TWI588285B - 在基板上成長碳薄膜或無機材料薄膜的方法 - Google Patents

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Description

在基板上成長碳薄膜或無機材料薄膜的方法
本申請案有關在基板上成長碳薄膜或無機材料薄膜的方法，尤其是在基板上直接成長高品質和晶圓規格的石墨烯層的方法。
石墨烯(graphene)是一種單原子層的石墨，由於其具有二維結構和獨特的物理特性，例如，其載子遷移率可以達200,000 cm2/V.s，和具有優異的機械強度和熱傳導特性，而令人感興趣。石墨烯適用於高速、高性能的電子裝置。迄今已經有許多合成石墨烯的方法被提出，包括：(1)機械剝離石墨法，(2)磊晶成長法，(3)化學氣相沉積法：於催化金屬上(例如：銅、鎳、鐵等)進行，(4)化學剝離法：利用氧化石墨以獲得氧化石墨烯(graphene oxide,CVD)，和(5)其他化學剝離法，例如(a)以超音波於液相下剝離石墨，和(b)利用石墨插層和膨脹法來剝離出石墨烯片層結構。
在上述方法中，機械剝離法和磊晶成長法雖然可以得到高品質(低缺陷結構)的石墨烯，卻無法大面積合成。習知技術一般使用銅箔片來成長石墨烯，銅箔片的厚度往往高達數十微米。此外，習知技術(Byun,S. J. et. al.,The Journal of Physical Chemistry Letters 2011,2,493-497)使用鎳金屬基板並以化學氣相沉積法來合成石墨烯，惟其碳源分子與鎳金屬在高溫時會發生固溶現象，並且，在降溫的過程中，碳原子會在鎳金屬表面析出並且重組成為石墨烯的結構。然而，此方法無法精確地控制析出碳原子的量，故難以獲得精確控制的石墨烯層數。
近期的研究工作使用化學氣相沉積法和例如鎳(Ni)與銅(Cu)等催化性金屬基材已經可以成長大面積且高品質的石墨烯層，並且展示了這項技術可應用于高穿透性和軟性基材的透明電極中，相關文獻可參見例如Reina,A. et. al.,Nano Letters 2008,9,30-35;Li,X. et. al.,Science 2009,324,1312-1314;Sukang,B.,et. al.,Nature Nanotechnology,2010,5,574-578。過去曾有文獻報導利用化學氣相沉積的方式(ACS Nano 2011,5,3385-3390)，以苯作為碳源前驅物而在銅基材上成長石墨烯，並且強調操作溫度可以低至300℃。然而，此法的前處理溫度高達1000℃。
目前的成長技術仍需要額外的轉移制程(transfer process)以使原本成長於金屬基材上的石墨烯層轉移至所需要的基材上。舉例來說，一種慣用的技術是將以高分子支撐層(例如PMMA)抓取成長於銅基材上的石墨烯層，接著進行銅基材的蝕刻，然後再轉移到所需要的基材上並且溶解掉該高分子支撐層，而使該石墨烯層轉印至所需要的基材上。此種轉移制程容易導致石墨烯層發生破裂或不規則的皺折，並且會在石墨烯層表面殘留高分子殘餘物，使石墨烯層本質優異的材料特性受到嚴重影響。再者，這種轉移制程無法與目前的半導體制程(例如矽制程)技術相容，限制了晶圓級規模化生產積體電路元件的前景。
