一种uCVD石墨烯制备加热平台设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种uCVD石墨烯制备加热平台设计方法，涉及石墨烯制备技术领域，解决加热平台设计效率低的技术问题，方法包括：构建基于SOI晶圆的基础加热微芯片结构，基础加热微芯片结构包括自上而下依次连接的Cu层、SiO2层、Si层；对基础加热微芯片结构的Si层输入电流，求解加热曲线，根据加热曲线分析Si层的电阻率对加热的影响，并确定适当的Si层的电阻率，根据确定的Si层的电阻率确定Si层的掺杂；在基础加热微芯片结构的各层厚度固定的前提下，分别改变长度和宽度，并求解对应的加热曲线，根据两个加热曲线确定基础加热微芯片结构的长度和宽度；在有限元分析软件上对基础加热微芯片结构进行热电仿真，以验证其是否满足要求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种uCVD石墨烯制备加热平台设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及石墨烯制备
，更具体地说，它涉及一种uCVD石墨烯制备加热平台设计方法及系统。

技术介绍

[0002]uCVD制备系统是由Berkeley大学的相关研究人员于2009年首次提出，是一种化学气相沉积法的改进方法。它除了具备CVD方法的各种优点外，还避免了CVD反应时间长、生长效率低、重复实验周期长、实验成本高等缺点，并具有程序控制、小型化、快速制备等特点。在uCVD方法中，用于加热催化剂并在表面生长石墨烯的微芯加热平台是制备系统的核心组件，也是影响石墨烯生长质量的最关键部件。
[0003]目前，加热平台先是按照设计要求制作出实物，再通过实际验证其加热性能是否达到要求，如果未达到要求，则需要对实物进行反复修改和验证，生产周期长，成本高。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本专利技术的目的是提供一种uCVD石墨烯制备加热平台设计方法及系统，可以缩短加热平台的生产周期、降低成本。
[0005]本专利技术提供一种uCVD石墨烯制备加热平台设计方法，包括：
[0006]步骤S1.构建基于SOI晶圆的基础加热微芯片结构，所述基础加热微芯片结构包括自上而下依次连接的Cu层、SiO2层、Si层；
[0007]步骤S2.对所述基础加热微芯片结构的Si层输入电流，求解加热曲线，根据加热曲线分析Si层的电阻率对加热的影响，并确定适当的Si层的电阻率，根据确定的Si层的电阻率确定Si层的掺杂；
[0008]步骤S3.在所述基础加热微芯片结构的各层厚度固定的前提下，分别改变长度和宽度，并求解对应的加热曲线，根据两个加热曲线确定所述基础加热微芯片结构的长度和宽度；
[0009]步骤S4.在有限元分析软件上对步骤S3得到的基础加热微芯片结构进行热电仿真，以验证其是否满足要求。
[0010]作为进一步地改选在步骤S1中，通过UG或PRO/E或SolidWorks或CATIA构建基础加热微芯片结构。
[0011]进一步地，在步骤S2中，将所述基础加热微芯片结构放入一个密封腔内并通电进行加热，根据焦耳定律，基础加热微芯片结构产生的能量为：
[0012]Q＝I2Rt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0013]其中，I为通入的电流，t为加热时长，R为Si层的电阻，
[0014][0015]ρ为Si层的电阻率，L为基础加热微芯片结构的长度，S为电流输入的有效横截面积；
[0016]在真空退火前期，根据热力学定律，通电产生的热能，除了被基础加热微芯片结构本身吸收使得内能增加外，还有一部分因热辐射和热对流所损耗掉，
[0017]Q＝Q
A
+Q
R
+Q
C
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0018]Q
A
为所增加的内能，Q
R
、Q
C
分别为热辐射和热对流损耗的能量；由于基础加热微芯片结构体积小，所用材料的热导率都较高，且各层间紧密接触，因此可以近似认为基础加热微芯片结构整体温度是均匀一致的，内能的增加为：
[0019]Q
A
＝∑c
i
m
i
ΔT(t)
ꢀꢀ
i＝1，2，3
ꢀꢀ
(3)
[0020]其中，c
i
、m
i
为各层材料的比热容与质量，ΔT(t)为加热前后的温度差，热辐射与热对流可用如下公式描述：
[0021][0022][0023]σ为斯蒂芬
‑
波尔兹曼常数，ε
i
、A
i
分别为第i层材料的辐射率与外表面积，h为热对流系数，T
S
、T
∞
分别为腔内壁和腔内气体的温度。
[0024]进一步地，采用数值化的迭代法近似求解加热曲线，取时间间隔为Δt，则公式(2)可近似为：
[0025][0026]由此可得加热的温度公式如下：
[0027][0028]式中，T
n
‑1、T
n
分别为第n个加热时间段的初始温度和最终温度，T0＝T
S
＝T
∞
＝25℃。
