一種基于pmma的碳質(zhì)電極制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及一種非金屬電極的制備方法，屬于微納電子器件制備和研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003]目前各種具有優(yōu)異性能的新材料不斷被發(fā)現(xiàn)，特別是以石墨烯為代表的二維材 料發(fā)展迅速，而這些材料的應(yīng)用和研究大部分都需要被做成電子器件，從而來研究其電學 性能或者通過電學性能的變化來研究其它比如光學、力學、磁學等方面的性能，而制作這些 微納器件的關(guān)鍵就在于電極的制備。傳統(tǒng)的電極基本都是采用金屬材料，比如鉻（Cr)，鈦 (Ti)，鈀（Pd)，金（Au)等等。制備工藝主要包括金屬蒸鍍和離子束/電子束誘導沉積這兩 類方式。金屬蒸鍍首先需要利用電子束曝光或者光學曝光結(jié)合光刻膠顯影、定影技術(shù)來制 作確定電極形狀的掩膜版(包括光刻膠掩膜版)，然后利用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、磁控濺射、 離子濺射等方式蒸鍍金屬薄膜，最后通過剝離工藝得到所需形狀的金屬電極。這種工藝雖 然比較成熟，但是工藝流程復雜繁瑣，對貴重金屬的消耗也很大，而且所用到的光刻膠僅僅 是作為犧牲層，造成原材料的極大浪費。而離子束誘導沉積的方式會對樣品產(chǎn)生嚴重的損 傷和破壞，電子束誘導沉積制備的電極導電性非常差，并且誘導沉積所需的氣體源都非常 昂貴。另一方面，金屬與半導體材料的接觸容易形成肖特基勢壘或者較大的接觸電阻，嚴重 影響電子器件的性能。因此，一種簡單易行的非金屬電極制備方式對于微納電子器件的發(fā) 展和研究將具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出一種基于PMMA的碳質(zhì)電極制備方法，以克服現(xiàn)有工藝中 流程復雜，成本昂貴，制備周期長等方面的不足，同時也為電極材料提供更廣泛的選擇。
[0005] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案： 一種基于PMMA的碳質(zhì)電極制備方法，包括以下制備步驟： (1) .通過勻膠工藝將PMMA溶液均勻覆蓋在待做電極的基板表面，并烘干固化形成覆 蓋于基板表面的PMMA薄膜； (2) .在基板所需要制備電極的位置并根據(jù)電極的形狀，利用電子束曝光設(shè)備對覆蓋 有PMMA薄膜的基板進行電子束輻照，輻照劑量需要足以使得PMMA變性，即由正膠特性轉(zhuǎn)變 為負膠特性。優(yōu)選電子束能量大于5keV; (3) .將經(jīng)過上述（2)處理的整個基板在真空或者惰性氣體的保護下進行高溫退火處 理，優(yōu)選退火溫度大于400 °C。高溫退火處理能提高負性PMMA的導電性能，同時使得沒有 受到電子束輻照或者受到輻照但還沒有變性的PMMA分解為可揮發(fā)性氣體。從而只保留具 有電極形狀的負性PMMA，電極制備過程完畢。
[0006] 上述技術(shù)方案中，為了使得沒有受到電子束輻照或者受到輻照但還沒有變性的 PMMA去除更加干凈，可在步驟（2)之后，步驟（3)之前，增加步驟（4)即用丙酮等能溶解PMMA的有機溶劑清洗基板。特別聲明，此步驟（4)僅做改進之用，并非本發(fā)明所涉及的碳質(zhì) 電極制備方法的必要步驟，屬于本發(fā)明保護的范圍但不是對本發(fā)明的限制。
[0007] 上述技術(shù)方案中，所述的待做電極的基板根據(jù)不同的電子器件采用不同的材質(zhì)， 如Si，Si02，石英，樹脂，環(huán)氧樹脂玻纖固化板等。
