專利名稱：一種可控石墨烯陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別是涉及一種可控石墨烯陣列的制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是由Sp2雜化碳原子鍵合，且具有六方點(diǎn)陣蜂窩狀二維結(jié)構(gòu)的單層平面石墨，具有極聞的晶體品質(zhì)和電學(xué)性能。作為一種嚴(yán)格的二維晶體材料，石墨稀具有獨(dú)特的物理性能，載流子濃度高達(dá)1013cm_2，遷移率超過20000(cm^-1 s—1，為晶體管、傳感器等高性能器件的制備提供了材料基礎(chǔ)。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小。石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅，其遠(yuǎn)沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了 70% -80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性。在石墨烯的制備方面，目前主要有三種生長方法:1)化學(xué)氣相沉積法(CVD)。這種方法是利用在基片表面沉積一層幾十納米厚的具有催化性能的多晶金屬薄膜，然后利用熱催化分解碳?xì)浠衔飦碓诮饘俦∧さ谋砻嫔L石墨烯。2) SiC表面外延法。這種方法是利用高溫(一般在1350°C以上)處理SiC基底的辦法來蒸發(fā)掉表面的硅原子，留下碳原子，形成石墨烯。3)金屬單晶表面外延法。和方法一類似，催化劑為具有催化性能的金屬單晶，然后利用晶體內(nèi)部碳雜質(zhì)的析出或熱催化分解碳?xì)浠衔?，在金屬薄膜的表面外延石墨烯。和方法一不同之處在于生長的石墨烯的晶格和金屬單晶的晶格相匹配。然而，單純采用以上方法難以制備出可控性較高的石墨烯陣列。因此提供一種可控性良好，可靠性高的石墨烯陣列的制備方法實(shí)屬必要。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種可控石墨烯陣列的制備方法，以提供一種工藝簡單、可控性良好且可靠性高的石墨烯陣列的制備方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種可控石墨烯陣列的制備方法，所述制備方法至少包括以下步驟:提供一 SOI襯底及與所述SOI襯底的頂硅層具有相同晶向的娃襯底，將所述頂娃層與娃襯底進(jìn)行扭轉(zhuǎn)鍵合，使鍵合后的頂娃層的晶向與該娃襯底的晶向呈預(yù)設(shè)夾角，以在鍵合界面形成具有網(wǎng)格狀分布的螺旋位錯的位錯線；2)去除所述SOI襯底的背襯底及絕緣層以露出所述頂硅層的背表面，刻蝕所述頂硅層的背表面以在各該位錯線影響的垂向?qū)?yīng)的區(qū)域形成凹槽結(jié)構(gòu)，其中，凹槽結(jié)構(gòu)之間具有平臺結(jié)構(gòu)；3)在所述各該平臺結(jié)構(gòu)表面形成具有石墨烯偏析特性的金屬納米顆粒，然后采用化學(xué)氣相沉積法在各該金屬納米顆粒表面形成碳-金屬固溶體，最后對所述碳-金屬固溶體進(jìn)行降溫偏析以完成所述石墨烯陣列的制備。在本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法中，所述頂娃層的厚度為5nm lOOnm。在本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法中，所述預(yù)設(shè)夾角的角度m為O °< m ^ 5°。優(yōu)選地，所述網(wǎng)格狀位錯線為正方形網(wǎng)格狀位錯線，其中，平行且相鄰的兩位錯線的間距為IOnm 200nm。在本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法中，所述步驟2)中采用應(yīng)力選擇性化學(xué)腐蝕法對所述頂硅層的背表面進(jìn)行腐蝕，包括采用HF與CrO3混合溶液進(jìn)行第一步腐蝕以及采用HF、CH3COOH及HNO3混合溶液進(jìn)行第二步腐蝕的步驟。在本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法中，所述步驟3)中采用電子束蒸發(fā)技術(shù)形成所述金屬納米顆粒。在本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法中，所述金屬納米顆粒的直徑為IOnm 200nmo在本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法中，所述金屬納米顆粒為鎳納米顆?