一种超洁净石墨烯单晶晶圆的制备方法与流程

本发明属于材料制备，具体涉及一种超洁净石墨烯单晶晶圆的制备方法。

背景技术：

1、石墨烯是由碳原子以sp2杂化的方式构成的二维原子晶体材料，具有独特的狄拉克锥形能带结构和诸多优异的物理化学性质，例如超高的载流子迁移率、极高的热导率、宽光谱吸收特性、优异的机械强度以及化学稳定性等等，在电子信息、能源储存、航空航天、生物医疗等领域表现出广阔的应用前景。

2、根据材料形态的不同，石墨烯材料可以分为石墨烯粉体、石墨烯薄膜、石墨烯晶圆以及石墨烯纤维等。其中，石墨烯单晶晶圆材料由于具有优异的电学性质、平整的表面结构、晶圆级的性质均一性以及与目前硅基集成工艺良好的兼容性，被视为新一代高性能碳基电子与光电子器件的重要基材。目前石墨烯单晶晶圆主要是通过化学气相沉积法(cvd)，在cu(111)单晶晶圆表面外延生长得到的。

3、尽管cvd法具有制备石墨烯质量高、可控性好、可放量等优点，然而在高温cvd反应过程中，气相中会发生许多副反应，副反应形成的无定形碳产物会沉积在石墨烯晶圆表面，带来严重的本征污染问题。无定形碳污染物会钝化石墨烯内部的缺陷结构，增加石墨烯的电子与声子散射概率，从而显著降低石墨烯晶圆在电学、光学、热学等方面的性质，影响其在后续电子与光电子器件等方面的应用。

技术实现思路

1、为了解决石墨烯晶圆的表面污染问题，需要从气相反应调控的角度出发，抑制无定形碳污染物的形成过程。基于此，本发明提供了一种超洁净石墨烯单晶晶圆的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2、s1、提供两个相同的铜/蓝宝石晶圆；

3、

4、s2、将所述两个铜/蓝宝石晶圆按照镀铜面面对面堆垛放置，置于化学气相沉积(cvd)系统中；

5、s3、将面对面堆垛放置的铜晶圆进行退火；

6、s4、向所述cvd体系统中通入一定量的碳源前驱体，进行石墨烯单晶晶圆的生长；

7、s5、石墨烯单晶晶圆生长后在原有气氛条件下降温至室温，取样后即可得到所述超洁净石墨烯单晶晶圆。

8、根据本发明一具体实施方式，所述步骤s1具体包括以下步骤：通过磁控溅射的方法，将铜原子从高纯铜靶材上溅射到蓝宝石单晶晶圆表面，制备一定厚度的铜薄膜，采用相同的方法和条件制备得到两个相同的铜/蓝宝石晶圆。

9、根据本发明一具体实施方式，在所述步骤s1中，所述磁控溅射速率为0.2-1.0nm/s；所述磁控溅射温度为25-200℃。

10、根据本发明一具体实施方式，在所述步骤s1中，所述蓝宝石晶圆尺寸为2-6英寸；所述蓝宝石晶圆厚度为350-1200μm；所述蓝宝石晶面取向为c面；所述铜薄膜厚度为500-1000nm。

11、根据本发明一具体实施方式，在所述步骤s3中，所述退火的气氛为氢氩混合气氛；其中，所述氢气流量为50-1000sccm；所述氩气流量为200-2000sccm；所述退火时间为30-120min。

12、通过将面对面堆垛放置的铜晶圆在氢氩气氛下退火，使其单晶化形成cu(111)单晶晶圆。

13、在所述步骤s3中，所述退火的温度为1020-1075℃。优选地，所述退火的压强为20-80kpa；优选地，退火压强为20-50kpa；更优选地，所述退火压强为20-25kpa。

14、根据本发明一具体实施方式，在所述步骤s4中，所述cvd系统温度为1020-1075℃；所述cvd系统压强为20-80kpa。优选地，所述cvd系统温度为1040-1075℃，所述cvd系统压强为20-50kpa；更优选地，所述cvd系统温度为1050-1075℃，所述cvd系统压强为20-25kpa。