文獻上亦曾報導過直接在基板上形成石墨烯的方法，這種方法使用碳基的高分子或非晶碳膜作為固相碳源，接著在上面沉積鎳金屬層，並在高溫(約800℃至約1100℃)的情況下，藉由鎳金屬的催化將這些固相碳源轉換為石墨烯結構，然後移除鎳金屬後即可得到直接形成於基板上的石墨烯。然而，鎳金屬不易控制達到薄層石墨烯，且催化轉換的溫度若低於800℃將無法形成石墨化良好的高品質石墨烯。
因此，在實際的應用中，仍需要發展一種可以規模化且低成本製造半導體基板的方法，尤其是在基板上直接成長高品質和晶圓規格的石墨烯層的方法。
本發明提供一種在基板上成長碳薄膜或無機材料薄膜的方法，可在基板上直接成長高品質和晶圓規格的薄膜層(例如石墨烯層)，而無需額外的轉移制程。
因此，在第一方面，本發明提供一種在基板上直接成長碳薄膜或無機材料薄膜的方法，包括以下步驟：在基板上形成一層金屬薄膜，以獲得催化基板，使碳來源或無機材料來源在該催化基板上成長碳薄膜或無機材料薄膜，和移除基板上該金屬薄膜。
所述的「基板」可為任何發明所屬技術領域中已知的基板，包括，但不限於氧化矽基板、石英基板、藍寶石基板、氮化硼基板、玻璃基板、金屬基板或半導體基板等。
所述的「金屬薄膜」可由任何發明所屬技術領域中已知的金屬構成，包括，但不限於銅、鐵、鈷、鎳、金、銀或其混合物等。較佳的金屬薄膜是由銅構成。
本發明中，金屬薄膜的厚度並無特殊限制，典型的厚度範圍為約10 nm至約1 μm，較佳為約100 nm至約300 nm。
所述的「催化基板」意指基板的一面或兩面形成催化性金屬層的基板。
所述的「碳來源」可以使用任何形式的碳基前驅物(carbon based precursor)裂解而成，包含：(1)氣相碳基前驅物，包括，但不限於甲烷、乙烯、乙炔或其混合物等；(2)液相碳基前驅物，包括，但不限於乙醇、苯、甲醇或其混合物等；(3)固相碳基前驅物，包括，但不限於碳基的高分子、奈米碳材料(如奈米管、奈米薄片、奈米顆粒、石墨烯等)或其混合物等。所述的「碳來源」亦可經其他成份摻雜，例如經氮、硼或其混合物摻雜。
所述的「無機材料來源」可為任何發明所屬技術領域中已知的無機材料來源，包括，但不限於氮化硼、二硫化鉬、硫化鋅、碲化鋅、硒化鋅、三硒化二鉍、碲化鉍或其混合物等。
在該催化基板上成長碳薄膜或無機材料薄膜的步驟，可經由任何發明所屬技術領域中已知的技術進行，包括，但不限於物理氣相沉積、化學氣相沉積、磊晶成長法、分子束磊晶法和單原子層沉積法。較佳為化學氣相沉積。所述步驟一般典型的操作溫度範圍為約300℃至約1200℃，惟適當的操作溫度範圍取決於所選擇的碳來源或無機材料來源。舉例來說，甲烷的成長溫度範圍在約700℃至約1200℃，苯的成長溫度範圍在約250℃至約900℃。上述操作溫度可以經由其他輔助裂解碳來源或無機材料來源的方法而降低，所述輔助方法包括，但不限於熱、電漿、光或雷射等。
在本發明中，該催化基板上成長碳薄膜或無機材料薄膜的步驟可成長一或多層的碳薄膜或無機材料薄膜。
于本文中，除非特別限定，單數形「一」和「所述」亦包括其附複數形。本文中任何和所有實施例和例示性用語(例如「諸如」)目的僅為了更加突顯本發明，並非針對本發明的範圍構成限制，本案說明書中的用語不應被視為暗示任何未請求的組件可構成實施本發明時的必要組件。
移除基板上該金屬薄膜的步驟，可經由任何發明所屬技術領域中已知的技術進行，包括，但不限於(1)以蝕刻液進行蝕刻，(2)電化學蝕刻，(3)機械性移除，(4)其他物理性移除。所述「蝕刻液」包含任何發明所屬技術領域中已知可以蝕刻金屬、卻不會對碳薄膜或無機材料薄膜造成損害或是留下殘留物的化學品，例如，可以使用Fe(NO3)3蝕刻液蝕刻銅薄膜。所述「其他物理性移除」包括，但不限於拋除或以具黏性的膠帶移除。
