[发明专利]基于高密度有序铜纳米线催化的大面积石墨烯制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种石墨烯的制备方法，可用于半导体器件的制备。

技术背景

随着集成电路的发展，目前硅基器件的关键尺寸已经达到理论和技术极限，量子效应已经成为主要机制，传统的基于扩散-漂移理论的硅基器件受到物理和技术双重限制，无法继续承担延续摩尔定律的重任，因此，必须寻找新一代基础半导体材料，发展新的理论和器件模型，以满足集成电路继续发展的需要。

石墨烯材料是一种碳基二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，单层仅原子厚度，它具有极其优异的物理化学性质，比如极高的透明性和柔韧性，超强的机械性能，极高的载流子迁移率，理论估计石墨烯载流子迁移率超过200000cm²V^-1s^-1，是硅的数百倍。而且它与衬底不存在失配问题，可以与硅基器件工艺完全兼容，具有突出的产业优势。因此，石墨烯的出现为产业界和科技界带来曙光，它是最被看好的替代硅成为下一代基础半导体材料的新材料。

但是，目前石墨烯材料的制备还存在诸多困难，成为石墨烯器件走向应用的瓶颈。相比于碳化硅衬底高温热解法的成本高昂，可控性和兼容性差的缺点，过渡族金属催化化学气相沉积外延是国际上广泛采用的大面积石墨烯制备的方法，它不受衬底尺寸的限制，设备简单，可以大批量生产。目前广泛采用的过渡族金属化学气相沉积就是在过渡族金属铜表面，高温下碳源裂解产生的碳原子吸附在衬底表面，经过二维生长可以形成连续的石墨烯。

尽管已对铜箔表面进行了电化学抛光，使铜箔表面变的平整，但铜箔依旧为多晶，所以还是不能生长出大面积的石墨烯。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高密度有序铜纳米线催化的大面积石墨烯制备方法，以解决现有利用铜箔难以制备大面积石墨烯的问题。

实现本发明目的技术关键是：利用阳极氧化铝模板生长高密度有序铜纳米线，再用所得的高密度有序铜纳米线催化生长石墨烯。通过改变溶液的溶质浓度，温度，电镀电流，石墨烯生长条件等，实现大面积石墨烯生长。其实现步骤包括如下：

(1)制备通孔阳极氧化铝模板：

(1a)对高纯铝片进行平整处理；

(1b)利用恒压直流模式对平整后的铝片进行一次氧化，氧化的工艺条件：电压为40V，温度为3～6℃，草酸溶液的浓度为0.3～0.5mol/L，氧化时间24小时；

(1c)将一次氧化后的铝片放入铬磷酸溶液中，在45℃温度下浸泡24小时，除去表面已生成的阳极氧化铝，再以与一次氧化相同的工艺条件进行二次氧化；

(1d)用氯化铜盐酸溶液除去二次氧化后的铝片背面的铝基，形成有阻挡层的阳极氧化铝，再将其漂浮在35～40℃温度下的4～6wt％磷酸溶液上10～20分钟，去除阳极氧化铝背面的阻挡层，再将其放入0.3～0.5mol/L草酸溶液中进行1～2小时的扩孔，得到厚度为40um通孔阳极氧化铝模板；

(2)在通孔阳极氧化铝模板的一面沉积厚度为40～50nm的铜膜，沉积速率为

(3)将附有铜膜的通孔阳极氧化铝模板置于电流为10～20mA的电镀装置底部，使铜膜面朝下，并将该铜膜作为阴极与电源负极相连，在通孔阳极氧化铝模板的另一面倒上氯化铜硼酸溶液，并将氯化铜硼酸溶液与电源正极相连，电镀100分钟，得到长度为10～20um的高密度有序铜纳米线；

(4)将长有高密度有序铜纳米线的铜膜通孔阳极氧化铝模板从电镀装置取出，使用20g/L过硫酸铵溶液除去在通孔阳极氧化铝模板上沉积上的铜膜；

(5)用通孔阳极氧化铝模板里的高密度有序铜纳米线催化生长石墨烯：

(5a)将已除去铜膜的通孔阳极氧化铝模板放入化学气相沉积反应室中，被除去铜膜那面朝上，向反应室中同时通入Ar和CH₄两种气体，保持两种气体的流量比为10:1～2:1，其中，Ar气体的流量为20～200sccm，CH₄气体的流量为10～20sccm，控制反应室气压维持在0.1～1Torr；

(5b)用高密度有序铜纳米线作为生长石墨烯的催化剂，设定反应室温度为900～1100℃，控制升温时间和保持时间在20～60min内；

(5c)保持反应室中的Ar和CH₄两种气体的流量不变，反应室气压维持在0.1～1Torr，等待反应室自然降温到100℃以下，完成石墨烯的生长。

本发明具有如下优点：