一種采用Stencil光刻制備非損傷石墨烯納米器件的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子束光刻【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種使用電子束光刻、stencil、光學(xué)光刻制作石墨烯納米器件的方法。其步驟包括：在100（300）nm氮化硅隔膜上旋涂300（600）nm的PMMA作為掩膜，用電子束光刻直寫出100（200）nm寬，200（500）nm周期的叉指電極，再用RIE刻蝕100（300）nm氮化硅隔膜，得到stencil；用stencil作為掩膜板，用熱蒸發(fā)把100nm金蒸發(fā)到以硅為襯底的石墨烯上；然后用光學(xué)光刻定義出pads區(qū)域，再用熱蒸發(fā)蒸發(fā)金，最后用liftoff。本發(fā)明所需的圖形化工藝條件，需要電子束光刻機(jī)、RIE、光學(xué)光刻機(jī)、SEM、熱蒸發(fā)等，利用這些工具，即可實(shí)現(xiàn)極小尺寸器件的圖形化，并制作出非損傷石墨烯納米器件。
【專利說明】—種采用Stenci I光刻制備非損傷石墨烯納米器件的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子束光刻【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種使用電子束光刻和光學(xué)光刻兩種圖形化技術(shù)制作非損傷石墨烯納米器件的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯由于高遷移率、高速、零帶隙、線性分布的能帶等特點(diǎn)，具有做太赫茲光導(dǎo)器件的潛力。電子束直寫做出線寬100nm、200nm的圖形是沒有問題的，但是如果直接用電子束在石墨烯上曝光光刻膠，可能會(huì)損傷石墨烯的晶格。為了克服上述困難，就使用Stencil光刻來制作叉指電極。利用Stencil，不需要再用光刻膠做掩膜，比較方便，成本低，產(chǎn)出高，而且Stencil可以多次利用。光學(xué)光刻機(jī)易于實(shí)現(xiàn)大圖形的套準(zhǔn)和復(fù)制，且設(shè)備價(jià)格低廉，可以用來刻出pads的圖形。
[0003]如果可以將電子束光刻技術(shù)、Stencil光刻、光學(xué)光刻技術(shù)結(jié)合起來，制備非損傷石墨烯納米器件，如太赫茲光導(dǎo)器件，這對(duì)我國(guó)的航空航天、軍事上的應(yīng)用意義重大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種簡(jiǎn)單、方便、高精度制作非損傷石墨烯納米器件的方法。
[0005]本發(fā)明提出的制備非損傷石墨烯納米器件的方法，是將電子束光刻技術(shù)、Stencil光刻、光學(xué)光刻技術(shù)結(jié)合起來，制得叉指電極和pads，具體步驟如下:
(1)在硅襯底上用LPCVD生長(zhǎng)氮化硅層，氮化硅層厚度為300-350nm；
(2)在氮化硅上旋涂PMMA，PMMA厚度為300-350(或600-700) nm ；
(3)用烘箱烘烤旋涂PMMA的硅片；
(4)用臺(tái)階儀測(cè)量PMMA膠厚度，如若達(dá)到所需高度，進(jìn)入步驟(5)，否則返回步驟(2)(重復(fù)旋涂PMMA)；
(5)以上述PMMA為掩蔽層，用電子束直寫曝光，進(jìn)行劑量測(cè)試；
(6)用顯影液MBK和IPA進(jìn)行顯影；
(7)用異丙醇進(jìn)行定影；
(8)用氮?dú)獯蹈晒杵?br> (9)在光學(xué)顯微鏡下初步觀察圖形，若失敗，返回步驟(2)(重復(fù)旋涂PMMA);
(10)對(duì)曝光圖形進(jìn)行噴金；
(11)進(jìn)行SEM觀察，尋找最佳劑量，若沒有最佳劑量，返回步驟(2)(重復(fù)旋涂PMMA);
(12)重復(fù)步驟(2)- (9)，其中，步驟(5)使用最佳劑量；
(13)用RIE刻蝕以PMMA為掩膜的氮化硅；
(14)返回步驟(10)(重復(fù)對(duì)曝光圖形進(jìn)行噴金)；
(15)用SEM觀察PMMA和氮化硅的刻蝕厚度；
(16)計(jì)算PMMA和氮化娃的選擇比； (17)在100-120 (300-350) nm 氮化硅隔膜上旋涂 300-350 (600-700) nm 的 PMMA ;