根據本發明的一項較佳實施態樣，在該催化基板上成長碳薄膜或無機材料薄膜的步驟前，會先進行前處理步驟，所述前處理步驟可在例如在含氫的氣氛下(如氫氣或氨氣等)還原所述基材，並且移除基材表面的氧原子，同時，前處理也可以控制金屬晶粒的尺寸，進而提供一個平整且適合碳薄膜或無機材料薄膜成長的表面。所述前處理步驟可經由任何發明所屬技術領域中已知的技術進行，包括，但不限於熱退火或氫氣電漿。進行熱退火時，一般典型的溫度範圍為約500℃至約1100℃，較佳為約700℃至約1000℃。
本發明方法可以將碳薄膜或無機材料薄膜直接圖案化於多種基板上。舉例來說，銅薄膜可以藉由微影技術(包括，但不限於光微影、軟微影、電子束微影、奈米壓印、沾筆奈米微影或其他圖案化技術等)圖案化於基板上，所需要的薄膜(例如石墨烯層)即可直接成長於圖案化的金屬薄膜底層。因此，可以在多種基板上直接獲得圖案化的碳薄膜或無機材料薄膜。
本發明方法也可以獲得堆疊結構。舉例來說，藉由化學氣相沉積法，可以在金屬薄膜的上層與底層均形成碳薄膜或無機材料薄膜，在所述移除步驟中，如果僅移除上層的碳薄膜或無機材料薄膜，則僅在基板上形成單層的碳薄膜或無機材料薄膜。然而，如果不移除上層的碳薄膜或無機材料薄膜，則在蝕刻掉金屬薄膜後，上層的碳薄膜或無機材料薄膜會堆疊於下層的碳薄膜或無機材料薄膜上，形成堆疊結構。此外，如果金屬薄膜被部分蝕刻或是被蝕刻為特定結構(如點狀、棒狀或是環狀等奈米結構)，則形成碳薄膜或無機材料薄膜/奈米結構/碳薄膜或無機材料薄膜的三明治堆疊結構。
在第二方面，本發明提供一種在基板上直接成長石墨烯層的方法，包括以下步驟：在基板上形成一層金屬薄膜，以獲得催化基板，使碳來源在該催化基板上成長石墨烯層，和移除基板上該金屬薄膜。
在上述較佳實施態樣中，金屬薄膜的厚度並無特殊限制，典型的厚度範圍為約10 nm至約1 μm，較佳為約100 nm至約300 nm。
根據本發明的一項較佳實施態樣，是在基板上形成一層銅薄膜，以獲得催化基板，使用化學氣相沉積使裂解的碳來源在該催化基板上成長石墨烯層，然後蝕刻基板上該金屬薄膜。
在本發明較佳實施態樣中，該催化基板上成長石墨烯層是成長一或多層的石墨烯層。
發明所屬技術領域以往使用鎳金屬層，導致所成長的石墨烯層的層數不易控制。然而，上述本發明的較佳實施態樣中是使用銅薄膜，並且利用化學氣相沉積，使碳來源在該催化基板上成長石墨烯層。碳來源藉由銅表面由晶界擴散至銅與底層基材的接面，由於銅在高溫下具有很低的溶碳率，因此，所成長的石墨烯層的層數變得容易控制。由於碳來源僅由晶界擴散和析出，故有助於控制成較少層的石墨烯(即單層、雙層和三層石墨烯層)。且此方法可在基材上直接成長大面積、高品質且連續均勻的石墨烯層，無需任何額外的轉移制程。所成長的石墨烯層表現出優異性質，例如高導電性(片電阻約2K ohm/sq；光穿透率約94%)和高場效載子遷移率(高達672 cm2/Vs)。
由於本發明方法是基於底部析出的成長機制，因此，在選擇適當的碳來源前驅物下(例如乙醇或苯)，可以在相對較低溫(約500℃至約600℃)的情況下來成長高品質的石墨烯層。並且，可以事先對銅薄膜進行圖案化制程(patterning)，在成長完並移除銅薄膜後，便可於底層獲得圖案化的石墨烯層，將有助於整合於目前的半導體制程中，來進行石墨烯的積體電路元件的製造。
