制造石墨烯结构和装置的方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了用于生产具有1至100个石墨烯层的石墨烯层结构的方法，所述方法包括：将热阻等于或大于蓝宝石的热阻的基底设置在反应室中的加热的衬托器上，所述室具有复数个冷却的入口，所述复数个冷却的入口布置成使得在使用时入口跨基底分布并且相对基底具有恒定的间隔，通过入口供应包含前体化合物的流并使其进入反应室，从而使前体化合物分解并在基底上形成石墨烯，其中入口被冷却至低于100℃，优选50℃至60℃，并且衬托器被加热至超过前体的分解温度至少50℃的温度，使用激光从基底选择性地烧蚀石墨烯，其中激光的波长超过600nm并且功率小于50瓦。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造石墨烯结构和装置的方法本专利技术涉及制造石墨烯层结构和包括石墨烯层结构的装置的方法。特别地，本专利技术的方法提供了改进的用于大量生产包括石墨烯层结构的装置的方法。石墨烯是一种公知的材料，其具有许多由材料的理论上特殊的特性驱使而提出的应用。这样的特性和应用的良好实例详述在A.K.Geim和K.S.Novoselev的‘TheRiseofGraphene’,NatureMaterials,第6卷,2007年3月,183-191中。WO2017/029470(其内容通过引用并入本文)公开了用于生产二维材料的方法。具体地，WO2017/029470公开了生产二维材料(例如石墨烯)的方法，该方法包括：将保持在反应室内的基底加热至在前体的分解范围内并且允许由分解的前体所释放的物质形成石墨烯的温度；建立远离基底表面朝向前体的入口延伸的大的温度梯度(优选>1000℃/米)；以及经由相对冷的入口并跨该温度梯度朝向基底表面引入前体。WO2017/029470的方法可以使用气相外延(VapourPhaseEpitaxy，VPE)系统和金属-有机化学气相沉积(Metal-OrganicChemicalVapourDeposition，MOCVD)反应器来进行。WO2017/029470的方法提供了具有许多有利特性的二维材料，所述有利特性包括：非常好的晶体品质、大的材料晶粒尺寸、最少的材料缺陷、大的片材尺寸、以及是自支撑的。然而，仍然需要用于由二维材料制造装置的快速且低成本的加工方法。2Dmaterials,第2卷,2015,045003,Mackenzie等,“FabricationofCVDgraphene-baseddevicesvialaserablationforwafer-scalecharacterization”第2至6页公开了用于制造装置的晶片级石墨烯膜的选择性激光烧蚀。JournalofLaserApplications,第28卷,2016,022202等,“EvaluatingfemtosecondlaserablationofgrapheneonSiO2/Sisubstrate”公开了石墨烯的微图案化。这两篇参考文献均涉及设置于二氧化硅基底上的预成型的石墨烯层。石墨烯没有一体化地形成在基底上，因此与基底表面没有物理或化学结合，这对激光与石墨烯的相互作用具有显著影响。本专利技术的目的是提供改进的用于生产石墨烯层结构的方法，所述方法克服或基本上减少了现有技术相关的问题，或者至少提供了商业上可用的替代方案。因此，本专利技术提供了用于生产具有1至100个，优选1至40个，更优选1至10个石墨烯层的石墨烯层结构的方法，所述方法包括：提供位于反应室中的经加热的衬托器上的热阻等于或大于蓝宝石的热阻的基底，所述室具有复数个经冷却的入口，所述复数个经冷却的入口布置成使得在使用时入口跨基底分布并且相对基底具有恒定的间隔，供应含前体化合物的流通过入口并进入反应室，从而使前体化合物分解并在基底上形成石墨烯，其中入口被冷却至低于100℃，优选50℃至60℃，并且衬托器被加热至超过前体的分解温度至少50℃的温度，使用激光来从基底选择性地烧蚀石墨烯，其中激光的波长超过600nm并且功率小于50瓦。现在将进一步描述本公开。在以下段落中，更详细地限定本公开的不同方面/实施方案。除非明确相反地指出，否则如此限定的各方面/实施方案可以与任一其他方面/实施方案或更多个其他方面/实施方案组合。特别地，指出为优选或有利的任何特征可以与指出为优选或有利的任一其他特征或更多个其他特征组合。专利技术人已经发现，如果在正确的基底上生长石墨烯，则可以高效且有效地进行激光蚀刻以生产具有复杂的限定几何形状的石墨烯结构。这意味着可以用连续的石墨烯层在基底上形成完整的电路或特定的装置。因此，用于装置的迹线和布线可以完全地用石墨烯形成，具有石墨烯的电特性的所有相关优点。实际上，专利技术人已经发现，使用该方法，他们可以由生长的石墨烯层结构以单件的方式制造霍尔传感器。本公开内容涉及用于生产具有1至100个石墨烯层，优选1至40个石墨烯层，更优选1至10个石墨烯层的石墨烯层结构的方法。存在的层越多，观察到的电特性越好。石墨烯是本领域中公知的术语，并且是指碳的同素异形体，其包含六方晶格的单层碳原子。本文所使用的术语石墨烯涵盖包括彼此上下堆叠的多个石墨烯层的结构。术语石墨烯层在本文中用于指石墨烯单层。所述石墨烯单层可以是经掺杂的或未掺杂的。本文公开的石墨烯层结构与石墨不同，因为该层结构保留了类似于石墨烯的特性。