用于生長石墨烯的mocvd反應(yīng)室的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于生長石墨烯的MOCVD反應(yīng)室，主要解決現(xiàn)有外延技術(shù)制備效率低、晶體質(zhì)量差和有效面積小的問題。它包括源入口(1)，頂板(2)，吹掃氣流(3)，倒置塔狀噴淋頭(4)，石英管(5)，凹槽石墨基座(7)，電阻加熱裝置(8)，排氣口(9)，轉(zhuǎn)動(dòng)支架(10)，和支撐板(11)。石英管(5)固定在支撐板(6)的上方，頂板(2)位于石英管(5)上方，轉(zhuǎn)動(dòng)支架(10)位于石英管(5)的中間且固定于支撐板(11)上，噴淋頭(4)固定于頂板(2)的下方，吹掃氣流(3)均勻分布在石英管(5)與噴淋頭(4)之間的整個(gè)圓形腔體內(nèi)，加熱裝置(8)固定于支架(10)的上方，石墨基座(7)位于加熱裝置(8)的上方，且正對著噴淋頭(4)的下表面。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，改善了反應(yīng)腔中氣流和溫度的均勻性，可用于生長高質(zhì)量，大面積的石墨烯。
【專利說明】用于生長石墨烯的MOCVD反應(yīng)室
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及半導(dǎo)體材料制備的關(guān)鍵設(shè)備術(shù)，特別是ー種基于金屬有機(jī)源化學(xué)氣相淀積MOCVD的反應(yīng)室，可用于原位生長圓片級，高質(zhì)量的石墨烯材料。
技術(shù)背景
[0002]隨著集成電路的發(fā)展，目前硅(Si)基器件的關(guān)鍵尺寸已經(jīng)達(dá)到理論和技術(shù)極限，量子效應(yīng)已經(jīng)成為主要機(jī)制，傳統(tǒng)的基于擴(kuò)散-漂移理論的Si基器件受到物理和技術(shù)雙重限制，無法繼續(xù)承擔(dān)延續(xù)摩爾定律的重任，因此，必須尋找新一代基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料，發(fā)展新的理論和器件模型，以滿足集成電路繼續(xù)發(fā)展的需要。
[0003]石墨烯材料是ー種碳基二維晶體，是目前已知最輕最薄的材料，其厚度僅為原子尺度，它具有極其優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，比如載流子遷移率的理論估計(jì)超過SOOOOOcn^V—is'是Si的數(shù)百倍；并且機(jī)械性能很高，楊氏模量約1000GP ;極高的比表面積和極好的氣敏特性，極高的透明性和柔韌性，而且它與襯底不存在失配問題，可以與Si基器件エ藝完全兼容，具有突出的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。因此，石墨烯的出現(xiàn)為產(chǎn)業(yè)界和科技界帶來曙光，它是最被看好的替代Si成為下一代基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料的新材料。
[0004]目前大面積石墨烯制備的方法有多種，其中過渡族金屬催化化學(xué)氣相沉積CVD和碳化硅(SiC)襯底高溫?zé)岱纸獗徽J(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)大面積石墨烯可控外延的兩種技木。前者基于過渡族金屬催化和金屬-碳的固溶-析出-重構(gòu)機(jī)制，不受襯底面積限制，可以制備超大面積的石墨烯材料，缺點(diǎn)是可控性較差，且エ序復(fù)雜，需要通過轉(zhuǎn)移過程將石墨烯轉(zhuǎn)移到適當(dāng)?shù)囊r底上，在轉(zhuǎn)移過程中會(huì)引入雜質(zhì)缺陷，很難保證潔凈度；后者基于SiC襯底的分解-Si蒸發(fā)-C重構(gòu)的機(jī)制，可以獲得結(jié)晶性能較好的石墨烯，可是受制于SiC襯底尺寸，獲得的石墨烯面積較小，苛 刻的エ藝條件和昂貴的設(shè)備，使得石墨烯的生長成本増加，并且這種方法不能與現(xiàn)有Siエ藝兼容。
