ITTO20130712A1 - PROCEDURE FOR THE FORMATION OF LAYERS OF GRAPHENE, IN PARTICULAR MONO- AND MULTI-ATOMIC, AND RELATIVE SYSTEM OF FORMATION OF GRAFENE LAYERS - Google Patents
PROCEDURE FOR THE FORMATION OF LAYERS OF GRAPHENE, IN PARTICULAR MONO- AND MULTI-ATOMIC, AND RELATIVE SYSTEM OF FORMATION OF GRAFENE LAYERSInfo
- Publication number
- ITTO20130712A1 ITTO20130712A1 IT000712A ITTO20130712A ITTO20130712A1 IT TO20130712 A1 ITTO20130712 A1 IT TO20130712A1 IT 000712 A IT000712 A IT 000712A IT TO20130712 A ITTO20130712 A IT TO20130712A IT TO20130712 A1 ITTO20130712 A1 IT TO20130712A1
- Authority
- IT
- Italy
- Prior art keywords
- graphene
- layer
- layers
- process according
- substrate
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 99
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims description 91
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 61
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 68
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 68
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 48
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 42
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 21
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 20
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 19
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 15
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 15
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 9
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 8
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 6
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 6
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 6
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 5
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 2
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 claims 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 107
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 26
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 26
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 description 17
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 10
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 4
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 2
- 101100493710 Caenorhabditis elegans bath-40 gene Proteins 0.000 description 1
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- OTRAYOBSWCVTIN-UHFFFAOYSA-N OB(O)O.OB(O)O.OB(O)O.OB(O)O.OB(O)O.N.N.N.N.N.N.N.N.N.N.N.N.N.N.N Chemical compound OB(O)O.OB(O)O.OB(O)O.OB(O)O.OB(O)O.N.N.N.N.N.N.N.N.N.N.N.N.N.N.N OTRAYOBSWCVTIN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 1
- 239000002156 adsorbate Substances 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 244000144992 flock Species 0.000 description 1
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical compound Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-AKLPVKDBSA-N silicon-31 atom Chemical compound [31Si] XUIMIQQOPSSXEZ-AKLPVKDBSA-N 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/194—After-treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/184—Preparation
- C01B32/186—Preparation by chemical vapour deposition [CVD]
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: DESCRIPTION of the industrial invention entitled:
"Procedimento per la formazione di strati di grafene, in particolare mono- e multi-atomici, e relativo sistema di formazione di strati di grafene" "Process for the formation of graphene layers, in particular mono- and multi-atomic, and related system for the formation of graphene layers"
TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION
Campo tecnico Technical field
La presente descrizione si riferisce tecniche di formazione di strati di grafene, in particolare mono- e multi-atomici, comprendenti depositare uno strato di metallo catalizzatore su un substrato di semiconduttore cristallino e depositare detto grafene tramite decomposizione di molecole contenenti atomi di carbonio, in particolare tramite CVD (Chemical Vapour Deposition), su detto strato di metallo catalizzatore. The present description relates to techniques for the formation of graphene layers, in particular mono- and multi-atomic, comprising depositing a layer of catalyst metal on a crystalline semiconductor substrate and depositing said graphene by decomposition of molecules containing carbon atoms, in particular by CVD (Chemical Vapor Deposition), on said catalyst metal layer.
L’invenzione è stata sviluppata portando particolare attenzione alla possibile applicazione della stessa al trasferimento degli strati di grafene su substrati isolanti, al fine di realizzare dispositivi elettronici e sensori. The invention was developed paying particular attention to its possible application to the transfer of graphene layers on insulating substrates, in order to create electronic devices and sensors.
Per semplicità di illustrazione, nel seguito della presente descrizione si farà pressoché costante riferimento a tale possibile campo di applicazione. Si apprezzerà peraltro che la portata dell’invenzione è affatto generale e dunque non limitata a tale specifico contesto applicativo. For the sake of simplicity of illustration, in the remainder of the present description an almost constant reference will be made to this possible field of application. It will also be appreciated that the scope of the invention is quite general and therefore not limited to this specific application context.
Varie forme di attuazione possono essere applicate alla formazione di strati di grafene e alla formazione di strati con dispositivi definiti nel grafene. Various embodiments can be applied to the formation of graphene layers and to the formation of layers with defined devices in graphene.
Sfondo tecnologico Technological background
Con il termine ‘grafene’ ci si riferisce usualmente a un materiale bidimensionale composto da uno strato monoatomico di atomi di carbonio posti secondo un reticolo esagonale. In generale, vale comunque la convenzione di definire grafene anche un insieme di più strati monoatomici fino a cinque, mentre per un numero di strati superiore a cinque si parla di grafite, in quanto le proprietà fisiche riscontrate sono tipiche di quest’ultimo materiale. The term 'graphene' usually refers to a two-dimensional material composed of a monatomic layer of carbon atoms placed according to a hexagonal lattice. In general, however, the convention of defining graphene also applies to a set of several monoatomic layers up to five, while for a number of layers greater than five we speak of graphite, as the physical properties found are typical of the latter material.
Le caratteristiche fisiche del grafene sono molteplici e di estremo interesse, essendo questo un conduttore a gap nulla, dove la relazione di dispersione che lega momento ed energia dei portatori di carica segue una legge lineare. Questo fa si che il moto degli elettroni segua la relazione relativistica di Dirac, dove al posto della velocità della luce si usa la velocità del livello di Fermi vfThe physical characteristics of graphene are many and extremely interesting, since this is a zero-gap conductor, where the dispersion relationship that binds the moment and energy of the charge carriers follows a linear law. This causes the motion of the electrons to follow Dirac's relativistic relation, where the velocity of the Fermi level vf is used instead of the speed of light
vf=c/300 (1) dove c indica la velocità della luce. vf = c / 300 (1) where c indicates the speed of light.
Come conseguenza, la mobilità dei portatori di carica può raggiungere valori dell’ordine di 10<5>cm<2>/V s, aprendo in questo modo notevoli possibilità applicative nel campo della microelettronica e della spintronica. As a consequence, the mobility of the charge carriers can reach values of the order of 10 <5> cm <2> / V s, thus opening up considerable application possibilities in the field of microelectronics and spintronics.
L’elevata sensibilità degli strati di grafene ad eventuali perturbazioni esterne ed adsorbati in superficie ne fanno un promettente materiale per sensori di tipo fisico, chimico e biologico. The high sensitivity of the graphene layers to any external perturbations and adsorbates on the surface make it a promising material for physical, chemical and biological sensors.
La eccezionale trasparenza ottica, unita alle superiori proprietà di trasporto, rendono il grafene particolarmente attraente come materiale di contatto per dispositivi fotovoltaici. The exceptional optical transparency, combined with the superior transport properties, make graphene particularly attractive as a contact material for photovoltaic devices.
Da questo elenco, non esaustivo, delle molteplici applicazioni del grafene emerge la necessità di ottenere tale materiale in modo riproducibile, controllabile, con metodologie compatibili con le tecniche della microelettronica, e possibilmente a prezzi contenuti. From this non-exhaustive list of the many applications of graphene emerges the need to obtain this material in a reproducible, controllable way, with methodologies compatible with microelectronic techniques, and possibly at low prices.
La tecnica più utilizzata per depositare grafene in tempi recenti è stata rappresentata dall’esfoliazione meccanica da blocchetti di grafite mediante nastro adesivo. Questo approccio si mostra limitato in quanto non è né riproducibile e controllabile, né compatibile con la corrente tecnologia microelettronica. The most used technique for depositing graphene in recent times has been represented by mechanical exfoliation from graphite blocks using adhesive tape. This approach is limited in that it is neither reproducible and controllable, nor compatible with current microelectronics technology.