；蜚~納米顆粒。優(yōu)選地，所述步驟3)中,對于鎳納米顆粒,采用5°C /s 15°C /s的降溫速度對所述石墨烯進(jìn)行偏析；對于銅納米顆粒采用0.1°C /s 1°C /s的降溫速度對所述石墨烯進(jìn)行偏析。 在本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法中，所述步驟3)中采用CH4、H2及Ar混合氣體進(jìn)行反應(yīng)形成石墨烯，反應(yīng)溫度為800°C 1200°C。如上所述，本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法，具有以下有益效果:采用晶向相同的兩硅襯底進(jìn)行小角度鍵合形成方形網(wǎng)格狀的螺旋位錯，由于位錯引起硅表面應(yīng)力分布不均，利用應(yīng)力選擇性腐蝕，對位錯線影響的垂向?qū)?yīng)的區(qū)域進(jìn)行刻蝕，形成正方形網(wǎng)格狀的圖形化硅島，采用電子束外延形成具有偏析特性的金屬納米顆粒，最后采用化學(xué)氣相沉積法與偏析方法制備出所述石墨烯陣列。采用本發(fā)明制備的石墨烯陣列具有很高的可控性和可靠性，石墨烯陣列的分布通過硅硅小角度鍵合進(jìn)行控制，可達(dá)到較高的精度。本發(fā)明制備方法工藝簡單，效果顯著，且兼容于一般的半導(dǎo)體工藝，適用于工業(yè)生產(chǎn)。


圖1 圖2顯示為本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法步驟I)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3 圖4顯示為本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法步驟2)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5 圖6顯示為本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法步驟3)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7顯示為采用本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法所制備的石墨烯陣列的立體示意圖。
圖8顯示為采用本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法所制備的石墨烯陣列的平面示意圖。元件標(biāo)號說明101 103 SOI 襯底104硅襯底105位錯線106凹槽結(jié)構(gòu)107平臺結(jié)構(gòu)108金屬納米顆粒109石墨烯陣列
具體實(shí)施例方式以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請參閱圖1至圖8。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜 。如圖1 8所示，本發(fā)明提供一種可控石墨烯陣列的制備方法，所述制備方法至少包括以下步驟:請參閱圖1 2，如圖所示，首先進(jìn)行步驟I)，提供SOI襯底101 103及與所述SOI襯底101 103的頂硅層103具有相同晶向的硅襯底，將所述頂硅層103與硅襯底進(jìn)行晶向位錯鍵合，使鍵合后的所述頂硅層103的晶向與所述硅襯底的晶向呈預(yù)設(shè)夾角，以在鍵合界面形成具有網(wǎng)格狀位錯線105的螺旋位錯。需要說明的是，所述SOI襯底101 103具有背襯底101，結(jié)合于所述背襯底101上的絕緣層102及結(jié)合于所述絕緣層102上的頂硅層103，所述SOI襯底101 103的頂硅層103的厚度為5nm lOOnm。具體地，對所述SOI襯底101 103的頂硅層103和所述硅襯底104進(jìn)行疏水處理，首先采用RCA濕式化學(xué)清洗法對所述SOI襯底101 103的頂硅層103和所述硅襯底104進(jìn)行清洗，然后采用HF溶液進(jìn)行清洗，使其表面具有疏水特性，然后使所述頂硅層103的晶向與所述硅襯底104的晶向呈預(yù)設(shè)夾角，對所述頂硅層103的晶向與所述硅襯底104進(jìn)行鍵合，以在鍵合界面形成具有網(wǎng)格狀位錯線105的螺旋位錯，其中，所述預(yù)設(shè)夾角的角度m為0° <m^5°，在本實(shí)施例中，暫以該預(yù)設(shè)夾角的角度m為1°進(jìn)行描述，所述網(wǎng)格狀位錯線105為正方形網(wǎng)格狀位錯線105，其中，平行且相鄰的兩位錯線105的間距為IOnm 200nm,其具體數(shù)值由所述預(yù)設(shè)夾角的角度所決定，在本實(shí)施例中，1°的預(yù)設(shè)夾角所產(chǎn)生的位錯線105間距為22nm。