所述方法包括提供热阻等于或大于蓝宝石的热阻的基底的第一步。专利技术人发现，使用具有高热阻的基底允许烧蚀石墨烯层而对下面的基底没有损坏。这意味着可以在基底的表面上形成布线迹线或装置。然后可以通过常规方式切割基底本身以形成单独的芯片或装置。本方法的基底可以为任何已知的MOCVD基底或VPE基底，只要所述基底的热阻等于或大于蓝宝石的热阻即可。优选的是，基底提供其上产生石墨烯的结晶表面，因为有序的晶格位点提供促进形成良好的石墨烯晶体过生长的规则的成核位点阵列。最优选的基底提供高密度的成核位点。用于半导体沉积的基底的规则可重复晶格是理想的，原子台阶表面提供扩散屏障。优选地，基底包括蓝宝石或碳化硅，优选蓝宝石。其他合适的基底可以包括硅、金刚石、氮化物半导体材料(AlN、AlGaN、GaN、InGaN及其复合物)、砷化物/磷化物半导体(GaAs、InP、AlInP及其复合物)，条件是基底的热阻等于或大于蓝宝石的热阻。MOCVD是用于描述用于在基底上沉积层的特定方法的系统的术语。虽然首字母缩写词代表金属-有机化学气相沉积(metal-organicchemicalvapourdeposition)，但是MOCVD是本领域的术语并且会被理解为与一般工艺及为其使用的设备有关，而不一定会被认为限于使用金属-有机反应物或生产金属-有机材料。相反，该术语的使用向本领域技术人员指出了工艺和设备特征的一般集合。由于系统的复杂性和精确度，MOCVD进一步区别于CVD技术。虽然CVD技术允许反应以直接的化学计量和结构进行，但是MOCVD允许产生困难的化学计量和结构。MOCVD系统由于至少气体分布系统、加热和温度控制系统以及化学控制系统而区别于CVD系统。MOCVD系统的成本通常是典型CVD系统的至少10倍。CVD技术不能用于实现高品质的石墨烯层结构。MOCVD也可以容易地与原子层沉积(AtomicLayerDeposition，ALD)技术区分开。ALD依赖于试剂的逐步反应以及介于中间的用于除去不期望的副产物和/或过量的试剂的冲洗步骤。它不依赖于呈气相的试剂的分解或解离。其特别不适合使用蒸气压低的试剂如硅烷，这会花费过多时间来从反应室中除去。热阻的测量在本领域是公知的，并且该技术包括ASTME1225以及瞬态平面源法、瞬态线源法、激光闪光法、3ω法和时域热反射法。相对于蓝宝石的热阻的测量基于具有相同尺寸的基底，并且在进行激光烧蚀步骤的条件(即优选标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生产具有1至100个石墨烯层的石墨烯层结构的方法，所述方法包括：/n提供位于反应室中的经加热的衬托器上的热阻等于或大于蓝宝石的热阻的基底，所述室具有复数个经冷却的入口，所述复数个经冷却的入口布置成使得在使用时所述入口跨所述基底分布并且相对所述基底具有恒定的间隔，/n供应含前体化合物的流通过所述入口并进入所述反应室，从而使所述前体化合物分解并在所述基底上形成石墨烯，/n其中所述入口被冷却至低于100℃，优选50℃至60℃，以及所述衬托器被加热至超过前体的分解温度至少50℃的温度，/n使用激光从所述基底选择性地烧蚀石墨烯，/n其中所述激光的波长超过600nm而功率小于50瓦。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180111 GB 1800445.71.一种用于生产具有1至100个石墨烯层的石墨烯层结构的方法，所述方法包括：
提供位于反应室中的经加热的衬托器上的热阻等于或大于蓝宝石的热阻的基底，所述室具有复数个经冷却的入口，所述复数个经冷却的入口布置成使得在使用时所述入口跨所述基底分布并且相对所述基底具有恒定的间隔，
供应含前体化合物的流通过所述入口并进入所述反应室，从而使所述前体化合物分解并在所述基底上形成石墨烯，
其中所述入口被冷却至低于100℃，优选50℃至60℃，以及所述衬托器被加热至超过前体的分解温度至少50℃的温度，
使用激光从所述基底选择性地烧蚀石墨烯，
其中所述激光的波长超过600nm而功率小于50瓦。


2.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述基底包括蓝宝石或碳化硅，优选蓝宝石。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述激光：
(a)具有700nm至1500nm的波长；和/或
(b)具有1瓦至20瓦的功率。


4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述激光：
(a)具有至少8μm，优选9μm至15μm，并且最优选9.4μm至10.6μm的波长；和/或
(b)具有从5瓦至小于50瓦的功率。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述前体化合物为烃，优选在室温下为液体的烃，最优选C5至C10烷烃。


6.根据权利要求5所述的方法，其中所述前体化合物为己烷。


7...

【专利技术属性】
技术研发人员：西蒙·托马斯，伊沃尔·吉尼，
申请(专利权)人：帕拉格拉夫有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB