晶片尺度外延石墨烯轉(zhuǎn)移的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及晶片尺度外延石墨烯轉(zhuǎn)移。一種用于二維材料的轉(zhuǎn)移的方法包括：在襯底上形成二維材料的擴(kuò)展層，擴(kuò)展層具有單層。在擴(kuò)展層上形成應(yīng)力源層，以及應(yīng)力源層被配置為向擴(kuò)展層的最近單層施加應(yīng)力。通過(guò)機(jī)械分裂擴(kuò)展層剝落最近單層，其中最近單層保留在應(yīng)力源層上。
【專利說(shuō)明】晶片尺度外延石墨烯轉(zhuǎn)移

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及制造，更具體地，涉及使用應(yīng)力源層分離石墨烯層中的 單層（monolayer)的方法和器件。

【背景技術(shù)】
[0002] 微電子器件越來(lái)越廣泛的應(yīng)用石墨烯器件，因?yàn)樗鼈兙哂袑?dǎo)電、機(jī)械以及其它特 性。相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，石墨的處理相對(duì)于傳統(tǒng)處理技術(shù)通常不是常規(guī)的并且通常難以控制 以及難以與半導(dǎo)體處理集成?？梢允褂枚喾N技術(shù)獲得石墨烯。一種流行的技術(shù)包括石墨烯 的微機(jī)械減層（alleviation)。其包括使用粘性帶將石墨晶體重復(fù)分裂成越來(lái)越薄的片。 具有附著的光學(xué)透明薄片（flake)的帶在丙酮中溶解，并且在硅晶片上沉淀包括單層的薄 片。這已經(jīng)通過(guò)干沉積改善，避免了石墨烯漂浮在液體中的階段。此方法通常被稱為"透明 膠帶（scotch tape)"或者拖拉法。此技術(shù)不能制造均勻石墨烯膜。
[0003] 獲得石墨烯的另一種方法是在低壓力（?10-6托）下加熱碳化硅（SiC)到高溫 (>1100°C)以將其還原為石墨烯。此工藝制造的外延石墨烯具有依賴于SiC襯底（晶片)尺 寸的尺寸。用于石墨烯形成的SiC的面、硅-或者碳-封端極大影響石墨烯的厚度、遷移率 和載流子密度。石墨烯層的剝落和轉(zhuǎn)移通常很困難。
[0004] 另一種方法使用金屬襯底的原子結(jié)構(gòu)以提供石墨烯生長(zhǎng)的種子(外延生長(zhǎng))。在一 種技術(shù)中，使用銅箔并且在很低的氣壓下，在單個(gè)石墨烯層形成之后石墨烯的生長(zhǎng)自動(dòng)停 止。還可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD)生長(zhǎng)制造任意大的石墨烯膜。在銅上還可以形成多層 石墨烯。然而，石墨烯層很難剝落和轉(zhuǎn)移。在金屬襯底上的CVD生長(zhǎng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是生長(zhǎng) 的石墨烯層是多晶。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] -種用于二維材料的轉(zhuǎn)移的方法包括：在襯底上形成二維材料的擴(kuò)展層，擴(kuò)展層 具有單層（monolayer)。在擴(kuò)展層上形成應(yīng)力源層，以及應(yīng)力源層被配置為向擴(kuò)展層的最近 單層施加應(yīng)力。通過(guò)機(jī)械分裂擴(kuò)展層剝落最近單層，其中最近單層保留在應(yīng)力源層上。
[0006] -種用于轉(zhuǎn)移石墨烯的方法包括在碳化硅（SiC)襯底上形成石墨烯的擴(kuò)展層，擴(kuò) 展層具有至少一個(gè)單層；在擴(kuò)展層上沉積應(yīng)力源層，應(yīng)力源層被配置為向擴(kuò)展層的至少最 近單層施加應(yīng)力；接合處理襯底到應(yīng)力源層；通過(guò)從擴(kuò)展層剝落至少最近單層而分裂擴(kuò)展 層，其中至少最近單層保留在應(yīng)力源層上；以及使用處理襯底轉(zhuǎn)移應(yīng)力源層上的至少最近 單層。
[0007] 另一用于轉(zhuǎn)移石墨烯的方法包括：通過(guò)加熱襯底到大于1000°C的溫度，在碳化硅 襯底上形成包括石墨烯的單層的擴(kuò)展層，其中與襯底接觸的SiC緩沖層包括與下面材料的 共價(jià)接合；在擴(kuò)展層上沉積應(yīng)力源層，應(yīng)力源層被配置為向擴(kuò)展層的至少最近單層施加應(yīng) 力；接合處理襯底到應(yīng)力源層；通過(guò)從擴(kuò)展層剝落至少最近單層分裂擴(kuò)展層，其中通過(guò)使 用應(yīng)力源層的誘導(dǎo)應(yīng)力克服將至少最近單層保持到鄰近材料的范德瓦爾斯力，至少最近單 層保留在應(yīng)力源層上；使用處理襯底轉(zhuǎn)移在應(yīng)力源層上的至少最近單層；以及蝕刻掉應(yīng)力 源層以將至少最近單層釋放到用于器件形成的第二襯底上。