由于螺旋位錯，所述頂硅層103內(nèi)會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力分布。請參閱圖3 圖4，如果所示，然后進(jìn)行步驟2)，去除所述SOI襯底101 103的背襯底101及絕緣層102以露出所述頂硅層103的背表面，腐蝕所述頂硅層103的背表面以在所述網(wǎng)格狀位錯線105各交點(diǎn)所對應(yīng)的區(qū)域形成多個凹槽結(jié)構(gòu)106，其中，凹槽結(jié)構(gòu)106之間具有平臺結(jié)構(gòu)107。具體地，采用背襯底101刻蝕技術(shù)去除所述SOI的背襯底101與絕緣層102，當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，也可以采用智能剝離技術(shù)與拋光的方法去除所述SOI的背襯底101與絕緣層102。由于螺旋位錯，所述頂硅層103內(nèi)會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力分布，所述頂硅層103在拉伸應(yīng)力的作用下的區(qū)域更容易被腐蝕，選用采用應(yīng)力選擇性化學(xué)腐蝕法對所述頂硅層103的背表面進(jìn)行腐蝕，包括采用HF與CrO3混合溶液進(jìn)行第一步刻蝕以及采用HF、CH3COOH及HNCV混合溶液進(jìn)行第二步刻蝕的步驟，在本實(shí)施例中，采用HF: CrO3的比例為3: 1000進(jìn)行初步刻蝕，采用HF: CH3COOH: HNO3的比例為0.02: 7: 3繼續(xù)進(jìn)行刻蝕以獲得所述的凹槽結(jié)構(gòu)106及其之間的平臺結(jié)構(gòu)107。請參閱圖5 圖8,如圖所示,最后進(jìn)行步驟3),在所述各該平臺結(jié)構(gòu)107表面形成具有石墨烯偏析特性的金屬納米顆粒108，然后采用化學(xué)氣相沉積法在各該金屬納米顆粒108表面形成碳-金屬固溶體，最后對所述碳-金屬固溶體進(jìn)行降溫偏析以完成所述石墨烯109陣列的制備。具體地，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)形成所述金屬納米顆粒108，由于本發(fā)明所使用的金屬納米顆粒的沉積特性，所述金屬納米顆粒優(yōu)先在所述平臺結(jié)構(gòu)107上進(jìn)行沉積，沉積的所述金屬納米顆粒的直徑為IOnm 200nm。在本實(shí)施例中，所述金屬納米顆粒108為鎳納米顆粒或銅納米顆粒。然后，采用CH4、H2及Ar混合氣體進(jìn)行反應(yīng)形成碳源，利用化學(xué)氣相沉積法在納米顆粒表面沉積一層碳源，反應(yīng)溫度為800°C 1200°C，在較高溫度下沉積的少量碳會進(jìn)入金屬納米顆粒內(nèi)部，形成碳-金屬的固溶體。最后對所述金屬納米顆粒108進(jìn)行降溫以使所述石墨烯進(jìn)行偏析，對于鎳納米顆粒，采用5°C /s 15°C /s的降溫速度對所述石墨烯進(jìn)行偏析；對于銅納米顆粒采用0.1°C /s 1°C /s的降溫速度對所述石墨烯進(jìn)行偏析，以完成所述石墨烯陣列109的制備，如圖7 圖8所示。綜上所述，本發(fā)明的可控石墨烯陣列的制備方法，采用晶向相同的兩硅襯底進(jìn)行小角度鍵合形成方形網(wǎng)格狀的螺旋位錯，由于位錯引起硅表面應(yīng)力分布不均，利用應(yīng)力選擇性腐蝕，對位錯線影響的垂向?qū)?yīng)的區(qū)域進(jìn)行刻蝕，形成正方形網(wǎng)格狀的圖形化硅島，采用電子束外延形成具有偏析特性的金屬納米顆粒，最后采用化學(xué)氣相沉積法與偏析方法制備出所述石墨烯陣列。采用本發(fā)明制備的石墨烯陣列具有很高的可控性和可靠性，石墨烯陣列的分布通過硅硅小角度鍵合進(jìn)行控制，可達(dá)到較高的精度。本發(fā)明制備方法工藝簡單，效果顯著，且兼容于一般的半導(dǎo)體工藝，適用于工業(yè)生產(chǎn)。