Un'altra tecnica in uso impiega la sublimazione di atomi di carbonio da substrati di carburo di silicio, SiC, ottenuta a temperature dai 1000 °C ai 2000 °C, che offre maggiori garanzie di riproducibilità, ma risulta costosa a causa del prezzo del SiC di partenza, e non molto compatibile con la tecnologia del silicio, in quanto non risultano a tutt’oggi tecniche per trasferire lo strato dal substrato di SiC ad uno di silicio. Another technique in use employs the sublimation of carbon atoms from silicon carbide substrates, SiC, obtained at temperatures from 1000 ° C to 2000 ° C, which offers greater guarantees of reproducibility, but is expensive due to the price of SiC. starting point, and not very compatible with the silicon technology, as there are no techniques for transferring the layer from the SiC substrate to a silicon one.
Una tecnica meno costosa e in linea di principio applicabile su larghe aree è rappresentata dalla decomposizione di molecole contenenti atomi di carbonio (idrocarburi ed altro) su strati di metalli in grado di agire come catalizzatori. Tale processo richiede un elevato grado di controllo, al fine di depositare il numero di strati desiderati, l’impiego di una sorgente di calore, e la elevata qualità degli strati metallici, poiché il grafene depositato presenta difettosità in corrispondenza dei bordi di grano del metallo sottostante. A less expensive technique and in principle applicable over large areas is represented by the decomposition of molecules containing carbon atoms (hydrocarbons and others) on layers of metals capable of acting as catalysts. This process requires a high degree of control, in order to deposit the desired number of layers, the use of a heat source, and the high quality of the metal layers, since the deposited graphene presents defects at the grain boundaries of the metal. below.
In tale ambito, la scelta di utilizzare fogli metallici, quali ad esempio fogli di rame, permette la deposizione controllata di grafene su aree estese, ma il trasferimento su substrati isolanti non risulta di immediata realizzazione a causa dell’elevato volume di rame che necessita di essere dissolto chimicamente al fine di liberare lo strato di grafene. In this context, the choice of using metal sheets, such as copper sheets for example, allows the controlled deposition of graphene over large areas, but the transfer on insulating substrates is not immediate due to the high volume of copper that requires be chemically dissolved in order to free the graphene layer.
Molto più efficace, da questo punto di vista è l’utilizzo di film metallici depositati su substrati di utilizzo per la microelettronica, quali ad esempio silicio, o GaAs, o altri. In questo caso, il trasferimento avviene tramite dissoluzione di volumi ridotti di metallo, in quanto lo spessore di tali film non eccede quasi mai il mm. Il film metallico può essere depositato con buona orientazione cristallografica, in quanto l’accoppiamento con il substrato cristallino, ad esempio di silicio, sottostante permette a volte una crescita di tipo quasi epitassiale. La qualità cristallografica del film metallico, infine, permette la successiva deposizione di grafene con un ridotto numero di difetti e bordi di grano. Much more effective, from this point of view, is the use of metal films deposited on substrates used for microelectronics, such as silicon, or GaAs, or others. In this case, the transfer takes place through the dissolution of small volumes of metal, as the thickness of these films almost never exceeds 1 mm. The metal film can be deposited with a good crystallographic orientation, since the coupling with the underlying crystalline substrate, for example silicon, sometimes allows an almost epitaxial growth. Finally, the crystallographic quality of the metal film allows the subsequent deposition of graphene with a reduced number of defects and grain boundaries.
Nel caso del rame, ad esempio, è noto che film di Cu con orientazione superficiale del tipo <111> crescono su substrati di silicio orientati <110>, in quanto i passi reticolari alla interfaccia tra le due strutture sono prossimi. Inoltre, il passo reticolare del grafene si accoppia molto bene a quello del Cu <111>. In the case of copper, for example, it is known that Cu films with a surface orientation of the type <111> grow on silicon substrates oriented <110>, since the reticular steps at the interface between the two structures are close. Furthermore, the lattice pitch of graphene pairs very well with that of Cu <111>.
Tale tecnica di formazione di grafene tramite deposizione su film metallici, che sono depositati a loro volta su substrati cristallini, presenta però alcuni inconvenienti. This technique of formation of graphene by deposition on metal films, which are in turn deposited on crystalline substrates, however, has some drawbacks.
La possibilità di depositare grafene utilizzando temperature superiori a 650 °C, necessarie per una buona cristallinità dello stesso su film di metallo catalizzatore depositati su substrati di silicio cristallino è purtroppo preclusa dal fenomeno della diffusione del metallo nel silicio a quelle temperature. Tali aspetti della crescita su metalli sono descritti ad esempio nella pubblicazione N. c. Bartelt e K. f. McCarty, «Graphene growth on metal surfaces», MRS Bulletin, vol. 37, n. 12, pagg. 1158–1165, 2012. The possibility of depositing graphene using temperatures higher than 650 ° C, necessary for a good crystallinity of the same on metal catalyst films deposited on crystalline silicon substrates is unfortunately precluded by the phenomenon of metal diffusion in the silicon at those temperatures. Such aspects of growth on metals are described for example in publication N. c. Bartelt and K. f. McCarty, «Graphene growth on metal surfaces», MRS Bulletin, vol. 37, n. 12, pp. 1158–1165, 2012.
Tale effetto non avviene se si intercala tra silicio e metallo catalizzatore uno strato opaco alla diffusione, quale ad esempio SiO2. In questo caso, purtroppo, il metallo cresce però senza una orientazione cristallografica definita, risultando policristallino. Lo stesso si verifica per il grafene, con elevata densità di difetti cristallografici, presenti in larga parte in prossimità dei bordi di grano dei cristalliti metallici. This effect does not occur if a diffusion opaque layer, such as SiO2, is interleaved between the silicon and the catalyst metal. In this case, unfortunately, the metal grows without a defined crystallographic orientation, resulting in polycrystalline. The same occurs for graphene, with a high density of crystallographic defects, largely present near the grain boundaries of metal crystallites.
In figura 1 è mostrato un esempio di struttura di supporto a film metallico per il deposito di grafene, indicata nel suo complesso con il riferimento numerico 10, ottenuta con tale tecnica che impiega film metallici. Partendo dal basso, è previsto un substrato 14 di silicio cristallino, su cui è cresciuto uno strato di ossido di silicio 13. Su di esso è depositato quindi uno strato metallico 12, nell’esempio mostrato uno strato metallico di rame policristallino. Su tale strato 12 vengono depositati strati monoatomici di grafene 11. Figure 1 shows an example of a metal film support structure for the deposition of graphene, indicated as a whole with the numerical reference 10, obtained with this technique that uses metal films. Starting from the bottom, a crystalline silicon substrate 14 is provided, on which a layer of silicon oxide 13 has grown. A metallic layer 12 is then deposited on it, in the example shown a metallic layer of polycrystalline copper. Monatomic layers of graphene 11 are deposited on this layer 12.