[0008] 從聯(lián)系附圖閱讀的隨后對(duì)示出的實(shí)施例的詳細(xì)描述，將明白這些和其它特征以及 優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009] 在參考隨后的附圖的優(yōu)選實(shí)施例的描述詳細(xì)提供了本發(fā)明：
[0010] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的具有在其上形成的擴(kuò)展層的襯底的截面圖；
[0011] 圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的在擴(kuò)展層上形成應(yīng)力源層的截面圖；
[0012] 圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的在SiC襯底上的石墨烯擴(kuò)展層上形成應(yīng)力源層的截面 圖；
[0013] 圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明的用于處理擴(kuò)展層的一個(gè)或多個(gè)單層的分裂而粘接到應(yīng) 力源層的處理襯底的截面圖；
[0014] 圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明的用于處理一個(gè)或多個(gè)石墨烯單層從緩沖層的分裂而粘 接到應(yīng)力源層的處理襯底的截面圖；
[0015] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的其中單層將被轉(zhuǎn)移的第二襯底上的處理襯底；
[0016] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的具有在其上形成的單層的第二襯底的截面圖；
[0017] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的示出了已被轉(zhuǎn)移的高質(zhì)量單層的拉曼譜強(qiáng)度(任意單位)對(duì)拉 曼移動(dòng)（cnT 1)的圖；以及
[0018] 圖7是根據(jù)示例實(shí)施例的用于轉(zhuǎn)移單層的方法的框/流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 根據(jù)本發(fā)明，提供了用于轉(zhuǎn)移大截面的二維（2D)材料的方法。在一個(gè)實(shí)施例中， 在襯底上提供2D材料，其具有一個(gè)或多個(gè)單層的厚度。在一個(gè)實(shí)施例中，2D材料包括石墨 烯并且襯底可以包括SiC。在2D材料上形成應(yīng)力源層并且將處理襯底接合到應(yīng)力源層上。 應(yīng)力源層在至少最近單層中引起應(yīng)力。因?yàn)?D材料依靠弱范德瓦爾斯力將單層保持在一 起，所以2D材料可以是化學(xué)接合到襯底。應(yīng)力源層抓牢至少最近單層，并且提升處理襯底 導(dǎo)致高質(zhì)量機(jī)械剝落以及至少最近單層的剝離。可以很少或者無(wú)傷害地剝離頂單層?，F(xiàn)在 應(yīng)力源層可以用于進(jìn)一步的處理或者2D材料的剝落單層可以轉(zhuǎn)移到另一個(gè)襯底。2D材料 可以在晶片尺度上轉(zhuǎn)移，這在其它技術(shù)中很難或者不可能。當(dāng)能夠在晶片尺度上轉(zhuǎn)移時(shí)，更 小的部分或者圖形也可以轉(zhuǎn)移。
[0020] 應(yīng)該明白，本發(fā)明將以具有襯底或者撓性襯底的給定的說(shuō)明性體系結(jié)構(gòu)來(lái)描述； 然而，其它體系結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、襯底、材料以及工藝特征和步驟可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)變化。
[0021] 還應(yīng)該明白，當(dāng)如層、區(qū)域或者襯底的元件被指出在另一個(gè)元件"上"或者"上面" 時(shí)，其可以直接在其它元件上或者還可以存在間隔元件。相反，當(dāng)元件被指出"直接在另一 元件上"或者"直接在另一元件上面"時(shí)，不存在間隔元件。還應(yīng)該明白，當(dāng)元件被指出被 "連接"或者"耦合"到另一個(gè)元件時(shí)，其可以直接連接或者耦合到其它元件或者可以存在間 隔元件。相反，當(dāng)元件被指出被"直接連接"或者"直接耦合"到另一元件時(shí)，則不存在間隔 元件
