第一作者：鄧兵

通訊作者：彭海琳、劉忠范

通訊單位：北京大學(xué)、北京石墨烯研究院

研究亮點(diǎn)：

1. 制備了4英寸CuNi(111)銅鎳合金單晶薄膜，并以其為生長(zhǎng)基底實(shí)現(xiàn)了4英寸石墨烯單晶晶圓的超快速制備。

2. 實(shí)現(xiàn)了單批次25片4英寸石墨烯單晶晶圓的制備，設(shè)備年產(chǎn)能可達(dá)1萬(wàn)片，在世界范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了石墨烯單晶晶圓的可規(guī)?；苽?。

石墨烯的優(yōu)勢(shì)

石墨烯是一種主導(dǎo)未來(lái)高科技產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略新材料，應(yīng)用范圍極廣。石墨烯的單層碳原子平面結(jié)構(gòu)賦予其無(wú)以倫比的獨(dú)特性能，是迄今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄、強(qiáng)度卻最高、結(jié)構(gòu)最致密的材料，并擁有電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)等卓越性能。結(jié)構(gòu)完美的石墨烯薄膜將成為未來(lái)制作高性能電子器件和光電子器件的變革性材料。

石墨烯單晶晶圓的制備技術(shù)及挑戰(zhàn)

單晶石墨烯薄膜的內(nèi)部缺陷少，可最大程度地保持完美結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，石墨烯單晶晶圓的規(guī)?；苽涔に嚰把b備的研發(fā)是石墨烯高端器件規(guī)模化應(yīng)用的前提?；瘜W(xué)氣相沉積法作為半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的用來(lái)沉積多種薄膜材料的技術(shù)，是批量制備大面積高質(zhì)量的石墨烯薄膜材料的首選方法，是國(guó)際上競(jìng)爭(zhēng)激烈的重要研究方向。

單晶石墨烯的化學(xué)氣相沉積制備是一個(gè)技術(shù)前沿、工藝復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前有單一形核快速生長(zhǎng)和多點(diǎn)成核外延拼接兩種主流石墨烯單晶制備技術(shù)，具體包括形核機(jī)制研究、高效生長(zhǎng)基材開(kāi)發(fā)、批量制備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、穩(wěn)定生產(chǎn)工藝控制和評(píng)估等研究?jī)?nèi)容。然而，化學(xué)氣相沉積制備的石墨烯薄膜通常具有晶界、褶皺、點(diǎn)缺陷和污染等，嚴(yán)重地降低了石墨烯優(yōu)異性能。因此，以快速、可批量化、與晶圓制程兼容的方式制備高質(zhì)量石墨烯單晶晶圓，是石墨烯作為電子級(jí)材料規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵。

前期進(jìn)展

針對(duì)石墨烯單晶晶圓規(guī)模化制備中的關(guān)鍵問(wèn)題，北京大學(xué)和北京石墨烯研究院的彭海琳教授課題組及劉忠范院士團(tuán)隊(duì)與合作者前期提出了石墨烯單晶在銅(111)/藍(lán)寶石晶圓上外延生長(zhǎng)的方法，在國(guó)際上率先成功實(shí)現(xiàn)了4英寸無(wú)褶皺石墨烯單晶晶圓的化學(xué)氣相沉積制備(ACS Nano 2017 11，12337)。

成果簡(jiǎn)介

最近，彭海琳教授、劉忠范院士聯(lián)合團(tuán)隊(duì)循著外延襯底制備-石墨烯外延生長(zhǎng)這一研究思路，首先制備了4英寸CuNi(111)銅鎳合金單晶薄膜，并以其為生長(zhǎng)基底實(shí)現(xiàn)了4英寸石墨烯單晶晶圓的超快速制備。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)與合作者自主研發(fā)了石墨烯單晶晶圓批量制備裝備，實(shí)現(xiàn)了單批次25片4英寸石墨烯單晶晶圓的制備，設(shè)備年產(chǎn)能可達(dá)1萬(wàn)片，在世界范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了石墨烯單晶晶圓的可規(guī)?；苽洹?/span>