Un ulteriore inconveniente è associato al successivo trasferimento del grafene dal supporto a film metallico 10, che si rende necessario per il suo impiego in dispositivi elettronici. Il metallo sottostante dello strato metallico 12, infatti, è in grado di iniettare elettroni negli strati di grafene 11, spostando il suo livello di Fermi dalla sua posizione intrinseca, vale a dire il punto di Dirac. In altre regioni dello spazio Energia-Momento, la relazione lineare tra queste due grandezze non risulta più verificata, e le proprietà elettroniche del grafene degradano vistosamente. Inoltre, per trasferire il grafene su altri substrati isolanti, come illustrato con riferimento alla figura 2, è previsto di procedere alla dissoluzione chimica dello strato di metallo 12 tramite una soluzione di rimozione 22 in un bagno 22, al fine di ottenere il galleggiamento del fiocco di grafene, che viene raccolto mediante un substrato di arrivo 23. Generalmente si provvede a depositare uno strato di polimero 21 (ad esempio poli-metil-metacrilato) sul grafene 11, al fine di irrobustirlo ed evitare fratture durante il galleggiamento e la raccolta. Nonostante questo accorgimento, il processo è scarsamente ripetibile e non permette di stabilire a priori la zona del substrato dove il grafene verrà a depositarsi. Il polimero viene in seguito rimosso tramite solventi, come descritto ad esempio nella pubblicazione di X. Li, Y. Zhu, W. Cai, M. Borysiak, B. Han, D. Chen, R. D. Piner, L. Colombo, e R. S. Ruoff, «Transfer of Large-Area Graphene Films for High-Performance Performance Transparent Conductive Electrodes», Nano Lett., vol. 9, n. 12, pagg. A further drawback is associated with the subsequent transfer of graphene from the metal film support 10, which is necessary for its use in electronic devices. The underlying metal of the metal layer 12, in fact, is able to inject electrons into the graphene layers 11, displacing its Fermi level from its intrinsic position, namely the Dirac point. In other regions of the Energy-Moment space, the linear relationship between these two quantities is no longer verified, and the electronic properties of graphene degrade dramatically. Furthermore, to transfer the graphene onto other insulating substrates, as illustrated with reference to Figure 2, it is envisaged to proceed with the chemical dissolution of the metal layer 12 by means of a removal solution 22 in a bath 22, in order to obtain floatation of the flock. of graphene, which is collected by means of a target substrate 23. Generally, a layer of polymer 21 (for example poly-methyl-methacrylate) is deposited on the graphene 11, in order to strengthen it and avoid fractures during floating and collection. Despite this expedient, the process is scarcely repeatable and does not allow to establish a priori the area of the substrate where the graphene will be deposited. The polymer is then removed by solvents, as described for example in the publication by X. Li, Y. Zhu, W. Cai, M. Borysiak, B. Han, D. Chen, R. D. Piner, L. Colombo, and R. S. Ruoff , "Transfer of Large-Area Graphene Films for High-Performance Performance Transparent Conductive Electrodes", Nano Lett., Vol. 9, no. 12, pp.
4359–4363, dic. 2009. 4359-4363, Dec. 2009.
Infine, per realizzare dispositivi sul grafene trasferito è necessario sottoporlo a processi di litografia, ottica o a fascio elettronico, ricoprendo nuovamente tramite un polimero sensibile, ed esponendolo a radiazione UV o ad un fascio elettronico. Tali trattamenti presenta l’ulteriore inconveniente di ridurre in grande misura la qualità elettronica del grafene. Finally, to make devices on the transferred graphene it is necessary to subject it to lithography, optical or electron beam processes, re-coating it with a sensitive polymer, and exposing it to UV radiation or an electron beam. These treatments have the further drawback of greatly reducing the electronic quality of graphene.
Scopo e sintesi Purpose and summary
Le forme di attuazione qui descritte hanno lo scopo di migliorare le potenzialità dei procedimenti secondo la tecnica nota come discussi in precedenza. The embodiments described here have the purpose of improving the potential of the processes according to the known art as discussed above.
Varie forme di attuazione raggiungono tale scopo grazie ad un procedimento avente le caratteristiche richiamate nelle rivendicazioni che seguono. Varie forme di attuazione possono riferirsi anche a corrispondenti sistemi di formazione di strati di grafene così come possono riferirsi ad uno strato di grafene prodotto tramite detto procedimento, a una struttura di supporto per il deposito di uno strato di grafene per decomposizione di molecole contenenti atomi di carbonio, o a una struttura di grafene su supporto. Various embodiments achieve this purpose thanks to a method having the characteristics referred to in the following claims. Various embodiments may also refer to corresponding graphene layer formation systems as well as refer to a graphene layer produced by means of said process, to a support structure for the deposition of a graphene layer by decomposition of molecules containing atoms of carbon, or to a graphene structure on support.
Le rivendicazioni formano una parte integrale degli insegnamenti tecnici qui somministrati in relazione all'invenzione. The claims form an integral part of the technical teachings administered herein in relation to the invention.
Breve descrizione delle figure Brief description of the figures
Varie forme di attuazione saranno ora descritte, a puro titolo di esempio, con riferimento alle figure annesse, in cui: Various embodiments will now be described, purely by way of example, with reference to the attached figures, in which:
- la figura 1 e 2 relative all’arte nota sono già state descritte in precedenza e non verrà ulteriormente descritta nel seguito; - Figures 1 and 2 relating to the known art have already been described above and will not be further described below;
- la figura 3 rappresenta un vista schematica di dettaglio di un substrato preparato secondo il procedimento secondo l’invenzione, nella fase appena successiva alla deposizione di grafene ed appena precedente alla fase di trasferimento; - la figura 4 rappresenta una vista schematica del procedimento di trasferimento; - Figure 3 represents a schematic detail view of a substrate prepared according to the process according to the invention, in the phase just after the deposition of graphene and just before the transfer phase; Figure 4 represents a schematic view of the transfer process;
- la figura 5 rappresenta la fase finale del procedimento secondo l’invenzione; - Figure 5 represents the final stage of the process according to the invention;
- la figura 6 mostra un diagramma di flusso rappresentativo di ulteriori operazioni del procedimento secondo l’invenzione. - Figure 6 shows a flowchart representative of further operations of the process according to the invention.
Descrizione dettagliata Detailed description
Nella descrizione che segue vengono forniti numerosi dettagli specifici al fine di consentire la massima comprensione delle forme di attuazione esemplificative. Le forme di attuazione possono essere messe in pratica con o senza dettagli specifici, oppure con altri procedimenti, componenti, materiali, etc. In altre circostanze, strutture materiali od operazioni ben noti non sono mostrati o descritti in dettaglio per evitare di mettere in ombra aspetti delle forme di attuazione. Il riferimento nel corso di questa descrizione ad "una forma di attuazione" significa che una particolare peculiarità, struttura o caratteristica descritta in connessione con la forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Dunque, il ricorrere della frase "in una forma di attuazione" in vari punti nel corso di questa descrizione non è necessariamente riferito alla stessa forma di attuazione. Inoltre, le particolari peculiarità, strutture o caratteristiche possono essere combinate in un qualunque modo conveniente in una o più forme di attuazione. Numerous specific details are provided in the following description in order to allow maximum understanding of the exemplary embodiments. The embodiments can be put into practice with or without specific details, or with other processes, components, materials, etc. In other circumstances, well-known material structures or operations are not shown or described in detail to avoid overshadowing aspects of the embodiments. Reference throughout this description to "an embodiment" means that a particular feature, structure or feature described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment. Thus, the occurrence of the phrase "in one embodiment" at various points throughout this description is not necessarily referring to the same embodiment. Furthermore, the particular features, structures or features can be combined in any convenient way in one or more embodiments.
Le intestazioni ed i riferimenti sono qui forniti solo per convenienza del lettore e non definiscono la portata od il significato delle forme di attuazione. The headings and references are provided herein for the convenience of the reader only and do not define the scope or meaning of the embodiments.
Il procedimento secondo l’invenzione prevede sostanzialmente, per ottenere lo strato cristallino di supporto al deposito dello strato metallico, di rendere porosi strati di materiale semiconduttore applicando un processo elettrochimico tale da creare pori di dimensione nanometrica, preservando la originale orientazione cristallografica del materiale di partenza. In order to obtain the crystalline layer supporting the deposition of the metal layer, the process according to the invention substantially provides for making layers of semiconductor material porous by applying an electrochemical process such as to create nanometric pores, preserving the original crystallographic orientation of the starting material .
