TW201934479A - 製造石墨烯結構和元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種生產具有自1至100個石墨烯層之石墨烯層結構之方法，所述方法包含以下步驟：於反應腔室中之經加熱基座上提供基板，基板具有的熱阻等於或大於藍寶石之熱阻，腔室具有複數個經冷卻入口，該等入口經佈置而使得，在使用中，該等入口跨基板分佈並與基板具有恆定間隔；供應包含前驅物化合物之流體通過入口並進入反應腔室，從而分解前驅物化合物並於基板上形成石墨烯，其中入口經冷卻至低於100 °C，較佳為50至60 °C，且基座經加熱至超過前驅物之分解溫度至少50 °C之溫度；使用雷射以從基板選擇性地剝蝕石墨烯，其中雷射具有超過600 nm之波長，及小於50瓦之功率。

Description

製造石墨烯結構和元件的方法
本發明涉及製造石墨烯層結構的方法和包含石墨烯層結構的元件。特別地，本發明的方法提供了用於批量生產包含石墨烯層結構之元件的改良方法。
石墨烯是一種眾所周知的材料，該材料在理論上特殊的性質驅動了大量的建議應用。這些性質和應用的良好實例在A.K. Geim和K. S. Novoselev的「The Rise of Graphene」，Nature Materials，vol. 6，March 2007，183 - 191中有詳細描述。
WO2017/029470 (其內容通過引用併入本文)揭示了用於生產二維材料的方法。具體地，WO 2017/029470揭示了一種生產諸如石墨烯之二維材料的方法，包含：將保持在反應腔室內的基板加熱到在前驅物的分解範圍內之溫度，且所述溫度允許從被分解的前驅物釋放之物種形成石墨烯；建立陡峭的溫度梯度(較佳 ＞ 1000 °C/米)，所述溫度梯度遠離基板表面朝向前驅物的入口延伸；以及通過相對冷的入口並跨越溫度梯度朝向基板表面引入前驅物。可以使用氣相磊晶(VPE)系統和金屬-有機化學氣相沉積(MOCVD)反應器來執行WO 2017/029470的方法。
WO2017/029470的方法提供了具有許多有利特性的二維材料，包括：非常好的晶體品質；材料顆粒尺寸大；最小的材料缺陷；片材尺寸大；且可自我支撐(self-supporting)。然而，仍需要從二維材料製造元件的快速且低成本的處理方法。
Mackenzie等人在2D materials，vol. 2，2015，045003之「Fabrication of CVD graphene-based devices via laser ablation for wafer-scale characterization」的第2至6頁揭示了用於製造元件之晶圓級石墨烯膜的選擇性雷射剝蝕。Journal of Laser Applications，vol. 28，2016，022202等之「Evaluating femtosecond laser ablation of graphene on SiO2/Si substrate」揭示了石墨烯的微圖案化。這些參考文獻都涉及了設置在二氧化矽基板上之預形成的石墨烯層。石墨烯不是以整體方式形成在基板上，而因此不與基板表面物理性或化學性鍵結，這對雷射與石墨烯的相互作用具有顯著影響。
本發明之一目的是提供用於生產石墨烯層結構之改良方法，所述方法能克服或基本上減少與先前技術相關的問題，或至少提供一種商業上有用的替代方案。
因此，本發明提供一種用於生產石墨烯層結構之方法，所述石墨烯層結構具有自1至100個，較佳為1至40個，更佳為1至10個石墨烯層，所述方法包含以下步驟：
於反應腔室中之經加熱基座上提供基板，基板具有熱阻等於或大於藍寶石之熱阻，腔室具有複數個經冷卻入口經佈置而使得，在使用中，該等入口跨基板分佈並與基板具有恆定間隔，
供應包含前驅物化合物之流體通過該等入口並進入反應腔室，從而分解前驅物化合物並於基板上形成石墨烯，其中該等入口經冷卻至低於100 °C，較佳為50至60 °C，且基座經加熱至超過前驅物之分解溫度至少50 °C的溫度，
使用雷射以從基板選擇性地剝蝕石墨烯，
其中雷射具有超過600 nm之波長及小於50瓦之功率。