由於本發明方法亦適用於熔點低的材料(例如玻璃基材)，可於低溫下(例如約500℃)在上直接成長石墨烯層，減少了熱制程的成本。且上述本發明的較佳實施態樣中是使用銅薄膜，銅金屬的量相對減少許多，亦有利於降低成本。
本發明方法可供許多應用，包括，但不限於積體電路元件(如記憶體、邏輯電路、射頻電路等)，透明導電膜(如薄膜電晶體顯示器、觸控面板、太陽能電池、發光二極體等)、超級電容和功能性複合材料(如三明治結構：石墨烯/金屬或金屬離子/石墨烯等)、和感測元件(如生物醫學、氣體、化學、溫度或應力感測器等)等。
本發明一個或一個以上實施例的細節將於所附圖式和以下描述中予以闡述。根據這些描述和圖式和申請專利範圍，將可容易地瞭解本發明的其他特徵、目的和優勢。
以下具體實例應解釋為僅具說明性，且不以無論任何方式限制本發明的其餘部分。無需進一步闡明，相信所屬領域技術人員可根據本文的描述最大限度地利用本發明。本文所引用的所有出版物都以全文引用的方式併入本文中。
實施例1
將已知的石英管狀鎔爐調整成適合用來合成底層石墨烯層的裝置，並且依照以下方式在絕緣基板上直接成長石墨烯層：在絕緣基板上沉積一層300 nm的銅薄膜，然後將所述絕緣基板置入前述石英管狀鎔爐中，接著，以甲烷作為碳來源，在氫氣氛中和在500托(Torr)的壓力下，將所述絕緣基板加熱至750℃，隨後在相同溫度下進行熱退火25分鐘。在純氫氣的環境中(H2: 15 sccm;Pressure: 800 mTorr)，使所述鎔爐加熱至900℃。當溫度達到900℃時，將氣體條件變換為甲烷/氫氣混合物(CH4=75 sccm和H2=15 sccm)，並且在800毫托(mTorr)的壓力下持續5分鐘。在冷卻階段，使所述鎔爐以約20℃/分鐘的速度降溫至室溫，同時將氣體條件維持與成長階段相同。與習知在銅箔上成長石墨烯層所需的操作條件22比較，本實施例使用相對較高的CH4/H2氣體比和相對較低的操作溫度。將富含碳的合成條件達到最適化後，可以在基板上成長晶圓規格且連續的底層石墨烯層。結果顯示於附圖中。
圖1(a)顯示供成長石墨烯層的許多個2吋基板的照片，包括銅在SiO2(300 nm)/Si上，銅在石英上，和圖案化的銅在SiO2(300 nm)/Si上。這些基板全部進行上述成長底層石墨烯層的合成條件。
圖1(b)顯示以氧電漿移除圖1(a)中的相關基板上的上層石墨烯層和以濕式蝕刻法移除圖1(a)中的相關基板上的銅薄膜後，顯示出底層所成長的石墨烯層的照片。
圖1(a)和圖1(b)的照片顯示本發明成長方法可以在任意絕緣基板上直接形成大面積且連續的石墨烯層。圖1(a)和圖1(b)亦顯示如果使用圖案化的銅薄膜進行底層石墨烯層的成長，可以獲得圖案化的石墨烯層。
圖1(c)顯示在許多其他絕緣體上進行的石墨烯層的成長。由左至右分別是：石墨烯層成長於氧化矽(300納米)/矽，圖案化的石墨烯層成長於氧化矽(300納米)/矽，石墨烯于石英基板，石墨烯於藍寶石，和石墨烯於ST-切面的石英基板上。
