[发明专利]用于石墨烯形成的方法和系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年2月24日提交的题为“Method for Forming Graphene at Reduced Processing Temperatures”的美国临时专利申请号61/603,104、2012年3月6日提交的题为“Method for Forming Graphene at Reduced Processing Temperatures”的美国临时专利申请号61/607,337以及2012年7月30日提交的题为“Single-Step Method for Forming High Quality,Large Area Graphene at Reduced Temperetures”的美国临时专利申请号61/677,323的优先权，其公开内容特此通过引用以其整体并入以用于所有目的。

发明背景

石墨烯是碳的同素异形体，其中原子以规则的六角形图样排列成单原子片材。石墨烯的电子特性与常规的三维材料不同，并且石墨烯可以看作是零带隙半导体。石墨烯在室温下可以具有高载流子迁移率，这使得石墨烯成为用于电子电路应用的候选材料。

形成石墨烯薄膜的当前方法包括在高温例如～1,000℃下的化学气相沉积(CVD)。CVD生长技术还可包括在高温(例如～1,000℃)下暴露于氢气的预生长。

尽管涉及石墨烯薄膜形成所取得的进展，在本领域中还有对涉及石墨烯产生的改良的方法和系统的需求。

发明概述

本发明大体涉及用于材料合成的方法和系统。更特别地，本发明涉及用于生长高质量、大面积的石墨烯的方法和系统。仅举例来说，本发明已经被应用于在减压氛围中在室温下生长石墨烯的方法。方法和技术可以被应用于包括CMOS兼容的半导体生长工艺的多种石墨烯生长系统。

根据本发明的实施方案，提供形成石墨烯的薄膜的方法。方法包括在减压下把基底放置在处理室中并且在所述基底的至少一部分上进行表面处理工艺。方法还包括在处理室中提供含碳材料并且使基底暴露于含碳材料。方法还包括使含碳材料的一部分转变成在基底上的石墨烯的薄膜。

根据本发明的另一实施方案，提供用于形成石墨烯的方法。方法包括提供基底并且使基底经受减压环境。方法还包括提供载气和碳源并且使基底的至少一部分暴露于载气和碳源。方法还包括在基底的至少一部分上进行表面处理工艺并且使部分的碳源转变成布置在基底的所述至少一部分上的石墨烯。

根据本发明特定的实施方案，提供用于石墨烯产生的系统。系统包括：多个气体源；多个质量流量控制器，每个所述多个质量流量控制器与所述多个气体源中的一个耦合；以及与所述多个质量流量控制器流体连通的处理室。系统还包括可操作以在处理室中形成等离子体的等离子体源和与处理室流体连通的真空泵。系统还包括处理器和包含多个计算机可读指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述多个计算机可读指令有形地体现在所述计算机可读存储介质上，当通过数据处理器被执行时，所述多个计算机可读指令提供石墨烯产生。所述多个指令包括引起数据处理器使基底经受减压环境的指令和引起数据处理器提供载气和碳源的指令。所述多个指令还包括引起数据处理器使基底的至少一部分暴露于载气和碳源的指令和引起数据处理器在基底的所述至少一部分上进行表面处理工艺的指令。所述多个指令还包括引起数据处理器使所述碳源的一部分转变成布置在基底的所述至少一部分上的石墨烯的指令。

超过常规技术的多种益处通过本发明被获得。例如，本发明的实施方案提供用于在不需要炉的情况下产生石墨烯的技术。此外，如本文所描述，石墨烯生长可以比通过常规技术所提供的更快地被实现。此外，本文描述的低热预算工艺能够实现以比利用常规方法的石墨烯生长中观察到的应力更低的应力为特征的石墨烯的生长。本发明的某些实施方案提供用于在没有使用炉的情况下产生石墨烯的方法和系统，所述方法和系统使得生长能够以比利用传统方法更快的速度被实现，显著地减少生长时间(例如从5小时减少到15分钟)，同时产生低应力的石墨烯薄膜。本发明的这些和另外的实施方案连同其多种优点以及特点结合以下的文本以及附图被更详细地描述。

附图的简要描述

图1是示出用于根据本发明的实施方案的石墨烯产生的系统的简化示意图；

图2是示出根据本发明的实施方案生长石墨烯的方法的简化流程图；

图3显示对于利用常规技术生长的石墨烯薄膜和对于利用本发明的实施方案生长的石墨烯薄膜的数据；

图4是示出根据本发明的另一实施方案生长石墨烯的方法的简化流程图；