(18)重復(fù)步驟(3)— (12)；
(19)用RIE刻蝕以PMMA為掩膜的氮化硅隔膜；
(20)重復(fù)步驟(10)；
(21)用SEM觀察，如果隔膜上的叉指電極成功，stencil就做好了，否則，返回步驟
(17)，重新開始旋涂 300-350 (600-700) nm 的 PMMA ；
(22)用stencil做掩膜,熱蒸發(fā)100_120nm金到石墨烯上，在石墨烯上形成金叉指電極；
(23)在石墨烯上旋涂PMMA，在烘箱中烘膠；
(24)用光學(xué)光刻做套刻，刻出pads的圖形；
(25)用MIBK和IPA顯影，用異丙醇定影；
(26)用光學(xué)顯微鏡觀察pads圖形，如果成功，就熱蒸發(fā)金；否則，返回步驟(23)，石墨烯上重新旋涂PMMA ；
(27)用丙酮和超聲波清洗機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行剝離，去除光刻膠PMMA及其上的金，得到石墨烯納米器件。
[0006]根據(jù)上述步驟，本發(fā)明可以分為四個(gè)部分:
第一部分，即第1到第16步，為極小線寬納米線圖形的劑量測(cè)試和氮化硅腐蝕:在300nm的氮化硅上旋涂300-350 (600-700)nm的PMMA，用電子束光刻刻出寬90-120(180-220) nm，周期180-240 (480-520) nm的光刻膠圖形，必須要做劑量測(cè)試，確保顯影之后底部沒有殘留膠，而且寬度與周期要與設(shè)計(jì)的一致。選出最佳劑量進(jìn)行曝光上述圖形，然后進(jìn)行氮化硅RIE刻蝕，計(jì)算PMMA和氮化硅的選擇比。這為下面制作Stencil打好基礎(chǔ)，因?yàn)榈韪裟どa(chǎn)成本比較高，而且易碎，所以先用氮化硅做試驗(yàn)，比較經(jīng)濟(jì)。
[0007]第二部分，g卩第 17 到第 21 步，為 100-120 (300-350) nm Stencil 的制備:在100-120( 300-350)nm 氮化硅隔膜上旋涂 300-350(600-700)nm PMMA，用電子束直寫 90-120(180-220)nm線寬，180-240 (480-520)nm周期，但是必須重新做劑量測(cè)試。選出最佳劑量，并用該劑量寫，顯影。然后用RIE刻蝕氮化硅隔膜，得到有叉指電極圖形的Stencil。
[0008]第三部分，即第22步，為金叉指電極的制作:用Stencil做模板，用熱蒸發(fā)把100-120nm金蒸鍍到石墨烯上，從而在石墨烯上形成叉指電極。
[0009]第四部分，即第23步到第27步，是用光學(xué)光刻套刻定義出pads圖形、熱蒸發(fā)金以及剝離，得到石墨烯納米器件。
[0010]本發(fā)明步驟(3)中，PMMA要在烘箱中160-180°c烘烤30_60min。
[0011]本發(fā)明步驟(6)中，MIBK:IPA=1:(2 ?3)，顯影溫度 18_25°C，時(shí)間 l_2min。
[0012]本發(fā)明步驟(7)中，在異丙醇中常溫定影30s_lmin。
[0013]本發(fā)明步驟(13)中，RIE的 recipe 設(shè)置為 CHF3，40_50sccm，02，10-15sccm, 250-300W，5_9Pa ;使用刻蝕氣體前用氧氣和刻蝕氣體分別清洗腔體3_8min。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]為了便于理解，對(duì)于同一步驟之后的樣品結(jié)構(gòu)分別給出樣品的俯視圖和剖面圖，其中剖面圖對(duì)應(yīng)俯視圖中箭頭位置的橫截面。俯視圖一角的字母F用于指示樣品擺放方向。
[0015]圖例和各結(jié)構(gòu)圖中均不區(qū)分非晶硅、多晶硅、單晶硅。
[0016]圖1對(duì)應(yīng)步驟1:在硅襯底上用LPCVD生長(zhǎng)300nm的氮化硅。
[0017]圖2對(duì)應(yīng)步驟2:在氮化硅上旋涂300 (600) nm的PMMA。
[0018]圖3對(duì)應(yīng)步驟5，6:用電子束直寫曝光以及顯影。
[0019]圖4對(duì)應(yīng)步驟13:用RIE刻蝕以PMMA為掩膜的氮化硅。
[0020]圖5對(duì)應(yīng)步驟17:在100 (300) nm氮化硅隔膜上旋涂300 (600) nm的PMMA。