圖2圖表式地說明在催化性銅薄膜和底層絕緣基材間成長石墨烯層的成長機制。步驟一.以熱退火形成銅晶粒。步驟二.經裂解的碳源有一部分在銅表面沉積並遷移，而有些部分藉由銅晶粒的晶界往下擴散。步驟三.石墨烯成長於銅表面，同時碳原子持續藉由銅晶界擴散並在銅-絕緣基板接面堆積。步驟四.堆積於銅薄膜底層的碳原子石墨化為底部成長的石墨烯層。步驟五.移除上層成長的石墨烯層，並由濕式蝕刻的方式移除銅薄膜，即可得到直接成長於絕緣基板上的石墨烯層。甲烷分子裂解後形成碳物種，落在銅表面上，已知碳原子在銅中具有相當低的溶解度，因此，碳原子會沉積在銅表面上，並且移動，而形成大面積且連續的石墨烯層22。然而，如果將所述成長維持在富含碳的條件下，例如較高的壓力或較高的CH4/H2氣體比，某些該碳物種會更容易擴散通過銅的晶界，到達銅和底層絕緣基材間的介面，這些碳物種在銅-底層絕緣基材間的石墨化，會導致大面積且連續的石墨烯層形成。因此，在以氧電漿進行幹式蝕刻法移除上層石墨烯層和使用Fe(NO3)3溶液進行濕式蝕刻後，本發明成長方法可以在任意絕緣基板上直接形成大面積且連續的石墨烯層。
圖3(a)顯示在SiO2/Si基板上成長的底層石墨烯層的典型原子力顯微鏡(AFM)影像，很清楚地，SiO2基板完全被石墨烯層覆蓋。圖3(b)顯示由AFM橫切面測量法獲得的膜厚度為約1.34 nm，這說明了底層石墨烯層是薄的(約2到3層)。
圖3(c)顯示在SiO2/Si基板上的底層石墨烯層的掃描穿隧顯微鏡(STM)影像，其中，圖3(c)中的內插圖顯示底部成長的石墨烯層為A-B堆疊的原子結構。所述STM測量法是以Veeco STM基礎、以室溫下的恒定模式進行。發明人發現，在大多數區域均顯示六角形碳晶格。A-B堆疊(即Bernal堆疊)48雙層石墨烯層亦存在某些區域中，以環形標示，其中原子組態顯示在插入圖表中。
圖3(d)顯示底層石墨烯層的典型萊曼(Raman)光譜(以473 nm雷射啟動)，其中石墨烯的特徵模態(D,G,2D峰)標示於圖中。石墨烯層在1590 cm-1處顯示強度G，和在2720 cm-1處顯示一個尖銳的2D帶，此數值建議底層石墨烯層被高度石墨化，與圖3(b)的STM影像一致。萊曼光譜還包括一個弱的D帶。圖3(e)顯示在底層石墨烯層的典型的2D峰，其通常可由4個2D次帶來擬合，這些次帶可以指出A-B堆疊石墨烯層的存在27。
圖3(f)顯示由2D峰和G峰的強度比(I(2D)/I(G))所建構的萊曼(Raman)空間圖譜，其用於鑒別CVD石墨烯的層數21。萊曼空間圖譜一致地建議底層石墨烯層是薄的且連續的。須知，在本實施例中，控制方法參數以獲得連續的單層石墨烯層是很困難的。因此，本實施例的方法參數被調整到可獲得大面積且連續的底層石墨烯層，而非以獲得連續的單層石墨烯層為目標。本領域技術人員可能對比較上層石墨烯層和底層石墨烯層感興趣，發明人已將由本發明最適化方法(針對底層石墨烯層)獲得的上層石墨烯層和底層石墨烯層的萊曼光譜列於圖3(g)中。簡單來說，上述兩層類似地具有小的D帶，這可能是因為為了達到大面積的底層石墨烯層而使用的高CH4/H2氣體比所無法避免的。
為了更加瞭解底層石墨烯層的生長情形，已針對成長參數(例如銅薄膜的成長溫度和厚度)進行某些條件優化評估，萊曼結果可參見圖3(h)。簡單來說，較低的成長溫度不能在銅下方形成連續薄膜，所述膜的萊曼D帶很可能是因為低溫下差的石墨化所導致。當溫度高於950℃，所述薄膜的缺陷程度亦高，這可能是因為碳物種與銅-絕緣體介面的隔離作用比石墨化快的緣故。發明人亦注意到，增加銅薄膜的厚度會導致底層石墨烯層的差的連續性，此建議碳物種擴散入銅薄膜的擴散作用扮演了相當重要的角色。圖3(i)顯示AFM影像，此影像顯示底層石墨烯層的區域隨時間成長，並且合併成連續的石墨烯層。
