流的导向板。

在抽空系统2的管道内的拐角处加装导向板，可有效防止边界处气流的分离和二次涡流的产生，从而使落差系数降低，气流均匀，使气体进入反应室之前保持流场均匀。

继续参照图4，真空腔的外周壁上缠绕有水冷管24，待反应结束后以用于反应腔室部分的降温。

本实用新型一个具体实施例的石墨烯沉积设备，包括反应腔室部分、抽空系统、气路系统和控制系统。其中，反应腔室部分包括真空腔和设置于真空腔内的反应腔，控制系统又包括设备控制电源和触控单元。

其中，设备控制电源用于该设备机组所需的整体电源电路控制；而触控单元主要用于真空机台轴承、电动开关等部件的控制，也用于对真空机组获取/调节/显示真空封闭环境的控制。

其中，反应腔室部分为该设备的工作运行平台，为该设备的核心工作区间(即化学气相沉积主要发生空间)。包括真空腔和设置于真空腔内的反应腔。该真空腔的外周壁上缠绕有水冷管，待反应结束后以用于反应腔室部分的降温。

其中，水冷管的口径：DN25，冷却过程中所用的冷却水压力：0.2MPa，冷却水流量：>10L/min，水冷机温控制范围：0-25℃，水压范围：2-5bar。

真空腔和反应腔均设置为长方体型结构，整体规格例如可以为长570mm，宽420mm，高207mm，反应腔内的有效生长面积210×300mm²。该反应系统整体尺寸和腔体尺寸可根据具体需求做相应调整，反应腔体最大尺寸可达1500×1500mm²。

具体地，该真空腔和反应腔的主体部分采用304不锈钢，真空腔边缘的密封采用氟橡胶密封圈以易于实现小于1×10^-6Torr的真空度。反应腔内自下而上设有加热组件、承载板、隔热板和保温盖，隔热板可以选择碳毡或石英毡，并将其固定在保温盖上，与保温盖形成一体结构。保温盖与保温墙闭合，以保证反应腔内的密封性，同时，作为一体式的封装结构，保温盖通过氟橡胶密封圈与真空腔的侧壁实现密闭封装结构，以保证真空腔内的密封性，该结构可用于实现温控的准确度与稳定性。

其中，反应腔室部分采用电动数控对开门设计，即保温盖接电动位移柱，真空腔和反应腔的其他部分固定于机体的容纳腔内，利用触控单元控制电动位移柱的移动，从而带动保温盖的移动，实现对反应腔的打开和封闭。

盖反应腔内加热组件的最高加热温度为1600℃，同时能够实现控温精度：±0.1℃，供电电源：380V 50Hz(三相五线制)，供电电气容量：15KVA。

反应腔内的加热方式可根据不同需求采用电阻加热、辐射加热、电磁感应加热和激光加热方式。电阻加热一般要求低电压大电流，通常采用石墨发热体或电阻丝发热体；辐射加热一般采用卤素灯加热；电磁感应加热和激光加热或其他方式加热可根据具体需求进行设计。

承载板上设置的温度传感器可以为采用氧化铝陶瓷作为保护套管的金属热电偶。本设备为石墨烯生长系统，常用反应温度为800℃-1000℃，因此配备金属热电偶测温系统，可实现对温度的监测和反馈调节。

由此，该实施例中的反应腔体部分结构设计紧凑，采用矩形加热元件，可有效减小散热，并采用导热系数较小的橡胶材料对真空腔进行密封，使得保温效果极优；通过配备灵敏度较高的温度传感器，实现闭环式真空腔体加热、控温、恒温等过程，从而可保证整个反应腔内的温度的一致性，加热均匀度控制在±2℃。此外，该反应腔体部分可根据客户需求进行特色化定制，其尺寸、材质、目标反应物等参数条件都可进行相应调整，可实现快速更换、使用便捷等优势。

另外，该实施例中的抽空系统中，包括真空泵、真空阀门、管路和压力表等部件。其中真空泵为一体化分子泵机组，由高性能分子泵、一级干泵、数字显示真空规管、控制电路组成。优点是分子泵采用复合分子泵，通过优化涡轮级和牵引级的应配与衔接关系，并在涡轮级与牵引级中间加了过渡结构，不仅大大提高了抽速，且能有效阻止返流。该泵组系统高度集成，具有一体化外形，美观简洁。