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例可以包括用于集成電路芯片的設(shè)計(jì)，芯片設(shè)計(jì)以圖形計(jì)算機(jī) 程序語(yǔ)言創(chuàng)造并且存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)中（例如，硬盤(pán)、磁帶、物理硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或者如存 取網(wǎng)絡(luò)中的虛擬硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器)。如果設(shè)計(jì)者不制造芯片或者用于制造芯片的光刻掩模，設(shè) 計(jì)者通過(guò)物理工具(例如，通過(guò)提供儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)的拷貝）或者電學(xué)(例如通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)） 直接或者間接地傳輸最終的設(shè)計(jì)到這樣的實(shí)體。然后，存儲(chǔ)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為用于光刻掩模制造 的合適的形式(例如，GDSII)，其典型地包括將在晶片上形成的所討論的芯片設(shè)計(jì)的多個(gè)拷 貝。利用光刻掩模限定將被蝕刻或者處理的晶片區(qū)域(和/或其上的層）。
[0023] 如這里描述的方法可以用在集成電路芯片的制造中。產(chǎn)生的集成電路芯片可以通 過(guò)未加工形式（即，作為具有在其上形成的多個(gè)結(jié)構(gòu)的單個(gè)撓性襯底)、作為裸管芯或者以 封裝形式由制造者分布。在后一種情況中，芯片以單個(gè)芯片封裝(例如，具有附著在主板或 者更高級(jí)載體上的引線的塑料載體）或以多芯片封裝(例如具有任一或者兩個(gè)表面互連或 者掩埋互連的陶瓷載體)而安裝。在任意情況中，隨后將芯片與其它芯片、分離電路元件、和 /或其它信號(hào)處理器件集成作為（a)如主板的中間產(chǎn)品或者（b)最終產(chǎn)品的一部分。最終 產(chǎn)品可以是任意包括集成電路芯片的產(chǎn)品，范圍從玩具和其它低端應(yīng)用到具有顯示器、鍵 盤(pán)或者其它輸入裝置以及中央處理器的先進(jìn)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。
[0024] 在本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中的參考"一個(gè)實(shí)施例"或者"實(shí)施例"，以及它的其它變化表示 聯(lián)系實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)、特性等等被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此， 短語(yǔ)"在一個(gè)實(shí)施例中"或者"在實(shí)施例中"的出現(xiàn)以及在整個(gè)說(shuō)明書(shū)的不同地方出現(xiàn)的任 意其它變化不必都指相同的實(shí)施例。
[0025] 應(yīng)該明白，下列"和/或"以及"中的至少一個(gè)"中的任意詞的使用，例如，在 "A/B"，"A和/或B"和"A和B中的至少一個(gè)"旨在包括僅第一列表選項(xiàng)（A)的選擇或者僅 第二列表選項(xiàng)（B)的選擇或者兩個(gè)選項(xiàng)（A和B)的選擇。作為進(jìn)一步的實(shí)例，在"A、B和/ 或C"以及"A、B和C的至少一個(gè)"的情況中，這樣的短語(yǔ)旨在包括僅第一列表選項(xiàng)（A)的選 擇或者僅第二列表選項(xiàng)（B)的選擇或者僅第三列表選項(xiàng)（C)的選擇或者僅第一和第二列表 選項(xiàng)（A和B)的選擇，或者僅第一和第三列表選項(xiàng)（A和C)的選擇或者僅第二和第三列表選 項(xiàng)（B和C)的選擇或者所有三個(gè)選項(xiàng)（A和B和C)的選擇。這可以延伸到與列出的項(xiàng)一樣 多，如本領(lǐng)域的或者相關(guān)技術(shù)的技術(shù)人員容易理解的。
[0026] 現(xiàn)在參考附圖，其中相似的標(biāo)號(hào)表示相同或者類(lèi)似元件并且。從圖1開(kāi)始，示意性 示出了結(jié)構(gòu)10用于進(jìn)行根據(jù)示范性實(shí)施例形成電子器件的剝離工藝。結(jié)構(gòu)10包括單晶襯 底12。在一個(gè)實(shí)施例中，單晶襯底12包括Si、Ge、SiC或其合金。二-維材料形成伸展或 者分離層14,其在襯底12上形成。