圖4顯示直接成長在一個兩吋石英基板上的底層石墨烯層的光學測量結果。據報導，單層石墨烯會吸收約2.3%的光28。底層石墨烯層吸收約5.2%的光，此一致地建議所獲得的石墨烯層平均約2層。本發明底層石墨烯層在4點探針系統中的層抗性(Rs)資料是約2 kΩ/sq。為了評估這些石墨烯層的電效能，使用習知微影方法將在SiO2/Si上的底層石墨烯層圖案化成條紋，寬度約10 μm。藉由直接在圖案化的底層石墨烯層上揮發Au電極來製造底部閘門操作的電晶體。
圖5(a)顯示所製造的場效應電晶體裝置的轉移曲線(匯出電流Id vs.閘極電壓Vg)。圖5(b)是圖5(a)中顯示的嵌入圖，圖5(b)顯示圖5(a)所述場效應電晶體裝置的頂視圖。電洞的場效遷移率是使用方程式μ=(L/WCoxVd)(ΔId/ΔVg)、基於置入轉移曲線的線性圖的斜率ΔId/ΔVg而提取，其中L和W為溝道長度和寬度，Cox為閘極電容量29。室溫下，石墨烯裝置的有效場效遷移率可高達670 cm2/V‧s。發明人發現，本發明大部分裝置的中和點(轉移曲線的底部位置)均超過100V(所施加的最大Vg)，此建議石墨烯經重度p-摻雜。
圖5(c)比較根據本發明方法由底層石墨烯層製造的場效應電晶體裝置和由上層石墨烯層製造的場效應電晶體裝置的場效遷移率統計結果(發明人已將操作條件分別最適化以適合銅上的單層石墨烯層和典型的轉移方法22，使上層石墨烯轉移至SiO2/Si中來進行裝置的製造)。這些結果顯示這兩種類型的薄膜(即單層石墨烯層和數層底層石墨烯層)的場效遷移率與本發明裝置結構中的薄膜相當，此實施例中所報導的遷移率資料可能受到其他因素(例如光阻殘餘物，金屬接觸或蝕刻方法)的限制。
根據上述實施例的結果可知，本發明方法使用化學氣相沉積和銅薄膜而在絕緣基板上直接合成晶圓規格的石墨烯層薄層。銅薄膜下方的底層石墨烯層的成長機制亦已被建議。本發明方法可以在各種絕緣基板上直接獲得高品質和晶圓規格的石墨烯層。
其他實施例
本說明書中所揭示的所有特徵可組合成任何組合。本說明書中所揭示的每一特徵都可由用於相同、相當或類似目的的替代性特徵置換。因而，除非另作明確規定，否則所揭示的每一特徵只是一般相當或類似特徵系列的一個實例。
已描述本發明的許多實施例。然而應理解，可在不背離本發明的精神和範圍的情況下進行各種修改。因此，其他實施例在以下申請權利範圍的範圍內。
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圖1(a)顯示供成長石墨烯層的許多個2吋基板的照片，包括銅在SiO2(300 nm)/Si上，銅在石英上，和圖案化的銅在SiO2(300 nm)/Si上。
圖1(b)顯示以氧電漿移除圖1(a)中的相關基板上的上層石墨烯層和以濕式蝕刻法移除圖1(a)中的相關基板上的銅薄膜後，顯示出底層所成長的石墨烯層的照片。
圖1(c)顯示在許多其他絕緣體上進行的石墨烯層的成長。
圖2圖表式地說明在催化性銅薄膜和底層絕緣基材中間成長的石墨烯層的成長機制。
圖3(a)顯示在SiO2/Si基板上成長的底層石墨烯層的典型原子力顯微鏡(AFM)影像。
圖3(b)顯示由AFM橫切面測量法獲得的膜厚度。
圖3(c)顯示在SiO2/Si基板上的底層石墨烯層的掃描穿隧顯微鏡(STM)影像。其中，圖3(c)中的內插圖顯示底部成長的石墨烯層為A-B堆疊的原子結構。
圖3(d)顯示底層石墨烯層的典型萊曼(Raman)光譜(以473 nm雷射啟動)。
圖3(e)顯示在底層石墨烯層的典型的2D峰，其通常可由4個2D次帶來擬合。
