晶圓級石墨薄膜制備及表征面臨的挑戰(zhàn)與顛覆性解決方案！

2022/11/25

二維原子晶體石墨烯，集高遷移率、高熱導(dǎo)率、優(yōu)異的機械強度于一身，在電子學(xué)、光子學(xué)與光電子學(xué)等眾多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。如高品質(zhì)石墨烯晶圓可作為下一代微納電子器件的關(guān)鍵組件，有望如同二十世紀六十年代興起的硅晶圓一樣，為電子學(xué)領(lǐng)域帶來重大突破。鑒于此，如何制備大面積高質(zhì)量的石墨烯薄膜以及如何準確且可重復(fù)的表征其電學(xué)性質(zhì)顯得尤為重要。

化學(xué)氣相沉積（CVD）法作為最具備發(fā)展?jié)摿Φ母哔|(zhì)量石墨烯制備方法之一，近年來在晶圓尺寸石墨烯薄膜制備方面取得了一系列進展。近期，北京大學(xué)劉忠范院士課題組與蘇州大學(xué)能源學(xué)院孫靖宇教授課題組近期在Small上發(fā)表題為“Controllable Synthesis of Wafer-Scale Graphene Films: Challenges, Status, and Perspectives”的綜述論文^[1]，總結(jié)了目前CVD法制備晶圓尺寸石墨烯的最新進展，強調(diào)了化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)與氣相流體動力學(xué)對石墨烯生長基元步驟與批量化制備的影響，并對晶圓級尺寸石墨烯制備領(lǐng)域今后的重點研究方向進行了展望。文章指出目前晶圓級石墨烯的生長面臨三個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

1.缺陷的存在，特別是褶皺，少層和多層控制生長和轉(zhuǎn)移相關(guān)的問題;

2.晶界和不均勻石墨烯層的出現(xiàn)以及低生長速率也是亟待解決的問題;

3.生長和蝕刻過程中不可再生的金屬薄膜、不可避免的金屬殘留以及眾多缺陷仍然是嚴峻的挑戰(zhàn).

解決方案

為使晶圓級石墨烯薄膜開發(fā)應(yīng)用于電子元件中，其電學(xué)表征勢在必行，且是必須的。介于此，西班牙Das Nano公司采用先進的脈沖太赫茲時域光譜專利技術(shù)創(chuàng)新性的研發(fā)出了一款針對大面積（8英寸wafer）石墨烯、半導(dǎo)體薄膜和其他二維材料100%全區(qū)域的太赫茲無損快速表征測量設(shè)備-ONYX^[2,3]。反射式太赫茲時域光譜技術(shù)（THz-TDS）彌補了傳統(tǒng)接觸測量方法（如四探針法- Four-probe Method，范德堡法-Van Der Pauw和電阻層析成像法-Electrical Resistance Tomography）及顯微方法（原子力顯微鏡-AFM, 共聚焦拉曼-Raman，掃描電子顯微鏡-SEM以及透射電子顯微鏡-TEM）之間的不足和空白。實現(xiàn)了從科研級到工業(yè)級的大面積石墨烯及其他二維材料的無損和高分辨，快速的電學(xué)性質(zhì)測量，為石墨烯和二維材料科研和產(chǎn)業(yè)化研究提供了強大的支持。

另外，Das-nano公司也與英國國家物理實驗室（NPL，即英國國家計量院）的科學(xué)家、意大利國家計量院、西班牙Graphenea SA合作，共同完成了歐洲計量創(chuàng)新與研究計劃（EMPIR）中的“GRACE-石墨烯電學(xué)特性測量新方法”項目，發(fā)布了首個基于THz-TDS的全新非接觸測量方法及測量標準的指導(dǎo)手冊。為石墨烯及其他二維材料電學(xué)特性的快速高通量、非接觸測量方法的可靠性及標準化提供了很好的驗證和指導(dǎo)，對實現(xiàn)未來石墨烯電子產(chǎn)品電氣測量的標準化具有重要意義。

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晶圓級石墨薄膜制備及表征面臨的挑戰(zhàn)與顛覆性解決方案！

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