DE102020110814A1

DE102020110814A1 - Strukturiertes Wachsen von Graphen

Info

Publication number: DE102020110814A1
Application number: DE102020110814.1A
Authority: DE
Inventors: Alexander Scheit
Original assignee: Ihp Innovations For High Performance Microelectronics/leibniz Inst Fuer Innovative Mikroelektro GmbH; IHP GmbH
Current assignee: Ihp Innovations For High Performance Microelectronics/leibniz Inst Fuer Innovative Mikroelektro GmbH; IHP GmbH
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft strukturiertes Wachstum von Graphen (24) auf einer Oberfläche eines nicht-amorphen zum Wachstum von Graphen (24) geeigneten Substrats (10). Es wird eine solche Zahl an Fremdatomen (18) mit Hilfe einer Maske (32) in das Substrat (10) in einen ersten Bereich (30) der Oberfläche des Substrats (10) eingebracht, dass die Oberfläche des Substrats (10) im ersten Bereich (30) derart modifiziert wird, dass ein Wachstum von Graphen (24) im ersten Bereich (30) unterdrückt wird. Die Fremdatome (18) enthalten Atome eines anderen Elements als das Substrat (10). Graphen (24) wird auf der Oberfläche des Substrats (10) gewachsen. Graphen (24) wächst in einem durch den ersten Bereich (30) strukturierten zweiten Bereich (40) der Oberfläche des Substrats (10), da das Wachstum im ersten Bereich (30) aufgrund der modifizierten Oberflächeneigenschaften unterdrückt wird. Dies ermöglicht es auf einfache und kostengünstige Weise eine Oberfläche derart zu strukturieren, dass Graphen (24) selektiv in vorstrukturierten Bereichen der Oberfläche gewachsen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft das Wachsen von Graphen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum strukturierten Wachsen von Graphen auf einer Oberfläche eines Substrats und ein Schichtsystem mit strukturiert auf einer Oberfläche eines Substrats gewachsenem Graphen.
Graphen ist eine einlagige Kohlenstoffschicht. Verschiedene Verfahren ermöglichen die Herstellung von Graphen. Beispielsweise, kann von einer Graphitschicht mit Klebeband eine einlagige Struktur abgelöst werden, um Graphen zu erhalten. Die Struktur des abgelösten Graphens lässt sich hierbei nur sehr eingeschränkt steuern. Ferner ist dieses Verfahren um Graphen in größeren Mengen herzustellen nicht geeignet. Hierfür sind Wachstumsverfahren besser geeignet. Beispielsweise kann eine Kupferfolie erhitzt werden und kohlenstoffhaltiges Gas über die Kupferfolie geführt werden. In diesem Fall kann auf der gesamten Oberfläche der Kupferfolie eine Graphenschicht entstehen.
Aus CN 110127667 A ist ein Verfahren zum Wachsen von Graphenquantenpunkten, sogenannte Graphenquantendots, bekannt. Es wird auf einem Substrat ein Fotolack aufgebracht und ein Implantationsfenster mithilfe eines Fotolithografieverfahrens oder eines lonenbelichtungsverfahrens erstellt. Eine Kohlenstoffquelle wird mittels lonenimplantationsverfahren in das Implantationsfenster eingebracht. Danach wird der Fotolack entfernt.
Schließlich wird das Substrat erhitzt, um Graphenquantendots auf der Oberfläche des Substrats zu wachsen.
Ziel der Erfindung ist es ein verbessertes Verfahren zum strukturierten Wachsen von Graphen auf einer Oberfläche eines Substrats zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel von einem Verfahren zum strukturierten Wachsen von Graphen auf einer Oberfläche eines nicht-amorphen zum Wachstum von Graphen geeigneten Substrats, wie es in Anspruch 1 beansprucht wird, erreicht. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Einbringen einer solchen Zahl an Fremdatomen mit Hilfe einer Maske in das Substrat in einen ersten Bereich der Oberfläche des Substrats, dass die Oberfläche des Substrats im ersten Bereich derart modifiziert wird, dass ein Wachstum von Graphen im ersten Bereich unterdrückt wird, wobei die Fremdatome Atome eines anderen Elements als das Substrat enthalten und
- Wachsen von Graphen auf der Oberfläche des Substrats, wobei Graphen in einem durch den ersten Bereich strukturierten zweiten Bereich der Oberfläche des Substrats wächst.

Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass durch selektives Einbringen von Fremdatomen in verschiedene Bereiche einer Oberfläche eines Substrats die Oberfläche des Substrats derart geändert werden kann, dass in einem Bereich der Oberfläche des Substrats, der mit Fremdatomen dotiert ist, ein Wachstum von Graphen verhindert oder zumindest verringert ist. Die im ersten Bereich in das Substrat eingebrachte Zahl an Fremdatomen kann derart gewählt werden, dass das Wachstum von Graphen im ersten Bereich gegenüber dem zweiten Bereich verhindert oder zumindest verringert ist. Dies ermöglicht es Graphen selektiv im zweiten Bereich zu wachsen. Durch die Maske kann eine Struktur vorgegeben werden so dass eine durch die Bereiche des Substrats vorgegebene Graphenstruktur auf der Oberfläche des Substrats gewachsen werden kann.
Das Substrat ist von einem nicht-amorphen Material gebildet, d.h., die Atome des Substrats bilden eine geordnete Struktur mit einer Fernordnung.
Das Substrat kann kristallin oder poly-kristallin sein. Kristallin ist hier so zu verstehen, dass das Substrat bis auf wenige Gitterfehler eine geordnete Struktur aufweist. Poly-kristallin ist hier so zu verstehen, dass das Substrat in Größenbereichen von Mikrometern oder mehr bis auf wenige Gitterfehler eine geordnete Struktur aufweist. Ein poly-kristallines Substrat kann mehrere kristalline Bereiche verschiedener Größe und Gitterstruktur aufweisen.
Die Fremdatome enthalten Atome, die ein anderes Element haben als die Atome des Substrats. Daher haben die Fremdatome und die Atome des Substrats unterschiedliche Eigenschaften, beispielsweise unterschiedliche Gitterparameter bzw. Gitterkonstanten, wie Seitenlängen der Elementarzelle und Winkel zwischen den Kanten der Elementarzelle.
Durch das Einbringen von Fremdatomen in das Substrat in den ersten Bereich in ausreichender Zahl kann die Oberfläche des Substrats im ersten Bereich beispielsweise durch Veränderung der Gitterstruktur derart modifiziert werden, dass ein Wachstum von Graphen im ersten Bereich unterdrückt wird. Hierbei kann unter anderem die Gitterkonstante geändert werden, so dass die Aktivierungsenergie für das Wachstum von Graphen im Gegensatz zu einem nicht mit Fremdatomen dotierten Bereich erhöht ist. Dadurch kann ein strukturiertes Wachsen von Graphen in den nicht mit Fremdatomen dotierten Bereichen ermöglicht werden.
Es können auch mehr als zwei unterschiedliche Bereiche auf der Oberfläche des Substrats vorgesehen werden. Beispielsweise kann ein erster Bereich kein Wachstum von Graphen zulassen und ein dritter Bereich ein gegenüber dem zweiten Bereich eingeschränktes Wachstum von Graphen. Dies ermöglicht es in Abhängigkeit der zum Wachstum eingebrachten Energie, z.B. durch eine Temperatur eines Wachstumsofens, verschiedene Graphenstrukturen auf derselben Oberfläche zu wachsen.
Bevorzugt werden im zweiten Bereich keine Fremdatome in das Substrat eingebracht. Dies kann eine bessere Strukturierung ermöglichen.
