一種基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法
【專利摘要】本發明提供一種基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法，包括步驟：1）對生長襯底進行拋光處理并進行清洗；2）將所述生長襯底置于反應腔中，對所述反應腔進行抽真空后通入還原氣體并升溫至預設溫度，然后對所述生長襯底進行等離子體預處理；3）采用等離子體增強化學氣相沉積法于所述生長襯底表面生長豎直石墨烯薄膜；4）將制備出的豎直石墨烯薄膜轉移至轉移目標上。本發明充分發揮豎直石墨烯薄膜的水平薄膜層的橫向散熱與豎直方向較大的比表面積帶來的縱向散熱性，將高功率芯片水平方向的熱量通過大的比表面積擴散至周圍環境中，從而加快了散熱效率。本發明研究了豎直石墨烯薄膜的轉移技術，可以很方便的將豎直石墨烯薄膜應用于多種場合中。
【專利說明】一種基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微電子【技術領域】，特別是涉及一種基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著微電子產品的高性能、微型化、多功能化以及低成本的發展，電子散熱問題已成為制約電子工業發展的瓶頸。為解決高功率器件散熱的問題，高性能的導熱材料的研究迫在眉睫。目前半導體芯片中用于散熱的導熱材料除了金屬(如銅，熱導率K=400W/m* K)， 人們也在積極尋找新的高性能導熱材料，碳納米材料的研究一直是散熱研究領域的熱點， 在所有的碳結構中以石墨烯為代表的新型二維晶體材料因其單原子厚度的二維晶體結構和獨特的物理特性成為近年來的研究焦點。就石墨烯而言，不僅有優異的電學性能，如高遷移率、高機械強度、高導電性等，最重要的是表現出突出的導熱性能(5000W/(m*K))以及超常的比表面積(2630m2/g)，可以應用在固體表面的等一些良好的工藝性能，是理想的高功率電子器件散熱材料。目前，雖然已經明確石墨烯的高導熱性能，但是談及到石墨烯的散熱應用問題，其制備方法與應用技巧的研究正處于一個快速發展階段，如何制備出散熱性能很好的石墨烯材料，并將其成功應用到功率器件散熱領域中來仍是一個亟待解決的技術難題。
[0003]典型的熱學管理系統是由外部冷卻裝置如散熱器等組成。其重要功能是創造出最大的有效表面積，在這個表面上熱力被轉移并由外界冷卻媒介帶走。對于高功率芯片熱點的散熱，以往的散熱方式主要是通過熱點的熱擴散散熱，然后由導熱性強的散熱器帶走熱量，不能從根本上解決熱點的散熱問題。自碳家族中只有一個原子層厚度的石墨烯材料被發現以來，人們便嘗試利用其超強的導熱性能研究如何最優的應用于芯片散熱中來。現在普遍研究的石墨烯散熱應用主要采用單層或者多層的石墨烯薄膜轉移至高功率芯片中用于熱點散熱，進而探究不同層數的石墨烯薄膜的散熱性能對于芯片熱點散熱的影響。這種散熱方式僅僅能夠將芯片熱點的熱量以水平方式擴散至周圍材料，是在一定程度上加強了芯片散熱的速度，但是接下來如何將已經擴散的熱量帶出芯片器件傳遞至周圍空氣中，仍是一個亟待解決的問題。因此，如何利用石墨烯高導熱的優異性能從而最優的將芯片熱點處的熱量傳遞至周圍的環境中是本領域技術人員需要解決的問題。
【發明內容】
[0004]鑒于以上所述現有技`術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法，用于提高現有技術中高功率芯片的縱向散熱性能。
[0005]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法，至少包括以下步驟:
[0006]I)提供一生長襯底，對所述生長襯底進行拋光處理，并對所述生長襯底進行清洗；[0007]2)將所述生長襯底置于反應腔中，對所述反應腔進行抽真空后通入還原氣體并升溫至預設溫度，然后對所述生長襯底進行等離子體預處理；
[0008]3)保持通入還原氣體并通入生長氣體，采用等離子體增強化學氣相沉積法于所述生長襯底表面生長豎直石墨烯薄膜。
[0009]作為本發明的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法的一種優選方案，還包括步驟4)，將制備出的豎直石墨烯薄膜轉移至轉移目標上，用于實現散熱功能。
[0010]進一步地，步驟4)包括以下步驟:
[0011]4-1)將生長有豎直石墨烯薄膜的生長襯底置于裝有腐蝕溶液的容器中，選擇性腐蝕去除所述生長襯底；
[0012]4-2)采用稀釋液對所述腐蝕溶液進行多次稀釋，直至將所述腐蝕溶液的濃度降低至預設值；
[0013]4-3)利用轉移目標沉底撈取豎直石墨烯薄膜，然后通過熱處理加強所述豎直石墨烯薄膜與所述轉移目標的結合。
