在基板上成长碳薄膜或无机材料薄膜的方法技术

本发明专利技术揭示在基板上成长碳薄膜或无机材料薄膜的方法，本方法可在基板上直接成长高质量和晶圆规格的薄膜层(例如石墨烯层)，无需额外的转移制程。

【技术实现步骤摘要】

本申请案有关，尤其是在基板上直接成长高质量和晶圆规格的石墨烯层的方法。
技术介绍
石墨烯(graphene)是ー种单原子层的石墨，由于其具有ニ维结构和独特的物理特性，例如，其载子迁移率可以达200，OOOcmVV. S，和具有优异的机械强度和热传导特性，而令人感兴趣。石墨烯适用于高速、高性能的电子装置。迄今已经有许多合成石墨烯的方法被提出，包括(I)机械剥离石墨法，(2)磊晶成长法，(3)化学气相沉积法于催化金属上(例如铜、镍、铁等)进行，(4)化学剥离法利用氧化石墨以获得氧化石墨烯(graphene oxide，CVD)，和(5)其它化学剥离法，例如(a) 以超音波于液相下剥离石墨，和(b)利用石墨插层和膨胀法来剥离出石墨烯片层结构。在上述方法中，机械剥离法和磊晶成长法虽然可以得到高质量(低缺陷结构)的石墨烯，却无法大面积合成。习知技术一般使用铜箔片来成长石墨烯，铜箔片的厚度往往高达数十微米。此外，习知技术(Byun, S. J. et. al. , The Journal of Physical ChemistryLetters 2011，2，493-497)使用镍金属基板并以化学气相沉积法来合成石墨烯，惟其碳源分子与镍金属在高温时会发生固溶现象，并且，在降温的过程中，碳原子会在镍金属表面析出并且重组成为石墨烯的结构。然而，此方法无法精确地控制析出碳原子的量，故难以获得精确控制的石墨稀层数。近期的研究工作使用化学气相沉积法和例如镍(Ni)与铜(Cu)等催化性金属基材已经可以成长大面积且高质量的石墨烯层，并且展示了这项技术可应用于高穿透性和软性基材的透明电极中，相关文献可參见例如Reina, A. et. al. , Nano Letters 2008,9, 30-35 ；Li, X. et. al. , Science 2009，324，1312-1314 ；Sukang, B. , et.al., NatureNanotechnology, 2010, 5, 574-578。过去曾有文献报导利用化学气相沉积的方式(ACS Nano2011，5，3385-3390)，以苯作为碳源前驱物而在铜基材上成长石墨烯，并且强调操作温度可以低至300°C。然而，此法的前处理温度高达1000°C。目前的成长技术仍需要额外的转移制程(transferprocess)以使原本成长于金属基材上的石墨烯层转移至所需要的基材上。举例来说，一种习用的技术是将以高分子支撑层(例如PMMA)抓取成长于铜基材上的石墨烯层，接着进行铜基材的蚀刻，然后再转移到所需要的基材上并且溶解掉所述的高分子支撑层，而使该石墨烯层转印至所需要的基材上。此种转移制程容易导致石墨烯层发生破裂或不规则的皱折，并且会在石墨烯层表面残留高分子残余物，使石墨烯层本质优异的材料特性受到严重影响。再者，这种转移制程无法与目前的半导体制程(例如硅制程)技术兼容，限制了晶圆级规模化生产集成电路组件的前景。文献上亦曾报导过直接在基板上形成石墨烯的方法，这种方法使用碳基的高分子或非晶碳膜作为固相碳源，接着在上面沉积镍金属层，并在高温(约800°C至约1100°C )的情况下，藉由镍金属的催化将这些固相碳源转换为石墨烯结构，然后移除镍金属后即可得到直接形成于基板上的石墨烯。然而，镍金属不易控制达到薄层石墨烯，且催化转换的温度若低于800°C将无法形成石墨化良好的高质量石墨烯。因此，在实际的应用中，仍需要发展ー种可以规模化且低成本制造半导体基板的方法，尤其是在基板上直接成长高质量和晶圆规格的石墨烯层的方法。
技术实现思路