该抽空系统所能达到的极限真空度：≤8.0×10^-3Pa，漏率：≤10^-9Pa·L/s。

该实施例中的气路系统采用带三路高精度MFC气路系统，带混气室及均气组件，配置气体分散器，可对气流进行缓冲和分散，使进入反应室的气流更均匀。

其中，混气室为气体配比器，主要用于气体流量测试并按比例混合气体。

气体配比器可以外接多种气体，采用质子型流量计，气路管道采用316抛光管制作耐腐蚀性强。气路接头采用全不锈钢双卡套快速接头，方便连接且不易泄漏。

利用上述石墨烯沉积设备制备石墨烯的具体过程如下：

1.其制备的详细步骤如下：

S1)准备工作：衬底铜箔或镍薄膜(10cm×10cm，25μm，Sigma)先用piranha溶液(H₂SO₄与H₂O₂混合物)清洗15min；清洗完成后将薄膜浸泡在去离子水中，用氮气干燥；

S2)然后打开总电源，打开控制面板电源，打开腔体电源，将衬底至于反应腔内，并将真空腔关闭；在控制面板中调出阀门控制，开启抽空系统，抽到10^-3-10^-2Pa后关闭抽空系统；开启充氩气-抽氩气反复三次后，直到反应腔内的压强达到2×10^-3-5×10^-3Torr；

S3)在控制面板中设置压力与温度，开始加热，当石英管加热到1000℃时(面板显示腔体温度与石英管温度)，调出石墨烯沉积程序，通入H₂，(选定程序已对应流速、流量)保持一定时间，然后在连续通入H₂(流速10sccm)下，通入CH₄气体(选定程序已对应流速、流量)，使得石墨烯连续地增长；

S4)20-30min后，停止通入CH₄，石英管在H₂流中冷却到室温，得到了在衬底上生长的石墨烯。

利用上述实施例的沉积设备生长石墨烯的原理如下：

1)渗碳析碳机制：对于镍等具较高溶碳量的金属基体，碳源裂解产生的碳原子在高温时渗入金属基体内，在降温时再从其内部析出成核，进而生长成石墨烯。

2)表面生长机制：对于铜等较低碳量的金属基体，高温下气态碳源裂解生产的碳原子吸附在金属表面，进而成核生长成石墨烯孤岛，并通过石墨烯孤岛的二维长大得到连续的膜。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型实施例进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种石墨烯沉积设备，其特征在于，包括：

机体，设有容纳腔，

位于所述容纳腔内的真空腔，以及

所述真空腔与所述反应腔气路连通。

2.根据权利要求1所述的石墨烯沉积设备，其特征在于，所述保温盖的朝向所述承载板的一侧表面设有隔热板。

3.根据权利要求2所述的石墨烯沉积设备，其特征在于，所述隔热板包括碳毡或石英毡。

4.根据权利要求1所述的石墨烯沉积设备，其特征在于，所述保温盖与所述真空腔的侧壁顶部密闭设置。

5.根据权利要求4所述的石墨烯沉积设备，其特征在于，所述保温盖与所述真空腔的侧壁顶部之间设有橡胶密封圈。

6.根据权利要求1所述的石墨烯沉积设备，其特征在于，所述石墨烯沉积设备包括与所述真空腔连通的抽空系统和用于向所述反应腔通入反应气体的气路系统；

7.根据权利要求1-6任一项所述的石墨烯沉积设备，其特征在于，所述加热组件包括电阻加热组件、辐射加热组件、电磁加热组件或激光加热组件。

8.根据权利要求1-6任一项所述的石墨烯沉积设备，其特征在于，所述反应腔体内设有用于分散反应气体的气体分散器。

9.根据权利要求6所述的石墨烯沉积设备，其特征在于，所述抽空系统与所述排气口连接的排气管道上设有控制阀，所述控制阀包括用于粗调的蝶阀和用于微调的针阀。

10.根据权利要求9所述的石墨烯沉积设备，其特征在于，所述抽空系统与所述第一进气口连接的进气管道的内部拐角处设有用于导流的导向板。