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ACS Nano:单晶金属薄膜和高质量石墨烯的集成晶圆级生长
出处:低维 昂维  录入日期:2020-10-09  点击数:169

  晶体生长是集成化固态器件技术的核心,而2D层状材料(如石墨烯)的兴起推动了对这种独特类型器件材料晶圆级规模和原子薄单晶的需求,以实现与CMOS工艺兼容。

 


  有鉴于此,近日,英国剑桥大学Stephan Hofmann和Oliver J. Burton(共同通讯作者)等合作报道了一种使用标准的冷壁化学气相沉积(CVD)反应器将单晶金属催化剂的制备方法与石墨烯生长方法组合在一起的工艺流程。在商业化的多晶Cu箔和c面蓝宝石晶圆之间采用三明治结构,并显示出在有限的间隙中近距离的真空升华可以得到高生长速率的Cu(111)外延单晶薄膜。这种布置可实现晶圆级规模制备,并抑制了反应器被Cu污染。通过飞行时间二次离子质谱测量,新制备的Cu薄膜具有高纯度。通过引入氢气和气态碳前驱体,将初始金属化与随后的石墨烯生长无缝连接,从而消除了由于衬底转移和常见的冗长催化剂预处理造成的污染。夹层方法还可以在石墨烯生长过程中获得具有纳米级粗糙度的Cu表面,从而产生高质量石墨烯。本文系统地探索了参数空间并讨论机会,包括随后的干法转移,通用性以及该方法的多功能性,特别是在以经济高效的方式制备不同的单晶薄膜取向并将其扩展到其他材料系统方面。

 


  图1. CVD反应器装置和不同阶段生长过程的示意图。

 


  图2. 在蓝宝石晶圆衬底上沉积的约10 μm厚Cu薄膜的EBSD,XRD和AFM表征。

 

  图3. Cu薄膜的结构演变。

 


  图4. ToF-SIMS体积离子氧和碳计数的比较。

 


  图5. 石墨烯生长前后,Cu薄膜和Cu箔的比较。

 


  图6. 在1×1 cm2单晶Cu薄膜上生长的石墨烯取向和转移质量的表征。
  文献信息:
  Integrated Wafer Scale Growth of Single Crystal Metal Films and High Quality Graphene
  (ACS Nano, 2020, DOI:10.1021/acsnano.0c05685)

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