Das Einbringen von Fremdatomen kann mittels Ionenimplantation, Diffusion, reaktivem lonenätzen oder einer Kombination von diesen erfolgen. Diese Verfahren ermöglichen ein kostengünstiges Einbringen der Fremdatome in das Substrat, so dass nur im ersten Bereich Fremdatome in das Substrat eingebracht werden. Mittels der Ionenimplantation können physische, chemische und elektrische Eigenschaften des Substrats modifiziert werden. Bei der Ionenimplantation werden Ionen, hiervon Fremdatomen, in einem elektrischen Feld erzeugt, in dem ihnen typischerweise ein Elektron entfernt wird oder mehrere Elektronen entfernt werden. Diese Ionen werden dann herausgefiltert und in einem elektrischen Feld beschleunigt und auf das Substrat gestrahlt. Eine Eindringtiefe der Ionen hängt vom Material ab, auf das die Ionen treffen, sowie einer Energie, die für die Beschleunigung der Ionen aufgewendet wurde. Die Ionen können insbesondere die Gitterstruktur des Substrats verändern, da sie Fremdatome mit einer anderen Anzahl an Protonen, Neutronen und/oder Elektronen sind und sie zudem ihre Energie auf die Atome des Substrats übertragen können wenn sie in das Substrat eingebracht werden. Hierdurch kann einerseits eine Mischung der Atome des Substrats mit den Fremdatomen erzeugt werden, sog. vermischen (engl. intermixing) und andererseits können Defekte, zum Beispiel Gitterfehlstellen, erzeugt werden.
Die Fremdatome können mittels Ionenimplantation mit einer Energie von beispielsweise 1 keV bis 50 keV, insbesondere zwischen 5 keV bis 50 keV oder zum Beispiel 20 keV bis 30 keV, im ersten Bereich in das Substrat eingebracht werden. Die Fremdatome können zum Beispiel mittels Ionenimplantation mit einer Energie von 25 keV im ersten Bereich in das Substrat eingebracht werden. Bei geringeren Energien können im Vergleich zu höheren Energien flachere Implantationsprofile erzeugt werden. Diese benötigen im Vergleich zu breiteren Implantationsprofilen, die bei höheren Energien erzeugt werden, eine geringere Dosis und geringere Zeit, um eine gleiche maximale Konzentration an der Oberfläche des Substrats zu erreichen. Mit diesen Energien erreichen die Fremdatome eine Eindringtiefe im Nanometerbereich. Diese Eindringtiefe ist ausreichend, da für das Wachstum die Oberfläche des Substrats entscheidend ist. Insbesondere ist eine Verringerung des Wachstums im ersten Bereich durch Modifikation der Oberflächeneigenschaften, zum Beispiel hauptsächlich der Gitterstruktur, relevant.
Die Maske zum Einbringen von Fremdatomen kann beispielsweise eine Schattenmaske sein. Es kann zum Beispiel eine Lochblende als Maske vorgesehen sein. Dies ermöglicht es Fremdatome im ersten Bereich in das Substrat einzubringen, während im zweiten Bereich die Maske die Fremdatome abfangen und ein Einbringen in das Substrat verhindern kann.
Das Einbringen von Fremdatomen mit Hilfe einer Maske kann einen oder mehrere der folgenden Verfahrensschritte umfassen:

- Aufbringen einer Maskierungsschicht auf dem Substrat,
- Strukturieren der Maskierungsschicht derart, dass der erste Bereich frei von der Maskierungsschicht ist oder der erste Bereich zumindest eine dünnere Maskierungsschicht als der zweite Bereich aufweist und der zweite Bereich mit der Maskierungsschicht bedeckt ist,
- Einbringen der Fremdatome im ersten Bereich in das Substrat und im zweiten Bereich in die Maskierungsschicht und
- Entfernen der Maskierungsschicht von der Oberfläche des Substrats.

Dies ermöglicht es Fremdatome auf einfache Weise im ersten Bereich in das Substrat einzubringen, ohne, dass Fremdatome im zweiten Bereich in das Substrat eingebracht werden.
Die dünnere Maskierungsschicht kann als Hilfsschicht dienen. Die Hilfsschicht kann dafür vorgesehen werden einen Teil der Fremdatome abzufangen, so dass ein Schwerpunkt einer Verteilung von Fremdatome hin zur Oberfläche des Substrats verschoben werden kann. Eine Schichtdicke der dünneren Maskierungsschicht im ersten Bereich kann zum Steuern eine Eindringtiefe in das Substrat und/oder einer Verteilung der Fremdatome im Substrat gewählt werden. Dies ermöglicht es Materialkosten zu senken, da weniger Fremdatome eingebracht werden müssen und/oder die Energie für das Einbringen verringert werden kann. Die Schichtdicke der dünneren Maskierungsschicht kann derart gewählt werden, dass ein Schwerpunkt einer Verteilung von Fremdatomen im ersten Bereich mit der Oberfläche des Substrats zusammenfällt, d.h., der Schwerpunkt der Fremdatomverteilung liegt in diesem Fall an der Oberfläche des Substrats, so dass eine Konzentration an Fremdatomen an der Oberfläche des Substrats größer ist als im Substrat.
Es können auch mehrere Maskierungsschichten aufgebracht werden. Beispielsweise kann eine erste Maskierungsschicht aufgebracht und im ersten Bereich entfernt werden und danach eine zweite Maskierungsschicht auf das Substrat aufgebracht werden, so dass der erste Bereich eine dünnere Maskierungsschicht als der zweite Bereich aufweist. In diesem Fall hat die Maskierungsschicht des zweiten Bereichs die erste Maskierungsschicht und die zweite Maskierungsschicht, so dass die Maskierungsschicht im zweiten Bereich dicker ist, als im ersten Bereich, die nur die zweite Maskierungsschicht hat. Dies ermöglicht es auf einfache Weise eine in unterschiedlichen Bereichen unterschiedlich dicke Maskierungsschicht auf eine Oberfläche eines Substrats aufzubringen.
Die Maskierungsschicht kann beispielsweise ein Fotolack sein. Der Fotolack kann ein Positivlack oder Negativlack sein. Das Strukturieren kann mittels Fotolithografie erfolgen. Ein Strukturieren des Fotolacks mittels Fotolithografie ermöglicht im Ergebnis ein einfaches und kostengünstiges Strukturieren des Graphens durch nachfolgendes Wachsen des Graphens im vorstrukturierten an den ersten Bereich angrenzenden zweiten Bereich.
Die Fremdatome können derart eingebracht werden, dass sie im zweiten Bereich innerhalb der Maskierungsschicht angeordnet werden. Dies ermöglicht es sicherzustellen, dass keine Fremdatome im zweiten Bereich in das Substrat eingebracht werden. Die Fremdatome können zusätzlich oder alternativ derart eingebracht werden, dass sie im ersten Bereich an der Oberfläche des Substrats und in einem Volumen unterhalb der Oberfläche des Substrats beispielsweise bis zu einer Eindringtiefe von mindestens 5 nm angeordnet werden. Die Eindringtiefe kann zum Beispiel zwischen 5 nm und 100 nm, beispielsweise zwischen 60 nm und 80 nm betragen. Dies kann eine Modifikation der Oberfläche des Substrats ermöglichen, die ein Wachstum von Graphen unterdrückt oder zumindest gegenüber dem zweiten Bereich verringert.
Das Verfahren kann vorsehen die Fremdatome bis zu einer Eindringtiefe einzubringen, die sicherstellt, dass die Oberfläche des Substrats derart modifiziert wird, dass das Wachstum von Graphen unterdrückt wird. Diese Eindringtiefe kann beispielsweise von einem Element der Atome des Substrats und der Fremdatome, sowie einer Flächenkonzentration der Fremdatome abhängig sein.