[0027] 二-維（2D)材料層14包括在二維中的強(qiáng)鍵和在第三維中的弱鍵。2D材料可以包 括垂直于層的弱范德瓦爾斯力（弱垂直接合）以便材料容易地沿原子層或者基層（strata) 分離(例如，在2D方向中的強(qiáng)度)。這樣的2D材料可以用作中間層以促進(jìn)隨后生長(zhǎng)的半導(dǎo) 體膜的層轉(zhuǎn)移。
[0028] 雖然可以使用任意襯底作為基礎(chǔ)襯底12,但是基礎(chǔ)襯底12應(yīng)該能夠?yàn)閱尉С练e 或者形成(例如，單晶石墨烯沉積）提供種子（seed)位置。2D材料層14可以沉積(外延生 長(zhǎng)）在襯底12上。擴(kuò)展層14可以包括石墨烯或者其它2D材料，例如，如M 〇S2或者132、氮 化硼、云母、二硫?qū)倩铮╠ichalcogenides)以及復(fù)合氧化物（complex oxide)。
[0029] 參考圖2A，在擴(kuò)展層14(例如，石墨烯)上生長(zhǎng)應(yīng)力源層16。層16可以包括金屬、 氧化物、半導(dǎo)體等。配置應(yīng)力源層16以與擴(kuò)展層14的2D材料的至少最近層或者單層接合 并且向擴(kuò)展層14的2D材料的最近層施加應(yīng)力。優(yōu)選應(yīng)力源層16和單層14之間接合強(qiáng)度 大于擴(kuò)展層14和襯底12之間的范德瓦爾斯力。擴(kuò)展層14可以包括與襯底12的共價(jià)接 合。應(yīng)該明白，根據(jù)選擇的材料在襯底12和擴(kuò)展層14之間可以形成其它接合(例如，離子 接合)。
[0030] 優(yōu)選應(yīng)力源層16不與下面的襯底12晶格失配，雖然可以晶格匹配?？梢曰跓?導(dǎo)率、膨脹/收縮的差、增加密度或者厚度或者通過(guò)其它方法施加應(yīng)力。晶格失配或者其它 應(yīng)力誘導(dǎo)機(jī)制有利于向?qū)?4施加在剝落期間有幫助的應(yīng)力。在特定的有用實(shí)施例中，通過(guò) 如化學(xué)氣相沉積（CVD)、物理氣相沉積（PVD)(例如，濺射、蒸鍍）等的沉積工藝施加應(yīng)力源 層16。應(yīng)力源層16可以包括SiGe、氧化鋁、Ni等。
[0031] 參考圖2B，在一個(gè)特定有用實(shí)施例中，擴(kuò)展層14包括在SiC襯底12上的石墨烯 15和最可能的緩沖層13。石墨烯15被應(yīng)用并且可以通過(guò)熱解SiC晶片（襯底12)的面形 成。從SiC表面除去Si導(dǎo)致在SiC表面形成石墨烯。在SiC襯底12中，在外延石墨烯層 15的下面，在SiC面（0001)上，始終存在富碳層或者緩沖層13,其為對(duì)石墨烯15的關(guān)于C 原子的2D安排的等同結(jié)構(gòu)。緩沖層13不具有石墨烯15的sp2結(jié)構(gòu)并且因此不是石墨烯。 緩沖層13又稱為SiC表面的6rt3x6rt3. R30重構(gòu)。估計(jì)在緩沖層13中的約30-40%的碳 原子共價(jià)接合到下面的SiC襯底12中的Si原子。緩沖層13絕緣并且不具有任何石墨烯 特有的特性。根據(jù)本發(fā)明，可以剝除共價(jià)接合以能夠使能石墨烯15的單層(或者多個(gè)單層） 的剝落。
[0032] 在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用外延碳單層沉積以在SiC襯底12的表面上形成石墨烯 15。仍在另一實(shí)施例中，可以通過(guò)其它方法在襯底12上沉積石墨烯或者其它2D材料。
[0033] 在另一實(shí)施例中，通過(guò)加熱SiC襯底到溫度大于1000°C引起Si蒸發(fā)逸出襯底而留 下單晶碳(石墨烯)的一個(gè)或多個(gè)單層，從而形成石墨烯15。使用包括表面制備步驟的多步 工藝，可以在位于真空室(例如，不銹鋼真空室或石英管爐）中的感應(yīng)加熱石墨接受器內(nèi)的 半絕緣4H-或6H- (OOOl)SiC晶片表面上生長(zhǎng)外延石墨烯。例如，這些步驟可以包括在He 中的20%二硅烷的流動(dòng)下，在810°C退火10分鐘并且在1140°C退火7分鐘或者在H2氣下 約1600°C的溫度下退火。然后，在從3. 5毫托到900毫托的室壓力下，在1450 - 1620°C下， 在Ar氣流量下持續(xù)5分鐘到2小時(shí)的時(shí)長(zhǎng)，來(lái)實(shí)施石墨化步驟。還考慮了其它工藝參數(shù)。