[0005]采用MOCVD技術(shù)可以有效地克服上述外延技術(shù)的不足，但是，直接采用目前的MOCVD設(shè)備進(jìn)行石墨烯材料的生長是很困難的，主要原因在于:(1)目前的MOCVD設(shè)備主要用于生長化合物半導(dǎo)體，如GaAs，GaN等，但是在壓カ控制、反應(yīng)室結(jié)構(gòu)、氣源輸運(yùn)等方面都不適合金屬薄膜生長的需要；(2)石墨烯生長最為核心的過程之一就是C原子析出過程，這是ー個(gè)降溫エ藝，目前的MOCVD設(shè)備都是為恒溫エ藝設(shè)計(jì)的，對于降溫過程幾乎不能控制，而且降溫過程中溫度均勻性很差，會(huì)導(dǎo)致石墨烯材料均勻性很差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有外延技術(shù)的不足，提出ー種用于生長石墨烯的MOCVD反應(yīng)室，以提聞石墨稀的制備效率、晶體質(zhì)量和有效面積。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的MOCVD反應(yīng)室，包含有源入口 1、頂板2、噴淋頭4、石英管5、石墨基座7、加熱裝置8、排氣ロ 9、轉(zhuǎn)動(dòng)支架10和支撐板11，石英管5固定在支撐板11的上方，頂板2位于石英管5上方，轉(zhuǎn)動(dòng)支架10位于石英管5的中間且固定于支撐板11上，加熱裝置8固定干支架10上方，石墨基座7位于加熱電阻上，噴淋頭4位于頂板2下方，源入口 I和排氣ロ 9分別位于頂板2和支撐板11上，其特征在于:
[0008]噴淋頭4采用倒置塔狀結(jié)構(gòu)，以提高氣流噴力，降低溫度和壓カ對氣流分布的影響；
[0009]石墨基座7采用凹槽結(jié)構(gòu)，以減小基座熱容，加快降溫速率；
[0010]加熱裝置8采用電阻加熱，即將電阻絲均勻平鋪在石墨基座的下面，通過改變電阻絲中的電流調(diào)整石墨基座7的溫度，采用電阻加熱，以避免射頻加熱造成的金屬薄膜溶解，且提聞石星基座的溫度均勾性；
[0011]石英管5的內(nèi)壁與噴淋頭4之間設(shè)有吹掃氣流裝置3，以抑制反應(yīng)室管壁表面的預(yù)反應(yīng)和氣體湍流現(xiàn)象，防止管壁污染。
[0012]作為優(yōu)選，所述的倒置塔狀結(jié)構(gòu)的噴淋頭4與凹槽結(jié)構(gòu)石墨基座7之間的距離LI設(shè)為10~15cm,通過減小LI,以減小反應(yīng)腔體的體積,增加氣流的流速。
[0013]作為優(yōu)選，所述的倒置塔狀結(jié)構(gòu)的噴淋頭4包括噴頭和噴ロ，噴ロ均勻分布于噴頭的上表面和下表面處，噴頭上表面半徑Rl與下表面半徑R2的比例為2，噴淋頭的高度h為2~4cm，噴頭上表面與下表面的噴ロ數(shù)量N相同，且數(shù)量N為20~60，頂端噴ロ半徑rI與底端噴ロ半徑r2的比例為2。
[0014]作為優(yōu)選，所述的石墨基座7的表面下方設(shè)有深度D為10~25mm，高度W為I~4mm的圓環(huán)形槽，槽與基座表面的距離L2為高度W的2倍。
[0015]作為優(yōu)選，所述的吹掃氣流裝置3均勻分布在石英管內(nèi)壁與噴淋頭之間的整個(gè)圓形腔體內(nèi)。`
[0016]作為優(yōu)選，所述的吹掃氣流裝置3中通有吹掃氣體Ar、N2和H2。
[0017]作為優(yōu)選，所述的轉(zhuǎn)動(dòng)支架10上方設(shè)有3個(gè)石墨基座，轉(zhuǎn)動(dòng)支架10帶動(dòng)石墨基座7進(jìn)行公轉(zhuǎn)，同時(shí)石墨基座進(jìn)行自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)速度為100~500r/min,自轉(zhuǎn)速度為100~300r/min。
[0018]作為優(yōu)選，所述的排氣ロ 9與石墨基座7的距離L3為10~15cm,通過增加L3,避免排氣ロ對反應(yīng)室氣流均勻性的影響。
[0019]作為優(yōu)選，所述的石墨基座7的溫度調(diào)整范圍為450~1030°C。
[0020]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0021]1.本發(fā)明由于采用塔狀噴淋頭結(jié)構(gòu)，吹掃氣流結(jié)構(gòu)，凹槽石墨基座結(jié)構(gòu)，并合理設(shè)定噴淋頭與基座之間的距離，改善了反應(yīng)腔中氣流和溫度的均勻性，提高了石墨烯的晶體質(zhì)量和有效面積。
[0022]2.本發(fā)明由于采用電阻加熱方式，避免射頻加熱造成的金屬薄膜溶解，提高了石墨烯的質(zhì)量。
[0023]3.本發(fā)明由于采用可以原位淀積過渡金屬薄膜的反應(yīng)室，提高了石墨烯的制備效率。
