北京大学彭海琳/刘忠范团队在石墨烯单晶晶圆的规模化制备和装备研发取得重要进展



 研究亮点：
1. 制备了4英寸CuNi（111）铜镍合金单晶薄膜，并以其为生长基底实现了4英寸石墨烯单晶晶圆的超快速制备。

2. 实现了单批次25片4英寸石墨烯单晶晶圆的制备，设备年产能可达1万片，在世界范围内率先实现了石墨烯单晶晶圆的可规模化制备。

 石墨烯的优势
 石墨烯是一种主导未来高科技产业竞争的战略新材料，应用范围极广。石墨烯的单层碳原子平面结构赋予其无以伦比的独特性能，是迄今发现的厚度最薄、强度却最高、结构最致密的材料，并拥有电学、光学、热学、化学等卓越性能。结构完美的石墨烯薄膜将成为未来制作高性能电子器件和光电子器件的变革性材料。

 石墨烯单晶晶圆的制备技术及挑战
 单晶石墨烯薄膜的内部缺陷少，可最大程度地保持完美结构和优异性能，石墨烯单晶晶圆的规模化制备工艺及装备的研发是石墨烯高端器件规模化应用的前提。化学气相沉积法作为半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种薄膜材料的技术，是批量制备大面积高质量的石墨烯薄膜材料的首选方法，是国际上竞争激烈的重要研究方向。

 单晶石墨烯的化学气相沉积制备是一个技术前沿、工艺复杂的系统工程，目前有单一形核快速生长和多点成核外延拼接两种主流石墨烯单晶制备技术，具体包括形核机制研究、高效生长基材开发、批量制备系统的设计、稳定生产工艺控制和评估等研究内容。然而，化学气相沉积制备的石墨烯薄膜通常具有晶界、褶皱、点缺陷和污染等，严重地降低了石墨烯优异性能。因此，以快速、可批量化、与晶圆制程兼容的方式制备高质量石墨烯单晶晶圆，是石墨烯作为电子级材料规模化应用的关键。

 前期进展
 针对石墨烯单晶晶圆规模化制备中的关键问题，北京大学和北京石墨烯研究院的彭海琳教授课题组及刘忠范院士团队与合作者前期提出了石墨烯单晶在铜（111）/蓝宝石晶圆上外延生长的方法，在国际上率先成功实现了4英寸无褶皱石墨烯单晶晶圆的化学气相沉积制备（ACS Nano 2017 11，12337）。

 成果简介
 最近，彭海琳教授、刘忠范院士联合团队循着外延衬底制备-石墨烯外延生长这一研究思路，首先制备了4英寸CuNi（111）铜镍合金单晶薄膜，并以其为生长基底实现了4英寸石墨烯单晶晶圆的超快速制备。同时，该团队与合作者自主研发了石墨烯单晶晶圆批量制备装备，实现了单批次25片4英寸石墨烯单晶晶圆的制备，设备年产能可达1万片，在世界范围内率先实现了石墨烯单晶晶圆的可规模化制备。

要点1：石墨烯单晶生长衬底的设计与选择
 衬底的特性（包括单晶性、平整度）影响石墨烯材料的生长。该联合团队以4英寸蓝宝石晶圆作为衬底，采用磁控溅射和固相外延重结晶的方法制备了500纳米厚度的CuNi（111）单晶薄膜。该方法通过界面应力工程，良好地规避了蓝宝石上外延具有面心立方晶体结构的金属单晶通常存在的孪晶问题。此外，镍的引入有效地降低铜薄膜在高温下挥发导致的台阶，使得4英寸范围内铜镍单晶薄膜具有优良的平整度。这种方法可以有效地得到具有各种成分比例的CuNi合金单晶衬底，拓展了其使用空间。

 要点2：石墨烯单晶晶圆的快速外延生长
 该联合团队采用常压化学气相沉积的方法，在CuNi（111）合金单晶上实现了石墨烯单晶畴区的外延生长，取向一致的石墨烯单晶畴区无缝拼接，得到4英寸石墨烯单晶晶圆。在相同的生长条件下，4英寸石墨烯单晶晶圆生长时间可减至10分钟，比Cu（111）上石墨烯的生长速度快50倍，极大地降低了生产能耗和提高了产能。进一步的机理研究表明，较少的Ni成分（10%）有效地提高了碳源的裂解速度，从而有助于石墨烯的快速生长； 同时，石墨烯的生长仍然保持表面反应主导，制备的石墨烯为严格单层，且规避了皱褶问题而极为平整。

 要点3：石墨烯单晶晶圆批量制备装备研发
 与此同时，该联合团队与合作者自主设计研发了中试规模的石墨烯单晶晶圆生长装备。基于常压化学气相沉积的基本原理，通过对设备的温区、气流大小、进气方式、腔体压强、料架的优化，实现了生长腔体内部均一的温度场和流量场控制。在优化生长条件后，实现了单批次25个4英寸石墨烯单晶晶圆的快速生长，制备的石墨烯单晶晶圆具有优良的片间和片内均一性，质量可与小型生长系统相当。该设备的最大年产能可达到1万片，并兼容6~8英寸石墨烯单晶晶圆的制备。


 小结
 总之，该方法为电子级石墨烯单晶晶圆的大规模生产提供了可行的技术途径和装备基础。

 参考文献：
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.2019.04.030https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209592731930252X

论文相关信息：
 相关论文于2019年4月24日在线发表于Science Bulletin。论文第一作者为北京大学博士生邓兵，通讯作者为彭海琳教授和刘忠范院士。主要合作者包括华中科技大学张新宇教授、谢长生教授，香港科技大学翁禄涛教授、罗正汤教授，苏州大学Mark H. Rummeli教授，北京大学童廉明教授、刘开辉教授等。该技术已申请了一系列发明专利。相关工作得到科技部、基金委和北京市科委的资助。