要點(diǎn)1：石墨烯單晶生長(zhǎng)襯底的設(shè)計(jì)與選擇

襯底的特性(包括單晶性、平整度)影響石墨烯材料的生長(zhǎng)。該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)以4英寸藍(lán)寶石晶圓作為襯底，采用磁控濺射和固相外延重結(jié)晶的方法制備了500納米厚度的CuNi(111)單晶薄膜。該方法通過(guò)界面應(yīng)力工程，良好地規(guī)避了藍(lán)寶石上外延具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬單晶通常存在的孿晶問(wèn)題。此外，鎳的引入有效地降低銅薄膜在高溫下?lián)]發(fā)導(dǎo)致的臺(tái)階，使得4英寸范圍內(nèi)銅鎳單晶薄膜具有優(yōu)良的平整度。這種方法可以有效地得到具有各種成分比例的CuNi合金單晶襯底，拓展了其使用空間。

圖1. Cu₉₀Ni₁₀(111)單晶薄膜的制備

要點(diǎn)2：石墨烯單晶晶圓的快速外延生長(zhǎng)

該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)采用常壓化學(xué)氣相沉積的方法，在CuNi(111)合金單晶上實(shí)現(xiàn)了石墨烯單晶疇區(qū)的外延生長(zhǎng)，取向一致的石墨烯單晶疇區(qū)無(wú)縫拼接，得到4英寸石墨烯單晶晶圓。在相同的生長(zhǎng)條件下，4英寸石墨烯單晶晶圓生長(zhǎng)時(shí)間可減至10分鐘，比Cu(111)上石墨烯的生長(zhǎng)速度快50倍，極大地降低了生產(chǎn)能耗和提高了產(chǎn)能。進(jìn)一步的機(jī)理研究表明，較少的Ni成分(10%)有效地提高了碳源的裂解速度，從而有助于石墨烯的快速生長(zhǎng); 同時(shí)，石墨烯的生長(zhǎng)仍然保持表面反應(yīng)主導(dǎo)，制備的石墨烯為嚴(yán)格單層，且規(guī)避了皺褶問(wèn)題而極為平整。

圖2. 石墨烯單晶晶圓在Cu₉₀Ni₁₀(111)上快速外延生長(zhǎng)

要點(diǎn)3：石墨烯單晶晶圓批量制備裝備研發(fā)

與此同時(shí)，該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)與合作者自主設(shè)計(jì)研發(fā)了中試規(guī)模的石墨烯單晶晶圓生長(zhǎng)裝備?；诔夯瘜W(xué)氣相沉積的基本原理，通過(guò)對(duì)設(shè)備的溫區(qū)、氣流大小、進(jìn)氣方式、腔體壓強(qiáng)、料架的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了生長(zhǎng)腔體內(nèi)部均一的溫度場(chǎng)和流量場(chǎng)控制。在優(yōu)化生長(zhǎng)條件后，實(shí)現(xiàn)了單批次25個(gè)4英寸石墨烯單晶晶圓的快速生長(zhǎng)，制備的石墨烯單晶晶圓具有優(yōu)良的片間和片內(nèi)均一性，質(zhì)量可與小型生長(zhǎng)系統(tǒng)相當(dāng)。該設(shè)備的最大年產(chǎn)能可達(dá)到1萬(wàn)片，并兼容6~8英寸石墨烯單晶晶圓的制備。

圖3. 石墨烯單晶晶圓批量制備

小結(jié)

總之，該方法為電子級(jí)石墨烯單晶晶圓的大規(guī)模生產(chǎn)提供了可行的技術(shù)途徑和裝備基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

Bing Deng, Zhongfan Liu, Hailin Peng, et al. Scalable and ultrafastepitaxial growth of single-crystal graphene wafers for electrically tunableliquid-crystal microlens arrays. Science Bulletin, 2019.

DOI: 10.1016/j.scib.2019.04.030

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209592731930252X

論文相關(guān)信息：

相關(guān)論文于2019年4月24日在線(xiàn)發(fā)表于Science Bulletin。論文第一作者為北京大學(xué)博士生鄧兵，通訊作者為彭海琳教授和劉忠范院士。主要合作者包括華中科技大學(xué)張新宇教授、謝長(zhǎng)生教授，香港科技大學(xué)翁祿濤教授、羅正湯教授，蘇州大學(xué)Mark H. Rummeli教授，北京大學(xué)童廉明教授、劉開(kāi)輝教授等。該技術(shù)已申請(qǐng)了一系列發(fā)明專(zhuān)利。相關(guān)工作得到科技部、基金委和北京市科委的資助。

（本文轉(zhuǎn)載自納米人）