基于Cu膜退火向SiC注Si的石墨烯纳米带制备方法

摘要

本发明公开了一种基于Cu膜退火向SiC注Si的石墨烯纳米带制备方法，主要解决现有技术中制备的石墨烯表面不光滑、连续性不好、制作器件时由于光刻工艺使石墨烯中的电子迁移率降低的问题。其实现步骤是：先对SiC样片进行标准清洗；再在清洗后的SiC样片上选取注入区，并注入Si离子；然后将SiC样片置于外延炉中，加热至1200-1300℃，保持恒温时间为30-90min,使注入区的SiC热解生成碳膜；再将生成的碳膜样片置于Cu膜上，并将它们一同置于Ar气中，在温度为900-1200℃下退火10-20min，使碳膜重构成石墨烯纳米带。本发明工艺简单，安全性高，注入区的SiC热解温度降低，且生成的石墨烯纳米带表面光滑，连续性好，可用于制作半导体器件。

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Cu膜退火向SiC注Si的石墨烯纳米带制备方法，可用于制作半导体电子器件。

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。石墨烯由于其优异的电学特性，引起了广泛关注，继而制备石墨烯的新方法层出不穷,但使用最多的主要有以下两种：

1.化学气相沉积法提供了一种可控制备石墨烯的有效方法,它是将平面基底，如金属薄膜、金属单晶等置于高温可分解的前驱体，如甲烷、乙烯等气氛中,通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯,最后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨烯片。通过选择基底的类型、生长的温度、前驱体的流量这些参数可调控石墨烯的生长，如生长速率、厚度、面积等，此方法的缺点在于工艺复杂，能源消耗大，生产成本高，而且获得的石墨烯片层与衬底相互作用强，丧失了许多单层石墨烯的性质，且石墨烯的连续性不是很好。

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热分解时温度较高，并且生长出来的石墨烯呈岛状分布，孔隙多，而且做器件时由于光刻，干法刻蚀工艺会使石墨烯的电子迁移率降低，从而影响了器件性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于Cu膜退火向SiC注Si的石墨烯纳米带制备方法，以提高石墨烯纳米带表面的光滑度和连续性，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样片上的指定区域，注入能量为15-30keV，剂量为5×10¹⁴~5×10¹⁷cm^-2的Si离子；

（3）将注入Si离子后的SiC样片放入外延炉中，外延炉中压强为0.5~1×10^-6Torr，并向其中通入Ar气，再加热至1200-1300℃，恒温时间为30-90min，使指定区域的SiC热解生成碳膜；

（4）将生成的碳膜样片置于Cu膜上，再将它们一同置于流速为30-150ml/min的Ar气气氛中，在温度为900-1200℃下退火10-20分钟，使碳膜依附在Cu膜上重构成石墨烯纳米带，最后从石墨烯纳米带样片上取开Cu膜。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明由于在SiC样片上选取与所需要制作的器件的衬底形状相同的区域注入了Si离子，使得此区域的SiC热解温度降低，从而制备出石墨烯纳米带，在此石墨烯纳米带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.本发明由于利用在Cu膜上退火，因而生成的碳膜更容易重构形成连续性较好，表面光滑的石墨烯纳米带。

3.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流程图。

具体实施方式

参照图1，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。

步骤2：对6H-SiC样片的指定区域进行Si离子注入。

在清洗后的6H-SiC样片上选取与所需要制作的器件的衬底形状相同的区域作为注入区，然后在此注入区中注入能量为15keV，剂量为5×10¹⁴cm^-2的Si离子。

步骤3：6H-SiC热解生成碳膜。

将注入Si离子后的6H-SiC样片放入压强为0.5×10^-6Torr的外延炉中，并向其中通入气流速为500ml/min的Ar气，再加热至1200℃，保持恒温90min，使注入区的6H-SiC热解生成碳膜。

步骤4：碳膜重构成石墨烯纳米带。

（4.1）将生成的碳膜样片从外延炉中取出，将其置于250nm厚的Cu膜上；

（4.2）将碳膜样片和Cu膜整体置于流速为30ml/min的Ar气中，在温度为900℃下退火20分钟，使碳膜依附在Cu膜上重构成连续光滑的石墨烯纳米带；

（4.3）将Cu膜从石墨烯纳米带样片上取开，得到了石墨烯纳米带样片。

实施例2

步骤一：清洗4H-SiC样片，以去除表面污染物。

对4H-SiC衬底基片先使用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；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。

步骤二：对4H-SiC样片的指定区域进行Si离子注入。

在清洗后的4H-SiC样片上选取与所需要制作的器件的衬底形状相同的区域作为注入区，然后在此注入区中注入能量为25keV，剂量为5×10¹⁵cm^-2的Si离子；

步骤三：4H-SiC热解生成碳膜。

将注入Si离子后的4H-SiC样片放入外延炉中，外延炉中压强为0.8×10^-6Torr，并向其中通入气流速为600ml/min的Ar气，再加热至1250℃，保持恒温时间为60min，使注入区的4H-SiC热解生成碳膜。

步骤四：碳膜重构成石墨烯纳米带。

将生成的碳膜样片从外延炉中取出并置于280nm厚的Cu膜上，再将它们一同置于流速为100ml/min的Ar气气氛中，在温度为1000℃下退火15分钟，使碳膜依附在Cu膜上重构成连续光滑的石墨烯纳米带，最后从石墨烯纳米带样片上取开Cu膜，获得石墨烯纳米带样片。

实施例3

步骤A：对6H-SiC衬底基片进行表面清洁处理，即先使用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；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。

步骤B：在清洗后的6H-SiC样片上选取与所需要制作的器件的衬底形状相同的区域作为注入区，然后在此注入区中注入能量为30keV，剂量为5×10¹⁷cm^-2的Si离子。

步骤C：将注入Si离子后的6H-SiC样片放入外延炉中，外延炉中压强为1×10^-6Torr，并向其中通入流速为800ml/min Ar气，再加热至1300℃，保持恒温时间为30min,使注入区的6H-SiC热解生成碳膜。

步骤D：将生成的碳膜样片从外延炉中取出并置于300nm厚的Cu膜上，再将它们一同置于流速为150ml/min的Ar气气氛中，温度为1200℃下退火10分钟，使碳膜依附在Cu膜上重构成连续光滑的石墨烯纳米带，最后从石墨烯纳米带样片上取开Cu膜，获得石墨烯纳米带样片。