通过化学气相沉积生长石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供一种通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，包括：装载至少一基板至炉管中；引入至少含有含氧碳源的反应气体至炉管中；加热反应气体，且使用紫外光源对反应气体照射紫外光，以分解含氧碳源；以及通过碳源的分解释放出的碳原子来沉积石墨烯膜于所述至少一基板的表面上。本发明专利技术可以将低缺陷的石墨烯膜直接生长于基板的表面。

Method for growing Shi Moxi by chemical vapor deposition

The present invention provides a method by chemical vapor deposition growth of Shi Moxi includes at least one substrate loading to the furnace tube; introducing oxygen containing at least carbon source to the reaction gas in the furnace tube; heating the reaction gas, and the use of UV light irradiation of ultraviolet light on the reaction gas, to decompose the oxygen and carbon source; the source of carbon atoms decomposed to deposition of graphene film on the at least one surface of the substrate. The low defect graphene film can be directly grown on the surface of the substrate.

【技术实现步骤摘要】
通过化学气相沉积生长石墨烯的方法
本专利技术涉及一种生长石墨烯的方法，尤其涉及一种通过化学气相沉积生长石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯包括由单层碳原子以sp2共价键结合成的紧密蜂巢状晶格的二维结构。石墨烯具有多种特别性质，尤其是高的载流子迁移率、硬度、热传导率、电流承载能力以及极大的表面-体积比，而有许多关于石墨烯在医疗、电子及光电元件中的应用的研究。制备石墨烯的作法之一为使用化学气相沉积(chemicalvapordeposition,CVD)。石墨烯已能成功地通过化学气相沉积生长于各种过渡金属的表面上。在此生长制程中，含碳气体在高温下通过过渡金属的催化而分解。取决于各种过渡金属对于碳氢分子的催化效果与其对应的碳溶解度的不同，分解出的碳原子在过渡金属的表面上将产生不同程度的沉积、溶解、以及析出。对于铜箔(典型的用于生长石墨烯的金属基板)而言，当覆盖于金属表面的碳原子形成连续的石墨烯膜，即会成为保护屏蔽，因此所述金属表面失去催化分解随后引入的碳氢分子的能力。这种自我限制的生长机制将使生长于铜表面上的石墨烯的单层覆盖率受限，只能达到90％。此外，为了电性隔离石墨烯膜，须通过湿式(酸)蚀刻的方式移除生长石墨烯膜的金属基板，且将所述石墨烯膜转移至具有一层薄的高分子支架(polymerscaffold)的绝缘基板。然而，石墨烯膜除了时常在湿式蚀刻制程中受到强酸破坏结构外，残余的金属粒子还无可避免地残留在石墨烯的表面上而使电子散射，因此降低了石墨烯的电子迁移率，并且，前述薄高分子支架通常为由长链状的碳氢分子组成，使得其难以通过使用任何现有的有机溶剂以彻底地清除。专利
技术实现思路
本专利技术提供一种新颖的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，其可将低缺陷的石墨烯膜直接生长于基板的表面(特别是绝缘的表面)。本专利技术的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法包括：装载至少一基板至炉管中；引入含有含氧碳源(oxygen-containingcarbonsource)的反应气体至炉管中；加热反应气体，且使用紫外光(UV)源对反应气体照射紫外光，以分解含氧碳源；以及通过碳源的分解释放出的碳原子来沉积石墨烯膜于所述至少一基板的表面上。所述至少一基板可包括至少一绝缘基板(特别是至少一绝缘的表面)或至少一金属基板。在本专利技术的一实施例中，上述的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法还包括使用电浆源以促进含氧碳源的分解。在本专利技术的另一实施例中，上述的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法还包括提供作为触媒的金属蒸汽至炉管中。提供金属蒸汽的方法例如是将固体金属置入炉管中，或者将有机金属化合物提供至炉管中，其中固体金属包含铜、镍、锌或其组合。反应气体可还包括无碳的含氧化合物(例如H2O)。反应气体可还包括氢气以及作为稀释气体的惰性气体。由于碳源通过在高温下照射紫外光而分解，不是通过金属的表面分解，因此可达到将近100％的单层覆盖率，且可避免对金属基底的湿式(酸)蚀刻，也不必使用高分子支架来转移石墨烯膜，而得以预防上述因湿式(酸)蚀刻及高分子支架而导致的缺点。通过经延长控制的生长时间，多层石墨烯膜可生长于基板的表面上(特别是绝缘基板的表面上)。为让本专利技术的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所图作详细说明如下。附图说明图1为根据本专利技术的第一实施例的用于通过化学气相沉积生长石墨烯的方法的装置图；图2为根据本专利技术的第二实施例的用于通过化学气相沉积生长石墨烯的方法的装置图；图3为根据本专利技术的第二实施例的用于通过化学气相沉积生长石墨烯的方法的装置图；图4A为在本专利技术的实例1中于蓝宝石基板上生长的单层石墨烯的拉曼光谱(Ramanspectrum)图；图4B为在本专利技术的实例1中于蓝宝石基板上生长的单层石墨烯的X-射线光电子分光光谱(X-rayphotoelectronspectroscopicspectrum)图；图5为在本专利技术的实例1中于蓝宝石基板上直接生长的单层石墨烯的电子显微剖面图；图6A为在本专利技术的实例2中于氮化硅基板上直接生长的多层石墨烯的电子显微剖面图；图6B为在本专利技术的实例3中于氧化硅基板上直接生长的多层石墨烯的电子显微剖面图。附图标记说明：10：基板；100：炉管；110：气体；112：氢气；114：惰性气体；116：有机金属化合物；118：紫外光照射方向；120、122、124、126：流量计；130：紫外光源；135：管线；140：真空泵；145：真空计；150：电浆源；160：固体金属。具体实施方式以下将通过实施方式以及附图对本专利技术作进一步说明，但该等实施方式以及附图并非意欲限制本专利技术的范围。举例来说，虽然在以下实施例中用于分解碳源的紫外光在管线中开始作用在反应气体上，且也通过所述管线而引入至炉管，但也可改通过形成在炉管上的窗口引入紫外光而作用在反应气体上。更明确地说，紫外光源可位于靠近反应气体流的上游，且紫外光可在实质上与所述至少一绝缘基板的平面方向平行的方向上，透过透明窗口照射至炉管的内部空间。图1为根据本专利技术的第一实施例的用于通过化学气相沉积生长石墨烯的方法的装置。请参照图1，装载至少一基板10至炉管100中。基板10可为晶圆，且所述晶圆可在放入晶片座的状态下装载于炉管100中。基板10的表面可为绝缘的表面或金属的表面。上述绝缘的表面可包括选自由硅、锗、氧化硅、氮化硅、碳化硅、石英、蓝宝石、玻璃及其组合组成的群组的材料。上述金属的表面可包括选自由铜(Cu)、镍(Ni)、钌(Ru)、钴(Co)及其组合组成的群组的材料。在装载基板10至炉管100中之前，可使用氧气电浆或氢气电浆处理基板10的表面。氧气电浆可用于自基板10的表面移除有机物质。氢气电浆可用于减少基板10的金属表面上的原生氧化层，或者可用于清理基板10上的含碳高分子残留物或脏污。在装载基板10至炉管100中之前，可沉积图案化的含碳晶种(carbon-containingseed)于基板10的表面。然后，引入含有碳及氧的气体110至炉管100中，且通常会一起将作为触媒气体的氢气112以及作为稀释气体的惰性气体114引入炉管100中，而形成反应气体。气体110基本上含有含氧碳源(oxygen-containingcarbonsource)。气体110可还包括无碳的含氧化合物(例如H2O)，以促进绝缘基板10的表面上的碳原子的石墨化。分别使用三个流量计120、122、124来测量气体110、氢气112以及惰性气体114的流量。气体110、氢气112以及惰性气体114在引入至炉管100之前可先于管线135中混合。在此实施例中，紫外光源130设置于管线135的末端，使得由紫外光源130放射出的紫外光可被引入至管线135中，且可通过管线135而被引入至炉管100中。在引入反应气体至炉管100中时，将炉管100中的压力通过真空泵140降低至预定值，加热炉管100至预定的温度，且通过紫外光源130提供紫外光来照射管线135及炉管100中的反应气体。由于紫外光及加热的效果，反应气体中含有的含氧碳源分解，且因上述分解而释放出的碳原子会沉积于每一基板10的表面上而形成石墨烯膜。所沉积的石墨烯膜可包括单层石墨烯或多层石墨烯，依制程条件及反应时间而定。含氧碳源可选自由一氧化碳、二氧化碳、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，包括装载至少一绝缘基板至炉管中；引入含有含氧碳源的反应气体至所述炉管中；加热所述反应气体，且使用紫外光源对所述反应气体照射紫外光，以分解所述含氧碳源；以及沉积石墨烯膜于所述至少一绝缘基板的表面上。