Secondo una forma realizzativa preferita dell’invenzione è applicato un processo elettrochimico a substrati di silicio di tipo p, orientati <110>, aventi resistività di alcuni mΩ cm. In questo modo la struttura dei filamenti di silicio dello strato poroso risulta avere diametro di alcuni nanometri e risulta preservare l’orientazione <110> del materiale di partenza. According to a preferred embodiment of the invention, an electrochemical process is applied to p-type silicon substrates, oriented <110>, having resistivity of a few mΩ cm. In this way, the structure of the silicon filaments of the porous layer has a diameter of a few nanometers and preserves the orientation <110> of the starting material.
In figura 3 è rappresentata una struttura di supporto a film metallico per il deposito di grafene 30 ottenuta nell’ambito del procedimento secondo l’invenzione. Figure 3 shows a metal film support structure for the deposition of graphene 30 obtained as part of the process according to the invention.
Con 14 è indicato il substrato di silicio e con 31 uno strato di silicio poroso ossidato, che è stato ottenuto a partire da un wafer di silicio 40. 14 indicates the silicon substrate and 31 indicates an oxidized porous silicon layer, which has been obtained starting from a silicon wafer 40.
Con riferimento al diagramma di flusso di figura 6, nonché alle figure 3-5 che mostrano passi del procedimento secondo l’invenzione, tale procedimento in una forma realizzativa più generale comprende sostanzialmente: With reference to the flow chart of figure 6, as well as to figures 3-5 which show steps of the process according to the invention, this process in a more general embodiment substantially comprises:
- un’operazione 100 di applicazione di un processo elettrochimico a un substrato di silicio 40 per ottenere in esso una porzione o strato poroso; - an operation 100 of applying an electrochemical process to a silicon substrate 40 to obtain a porous portion or layer therein;
- un‘operazione 200 di deposito un film di metallo catalizzatore altamente orientato 32 su tale porzione porosa ottenuta tramite il passo 100; - an operation 200 of depositing a film of highly oriented catalyst metal 32 on this porous portion obtained through the step 100;
- un’operazione 300 di rimozione per via litografica di parte del metallo corrispondente al film di metallo catalizzatore altamente orientato 32. Tale operazione può anche essere opzionale, in quanto serve a definire le geometrie sulle quali si depositano le strutture grafeniche prima del deposito degli strati grafenici. Tali geometrie possono essere alternativamente definite successivamente alla deposizione dello strato grafenico sull’intero film di metallo; - an operation 300 for lithographic removal of part of the metal corresponding to the highly oriented catalyst metal film 32. This operation can also be optional, since it serves to define the geometries on which the graphenic structures are deposited before depositing the layers graphenic. These geometries can be alternatively defined after the deposition of the graphene layer on the entire metal film;
- un’operazione 400 di ossidazione dello strato di silicio poroso per ottenere lo strato di silicio poroso ossidato 31; - an oxidation operation 400 of the porous silicon layer to obtain the oxidized porous silicon layer 31;
- un’operazione 500 di deposito del grafene tramite CVD (Chemical Vapour Deposition) sul film di metallo catalizzatore altamente orientato 32. Se al film di metallo 32 è stato applicata l’operazione di rimozione litografica 300, il grafene cresce solo in corrispondenza delle strutture di metallo rimaste. - a graphene deposit operation 500 by CVD (Chemical Vapor Deposition) on the highly oriented catalyst metal film 32. If the lithographic removal operation 300 has been applied to the metal film 32, the graphene grows only at the structures metal left.
A seguito di tali operazioni si ottiene uno strato mono-atomico o più strati mono-atomici, ossia multiatomici, di grafene 11 compresi nella struttura di supporto a film metallico per il deposito di grafene 30 di figura 3. Following these operations, a mono-atomic layer or more mono-atomic, i.e. multiatomic, layers of graphene 11 are obtained, included in the metal film support structure for the deposit of graphene 30 of figure 3.
Aggiuntivamente, il grafene 11 può essere trasferito e quindi il procedimento aggiuntivamente comprende: Additionally, graphene 11 can be transferred and thus the process additionally comprises:
- un’operazione 600 di trasferimento del grafene 11 su una struttura di supporto 60, che, come mostrato in figura 5, comprende uno strato isolante e eventualmente un secondo substrato di silicio 35. - an operation 600 for transferring the graphene 11 onto a support structure 60, which, as shown in figure 5, comprises an insulating layer and possibly a second silicon substrate 35.
L’operazione 100 di applicazione di un processo elettrochimico a un substrato di silicio 40 per ottenere in esso una porzione o strato poroso comprende ad esempio i seguenti passi: The operation 100 of applying an electrochemical process to a silicon substrate 40 to obtain a porous portion or layer therein includes for example the following steps:
- i wafer 40 di silicio cristallino vengono inizialmente riscaldati ad una temperatura di 400 °C in vuoto per permettere il desorbimento di idrogeno dalla superficie, residuo del trattamento di lucidatura chimica e responsabile di un effetto di riduzione della porosità durante il successivo trattamento elettrochimico; - the crystalline silicon wafers 40 are initially heated to a temperature of 400 ° C in vacuum to allow the desorption of hydrogen from the surface, residue of the chemical polishing treatment and responsible for a porosity reduction effect during the subsequent electrochemical treatment;
- quindi, tali wafer 40 vengono inseriti in una cella elettrochimica, con la faccia inferiore a contatto con un elettrodo metallico e quella superiore esposta ad una soluzione di HF (al 50% in H2O) diluito 1:1 in etanolo. In queste condizioni, a seguito della dissoluzione elettrolitica del materiale polarizzato come anodo, un rateo di dissoluzione r del silicio può essere predetto in maniera molto accurata dalla relazione: - then, these wafers 40 are inserted in an electrochemical cell, with the lower face in contact with a metal electrode and the upper face exposed to a solution of HF (50% in H2O) diluted 1: 1 in ethanol. Under these conditions, following the electrolytic dissolution of the polarized material as anode, a dissolution rate r of the silicon can be predicted very accurately from the relation:
r=J Ar/[P(J)n(J)r e NA] (2) r = J Ar / [P (J) n (J) r e NA] (2)
dove con J è indicata la densità di corrente elettrolitica (in A/cm<2>), con Arè indicata la massa atomica relativa del Si (28,08 g/mol), r è la densità del Si (2,33 g cm<-3>), NAè il numero di Avogadro. where J indicates the electrolytic current density (in A / cm <2>), Ar indicates the relative atomic mass of Si (28.08 g / mol), r is the density of Si (2.33 g cm <-3>), NA is Avogadro's number.
Piccole deviazioni dal comportamento teorico sono possibili a causa del valore della resistività dello stesso. Small deviations from the theoretical behavior are possible due to the resistivity value of the same.
