Abstract
現今的積體電路設計強調元件持續縮小化的前提下，微影技術面臨許多發展的瓶頸，在元件的閘極長度 (gate length) 縮小至數十奈米的情況，產生了許多難以控制的物理現象。由上而下 (top-down) 的傳統縮小方式漸漸得無法突破極限，而直接成長奈米結構的材料被視為下一世代半導體技術成為了主要的課題。例如: 奈米碳管 (carbon nanotubes)、奈米線 (nanowires)，或是近年來十分熱門的單層石墨 (graphene) 等低維度 (low-dimension) 奈米結構，將這些奈米結構由下而上 (bottom-up) 的建構技術去構成電子元件，是科學家基極研究發展的目標。單層石墨銜接了奈米碳管的研究基礎外，主要是其在自然界中目前唯一能夠找到穩定存在的單一原已層的二維電子系統，具有獨特的電子能帶結構給予科學界一個未知領域去探索，因此也提供了奈米電子領域一個嶄新的思考方向。 目前製備單層石墨的方法從最耗時且須大量人力的機械剝離 (mechanical exfoliation) 方式，進步到現在的化學氣相沉積法 (chemical vapor deposition， CVD)，以銅箔 (copper foil) 、鎳薄膜 (Ni thin film)以及鎳錠 (Ni pillar) 發展出簡單快速的單層石墨成長技術，且逐漸地改善問題，成長出高品質的單層或雙層石墨，以符合現今業界晶圓尺寸大小的半導體製程為主，而利用化學氣相沉積法仍需要改善一些問題，例如，碳源氣體需要高的裂解溫度、大流量的反應氣體以及需要在高真空下成長的環境以降低薄膜的不均勻性等。 因此本論文將以化學氣相沉積法為基礎，發展以電子迴旋共振化學氣相沉積系統去成長單層石墨，在高真空下促進化學反應速率，此系統具有成熟、可靠，快速、良好的緻密度與覆蓋性薄膜品質，以符合業界上的運用。 成長的過程中，調變許多不同的成長參數，成長在銅催化劑上。為了瞭解成長後的石墨狀況，我們將成長後的石墨轉移至不同的基板上，利用不同的分析儀器，像是拉曼光譜分析、片電阻量測分析、光穿透率分析等來幫助我們進行研究，接著利用微波加熱單層石墨下方的碳化矽基板進行高溫退火處理以及氬氣電漿處理，去降低在成長時，去修復電漿對單層石墨晶格造成的缺陷和減少在成長時無法避免的非晶質碳的產生進而改善片電阻值和光穿透率等，去改善我們的製程，盡可能的把影響石墨品質的因素減到最低。 另外，本論文也嘗試利用化學氣相沉積法去摻雜單層石墨，首先利用機械剝離或 CVD 的方式去得單層石墨後，在完美的單層石墨晶格中以氬氣電漿處裡去製造缺陷，破壞晶格結構的對稱性，使單層石墨碳原子產生斷鍵，進而使用 CVD 通入摻雜物或摻雜氣體，使摻雜原子或分子與單層石墨的缺陷位置上產生鍵結，最後形成 P 型半導體，而選擇的 P 型摻雜物以氧化硼 (boron oxide， B2O3) 和二硼烷 (diborane， B2H6) 為主，最後利用拉曼光譜去簡單的推測摻雜的濃度與 X 光光電子能譜分析，觀察這些摻雜物與單層石墨的碳原子鍵結的狀況。此過程與矽製程相似，都是利用摻雜的方式，改變單層石墨成為 N 型或 P 型特性，使之有機會能夠應用在半導體科技上，進而使單層石墨變為主流的材料去取代矽製程。