現在將進一步描述本揭示內容。在以下段落中，更詳細地定義了本公開的不同方面/實施例。除非有明確的相反指示，否則如此界定之各方面/實施例可與任何其他方面/實施例或多個方面/多個實施例組合。具體而言，任何被指示為較佳或有利的特徵可與任何其他被指為較佳或有利的特徵或多個特徵組合。
發明人已發現到，若石墨烯生長在正確的基板上，則可以有效率且有效地雷射蝕刻來生產具有複雜界定之幾何形貌的石墨烯結構。此意味著可在基板上由連續的石墨烯層形成完整的電路系統或特定的元件。因此，元件的跡線和佈線可完全由石墨烯形成，而具有與石墨烯的電氣性質相關之所有優點。事實上，發明人已發現到，可使用所述方法來從所生長之石墨烯層結構製造單件霍爾感測器。
本揭示內容與用於生產石墨烯層結構之方法有關，所述石墨烯層結構具有從1至100個石墨烯層，較佳為1至40個石墨烯層，更佳為1至10個。存在的層越多，則觀察到的電氣特性越好。石墨烯是本案所屬技術領域中眾所周知的術語，且是指稱碳的同素異形體，其包含六方晶格中之單層碳原子。本文所用之術語「石墨烯」涵蓋了包含彼此堆疊之多個石墨烯層的結構。本文中之術語「石墨烯層」用於指稱石墨烯單層。所述石墨烯單層可經摻雜或未經摻雜。本文揭示之石墨烯層結構與石墨不同，因為層結構可保持類石墨烯特性。
本文所述之方法包含提供基板之第一步驟，所述基板具有之熱阻等於或大於藍寶石之熱阻。發明人已發現到，使用具有高熱阻之基板可允許石墨烯層被剝蝕而不會損壞下方基板。此意味著可在基板的表面上形成佈線軌跡或元件。然後可以透過習用手段切割基板本身，以形成單獨的晶片或元件。
本發明之方法的基板可為任何已知的MOCVD或VPE基板，只要所述基板具有之熱阻等於或大於藍寶石之熱阻即可。較佳的是，基板提供晶態表面，而石墨烯在所述表面上產生，因為有次序的晶格位點提供了規則的成核位點陣列，促進形成良好的石墨烯結晶過度生長。最佳的基板可提供高密度的成核位點。用於半導體沉積之基板之規則的可重複晶格是理想的，原子階狀表面提供擴散阻障物。較佳的基板包含藍寶石或碳化矽，較佳為藍寶石。其他合適的基板可包括矽、鑽石、氮化物半導體材料(AlN、AlGaN、GaN、InGaN及所述材料之複合物)、砷化物/磷化物半導體(GaAs、InP、AlInP及所述材料之複合物)，前提是基板所具有之熱阻等於或大於藍寶石之熱阻。
術語「MOCVD」用於描述供在基板上沉積層之特定方法所用的系統。雖然首字母縮寫代表金屬有機化學氣相沉積，但MOCVD為本案所屬技術領域中之術語，且可被理解為涉及一般製程和供所述製程所用之設備，且不必然被認為限於使用金屬有機反應物或限於生產金屬有機材料。反之，此術語的使用向本案所屬技術領域中具有通常知識者指出一組通用的製程及設備特徵。由於系統複雜度及準確性等特性，MOCVD能與CVD技術進一步區別。儘管CVD技術允許以直接的化學計量和結構進行反應，但MOCVD允許產生複雜的化學計量和結構。至少在氣體分佈系統、加熱及溫度控制系統和化學控制系統等特性方面，MOCVD系統與CVD系統相異。MOCVD系統的成本是典型CVD系統的至少10倍。無法使用CVD技術來達成高品質的石墨烯層結構。
MOCVD也可輕易地與原子層沉積(ALD)技術區別。ALD依賴試劑之逐步反應，加上居間的沖洗步驟用以去除不需要的副產物及/或過量的試劑。其不依賴氣相中之試劑的分解或解離。其特別不適合使用具有低蒸氣壓力的試劑，如矽烷，因為會花費過量的時間來從反應腔室去除所述試劑。
熱阻的測量為本案所屬技術領域中所熟知，且技術包括ASTM E1225，還有瞬態平面源方法(transient plane source method)、瞬態線源方法、雷射閃光方法、3ω方法和時域熱反射方法(time-domain thermoreflectance method)。與藍寶石相比之熱阻的測量是基於具有相同尺寸之基板，且在執行雷射剝蝕步驟的條件(即，較佳為標準溫度和壓力)下進行。
最佳為3ω方法。在此方法中，透過石墨烯加熱器線驅動的頻率ω之電流和交流電流Iω引起頻率為2ω的加熱。週期性加熱產生熱波(thermal wave)；源處之溫度振盪的幅度取決於周圍環境的熱性質。週期性溫度振盪跟隨週期性加熱，並以頻率2ω發生，但在相位ϕ中延遲。此溫度振盪接著導致石墨烯加熱器的電阻以2ω振盪。由於以頻率ω驅動電流且以頻率2ω改變電阻之故，產生了3ω之電壓。3ω電壓可直接測量，並提供了有關於石墨烯加熱器線之熱環境的資訊。