E’ previsto di associare all’operazione di applicare un processo elettrochimico 100, dunque una procedura di calibrazione 110 del sistema, misurando la porosità per via gravimetrica. Allo scopo, sono richieste tre operazioni di pesature, o pesate, la prima del wafer 40 prima della dissoluzione (produce un primo valore di massa m1), la seconda dopo di questa (secondo valore di massa m2), e la terza dopo la completa rimozione dello strato poroso tramite immersione in un reagente alcalino (terzo valore di massa m3). Il valore della porosità è quindi dato da: It is planned to associate the operation of applying an electrochemical process 100, therefore a calibration procedure 110 of the system, measuring the porosity by gravimetric method. For this purpose, three weighing operations are required, the first of the wafer 40 before dissolution (produces a first mass value m1), the second after this (second mass value m2), and the third after the complete removal of the porous layer by immersion in an alkaline reagent (third mass value m3). The porosity value is therefore given by:
r=(m1-m2)/(m1-m3) (3) Lo spessore dello strato poroso può essere misurato tramite misura profilometrica dello scavo residuo a seguito della rimozione per via alcalina. r = (m1-m2) / (m1-m3) (3) The thickness of the porous layer can be measured by profilometric measurement of the residual excavation following alkaline removal.
E’ noto, ad esempio dalla pubblicazione T. Lin, S. Chen, Y. Kao, K. Wang, e S. Iyer, «100-Mum-Wide Silicon-on-Insulator Structures by Si Molecular-Beam Epitaxy Growth on Porous Silicon», Appl. Phys. Lett., vol. 48, n. 26, pagg. It is known, for example from the publication T. Lin, S. Chen, Y. Kao, K. Wang, and S. Iyer, "100-Mum-Wide Silicon-on-Insulator Structures by Si Molecular-Beam Epitaxy Growth on Porous Silicon », Appl. Phys. Lit., vol. 48, n. 26, pp.
1793–1795, giu. 1986, che una struttura con pori di dimensioni nanometriche e definita orientazione cristallografica permette la crescita omo-epitassiale ma anche etero-epitassiale, in quanto i pori favoriscono un rilassamento periodicamente distribuito dello stress causato dai diversi passi reticolari. Dunque, ottenuta a partire dal wafer 40 una struttura con un substrato 33 di silicio e uno strato di silicio poroso 31, avente uno spessore di alcuni mm, ad esempio fra 3 e 10 mm, tipicamente 5 mm, è quindi possibile procedere con la deposizione 200 del film di metallo catalizzatore altamente orientato 32, nell’esempio un film di rame, con spessore preferibilmente sopra i 300 nm con eventuale predeposizione tramite Epitassia da Fascio Molecolare di qualche monolayer di silicio, al fine di ridurre le dimensioni dei pori in superficie, o, in alternativa, un trattamento in idrogeno a temperatura di 1000 °C per incrementare la mobilità degli atomi di silicio sulla superficie dello strato 31 che si ri-arrangiano al fine di ottenere il medesimo risultato. 1793–1795, June 1986, that a structure with nanometric pores and defined crystallographic orientation allows homo-epitaxial but also hetero-epitaxial growth, as the pores favor a periodically distributed relaxation of the stress caused by the different reticular steps. Therefore, having obtained starting from the wafer 40 a structure with a silicon substrate 33 and a porous silicon layer 31, having a thickness of a few mm, for example between 3 and 10 mm, typically 5 mm, it is therefore possible to proceed with the deposition 200 of the highly oriented catalyst metal film 32, in the example a copper film, with a thickness preferably above 300 nm with possible predeposition by Molecular Beam Epitaxy of some silicon monolayer, in order to reduce the size of the pores on the surface, or, alternatively, a treatment in hydrogen at a temperature of 1000 ° C to increase the mobility of the silicon atoms on the surface of the layer 31 which rearrange themselves in order to obtain the same result.
La fase successiva del procedimento oggetto della presente invenzione consiste in un passo di rimozione 300 per via litografica di parte del metallo deposto nello strato 32, al fine di scoprire la superficie porosa dello strato 31 sottostante, o addirittura di definire la forma iniziale dei dispositivi in grafene, direttamente sullo strato di metallo 32 catalizzatore. Tale fase di rimozione litografica 300 prevede, in modo di per sé noto, di deporre sul film di metallo 32 uno strato di polimero (il cosiddetto ‘resist’). La superficie di tale strato di metallo 32 catalizzatore può venir lasciata ricoperta da tale polimero depositato per il processo litografico, oppure viene ricoperta da un apposito film protettivo polimerico, ad esempio PMMA, per evitare la sua ossidazione durante la fase successiva. The next step of the process object of the present invention consists in a removal step 300 by lithographic way of part of the metal deposited in the layer 32, in order to uncover the porous surface of the underlying layer 31, or even to define the initial shape of the devices in graphene, directly on the metal layer 32 catalyst. This lithographic removal step 300 provides, in a per se known manner, to deposit a layer of polymer (the so-called 'resist') on the metal film 32. The surface of this catalyst metal layer 32 can be left covered by this deposited polymer for the lithographic process, or it is covered with a suitable polymeric protective film, for example PMMA, to avoid its oxidation during the subsequent phase.
Tale fase successiva corrisponde all’operazione di ossidazione 400 del silicio poroso. Il supporto 30 viene immerso in una cella elettrochimica 37 dove è presente una soluzione ossidante 36, ad esempio pentaborato di ammonio in glicole etilenico e acqua, che entrando in contatto con la porzione porosa 31, penetra al suo interno e la ossida completamente. L’espansione volumica associata alla crescita dell’ossido viene compensata dalla porosità iniziale dello strato 31, permettendo quindi di ottenere un ossido compatto o di bassa porosità. Lo strato di metallo 32 sovrastante, per contro, può subire una leggera ossidazione all’interfaccia con lo strato di silicio poroso 31, ma la sua superficie risulta protetta dal film polimerico di cui al passo precedente. Essendo il procedimento di ossidazione realizzato a temperatura ambiente, l’orientazione cristallografica dello strato metallico non viene modificata dalla conversione del Si in SiO2. This subsequent phase corresponds to the oxidation operation 400 of the porous silicon. The support 30 is immersed in an electrochemical cell 37 where there is an oxidizing solution 36, for example ammonium pentaborate in ethylene glycol and water, which, upon coming into contact with the porous portion 31, penetrates inside and oxidizes it completely. The volumic expansion associated with the growth of the oxide is compensated by the initial porosity of the layer 31, thus allowing to obtain a compact or low porosity oxide. The overlying metal layer 32, on the other hand, may undergo a slight oxidation at the interface with the porous silicon layer 31, but its surface is protected by the polymeric film referred to in the previous step. Since the oxidation process is carried out at room temperature, the crystallographic orientation of the metal layer is not changed by the conversion of Si into SiO2.
Il supporto 30 viene quindi sottoposto nell’operazione 500 ad un flusso di molecole contenenti carbonio a temperature superiori ai 650 °C in una camera a vuoto, secondo un processo conosciuto in letteratura come CVD (Chemical Vapor Deposition), ottenendo la deposizione di uno o più layer monoatomici di grafene, che compongono lo strato 11 di grafene. The support 30 is then subjected in operation 500 to a flow of molecules containing carbon at temperatures above 650 ° C in a vacuum chamber, according to a process known in the literature as CVD (Chemical Vapor Deposition), obtaining the deposition of one or more multiple monatomic layers of graphene, which make up layer 11 of graphene.
Secondo un aspetto principale della presente invenzione dunque, nel procedimento di preparazione del supporto 30 si riesce ad utilizzare strati metallici orientati cristallograficamente, senza le conseguenze della diffusione dello stesso nel silicio. Questo a causa dell’impiego dello strato 31 di silicio poroso che, pur mantenendo l’orientazione cristallografica, è facilmente convertibile in una fase successiva in ossido compatto per via elettrochimica a temperatura ambiente. According to a main aspect of the present invention, therefore, in the preparation process of the support 30 it is possible to use crystallographically oriented metal layers, without the consequences of its diffusion in the silicon. This is due to the use of the porous silicon layer 31 which, while maintaining the crystallographic orientation, is easily convertible in a subsequent phase into compact oxide by electrochemical way at room temperature.