15、本发明中石墨烯单晶晶圆的生长条件为高温低压，降低晶圆面对面贴合的间距，提升石墨烯晶圆的洁净度。

16、在本发明的技术方案中，退火的条件可以为低压，也可以不是低压，但优选为高温低压的反应条件。

17、本发明以铜晶圆作为生长衬底，采用限域空间的生长策略，结合cvd体系的温度与压强调控，通过采用扫描电子显微镜(sem)、透射电子显微镜(tem)对制备得到的超洁净石墨烯晶圆进行表征，证明可以实现超洁净石墨烯单晶晶圆的可控制备。

18、根据本发明一具体实施方式，在所述步骤s4中，所述碳源前驱体类型为甲烷、乙烯、乙炔中的一种或多种。

19、本发明通过向cvd体系中通入一定量的碳源前驱体，在铜晶圆构筑的限域空间体系，进行石墨烯晶圆的生长。

20、根据本发明一具体实施方式，在所述步骤s4中，所述生长气体的气氛包括氢气、氩气和碳源前驱体；其中，氢气流量为50-200sccm，氩气流量为500-1000sccm，碳源前驱体流量为2-200sccm；所述生长时间为120-180min。

21、有益效果：

22、本发明通过将两片铜晶圆面对面堆叠放置，构筑限域反应体系，结合cvd体系的温度与压强控制，采用高温低压的生长条件，抑制石墨烯生长过程中气相反应的发生与无定形碳产物的形成，从而实现超洁净石墨烯晶圆的可控制备。同时，本发明操作简单，与目前石墨烯晶圆的cvd生长工艺相兼容，可通过多片批次生长的方式实现超洁净石墨烯单晶晶圆的批量制备，可以为石墨烯单晶晶圆材料的品质提升与高端器件应用提供技术与材料支撑。

技术特征：

1.一种超洁净石墨烯单晶晶圆的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括以下步骤：通过磁控溅射的方法，将铜原子从高纯铜靶材上溅射到蓝宝石单晶晶圆表面，制备一定厚度的铜薄膜，采用相同的方法和条件制备得到两个相同的铜/蓝宝石晶圆。

3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，在所述步骤s1中，所述磁控溅射速率为0.2-1.0nm/s；所述磁控溅射温度为25-200℃。

4.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，在所述步骤s1中，所述蓝宝石晶圆尺寸为2-6英寸；所述蓝宝石晶圆厚度为350-1200μm；所述蓝宝石晶面取向为c面；所述铜薄膜厚度为500-1000nm。

5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述步骤s3中，所述退火的气氛为氢氩混合气氛；其中，所述氢气流量为50-1000sccm；所述氩气流量为200-2000sccm；所述退火时间为30-120min。

6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述步骤s3中，所述退火温度为1020-1075℃。

7.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述步骤s4中，所述cvd系统温度为1020-1075℃；所述cvd系统压强为20-80kpa；

8.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述步骤s4中，所述碳源前驱体类型为甲烷、乙烯、乙炔中的一种或多种。

9.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述步骤s4中，所述生长气体的气氛包括氢气、氩气和碳源前驱体；其中，氢气流量为50-200sccm，氩气流量为500-1000sccm，碳源前驱体流量为2-200sccm；所述生长时间为120-180min。

技术总结
本发明公开了一种超洁净石墨烯单晶晶圆的制备方法，通过将两片铜晶圆面对面堆叠放置，构筑限域反应体系，结合CVD体系的温度与压强控制，抑制石墨烯生长过程中气相反应的发生与无定形碳产物的形成，从而实现超洁净石墨烯晶圆的可控制备。同时，本发明操作简单，与目前石墨烯晶圆的CVD生长工艺相兼容，可通过多片批次生长的方式实现超洁净石墨烯单晶晶圆的批量制备，可以为石墨烯单晶晶圆材料的品质提升与高端器件应用提供技术与材料支撑。

技术研发人员：刘忠范,竺叶澍,贾开诚,邵家新,王世伟,韦明月,林立
受保护的技术使用者：北京石墨烯研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/8/13