專利名稱：基于C注入的Cu膜輔助SiC襯底石墨烯納米帶制備方法
技術領域：
本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體薄膜材料及其制備方法，具體地說是基于C注入的Cu膜輔助SiC襯底石墨烯納米帶制備方法，用于制作微電子器件。
背景技術：
石墨烯是由單層Sp2雜化碳原子組成的六方點陣蜂窩狀二維結構，包含兩個等價的子晶格A和B。石墨烯出現在實驗室中是在2004年，當時,英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈 杰姆和克斯特亞 諾沃消洛夫利用微機械剝離高定向熱解石墨烯的方法獲得這種二維材料。它的單層厚度為0. 35nm，C-C鍵長為0. 142nm，其獨特的穩定結構使之具有不同于其它材料的優良性能。石墨烯是一種零帶隙半導體材料，超高的載流子遷移率，是商用Si材料遷移率的140倍，達到200000cm2/V s,高于目前已知的任何半導體材料。石墨烯由于其優異的電學特性，引起了廣泛關注，繼而制備石墨烯的新方法層出不窮，但使用·最多的主要有化學氣相沉積法和熱分解SiC法兩種。化學氣相沉積法，是制備半導體薄膜材料應用最廣泛的一種大規模工業化方法，它是利用甲烷、乙烯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，最后用化學腐蝕法去除金屬基底后即可得到獨立的石墨烯片。通過選擇基底的類型、生長的溫度、前驅體的流量等參數可調控石墨烯的生長，如生長速率、厚度、面積等，此方法的缺點是制備工藝復雜，能源消耗大，成本較高，精確控制較差，而且獲得的石墨烯片層與襯底相互作用強，喪失了許多單層石墨烯的性質，且石墨烯的連續性不是很好。熱分解SiC法，是通過高溫加熱使得SiC襯底表面碳硅鍵斷裂，使SiC表面上的Si原子升華，剩余C原子在原襯底表面重構，形成石墨烯。然而，SiC熱分解時溫度較高，并且生長出來的石墨烯呈島狀分布，孔隙多，而且做器件時由于光刻，干法刻蝕等會使石墨烯的電子遷移率降低，從而影響了器件性能。
發明內容
本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種基于C注入的Cu膜輔助SiC襯底石墨烯納米帶制備方法，以有選擇性地生長石墨烯納米帶，提高石墨烯納米帶表面光滑度和連續性，同時避免在后序制作器件時對石墨烯進行刻蝕的工藝過程，而導致電子遷移率降低的問題。為實現上述目的，本發明的制備方法包括以下步驟(I)對SiC樣片進行清洗，以去除表面污染物；(2)制作由隔離帶和離子注入帶組成的掩膜板，隔離帶寬度100_200nm，離子注入帶寬度50-200nm ；(3)利用掩膜板對清洗后的SiC樣片在離子注入帶內注入能量為15_45keV，劑量為 5 X IO14 5 X IO16CnT2 的 C 離子；(4)將注入C離子后的SiC樣片放入外延爐中，調節外延爐中壓強為0. 5 I X KT6Torr，再向爐中通入流速為500-800ml/min的Ar氣，并將外延爐加熱至1200-1300°C，然后保持恒溫30-90min，使得離子注入帶區域的SiC熱解生成碳膜；(5)將生成有碳膜的樣片置于Cu膜上，再將它們一同置于流速為30-150ml/min的Ar氣氣氛中，在溫度為900-1200°C下退火10_20min,使碳膜重構成石墨烯納米帶,最后取開Cu膜,在SiC襯底上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。本發明與現有技術相比具有如下優點I.本發明使用的方法工藝簡單，節約能源，安全性高。2.本發明由于先在SiC樣品的離子注入帶中注入了 C離子，注入帶寬度與需要制作器件的寬度相同，即石墨烯納米帶的寬度與需要制作器件的寬度相等，避免了在后序制作器件時由于要對石墨烯進行刻蝕而導致電子遷移率降低的問題。
3.本發明由于利用在Cu膜輔助退火，因而生成的碳膜更容易重構形成連續性較好，表面光滑的石墨烯納米帶。
圖I是本發明制備石墨烯納米帶流程圖。
具體實施例方式參照圖I，本發明的制作方法給出如下三種實施例。實施例I步驟I:清洗6H_SiC樣片，以去除表面污染物。(I. I)對6H_SiC襯底基片使用NH40H+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；(1.2)將去除表面有機殘余物后的6H_SiC樣片再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟2 :根據器件的寬度制作由隔離帶和離子注入帶相互交替組成的掩膜板，隔尚帶覽度lOOnm，尚子注入帶覽度200nm，該尚子注入帶覽與器件的覽度相冋。步驟3 :在清洗后的6H_SiC樣片中的離子注入帶內注入能量為15keV，劑量為5 X IO14Cm 2 的 C 離子。步驟4 6H-SiC熱解生成碳膜。將注入C離子后的6H_SiC樣片放入外延爐中，調節外延爐中壓強為
0.5X10_6Torr，并向其中通入氣流速為500ml/min的Ar氣，再加熱至1200°C，恒溫保持90min,在離子注入帶區域的6H_SiC熱解生成碳膜。步驟5 :碳膜重構成石墨烯納米帶。(5. I)將生成的碳膜樣片從外延爐中取出，將其碳膜置于250nm厚的Cu膜上；(5.2)將碳膜樣片和Cu膜整體置于流速為30ml/min的Ar氣中，在溫度為900°C下退火20分鐘，通過金屬Cu的催化作用使碳膜重構成石墨烯納米帶；(5. 3)最后取開Cu膜，在SiC襯底上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。實施例2