通常，較佳的是具有盡可能薄的基板，以在石墨烯生產期間確保跨基板之熱均勻性。較佳的厚度為50至300微米，較佳為100至200微米，且更佳為約150微米。然而，更厚的基板也可行，且厚的矽晶圓達2mm厚。然而，基板的最小厚度部分地取決於基板的機械性質和基板被加熱之最大溫度。基板的最大面積由緊密耦接式反應腔室的尺寸決定。較佳的是基板具有至少2吋之直徑，較佳為2至24吋，且更佳為6至12吋。可在生長之後切割此基板，以使用任何已知方法形成單獨元件。可在生長之後切割此基板，以使用任何已知方法形成單獨元件。
如本文所述，在反應腔室中之經加熱基座上提供基板。適用於本案之方法的合適反應器為習知，並包括能將基板加熱至所需溫度之經加熱基座。基座可包含電阻式加熱元件或其他用於加熱基板的手段。
腔室具有複數個冷卻入口，所述冷卻入口經佈置而使得，在使用中，所述入口跨基板分佈並與基板具有恆定間隔。可以水平層流(horizontal laminar flow)或可以實質上垂直的方式提供包含前驅物化合物之流體。適用於此類反應器之入口是眾所周知的，且包括可從Aixtron獲得之行星(Planetary)反應器和噴灑頭(Showerhead)反應器。
介於其上形成石墨烯之基板表面與直接位於基板表面上方之反應器壁之間的間隔對反應器熱梯度具有顯著影響。較佳是，熱梯度盡可能的陡峭而與較佳為盡可能小的間距相關聯。較小的間距改變了基板表面處的邊界層條件，這又促進了石墨烯層形成的均勻性。較小的間距也是高度較佳的，因其允許精確控制製程變因，例如透過較低的輸入通量、較低的反應器溫度及因此所致之基板溫度而減少前驅物消耗，而較低的基板溫度減少了基板中之應力和不均勻性，致使在基板表面上產生更均勻的石墨烯，並因此，在大多數情況下，顯著減少了製程時間。
實驗表明，約100mm的最大間距是合適的。然而，使用等於或小於約20mm (如1至5mm)等小得多之間距可生產更可靠且品質更佳之二維晶態材料；等於或小於約10mm的間距促進在基板表面附近形成更強的熱電流，此提高了生產效率。
當使用具有相對低的分解溫度之前驅物，使得在前驅物入口之溫度下前驅物之分解程度可能小於可忽略的程度，則極佳的是10mm以下的間距，以最小化前驅物到達基板所需的時間。
在生產方法期間，經由入口供應包含前驅物化合物之流體並進入反應腔室，從而分解前驅物化合物並於基板上形成石墨烯。包含前驅物化合物之流體可進一步包含稀釋氣體。下文將更詳細地討論合適的稀釋氣體。
較佳的前驅物化合物為烴。較佳的是在室溫下為液體的烴，且最佳為C5 至C10 烷烴。較佳是使用簡單的烴，因為這提供了純碳源，而氣態氫則為副產物。此外，由於烴在室溫下為液體，因此可以用低成本獲得高純度液體形式的烴。較佳的前驅物化合物為己烷。
當前驅物通過經加熱之基板時，前驅物較佳處於氣相。有兩個變因需要考慮：緊密耦接式反應腔室內的壓力，及進入腔室之氣體流速。
較佳壓力的選擇取決於所選之前驅物。一般而言，當使用具有更高分子複雜度之前驅物時，使用較低的壓力(如，小於500 mbar)可觀察到改善的二維晶態材料品質和生產速率。理論上而言，壓力越低越好，但非常低的壓力(如，小於200 mbar)所帶來的益處將被非常緩慢的石墨烯形成速率所抵銷。
相反地，對於較不複雜的分子前驅物而言，較高的壓力是較佳的。舉例而言，當使用甲烷作為前驅物用於石墨烯生產時，600 mbar或更高的壓力可能是合適的。通常，不預期使用大於大氣壓之壓力，因為其對基板表面動力學和對系統施加的機械應力有不良影響。可通過簡單的經驗實驗為任何前驅物選擇合適的壓力，所述實驗可涉及，例如，使用50 mbar、950 mbar及前兩者之間的等距離間隔的其他三個相應壓力之五個測試運行。接著可在早先運行中確定的區間內之壓力下進行進一步的運行，以縮小最合適的範圍作為最合適者。就己烷而言，較佳的壓力為自50至800 mbar。
可用前驅物流速來控制石墨烯沉積速率。所選之流速將取決於前驅物內之物種的量和待生產之層的面積。前驅物氣體流速需要足夠高，以允許在基板表面上形成內聚的石墨烯層。若流速高於上限閾值速率，則通常將會形成塊體材料(bulk material)，如石墨，或將發生增加的氣相反應，導致懸浮在氣相中的固體顆粒，所述固體顆粒對石墨烯形成有害及/或可能污染石墨烯層。理論上可使用本案所屬技術領域中具通常知識者已知的技術，藉由評估需要供應至基板之物種的量，來計算最小閾值流速，以確保在基板表面處有足夠的原子濃度來形成層。介於最小閾值流速與上限閾值流速之間，就給定的壓力和溫度而言，流速與石墨烯層生長速率為線性相關。