Die Maskierungsschicht kann beispielsweise mit einer Schichtdicke von mindestens 20 nm, bevorzugt mit einer Schichtdicke von einem Fünffachen einer projizierten Reichweite (5*R_p) der Fremdatome, z.B. mit einer Schichtdicke zwischen 300 nm und 600 nm, aufgebracht werden. Dies ermöglicht es ein Eindringen von Fremdatomen durch die Maskierungsschicht in das Substrat zu verhindern. Die Schichtdicke der Maskierungsschicht kann derart gewählt werden, dass ein Eindringen von Fremdatomen durch diese in das Substrat verhindert wird. Die Schichtdicke kann an die durch das Einbringen der Fremdatome vorgesehene Eindringtiefe angepasst sein. Beispielsweise können eine Energie beim Einbringen der Fremdatome, z.B. die Energie der Ionenimplantation, und Material und Schichtdicke der Maskierungsschicht aufeinander abgestimmt sein. Dies ermöglicht es eine möglichst dünne Maskierungsschicht aufzubringen, um Materialverbrauch und somit Kosten zu verringern. Die Schichtdicke der Maskierungsschicht kann zum Beispiel zwischen 20 nm und 3 µm, beispielsweise zwischen 300 nm und 3 µm betragen. Insbesondere kann eine geringe Schichtdicke vorgesehen werden, wenn die Fremdatome nur eine Eindringtiefe im Nanometerbereich erreichen oder sogar nur wenige Nanometer eindringen. In diesem Fall kann bereits eine Schichtdicke von 20 nm ausreichen, um sicherzustellen, dass Fremdatome im zweiten Bereich nicht die unter der Maskierungsschicht liegende Oberfläche des Substrats erreichen.
Die Maskierungsschicht kann mittels Reinigen der Oberfläche mit einem Plasma oder einer chemischen Lösung entfernt werden. Dies ermöglicht ein einfaches und kostengünstiges Entfernen der Maskierungsschicht. Ferner ermöglicht es eine mit einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich strukturierte Oberfläche des Substrats bereitzustellen. Das Plasma kann beispielsweise ein Sauerstoffplasma sein. Sauerstoff ist ein gutes Reaktionsgas, dass mit Polymeren und organischen Verbindungen gut reagiert und ermöglicht eine Veraschung dieser unter Bildung von Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Maskierungsschicht kann zum Beispiel mit Hilfe eines Plasmaveraschers entfernt werden. Das Reinigen der Oberfläche erfolgt bevorzugt derart, dass die Oberfläche durch das Reinigen nicht modifiziert wird und insbesondere keine Rückstände der Maskierungsschicht auf der Oberfläche des Substrats zurückbleiben.
Die Zahl an in das Substrat eingebrachten Fremdatomen kann derart gewählt werden, dass sich im ersten Bereich an der Oberfläche des Substrats eine Flächenkonzentration von Fremdatomen zwischen 10¹³ Atome pro Quadratzentimeter und 5*10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter einstellt. Die Flächenkonzentration kann beispielsweise auch ähnlich groß wie die Flächenkonzentration von Kohlenstoffatomen in einer Graphenschicht sein, beispielsweise 3,8*10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter. Dies kann es ermöglichen die Oberfläche derart zu modifizieren, dass ein Wachstum von Graphen im ersten Bereich unterdrückt wird. Eine Flächenkonzentration von Fremdatomen an der Oberfläche im ersten Bereich kann beispielsweise bis zu 5*10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter betragen. Die Flächenkonzentration von Fremdatomen an der Oberfläche im ersten Bereich kann zum Beispiel zwischen 2*10¹³ Atome pro Quadratzentimeter und 10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter oder zwischen 10¹⁴ Atome pro Quadratzentimeter und 10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter, insbesondere zwischen 5*10¹⁴ Atome pro Quadratzentimeter und 10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter betragen.
Das Substrat kann beispielsweise aus Germanium, Silizium, Platin, Kupfer, Nickel, Cobalt, Eisen, Iridium, Ruthenium oder einer Kombination davon oder aus Siliziumcarbid, aus Aluminiumnitrid oder aus Galliumarsenid bestehen. Alternativ kann das Substrat beispielsweise ein oder mehrere der Elemente Germanium, Silizium, Platin, Kupfer, Nickel, Cobalt, Eisen, Iridium oder Ruthenium enthalten oder Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid oder Galliumarsenid enthalten.
Das Substrat kann eine Dicke von mindestens 20 nm, beispielsweise mindestens 0,1 µm haben. Dies kann die mechanische Stabilität des Substrats sicherstellen. Ferner kann das Substrat möglichst dünn gewählt werden, um Materialkosten zu verringern. Das Substrat kann zum Beispiel eine Dicke zwischen 20 nm und 1 mm haben, beispielsweise zwischen 0,1 µm und 5 µm.
Das Substrat kann dotierte Materialien enthalten oder aus einem dotierten Material bestehen. Das Substrat kann beispielsweise von einem n-dotierten Germanium gebildet sein.
Das Substrat kann mehrere Materialien, beispielsweise Germanium und Silizium enthalten. Das Substrat kann mehrere Substratschichten aufweisen. Jede der Substratschichten kann von einem der mehreren Materialen gebildet sein. Beispielsweise kann das Substrat eine auf einer Siliziumschicht angeordnete Germaniumschicht aufweisen. Die Germaniumschicht kann auf der Siliziumschicht gewachsen sein oder auf diese transferiert werden. Wenn die Germaniumschicht auf der Siliziumschicht gewachsen wird, kann es zur Migration von einem Material in das andere Material kommen und es können sich Defekte ausbilden. Die Germaniumschicht kann eine Schichtdicke aufweisen, die derart gewählt ist, dass zumindest an der Oberfläche oder im Bereich der Oberfläche des Germaniums die Gitterstruktur des Germaniums relaxiert ist. Eine Germaniumschicht mit einer solchen Schichtdicke kann eine geringere Defektdichte aufweisen, da beispielsweise die Defektdichte durch zyklisches Glühen (engl. cyclic annealing) bzw. rekristallisierendes Glühen und Wachsen vom Germanium auf Silizium reduziert ist. Die Germaniumschicht kann beispielsweise mindestens 2 µm dick sein. Eine auf einer Siliziumschicht gewachsene Germaniumschicht mit einer Dicke von mindestens 2 µm kann eine geringere Defektdichte aufweisen und eine Relaxation der Gitterstruktur an der Oberfläche oder im Bereich der Oberfläche des Germaniums sicherstellen. Die Germaniumschicht kann beispielsweise 2 µm dick sein und die Siliziumschicht 750 µm. Bevorzugt ist die Germaniumschicht 2 µm oder dicker und die Siliziumschicht 750 µm oder dünner. Alternativ, insbesondere, wenn die Germaniumschicht auf die Siliziumschicht transferiert worden ist, kann die Germaniumschicht auch dünner sein, beispielsweise zwischen 500 nm und 2 µm oder bevorzugt unter 500 nm, zum Beispiel zwischen 400 nm und 500 nm.
Die Fremdatome können beispielsweise Boratome, Phosphoratome, Arsenatome, Kohlenstoffatome, Siliziumatome, Antimonatome, Stickstoffatome, Fluoratome, Sauerstoffatome oder eine Kombination von diesen enthalten. Die Fremdatome sind so gewählt, dass sie ein anderes Element haben als das Substrat. Dies ermöglicht es die Gitterstruktur des Substrats und somit die Oberfläche des Substrats derart zu modifizieren, dass das Wachstum von Graphen unterdrückt wird.
