一種制備大尺寸高質(zhì)量石墨烯單晶的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種制備大尺寸尚質(zhì)量石墨條單晶的裝置及方法，屬于石墨條單晶制 備設(shè)備及方法技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是由碳原子以SP2軌道雜化形成的呈六角形蜂巢晶格的原子級(jí)二維晶體材 料，具有幾十倍于商用硅片的高載流子迀移率，并且受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小，表現(xiàn)出 優(yōu)良的電子傳輸特性。石墨烯晶體在超高頻率電子器件方面有著重要應(yīng)用價(jià)值。然而，石 墨烯電子器件性能的提升受到石墨烯品質(zhì)的嚴(yán)重制約，這依賴(lài)于石墨烯制備技術(shù)和方法的 改進(jìn)。制備出高質(zhì)量、低成本的石墨烯晶體是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)石墨烯應(yīng)用的前提條件。
[0003] CN103643288A公開(kāi)了一種高質(zhì)量大尺寸單晶石墨烯的制備方法，采用化學(xué)氣相 沉積（CVD)技術(shù)，以銅、鉑等金屬為生長(zhǎng)基體，以碳?xì)浠衔餅樘荚矗诤袣錃獾妮d氣存 在的情況下，先對(duì)金屬基體進(jìn)行熱處理，并利用碳源氣體高溫下催化裂解，生長(zhǎng)出單晶石墨 烯。然后通過(guò)調(diào)控氫氣和碳源濃度對(duì)石墨烯進(jìn)行刻蝕，減小單晶石墨烯的分布密度，之后再 次調(diào)節(jié)反應(yīng)氣氛使其再生長(zhǎng)，如此反復(fù)數(shù)次，最終獲得高質(zhì)量大尺寸單晶石墨烯。
[0004] CN203187782U提供一種制備單晶石墨烯的裝置，它包括真空泵1、進(jìn)氣口 2、外腔 3、加熱裝置4、出氣口 5、內(nèi)腔6和排氣管7,其特征在于外腔中部?jī)?nèi)設(shè)有內(nèi)腔，加熱裝置位于 外腔外，并緊靠?jī)?nèi)腔位置處，外腔的兩端分別設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，出氣口連接在排氣管的 一端，排氣管上連有真空泵。具體使用步驟如下：1)、將潔凈的金屬片放在內(nèi)腔6中，開(kāi)啟真 空泵1，內(nèi)腔6形成負(fù)壓，用惰性氣體將整個(gè)腔體內(nèi)的空氣排凈。用加熱裝置4將加熱區(qū)升 溫到1000°C以上；2)、將含碳?xì)怏w、氫氣及惰性氣體通入到腔體中，各氣體的流速及通氣的 時(shí)間可根據(jù)需要制備的單晶石墨烯的規(guī)格而定；3)、關(guān)閉所有氣源，移除加熱4裝置，關(guān)閉 真空泵1 ;4)、待整個(gè)裝置冷卻至室溫后，將金屬片取出，即制備出高質(zhì)量的單晶石墨烯。使 用此裝置可以在銅、鉑等金屬上制備出高質(zhì)量的單晶石墨烯，該實(shí)用新型不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使 用也較為方便。
[0005] CN102786049A提供SiC熱裂解法制備石墨烯的系統(tǒng)，包括作為真空腔體的氣煉 石英管，位于真空腔體內(nèi)中間位置的SiC襯底、感應(yīng)加熱石墨舟和碳?xì)直貙?，所述SiC襯 底位于石墨舟樣品槽內(nèi)，石墨舟位于碳?xì)直貙又胁?，碳?xì)直貙泳o貼真空腔體的管壁并 形成中空結(jié)構(gòu)；真空腔體的一端具有真空腔門(mén)用以開(kāi)啟和關(guān)閉真空腔體，真空腔門(mén)的下方 依次連接有擋板閥、分子泵和機(jī)械泵組成的抽真空氣路用以按需對(duì)真空腔體進(jìn)行抽真空操 作；真空腔體的另一端具有透紅線外玻璃材質(zhì)的紅外探測(cè)窗口。采用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法， 可以在較高氣壓狀態(tài)下（〇. 1~1個(gè)大氣壓）制備出高質(zhì)量的石墨烯。
[0006] 從目前報(bào)道來(lái)看，石墨烯單晶常用的制備方法主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是化學(xué)氣相沉 積（CVD)法，另一類(lèi)是高溫SiC熱解法。CVD方法工藝較為簡(jiǎn)單、成本低廉，但石墨烯晶體的 制備通常依賴(lài)于Cu、Ni或Pt等金屬基底，需要將制備的石墨烯晶體剝離并轉(zhuǎn)移到各種絕緣 基片上備用。在剝離和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，容易對(duì)石墨烯造成損傷或污染，這不利于后續(xù)電子器 件制備和性能提高。高溫Sic熱解法通過(guò)高溫使SiC表面的Si原子脫離SiC基片來(lái)獲得 一層或數(shù)層石墨烯，其生產(chǎn)流程可以與當(dāng)前半導(dǎo)體工藝相融合，不需要轉(zhuǎn)移等后續(xù)工藝便 有望做成器件。但是，因生長(zhǎng)機(jī)理的限制，SiC熱解法得到的石墨烯的均勻性較差，難以得 到層數(shù)可控的石墨烯薄膜，且單純采用SiC熱解法制備的石墨烯與SiC襯底間存在明顯的 緩沖層，降低石墨烯的迀移率，不利于石墨烯電子器件的應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種采用高溫CVD技術(shù)在SiC襯底上 制備大尺寸高質(zhì)量石墨烯單晶的裝置和生長(zhǎng)方法。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] -種米用尚溫CVD技術(shù)在SiC襯底上制備石墨條單晶的裝置，該裝置包括：