[0014]作為本發明 的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法的一種優選方案，所述生長襯底為Cu、N1、SiO2的一種。
[0015]作為本發明的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法的一種優選方案，步驟2)在抽真空后，所述反應腔的真空度至少為3.5 X 10?.[0016]作為本發明的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法的一種優選方案，步驟2)通入的還原氣體為H2，等離子體預處理采用的等離子體為H等離子體。
[0017]作為本發明的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法的一種優選方案，步驟2)所述的預設溫度為500~1200°C，還原氣體的流量范圍為30~lOOsccm，等離子體預處理的時間不少于lOmin。
[0018]作為本發明的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法的一種優選方案，步驟2)預處理時還包括通入惰性氣體的步驟。
[0019]作為本發明的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法的一種優選方案，步驟3)包括步驟:
[0020]3-1)第一生長階段，保持通入還原氣體并通入第一流量的生長氣體，生長溫度為 700~800°C，生長時間為2~lOmin，以生長出水平石墨烯層；
[0021]3-2)第二生長階段，保持通入還原氣體并通入第二流量的生長氣體，生長溫度為 550~650°C，生長時間為30~180min，以生長出豎直石墨烯層，其中，所述第二流量大于所
述第一流量。
[0022]進一步地，所述第一流量范圍為3~30sccm，所述第二流量范圍為10~50sccm。
[0023]如上所述，本發明提供一種基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法，至少包括以下步驟:1)提供一生長襯底，對所述生長襯底進行拋光處理，并對所述生長襯底進行清洗；
2)將所述生長襯底置于反應腔中，對所述反應腔進行抽真空后通入還原氣體并升溫至預設溫度，然后對所述生長襯底進行等離子體預處理；3)保持通入還原氣體并通入生長氣體，采用等離子體增強化學氣相沉積法于所述生長襯底表面生長豎直石墨烯薄膜；4)將制備出的豎直石墨烯薄膜轉移至轉移目標上，用于實現散熱功能。本發明利用制備的豎直石墨烯薄膜的特殊形貌，充分發揮其水平薄膜層的橫向散熱與豎直方向較大的比表面積帶來的縱向散熱性，將高功率芯片水平方向的熱量通過大的比表面積擴散至周圍環境中，從而加快了散熱效率。該發明仍然沿用了水平石墨烯傳統的制備技術，同時通過氫氣等離子體的增強作用抑制石墨烯的水平成膜生長，同時在水平石墨烯薄膜的轉移技術基礎之上，研究了本發明中制備出的豎直石墨烯樣品的轉移技術，可以很方便的將樣品應用于多種場合中。本發明工藝簡單，易于操作，對于制備及轉移環境要求不高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1顯示為本發明的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法步驟I)所呈現的結構示意圖。
[0025]圖2顯示為本發明的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法步驟2)所呈現的結構示意圖。
[0026]圖3~圖4顯示為本發明的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法步驟3)所呈現的結構示意圖。
[0027]圖5顯示為本發明所制備的豎直石墨烯薄膜的掃描電子顯微鏡測試圖。
[0028]圖6顯示為本發明所制備的豎直石墨烯薄膜的拉曼測試圖。
[0029]圖7~13顯示為本發明的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法步驟4)所呈現的結構示意圖。
[0030]元件標號說明
[0031]101生長襯底
[0032]102水平石墨`烯層
[0033]103豎直石墨烯層
[0034]201容器
[0035]202腐蝕溶液
[0036]203轉移目標
【具體實施方式】
[0037]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0038]請參閱圖1~圖13。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
