用于石墨烯形成的方法和系统技术方案

一种用于石墨烯形成的方法包括提供基底并使所述基底经受减压环境。所述方法还包括提供载气和碳源并且使所述基底的至少一部分暴露于所述载气和所述碳源。所述方法还包括在所述基底的所述至少一部分上进行表面处理工艺并且使所述碳源的一部分转变成布置在所述基底的所述至少一部分上的石墨烯。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于石墨烯形成的方法和系统相关申请的交叉引用本申请要求2012年2月24日提交的题为“MethodforFormingGrapheneatReducedProcessingTemperatures”的美国临时专利申请号61/603,104、2012年3月6日提交的题为“MethodforFormingGrapheneatReducedProcessingTemperatures”的美国临时专利申请号61/607,337以及2012年7月30日提交的题为“Single-StepMethodforFormingHighQuality,LargeAreaGrapheneatReducedTemperetures”的美国临时专利申请号61/677,323的优先权，其公开内容特此通过引用以其整体并入以用于所有目的。
本专利技术大体涉及用于材料合成的方法和系统。更特别地，本专利技术涉及用于生长高质量、大面积的石墨烯的方法和系统。
技术介绍
石墨烯是碳的同素异形体，其中原子以规则的六角形图样排列成单原子片材。石墨烯的电子特性与常规的三维材料不同，并且石墨烯可以看作是零带隙半导体。石墨烯在室温下可以具有高载流子迁移率，这使得石墨烯成为用于电子电路应用的候选材料。形成石墨烯薄膜的当前方法包括在高温例如～1,000℃下的化学气相沉积(CVD)。CVD生长技术还可包括在高温(例如～1,000℃)下暴露于氢气的预生长。尽管涉及石墨烯薄膜形成所取得的进展，在本领域中还有对涉及石墨烯产生的改良的方法和系统的需求。
技术实现思路
仅举例来说，本专利技术已经被应用于在减压氛围中在室温下生长石墨烯的方法。方法和技术可以被应用于包括CMOS兼容的半导体生长工艺的多种石墨烯生长系统。根据本专利技术的实施方案，提供形成石墨烯的薄膜的方法。方法包括在减压下把基底放置在处理室中并且在所述基底的至少一部分上进行表面处理工艺。方法还包括在处理室中提供含碳材料并且使基底暴露于含碳材料。方法还包括使含碳材料的一部分转变成在基底上的石墨烯的薄膜。所述方法还可以包括在进行所述表面处理工艺之前提供气体并且使所述基底暴露于所述气体。其中，所述气体可以是氢气。其中，所述表面处理工艺可以包括RF氢等离子体。其中，所述表面处理工艺可以包括RF等离子体清洗工艺。其中，所述基底可以包括铜箔。其中，所述减压可少于500毫托。其中，所述含碳材料可包括甲烷、乙烷、丙烷或丁烷中的至少一种。根据本专利技术的另一实施方案，提供用于形成石墨烯的方法。方法包括提供基底并且使基底经受减压环境。方法还包括提供载气和碳源并且使基底的至少一部分暴露于载气和碳源。方法还包括在基底的至少一部分上进行表面处理工艺并且使部分的碳源转变成布置在基底的所述至少一部分上的石墨烯。其中，所述基底可包括铜箔。其中，所述表面处理工艺可包括RF等离子体清洗工艺。其中，所述载气包括氢气并且所述表面处理工艺可包括RF氢等离子体工艺。其中，所述碳源可包括甲烷。其中，提供所述载气和提供所述碳源可被同时进行。其中，所述碳源可以构成少于0.1％的组合的载气流和碳源流。其中，所述表面处理工艺可以在少于或等于500毫托的压力下被进行。根据本专利技术特定的实施方案，提供用于石墨烯产生的系统。系统包括：多个气体源；多个质量流量控制器，每个所述多个质量流量控制器与所述多个气体源中的一个耦合；以及与所述多个质量流量控制器流体连通的处理室。系统还包括可操作以在处理室中形成等离子体的等离子体源和与处理室流体连通的真空泵。系统还包括处理器和包含多个计算机可读指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述多个计算机可读指令有形地体现在所述计算机可读存储介质上，当通过数据处理器被执行时，所述多个计算机可读指令提供石墨烯产生。所述多个指令包括引起数据处理器使基底经受减压环境的指令和引起数据处理器提供载气和碳源的指令。所述多个指令还包括引起数据处理器使基底的至少一部分暴露于载气和碳源的指令和引起数据处理器在基底的所述至少一部分上进行表面处理工艺的指令。所述多个指令还包括引起数据处理器使所述碳源的一部分转变成布置在基底的所述至少一部分上的石墨烯的指令。其中，所述基底可包括铜箔。其中，所述载气包括氢气并且所述表面处理工艺可包括RF氢等离子体清洗工艺。其中，所述碳源可包括甲烷。其中，提供所述载气和提供所述碳源可被同时进行。超过常规技术的多种益处通过本专利技术被获得。例如，本专利技术的实施方案提供用于在不需要炉的情况下产生石墨烯的技术。此外，如本文所描述，石墨烯生长可以比通过常规技术所提供的更快地被实现。