[0034] 石墨烯15具有原子級(jí)平整度并且當(dāng)向襯底12施加時(shí)，期望厚度小。在一個(gè)實(shí)施 例中，石墨烯擴(kuò)展層14的厚度優(yōu)選一個(gè)或多個(gè)單層。在有用的實(shí)施例中，可以根據(jù)整潔分 離石墨烯以產(chǎn)生將要描述的分裂所需要的條件確定石墨烯單層的數(shù)量。將以在SiC緩沖層 13上的石墨烯單層結(jié)構(gòu)描述本實(shí)施例；然而，其它2D材料可以用于在其它襯底材料上的擴(kuò) 展層14。
[0035] 在石墨烯15上生長(zhǎng)應(yīng)力源層16。層16可以包括金屬、氧化物、半導(dǎo)體等。配置應(yīng) 力源層16以與石墨烯15的最近層接合并且向其施加應(yīng)力。優(yōu)選應(yīng)力源層16和石墨烯15 之間的接合強(qiáng)度大于石墨烯15和緩沖層13之間的范德瓦爾斯力。緩沖層13包括與襯底 12的共價(jià)接合。
[0036] 優(yōu)選應(yīng)力源層16不與下面的襯底12晶格匹配，雖然可以晶格匹配。可以基于熱 導(dǎo)率、膨脹/收縮的差、增加密度或者厚度或者通過(guò)其它方法施加應(yīng)力。晶格失配或者其它 應(yīng)力誘導(dǎo)機(jī)制有利于向石墨烯單層15施加在剝落期間有幫助的應(yīng)力。在特定有用實(shí)施例 中，通過(guò)如化學(xué)氣相沉積（CVD)、物理氣相沉積（PVD)(例如，濺射、蒸鍍）等的沉積工藝施加 應(yīng)力源層16。應(yīng)力源層16可以包括SiGe、氧化鋁、Ni等。
[0037] 在本實(shí)例中，SiC上的石墨烯接合能可以確定為約0. 7J/m2。在石墨中的石墨烯的 典型接合能約為〇.3J/m2。因此，在SiC12上的石墨烯15更難被剝落。對(duì)于應(yīng)力源層16,層 16應(yīng)該提供接近0. 7J/m2的能量，并且層16應(yīng)該以特定的厚度和應(yīng)力沉積。厚度越大，為 了剝落要施加更大的應(yīng)力/應(yīng)變(能量)。應(yīng)力應(yīng)該開(kāi)始于在與石墨烯15的界面的邊緣處 打開(kāi)開(kāi)裂。例如，350nm厚、lGpa拉伸金屬膜可以提供?0. 7J/m2,例如使用蒸鍍Ni。因此， 用于層16的Ni膜應(yīng)該比約350nm更薄以便提供恰好低于0. 7J/m2的應(yīng)變能。以該方式， 可以防止在沉積期間的剝落。為剝落而提供的能量隨著處理襯底或帶的添加而增加，如將 要描述的，為剝落提供小的額外能量。
[0038] 在一個(gè)實(shí)例中，在10托下濺射的Ni顯示600MPa的應(yīng)力水平。一微米的濺射N(xiāo)i可 以提供〇.7J/m 2的能量。如果使用附加的層、處理襯底或帶，那么僅需要0.8微米。當(dāng)在應(yīng) 力源層16中的應(yīng)力可以開(kāi)裂在剝落工藝期間剝落的層時(shí)，應(yīng)力應(yīng)被控制。一旦剝落，層16 的拉伸膜收縮。在此工藝期間，剝落膜可以開(kāi)裂，因?yàn)槟ぴ撃ふ迟N到防止收縮的帶或處理襯 底?？稍试S的應(yīng)力范圍在約500M Pa- 800MPa之間。較厚的膜更好地避免開(kāi)破，因?yàn)樗鼈?在機(jī)械上更強(qiáng)健。優(yōu)選一微米或者更大的厚度。
[0039] 參考圖3A，處理襯底(或帶)20可以粘貼到層16。處理襯底20可以包括任意合適 的材料并且可以包括晶體襯底、陶瓷或者撓性材料。處理或撓性襯底20可以包括聚合物 材料，如，例如熱塑性塑料，例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET)、聚酰亞胺等等；增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù) 月旨，例如，如預(yù)浸板等。撓性襯底20可以通過(guò)粘接或者粘合層18膠合或者粘接到應(yīng)力源層 16。在其它實(shí)施例中，可以在撓性襯底20和層16之間采用附加的層。
[0040] 下一步，采用劈裂工藝以分裂或者展開(kāi)擴(kuò)展層14以分離單層或者多個(gè)單層。根據(jù) 能量和接合，可以分裂擴(kuò)展層14以在應(yīng)力源層16上提供擴(kuò)展層14的一個(gè)或多個(gè)單層14a 以及在襯底12上的擴(kuò)展層14的零個(gè)或更多單層14b。如果擴(kuò)展層14共價(jià)接合到單晶襯底 12,在分裂工藝期間部分14b仍保留在襯底12上，雖然一些實(shí)施例沒(méi)有擴(kuò)展層的部分保留 在襯底12上。單晶襯底12可以重復(fù)用于其它步驟或者用于為其它器件生長(zhǎng)附加的層。
[0041] 劈裂工藝包括通過(guò)機(jī)械力的層分裂(例如，剝脫、智能切割等)。以該方式，可以從 具有單層14a附著其上的襯底12剝離層16。單層14a可以是晶片尺寸的，意味著可以在單 個(gè)工藝中在整個(gè)晶片上進(jìn)行剝落。通過(guò)施壓應(yīng)力，擴(kuò)展層14被分裂，留下與層16接觸的材 料(石墨烯）的一個(gè)或多個(gè)單層14a。