[0029]进一步地，在步骤S4中，通过ANSYS有限元分析软件对所述基础加热微芯片结构进行热电仿真。
[0030]本专利技术提供一种uCVD石墨烯制备加热平台系统，包括密封的主箱体，所述主箱体内设有基础加热微芯片结构，所述主箱体的一端设有三通接头，所述三通接头的一端连接有甲烷管，所述甲烷管上设有第一流量计、第一控制阀，所述三通接头的另一端连接有氢气管，所述氢气管上设有第二流量计、第二控制阀，所述主箱体的另一端设有排气管、回收管，所述排气管上设有气压表、第三控制阀、真空泵，所述回收管连接有回收槽，所述主箱体的外侧设有控制器，所述控制器电性连接所述基础加热微芯片结构、第一流量计、第一控制阀、第二流量计、第二控制阀、气压表、第三控制阀、真空泵。
[0031]作为进一步地改进，所述基础加热微芯片结构包括自上而下依次连接的Cu层、SiO2层、Si层，所述Si层的两端分别设有悬臂，所述控制器电性连接所述悬臂。
[0032]进一步地，所述Si层为电阻率为0.2Ω
·
cm的硼掺杂N型硅层。
[0033]进一步地，所述悬臂及其输入端表层通过光刻和扩散工艺形成一层电阻率为0.004Ω
·
cm的重掺杂薄层。
[0034]进一步地，所述悬臂的底部设有支架，所述支架包括Si底板，所述Si底板的顶部通过SiO2支柱连接所述悬臂。
[0035]有益效果
[0036]本专利技术与现有技术相比，具有的优点为：
[0037]本专利技术通过相关传热理论研究与ANSYS的3D有限元仿真可知，微芯加热平台的加热性能受通电硅层电阻率与电流输入横截面宽度的巨大影响，但其表面温度具有良好的一致性，尤其是改进的采取选择性掺杂工艺的悬浮式多悬臂加热平台不但具有良好的温度均匀性，保持较小的生长面温差，还具有便捷、稳定、可靠的优点，更能满足uCVD系统的要求，本专利技术可以缩短加热平台的生产周期、降低成本。
附图说明
[0038]图1为本专利技术的结构示意图；
[0039]图2为基于SOI晶圆的基础加热微芯片结构示意图；
[0040]图3为不同硅层电阻率下的加热温度曲线图；
[0041]图4为不同长度下的加热温度曲线图；
[0042]图5为不同宽度下的加热温度曲线图；
[0043]图6为基于SOI晶圆的基础加热微芯片结构的热电仿真图；
[0044]图7为本专利技术中基础加热微芯片结构的示意图；
[0045]图8为本专利技术中基础加热微芯片结构的热电仿真图。
[0046]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种uCVD石墨烯制备加热平台设计方法，其特征在于，包括：步骤S1.构建基于SOI晶圆的基础加热微芯片结构，所述基础加热微芯片结构包括自上而下依次连接的Cu层、SiO2层、Si层；步骤S2.对所述基础加热微芯片结构的Si层输入电流，求解加热曲线，根据加热曲线分析Si层的电阻率对加热的影响，并确定适当的Si层的电阻率，根据确定的Si层的电阻率确定Si层的掺杂；步骤S3.在所述基础加热微芯片结构的各层厚度固定的前提下，分别改变长度和宽度，并求解对应的加热曲线，根据两个加热曲线确定所述基础加热微芯片结构的长度和宽度；步骤S4.在有限元分析软件上对步骤S3得到的基础加热微芯片结构进行热电仿真，以验证其是否满足要求。2.根据权利要求1所述的一种uCVD石墨烯制备加热平台设计方法，其特征在于，在步骤S1中，通过UG或PRO/E或SolidWorks或CATIA构建基础加热微芯片结构。3.根据权利要求1所述的一种uCVD石墨烯制备加热平台设计方法，其特征在于，在步骤S2中，将所述基础加热微芯片结构放入一个密封腔内并通电进行加热，根据焦耳定律，基础加热微芯片结构产生的能量为：Q＝I2Rt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，I为通入的电流，t为加热时长，R为Si层的电阻，ρ为Si层的电阻率，L为基础加热微芯片结构的长度，S为电流输入的有效横截面积；在真空退火前期，根据热力学定律，通电产生的热能，除了被基础加热微芯片结构本身吸收使得内能增加外，还有一部分因热辐射和热对流所损耗掉，Q＝Q
A
+Q
R
+Q
C
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)Q
A
为所增加的内能，Q
R
、Q
C
分别为热辐射和热对流损耗的能量；由于基础加热微芯片结构体积小，所用材料的热导率都较高，且各层间紧密接触，因此可以近似认为基础加热微芯片结构整体温度是均匀一致的，内能的增加为：Q
A
＝∑c
i
m
i
ΔT(t) i＝1，2，3
ꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，c
i
、m
i
为各层材料的比热容与质量，ΔT(t)为加热前后的温度差，热辐射与热对流可用如下公式描述：可用如下公式描述：σ为斯蒂芬
‑
波尔兹曼常数，ε
i
、A
i
分别为第i层材料的辐射率与外表面积，h为热对流系数，T

【专利技术属性】
技术研发人员：闭吕庆，
申请(专利权)人：玉林师范学院，
类型：发明
国别省市：