[0008] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：:1:.作為本發(fā)明實施過程中最主要的加 工手段和原材料--電子束曝光和PMMA，都是現(xiàn)有微納加工技術(shù)中最為普遍的，因此本發(fā) 明具有與現(xiàn)有技術(shù)良好的兼容性；:墓與傳統(tǒng)的電子束曝光或者光學曝光與金屬蒸鍍工藝 相結(jié)合的電極制備工藝相比，本發(fā)明涉及的電極制備方法不需要對光刻膠進行顯影、定影 等工藝步驟，也不需要任何形式的金屬蒸鍍，而是直接以電子束抗蝕劑PMMA作為電極的原 材料，由電子束直寫而成，極大地簡化了電極制備工序、減少了設(shè)備投入、節(jié)約了制備成本； :f:與聚焦離子束/電子誘導沉積制備電極的方式相比，本發(fā)明涉及的電極制備方法對基板 破壞更小，制備的電極導電性能更優(yōu)異；;$本發(fā)明制備的電極是碳質(zhì)材料，進一步說是石 墨的納米顆?；蚣{米碎片，與傳統(tǒng)的金屬材質(zhì)一起，豐富了電極材料的可選擇性。
[0009]
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明的工藝流程示意圖，其中虛線表示步驟（4)可以加上也可以省略； 圖2為按本發(fā)明方法制備的電極的特性表征：(a)X射線能量散射譜（EDS);(b)拉曼 (Raman)譜；（c)高分辨率透射電子顯微照片（HRTEM)。其中，（a)通過EDS分析表明，該方 法制備的電極材料元素主要為碳元素；(b)通過拉曼散射，表明該材料具有與石墨相類似 的結(jié)構(gòu)；（c)通過高分辨透射電子顯微鏡看到，該材料含有結(jié)晶顆粒，且結(jié)晶形狀符合石墨 的層狀疊加結(jié)構(gòu)，層間距為〇. 33-0. 34nm，與石墨的層間距完全一致，表明該材料確實是由 石墨納米顆?；蛘呒{米碎片組成。
[0011] 圖3為實施例中應(yīng)用本發(fā)明制備的具有碳質(zhì)電極的石墨稀場效應(yīng)晶體管的SEM照 片； 圖4為圖3中石墨烯場效應(yīng)晶體管的性能測試：(a)I-V特性曲線，（b)背柵場效應(yīng)曲 線。表明用該方法制備的碳質(zhì)電極石墨烯場效應(yīng)晶體管具有與金屬電極石墨烯場效應(yīng)晶體 管相媲美的電學特性。
[0012]
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明中，術(shù)語"PMMA"是指聚甲基丙烯酸甲酯，英文名稱Poly(methyl methacrylate)。"PMMA溶液"是指含有PMMA分子的任何溶液，與何種溶劑無關(guān)，與何種分 子量的PMMA無關(guān)，與溶液中PMMA的固體含量無關(guān)，與溶液濃度無關(guān)，與溶液中是否含有其 它添加物無關(guān)。
[0014] 術(shù)語"勻膠工藝"包括但不限于旋涂、滾涂、浸涂、噴涂等等方式。
[0015] 術(shù)語"電子束曝光設(shè)備"是指能實現(xiàn)對樣品進行電子束輻照的設(shè)備裝置，包括但不 限于電子束曝光機、聚焦電子束/離子束系統(tǒng)、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等。
[0016] 術(shù)語"高溫退火"是指將樣品以適當?shù)乃俣燃訜岬揭欢囟?，并保持一定時間，然 后又以適當?shù)乃俣壤鋮s，以改變或者改善樣品的性能。加熱方式包括但不限于紅外線加熱、 電磁加熱、微波加熱、電阻爐加熱、感應(yīng)加熱、輻射加熱、激光加熱等等。冷卻方式可以是自 然冷卻也可以用其它方式輔助冷卻。
[0017] 下面將結(jié)合附圖及具體應(yīng)用實施例，對基于PMMA的碳質(zhì)電極制備方法作進一步 的詳細說明。
[0018] 實施例： 制備具有碳質(zhì)電極的石墨烯場效應(yīng)晶體管，包括以下制備步驟： (1).通過旋涂的方式(旋涂速率1000rpm)將分子量為950K，固體含量4%的PMMA乳 酸乙酯（ethyllactate)溶液均勻覆蓋在轉(zhuǎn)移有石墨烯條帶的襯底基板上，并在熱板上 用溫度180 °C烘烤2分鐘，使PMMA固化。此處的襯底基板為表面有300nm厚Si02的摻雜 硅，硅襯底基板同時將作為石墨烯場效應(yīng)晶體管的柵極。
[0019] (2).在上述固化有PMMA的基板上有石墨烯條帶的位置處根據(jù)設(shè)計的電極形狀 (如圖3)，利用聚焦離子束/電子束（雙束）系統(tǒng)對樣品進行電子束輻照，輻照劑量為 2750C/m2。電子束能量為10keV，束流為22nA。