[0042] 參考圖3B，處理襯底20可以粘貼到層16,如前所述。應(yīng)用劈裂工藝以分裂或者展 開(kāi)擴(kuò)展層14以分離單層或者多個(gè)單層。因?yàn)榫彌_層13接合到單晶襯底12,在分裂工藝期 間，此部分可以原位保留在襯底12上。然而，所有、一些或者沒(méi)有緩沖層13可以通過(guò)石墨 烯15除去。單晶襯底12可以重復(fù)用于其它步驟或者用于為其它器件生長(zhǎng)附加的層。
[0043] 劈裂工藝包括通過(guò)機(jī)械力的層分裂(例如，剝脫、智能切割等)。以該方式，可以從 具有石墨烯單層15附著其上的襯底12剝離層16。單層15可以是晶片尺寸的，意味著可以 在單個(gè)工藝中在整個(gè)晶片上進(jìn)行剝落。通過(guò)施壓應(yīng)力，擴(kuò)展層14被分裂，留下與層16接觸 的材料(石墨烯15)的一個(gè)或多個(gè)單層。
[0044] 參考圖4,器件疊層24可以用于制造器件或者可以用于轉(zhuǎn)移擴(kuò)展層14的一個(gè)單層 或者多個(gè)單層（14a、15)(為了容易引用，下文稱為單層14)到另一個(gè)晶片或者襯底22。單 層14可以包括整個(gè)擴(kuò)展層14、擴(kuò)展層14a的一部分、石墨烯層15或者石墨烯層15以及沒(méi) 有、所有或者部分緩沖層13。在一個(gè)實(shí)施例中，單層14與襯底22接觸并且接合或者粘接 到襯底22。應(yīng)該明白，襯底22表示為單層，但是可以包括多個(gè)層。然后通過(guò)除去粘合層18 除去處理襯底20,或者例如通過(guò)選擇性蝕刻或者其它工藝除去應(yīng)力源層16。在一個(gè)實(shí)施例 中，撓性襯底20可以永久或者臨時(shí)安裝到附加的襯底22上或者與其一起。
[0045] 參考圖5,在襯底22上示出了單層14。單層14可以在整個(gè)芯片或者晶片上延伸。 可以繼續(xù)工藝或者使用根據(jù)本發(fā)明形成的單層14的特性?？梢允褂脝螌?4以形成晶體管 器件、電容器、電線、光敏器件、生物傳感器、卷繞多溝道晶體管等。應(yīng)該明白，可以蝕刻掉部 分單層14以制造納米結(jié)構(gòu)(例如，帶、線、點(diǎn)等)。以該方式，可以局部使用納米結(jié)構(gòu)以在其 它器件的隔離中形成器件。單層14沒(méi)有缺陷或者具有可以忽略的缺陷，如圖6所示。
[0046] 注意，如果應(yīng)力源層16的應(yīng)力太小，單層14 (例如石墨烯)將不會(huì)粘接到襯底22。 因此，需要足夠量的應(yīng)力以幫助釋放單層14。同樣，因?yàn)槭﹥A向于收縮，如果應(yīng)力源層 16具有的應(yīng)力水平太低，在除去處理襯底的帶之后，單層(石墨烯15)和/應(yīng)力源層16會(huì)彎 曲。因此，在應(yīng)力源層16中的應(yīng)力應(yīng)該保持到大于約500MPa的值。
[0047] 參考圖6,示出了由石墨烯形成的轉(zhuǎn)移單層14的拉曼譜數(shù)據(jù)。繪制了任意單位 (a. u.)的密度對(duì)拉曼移動(dòng)（cnT1)的圖。在圖中示出了三個(gè)感興趣的點(diǎn)并標(biāo)記為G、D和2D。 為了確定是否獲得了單層，對(duì)于石墨烯，在G峰處的強(qiáng)度應(yīng)該小于在2D峰處的強(qiáng)度。這是 圖6中的情況。因此，最可能存在單層。如果在D處(約1350CHT 1)存在明顯的峰，那么在單 層中存在缺陷。如果在D處不存在明顯的峰，那么單層具有良好的質(zhì)量。
[0048] 參考圖7,根據(jù)示范性實(shí)施例示出了用于獲得并轉(zhuǎn)移單層的方法。注意，在一些可 選實(shí)施中，在框中標(biāo)注的功能可能與圖中標(biāo)注的順序不一致。例如，連續(xù)顯示的兩個(gè)框?qū)嶋H 上可能基本同時(shí)發(fā)生或者這些框有時(shí)候會(huì)以相反的次序發(fā)生，這根據(jù)涉及的功能性。還應(yīng) 該注意，框圖的每個(gè)框和/或示出的流程以及在框圖中的框和/或示出的流程的組合，可以 通過(guò)基于專用硬件的系統(tǒng)或?qū)Ｓ糜布陀?jì)算機(jī)指令的組合來(lái)實(shí)施，該基于專用硬件的系統(tǒng) 進(jìn)行特定的功能或者作用。
[0049] 在框202中，提供襯底，為了在其上形成2D材料。在一個(gè)實(shí)施例中，襯底包括碳化 硅襯底，雖然還可以使用其它材料。在框204中，在包括至少一個(gè)單層的襯底上形成擴(kuò)展 層。單層可以包括任意2D材料，但是根據(jù)特定有用實(shí)施例，2D材料包括石墨烯。在一個(gè)實(shí) 施例中，在與襯底接觸的緩沖層上形成石墨烯單層。緩沖層可以包括與襯底中的材料的共 價(jià)接合。雖然可以通過(guò)任意數(shù)目的工藝形成單層，當(dāng)用SiC作為襯底時(shí)，可以通過(guò)加熱襯底 到高于1000°C的溫度以驅(qū)除Si，而形成石墨烯。