[0024]本發(fā)明的技術(shù)方案和效果可通過以下附圖和實(shí)施例進(jìn)ー步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】[0025]圖1是本發(fā)明的石墨烯MOCVD反應(yīng)室結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明的噴淋頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是本發(fā)明的石星基座結(jié)構(gòu)不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]參照圖1，本發(fā)明的石墨烯MOCVD反應(yīng)室，包括源入口 1、頂板2、吹掃氣流3、噴淋頭4、石英管5、襯底6、石墨基座7、加熱裝置8、排氣ロ 9、轉(zhuǎn)動(dòng)支架10和支撐板11。其中噴淋頭4采用倒置塔狀結(jié)構(gòu)，通過減小塔狀底端的噴ロ半徑來提供強(qiáng)噴カ的氣流，噴淋頭4固定于頂板2的下方；石墨基座7采用凹槽結(jié)構(gòu)，以減小基座熱容,加快降溫速率；加熱裝置8采用電阻加熱，電阻絲均勻平鋪在石墨基座7的下方，通過改變電阻絲中的電流調(diào)整石墨基座7的溫度；石英管5固定在支撐板11的上方，頂板2位于石英管5的上方，轉(zhuǎn)動(dòng)支架10位于石英管5的中間且固定于支撐板11上；加熱裝置8固定干支架10的上方，石墨基座7位于加熱電阻的上方；吹掃氣流裝置3均勻分布在石英管5內(nèi)壁與噴淋頭4之間的整個(gè)圓形腔體內(nèi)，源入口 I和排氣ロ 9分別位于頂板2和支撐板11上；倒置塔狀結(jié)構(gòu)的噴淋頭4與凹槽結(jié)構(gòu)石墨基座7之間的距離LI為10~15cm，通過減小LI，以減小反應(yīng)腔體的體積，增加氣流的流速；排氣ロ 9與石墨基座7的距離L3為10~15cm，通過增加L3，避免排氣ロ對反應(yīng)室氣流均勻性的影響。
[0029]參照圖2，本發(fā)明的倒置塔狀噴淋頭4包括噴頭12和噴ロ 13，噴ロ 13均勻分布于噴頭12的上表面和下表面處，噴頭12上表面半徑Rl與下表面半徑R2的比例為2，噴淋頭4的高度h為2~4cm，噴頭12上表面與下表面的噴ロ數(shù)量均為N，且數(shù)量N為20~60，頂端噴ロ半徑rl與底端噴ロ半徑r2的比例為2。
[0030]參照圖3，本發(fā)明的凹槽結(jié)構(gòu)石墨基座7中設(shè)有圓環(huán)形凹槽14，以加速降溫速度，提高溫度均勻性，深度D為10~25mm，高度W為I~4mm，槽與基座表面的距離L2為高度W的2倍。
[0031]本發(fā)明反應(yīng)室中的倒置塔狀噴淋頭4和凹槽結(jié)構(gòu)石墨基座7的結(jié)構(gòu)參數(shù)，給出如下三種實(shí)施例。
[0032]實(shí)施例1:
[0033]噴頭12上表面的半徑Rl為6cm，下表面的半徑R2為3cm，噴淋頭4的高度h為2cm,噴ロ數(shù)量N為20，頂端噴ロ的半徑r I為2mm，底端噴ロ的半徑r2為1mm ;凹槽14的深度D為10mm，高度W為1mm，槽與基座表面的距離L2為2mm ;噴淋頭4與石墨基座7的距離LI為10cm，石墨基座7與排氣ロ 9的距離L3為IOcm ;石墨基座7的公轉(zhuǎn)速度為100r/min，自轉(zhuǎn)速度為100r/min ;吹掃氣體采用Ar。
[0034]實(shí)施例2:
[0035]噴頭12上表面的半徑Rl為7cm，下表面的半徑R2為3.5cm,噴淋頭4的高度h為
2.5cm，噴ロ數(shù)量N為30，頂端噴ロ的半徑rl為3mm，底端噴ロ的半徑r2為1.5mm ;凹槽14的深度D為15_，高度W為 2_，槽與基座表面的距離L2為4_ ;噴淋頭4與石墨基座7的距離LI為12cm，石墨基座7與排氣ロ 9的距離L3為12cm ;石墨基座7的公轉(zhuǎn)速度為200r/min,自轉(zhuǎn)速度為120r/min ;吹掃氣體采用H2。
[0036]實(shí)施例3:[0037]噴頭12上表面的半徑Rl為10cm，下表面的半徑R2為5cm，噴淋頭4的高度h為4cm，噴ロ數(shù)量N為60，頂端噴ロ的半徑rl為5mm，底端噴ロ的半徑r2為2.5mm ;凹槽14的深度D為25mm，高度W為4mm，槽與基座表面的距離L2為8mm ;噴淋頭4與石墨基座7的距離LI為15cm，石墨基座7與排氣ロ 9的距離L3為15cm ;石墨基座7的公轉(zhuǎn)速度為500r/min,自轉(zhuǎn)速度為300r/min ;吹掃氣體采用N2。
[0038]工作時(shí)，首先將半導(dǎo)體絕緣襯底6放在石墨基座7的上方，再從源入口 I向反應(yīng)室通入過渡金屬有機(jī)源，從吹掃氣流裝置向反應(yīng)室通入吹掃氣體，通過改變加熱電阻的電流來提高石墨基座7的溫度到450°C，用來生長過渡金屬薄膜；金屬薄膜生長完成之后，從源入口 I向反應(yīng)室通入H2，通過改變加熱電阻的電流再次提高石墨基座7的溫度到1030°C，對金屬薄膜進(jìn)行退火處理 ；再從源入口 I向反應(yīng)室通入氣源CH4,以生長出石墨烯薄膜。