[0039]如圖1~圖13本實施例提供一種基于豎直石墨烯103的散熱材料的制備方法，至少包括以下步驟:
[0040]如圖1所示，首先進行步驟1)，提供一生長襯底101，對所述生長襯底101進行拋光處理，并對所述生長襯底101進行清洗。
[0041 ] 所述生長襯底101可以為Cu、N1、SiO2其中的一種，在本實施例中，以Cu襯底為例。[0042]首先，對Cu襯底進行拋光處理，具體為:首先配制拋光溶液，其中，拋光溶液主要成份為尿素、磷酸、乙醇、異丙醇以及去離子水；然后，以Cu襯底為陽極，以另一 Cu片為陰極，恒流恒溫條件下對Cu襯底進行拋光處理Imin左右，然后依次用去離子水、異丙醇清洗；
[0043]然后，對Cu襯底進行清洗:分別采用清洗溶液稀鹽酸、異丙醇、去離子水依次對拋光之后的Cu襯底進行沖洗，然后用N2氣槍吹干，準備送入PECVD反應腔中生長。清洗生長襯底101的方法根據生長襯底101的不同，使用不同的有機溶劑并選擇是否超聲清洗。 [0044]如圖2所示，然后進行步驟2)，將所述生長襯底101置于反應腔中，對所述反應腔進行抽真空后通入還原氣體并升溫至預設溫度，然后對所述生長襯底101進行等離子體預處理。
[0045]作為示例,所述反應腔為PECVD反應腔。
[0046]作為示例，在抽真空后，所述反應腔的真空度至少為3.5 X IO-5Pa0
[0047]作為示例，通入的還原氣體為H2，等離子體預處理采用的等離子體為H等離子體。同時，可以通入一定量的惰性氣體如氬氣，調節二者通入流量比，從而實現不同生長襯底101的預處理。
[0048]作為示例，所述的預設溫度為500~1200 °C,還原氣體的流量范圍為30~IOOsccm,等離子體預處理的時間不少于lOmin。
[0049]如圖3~圖6所示，接著進行步驟3)，保持通入還原氣體并通入生長氣體，采用等離子體增強化學氣相沉積法于所述生長襯底101表面生長豎直石墨烯薄膜。
[0050]通過長時間的制備實驗觀察，較高的溫度有利于石墨烯第一階段水平石墨烯102的生長，而相反較低溫度則有利于石墨烯第二階段豎直石墨烯103的生長，同時較大流量的甲烷的通入也會加快石墨烯的生長速度。根據以上原理，本步驟包括以下步驟:
[0051]如圖3所示，首先進行步驟3-1)，第一生長階段，保持通入還原氣體并通入第一流量的生長氣體，調整壓強至5~lOOOPa，生長溫度為700~800°C，生長時間為2~lOmin，以生長出水平石墨烯層102。
[0052]作為示例，所述第一流量范圍為3~30sccm，在本實施例中為lOsccm。
[0053]如圖4所示，然后進行步驟3-2)，第二生長階段，保持通入還原氣體并通入第二流量的生長氣體，生長溫度為550~650°C，生長時間為30~180min，以生長出豎直石墨烯層103，其中，所述第二流量大于所述第一流量。
[0054]作為示例，所述第二流量范圍為10~50sccm，在本實施例中為30sccm。
[0055]作為示例，由以上方案所制備的豎直石墨烯薄膜的掃描電子顯微鏡測試圖如圖5所示，拉曼測試圖如圖6所示。
[0056]如圖7~圖13所示，最后進行步驟4)，將制備出的豎直石墨烯薄膜轉移至轉移目標203上，用于實現散熱功能。
[0057]作為示例，步驟4)包括以下步驟:
[0058]如圖7~圖8所示，首先進行步驟4-1)，將生長有豎直石墨烯薄膜的生長襯底101置于裝有腐蝕溶液202的容器201中，選擇性腐蝕去除所述生長襯底101。在本實施例中，所述腐蝕溶液202為Marble溶液(溶液成份為:稀鹽酸、硫酸銅、去離子水)。將生長有豎直石墨烯薄膜的生長襯底101于所述Marble溶液中浸泡一段時間，一般為30min以上，可將Cu襯底去除。
[0059]如圖9所示，然后進行步驟4-2)，采用稀釋液對所述腐蝕溶液202進行多次稀釋， 直至將所述腐蝕溶液202的濃度降低至預設值。具體地，采用注射器經過多次將部分的腐蝕液替換為去離子水，直至將所述腐蝕溶液202的濃度降低至預設值。
[0060]如圖10~圖13所示，最后進行步驟4-3)，利用轉移目標203沉底撈取豎直石墨烯薄膜，然后通過熱處理加強所述豎直石墨烯薄膜與所述轉移目標203的結合。
[0061]圖13顯示為豎直石墨烯薄膜與芯片結合的示意圖，其中，所述豎直石墨烯薄膜覆蓋于芯片的熱點，有效增加芯片的散熱。
[0062]如上所述，本發明提供一種基于豎直石墨烯103的散熱材料的制備方法，至少包括以下步驟:1)提供一生長襯底101，對所述生長襯底101進行拋光處理，并對所述生長襯底101進行清洗；2)將所述生長襯底101置于反應腔中，對所述反應腔進行抽真空后通入還原氣體并升溫至預設溫度，然后對所述生長襯底101進行等離子體預處理；3)保持通入還原氣體并通入生長氣體，采用等離子體增強化學氣相沉積法于所述生長襯底101表面生長豎直石墨烯薄膜；4)將制備出的豎直石墨烯薄膜轉移至轉移目標203上，用于實現散熱功能。本發明利用制備的豎直石墨烯薄膜的特殊形貌，充分發揮其水平薄膜層的橫向散熱與豎直方向較大的比表面積帶來的縱向散熱性，將高功率芯片水平方向的熱量通過大的比表面積擴散至周圍環境中，從而加快了散熱效率。該發明仍然沿用了水平石墨烯102傳統的制備技術，同時通過氫氣等離子體的增強作用抑制石墨烯的水平成膜生長，同時在水平石墨烯102薄膜的轉移技術基礎之上，研究了本發明中制備出的豎直石墨烯103樣品的轉移技術，可以很方便的將樣品應用于多種場合中。本發明工藝簡單，易于操作，對于制備及轉移環境要求不高。所以，本發明有效的提出了用于芯片縱向散熱的散熱機理的豎直石墨烯103的制備與轉移技術，通過簡單的制備工藝提高了散熱性能，從而具有高度產業利用價值。
[0063]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求 所涵蓋。
【權利要求】
1.一種基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法，其特征在于，至少包括以下步驟: 1)提供一生長襯底，對所述生長襯底進行拋光處理，并對所述生長襯底進行清洗； 2)將所述生長襯底置于反應腔中，對所述反應腔進行抽真空后通入還原氣體并升溫至預設溫度，然后對所述生長襯底進行等離子體預處理； 3)保持通入還原氣體并通入生長氣體，采用等離子體增強化學氣相沉積法于所述生長襯底表面生長豎直石墨烯薄膜。
2.根據權利要求1所述的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法，其特征在于:還包括步驟4)，將制備出的豎直石墨烯薄膜轉移至轉移目標上，用于實現散熱功能。
3.根據權利要求2所述的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法，其特征在于:步驟4)包括以下步驟: 4-1)將生長有豎直石墨烯薄膜的生長襯底置于裝有腐蝕溶液的容器中，選擇性腐蝕去除所述生長襯底； 4-2)采用稀釋液對所述腐蝕溶液進行多次稀釋，直至將所述腐蝕溶液的濃度降低至預設值； 4-3)利用轉移目標沉底撈取豎直石墨烯薄膜，然后通過熱處理加強所述豎直石墨烯薄膜與所述轉移目標的結合。
4.根據權利要求1~3任意一項所述的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法，其特征在于:所述生長襯底為Cu、N1、SiO2的一種。
5.根據權利要求1~3任意一項所述的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法,其特征在于:步驟2)在抽真空后，所述反應腔的真空度至少為3.5X 10_5Pa。
6.根據權利要求1~3任意一項所述的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法,其特征在于:步驟2)通入的還原氣體為H2，等離子體預處理采用的等離子體為H等離子體。
7.根據權利要求1~3任意一項所述的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法，其特征在于:步驟2)所述的預設溫度為500~1200°C，還原氣體的流量范圍為30~lOOsccm，等離子體預處理的時間不少于lOmin。
8.根據權利要求1~3任意一項所述的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法，其特征在于:步驟2)預處理時還包括通入惰性氣體的步驟。
9.根據權利要求1~3任意一項所述的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法，其特征在于:步驟3)包括步驟: 3-1)第一生長階段，保持通入還原氣體并通入第一流量的生長氣體，生長溫度為700~800°C，生長時間為2~lOmin，以生長出水平石墨烯層； 3-2)第二生長階段，保持通入還原氣體并通入第二流量的生長氣體，生長溫度為550~650°C，生長時間為30~180min，以生長出豎直石墨烯層，其中，所述第二流量大于所述第一流量。
10.根據權利要求9所述的基于豎直石墨烯的散熱材料的制備方法，其特征在于:所述第一流量范圍為3~30sccm，所述第二流量范圍為10~50sccm。
【文檔編號】C01B31/04GK103553029SQ201310534290
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月31日 優先權日:2013年10月31日
【發明者】王浩敏, 王玲, 張燕, 劉建影, 謝曉明 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所