Il grafene di superiore qualità cristallografica viene dunque a depositarsi nelle regioni superficiali coperte dallo strato 32 di metallo catalizzatore, assumendo quindi la forma e le dimensioni di dispositivi definiti in precedenza per via litografica. The graphene of superior crystallographic quality is therefore deposited in the surface regions covered by the layer 32 of catalyst metal, thus assuming the shape and dimensions of devices previously defined by lithography.
Viene quindi eseguita un’operazione 600 di trasferimento del grafene 11. Tale operazione di trasferimento viene effettuata utilizzando un secondo supporto 38 di materiale isolante, oppure di materiale sulla superficie del quale viene deposto uno strato isolante, eventualmente lo stesso utilizzato per permettere l’adesione tra i due substrati. In un esempio realizzativo, può venire impiegato un secondo substrato di silicio 35 sul quale viene depositato uno strato isolante 34b di Poli-Metil-Metacrilato, distribuendo il materiale in forma liquida sul substrato 35 posto ad elevata rotazione su di uno spinner, ed evaporando il solvente mediante riscaldamento. Lo stesso procedimento viene ripetuto sul supporto 30, sul quale è depositato il grafene 31, ottenendo un corrispondente strato isolante 34a, ad esempio di Poli-Metil-Metacrilato. Tali strati 34a e 34b hanno ad esempio ciascuno spessore di circa 1 mm. A graphene 11 transfer operation 600 is then performed. This transfer operation is carried out using a second support 38 of insulating material, or of material on the surface of which an insulating layer is deposited, possibly the same one used to allow adhesion between the two substrates. In an embodiment, a second silicon substrate 35 can be used on which an insulating layer 34b of Poly-Methyl-Methacrylate is deposited, distributing the material in liquid form on the substrate 35 placed at high rotation on a spinner, and evaporating the solvent by heating. The same procedure is repeated on the support 30, on which the graphene 31 is deposited, obtaining a corresponding insulating layer 34a, for example of Poly-Methyl-Methacrylate. Such layers 34a and 34b each have a thickness of about 1 mm, for example.
Conseguentemente, il secondo substrato 35 e il supporto 30 vengono posti a contatto e sottoposti a valori di pressione e temperatura, di per sé noti, ad esempio da P. Ramm, J. J.-Q. Lu, e M. M. V. Taklo, Handbook of Wafer Bonding. John Wiley & Sons, 2011, al fine di raggiungere la transizione vetrosa dei due depositi di adesione, ossia gli strati isolanti 34a e 34b e favorirne l’incollaggio. Consequently, the second substrate 35 and the support 30 are placed in contact and subjected to values of pressure and temperature, per se known, for example by P. Ramm, J. J.-Q. Lu, and M. M. V. Taklo, Handbook of Wafer Bonding. John Wiley & Sons, 2011, in order to achieve the glass transition of the two adhesion deposits, namely the insulating layers 34a and 34b, and to facilitate their bonding.
L’operazione di incollaggio determina un assieme o struttura a sandwich 50 che comprende dall’alto verso il basso, il supporto 38 isolante, ossia in particolare il secondo substrato di silicio 35 e lo strato isolante 34, l’ulteriore strato isolante 34, lo strato di grafene 11, lo strato metallico 32, lo strato di silicio poroso ossidato 31 e il primo substrato 33. The gluing operation determines a sandwich assembly or structure 50 which comprises from top to bottom, the insulating support 38, i.e. in particular the second silicon substrate 35 and the insulating layer 34, the further insulating layer 34, the graphene layer 11, the metal layer 32, the oxidized porous silicon layer 31 and the first substrate 33.
In figura 4 è mostrata un’operazione per la rimozione del silicio poroso dal sandwich 50, che prevede la successiva immersione del sandwich 50, per ottenere la dissoluzione chimica, in un bagno 40 di HF diluito in H2O dello strato di silicio poroso ossidato 31. Figure 4 shows an operation for the removal of the porous silicon from the sandwich 50, which involves the subsequent immersion of the sandwich 50, to obtain the chemical dissolution, in a bath 40 of HF diluted in H2O of the oxidized porous silicon layer 31.
In figura 5 è mostrata un’operazione successiva separata di rimozione dello strato metallico 32. Si noti che è possibile operare il distacco dello strato di silicio poroso ossidato 31 anche tramite la sola dissoluzione dello strato metallico 32 che si interpone fra il grafene 11 e lo strato di silicio poroso ossidato 31, ma tale modo di procedere è meno ripetibile del rimuovere prima lo strato di silicio poroso ossidato 31 e poi lo strato metallico 32. Nel caso mostrato in figura 5, una volta rimossa dalla struttura a sandwich 50 dal primo substrato 33 tramite dissoluzione dello strato 31 di silicio poroso ossidato, la dissoluzione del metallo, ad esempio Cu, viene realizzata utilizzando una soluzione per rimuovere il metallo 39, ad esempio FeCl3, lasciando le zone in cui il grafene 11 è stato preventivamente depositato sul substrato isolante di destinazione 38. Figure 5 shows a separate subsequent removal operation of the metal layer 32. It should be noted that it is possible to detach the oxidized porous silicon layer 31 also through the sole dissolution of the metal layer 32 which is interposed between the graphene 11 and the oxidized porous silicon layer 31, but this procedure is less repeatable than removing first the oxidized porous silicon layer 31 and then the metal layer 32. In the case shown in Figure 5, once removed from the sandwich structure 50 from the first substrate 33 by dissolving the oxidized porous silicon layer 31, the dissolution of the metal, for example Cu, is achieved using a solution to remove the metal 39, for example FeCl3, leaving the areas where the graphene 11 has been previously deposited on the insulating substrate destination 38.
In figura 5 è mostrata in particolare una struttura di supporto finale 60, dopo la rimozione dello strato metallico 32. Tale struttura di supporto comprende il secondo substrato cristallino 38 e uno strato di isolante, composto da due strati 34a e 34b isolanti incollati, in particolare strati di PMMA, sul quale è rimasto attaccato lo strato di grafene 11, dopo la rimozione dello strato metallico 32. In generale il secondo substrato cristallino è necessario per fornire il supporto meccanico ai due strati 34a e 34b isolanti incollati. Ad ogni modo, in forme varianti dell’invenzione la struttura di supporto finale 60 può anche essere ridotta, rimuovendo il substrato 38, al solo strato isolante, ad esempio di PMMA, che supporta lo strato di grafene 11. Tale struttura ridotta, per ottenere sufficienti proprietà meccaniche, viene impiegata come elemento di base di un multistrato di strutture ridotte, ossia multistrato comprendente una pluralità di strutture ridotte impilate, costituite da un rispettivo strato isolante (comprendenti gli strati 34a e 34b) e strato di grafene 11. Si ottengono cosi multistrato isolante-grafeneisolante-grafene… fino a raggiungere lo spessore e/o le proprietà meccaniche desiderate. Tale multistrato realizza in questa modo un materiale plastico conduttivo. Figure 5 shows in particular a final support structure 60, after the removal of the metal layer 32. This support structure comprises the second crystalline substrate 38 and an insulating layer, composed of two bonded insulating layers 34a and 34b, in particular layers of PMMA, on which the graphene layer 11 has remained attached, after the removal of the metal layer 32. In general, the second crystalline substrate is necessary to provide mechanical support to the two bonded insulating layers 34a and 34b. In any case, in variant forms of the invention the final support structure 60 can also be reduced, by removing the substrate 38, to only the insulating layer, for example of PMMA, which supports the graphene layer 11. This reduced structure, to obtain sufficient mechanical properties, it is used as the basic element of a multilayer of reduced structures, that is, multilayer comprising a plurality of stacked reduced structures, consisting of a respective insulating layer (comprising layers 34a and 34b) and layer of graphene 11. The result is thus insulating multilayer-graphene-insulating-graphene… until the desired thickness and / or mechanical properties are reached. This multilayer thus forms a conductive plastic material.
La struttura di supporto 60 quindi reca lo strato di grafene 11, eventualmente già strutturato o da strutturare secondo l’applicazione, e permette il trasporto e la posa in opera dove è necessitato il suo impiego, ad esempio in dispositivi elettronici o sensori. The support structure 60 therefore carries the graphene layer 11, possibly already structured or to be structured according to the application, and allows transport and installation where its use is required, for example in electronic devices or sensors.
Per quanto noto agli inventori, lo strato di grafene 11 è sostanzialmente monocristallino, con un basso grado di difettosità, come dimostrato mediante misure di spettroscopia Raman che indicano la presenza del picco di emissione a 1345 cm<-1>, correlato alla presenza di difetti, avente intensità intorno a qualche percento rispetto al picco a 1580 cm<-1>, la cui intensità dipende dal volume del materiale investigato. As far as the inventors are aware, the graphene layer 11 is substantially monocrystalline, with a low degree of defectiveness, as demonstrated by Raman spectroscopy measurements that indicate the presence of the emission peak at 1345 cm <-1>, correlated to the presence of defects , having an intensity around a few percent with respect to the peak at 1580 cm <-1>, the intensity of which depends on the volume of the investigated material.
L’operazione di rimozione dello strato metallico 32 con soluzione per rimuovere il metallo 39 può essere utilizzata per provvedere al distacco della struttura, inserendovi direttamente il sandwich 50. Infatti, rimuovendo lo strato metallico 32, il silicio poroso 31 e il primo substrato 33 si distaccano dallo strato di grafene 11. Tale operazione risulta in generale però meno ripetibile, essenzialmente a causa del fatto che la soluzione 39 rimuove lo strato metallico in modo poco uniforme, in quanto l’attacco avviene lateralmente e quindi i fenomeni di capillarità impediscono la completa penetrazione della soluzione. Questo fenomeno di capillarità risulta meno importante nel caso del distacco perseguito rimuovendo l’ossido di silicio poroso, in quanto il suo spessore viene scelto di circa 10 volte superiore a quello del film di rame (5 mm invece di 500 nm). The removal operation of the metal layer 32 with solution to remove the metal 39 can be used to provide for the detachment of the structure, by directly inserting the sandwich 50 into it. In fact, by removing the metal layer 32, the porous silicon 31 and the first substrate 33 detach from the graphene layer 11. This operation is, however, generally less repeatable, essentially due to the fact that the solution 39 removes the metal layer in an uneven way, since the etching occurs laterally and therefore the capillarity phenomena prevent complete penetration of the solution. This phenomenon of capillarity is less important in the case of detachment pursued by removing the porous silicon oxide, as its thickness is chosen about 10 times higher than that of the copper film (5 mm instead of 500 nm).
Un eventuale successivo trasferimento su un nuovo substrato può prevedere di ripetere la procedura appena descritta con riferimento alle figura 4 e 5, utilizzando due strati ad esempio di Spin-on-Glass, o Frit-Glass come mezzi di adesione e dissolvendo il Poli-Metil-Metacrilato con un solvente organico, riportando quindi le strutture in grafene 11 su di un substrato di silicio ossidato. I dispositivi quindi possono essere realizzati con la tecnologia standard della microelettronica ed eventualmente messi in comunicazione con altri dispositivi a semiconduttore tradizionali realizzati sulla stessa fetta di silicio di destinazione. Any subsequent transfer onto a new substrate may require repeating the procedure just described with reference to figures 4 and 5, using two layers, for example, of Spin-on-Glass, or Frit-Glass as adhesion means and dissolving the Poly-Methyl -Methacrylate with an organic solvent, thus bringing back the structures in graphene 11 on an oxidized silicon substrate. The devices can therefore be made with the standard technology of microelectronics and possibly put in communication with other traditional semiconductor devices made on the same target silicon wafer.
Dunque da quanto descritto sono chiari i vantaggi dell’invenzione. Therefore, the advantages of the invention are clear from what has been described.
Il procedimento secondo l’invenzione permette vantaggiosamente di operare senza aumenti di volume e senza modificazioni della qualità cristallografica del metallo soprastante. The process according to the invention advantageously allows to operate without increases in volume and without changes in the crystallographic quality of the overlying metal.
Il procedimento secondo l’invenzione permette vantaggiosamente di ottenere strati di grafene con elevata qualità cristallografica e ridotta percentuale di difetti causata dai bordi di grano del sottostante strato di metallo catalizzatore. The process according to the invention advantageously allows to obtain layers of graphene with high crystallographic quality and a reduced percentage of defects caused by the grain boundaries of the underlying catalyst metal layer.
Vantaggiosamente la deposizione di grafene può essere effettuata a temperature superiori a 650 °C senza provocare la diffusione del metallo all’interno del substrato e permette la deposizione dello strato desiderato. Advantageously, the deposition of graphene can be carried out at temperatures above 650 ° C without causing the diffusion of the metal within the substrate and allows the deposition of the desired layer.
Lo strato grafenico vantaggiosamente risulta protetto e mai esposto durante il processo di trasferimento a reagenti chimici aggressivi che ne possono condizionare la qualità. The graphene layer is advantageously protected and never exposed during the transfer process to aggressive chemical reagents that can affect its quality.
Il procedimento secondo l’invenzione vantaggiosamente permette di definire dispositivi in grafene già sul substrato impiegato per la formazione, al fine di evitare il danneggiamento del grafene stesso, se esposto a radiazioni. The process according to the invention advantageously allows to define graphene devices already on the substrate used for the formation, in order to avoid damage to the graphene itself, if exposed to radiation.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i dettagli e le forme di attuazione possono variare, anche in modo rilevante, rispetto a quanto qui descritto a puro titolo di esempio, senza discostarsi dall'ambito di protezione. Tale ambito di protezione è definito dalle rivendicazioni annesse. Naturally, the principle of the invention remaining the same, the details and embodiments can vary, even significantly, with respect to what is described here purely by way of example, without departing from the scope of protection. This scope of protection is defined by the attached claims.
Il procedimento per la formazione di strati di grafene secondo l’invenzione prevede di impiegare preferibilmente quale semiconduttore da rendere poroso il silicio cristallino, ma non è escluso che possa essere impiegato un altro semiconduttore atto a essere reso poroso, ad esempio GaAs. The process for the formation of graphene layers according to the invention envisages preferably using crystalline silicon as the semiconductor to make porous, but it is not excluded that another semiconductor capable of being made porous, for example GaAs, may be used.