Graphen kann mittels Erhitzen des Substrats in einem Ofen und Einbringen eines kohlenstoffhaltigen Gases in den Ofen im zweiten Bereich der Oberfläche des Substrats gewachsen werden. Dies ermöglicht es auf der vorstrukturierten Oberfläche in bestimmten Bereichen, nämlich den zweiten Bereichen, Graphen zu wachsen. Ferner kann dies ein industriell skalierbares strukturiertes Wachsen von Graphen auf der Oberfläche des Substrats ermöglichen. Das Substrat wird bevorzugt mit einer Temperatur nahe unterhalb seiner Schmelztemperatur erhitzt. Die Schmelztemperatur hängt vom Substrat ab. Das Substrat kann zum Beispiel auf zwischen 750°C und 1250°C, beispielsweise zwischen 850°C und 1050°C, insbesondere auf ungefähr 900°C erhitzt werden. Als kohlenstoffhaltiges Gas kann beispielsweise Methan, Ethan, Ethen, Ethanol, Methanol, oder ein anderes bei Temperaturen im Ofen gasförmiges kohlenstoffhaltiges Material verwendet werden.
Das Verfahren kann den Schritt umfassen:

- Kontaktieren des ersten Bereichs und des im zweiten Bereich gewachsenen Graphen.

Das Graphen kann beim Wachsen im zweiten Bereich den Rand des ersten Bereichs kontaktieren. Alternativ können auch Fremdatome durch Ionenimplantation durch das Graphen durchgeschossen werden. Das Verfahren kann ein Kontaktieren des ersten Bereichs mit einer Kontaktierung vorsehen. Beispielsweise kann der erste Bereich derart strukturiert sein, dass ein zweiter Bereich zwei Teilbereiche des ersten Bereichs voneinander trennt. Wenn im zweiten Bereich Graphen gewachsen wurde, kann das Graphen die zwei Teilbereiche des ersten Bereichs miteinander verbinden. Die zwei Teilbereiche des ersten Bereichs können kontaktiert werden, beispielsweise mittels einer Kontaktierung, zum Beispiel mittels einer Kupferkontaktierung. Dies ermöglicht es den ersten Bereich zur Kontaktierung zu verwenden und Schaltungen zu erstellen. Es können auch mehrere Teilbereiche des zweiten Bereichs und mehrere Teilbereiche des ersten Bereichs vorgesehen werden und eine Vielzahl von Kontaktierungen vorgesehen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Schichtsystem. Das Schichtsystem weist ein nicht-amorphes zum Wachstum von Graphen geeignetes Substrat auf. Das Substrat ist in einem ersten Bereich einer Oberfläche des Substrats mit einer solchen Zahl an Fremdatomen dotiert, dass die Oberfläche des Substrats im ersten Bereich derart modifiziert ist, dass ein Wachstum von Graphen im ersten Bereich unterdrückt ist. Die Fremdatome enthalten Atome eines anderen Elements als das Substrat. Ferner weist das Schichtsystem auf einem durch den ersten Bereich strukturierten zweiten Bereich der Oberfläche des Substrats, der nicht mit einer solchen Zahl von Fremdatomen dotiert ist, dass ein Wachstum von Graphen unterdrückt ist, gewachsenes Graphen auf.
Das Substrat kann von einem kristallinen oder poly-kristallinen Material gebildet sein.
In einer Ausgestaltung des Schichtsystems, ist das Substrat im zweiten Bereich nicht mit Fremdatomen dotiert. Das Substrat kann also frei von Fremdatomen im zweiten Bereich sein.
Das Substrat des Schichtsystems kann eine Dicke von mindestens 20 nm, beispielsweise mindestens 0,1 µm haben. Das Substrat des Schichtsystems kann zum Beispiel eine Dicke zwischen 20 nm und 1 mm haben, beispielsweise zwischen 0,1 µm und 5 µm.
Im ersten Bereich an der Oberfläche des Substrats kann eine Flächenkonzentration von Fremdatomen zwischen 10¹³ Atome pro Quadratzentimeter und 5*10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter betragen. Eine Flächenkonzentration von Fremdatomen an der Oberfläche im ersten Bereich kann beispielsweise bis zu 5*10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter betragen. Die Flächenkonzentration von Fremdatomen an der Oberfläche im ersten Bereich kann zum Beispiel zwischen 2*10¹³ Atome pro Quadratzentimeter und 10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter oder zwischen 10¹⁴ Atome pro Quadratzentimeter und 10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter, insbesondere zwischen 5*10¹⁴ Atome pro Quadratzentimeter und 10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter betragen.
Das Substrat kann beispielsweise aus Germanium, Silizium, Platin, Kupfer, Nickel, Cobalt, Eisen, Iridium oder Ruthenium oder einer Kombination davon oder aus Siliziumcarbid, aus Aluminiumnitrid oder aus Galliumarsenid bestehen. Alternativ kann das Substrat beispielsweise ein oder mehrere der Elemente Germanium, Silizium, Platin, Kupfer, Nickel, Cobalt Eisen, Iridium oder Ruthenium enthalten oder Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid oder Galliumarsenid enthalten. Das Substrat kann beispielsweise von dotiertem Germanium, beispielsweise n-dotiertem Germanium gebildet sein.
Die Fremdatome können beispielsweise Boratome, Phosphoratome, Arsenatome, Kohlenstoffatome, Siliziumatome, Antimonatome, Stickstoffatome, Fluoratome, Sauerstoffatome, oder eine Kombination von diesen enthalten. Beispielsweise können die Fremdatome Boratome sein, die mittels Ionenimplantation im ersten Bereich in das Substrat eingebracht wurden.
Die Fremdatome können im ersten Bereich an der Oberfläche des Substrats und in einem Volumen unterhalb der Oberfläche des Substrats bis zu einer Eindringtiefe von mindestens 5 nm angeordnet sein. Die Eindringtiefe kann zum Beispiel zwischen 5 nm und 100 nm, beispielsweise zwischen 60 nm und 80 nm betragen.
Die Erfindung soll nun anhand von in den Figuren schematisch abgebildeten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Von den Figuren zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum strukturierten Wachsen von Graphen auf einem Substrat und ein entsprechendes erstes Ausführungsbeispiel eines Schichtsystems mit strukturiert gewachsenem Graphen;
2 eine exemplarische fotografische Darstellung von strukturiert auf einer Oberfläche eines Substrats gewachsenem Graphen und eine entsprechende Raman-Karte eines Bereichs der Oberfläche des Substrats;
3 exemplarische Messungen des strukturiert auf der Oberfläche des Substrats gewachsenen Graphen der 2 mittels Ramanspektroskopie;
4A ein Implantationsprofil für eine Ionenimplantation von Boratomen als Fremdatome in ein Substrat;
4B ein Implantationsprofil für eine Ionenimplantation von Boratomen als Fremdatome in eine Maskierungsschicht;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Schichtsystems mit strukturiert gewachsenem Graphen mit Kontaktierung;
6 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum strukturierten Wachsen von Graphen auf einem Substrat;
7 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum strukturierten Wachsen von Graphen auf einem Substrat.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 100 zum strukturierten Wachsen von Graphen 24 auf einer Oberfläche eines nicht-amorphen zum Wachstum von Graphen geeigneten Substrats 10 und das entsprechende Schichtsystem 26 mit dem strukturiert gewachsenen Graphen 24 gezeigt.
In Schritt 101 wird ein nicht-amorphes zum Wachstum von Graphen geeignetes Substrat 10 bereitgestellt.
Das Substrat 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel von einem n-dotierten Germanium (n-Ge) und einer darunterliegenden Siliziumschicht gebildet. Die Siliziumschicht ist nicht gezeigt und dient dazu die mechanische Stabilität des Substrats 10 zu erhöhen. Die Siliziumschicht ist optional. In diesem Ausführungsbeispiel wird das n-Ge auf einen Siliziumwafer aufgebracht.