[0050] 在框206中，在擴(kuò)展層上形成應(yīng)力源層。配置應(yīng)力源層以向擴(kuò)展層的最近單層施 加應(yīng)力。當(dāng)形成應(yīng)力源層時(shí)可以提供應(yīng)力，或者可以在其形成后施加。例如，在框208中， 可以調(diào)整應(yīng)力源層中的應(yīng)力。可以在框210中形成應(yīng)力源層之后進(jìn)行調(diào)節(jié)。這可以包括在 分裂擴(kuò)展層之前，加熱、冷卻應(yīng)力源層等。在框211中，可以在其形成期間通過(guò)調(diào)節(jié)厚度、密 度等調(diào)節(jié)在應(yīng)力源層中的應(yīng)力。應(yīng)力源層可以是沉積金屬、氧化物、半導(dǎo)體等，以在擴(kuò)展層 的最近單層中誘導(dǎo)應(yīng)力。
[0051 ] 在框212中，處理襯底(或者帶）可以接合(例如，膠粘、粘接等）到應(yīng)力源層以便使 能應(yīng)力源層和從擴(kuò)展層分裂的單層的處理。在框214中，通過(guò)從擴(kuò)展層剝落至少最近單層 或多個(gè)單層到應(yīng)力源層而分裂擴(kuò)展層，其中通過(guò)使用應(yīng)力源層誘導(dǎo)的應(yīng)力克服將最近單層 保持到擴(kuò)展層的范德瓦爾斯力，最近單層保留在應(yīng)力源層上?？梢跃叨然蛘吒〉某?度，如果希望，剝落最近單層。
[0052] 在框216中，使用處理襯底轉(zhuǎn)移在應(yīng)力源層上的單層。單層可以放置在表面上、器 件上或者另一個(gè)襯底上。在框218中，應(yīng)力源層被蝕刻或被處理以釋放最近單層或者多個(gè) 單層到表面、器件或者第二襯底上，用于器件形成或者其它應(yīng)用。在框220中可以繼續(xù)工藝 以形成器件或者以其他方式使用轉(zhuǎn)移的單層。
[0053] 已經(jīng)描述了用于晶片尺度外延石墨烯轉(zhuǎn)移的優(yōu)選實(shí)施例（旨在示例而非限制)，注 意，對(duì)于上述教導(dǎo)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進(jìn)行修改和變化。因此，應(yīng)該明白，在所附權(quán)利要 求描述的本發(fā)明的范圍內(nèi)，可對(duì)公開(kāi)的具體實(shí)施例做出修改。已經(jīng)描述了本發(fā)明的方面，具 有專利法所要求的細(xì)節(jié)，在所附權(quán)利要求中闡明了通過(guò)專利證書(shū)所要求和保護(hù)的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于二維材料的轉(zhuǎn)移的方法，包括： 在襯底上形成二維材料的擴(kuò)展層，所述擴(kuò)展層具有至少一個(gè)單層； 在所述擴(kuò)展層上形成應(yīng)力源層，所述應(yīng)力源層被配置為向所述擴(kuò)展層的至少最近單層 施加應(yīng)力；以及 通過(guò)機(jī)械分裂所述擴(kuò)展層剝落至少所述最近單層，其中至少所述最近單層保留在所述 應(yīng)力源層上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述襯底包括SiC并且所述擴(kuò)展層包括石墨烯，并且其 中形成所述擴(kuò)展層包括加熱所述SiC襯底到大于1000°C的溫度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中形成所述應(yīng)力源層包括沉積金屬、氧化物和半導(dǎo)體中 的一種以在所述擴(kuò)展層的所述至少最近單層中誘導(dǎo)應(yīng)力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中剝落所述至少最近單層包括通過(guò)使用所述應(yīng)力源層的 誘導(dǎo)應(yīng)力克服將所述最近單層保持到鄰近材料的范德瓦爾斯力來(lái)剝離所述至少最近單層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括： 將處理襯底接合到所述應(yīng)力源層以進(jìn)行剝落步驟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括： 轉(zhuǎn)移至少所述最近單層到第二襯底。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在晶片尺度上剝落至少所述最近單層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在所述應(yīng)力源層形成期間或者之后調(diào)整在所述應(yīng)力 源層中的應(yīng)力。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中調(diào)整所述應(yīng)力源層中的應(yīng)力包括在分裂所述擴(kuò)展層之 前進(jìn)行所述應(yīng)力源層的加熱、冷卻、增厚或者致密化中的一種。