較佳的是，前驅物與稀釋氣體的混合物通過緊密耦接式反應腔室內之經加熱的基板上方。稀釋氣體的使用允許進一步改進碳供應速率的控制。
較佳的是，稀釋氣體包括氫、氮、氬和氦中之一或多者。選擇這些氣體是因為其在典型的反應器條件下將不易與大量的可用前驅物反應，也不會被包括在石墨烯層中。儘管如此，氫可能與某些前驅物反應。此外，氮可在某些條件下摻入石墨烯層內。在此種情況下，可使用其他稀釋氣體之一。
儘管存在這些潛在問題，但氫和氮是是特別較佳的，因為它們是MOCVD系統和VPE系統中所用之標準氣體。
將基座加熱至超過前驅物之分解溫度至少50 °C之溫度，更佳為超過前驅物之分解溫度100至200 °C。加熱基板的較佳溫度取決於所選擇之前驅物。所選之溫度需要足夠高以容許前驅物之至少部分分解，以釋放物種，但較佳的是不高到促使氣相重組速率遠離基板表面而增加並因而產生不需要的副產物。所選之溫度高於完全分解溫度，以促進改良的基板表面動力學，從而促進具有良好結晶品質之石墨烯的形成。就己烷而言，最佳的溫度為約1200 °C，如自1150至1250 °C。
為了在基板表面與前驅物的引入點之間有熱梯度，入口需要具有比基板更低的溫度。對於固定的間隔而言，較大的溫度差將提供更陡峭的溫度梯度。有鑑於此，較佳的是，至少引入前驅物的腔室壁被冷卻，且更佳的是腔室壁被冷卻。可使用冷卻系統達成冷卻，例如，使用流體來冷卻，流體較佳為液體，最佳為水。可藉由水冷卻將反應器的壁維持在恆定溫度。冷卻流體可圍繞(多個)入口流動，以確保有入口延伸之反應器壁的內表面之溫度，以及前驅物本身在通過入口並進入反應腔室的溫度，為實質上低於基板溫度。入口經冷卻至低於100 °C，較佳為50至60 °C。
所述方法進一步包含以下步驟：使用雷射以從基板選擇性地剝蝕石墨烯。合適的雷射具有超過600 nm之波長及小於50瓦之功率。較佳地，雷射具有自700至1500 nm之波長。較佳地，雷射具有自1至20瓦之功率。這允許輕易地移除石墨烯而不會傷害鄰近的石墨烯或基板。
發明人已驚訝地發現到，CO2 雷射和在相似波長下工作的其他雷射特別適於從基板選擇性地剝蝕石墨烯。合適的雷射是那些具有超過8µm之波長(較佳為從9至15 µm，且最佳為從9.4至10.6 µm)，且具有從5至小於50瓦之功率(較佳為從10至45瓦，最佳為從12至20瓦)之雷射。發明人已驚訝地發現到，石墨烯在此頻率下不容易吸收能量，且因此即便在較高功率下也較不會發生對石墨烯之損壞。基板之熱阻確保其不允許雷射的能量損壞鄰接的石墨烯層結構。這意味著可更快地進行剝蝕，且甚至可用於蝕刻去除至少一部分的基板，較佳地蝕刻至1至300 nm之深度。
蝕刻基板的能力有助於自基板去除石墨烯層結構。不希望受理論束縛，咸信這暴露出石墨烯片的邊緣，接著可更容易地去除石墨烯片的邊緣。用於將石墨烯與基板分離的技術在本領域中為已知，且包括空化(cavitation)技術(如超音波)和溶液蝕刻(例如使用包括RCA1之半導體清洗溶液)。
較佳的是，將雷射光點尺寸保持為盡可能小(即，具有較好的解析度)。舉例而言，本案發明人已在25 µm的光點尺寸下工作。焦點應盡可能精確。已發現到，為了防止基板損壞，脈衝雷射比連續雷射更好。
就某些實施例而言，可能期望摻雜石墨烯。這可藉由將摻雜元素引入緊密耦接式反應腔室並選擇基板的溫度、反應腔室的壓力和氣流速率以產生摻雜的石墨烯而實現。可使用簡單的實證實驗，使用上文所述之指導說明來測定這些變量。可在有或無稀釋氣體的情況下使用此製程。
對於可引入之摻雜元素沒有可感知的限制。常用於石墨烯之生產的摻雜元素包括：矽、鎂、鋅、砷、氧、硼、溴和氮。
較佳地，本文所揭示之方法用於生產霍爾感測器，所述方法包含以下步驟：
使用雷射來選擇性地剝蝕石墨烯，從而在基板上界定石墨烯的霍爾感測器部分。
霍爾效應感測器為本案所屬技術領域中所熟知的部件。其為響應磁場而改變其輸出電壓的轉換器。霍爾效應感測器用於接近性切換(proximity switching)、定位、速度偵測和電流感測應用。在霍爾效應感測器中，薄的導體帶具有沿著其施加之電流，於存在磁場的情況下，電子朝向導體帶的一個邊緣偏轉，從而在導體帶的短邊緣上產生電壓梯度(垂直於饋電電流)。相較於電感式感測器，霍爾效應感測器的優勢在於它們可偵測靜態(不變化)的磁場。