【技术特征摘要】
2015.11.23 US 62/258,553;2016.03.17 US 15/072,3741.一种通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，包括装载至少一绝缘基板至炉管中；引入含有含氧碳源的反应气体至所述炉管中；加热所述反应气体，且使用紫外光源对所述反应气体照射紫外光，以分解所述含氧碳源；以及沉积石墨烯膜于所述至少一绝缘基板的表面上。2.根据权利要求1所述的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，还包括使用电浆源以促进所述含氧碳源的分解。3.根据权利要求1所述的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，还包括提供作为触媒的金属蒸汽至所述炉管中。4.根据权利要求3所述的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，将固体金属置入所述炉管中以提供所述金属蒸汽，所述固体金属包含铜、镍、锌或其组合。5.根据权利要求3所述的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，将有机金属化合物提供至所述炉管中以提供所述金属蒸汽。6.根据权利要求5所述的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，所述有机金属化合物包括选自由铜、镍、铂以及钌组成的群组的金属。7.根据权利要求1所述的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，所述至少一绝缘基板的所述表面包括选自由硅、锗、氧化硅、氮化硅、碳化硅、石英、蓝宝石、玻璃及其组合组成的群组的材料。8.根据权利要求1所述的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，所述含氧碳源选自由一氧化碳、二氧化碳、酮、醚、酯、醇、醛、苯酚、有机酸及其组合组成的群组。9.根据权利要求1所述的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，所述反应气体还包括无碳的含氧化合物。10.根据权利要求9所述的通过化学气相沉积生长石墨烯的方法，其特征在于，所述无碳的含氧化合物包括H2O。11.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱壬官，叶昭辉，邱博文，
申请(专利权)人：炬力奈米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71