[发明专利]可控高密度等离子体制备装置和石墨烯薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种可控高密度等离子体制备装置，包括真空室、位于真空室中的上极板、正对上极板下方的下极板、电感线圈、真空抽气系统，上极板和下极板平行设置且间距可调，电感线圈位于上极板和下极板之间且其轴中心沿水平方向设置，上极板、电感线圈和下极板分别连接有第一电源、第二电源和第三电源，上极板上均布有若干小孔，下极板下表面还连接有加热器，真空室还开设有进气口，进气口内穿设有进气管，进气管与外部的气源连通。本发明可以实现大面积均匀、等离子体密度、离子通量、离子能量的独立调控的等离子体的制备过程，且可在碳化硅基片表面低温条件下制备石墨烯薄膜。

技术领域

本发明涉及等离子体制备技术领域，尤其涉及一种可控高密度等离子体制备装置和石墨烯薄膜的制备方法。

背景技术

低气压放电形成的低温等离子体是微电子加工的主要手段，它被用来进行沉积、刻蚀、去灰、聚合或注入等。微电子、光电子、通讯等高新技术产业发展的关键之一是等离子体微细加工技术的发展。

微细加工的低气压低温等离子体源的发展过程，基本经历了三代更新：第一代是低密度单室等离子体源。上世纪80年代以来使用的13.56MHz射频驱动的平行平板电极电容耦合放电等离子体刻蚀机，等离子体产生和反应加工在同一真空室，其等离子体密度约为10¹⁰-10¹¹cm^-3。第二代是高密度双室等离子体源。上世纪90年代以来使用的微波电子回旋共振等离子体源、螺旋波等离子体源和电感耦合等离子体源，等离子体室和反应室大都分开，其密度提高到10¹¹-10¹²cm^-3。第三代是双频驱动的中密度电容耦合放电等离子体源，其等离子体密度约为10¹¹cm^-3。一定条件下，等离子体的密度主要决定于高频功率，而到达基片上的离子能量则主要由低频功率决定。

为适应微电子器件加工的要求，需要进一步研制新型的等离子体加工手段。新型的等离子体源应具有：1)更高的加工效率。等离子体源应具有高的等离子体密度，以便产生足够高密度的反应基团，足够高的到达基片的离子通量。2)更灵活的调控能力。等离子体源应具有可以更独立地控制各种反应基团的密度和浓度，可以独立地控制到达基片上离子的能量。

现有技术中反应制备薄膜时等离子体密度低、活性低，离子密度和通量不能独立控制的缺点，导致薄膜的制备及加工的效率低。

石墨烯自2004年被Geim等人发现以来，以其奇特的性能引起了科学家的广泛关注和极大兴趣。石墨烯具有比硅高得多的载流子迁移率，是纳米电子元件的理想材料，在微电子领域具有巨大的应用潜力。石墨烯是一种可能代替硅作为新型半导体的材料。

目前，主要制备石墨烯的方法主要有三种：

(1)机械剥离法。虽然制备成本非常低，但得到的石墨烯尺寸很小，一般在10-100μm之间，而且完全不可能大规模制备；

(2)碳化硅外延生长。缺点是原料成本较高，设备成本很高，生长温度很高(1400℃)，很难生长大尺寸的石墨烯；

(3)化学气相沉积法。有可能规模化生产，生长得到的石墨烯一般都是多晶，衬底转移是难题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可控高密度等离子体制备装置和石墨烯薄膜的制备方法，本发明可以实现大面积均匀、等离子体密度、离子通量、离子能量的独立调控的等离子体的制备过程，且可在碳化硅基片表面低温条件下制备石墨烯薄膜。