更佳的是，所述方法用於在基板上提供複數個霍爾感測器部分。這可允許在相同基板上的多個偵測器，或者藉由常規手段將基板分割成複數個感測器。
根據另一實施例，所述方法用於生產霍爾感測器元件前驅物，該方法包含以下步驟：
使用雷射選擇性地剝蝕石墨烯，從而在基板上界定石墨烯之霍爾感測器部分，及用以連接至電子部件之相關石墨烯佈線電路，以完成霍爾感測器元件。
較佳的是，所述方法進一步包含以下步驟：將接點施加至石墨烯層結構的表面。這允許形成電子電路。
根據另一方面，本方法用於生產石墨烯層結構，而所述石墨烯層結構用於生產過濾器，該方法包含以下步驟：
使用雷射選擇性地剝蝕複數個孔洞，所述孔洞分佈在整個石墨烯的表面上；以及
將石墨烯與基板分離。
較佳的是，在使用雷射選擇性地剝蝕分佈在整個石墨烯的表面上之複數個孔洞之後，將石墨烯與基板分離。
以這種方式製成的過濾器可在表面上具有預定圖案之非常細的孔洞。這使得它特別適用於非常精細規模之多種過濾目的。已發現到，可形成具有小於50µm (較佳為小於25µm)的直徑之孔洞。可實現之孔洞的尺寸將取決於所使用之雷射的光點尺寸，且可隨著雷射聚焦的改善而變得更小。據認為，目前可實現低至1 µm的孔洞尺寸。
現將更詳細地討論上述方法之元素。
緊密耦接式反應腔室在基板表面(所述基板表面上形成石墨烯)與進入點(前驅物在所述進入點處進入緊密耦接式反應腔室)之間提供間隔，所述間隔足夠小以使得在緊密耦接式反應腔室內於氣相中反應之前驅物的分量足夠低，以容許石墨烯形成。間隔的上限可依據所選的前驅物、基板溫度和緊密耦接式反應腔室內之壓力來變化。
相較於標準CVD系統的腔室而言，可提供上述間隔距離之緊密耦接式反應腔室的使用允許對供應至基板之前驅物的高度控制；在基板表面(所述基板表面上形成石墨烯)與入口(前驅物經由所述入口處進入緊密耦接式反應腔室)之間提供小距離可允許陡峭的熱梯度，從而提供對前驅物之分解的高度控制。
相較於標準CVD系統提供之相對大的間隔而言，介於基板表面與緊密耦接式反應腔室提供之腔室壁之間的相對小間隔可允許：
1) 介於前驅物的進入點與基板表面之間的陡峭熱梯度；
2) 介於前驅物進入點與基板表面之間的短流動路徑；以及
3) 前驅物進入點和石墨烯形成點的緊密接近。
這些益處增進了沉積參數(包括基板表面溫度、腔室壓力和前驅物通量)對前驅物至基板表面的遞送速率和跨基板表面之流體力學的控制程度之影響。
這些益處和由這些益處提供的更大控制能夠最小化腔室內對石墨烯的沉積有害之氣相反應；允許前驅物分解速率上的高度彈性，使物種能有效地遞送至基板表面；並控制基板表面處的原子配置，這是以標準CVD技術不可能達到的。
透過同時加熱基板並對入口處直接與基板表面相對之反應器之壁提供冷卻，可形成陡峭的熱梯度，從而使溫度在基板表面處為最大且朝向入口快速下降。這確保了基板表面上方之反應器容積具有比基板表面本身顯著更低之溫度，大幅降低了氣相中之前驅物反應的可能性，直到前驅物接近基板表面為止。
也可考慮MOCVD反應器的替代設計，已證實所述替代設計對本文所描述之石墨烯生長是有效率的。此替代設計是所謂的高旋轉速率(High Rotation Rate；HRR)或「渦流(Vortex)」流動系統。儘管上文所述之緊密耦接式反應器著重在使用非常高的熱梯度來產生石墨烯，但新式反應器在注入點與生長表面或基板之間具有顯著更寬的間隔。緊密耦接允許前驅物的極快速解離而將元素碳和其他可能的摻雜元素遞送至基板表面，從而允許形成石墨烯層。反觀新式設計依賴於前驅物之渦流。
在新式反應器設計中，為了促進表面上方的層流，此系統利用更高的旋轉速率來對注入的氣流產生高度的離心加速。這導致腔室內的渦流型流體流動。相較於其他反應器類型，此流動模式的效果是接近生長/基板表面之前驅物分子的顯著更高的駐留時間。對石墨烯的沉積而言，此增加的時間促進了元素層(elemental layer)的形成。