【權(quán)利要求】
1.一種生長石墨烯的MOCVD反應(yīng)室，包含有源入口(I)、頂板(2)、噴淋頭(4)、石英管(5)、石墨基座(7)、加熱裝置(8)、排氣ロ(9)、轉(zhuǎn)動(dòng)支架(10)和支撐板(11)，石英管(5)固定在支撐板(11)的上方，頂板(2)位于石英管(5)上方，轉(zhuǎn)動(dòng)支架(10)位于石英管(5)的中間且固定于支撐板(11)上，加熱裝置(8)固定于支架(10)上方,石墨基座(7)位于加熱電阻上，噴淋頭(4)位于頂板(2)下方，源入口(I)和排氣ロ(9)分別位于頂板(2)和支撐板(11)上，其特征在干: 噴淋頭(4)采用倒置塔狀結(jié)構(gòu)，以提高氣流噴力，降低溫度和壓カ對氣流分布的影響； 石墨基座(7)采用凹槽結(jié)構(gòu)，以減小基座熱容，加快降溫速率； 加熱裝置(8)采用電阻加熱，即將電阻絲均勻平鋪在石墨基座的下面，通過改變電阻絲中的電流調(diào)整石墨基座(7)的溫度，采用電阻加熱，以避免射頻加熱造成的金屬薄膜溶解，且提聞石星基座的溫度均勾性； 石英管(5)的內(nèi)壁與噴淋頭(4)之間設(shè)有吹掃氣流裝置(3)，以抑制反應(yīng)室管壁表面的預(yù)反應(yīng)和氣體湍流現(xiàn)象，防止管壁污染。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長石墨烯的MOCVD反應(yīng)室，其特征在于:倒置塔狀結(jié)構(gòu)的噴淋頭(4)與凹槽結(jié)構(gòu)石墨基座(7)之間的距離LI為10~15cm，通過減小LI，以減小反應(yīng)腔體的體積，增加氣流的流速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長石墨烯的MOCVD反應(yīng)室，其特征在于:倒置塔狀結(jié)構(gòu)的噴淋頭(4)包括噴頭和噴ロ，噴ロ均勻分布于噴頭的上表面和下表面處，噴頭上表面半徑Rl與下表面半徑R2的比例為2，噴淋頭的高度h為2~4cm，噴頭上表面與下表面的噴口數(shù)量N相同，且數(shù)量N為20~60，頂端噴ロ半徑rl與底端噴ロ半徑r2的比例為2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的生長石星稀的MOCVD反應(yīng)室，其特征在于:石星基座(7)的表面下方設(shè)有深度D為10~25mm，高度W為I~4mm的圓環(huán)形槽，槽與基座表面的距離L2為高度W的2倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長石墨烯的MOCVD反應(yīng)室，其特征在于:吹掃氣流裝置(3)均勻分布在石英管內(nèi)壁與噴淋頭之間的整個(gè)圓形腔體內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長石墨烯的MOCVD反應(yīng)室，其特征在于:吹掃氣流裝置(3)中通有吹掃氣體Ar、N2和H2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長石墨烯的MOCVD反應(yīng)室，其特征在于:轉(zhuǎn)動(dòng)支架(10)上方設(shè)有3個(gè)石墨基座，轉(zhuǎn)動(dòng)支架(10)帶動(dòng)石墨基座(7)進(jìn)行公轉(zhuǎn)，同時(shí)石墨基座進(jìn)行自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)速度為100~500r/min，自轉(zhuǎn)速度為100~300r/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長石墨烯的MOCVD反應(yīng)室，其特征在于:排氣ロ(9)與石墨基座(7)的距離L3為10~15cm，通過增加L3，避免排氣ロ對反應(yīng)室氣流均勻性的影響。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長石墨烯的MOCVD反應(yīng)室，其特征在于:石墨基座(7)的溫度調(diào)整范圍為450~1030°C。
【文檔編號】C30B25/08GK103590100SQ201310646355
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】王東, 韓碭, 寧靜, 柴正, 閆景東, 張進(jìn)成, 郝躍 申請人:西安電子科技大學(xué)