步驟一清洗4H_SiC樣片，以去除表面污染物。對4H_SiC襯底基片先使用NH40H+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟二 根據器件的寬度制作 由隔離帶和離子注入帶相互交替組成的掩膜板，隔尚帶覽度150nm，尚子注入帶覽度lOOnm，該尚子注入帶覽與器件的覽度相冋。步驟三對4H_SiC樣片的離子注入帶進行C離子注入。在清洗后的4H_SiC樣片中的離子注入帶內，注入能量為30keV，劑量為5 X 1015cm_2的C離子。步驟四4H_SiC熱解生成碳膜。將注入C離子后的4H_SiC樣片放入外延爐中，調節外延爐中壓強為
0.8 X KT6Torr,并向其中通入氣流速為600ml/min的Ar氣，再加熱至1250°C，恒溫時間為60min,離子注入帶區域的4H_SiC熱解生成碳膜。步驟五碳膜重構成石墨烯納米帶。將生成的碳膜樣片從外延爐中取出并置于280nm厚的Cu膜上，再將它們一同置于流速為100ml/min的Ar氣中,溫度為1000°C下退火15分鐘,通過金屬Cu的催化作用使碳膜重構成石墨烯納米帶，最后取開Cu膜,在SiC襯底上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。實施例3步驟A :對6H_SiC襯底基片進行表面清潔處理，即先使用NH40H+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。步驟B :根據器件的寬度制作由隔離帶和離子注入帶相互交替組成的掩膜板，隔尚帶覽度200nm，尚子注入帶覽度50nm，該尚子注入帶覽與器件的覽度相冋。步驟C :在清洗后的6H_SiC樣片中的石墨烯納米帶區域注入能量為45keV，劑量為5 X IO16Cm 2 的 C 離子。步驟D :將注入C離子后的6H_SiC樣片放入外延爐中，調節外延爐中壓強為
IX KT6Torr,并向其中通入流速為800ml/min Ar氣，再加熱至1300°C,恒溫保持30min,離子注入帶區域的6H-SiC熱解生成碳膜。步驟E :將生成的碳膜樣片從外延爐中取出并置于300nm厚的Cu膜上，再將它們一同置于流速為150ml/min的Ar氣中，在溫度為1200°C下退火10分鐘,通過金屬Cu的催化作用使碳膜重構成石墨烯納米帶，最后取開Cu膜，在SiC襯底上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。
權利要求
1.一種基于C注入的Cu膜輔助SiC襯底石墨烯納米帶制備方法，包括以下步驟 (1)對SiC樣片進行清洗，以去除表面污染物； (2)制作由隔離帶和離子注入帶組成的掩膜板，隔離帶寬度100-200nm，離子注入帶寬度 50-200nm ； (3)利用掩膜板對清洗后的SiC樣片在離子注入帶內注入能量為15-45keV，劑量為5 X IO14 5 X IO16CnT2 的 C 離子； (4)將注入C離子后的SiC樣片放入外延爐中，調節外延爐中壓強為0.5^1 X IO-6Torr,再向爐中通入流速為500-800ml/min的Ar氣，并將外延爐加熱至1200-1300°C，然后保持恒溫30-90min，使得離子注入帶區域的SiC熱解生成碳膜； (5)將生成有碳膜的樣片置于Cu膜上,再將它們一同置于流速為30-150ml/min的Ar氣氣氛中，在溫度為900-1200°C下退火10-20min，使碳膜重構成石墨烯納米帶，最后取開Cu膜在SiC襯底上得到隔離帶和石墨烯納米帶相互交替組成的納米材料。
2.根據權利要求I所述的基于C注入的Cu膜輔助SiC襯底石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(I)對SiC樣片進行清洗，是先使用NH40H+H202試劑浸泡SiC樣片10分鐘，取出后烘干，以去除樣片表面有機殘余物；再使用HC1+H202試劑浸泡樣片10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。
3.根據權利要求I所述的基于C注入的Cu膜輔助SiC襯底石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(2)中的注入帶寬度與需要制作器件的寬度相同，即石墨烯納米帶的寬度與需要制作器件的寬度相等。
4.根據權利要求I所述的基于C注入的Cu膜輔助SiC襯底石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述步驟(5)中的Cu膜厚度為250-300nm。
5.根據權利要求I所述的基于C注入的Cu膜輔助SiC襯底石墨烯納米帶制備方法，其特征在于所述SiC樣片的晶型采用4H-SiC或6H-SiC。
全文摘要
本發明公開了一種基于C注入的Cu膜輔助SiC襯底石墨烯納米帶制備方法。其實現步驟是先對SiC樣片進行標準清洗；制作由隔離帶和離子注入帶組成的掩膜板；再利用掩膜板對清洗后的SiC樣片在離子注入帶內注入C離子；再將注入C離子后的SiC樣片放入外延爐中通Ar氣加熱至1200-1300℃恒溫保持30-90min,使離子注入帶區域的SiC熱解生成碳膜；再將生成的碳膜樣片放在Cu膜上，置于Ar氣中退火，使碳膜重構成石墨烯納米帶，最后取開Cu膜，在SiC襯底上得到隔離帶和石墨烯納米帶相間的納米材料。本發明工藝簡單，安全性高，SiC熱解溫度較低，生成的石墨烯納米帶表面光滑，連續性好，可用于制作微電子器件。
文檔編號C30B29/02GK102674320SQ20121017694
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月31日 優先權日2012年5月31日
發明者張克基, 張玉明, 湯曉燕, 趙艷黎, 郭輝 申請人:西安電子科技大學