然而，此類型的反應器具有一些寄生問題(parasitic issue)，首先，由於此流動狀態導致平均自由路徑縮減之故，實現與其他反應器相同量的生長所需之前驅物量增加，導致前驅物分子的更多碰撞而讓非石墨烯生長原子重組。然而，使用相對便宜的試劑(如己烷)意味著可輕易克服此問題。此外，離心運動對不同尺寸的原子和分子有不同的影響，導致不同元素以不同速度噴射。儘管因碳供應之均勻速率伴隨著非所欲的前驅物副產物之噴射之故而可能有助於石墨烯生長，但其可能對諸如元素摻雜等期望效果有害。因此，較佳的是將此反應器設計用於未摻雜的石墨烯，例如理想地用於如本文所述之霍爾感測器或過濾器。
此類反應系統之一實例為Veeco Instruments Inc. Turbodisc technology，K455i或Propel工具。
較佳的是，本文使用之反應器為高旋轉速率反應器。此替代的反應器設計之特徵在於其增加的間距和高旋轉速率。較佳的間距為自50至120 mm，更佳為70至100 mm。旋轉速率較佳為自100 rpm至3000 rpm，較佳為1000 rpm至1500rpm。
第1圖的反應器經構造以透過氣相磊晶(VPE)之方法在基板上沉積石墨烯層，其中導入前驅物以在基板附近和基板上進行熱、化學和物理交互作用，以形成具有1至40個石墨烯層(較佳為1至10個石墨烯層)之石墨烯層結構。
所述設備包含緊密耦接式反應器1，所述反應器1具有腔室2，腔室2具有穿過壁1A提供之入口3和至少一個排放部4。基座5佈置成駐留在腔室2內。基座5包含一或多個凹槽5A，用以保持一或多個基板6。所述設備進一步包含使基座5在腔室2內旋轉的裝置；及加熱器7，例如包含電阻式加熱元件，或RF感應線圈，耦接至基座5以加熱基板6。加熱器7可包含能實現基板6的良好熱均勻度所需之單一或多個元件。使用腔室2內之一或多個感應器(未繪示)結合控制器(未繪示)來控制基板6的溫度。
藉由水冷卻將反應器1之壁的溫度維持在實質上恆定的溫度。
反應器壁界定了一或多個內部通道及/或充氣部8，其以實質上鄰近(通常相隔幾毫米遠)反應器壁的內表面之方式延伸，反應器壁的內表面包括壁1A之內表面1B。在操作期間，藉由泵9將水泵送通過通道/充氣部8，以將壁1A之內表面1B維持在200 °C或低於200 °C。部分因為入口3的直徑相對較窄，當前驅物(其通常儲存在遠低於內表面1B溫度之溫度下)通過入口3穿過壁1A進入腔室1時，前驅物的溫度將實質上與壁1A之內表面1B的溫度相同或更低。
在一區塊(所述區塊實質上等於或大於一或多個基板6的面積)上方將入口3排列成陣列，以在面對入口3之所述一或多個基板6之實質上整個表面6A上方提供實質上均勻的體積流。
可透過控制經過(多個)入口3之前驅物氣流和經過排放部4之廢氣，來控制腔室2內的壓力。藉由此方法，可控制腔室2中和跨基板表面6A之氣體的速度，以及進一步的從入口3至基板表面6A之分子的平均自由路徑。在使用稀釋氣體的情況下，對此的控制也可用於控制通過(多個)入口3的壓力。前驅物氣體較佳為己烷。
基座5由耐受沉積、前驅物及稀釋氣體所需之溫度的材料所構成。基座5通常由均勻導熱材料構成，以確保基板6之均勻加熱。合適的基座材料之實例包括石墨、碳化矽或這兩者之組合。
(多個)基板6由腔室2內之基座5支撐，使得(多個)基板6以第1圖中之X所標記之間隔面向壁1A，所述間隔介於1 mm至100 mm之間，但如上文所論述，所述間隔通常越小越好。當入口3凸出至腔室2內或者以其他方式位於腔室2內，測量(多個)基板6與入口3之出口之間的相對間隔。
可藉由移動基座5、基板6及加熱器7來改變介於基板6與入口3之間的間距。
合適的緊密耦接式反應器之實例為AIXTRON® CRIUS MOCVD反應器，或AIXTRON® R&D CCS系統。
將氣體形態或懸浮在氣流中之分子形態之前驅物通過入口3導入(由箭頭Y表示)至腔室2內，使得其撞擊或流過基板表面6A。可能彼此反應之前驅物保持分離，直到通過不同的入口3導入腔室2。透過如氣體質量流量控制器等流量控制器(未繪示)，在腔室2外部控制前驅物或氣體通量/流動速率。
可透過一或多個入口3引入稀釋氣體，以修飾腔室2中之氣體動力學、分子濃度和流速。通常相對於製程或基板6材料來選擇稀釋氣體，使得稀釋氣體不會對石墨烯層結構的生長製程產生影響。常用的稀釋氣體包括氮、氫、氬和小規模的氦。
在石墨烯層結構具有從1至40個，較佳為1至10個形成之石墨烯層之後，接著容許反應器冷卻，並將上方具有石墨烯層結構之基板6收回。接著將基板6配置於雷射剝蝕裝置內，所述雷射剝蝕裝置包含，例如，具有1152 nm的波長和10瓦的強度之HeNe雷射，或具有10.6 µm的波長和45瓦的強度之CO2 雷射。接著使用雷射裝置來界定在基板上具有石墨烯接點之電路。