[0010] -殼體和頂蓋，頂蓋位于殼體上面，頂蓋中部有進(jìn)氣口，與頂蓋內(nèi)設(shè)置的帶布?xì)夤?的氣體噴頭連通，使進(jìn)入的高純氣體均勻分布進(jìn)入反應(yīng)腔體；
[0011] -反應(yīng)腔體位于殼體中部，反應(yīng)腔體由上下兩段密封石英管、插接在兩段密封石英 管中間的石墨發(fā)熱體、放置在石墨發(fā)熱體內(nèi)部的石墨坩堝組成，石墨坩堝用于放置SiC晶 片襯底；反應(yīng)腔體通過(guò)固定在殼體內(nèi)底部的支撐架支撐；
[0012] -冷卻水系統(tǒng)，位于石墨發(fā)熱體外，自下而上通冷卻循環(huán)水；
[0013] -中頻線圈，位于石墨發(fā)熱體外，用于感應(yīng)加熱石墨發(fā)熱體；
[0014] -在密封石英管下端設(shè)有氣體導(dǎo)出通道，連通殼體底部的出氣口。
[0015] 本裝置的進(jìn)、出氣口采用上、下對(duì)流方式。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明所述的裝置，優(yōu)選的，所述石墨發(fā)熱體外有保溫隔熱層；保溫隔熱層外 是冷卻水系統(tǒng)；
[0017] 根據(jù)本發(fā)明所述的裝置，優(yōu)選的，所述中頻線圈位于石墨發(fā)熱體外的冷卻水系統(tǒng) 外側(cè)。進(jìn)一步優(yōu)選，在冷卻水系統(tǒng)和保溫隔熱層之間還設(shè)有保溫石英管。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明所述的裝置，優(yōu)選的，所述冷卻水系統(tǒng)下方有固定在殼體內(nèi)底部的不 銹鋼支撐架支撐。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明所述的裝置，優(yōu)選的，所述頂蓋與殼體之間通過(guò)可調(diào)節(jié)螺母或可升降 栓相連，所述反應(yīng)腔體支撐架也有可調(diào)節(jié)高度的螺母，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母，使得包括石墨發(fā)熱體 的整個(gè)反應(yīng)腔體高度可上下調(diào)節(jié)；從而調(diào)節(jié)反應(yīng)腔體內(nèi)的溫場(chǎng)分布，以滿(mǎn)足SiC晶片襯底 上生長(zhǎng)石墨烯晶體所需的溫度。所述密封石英管下端的支撐架為不銹鋼材料制成。
[0020] 本發(fā)明石墨烯制備裝置的氣體進(jìn)出口位于反應(yīng)腔體的上、下兩端，特別的，出氣口 的下方有抽真空系統(tǒng)用以按需對(duì)整個(gè)爐體進(jìn)行抽真空操作。抽真空系統(tǒng)依次連接有擋板 閥、機(jī)械泵和分子泵組成。可按現(xiàn)有技術(shù)。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明所述的裝置，優(yōu)選的，在殼體底部的出氣口一側(cè)設(shè)有紅外測(cè)溫器。通過(guò) 來(lái)自溫場(chǎng)的氣體流通，能方便地測(cè)知晶體樣品周?chē)臏囟取?br>[0022] 根據(jù)本發(fā)明所述的裝置，優(yōu)選的，石墨發(fā)熱體的兩端面有凹槽，凹槽直徑與密封石 英管直徑相適配且凹槽寬度與石英管壁厚相適配，便于契合密封。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明所述的裝置，優(yōu)選的，所述石墨發(fā)熱體外的保溫隔熱層的材料為碳?xì)郑?碳?xì)职苍谑l(fā)熱體周?chē)?，保溫層?nèi)部填充SiC粉，起到更好地保溫隔熱作用。
[0024] 本發(fā)明的裝置中，優(yōu)選的，頂蓋和殼體采用相同的鋼材質(zhì)制作，頂蓋中部?jī)?nèi)置同等 鋼材的氣體噴頭，其布?xì)夤茇Q向設(shè)置且內(nèi)徑為1~2_。氣體通向載有SiC晶片襯底的石墨 坩堝。冷卻水系統(tǒng)的冷卻水管道由石英材質(zhì)制成，自下而上通冷卻循環(huán)水。
[0025] 本發(fā)明的裝置中，所述石墨發(fā)熱體由高純石墨（99. 99%以上）制作。在中頻電流 的感應(yīng)下溫度升高，并可以在短時(shí)間內(nèi)獲得較高的溫度，為石墨烯生長(zhǎng)提供高溫環(huán)境。
[0026] 本發(fā)明的裝置中，所述中頻線圈為銅管制作而成，內(nèi)通冷卻循環(huán)水。按現(xiàn)有技術(shù)即 可。制備石墨烯用SiC襯底，優(yōu)選4H-SiC和6H-SiC晶片，使用前需要切割、清洗。按現(xiàn)有 技術(shù)即可。
[0027] 石墨坩堝放置在石墨發(fā)熱體內(nèi)部中間位置。石墨發(fā)熱體的形狀和大小可根據(jù)所需 的溫場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。一個(gè)較優(yōu)選的方案參見(jiàn)附圖2,所述石墨發(fā)熱體內(nèi)下部為圓筒，再依次