射频容性和感性耦合等离子体制备石墨烯的研究

Graphene showing great application potential is expected to become the replacement of silicon owing to its excellent mechanical, electrical，optical properties and thermal stability. The methods on how to prepare graphene become the current research highlight in the field of physics and materials science. This project will explore how to prepare the monolayer and multilayer graphene through etching the silicon carbide surface via ICP enhanced dual-frequency capacitively coupled plasma discharged by fluoride gas.The sort of ions and distribution of plasma group will be diagnozed by mass spectrometer and optical emission spectoscopy. In the meanwhile, the effects of discharging parameter on the growing process of graphene and the physical properties of graphene will be investigated. There will be a new technology developed to prepare the monolayer and multilayer graphene.

石墨烯由于具有出色的力学、电学、光学性质和热稳定性，有望成为硅的替代品显现出巨大的应用潜力备受关注，其制备及物性的研究成为当前物理学和材料科学领域的研究热点。本项目探索使用以宽禁带碳化硅为绝缘衬底材料，通过射频容性和感性耦合等离子体源，对富含氟的气体放电产生氟等离子体基团刻蚀碳化硅表面制备石墨烯，同时研究石墨烯的物理性质。通过调整等离子体放电参量、基片温度（或热处理温度）等制备工艺和参数，结合等离子体发射光谱和质量能量分析仪监测，探测等离子体基团、离子种类和分布与石墨烯生长物理化学过程、结构和性质的关联。为石墨烯的制备，发展一条新的技术基础。

石墨烯由于具有出色的力学、电学、光学性质和热稳定性，有望成为硅的替代品显现出巨大的应用潜力备受关注，其制备及物性的研究成为当前物理学和材料科学领域的研究热点。本项目探索以宽禁带碳化硅为绝缘衬底材料，通过射频容性和感性耦合等离子体源，对富含氟的气体放电产生氟等离子体基团刻蚀碳化硅表面制备石墨烯。通过调整等离子体放电参量、基片温度（或处理温度）等制备工艺和参数，研究等离子体中基团种类和分布与石墨烯生长物理化学过程、结构和性质的关联。为石墨烯的制备，发展了一条新的技术。.1、研究了C4F8等离子体的放电特性。实验结果表明：随着ICP功率的增加，CF和F的相对浓度增加，CF2的浓度却有降低的趋势。在C4F8等离子体中，CF2自由基最容易生成。由于电子碰撞，CF2最后也会分解成CF、C和F。ICP-HFCCP等离子体包含各种活性组分，光谱测量显示其中较多的F和CF、较少的CF2基团。随着ICP功率的增加，低能电子密度增加，产生了更多的CF2基团，而增强的高能尾部将CF2分解为CF和F。通过调制EEPFs使其有利于电子加热，从而控制等离子体的化学过程。.2、研究了碳化硅表面薄富碳层的形成机制。通过调制EEPFs，依赖于高能电子作用的电子-中性粒子碰撞，提高了F和CF自由基的浓度，导致碳氟薄膜厚度随着ICP功率的增加而减少。施加LFCCP功率后，高能离子破坏了稳态碳氟表面的键以及Si-C键，与断键重构形成刻蚀挥发性产物，导致了对碳氟薄膜的刻蚀。随着LF-CCP功率的增加，出现了薄膜沉积到SiC刻蚀的转变。当刻蚀与沉积达到平衡，在SiC表面形成一层薄富C薄膜。.3、研究了C4F8等离子体刻蚀SiC的影响。实验结果表明：由薄膜沉积转变为刻蚀的过程中，表面化学态的主要变化表现为C-CFn自由基的减少和C-Si自由基的出现。随着ICP功率的增加，C-CFn峰强减弱。随着LFCCP功率的增加，出现了较弱的C-Si峰，富C薄膜变薄。随着LF-CCP功率的增加，薄膜晶粒大小变大，同时表面粗糙度降低。由碳氟等离子体刻蚀的SiC，经退火处理，其表面生长了少层石墨烯。