In anderen Ausführungsbeispielen kann das Substrat auch aus Germanium oder Silizium bestehen oder von einer Kombination von diesen gebildet sein. Das Substrat kann auch einen Katalysator enthalten, wie zum Beispiel Platin, Nickel, Kupfer, Cobalt, Eisen, Iridium, Ruthenium oder von einer Kombination von diesen, beispielsweise einem Nickel-Eisen-Katalysator, gebildet sein.
Das n-Ge hat in diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens eine Schichtdicke von 2 µm, so dass sichergestellt ist, dass die Oberfläche des n-Ge relaxiert ist und das Silizium keinen Einfluss auf die Oberfläche des n-Ge hat. Das Substrat 10 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke von unter 1 mm. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Substrat auch eine andere Schichtdicke, beispielsweise zwischen 0,1 µm und 1 mm haben.
In Schritt 102 wird eine Maskierungsschicht in Form von Fotolack 12 auf das Substrat 10 aufgebracht. Der Fotolack 12 wird mit einer Schichtdicke von 600 nm aufgebracht. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Fotolack auch mit einer anderen Schichtdicke, beispielsweise zwischen 20 nm und 3 µm, z.B. 300 nm aufgebracht werden. Die Schichtdicke des Fotolacks 12 ist dabei so gewählt, dass die Maskierungsschicht ein Eindringen von Fremdatomen verhindert, die in einem nachfolgenden Implantationsschritt in das Schichtsystem eingebracht werden. Der Fotolack 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Positivlack, zum Beispiel AZ-111 XFS oder Polymethylmethacrylat (PMMA). In anderen Ausführungsbeispielen kann auch ein anderer Positivlack verwendet werden. Alternativ kann auch ein Negativlack verwendet werden. Wenn ein Negativlack verwendet wird, sind die folgenden Verfahrensschritte entsprechend angepasst.
In Schritt 104 wird der Fotolack 12 mit einem Fotolithografieverfahren strukturiert. Hierfür wird eine Lithografiemaske 14 zwischen den Fotolack 12 und Fotolithografiestrahlung 16 angeordnet. Die Lithografiemaske 14 blockiert die Fotolithografiestrahlung 16, so dass nur ein erster Bereich 30 des Substrats 10 mit dem darauf angeordneten Fotolack 12 beleuchtet wird. Ein zweiter Bereich 40 der Oberfläche des Substrats 10 wird nicht von der Fotolithografiestrahlung 16 beleuchtet.
In Schritt 106 wird der Fotolack 12 entwickelt, um den Fotolack 12 im beleuchteten ersten Bereich 30 zu entfernen. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Entwicklerlösung auf den Fotolack 12 aufgesprüht und nachfolgend mit destilliertem Wasser gespült. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Fotolack auch auf andere Weise entwickelt werden, um den Fotolack vom beleuchteten ersten Bereich zu entfernen.
In Schritt 108 werden Fremdatome 18 in das Substrat 10 und den Fotolack 12 durch lonenimplantation eingebracht. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Fremdatome mit einer Energie von 25 keV eingebracht. In anderen Ausführungsbeispielen können die Fremdatome auch zum Beispiel mit einer Energie zwischen 1 keV und 50 keV, beispielsweise mit einer Energie zwischen 5 keV und 50 keV oder 20 keV und 30 keV eingebracht werden. Hierdurch werden die Fremdatome derart eingebracht, dass sie im zweiten Bereich 40 in einem mit Fremdatomen dotierten Fotolackvolumen 20 innerhalb des Fotolacks 12 angeordnet werden. Ferner werden die Fremdatome 18 derart eingebracht, dass sie im ersten Bereich 30 an der Oberfläche des Substrats 10 und in einem mit Fremdatomen dotierten Substratvolumen 22 unterhalb der Oberfläche des Substrats 10 bis zu einer Eindringtiefe von mindestens 5 nm angeordnet werden. Der Wert kann von den verwendeten Fremdatomen abhängig sein und in anderen Ausführungsbeispielen auch geringer als 5 nm sein. Bevorzugt werden die Fremdatome jedoch bis zu einer Eindringtiefe von mindestens 5 nm eingebracht. In anderen Ausführungsbeispielen können die Fremdatome auch bis zu einer Eindringtiefe von mindestens 10 nm, 20 nm oder mehr angeordnet werden. Beispielsweise können die Fremdatome bis zu einer Eindringtiefe von 180 nm angeordnet werden, wobei eine Flächenkonzentration der Fremdatome von der Eindringtiefe abhängt.
In anderen Ausführungsbeispielen können auch andere Verfahren zum Einbringen der Fremdatome verwendet werden, beispielsweise Diffusion oder reaktives lonenätzen. Es kann auch eine Kombination der Verfahren Ionenimplantation, Diffusion und reaktives lonenätzen verwendet werden, um die Fremdatome einzubringen. Es können auch verschiedene Fremdatome mit verschiedenen Verfahren oder demselben Verfahren nacheinander oder gleichzeitig eingebracht werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird zudem eine Anzahl an Fremdatomen derart ausgewählt, dass sich im ersten Bereich 30 an der Oberfläche des Substrats 10 eine Flächenkonzentration zwischen 2*10¹³ Atome pro Quadratzentimeter bis 5*10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter einstellt. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Anzahl an Fremdatomen derart ausgewählt werden, dass sich im ersten Bereich an der Oberfläche des Substrats eine Flächenkonzentration beispielsweise zwischen 10¹⁴ Atome pro Quadratzentimeter bis 10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter einstellt.
Die Fremdatome sind in diesem Fall Boratome. In anderen Ausführungsbeispielen können auch beispielsweise Phosphoratome, Arsenatome, Kohlenstoffatome, Siliziumatome, Antimonatome, Stickstoffatome, Fluoratome, Sauerstoffatome oder eine Kombination aus Boratomen, Phosphoratomen, Arsenatomen, Kohlenstoffatomen, Siliziumatomen, Antimonatomen, Stickstoffatomen, Fluoratomen und Sauerstoffatomen als Fremdatome verwendet werden.
In Schritt 110 wird die Oberfläche des Substrats 10 gereinigt, um den Fotolack 12 zu entfernen. Hierfür wird ein Sauerstoffplasma erzeugt und der Fotolack 12 verascht. Nachfolgend wird die Oberfläche des Substrats 10 mit destilliertem Wasser gespült (nicht gezeigt). In anderen Ausführungsbeispielen kann der Fotolack auch unter Verwenden einer chemischen Lösung gereinigt werden und nachfolgend mit destilliertem Wasser gespült werden.
Nach dem Reinigen der Oberfläche des Substrats 10, verbleibt das Substrat 10 mit einem zweiten Bereich 40 ohne Fremdatome und einem ersten Bereich 30 mit Fremdatomen, die sich im Substratvolumen 22 befinden.
In Schritt 112 wird Graphen 24 auf der Oberfläche des Substrats 10 gewachsen. Hierfür wird das Substrat 10 in diesem Ausführungsbeispiel in einem Ofen 50 auf 900°C erhitzt und kohlenstoffhaltiges Gas 60, beispielsweise Methan, Ethan, Ethen, Ethanol oder Methanol über die Oberfläche des Substrats 10 geleitet. In anderen Ausführungsbeispielen kann auch eine andere Temperatur für das Substrat gewählt werden, zum Beispiel zwischen 750°C und 1250°C, beispielsweise zwischen 850°C und 1050°C. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Ofen auch ein plasmaunterstütztes chemisches Gasphasenabscheidungssystem (engl. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD system) oder ein chemisches Gasphasenabscheidungssystem (engl. Chemical Vapor Deposition, CVD system) sein.