[0021]圖6對(duì)應(yīng)步驟18:用電子束直寫曝光以及顯影。
[0022]圖7對(duì)應(yīng)步驟19:用RIE刻蝕以PMMA為掩膜的氮化硅隔膜。
[0023]圖8對(duì)應(yīng)步驟22:用stencil做掩膜,熱蒸發(fā)lOOnm金到石墨烯上。
[0024]圖9對(duì)應(yīng)步驟23:在石墨烯上旋涂PMMA。
[0025]圖10對(duì)應(yīng)步驟24，25:用光學(xué)光刻做套刻，刻出pads的圖形以及顯影。
[0026]圖11對(duì)應(yīng)步驟26:熱蒸發(fā)金。
[0027]圖12對(duì)應(yīng)步驟27:用丙酮和超聲波清洗機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行剝離。

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施以實(shí)例方式作進(jìn)一步描述，但本發(fā)明不僅限于實(shí)例。凡是對(duì)實(shí)例中的工藝參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的改變，都屬于本專利保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0029]實(shí)施例1:制作100 (200)nm寬，200 (500) nm周期，總的叉指尺寸為200 μ m x140 μ m的Stencil,以及用Stencil光刻制備非損傷石墨烯納米器件:
(1)在硅襯底上用LPCVD生長(zhǎng)300nm的氮化硅。結(jié)果如圖1所示。
[0030](2)在氮化硅上旋涂300 (600)nm的PMMA。結(jié)果如圖2所示。
[0031](3)用烘箱烘烤旋涂PMMA的硅片，溫度180°C，時(shí)間60min及以上。
[0032](4)用臺(tái)階儀測(cè)量PMMA膠厚，如若達(dá)到所需高度，進(jìn)入(5)，否則返回步驟(2)。
[0033](5)以上述PMMA為掩蔽層，設(shè)計(jì)圖形，用電子束直寫曝光，進(jìn)行劑量測(cè)試。
[0034](6)用顯影液MBK和IPA進(jìn)行顯影，IMBK:IPA=1:3，顯影溫度23。。，時(shí)間lmin。結(jié)果如圖3所不。
[0035](7)用異丙醇進(jìn)行定影30s，溫度常溫。
[0036](8)用氮?dú)獯蹈晒杵?br> [0037](9)在光學(xué)顯微鏡下初步觀察圖形，若失敗，返回步驟(2)。
[0038]( 10)對(duì)曝光圖形進(jìn)行噴金。
[0039](11)進(jìn)行SEM觀察，尋找最佳劑量，若沒有最佳劑量，返回步驟(2)。
[0040](12)重復(fù)步驟(2) — (9)，其中步驟(5)使用最佳劑量。
[0041](13)用RIE刻蝕以PMMA為掩膜的氮化硅，RIE的recipe設(shè)置為CHF3，30sccm，50W, 4Pa,時(shí)間分別設(shè)置為10min,20min,30min,40min,50min ;但是使用之前必須先用氧氣和刻蝕氣體分別清洗腔體5min。結(jié)果如圖4所示。
[0042](14)重復(fù)步驟(10)。
[0043](15)用SEM觀察PMMA和氮化硅的刻蝕厚度。
[0044](16)計(jì)算PMMA和氮化硅的選擇比。
[0045](17)在100 (300)nm氮化硅隔膜上旋涂300 (600)nm的PMMA。結(jié)果如圖5所示。
[0046](18)重復(fù)步驟(3) —(12)。結(jié)果如圖6所示。
[0047](19)用RIE刻蝕以PMMA為掩膜的氮化硅隔膜。結(jié)果如圖7所示。
[0048](20)重復(fù)步驟(10)。
[0049](21)用SEM觀察，如果隔膜上的叉指電極成功，stencil就做好了，否則從步驟
(17)重新開始。
[0050](22)用stencil做掩膜,熱蒸發(fā)lOOnm金到石墨烯上。結(jié)果如圖8所示。
[0051](23)在石墨烯上旋涂PMMA，在烘箱中烘膠180°C，60min。結(jié)果如圖9所示。
[0052](24)先做光學(xué)掩膜板，再用光學(xué)光刻做套刻，刻出pads的圖形。
[0053](25)用MIBK和IPA顯影，用異丙醇定影。結(jié)果如圖10所示。
