石墨烯薄膜的制備設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實用新型揭示了一種石墨烯薄膜的制備設(shè)備，包括工作腔，工作腔設(shè)有碳源入口、殘余氣體出口；工作腔內(nèi)設(shè)有襯底、篩選電場上極板、第一篩選電場電極、第二篩選電場電極、加速電場上極板、加速電場下極板、第一加速電場電極、第二加速電場電極、可移動加熱板；第一、第二篩選電場電極分別與篩選電場上極板連接；第一、第二加速電場電極分別設(shè)置于殘余氣體出口的兩側(cè)，第一、第二加速電場電極分別與加速電場下極板連接；襯底放置于可移動加熱板上，可移動加熱板置于加速電場下極板上、加速電場上極板與加速電場下極板之間。本實用新型通過控制篩選電場，可有效地將碳離子與其他負(fù)離子分離，排除影響石墨烯質(zhì)量的其他負(fù)離子的干擾。
【專利說明】石墨烯薄膜的制備設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于半導(dǎo)體工藝【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種薄膜制備方法，尤其涉及一種石墨烯薄膜的制備設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)法是近年來發(fā)展起來的制備石墨烯的新方法，該方法院利用甲烷等含碳化合物作為碳源，通過其在基體表面的高溫分解生長石墨烯，具有產(chǎn)物質(zhì)量高、生長面積大等優(yōu)點，逐漸成為制備高質(zhì)量石墨烯的主要方法。
[0003]在碳源方面，目前生長石墨烯的碳源主要是烴類氣體，如甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)等。選擇碳源需要考慮的因素主要有烴類氣體的分解溫度、分解速度和分解產(chǎn)物等。碳源的選擇在很大程度上決定了生長溫度，采用等離子體輔助等方法也可降低石墨烯的生長溫度。
[0004]在生長基體方面，目前使用的生長基體主要包括金屬箔或特定基體上的金屬薄膜。金屬主要有N1、Cu、Ru以及合金等，選擇的主要依據(jù)有金屬的熔點、溶碳量以及是否有穩(wěn)定的金屬碳化物等。這些因素決定了石墨烯的生長溫度、生長機制和使用的載氣類型。另外，金屬的晶體類型和晶體取向也會影響石墨烯的生長質(zhì)量。
[0005]在生長條件上，采用負(fù)壓以利于含碳?xì)怏w的電離，保護(hù)氣體可采用還原性氣體(H2)或惰性氣體(Ar、He)。生長溫度在400?1000°C左右，當(dāng)然這主要取決于碳源的選擇。
[0006]在以往的CVD法生長石墨烯的過程中，碳原子向襯底表面沉積是通過擴(kuò)散過程自發(fā)進(jìn)行的，難以進(jìn)行人為控制，使其他離子所攜帶的碳也參與反應(yīng)，造成石墨烯生長模式不一致，進(jìn)而影響薄膜質(zhì)量。
實用新型內(nèi)容
[0007]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是:提供一種石墨烯薄膜的制備設(shè)備，可提高氣相沉積石墨烯的品質(zhì)和效率。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用如下技術(shù)方案:
[0009]一種石墨烯薄膜的制備設(shè)備，所述制備設(shè)備包括工作腔，工作腔設(shè)有碳源入口、殘余氣體出口 ；
[0010]所述工作腔內(nèi)設(shè)有襯底、篩選電場上極板、第一篩選電場電極、第二篩選電場電極、加速電場上極板、加速電場下極板、第一加速電場電極、第二加速電場電極、可移動加熱板；
[0011]所述第一篩選電場電極、第二篩選電場電極分別設(shè)置于碳源入口的兩側(cè)，第一篩選電場電極、第二篩選電場電極分別與篩選電場上極板連接，形成篩選電場區(qū)域；
[0012]所述第一加速電場電極、第二加速電場電極分別設(shè)置于殘余氣體出口的兩側(cè)，第一加速電場電極、第二加速電場電極分別與加速電場下極板連接；
[0013]所述襯底放置于可移動加熱板上，可移動加熱板置于加速電場下極板上、加速電場上極板與加速電場下極板之間。
[0014]作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述第一篩選電場電極、第二篩選電場電極分別通過螺紋方式與篩選電場上極板連接。
[0015]作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述第一加速電場電極、第二加速電場電極分別通過螺紋方式與加速電場下極板連接。
[0016]作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述制備設(shè)備還包括絕緣陶瓷，設(shè)置于篩選電場上極板與加速電場下極板之間。