Das Graphen 24 wächst selektiv nur im zweiten Bereich 40 der Oberfläche, der nicht mit Fremdatomen dotiert ist. Die Fremdatome im ersten Bereich 30 des Substrats 10 verhindern bzw. verringern das Wachsen von Graphen 24. Hierdurch bildet sich das Schichtsystem 26 mit strukturiert gewachsenem Graphen 24.
Das Schichtsystem 26 enthält das nicht-amorphe zum Wachstum von Graphen 24 geeignete Substrat 10, das im ersten Bereich 30 der Oberfläche mit einer solchen Zahl an Fremdatomen in Form von Boratomen dotiert ist, dass die Oberfläche des Substrats 10 im ersten Bereich derart modifiziert ist, dass ein Wachstum von Graphen 24 im ersten Bereich 30 unterdrückt ist. Ferner enthält das Schichtsystem 26 auf dem durch den ersten Bereich 30 strukturierten zweiten Bereich 40 der Oberfläche des Substrats gewachsenes Graphen 24. Der zweite Bereich ist nicht mit einer solchen Zahl von Boratomen dotiert, dass ein Wachstum von Graphen 24 unterdrückt ist. In diesem Ausführungsbeispiel, enthält der zweite Bereich 40 keine durch Ionenimplantation eingebrachten Boratome.
Das Substrat 10 hat eine Schichtdicke von unter 1 mm und das n-Ge hat eine Schichtdicke von 2 µm. Das Substrat 10 ist von einem poly-kristallinen Material gebildet, nämlich von n-Ge und einer darunter liegenden Siliziumschicht. Im ersten Bereich 30 an der Oberfläche des Substrats 10 beträgt eine Flächenkonzentration von Boratomen zwischen 2*10¹³ Atome pro Quadratzentimeter bis 5*10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter. Die Boratome sind im ersten Bereich an der Oberfläche des Substrats und in einem Volumen unterhalb der Oberfläche des Substrats bis zu einer Eindringtiefe von mindestens 5 nm eingedrungen.
In anderen Ausführungsbeispielen kann das Substrat eine Dicke von mindestens 0,1 µm haben. Die Flächenkonzentration von Fremdatomen kann beispielsweise im ersten Bereich an der Oberfläche des Substrats zwischen 10¹³ Atome pro Quadratzentimeter und 5*10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter betragen. Das Substrat kann beispielsweise auch aus Silizium, Platin, Kupfer, Nickel, Cobalt, Eisen, Iridium, Ruthenium oder einer Kombination davon bestehen. Alternativ kann das Substrat ein oder mehrere der Elemente Silizium, Platin, Kupfer, Nickel, Cobalt, Eisen, Iridium oder Ruthenium enthalten. Das Substrat kann auch beispielsweise von Aluminiumnitrid, Siliciumcarbid oder Galliumarsenid gebildet sein. Die Fremdatome können Boratome, Phosphoratome, Arsenatome, Kohlenstoffatome, Siliziumatome, Antimonatome, Stickstoffatome, Fluoratome, Sauerstoffatome oder eine Kombination von diesen enthalten. Die Fremdatome können im ersten Bereich an der Oberfläche des Substrats und in einem Volumen unterhalb der Oberfläche des Substrats bis zu einer Eindringtiefe von zum Beispiel mindestens 5 nm angeordnet sein.
In 2 ist eine exemplarische fotografische Darstellung 200 eines Schichtsystems 26 mit strukturiert auf einer Oberfläche eines Substrats 10 gewachsenem Graphen 24 gezeigt. Der Rahmen 202 zeigt einen Teil der Lithografiemaske 14 die verwendet wurde, um den Fotolack 12 zu strukturieren. Der Rahmen 204 zeigt denselben Ausschnitt des Rahmens 202 auf dem Schichtsystem 26 nachdem Graphen 24 auf der Oberfläche des Substrats 10 gewachsen wurde. Rahmen 206 zeigt die gemessene Ramanintensität 208 in willkürlichen Einheiten (engl. arbitrary units bzw. a.u.) und 2D-Spitzen (2D-peaks) einer Messung mit Ramanspektroskopie, wie sie in 3 gezeigt ist.
In 3 sind exemplarische Messungen 300 des selektiv auf dem Substrat 10 gewachsenen Graphen 24 der 2 mittels Ramanspektroskopie gezeigt. Die horizontale Achse gibt die Raman-Verschiebung 304 (engl. Raman shift) in cm^-1 an. Die vertikale Achse gibt eine Ramanintensität 306 in a.u. an. Anhand der charakteristischen 2D-Spitzen 302, die basierend auf Gitterschwingungen der sp2-hybridisierten Kohlenstoffatome erzeugt werden, kann man erkennen, in welchem Bereich Graphen 24 gewachsen ist und in welchem Bereich kein Graphen 24 gewachsen ist. Demnach ist im mit Fremdatomen dotierten ersten Bereich 30 des Substrats 10 kein Graphen 24 gewachsen. Dies erkennt man aus dem Vergleich der oberen beiden Messungen 300 mit den unteren beiden Messungen 300. Die oberen beiden Messungen 300 haben beide keine 2D-Spitzen 302, d.h., dass sich in diesen Bereichen kein Graphen 24 auf der Oberfläche befindet.
4A zeigt ein simuliertes Implantationsprofil 400 von Boratomen als Fremdatome in ein Substrat aus Germaniumatomen mit einer Eindringtiefe 402 auf der horizontalen Achse in nm und einer Konzentration an Fremdatomen 404 auf der vertikalen Achse in Atome/cm³. Die horizontale Achse erstreckt sich zwischen einer Eindringtiefe in das Substrat von 0 nm und 200 nm und die vertikale Achse erstreckt sich zwischen einer Konzentration von Fremdatomen im Substrat von 0 Atome/cm³ und 10²⁰ Atome/cm³. Das Implantationsprofil 400 ist für Boratome des Isotops ¹¹B simuliert, die mit 25 keV beschleunigt wurden. Eine Implantation mit dieser Dosis von Bor-Atomen in Germanium führt trotz der hohen Dosis nicht zu einem Amorphisieren des Germaniums. Die Eindringtiefe bzw. Reichweite der Boratome beträgt in diesem Fall 70 nm und die (Standard-)Abweichung beträgt 35 nm.
4B zeigt ein simuliertes Implantationsprofil 400' von Boratomen als Fremdatome in eine Maskierungsschicht aus AZ 111 XFS mit einer Eindringtiefe 402' auf der horizontalen Achse in nm und einer Konzentration an Fremdatomen 404' auf der vertikalen Achse in Atome/cm³. Die horizontale Achse erstreckt sich zwischen einer Eindringtiefe in die Maskierungsschicht von 0 nm und 700 nm und die vertikale Achse erstreckt sich zwischen einer Konzentration von Fremdatomen im Substrat von 0 Atome/cm³ und 7*10¹⁹ Atome/cm³. Das Implantationsprofil 400' ist für Boratome des Isotops ¹¹B simuliert, die mit 25 keV beschleunigt wurden. Boratome dringen in diesem Fall maximal bis unter 600 nm in die Maskierungsschicht ein. Daher kann eine Maskierungsschicht mit einer Schichtdicke von 600 nm für die Implantation von Boratomen, die mit 25 keV beschleunigt werden sicherstellen, dass die Boratome innerhalb der Maskierungsschicht verbleiben und eine darunter liegende Substratschicht nicht erreichen.