10. -種用于石墨烯的轉(zhuǎn)移的方法，包括： 在碳化硅（SiC)襯底上形成石墨烯的擴(kuò)展層，所述擴(kuò)展層具有至少一個(gè)單層； 在所述擴(kuò)展層上沉積應(yīng)力源層，所述應(yīng)力源層被配置為向所述擴(kuò)展層的至少最近單層 施加應(yīng)力； 將處理襯底接合到所述應(yīng)力源層； 通過(guò)從所述擴(kuò)展層剝落至少所述最近單層分裂所述擴(kuò)展層，其中所述至少最近單層保 留在所述應(yīng)力源層上；以及 使用所述處理襯底轉(zhuǎn)移在所述應(yīng)力源層上的所述至少最近單層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中形成所述擴(kuò)展層包括加熱所述SiC襯底到大于 1000°C的溫度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中形成所述應(yīng)力源層包括沉積金屬、氧化物和半導(dǎo)體 中的一種以在所述擴(kuò)展層的所述至少最近單層中誘導(dǎo)應(yīng)力。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中分裂包括通過(guò)使用所述應(yīng)力源層的誘導(dǎo)應(yīng)力克服將 所述至少最近單層保持到鄰近材料的范德瓦爾斯力來(lái)剝離所述至少最近單層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中轉(zhuǎn)移所述至少最近單層包括轉(zhuǎn)移所述至少最近單層 到第二襯底。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中在晶片尺度上剝落所述至少最近單層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括在所述應(yīng)力源層形成期間或者之后調(diào)整在所述應(yīng) 力源層中的應(yīng)力。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中調(diào)整所述應(yīng)力源層中的應(yīng)力包括在分裂所述擴(kuò)展層 之前進(jìn)行所述應(yīng)力源層的加熱、冷卻、增厚或致密化中的一種。
18. -種用于石墨烯的轉(zhuǎn)移的方法，包括： 通過(guò)加熱所述襯底到大于l〇〇〇°C的溫度在碳化硅襯底上形成包括石墨烯的單層的擴(kuò) 展層，其中與所述襯底接觸的SiC緩沖層包括與下面材料的共價(jià)接合； 在所述擴(kuò)展層上沉積應(yīng)力源層，所述應(yīng)力源層被配置為向所述擴(kuò)展層的至少最近單層 施加應(yīng)力； 將處理襯底接合到所述應(yīng)力源層； 通過(guò)從所述擴(kuò)展層剝落至少所述最近單層分裂所述擴(kuò)展層，其中通過(guò)使用所述應(yīng)力源 層的誘導(dǎo)的應(yīng)力克服將至少所述最近單層保持到鄰近材料的范德瓦爾斯力，至少所述最近 單層保留在所述應(yīng)力源層上； 使用所述處理襯底轉(zhuǎn)移在所述應(yīng)力源層上的至少所述最近單層；以及 蝕刻掉所述應(yīng)力源層以將至少所述最近單層釋放到用于器件形成的第二襯底上。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中形成所述應(yīng)力源層包括沉積金屬、氧化物和半導(dǎo)體 中的一種以在所述擴(kuò)展層的所述最近單層中誘導(dǎo)應(yīng)力。
20. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中在晶片尺度上剝落至少所述最近單層。
【文檔編號(hào)】H01L21/683GK104103567SQ201410122665
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月2日
【發(fā)明者】S·W·比德?tīng)? C·D·迪米特羅普洛斯, K·E·福格爾, J·B·汗農(nóng), 金志煥, 樸弘植, D·法伊弗, D·K·薩達(dá)那 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司