[0017]本實用新型的有益效果在于:本實用新型提出的石墨烯薄膜的制備設(shè)備，通過控制篩選電場，可有效地將碳離子與其他負(fù)離子分離，排除影響石墨烯質(zhì)量的其他負(fù)離子的干擾，同時加速電場的使用可以對生長成核過程進(jìn)行人為控制。通過合適加速電場的選用，可以有效控制碳離子轟擊襯底時的能量及速度，從而控制石墨烯在襯底上的生長模式及形態(tài)，使其有利于單晶石墨稀薄I吳的生長，最終得到聞品質(zhì)、大尺寸的單晶石墨稀，同時可提聞氣相沉積石墨稀的品質(zhì)和效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型石墨烯薄膜的制備設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2a為實施例一中調(diào)整篩選電場所加偏壓的示意圖。
[0020]圖2b為實施例二中調(diào)整篩選電場所加偏壓的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實用新型的優(yōu)選實施例。
[0022]實施例一
[0023]本實用新型揭示了一種石墨烯薄膜的制備設(shè)備，請參閱圖1，本實用新型制備設(shè)備包括工作腔12，工作腔12設(shè)有碳源入口 1、殘余氣體出口 8，工作腔12內(nèi)設(shè)有襯底4、篩選電場上極板5、加速電場上極板6、加速電場下極板7、加速電場電極9、篩選電場電極10、可移動加熱板11。
[0024]所述篩選電場電極10設(shè)置于碳源入口 I的兩側(cè)，篩選電場上極板5、篩選電場電極10連接，形成篩選電場區(qū)域。所述加速電場電極9分別設(shè)置于殘余氣體出口 8的兩側(cè)，加速電場電極9與加速電場下極板7連接。本實施例中，篩選電場電極10和篩選電場上極板5通過螺紋方式連接，加速電場電極9和加速電場下極板7通過螺紋方式連接，絕緣陶瓷3放置于篩選電場上極板5與加速電場下極板7之間。襯底4設(shè)置于可移動加熱板11上，可移動加熱板11置于加速電場下極板7上、加速電場上極6板與加速電場下極板7之間。圖1中，dl為篩選電場極板間距離，d2為加速電場極板間距離。Ul為篩選電場上極板電勢，U2為加速電場上極板電勢，U3為加速電場下極板電勢。
[0025]本實用新型制備方法包括如下步驟:提供石墨烯生長襯底4 ;將所述襯底4置于電加熱形成的高溫區(qū)域；在垂直于襯底4并沿襯底需要沉積石墨烯薄膜的表面法線方向依次施加加速電場和篩選電場，襯底4作為加速電場的正極；加熱襯底4、篩選電場區(qū)域和加速電場區(qū)域；通入含碳?xì)怏w作為碳源，通過控制溫度、氣壓和/或加熱電源的頻率將含碳?xì)怏w電離成等離子體；等離子體中帶負(fù)電離子在篩選電場的作用下被篩選，由于帶電量的不同，碳離子被篩選出來，并在加速電場的作用下撞擊襯底表面，從而實現(xiàn)石墨烯2的生長。
[0026]本實施例中采用電流加熱導(dǎo)電基板的方式，硅襯底被放置在電阻加熱板上。通過電阻加熱板的加熱，硅襯底將處于1000°C左右的高溫狀態(tài)。在硅襯底上方，與電阻加熱板相平行的平面上，分別置有篩選電壓和加速電壓板，電壓板與加熱基座之間通過陶瓷塊絕緣。篩選電場上極板5與加速電場上極板6之間電壓約為30V,頻率約為0.5MHz,篩選電場上極板5與加速電場下極板7間距離為20.5cm。加速電場上極板6、加速電場下極板7間的電壓約為7V。另外，所用的加熱電流采用適當(dāng)頻率的交流電方式，并且上述機構(gòu)(包括襯底4、可移動加熱板11、篩選電場上極板5、篩選電場電極10、加速電場電極9、加速電場上極板6、加速電場下極板7)被放置于適當(dāng)真空度的真空腔室之內(nèi)，這樣甲烷氣體受高頻電流作用電離成等離子體，該等離子體用下式表示(以甲烷作為工作氣體為例):
[0027]CH4 — C4>4H+,
[0028]CH4 — CH3-+3Η+，
[0029]CH4 — CH22 +2H+，
[0030]CH4 — CH3 +H+，
[0031 ] 篩選電場上極板5所加的偏壓如圖2a所示，在篩選電場作用下，t時刻內(nèi)負(fù)離子被加速，t-2t時刻內(nèi)負(fù)離子受電場作用減速至速度為零。2t-3t時刻內(nèi)負(fù)離子反向加速。2t時刻，負(fù)離子所經(jīng)過的距離為:S=at2=nqE*t2/m。對于CH3_離子，其運動距離為17.6cm，其他帶電量更小的離子(如CH廣、CH3_)運動距離更短。對于C4_離子，其運動距離為23.3cm。由于篩選電場板間距離為20.5cm，碳離子可穿過加速電場上極板進(jìn)入加速電場，而其他負(fù)離子則仍停留在篩選電場內(nèi)，隨后被反向加速。
[0032]在加速電場內(nèi)，碳離子被加速，隨后轟擊位于加熱基座上的硅襯底，從而實現(xiàn)電場增強作用下的化學(xué)氣相沉積。上述討論中以硅作為襯底，以甲烷作為工作碳源。