實例
現將參照以下非限制性實例進一步描述本發明。
以下描述使用前述裝置之範例製程，所述製程成功地生產具有從1至40個(較佳為1至10個)石墨烯層之石墨烯層結構。在所有實例中，使用直徑250mm之緊密耦接式垂直反應器及六個2"(50 mm)的目標基板。就替代維度及/或不同目標基板面積之反應器而言，可通過理論計算及/或實證實驗來縮放前驅物及氣體流速，以獲得相同結果。
使用本發明之方法，可以生產圖案化的石墨烯，其具有比已知方法實質改善的性質，例如具有大於20 μm之顆粒尺寸、以98%的覆蓋率覆蓋直徑為6吋之基板、層均勻性＞基板的95%、片電阻率小於450Q/sq，且電子遷移率大於2435 cm2 /Vs。使用本發明之方法所生產之石墨烯層的最新測試已證明了在溫度和壓力的標準條件下測試之整個層上的電子遷移率＞ 8000 cm2 /Vs。所述方法已能夠生產跨6吋(15 cm)基板之石墨烯層，藉由標準拉曼和AFM映射技術(mapping technique)測量至微米量級時，所述石墨烯層具有無法被偵測的不連續性。所述方法也顯示出生產跨基板之均勻石墨烯單層和堆疊的均勻石墨烯層，而不會在頂部或最上面的均勻單層上形成額外的層片段、單獨的碳原子或碳原子基團之能力。
以下詳細描述如何使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)製程在藍寶石基板上產生石墨烯的一個單層，從而提供適用於電子元件之高品質、高遷移率材料。
I. 將藍寶石的(多個)晶圓裝載進入MOCVD反應器腔室。
II. 關閉反應器，導致氣體注入器位於基板表面上方10至11 mm處。
III. 進行反應器腔室泵送-淨化循環，以去除任何存在的大氣環境(ambient environment)。
IV. 將10 slm的氫氣流導入反應器並恆定地保持開啟。
V. 將反應器壓力降至50 mbar。
VI. 將反應器溫度(即，基座)及藉由關聯將(多個)晶圓加熱至1050 °C。
VII. 在達到設定點後，使溫度穩定達3分鐘。
VIII. 透過氣流從液體源以0.1 slm之流速將己烷導入反應器腔室達2分鐘之時段。這允許在基板表面上形成石墨烯「成核(nucleation)」結構。
IX. 終止己烷流。
X. 將晶圓溫度升高至1350 °C。
XI. 在到達設定點後，使溫度穩定達3分鐘。
XII. 再次透過氣流從液體源將己烷導入反應器腔室(這次流速為0.2 slm)達8分鐘，重新將己烷導入反應器腔室。
XIII. 終止進入反應器腔室之己烷流。
XIV. 在15分鐘內將反應器冷卻至室溫，而氫氣仍然流動。
XV. 使用氮氣將反應器腔室升回大氣壓力。
XVI. 現可卸載晶圓。
可藉由修改上述變數中的某些變數(如氣體流速、己烷流速、基板溫度)，來改變上述製程，以生產具有稍微變異的特性之石墨烯，如載體濃度及電子遷移率。
藍寶石晶圓在298 K下，垂直於C軸，具有30.3 W/mK的導熱係數(熱阻的倒數)；平行於C軸為32.5 W/mK，且在60 °C下為27.2 W/mK。可在298 K下使用替代基板，前提是其具有更低或相等的導熱系數(即，較高的熱阻)。
以下為如何使用上述晶圓級石墨烯材料製造霍爾效應感測器的描述。以下製造製程使用以前文詳述的製程生產之藍寶石基板上之石墨烯。
I. 將訂製設計的遮罩安置在石墨烯晶圓上方，僅留下需要暴露電氣接點的區域。
II. 使用諸如電子束沉積等標準金屬沉積技術，透過遮罩將包含5 nm的鉻及70 nm的金之電氣接點沉積在石墨烯表面上。
III. 從金屬沉積系統移出晶圓，並從晶圓移除遮罩。
IV. 將晶圓安置於雷射蝕刻系統內。功率為約8W，但取決於基板的絕熱性質，此處有相當寬的窗口。
V. 將雷射導向石墨烯晶圓，並設定雷射使其處在適合從晶圓表面剝蝕石墨烯之功率及波長。
VI. 控制雷射，使得圖案被剝蝕進入石墨烯材料。這些圖案形成期望的裝置之形狀。控制石墨烯的蒸發，以在所沉積之電氣接點周圍形成圖案而不重疊。藉由良好的控制，這允許在單一晶圓上形成多個石墨烯霍爾效應感測器。
VII. 從雷射圖案化系統移出晶圓，在藍寶石基板上提供多個石墨烯系感測器。