本专利技术提供ー种，可在基板上直接成长高质量和晶圆规格的薄膜层(例如石墨烯层)，而无需额外的转移制程。因此，在第一方面，本专利技术提供ー种在基板上直接成长碳薄膜或无机材料薄膜的方法，包括以下步骤 在基板上形成ー层金属薄膜，以获得催化基板， 使碳来源或无机材料来源在所述的催化基板上成长碳薄膜或无机材料薄膜，和移除基板上所述的金属薄膜。所述的「基板」可为任何专利技术所属
中已知的基板，包括，但不限于氧化硅基板、石英基板、蓝宝石基板、氮化硼基板、玻璃基板、金属基板或半导体基板等。所述的「金属薄膜」可由任何专利技术所属
中已知的金属构成，包括，但不限于铜、铁、钴、镍、金、银或其混合物等。较佳的金属薄膜是由铜构成。本专利技术中，金属薄膜的厚度并无特殊限制，典型的厚度范围为约IOnm至约Ιμπι，较佳为约IOOnm至约300nm。所述的「催化基板」意指基板的一面或两面形成催化性金属层的基板。所述的「碳来源」可以使用任何形式的碳基前驱物(carbon based precursor)裂解而成，包含(I)气相碳基前驱物，包括，但不限于甲烷、こ烯、こ炔或其混合物等；(2)液相碳基前驱物，包括，但不限于こ醇、苯、甲醇或其混合物等；(3)固相碳基前驱物，包括，但不限于碳基的高分子、奈米碳材料(如奈米管、奈米薄片、奈米颗粒、石墨烯等)或其混合物等。所述的「碳来源」亦可经其它成份掺杂，例如经氮、硼或其混合物掺杂。所述的「无机材料来源」可为任何专利技术所属
中已知的无机材料来源，包括，但不限于氮化硼、ニ硫化钥、硫化锌、碲化锌、硒化锌、三硒化ニ铋、碲化铋或其混合物坐寸ο在所述的催化基板上成长碳薄膜或无机材料薄膜的步骤，可经由任何专利技术所属
中已知的技术进行，包括，但不限于物理气相沉积、化学气相沉积、磊晶成长法、分子束磊晶法和单原子层沉积法。较佳为化学气相沉积。所述步骤一般典型的操作温度范围为约300°C至约1200°C，惟适当的操作温度范围取决于所选择的碳来源或无机材料来源。举例来说，甲烷的成长温度范围在约700°C至约1200°C，苯的成长温度范围在约250°C至约900°C。上述操作温度可以经由其它辅助裂解碳来源或无机材料来源的方法而降低，所述辅助方法包括，但不限于热、电浆、光或雷射等。在本专利技术中，所述的催化基板上成长碳薄膜或无机材料薄膜的步骤可成长ー或多层的碳薄膜或无机材料薄膜。于本文中，除非特别限定，単数形「一」和「所述」亦包括其附复数形。本文中任何和所有实施例和例示性用语(例如「诸如」)目的仅为了更加突显本专利技术，并非针对本专利技术的范围构成限制，本案说明书中的用语不应被视为暗示任何未请求的组件可构成实施本专利技术时的必要组件。移除基板上所述的金属薄膜的步骤，可经由任何专利技术所属
中已知的技术进行，包括，但不限于(I)以蚀刻液进行蚀刻，(2)电化学蚀刻，(3)机械性移除，(4)其它物理性移除。所述「蚀刻液」包含任何专利技术所属
中已知可以蚀刻金属、却不会对碳薄膜或无机材料薄膜造成损害或是留下残留物的化学品，例如，可以使用Fe(NO3)3蚀刻液蚀刻铜薄膜。所述「其它物理性移除」包括，但不限于抛除或以具黏性的胶带移除。根据本专利技术的ー项较佳实施态样，在所述的催化基板上成长碳薄膜或无机材料薄膜的步骤前，会先进行前处理步骤，所述前处理步骤可在例如在含氢的气氛下(如氢气或氨气等)还原所述基材，并且移除基材表面的氧原子，同时，前处理也可以控制金属晶粒的 尺寸，进而提供ー个平整且适合碳薄膜或无机材料薄膜成长的表面。所述前处理步骤可经由任何专利技术所属
中已知的技术进行，包括，但不限于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在基板上直接成长碳薄膜或无机材料薄膜的方法，包括以下步骤：在基板上形成一层金属薄膜，以获得催化基板，使碳来源或无机材料来源在所述的催化基板的一面或两面上成长碳薄膜或无机材料薄膜，和移除基板上所述的金属薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李连忠，苏清源，卢昂佑，吴至彧，刘耕谷，
申请(专利权)人：中央研究院，
类型：发明
国别省市：