Lo strato di grafene o la struttura di grafene su supporto comprendente uno strato di isolante, preferibilmente, ma non esclusivamente, come discusso in precedenza, su un substrato di semiconduttore cristallino e uno strato mono-atomico o multi-atomico di grafene si prestano a molteplici applicazioni. Ad esempio, un’applicazione è costituita dalla possibilità di integrare dispositivi elettronici in silicio con quelli in grafene, come nel campo della spintronica, in quanto la lunghezza di coerenza del singolo spin risulta la più alta misurata finora. Il materiale grafene prodotto e trasferito su silicio secondo il procedimento secondo l’invenzione The graphene layer or graphene structure on support comprising an insulator layer, preferably, but not exclusively, as discussed above, on a crystalline semiconductor substrate and a mono-atomic or multi-atomic layer of graphene lend themselves to multiple applications. For example, an application consists of the possibility of integrating electronic devices in silicon with those in graphene, as in the field of spintronics, since the coherence length of the single spin is the highest measured so far. The graphene material produced and transferred to silicon according to the process according to the invention
permette di associare, su singolo chip, dispositivi tradizionali basati sul trasporto di carica con quelli basati su trasporto di spin, permettendo l’elaborazione di una elevata quantità di informazioni. Lo stesso grafene può essere più semplicemente utilizzato per le piste di contattatura dei dispositivi in luogo del rame, il quale presenta noti problemi di elettromigrazione, che sono una delle principali cause di guasti nell’elettronica integrata. Il grafene, date le sue proprietà di elevatissima trasparenza ottica, associata ad una elevata conducibilità, può venire depositato su celle fotovoltaiche, in silicio o altro materiale, come contatto esposto alla radiazione solare, o negli schermi touchscreen. Altre applicazioni, che sfruttano sempre l’integrazione con la elettronica in silicio, riguardano il campo della sensoristica, secondo un approccio Lab-on-Chip, dove l’elemento sensore, o una schiera di differenti sensori (fisici, chimici e biologici), viene integrato con l’elettronica di processo. it allows to associate, on a single chip, traditional devices based on charge transport with those based on spin transport, allowing the processing of a large amount of information. Graphene itself can be used more simply for the contact tracks of devices in place of copper, which has known electromigration problems, which are one of the main causes of failures in integrated electronics. Graphene, given its properties of very high optical transparency, associated with a high conductivity, can be deposited on photovoltaic cells, in silicon or other material, as a contact exposed to solar radiation, or in touchscreen screens. Other applications, which always exploit integration with silicon electronics, concern the field of sensors, according to a Lab-on-Chip approach, where the sensor element, or an array of different sensors (physical, chemical and biological), it is integrated with the process electronics.
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
IT000712A ITTO20130712A1 (en) | 2013-09-03 | 2013-09-03 | PROCEDURE FOR THE FORMATION OF LAYERS OF GRAPHENE, IN PARTICULAR MONO- AND MULTI-ATOMIC, AND RELATIVE SYSTEM OF FORMATION OF GRAFENE LAYERS |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
IT000712A ITTO20130712A1 (en) | 2013-09-03 | 2013-09-03 | PROCEDURE FOR THE FORMATION OF LAYERS OF GRAPHENE, IN PARTICULAR MONO- AND MULTI-ATOMIC, AND RELATIVE SYSTEM OF FORMATION OF GRAFENE LAYERS |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
ITTO20130712A1 true ITTO20130712A1 (en) | 2015-03-04 |
Family
ID=49354850
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
IT000712A ITTO20130712A1 (en) | 2013-09-03 | 2013-09-03 | PROCEDURE FOR THE FORMATION OF LAYERS OF GRAPHENE, IN PARTICULAR MONO- AND MULTI-ATOMIC, AND RELATIVE SYSTEM OF FORMATION OF GRAFENE LAYERS |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
IT (1) | ITTO20130712A1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009129194A2 (en) * | 2008-04-14 | 2009-10-22 | Massachusetts Institute Of Technology | Large-area single- and few-layer graphene on arbitrary substrates |
-
2013
- 2013-09-03 IT IT000712A patent/ITTO20130712A1/en unknown
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009129194A2 (en) * | 2008-04-14 | 2009-10-22 | Massachusetts Institute Of Technology | Large-area single- and few-layer graphene on arbitrary substrates |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
D. AKINWANDE ET AL: "(Invited) Rethinking High-Performance CVD Graphene Nanoelectronics on Oxidized Silicon", ECS TRANSACTIONS, vol. 53, no. 1, 3 May 2013 (2013-05-03), pages 3 - 7, XP055117142, ISSN: 1938-6737, DOI: 10.1149/05301.0003ecst * |
MARCO PIAZZI ET AL: "Laser-induced etching of few-layer graphene synthesized by Rapid-Chemical Vapour Deposition on Cu thin films", SPRINGER PLUS 2012, 1:52, 1 January 2012 (2012-01-01), pages 1 - 10, XP055117136, Retrieved from the Internet <URL:http://www.springerplus.com/content/pdf/2193-1801-1-52.pdf> [retrieved on 20140509] * |
MIN-CHIANG CHUANG ET AL: "Local anodic oxidation kinetics of chemical vapor deposition graphene supported on a thin oxide buffered silicon template", CARBON, vol. 54, 1 April 2013 (2013-04-01), pages 336 - 342, XP055117150, ISSN: 0008-6223, DOI: 10.1016/j.carbon.2012.11.045 * |
XUELEI LIANG ET AL: "Toward Clean and Crackless Transfer of Graphene", ACS NANO, vol. 5, no. 11, 22 November 2011 (2011-11-22), pages 9144 - 9153, XP055117159, ISSN: 1936-0851, DOI: 10.1021/nn203377t * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Schranghamer et al. | Review and comparison of layer transfer methods for two-dimensional materials for emerging applications | |
Jeong et al. | Heterogeneous defect domains in single‐crystalline hexagonal WS2 | |
KR101529012B1 (en) | Method for Transferring Graphene Nondestructively with Low Cost | |
JP5872557B2 (en) | Large-scale graphene sheet, article incorporating the same, composition, method and apparatus | |
US6359288B1 (en) | Nanowire arrays | |
US20060138394A1 (en) | Structure having pores, device using the same, and manufacturing methods therefor | |
Alper et al. | Semiconductor nanowires directly grown on graphene–towards wafer scale transferable nanowire arrays with improved electrical contact | |
TWI526559B (en) | Process for forming carbon film or inorganic material film on substrate by physical vapor deposition | |
CN107539976A (en) | A kind of method that carbon dioxide prepares ultra-clean graphene | |
Sun et al. | Electrochemical bubbling transfer of graphene using a polymer support with encapsulated air gap as permeation stopping layer | |
KR101523172B1 (en) | Method for manufacturing metal-chalcogenides thin film and metal-chalcogenides thin film prepared thereby | |
KR102268992B1 (en) | Method of manufacturing a partially freestanding graphene crystal film and device comprising such a film | |
Lu et al. | Photoelectrical properties of insulating LaAlO 3–SrTiO 3 interfaces | |
KR101741313B1 (en) | Doping method of graphene based on a supporting layer with ion implantation | |
KR20120095553A (en) | Electric device of using graphene, photovoltaic device of using the same and method of manufacturing the photovoltaic device using the same | |
Houng et al. | Characterization of the nanoporous template using anodic alumina method | |
Colibaba et al. | Features of nanotemplates manufacturing on the II-VI compound substrates | |
Gorokh et al. | Indium antimonide nanowires arrays for promising thermoelectric converters | |
ITTO20130712A1 (en) | PROCEDURE FOR THE FORMATION OF LAYERS OF GRAPHENE, IN PARTICULAR MONO- AND MULTI-ATOMIC, AND RELATIVE SYSTEM OF FORMATION OF GRAFENE LAYERS | |
Miseikis et al. | Perfecting the growth and transfer of large single-crystal CVD graphene: a platform material for optoelectronic applications | |
Bazrafkan et al. | Electrical behavior of free-standing porous silicon layers | |
CN102709177B (en) | Method for growing high k dielectric on graphene by adopting rhodamine as buffering layer | |
Kong et al. | Heteroepitaxy of large-area, monocrystalline lead halide perovskite films on gallium arsenide | |
KR102183047B1 (en) | Method for doping of graphene films by using graphene oxides | |
KR101648895B1 (en) | Residue free transfer method of graphene/metal samples pasted by limited polymer line |