5 zeigt ein Schichtsystem 500 mit Kontakten 28 in einem Ofen 50. Der erste Bereich 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel in zwei Teilbereiche aufgespalten, die über das im zweiten Bereich 40 an der Oberfläche des Substrats 10 gewachsene Graphen 24 miteinander verbunden sind. Das Graphen 24 kann die beiden Teilbereiche des ersten Bereichs 30 miteinander kontaktieren. Zusätzlich sind in den ersten Bereiche 30 Kontakte 28 angeordnet. Die Kontakte 28 sind in diesem Ausführungsbeispiel aus Kupfer. Das Substrat 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel von n-Ge gebildet. Die Fremdatome, die sich an der Oberfläche und einem mit Fremdatomen dotierten Substratvolumen 22 befinden sind Boratome.
6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 600 zum strukturierten Wachsen von Graphen 24 auf einer Oberfläche eines nicht-amorphen zum Wachstum von Graphen geeigneten Substrats 10 und das entsprechende Schichtsystem 26 mit dem strukturiert gewachsenen Graphen 24.
Schritt 601 entspricht Schritt 101 und es wird ein nicht-amorphes zum Wachstum von Graphen geeignetes Substrat 10 bereitgestellt. In diesem Ausführungsbeispiel besteht das Substrat 10 aus n-Ge.
In Schritt 604 wird eine solche Zahl an Fremdatomen 18 mit Hilfe einer Schattenmaske 32 in das Substrat 10 in einen ersten Bereich 30 der Oberfläche des Substrats 10 und das darunter liegende Substratvolumen 22 eingebracht, dass die Oberfläche des Substrats 10 im ersten Bereich 30 derart modifiziert wird, dass ein Wachstum von Graphen 24 im ersten Bereich 30 unterdrückt wird. In diesem Ausführungsbeispiel werden als Fremdatome Boratome verwendet. Es können auch andere Fremdatome verwendet werden, die Atome eines anderen Elements als das Substrat enthalten.
In Schritt 612 wird Graphen 24 auf der Oberfläche des Substrats 10 gewachsen. Hierfür wird das Substrat 10 im Ofen 50 auf 900°C erhitzt und ein kohlenstoffhaltiges Gas 60, nämlich Methan über das Substrat 10 geleitet. Graphen 24 wächst in einem durch den ersten Bereich 30 strukturierten zweiten Bereich 40 der Oberfläche des Substrats 10.
7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 700 zum strukturierten Wachsen von Graphen 24 auf einer Oberfläche eines nicht-amorphen zum Wachstum von Graphen geeigneten Substrats 10 und das entsprechende Schichtsystem 26 mit dem strukturiert gewachsenen Graphen 24.
Das dritte Ausführungsbeispiel des Verfahrens 700 zum strukturierten Wachsen von Graphen 24 ist dem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 ähnlich. Die Verfahren 100 und 700 unterscheiden sich durch den Schritt 707, in dem noch eine zusätzliche Maskierungsschicht in Form einer zweiten Fotolackschicht 70 aufgetragen wird.
Schritt 701 entspricht Schritt 101 und es wird ein nicht-amorphes zum Wachstum von Graphen geeignetes Substrat 10 bereitgestellt. In diesem Ausführungsbeispiel besteht das Substrat 10 aus n-Ge.
Schritt 702 entspricht Schritt 102 und es wird ein Fotolack 12 auf das Substrat 10 aufgebracht.
Schritt 704 entspricht Schritt 104 und der Fotolack 12 wird mit einem Fotolithografieverfahren strukturiert.
Schritt 706 entspricht Schritt 106 und der Fotolack 12 wird entwickelt, um den Fotolack 12 im beleuchteten ersten Bereich 30 zu entfernen.
Im Gegensatz zum Verfahren 100 wird ein zusätzlicher Schritt 707 durchgeführt.
In Schritt 707 wird die zweite Fotolackschicht 70 auf das Substrat 10 und den bereits im zweiten Bereich 40 vorhandenen Fotolack 12 aufgebracht. Hierdurch entsteht im ersten Bereich 30 auf der Oberfläche des Substrats 10 eine dünnere Fotolackschicht 72 als im zweiten Bereich 40 auf der Oberfläche des Substrats 10.
In Schritt 708 werden Fremdatome 18 in das Substrat 10, den Fotolack 12 und die zweite Fotolackschicht 70 durch Ionenimplantation eingebracht. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Fremdatome Boratome, die mit einer Energie von 25 keV eingebracht werden. In anderen Ausführungsbeispielen können die Fremdatome auch zum Beispiel mit einer Energie zwischen 1 keV und 50 keV, beispielsweise mit einer Energie zwischen 5 keV und 50 keV oder 20 keV und 30 keV eingebracht werden. In diesem Ausführungsbeispiel dringen die Boratome im zweiten Bereich 40 nicht in das Substrat ein, sondern in die zweite mit Fremdatomen dotierte Fotolackschicht 74 und das mit Fremdatomen dotierte Fotolackvolumen 20. Im ersten Bereich 30 dringen die Boratome dahingegen sowohl in die mit Fremdatomen dotierte Fotolackschicht 74, als auch in das darunter liegende mit Fremdatomen dotierte Substratvolumen 22 ein. In diesem Fall dient die dünnere Fotolackschicht 72 dazu einen Schwerpunkt der Verteilung der Boratome näher an die Oberfläche des Substrats 10 zu verschieben, so dass die Flächenkonzentration an Boratomen an der Oberfläche möglichst hoch ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wird zudem eine Anzahl an Fremdatomen derart ausgewählt, dass sich im ersten Bereich 30 an der Oberfläche des Substrats 10 eine Flächenkonzentration zwischen 2*10¹³ Atome pro Quadratzentimeter bis 5*10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter einstellt.
In Schritt 710 wird die Oberfläche des Substrats 10 gereinigt, um den Fotolack 12 und die zweite Fotolackschicht 70 zu entfernen. Hierfür wird ein Sauerstoffplasma erzeugt und der Fotolack 12 und die zweite Fotolackschicht 70 verascht. Nachfolgend wird die Oberfläche des Substrats 10 mit destilliertem Wasser gespült (nicht gezeigt). In anderen Ausführungsbeispielen kann der Fotolack auch unter Verwenden einer chemischen Lösung gereinigt werden und nachfolgend mit destilliertem Wasser gespült werden.
Nach dem Reinigen der Oberfläche des Substrats 10, verbleibt das Substrat 10 mit einem zweiten Bereich 40 ohne Fremdatome und einem ersten Bereich 30 mit Fremdatomen, die sich im Substratvolumen 22 befinden.
Schritt 712 entspricht Schritt 112 und es wird Graphen 24 auf der Oberfläche des Substrats 10 in einem Ofen 50 unter Zuführen von kohlenstoffhaltigem Gas 60 gewachsen.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung strukturiertes Wachstum von Graphen auf einer Oberfläche eines nicht-amorphen zum Wachstum von Graphen geeigneten Substrats. Es wird eine solche Zahl an Fremdatomen mit Hilfe einer Maske in das Substrat in einen ersten Bereich der Oberfläche des Substrats eingebracht, dass die Oberfläche des Substrats im ersten Bereich derart modifiziert wird, dass ein Wachstum von Graphen im ersten Bereich unterdrückt wird. Die Fremdatome enthalten Atome eines anderen Elements als das Substrat. Graphen wird auf der Oberfläche des Substrats gewachsen. Graphen wächst in einem durch den ersten Bereich strukturierten zweiten Bereich der Oberfläche des Substrats, da das Wachstum im ersten Bereich aufgrund der modifizierten Oberflächeneigenschaften unterdrückt wird. Dies ermöglicht es auf einfache und kostengünstige Weise eine Oberfläche derart zu strukturieren, dass Graphen selektiv in vorstrukturierten Bereichen der Oberfläche gewachsen werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Substrat
12: Fotolack
14: Lithografiemaske
16: Fotolithografiestrahlung
18: Fremdatome
20: Fotolackvolumen mit Fremdatomen dotiert
22: Substratvolumen mit Fremdatomen dotiert
24: Graphen
26: Schichtsystem
28: Kontakte
30: erster Bereich der Oberfläche des Substrats
32: Schattenmaske
40: zweiter Bereich der Oberfläche des Substrats
50: Ofen
60: kohlenstoffhaltiges Gas
70: zweite Fotolackschicht
72: dünnere Fotolackschicht
74: zweite Fotolackschicht mit Fremdatomen dotiert
200: fotografische Darstellung eines Schichtsystems
202: Rahmen
204: Rahmen
206: Rahmen
208: Ramanintensität
300: Ramanspektroskopie-Messung
302: 2D-Spitzen
304: Raman-Verschiebung
306: Ramanintensität
400: lonenimplantationsprofil in eine Germaniumschicht
400': lonenimplantationsprofil in eine Fotolackschicht
402, 402': Eindringtiefe
404, 404': Flächenkonzentration an Fremdatomen
500: Schichtsystem mit Kontaktierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 110127667 A [0003]

Claims

Verfahren zum strukturierten Wachsen von Graphen (24) auf einer Oberfläche eines nicht-amorphen zum Wachstum von Graphen (24) geeigneten Substrats (10), umfassend: - Einbringen einer solchen Zahl an Fremdatomen (18) mit Hilfe einer Maske (32) in das Substrat (10) in einen ersten Bereich (30) der Oberfläche des Substrats (10), dass die Oberfläche des Substrats (10) im ersten Bereich (30) derart modifiziert wird, dass ein Wachstum von Graphen (24) im ersten Bereich (30) unterdrückt wird, wobei die Fremdatome (18) Atome eines anderen Elements als das Substrat (10) enthalten und - Wachsen von Graphen (24) auf der Oberfläche des Substrats (10), wobei Graphen (24) in einem durch den ersten Bereich (30) strukturierten zweiten Bereich (40) der Oberfläche des Substrats (10) wächst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im zweiten Bereich (40) keine Fremdatome (18) in das Substrat (10) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Einbringen von Fremdatomen (18) mittels Ionenimplantation, Diffusion, reaktivem lonenätzen oder einer Kombination von diesen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Fremdatome (18) mittels Ionenimplantation mit einer Energie von 1 keV bis 50 keV im ersten Bereich (30) in das Substrat (10) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Einbringen von Fremdatomen (18) mit Hilfe einer Maske (14) umfasst - Aufbringen einer Maskierungsschicht (12) auf dem Substrat (10), - Strukturieren der Maskierungsschicht (12) derart, dass der erste Bereich (30) frei von der Maskierungsschicht (12) ist oder der erste Bereich (30) zumindest eine dünnere Maskierungsschicht (72) als der zweite Bereich (40) aufweist und der zweite Bereich (40) mit der Maskierungsschicht (12) bedeckt ist, - Einbringen der Fremdatome (18) im ersten Bereich (30) in das Substrat (10) und im zweiten Bereich (40) in die Maskierungsschicht (12) und - Entfernen der Maskierungsschicht (12) von der Oberfläche des Substrats (10).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Fremdatome (18) derart eingebracht werden, dass sie im zweiten Bereich (40) innerhalb der Maskierungsschicht (12) angeordnet werden und dass sie im ersten Bereich (30) an der Oberfläche des Substrats (10) und in einem Volumen (22) unterhalb der Oberfläche des Substrats (10) bis zu einer Eindringtiefe von mindestens 5 nm angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Maskierungsschicht (12) mit einer Schichtdicke von mindestens 20 nm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Maskierungsschicht (12) mittels Reinigen der Oberfläche mit einem Plasma oder einer chemischen Lösung entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Zahl an in das Substrat (10) eingebrachten Fremdatomen (18) derart gewählt wird, dass sich im ersten Bereich (30) an der Oberfläche des Substrats (10) eine Flächenkonzentration von Fremdatomen zwischen 10¹³ Atome pro Quadratzentimeter bis 5*10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Substrat (10) aus Germanium, Silizium, Platin, Kupfer, Nickel, Cobalt, Eisen, Iridium, Ruthenium oder einer Kombination davon oder aus Siliziumcarbid, aus Aluminiumnitrid oder aus Galliumarsenid besteht oder ein oder mehrere der Elemente Germanium, Silizium, Kupfer, Nickel, Cobalt, Eisen, Iridium oder Ruthenium enthält oder Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid oder Galliumarsenid enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Fremdatome (18) Boratome, Phosphoratome, Arsenatome, Kohlenstoffatome, Siliziumatome, Antimonatome, Stickstoffatome, Fluoratome, Sauerstoffatome oder eine Kombination von diesen enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei Graphen (24) mittels Erhitzen des Substrats (10) in einem Ofen (50) und Einbringen eines kohlenstoffhaltigen Gases (60) in den Ofen (50) im zweiten Bereich der Oberfläche des Substrats (10) gewachsen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das den Schritt umfasst: - Kontaktieren des ersten Bereichs (30) und des im zweiten Bereich (40) gewachsenen Graphen (24).
Schichtsystem (26) aufweisend: - ein nicht-amorphes zum Wachsen von Graphen (24) geeignetes Substrat (10), wobei das Substrat (10) in einem ersten Bereich (30) einer Oberfläche des Substrats (10) mit einer solchen Zahl an Fremdatomen dotiert ist, dass die Oberfläche des Substrats (10) im ersten Bereich (30) derart modifiziert ist, dass ein Wachstum von Graphen (24) im ersten Bereich (30) unterdrückt ist, wobei die Fremdatome Atome eines anderen Elements als das Substrat (10) enthalten und - auf einem durch den ersten Bereich (30) strukturierten zweiten Bereich (40) der Oberfläche des Substrats (10), der nicht mit einer solchen Zahl von Fremdatomen dotiert ist, dass ein Wachstum von Graphen (24) unterdrückt ist, gewachsenes Graphen (24).
Schichtsystem (26) nach Anspruch 14, wobei - das Substrat (10) von einem kristallinen oder poly-kristallinen Material gebildet ist, - das Substrat (10) im zweiten Bereich (40) nicht mit Fremdatomen dotiert ist, - das Substrat (10) eine Dicke von mindestens 20 nm hat, - im ersten Bereich (30) an der Oberfläche des Substrats (10) eine Flächenkonzentration von Fremdatomen zwischen 10¹³ Atome pro Quadratzentimeter und 5*10¹⁵ Atome pro Quadratzentimeter beträgt, - das Substrat (10) aus Germanium, Silizium, Platin, Kupfer, Nickel, Cobalt, Eisen, Iridium, Ruthenium oder einer Kombination davon oder aus Siliziumcarbid, aus Aluminiumnitrid oder aus Galliumarsenid besteht oder ein oder mehrere der Elemente Germanium, Silizium, Platin, Kupfer, Nickel, Cobalt, Eisen, Iridium oder Ruthenium enthält oder Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid oder Galliumarsenid enthält, - die Fremdatome Boratome, Phosphoratome, Arsenatome, Kohlenstoffatome, Siliziumatome, Antimonatome, Stickstoffatome, Fluoratome, Sauerstoffatome oder eine Kombination von diesen enthalten, und/oder - die Fremdatome im ersten Bereich (30) an der Oberfläche des Substrats (10) und in einem Volumen unterhalb der Oberfläche des Substrats (10) bis zu einer Eindringtiefe von mindestens 5 nm angeordnet sind.