[发明专利]基于Cl2反应的SiC衬底上制备结构化石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体薄膜材料及其制备方法，具体地说是基于Cl₂反应的SiC衬底上制备结构化石墨烯的方法。

技术背景

石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷。目前的制备方法主要有电弧法和热分解SiC法两种：

1.电弧法最早由Rao CNR等人用来制备石墨烯，他们使用氢气和氦气的混合气体作为反应气。使用该方法制备石墨烯需要较高的氢气压力和较大的放电电流，危险性较高。

2.热分解SiC法：将单晶SiC加热以通过使表面上的SiC分解而除去Si，随后残留的碳形成石墨烯。然而，SiC热分解中使用的单晶SiC非常昂贵，并且生长出来的石墨烯呈岛状分布，孔隙多，层数不均匀，而且做器件时由于光刻，干法刻蚀等会使石墨烯的电子迁移率降低，从而影响了器件性能。

现有的石墨烯的制备方法，如申请号为200810113596.0的“化学气相沉积法制备石墨烯的方法”专利，公开的方法是：首先制备催化剂，然后进行高温化学气相沉积，将带有催化剂的衬底放入无氧反应器中，使衬底达到500-1200℃，再通入含碳气源进行化学沉积而得到石墨烯，然后对石墨烯进行提纯，即用酸处理或在低压、高温下蒸发，以除去催化剂。该方法的主要缺点是：工艺复杂，需要专门去除催化剂，能源消耗大，生产成本高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于Cl₂反应的SiC衬底上制备结构化石墨烯的方法，以提高石墨烯表面光滑度、降低孔隙率，并免除在后续制造器件过程中要对石墨烯进行刻蚀的工艺过程，保证石墨烯的电子迁移率稳定，提高器件性能。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：

（1）对SiC样片进行清洗，以去除表面污染物；

（2）在清洗后的SiC样片表面利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法，淀积一层0.4-1.2μm厚的SiO₂，作为掩膜；

（3）在掩膜表面涂一层光刻胶，再在掩膜上刻出与所需制作器件的衬底形状相同的窗口，露出SiC，形成结构化图形；

（4）将开窗后的样片置于石英管中，加热至700-1100℃；

（5）向石英管中通入Ar气和Cl₂气的混合气体，持续3-8min，使Cl₂与裸露的SiC反应，生成碳膜；

（6）将生成的碳膜样片置于Ar气中，在温度为1000-1200℃下退火10-30min，使碳膜在窗口位置重构成石墨烯。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明由于选择性地生长了结构化石墨烯，在此石墨烯上制作器件时无需对石墨烯进行刻蚀，因而石墨烯中的电子迁移率不会降低，保证了制作的器件性能。

2.本发明中SiC与Cl₂可在较低的温度和常压下反应，且反应速率快。

3.本发明由于利用SiC与Cl₂气反应，因而生成的石墨烯表面光滑，空隙率低，且厚度容易控制。

4.本发明使用的方法工艺简单，节约能源，安全性高。

附图说明

图1是本发明制备石墨烯的装置示意图；

图2是本发明制备石墨烯的流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明的制备设备主要由石英管1和电阻炉2组成，其中石英管1设有进气口3和出气口4，电阻炉为2为环状空心结构，石英管1插装在电阻炉2内。

参照图2，本发明的制作方法给出如下三种实施例。

实施例1

步骤1:清洗6H-SiC样片，以去除表面污染物。

（1.1）对6H-SiC衬底基片使用NH₄OH+H₂O₂试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；

（1.2）将去除表面有机残余物后的6H-SiC样片再使用HCl+H₂O₂试剂浸泡样品10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。