[0033]上述過程中，在硅襯底表面形成的碳原子壓力估算如下:當(dāng)加速電場的電勢差約為7V時，通過適當(dāng)?shù)拈g距可以產(chǎn)生10_2V/um的電場強度。當(dāng)反應(yīng)室內(nèi)的壓力在20~30Torr時，被電離的甲烷中的碳離子將a=3xlOnm/s2左右的加速度，約t=l(T7s的加速時間，約v=2.3xl04m/s的速度沖擊襯底,形成的動量達(dá)到p=4.8xl(T22kg m/s左右。假設(shè)被加速的碳離子在襯底的兩層原子距離中通過原子力的作用被降速為靜止，則可以估計出停滯時間約為t=2.9xl0_14s，停滯力為F=L 5x10_8N。再假設(shè)該停滯力作用半徑為襯底的5層原子間距，可以計算得到碳離子在襯底上作用力約為P=L 4GPa。我們同樣可以估計碳離子撞擊襯底的能量，碳離子在電場中獲得的能量約為7.1xlO-18J0在上述條件下，襯底表面將形成碳膜生長二維成核的形核中心(石墨烯島)，形成石墨烯薄膜。使用0.lmm/min的速度移動移動加熱板，帶動襯底移動，從而使石墨烯在整個襯底上大面積、連續(xù)沉積。
[0034]實施例二
[0035]本實施例米用與實施例一相同的方式，不同之處在于篩選電極板間電勢差為40V,篩選電極板間距離調(diào)整為27.3cm。2t時刻負(fù)離子所經(jīng)過的距離為:S=at2=nqE*t2/m。對于CH3-離子，其運動距離為23.5cm，其他帶電量更小的離子(如CH廣、CH3O運動距離更短。對于C4_離子，其運動距離為31.1cm0由于篩選電場板間距離為27.3cm，碳離子可穿過加速電場上極板進(jìn)入加速電場，而其他負(fù)離子則仍停留在篩選電場內(nèi)，隨后被反向加速。
[0036]實施例三
[0037]本實施例采用與實施例一相同的方式，不同之處在于調(diào)整篩選電極板間距離為15.3cm，調(diào)整篩選電場所加偏壓如圖2b所示。1.5t時刻，負(fù)離子速度變?yōu)榱恪４藭r負(fù)離子所經(jīng)過的距離為:S=l/2*ait2+l/2*a2t2。對于CH3_離子，其運動距離為13.2cm，其他帶電量更小的離子(如CH22'CH3_)運動距離更短。對于C4_離子，其運動距離約為17.5cm。由于篩選電場板間距離為15.3cm，碳離子可穿過加速電場上極板進(jìn)入加速電場，而其他負(fù)離子則仍停留在篩選電場內(nèi)，隨后被反向加速。
[0038]綜上所述，本實用新型提出的石墨烯薄膜的制備設(shè)備，通過控制篩選電場，可有效地將碳離子與其他負(fù)離子分離，排除影響石墨烯質(zhì)量的其他負(fù)離子的干擾，同時加速電場的使用可以對生長成核過程進(jìn)行人為控制。通過合適加速電場的選用，可以有效控制碳離子轟擊襯底時的能量及速度，從而控制石墨烯在襯底上的生長模式及形態(tài)，使其有利于單晶石墨稀薄I旲的生長，最終得到聞品質(zhì)、大尺寸的單晶石墨稀，同時可提聞氣相沉積石墨稀的品質(zhì)和效率。
[0039]這里本實用新型的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本實用新型的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本實用新型的精神或本質(zhì)特征的情況下，本實用新型可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本實用新型范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進(jìn)行其它變形和改變。
【權(quán)利要求】
1.一種石墨烯薄膜的制備設(shè)備，其特征在于，所述制備設(shè)備包括工作腔，工作腔設(shè)有碳源入口、殘余氣體出口 ； 所述工作腔內(nèi)設(shè)有襯底、篩選電場上極板、第一篩選電場電極、第二篩選電場電極、力口速電場上極板、加速電場下極板、第一加速電場電極、第二加速電場電極、可移動加熱板； 所述第一篩選電場電極、第二篩選電場電極分別設(shè)置于碳源入口的兩側(cè)，第一篩選電場電極、第二篩選電場電極分別與篩選電場上極板連接，形成篩選電場區(qū)域； 所述第一加速電場電極、第二加速電場電極分別設(shè)置于殘余氣體出口的兩側(cè)，第一加速電場電極、第二加速電場電極分別與加速電場下極板連接； 所述襯底放置于可移動加熱板上，可移動加熱板置于加速電場下極板上、加速電場上極板與加速電場下極板之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的制備設(shè)備，其特征在于: 所述第一篩選電場電極、第二篩選電場電極分別通過螺紋方式與篩選電場上極板連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的制備設(shè)備，其特征在于: 所述第一加速電場電極、第二加速電場電極分別通過螺紋方式與加速電場下極板連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯薄膜的制備設(shè)備，其特征在于: 所述制備設(shè)備還包括絕緣陶瓷，設(shè)置于篩選電場上極板與加速電場下極板之間。
【文檔編號】C01B31/04GK203639159SQ201320849069
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】顏士斌, 馬遠(yuǎn), 維塔利·塔塔琴科, 宗志遠(yuǎn), 牛沈軍 申請人:上海中電振華晶體技術(shù)有限公司