除非另有註明，否則本文所有的百分比均以重量計。
藉由解說和圖解的方式提供以上詳述，且不欲限制隨附申請專利範圍的範疇。對本案所屬技術領域中具通常知識者而言，此處所解說之當前較佳實施例的許多變化是顯而易見的，並且仍在隨附申請專利範圍及其等效者之範圍內。
1‧‧‧反應器
1A‧‧‧壁
1B‧‧‧內表面
2‧‧‧腔室
3‧‧‧入口
4‧‧‧排放部
5‧‧‧基座
5A‧‧‧凹槽
6‧‧‧基板
6A‧‧‧基板表面
7‧‧‧加熱器
8‧‧‧通道/充氣部
9‧‧‧泵
現將參照隨附非限制性的圖式來進一步闡述本發明，其中：
第1圖繪示用於本文所述之方法的石墨烯層生長腔室之剖面示意圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無

Claims (15)

  1. 一種用於生產具有1至100個石墨烯層之一石墨烯層結構的方法，該方法包含以下步驟： 於一反應腔室中之一經加熱基座上提供一基板，該基板具有一熱阻等於或大於藍寶石之熱阻，該腔室具有複數個經冷卻入口經佈置而使得，在使用中，該等入口跨該基板分佈並與該基板具有一恆定間隔，供應包含一前驅物化合物之一流體通過該等入口並進入該反應腔室，從而分解該前驅物化合物並於該基板上形成石墨烯，其中該等入口經冷卻至低於100°C，較佳為50至60°C，且該基座經加熱至一溫度，該溫度超過該前驅物之一分解溫度至少50°C，使用一雷射以從該基板選擇性地剝蝕石墨烯，其中該雷射具有超過600nm之波長，及小於50瓦之功率。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該基板包含藍寶石或碳化矽，較佳為藍寶石。
  3. 如請求項1或2所述之方法，其中該雷射： (a) 具有自700至1500nm之波長；及/或 (b) 具有自1至20瓦之功率。
  4. 如請求項1或2所述之方法，其中該雷射： (a) 具有至少8 µm之波長，較佳為自9至15 µm，且最佳為自9.4至10.6 µm；及/或 (b) 具有自5至小於50瓦之功率。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之方法，其中該前驅物化合物係烴，較佳為在室溫下為液體之烴，且最佳為C5 至C10 烷烴。
  6. 如請求項5所述之方法，其中該前驅物化合物係己烷。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之方法，其中該基板具有至少6吋之一直徑。
  8. 如請求項1至7中任一項所述之方法，其中使用一雷射以從該基板選擇性地剝蝕石墨烯之步驟進一步包含以下步驟：蝕刻去除該基板的至少一部分，較佳地蝕刻達1至300nm之一深度。
  9. 如請求項1至8中任一項所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：從該基板移除該石墨烯層結構。
  10. 如請求項1至9中任一項所述之方法，用於生產一霍爾感測器，該方法包含以下步驟： 使用該雷射以選擇性地剝蝕石墨烯，從而於該基板上界定該石墨烯之一霍爾感測器部分。
  11. 如請求項10所述之方法，用於在該基板上提供複數個霍爾感測器部分。
  12. 如請求項10或11所述之方法，用於生產一霍爾感測器元件前驅物，該方法包含以下步驟： 使用該雷射以選擇性地剝蝕石墨烯，從而於該基板上界定該石墨烯之一霍爾感測器部分，以及相關的石墨烯佈線電路，用於連接到電子部件而完成一霍爾感測器元件。
  13. 如請求項1至12中任一項所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：對該石墨烯層結構之一表面施加接點。
  14. 如請求項1至8中任一項所述之方法，用於生產一石墨烯層結構，該石墨烯層結構用於生產一過濾器，該方法包含以下步驟： 使用該雷射以選擇性地剝蝕複數個孔洞，該等孔洞跨該石墨烯之一表面分佈；以及 將該石墨烯從該基板分離。
  15. 如請求項14所述之方法，其中在使用該雷射以選擇性地剝蝕跨該石墨烯之一表面分佈的複數個孔洞之步驟後，將該石墨烯從該基板分離。
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