此外，本文描述的低热预算工艺能够实现以比利用常规方法的石墨烯生长中观察到的应力更低的应力为特征的石墨烯的生长。本专利技术的某些实施方案提供用于在没有使用炉的情况下产生石墨烯的方法和系统，所述方法和系统使得生长能够以比利用传统方法更快的速度被实现，显著地减少生长时间(例如从5小时减少到15分钟)，同时产生低应力的石墨烯薄膜。本专利技术的这些和另外的实施方案连同其多种优点以及特点结合以下的文本以及附图被更详细地描述。附图说明图1是示出用于根据本专利技术的实施方案的石墨烯产生的系统的简化示意图；图2是示出根据本专利技术的实施方案生长石墨烯的方法的简化流程图；图3显示对于利用常规技术生长的石墨烯薄膜和对于利用本专利技术的实施方案生长的石墨烯薄膜的数据；图4是示出根据本专利技术的另一实施方案生长石墨烯的方法的简化流程图；图5显示对于利用常规技术生长的石墨烯薄膜和对于利用本专利技术的另一实施方案生长的石墨烯薄膜的数据；图6是示出根据本专利技术的又一实施方案生长石墨烯的方法的简化流程图；图7显示对于利用常规技术生长的石墨烯薄膜和对于利用本专利技术的实施方案生长的石墨烯薄膜的数据；并且图8是用于根据本专利技术的实施方案的石墨烯产生的连续的卷到卷系统的简化示意图。具体实施方式本专利技术大体涉及用于材料合成的方法和系统。更特别地，本专利技术涉及用于生长高质量、大面积的石墨烯的方法和系统。仅举例来说，本专利技术已经被应用于在减压氛围中在室温下生长石墨烯的方法。方法和技术可以被应用于包括CMOS兼容的半导体生长工艺的多种石墨烯生长系统。根据本专利技术的实施方案，提供用于石墨烯产生的方法和系统。在实施方案中，工艺包括在引入碳前驱体之前使基底(例如铜箔)经受氢等离子体。此工艺在减压氛围中进行。此工艺避免常规石墨烯生长中利用的高温氢气退火(hydrogenanneal)。因此，本专利技术使高质量石墨烯能够在低温下(例如室温)生长，以便能够低温处理而没有在氢气中的预生长高温退火或在生长期间的高温。关于用于通过CVD形成石墨烯的常规方法所利用的高处理温度(例如～1,000℃)最终对设备性能产生不利后果。较低的热预算是合意的，这减少用于生产的能源成本并且潜在地产生具有减少的应力的石墨烯薄膜。此外，较低的热预算可以为设备集成(deviceintegration)开辟途径。高处理温度通常在生长之前进行的氢气退火期间或在CVD生长期间被使用。对于在铜薄膜上的CVD生长，氢气中的退火被认为通过移除天然的铜氧化物层并且提供通向石墨烯层在其上生长的元素铜的通路来清洗铜表面。在处理管内部上铜的积聚证明在高温氢气退火期间产生的基底清洗。用于清洗表面的可选择的方法是通过使用等离子体(例如微波等离子体)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成石墨烯的薄膜的方法，所述方法包括：在减压下把基底放置于处理室中；在所述基底的至少一部分上进行表面处理工艺；在所述处理室中提供含碳材料；使所述基底暴露于所述含碳材料；以及使所述含碳材料的一部分转变成在所述基底上的石墨烯的薄膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.24 US 61/603,104;2012.03.06 US 61/607,337;1.一种形成石墨烯的薄膜的方法，所述方法包括：在减压下把基底放置于处理室中；在所述基底的至少一部分上进行室温等离子体清洗；在所述处理室中提供含碳材料；使所述基底暴露于所述含碳材料；以及使所述含碳材料的一部分在室温下转变成在所述基底上的石墨烯的薄膜。2.如权利要求1所述的方法，还包括在进行所述室温等离子体清洗之前提供气体并且使所述基底暴露于所述气体。3.如权利要求2所述的方法，其中所述气体是氢气。4.如权利要求3所述的方法，其中所述室温等离子体清洗包括RF氢等离子体清洗。5.如权利要求1所述的方法，其中所述室温等离子体清洗包括RF等离子体清洗工艺。6.如权利要求1所述的方法，其中所述基底包括铜箔。7.如权利要求1所述的方法，其中所述减压少于500毫托。8.如权利要求1所述的方法，其中所述含碳材料包括甲烷、乙烷、丙烷或丁烷中的至少一种。9.一种用于形成石墨烯的方法，所述方法包括：提供基底；使所述基底经受减压环境；提供载气；提供碳源；使所述基底的至少一部分暴露于所述载气和所述碳源；在所述基底的所述至少一部分上进行室温等离子体清洗；以及使所述碳源的一部分在室温下转变成布置在所述基底的所述至少一部分上的石墨烯。10.如权利要求9所述的方法，其中所述基底包括铜箔。11.如权利要求9所述的方法，其中所述室温等离子体清洗包括RF等离子体清洗工艺。12.如权利要求9所述的方法，其中所述载气包括氢气并且所述室温等离子体清洗包括R...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·A·博伊德，
申请(专利权)人：加州理工学院，
类型：发明
国别省市：美国;US