圖3(f)顯示由2D峰和G峰的強度比(I(2D)/I(G))所建構的萊曼(Raman)空間圖譜。
圖3(g)顯示本發明最適化方法(針對底層石墨烯層)獲得的上層石墨烯層和底層石墨烯層的萊曼光譜。
圖3(h)顯示本發明針對成長參數(例如銅薄膜的成長溫度和厚度)進行某些條件優化評估的萊曼結果。
圖3(i)顯示AFM影像，此影像顯示底層石墨烯層的區域隨時間成長，並且合併成連續的石墨烯層。
圖4顯示直接成長在一個兩吋石英基板上的底層石墨烯層的光學測量結果。
圖5(a)顯示所製造的場效應電晶體裝置的轉移曲線(匯出電流Id vs.閘極電壓Vg)。
圖5(b)是圖5(a)中顯示的嵌入圖，圖5(b)顯示圖5(a)所述場效應電晶體裝置的頂視圖。
圖5(c)比較根據本發明方法由底層石墨烯層製造的場效應電晶體裝置和由上層石墨烯層製造的場效應電晶體裝置的場效遷移率統計結果。
(無元件符號說明)

Claims (18)

  1. 一種在基板上直接成長石墨烯層的方法，包括以下步驟：在300℃至1200℃範圍內之溫度下，在基板上形成銅薄膜，其中該碳來源是使用下列碳基前驅物裂解而成：甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、苯、甲醇、碳基的高分子、奈米碳材料或其混合物；在該銅薄膜上沉積碳來源；藉由晶界擴散使碳來源通過該銅薄膜；和在該銅薄膜和該基板之間的界面處形成石墨烯層，其中該銅薄膜是經圖案化的，並且具有在10nm至1μm範圍內的厚度。
  2. 如請求項1之方法，其中該基板為氧化矽基板、石英基板、藍寶石基板、氮化硼基板、玻璃基板、金屬基板、半導體基板或其組合。
  3. 如請求項1之方法，其中該碳來源是使用下列碳基前驅物裂解而成：(1)氣相碳基前驅物，(2)液相碳基前驅物，或(3)固相碳基前驅物。
  4. 如請求項1之方法，其中該碳來源是經氮、硼或其混合物摻雜。
  5. 如請求項1之方法，其中在該銅薄膜上沉積碳來源的步驟是經由物理氣相沉積、化學氣相沉積、磊晶成長法、分子束磊晶法或單原子層沉積法進行。
  6. 如請求項1之方法，包括使用化學氣相沉積在該銅薄膜 的表面上沉積碳來源。
  7. 如請求項1之方法，包括形成具有兩片碳原子的雙層石墨烯層。
  8. 如請求項1之方法，包括形成具有三片碳原子的三層石墨烯層。
  9. 如請求項1之方法，其中該銅薄膜具有在100nm至300nm範圍內的厚度。
  10. 如請求項1之方法，包括移除該銅薄膜以暴露該石墨烯層。
  11. 如請求項10之方法，其中移除該基板上的銅薄膜的步驟是經由以蝕刻液進行蝕刻、電化學蝕刻或機械性移除進行。
  12. 如請求項11之方法，其中移除該銅薄膜的步驟是經由以蝕刻液進行蝕刻進行。
  13. 如請求項12之方法，其中該蝕刻液是Fe(NO3)3蝕刻液。
  14. 如請求項1之方法，其中在該銅薄膜上沉積碳來源的步驟前，係先進行前處理步驟。
  15. 如請求項14之方法，其中該前處理步驟是在含氫的氣氛下還原該基材，並且移除基材表面的氧原子而進行。
  16. 如請求項14之方法，其中該前處理步驟是熱退火。
  17. 如請求項14之方法，其中該前處理步驟是以氫氣電漿進行。
  18. 如請求項1之方法，其係獲得堆疊結構。
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