Deposisi Uap Kimia yang Ditingkatkan-Plasma Asetilen pada Katalis Bimetal yang Dikodekan Meningkatkan Kontinuitas Lembar Grafena Di Bawah Kondisi Pertumbuhan Suhu Rendah
Abstrak
Di sini, kami melaporkan metode baru untuk sintesis suhu rendah graphene monolayer pada 450 °C pada katalis bimetal Ni-Au polikristalin. Dalam penelitian ini, sintesis deposisi uap kimia graphene suhu rendah dilakukan pada 450 °C pada codeposited Ni-Au yang menunjukkan keberhasilan pembentukan monolayer graphene tanpa proses anil ekstra. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa kodeposisi berkas elektron katalis bimetal adalah prosedur kunci yang memungkinkan penghapusan anil suhu tinggi pra-pertumbuhan katalis sebelum sintesis graphene, proses yang sangat diperlukan, yang digunakan dalam laporan sebelumnya. Pembentukan lebih lanjut ditingkatkan oleh pertumbuhan yang dibantu plasma di mana plasma yang digabungkan secara induktif mengionisasi prekursor karbon yang berinteraksi dengan katalis Ni-Au yang dikodekan dengan ketebalan 50 nm pada 450 °C. Kondisi pertumbuhan gabungan ini secara drastis meningkatkan keseragaman lembaran graphene dan konektivitas area dari 11,6% menjadi 99%. Parameter fabrikasi ini memungkinkan pembentukan graphene yang bergeser dari model pertumbuhan berbasis difusi massal menuju reaksi berbasis permukaan. Teknik yang dilaporkan di sini membuka peluang pertumbuhan graphene suhu rendah untuk potensi penggunaan dalam aplikasi CMOS di masa mendatang.
Pengantar
Sudah lebih dari 10 tahun sejak isolasi graphene [1], satu lapisan atom karbon dalam kisi heksagonal; namun, bahan 2D yang unik ini belum dimasukkan secara industri ke tingkat yang menguntungkan barang-barang konsumen. Grafena adalah bahan yang sangat menjanjikan untuk industri semikonduktor karena sifat elektroniknya yang menonjol [2, 3]. Sebagai penghalang difusi yang sangat tipis secara atom [4], graphene adalah aset yang kuat dalam perlombaan untuk menciptakan jarak transistor yang semakin kecil dan melanjutkan pemerintahan Hukum Moore. Namun, aplikasinya dalam industri semikonduktor telah sangat terhambat oleh suhu tinggi yang biasanya diperlukan untuk mensintesis graphene—dalam kisaran 800 °C~ 1000 °C [5]—dan fakta bahwa proses transfer graphene terbatas pada geometri planar. . Menumbuhkan graphene secara langsung dalam sirkuit terpadu akan melewati proses pemindahan graphene, proses destruktif lainnya, dari katalis pertumbuhan ke perangkat. Saat ini, dimungkinkan untuk tumbuh ke katalis Cu dan Ni (logam umum di sirkuit terpadu), tetapi ini membutuhkan suhu pertumbuhan yang tinggi [5], yang dapat merusak struktur sirkuit terpadu yang sudah ada. Banyak penelitian telah difokuskan pada penurunan suhu sintesis graphene dan telah ada keberhasilan baru-baru ini. Weatherup dkk. [3] telah menunjukkan kemungkinan untuk menumbuhkan graphene pada 450 °C dengan menambahkan lapisan Au 5 nm yang diuapkan secara termal di atas katalis Ni polikristalin setebal 550-nm yang didepositkan secara tergagap, tetapi pra-anil 600 °C dari lapisan Au dan Ni diperlukan untuk menghasilkan paduan Ni-Au. Mekanisme yang diusulkan adalah bahwa penambahan Au ke katalis Ni membantu membatasi penyerapan karbon selama paparan prekursor karbon dan mengurangi nukleasi graphene dan situs difusi keluar seperti tepi langkah dan batas butir [3]. Sementara kemajuan telah dibuat untuk mengurangi suhu sintesis ke kisaran 400–600 °C [3, 6, 7], dampak merusak dari transfer lembaran graphene juga harus diatasi. Pertumbuhan langsung ke Si atau SiO2 adalah target lain yang diinginkan untuk lembaran graphene, tetapi ini belum dilaporkan di wilayah 400 °C ~ 500 °C yang diperlukan untuk proses semikonduktor back-end-of-line (BEOL). Sedangkan pertumbuhan grafena langsung pada Si atau SiO2 belum tercapai, sintesis graphene pada katalis yang lebih tipis merupakan langkah penting menuju tujuan ini. Pada katalis yang lebih tipis, lapisan graphene yang dihasilkan lebih dekat dan lebih dekat ke substrat target. Ini menciptakan potensi untuk mengembangkan proses transfer yang tidak