[0020] (3).將上述經(jīng)（2)處理的基板從雙束系統(tǒng)中取出，于丙酮溶液中靜置1分鐘，以 溶解未受電子束輻照的PMMA。
[0021] (4) ?將上述整個樣品在Ar氣（5%H2+95%Ar)的保護下進行高溫退火處理，退火 溫度為800 °C，退火時間2小時，得到具有碳質(zhì)電極的石墨烯場效應(yīng)晶體管。
[0022] 附圖3所示為制備的具有碳質(zhì)電極的石墨烯場效應(yīng)晶體管的SEM照片，可以看到， 制備的電極非常規(guī)則，與襯底粘附性很好。
[0023] 附圖4所示為上述具有碳質(zhì)電極的石墨烯場效應(yīng)晶體管的電學性能測試，其中 (a)為I-V曲線，（b)為背柵的場效應(yīng)曲線，可以看到，I-V曲線為直線，表明碳質(zhì)電極與石墨 烯具有良好的歐姆接觸，同時場效應(yīng)曲線也表現(xiàn)出明顯的雙極性，具有石墨烯的典型特征。
[0024] 上述石墨烯場效應(yīng)晶體管僅為本發(fā)明的一個具體應(yīng)用實例，并不能以此限制本發(fā) 明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于PMMA的碳質(zhì)電極制備方法，其特征在于，包括W下制備步驟： (1) 通過勻膠工藝將PMMA溶液均勻覆蓋在待做電極的基板表面，并烘干固化形成覆蓋 于基板表面的PMMA薄膜； (2) 在基板所需要制備電極的位置并根據(jù)電極的形狀，利用電子束曝光設(shè)備對覆蓋有 PMMA薄膜的基板進行電子束福照，福照劑量需要足W使得PMMA變性，即由正膠特性轉(zhuǎn)變?yōu)?負膠特性；優(yōu)選電子束能量大于5 keV ; (3) 將經(jīng)過上述（2)處理的整個基板在真空或者惰性氣體的保護下進行高溫退火處理， 優(yōu)選退火溫度大于400 C。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMMA的碳質(zhì)電極制備方法，其特征在于，為了使得沒有 受到電子束福照或者受到福照但還沒有變性的PMMA去除更加干凈，可在步驟（2)之后，步 驟（3)之前，增加步驟（4)即用丙麗等能溶解PMMA的有機溶劑清洗基板。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMMA的碳質(zhì)電極制備方法，其特征在于，所述的待做電 極的基板根據(jù)不同的電子器件采用不同的材質(zhì)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于PMMA的碳質(zhì)電極制備方法，其特征在于，基板材質(zhì)采用 如Si、Si〇2、石英、樹脂或環(huán)氧樹脂玻纖固化板。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于PMMA的碳質(zhì)電極制備方法，包括以下制備步驟：(1)通過勻膠工藝將PMMA溶液均勻覆蓋在待做電極的基板表面，并烘干固化形成覆蓋于基板表面的PMMA薄膜；(2)在基板所需要制備電極的位置并根據(jù)電極的形狀，利用電子束曝光設(shè)備對覆蓋有PMMA薄膜的基板進行電子束輻照，輻照劑量需要足以使得PMMA變性，即由正膠特性轉(zhuǎn)變?yōu)樨撃z特性；優(yōu)選電子束能量大于5keV；(3)將經(jīng)過上述（2）處理的整個基板在真空或者惰性氣體的保護下進行高溫退火處理，優(yōu)選退火溫度大于400℃。本發(fā)明具有良好的兼容性；極大地簡化了電極制備工序、減少了設(shè)備投入、節(jié)約了制備成本；對基板破壞更小，制備的電極導電性能更優(yōu)異；與傳統(tǒng)的金屬材質(zhì)一起，豐富了電極材料的可選擇性。
【IPC分類】H01L21-336, H01L21-027, H01L21-28
【公開號】CN104538295
【申請?zhí)枴緾N201510039477
【發(fā)明人】陳衛(wèi), 秦石喬, 張學驁, 王飛, 王廣, 方靖岳
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月27日