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種可控石墨烯陣列的制備方法，其特征在于，所述制備方法至少包括以下步驟: 1)提供一SOI襯底及與所述SOI襯底的頂硅層具有相同晶向的硅襯底，將所述頂硅層與硅襯底進(jìn)行扭轉(zhuǎn)鍵合，使鍵合后的頂硅層的晶向與該硅襯底的晶向呈預(yù)設(shè)夾角，以在鍵合界面形成具有網(wǎng)格狀分布的螺旋位錯的位錯線； 2)去除所述SOI襯底的背襯底及絕緣層以露出所述頂硅層的背表面，刻蝕所述頂硅層的背表面以在各該位錯線影響的垂向?qū)?yīng)的區(qū)域形成凹槽結(jié)構(gòu)，其中，凹槽結(jié)構(gòu)之間具有平臺結(jié)構(gòu)； 3)在所述各該平臺結(jié)構(gòu)表面形成具有石墨烯偏析特性的金屬納米顆粒，然后采用化學(xué)氣相沉積法在各該金屬納米顆粒表面形成碳-金屬固溶體，最后對所述碳-金屬固溶體進(jìn)行降溫偏析以完成所述石墨烯陣列的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控石墨烯陣列的制備方法，其特征在于:所述頂硅層的厚度為5nm lOOnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控石墨烯陣列的制備方法，其特征在于:所述預(yù)設(shè)夾角的角度m為0° < m彡5°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控石墨烯陣列的制備方法，其特征在于:所述網(wǎng)格狀位錯線為正方形網(wǎng)格狀位錯線，其中，平行且相鄰的兩位錯線的間距為IOnm 200nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控石墨烯陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟2)中采用應(yīng)力選擇性化學(xué)腐蝕法對所述頂硅層的背表面進(jìn)行腐蝕，包括采用HF與CrO3混合溶液進(jìn)行第一步腐蝕以及采用HF、CH3COOH及HNO3混合溶液進(jìn)行第二步腐蝕的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控石墨烯陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟3)中采用電子束蒸發(fā)技術(shù)形成所述金屬納米顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控石墨烯陣列的制備方法，其特征在于:所述金屬納米顆粒的直徑為IOnm 200nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控石墨烯陣列的制備方法，其特征在于:所述金屬納米顆粒為鎳納米顆粒或銅納米顆粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的可控石墨烯陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟3)中，對于鎳納米顆粒，采用5°C /s 15°C /s的降溫速度對所述石墨烯進(jìn)行偏析；對于銅納米顆粒采用0.10C /s 1°C /s的降溫速度對所述石墨烯進(jìn)行偏析。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控石墨烯陣列的制備方法，其特征在于:所述步驟3)中采用CH4、H2及Ar混合氣體進(jìn)行反應(yīng)形成石墨烯， 反應(yīng)溫度為800°C 1200°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可控石墨烯陣列的制備方法，采用晶向相同的兩硅襯底進(jìn)行小角度鍵合形成方形網(wǎng)格狀的螺旋位錯，由于位錯引起硅表面應(yīng)力分布不均，利用應(yīng)力選擇性腐蝕，對位錯線影響的垂向?qū)?yīng)的區(qū)域進(jìn)行刻蝕，形成正方形網(wǎng)格狀的圖形化硅島，采用電子束外延形成具有偏析特性的金屬納米顆粒，最后采用化學(xué)氣相沉積法與偏析方法制備出所述石墨烯陣列。采用本發(fā)明制備的石墨烯陣列具有很高的可控性和可靠性，石墨烯陣列的分布通過硅硅小角度鍵合進(jìn)行控制，可達(dá)到較高的精度。本發(fā)明制備方法工藝簡單，效果顯著，且兼容于一般的半導(dǎo)體工藝，適用于工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號B81C1/00GK103204455SQ201210008150
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者狄增峰, 陳龍, 王剛, 魏星, 張苗, 王曦 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所