terlalu berbahaya bagi graphene dengan meminimalkan jumlah penanganan manual graphene karena kedekatannya dengan substrat target. Sementara graphene umumnya disintesis menggunakan teknik deposisi uap kimia (CVD), penambahan plasma jarak jauh dapat membantu mengurangi suhu sintesis. Pertumbuhan plasma memberi energi pada gas prekursor melalui ionisasi, mengatasi energi panas yang hilang saat tumbuh di kisaran 400 °C ~ 500 °C dibandingkan dengan kisaran 800 °C ~ 1000 °C. Keuntungan dari plasma yang digabungkan secara induktif jarak jauh ada dua:plasma dibuat jauh dari katalis pertumbuhan yang mengurangi kerusakan dari pemboman ion pada permukaan sintesis, dan bahwa plasma diproduksi melalui kumparan induksi yang berada di luar ruang pertumbuhan graphene di mana katalis substrat berada. Dalam sistem plasma kapasitif yang khas, tahap sintesis adalah antara dua pelat logam di dalam ruang vakum dengan potensi listrik di antara keduanya yang memaparkan permukaan pertumbuhan ke bahan asing apa pun dari sumber plasma. Menggunakan koil induksi eksterior yang melilit tabung aliran gas, kami mengionisasi gas prekursor dengan menciptakan medan elektromagnetik bolak-balik di dalam tabung. Ini benar-benar menghilangkan sumber plasma dari ruang yang tidak memungkinkan bahan asing dari sumber plasma berpotensi mencemari katalis pertumbuhan. Di sini kami melaporkan sintesis monolayer graphene (MLG) pada 450 °C menggunakan deposisi uap kimia plasma berpasangan induktif (ICPCVD) pada katalis Ni-Au tipis (50 nm) yang dikodekan dengan teknik evaporasi berkas elektron.
Metode Eksperimental
Persiapan Katalis
Dua metode preparasi katalis digunakan untuk penelitian ini untuk membandingkan efek Ni-Au versus Ni murni, dan semua deposisi katalis dilakukan dalam alat Deposisi Uap Fisik (PVD) Kurt J. Lesker yang terpisah. Untuk percobaan pertumbuhan Ni graphene murni, katalis Ni dibuat melalui sputtering magnetron ke SiO2 /Si wafer dengan ketebalan yang diinginkan (50 nm). Untuk preparasi katalis Ni-Au, pelet Au dan Ni terlebih dahulu dicampur dengan pemanasan berkas elektron, dimana sistem berkas elektron mengarahkan berkas elektron ke wadah yang berisi pelet logam Au dan Ni. Deposisi berkas elektron lebih disukai di sini karena fakta bahwa hal itu memungkinkan kontrol yang akurat dari persentase berat Au dalam campuran. Berkas elektron memanaskan dan mencampur pelet, dan campuran yang dihasilkan kemudian dikodekan melalui penguapan ke SiO2 /Si wafer seperti yang diilustrasikan secara skema pada Gambar 1. Proses paduan jarak jauh ini menghasilkan katalis yang memaparkan Ni ke prekursor hidrokarbon sambil menanamkan Au dalam jumlah besar Ni dan pada permukaan katalis. Persiapan katalis yang digunakan dalam literatur yang dilaporkan [3] mengendapkan logam menggunakan metode pelapisan di mana beberapa logam diendapkan di atas satu sama lain. Lapisan kemudian harus dianil pada 600 °C untuk membentuk paduan atau campuran. Teknik kodeposisi yang diterapkan dalam penelitian ini bertujuan untuk menghilangkan proses annealing katalis dan mencapai pembentukan graphene pada suhu rendah dengan menggunakan katalis paduan Ni-Au yang telah dibuat sebelumnya sebelum deposisi. Sifat dari keadaan pra-campuran katalis yang dikodekan mencegah kebutuhan akan pra-anil pencampuran untuk membentuk katalis yang valid. Untuk tujuan penyederhanaan dalam laporan ini, kami menyebut proses deposisi katalis ini sebagai “kodeposisi” karena Ni dan Au dikodekan pada substrat. Untuk percobaan kami, kami memilih untuk menyimpan paduan Au 1 wt% yang telah terbukti paling efektif dalam sintesis graphene suhu rendah [3]. Katalis Ni dan Ni-Au murni diendapkan hingga ketebalan 50 nm karena minat kami pada pertumbuhan katalis yang lebih tipis. Kami menemukan ketebalan ini berada dalam kisaran yang dilaporkan sebelumnya untuk pertumbuhan berbasis nikel [8, 9], meskipun ini berada pada suhu yang jauh lebih tinggi dari 450 °C, namun katalis Au-Ni 50 nm kami adalah urutan besarnya lebih tipis dari yang dilaporkan Pertumbuhan multilayer graphene (MLG) 450 °C [3].