[0054](26)用光學(xué)顯微鏡觀察pads圖形，如果成功，就熱蒸發(fā)金，結(jié)果如圖11所示。否則從步驟(23)重新開始。
[0055](27)用丙酮和超聲波清洗機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行剝離，去除光刻膠PMMA及其上的金。結(jié)果如圖12所示。
【權(quán)利要求】
1.一種采用stencil光刻制作非損傷石墨烯納米器件的方法，其特征在于是將電子束光刻技術(shù)、Stencil光刻、光學(xué)光刻技術(shù)結(jié)合起來,制得叉指電極和pads,具體步驟如下: (1)在硅襯底上用LPCVD生長(zhǎng)氮化硅層，氮化硅層厚度為300-350nm； (2)在氮化硅上旋涂PMMA，PMMA厚度為300-350nm或600_700nm ； (3)用烘箱烘烤旋涂PMMA的硅片； (4)用臺(tái)階儀測(cè)量PMMA膠厚度，如若達(dá)到所需高度，進(jìn)入步驟(5)，否則返回步驟(2)，重復(fù)旋涂PMMA ； (5)以上述PMMA為掩蔽層，用電子束直寫曝光，進(jìn)行劑量測(cè)試； (6)用顯影液MBK和IPA進(jìn)行顯影； (7)用異丙醇進(jìn)行定影； (8)用氮?dú)獯蹈晒杵? (9)在光學(xué)顯微鏡下初步觀察圖形，若失敗，返回步驟(2)，重復(fù)旋涂PMMA; (10)對(duì)曝光圖形進(jìn)行噴金；(11)進(jìn)行SEM觀察，尋找最佳劑量，若沒有最佳劑量，返回步驟(2)，重復(fù)旋涂PMMA； (12)重復(fù)步驟(2)- (9)，其中，步驟(5)使用最佳劑量； (13)用RIE刻蝕以PMMA為掩膜的氮化硅； (14)返回步驟(10)，重復(fù)對(duì)曝光圖形進(jìn)行噴金； (15)用SEM觀察PMMA和氮化硅的刻蝕厚度； (16)計(jì)算PMMA和氮化娃的選擇比； (17)在100-120nm氮化硅隔膜上旋涂300_350nm的PMMA;或者在300_350nm氮化硅隔膜上旋涂600-700nm的PMMA ； (18)重復(fù)步驟(3)— (12)； (19)用RIE刻蝕以PMMA為掩膜的氮化硅隔膜； (20)重復(fù)步驟(10)； (21)用SEM觀察，如果隔膜上的叉指電極成功，stencil就做好了，否則，返回步驟(17)，重新開始旋涂PMMA ； (22)用stencil做掩膜,熱蒸發(fā)10nm金到石墨烯上,在石墨烯上形成金叉指電極； (23)在石墨烯上旋涂PMMA，在烘箱中烘膠； (24)用光學(xué)光刻做套刻，刻出pads的圖形； (25)用MIBK和IPA顯影，用異丙醇定影； (26)用光學(xué)顯微鏡觀察pads圖形，如果成功，就熱蒸發(fā)金；否則，返回步驟(23)，石墨烯上重新旋涂PMMA ； (27)用丙酮和超聲波清洗機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行剝離，去除光刻膠PMMA及其上的金，得到石墨烯納米器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)中所述用烘箱烘烤，烘烤溫度為170-180°C，烘烤為 30-60min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(6)中，顯影液MBK和IPA的體積比為 MIBK:1PA=1: (2 ?3)，顯影溫度 18_25°C，時(shí)間 l_2min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(7)中所述用異丙醇進(jìn)行定影，常溫，定影時(shí)間30s_lmin。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(13)中，所述用RIE刻蝕，RIE的recipe 設(shè)置為 CHF3,40_50sccm，O2, 10-15sccm, 250-300W，5_9Pa ;使用刻蝕氣體前用氧氣和刻蝕氣體分別清洗腔體5min。
【文檔編號(hào)】H01L21/02GK104465326SQ201410722573
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】陳宜方, 李俊潔, 陸冰睿 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)