一種非損傷石墨烯納米器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子束光刻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及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]石墨烯由于高迀移率、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(xiě)做出線寬100nm、200nm的圖形是沒(méi)有問(wèn)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(lái)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(lái)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(lái)，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(lái)，制得叉指電極和pads，具體步驟如下:
(一)極小線寬納米線圖形的劑量測(cè)試和氮化硅腐蝕:
(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)在氮化硅層上旋涂PMMA，PMMA厚度為300-350(或600-700) nm ；
(3)用烘箱烘烤旋涂了PMMA的硅片；
(4)用臺(tái)階儀測(cè)量PMMA膠厚度，如若達(dá)到所需厚度，進(jìn)入步驟(5)，否則返回步驟(2)重新旋涂PMMA ；
(5)以上述PMMA為掩蔽層，用電子束直寫(xiě)曝光，進(jìn)行劑量測(cè)試；
(6)用顯影液IMBK和IPA進(jìn)行顯影，用異丙醇進(jìn)行定影，用氣氣吹干娃片；
(7)在光學(xué)顯微鏡下初步觀察圖形，若觀察到的圖形與設(shè)計(jì)版圖上的相差過(guò)大，重新旋涂PMMA、電子束曝光、顯影、定影，直到在光學(xué)顯微鏡下看到的圖形誤差不大為止；
(8)對(duì)曝光圖形進(jìn)行噴金，進(jìn)行SEM觀察，尋找最佳劑量，若沒(méi)有最佳劑量，重復(fù)步驟
(2)(3) (5) (6) (7);若找到最佳劑量，重復(fù)步驟(2) (3) (5) (6) (7)，只是(5)中使用最佳曝光劑量；
(9)用RIE刻蝕以PMMA為掩膜的氮化硅；
(10)對(duì)曝光圖形進(jìn)行噴金，用SEM觀察PMMA和氮化硅的刻蝕厚度；
(11)計(jì)算PMMA和氮化硅的選擇比；
(二)100-120(或 300-350) nm Stencil 的制備: (12)在100-120 (或 300-350)nm 氮化硅隔膜上旋涂 300-350 (或 600-700)nm 的 PMMA ；
(13)重復(fù)步驟(3)一 (8);
(14)用RIE刻蝕以PMMA為掩膜的氮化硅隔膜；
(15)對(duì)曝光圖形進(jìn)行噴金，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(12)，重新開(kāi)始旋涂300-350 (或600-700) nm的PMMA ；
(三)金叉指電極的制作:
(16)用stencil做掩膜，熱蒸發(fā)100-120nm金到石墨稀上，在石墨稀上形成金叉指電極；
(四)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:
(17)在石墨烯上旋涂PMMA，在烘箱中烘膠；
(18)用光學(xué)光刻做套刻，刻出pads的圖形；
(19)用MIBK和IPA顯影，用異丙醇定影；
(20)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(17)，石墨烯上重新旋涂PMMA ；
(21)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，得到石墨稀納米器件。
[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I到第11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(méi)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)行氮化娃RIE刻蝕，計(jì)算PMMA和氮化娃的選擇比。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，S卩第 12 到第 15 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(xiě) 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(xiě)，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16步，為金叉指電極的制作:用Stencil做模板，用熱蒸發(fā)把100-120nm金蒸鍍到石墨稀上，從而在石墨稀上形成叉指電極。
[0009]第四部分，即第17步到第21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及以上。
[0011]本發(fā)明步驟(6)中，MIBK:IPA=1:3到1:3.2之間，顯影溫度18_25°C，時(shí)間l_2min，在異丙醇中常溫定影30s-lmin。
[0012]本發(fā)明步驟(9)中，RIE的 recipe 設(shè)置為:CHF3，40_50sccm ;02，10_15sccm;功率，250-300W ;壓強(qiáng)，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。
【附圖說(shuō)明】
[0013]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。
[0014]圖例和各結(jié)構(gòu)圖中均不區(qū)分非晶硅、多晶硅、單晶硅。
[0015]圖1對(duì)應(yīng)步驟1:在硅襯底上用LPCVD生長(zhǎng)300nm的氮化硅。
[0016]圖2對(duì)應(yīng)步驟2:在氮化硅上旋涂300-600 nm的PMMA。
[0017]圖3對(duì)應(yīng)步驟5，6:用電子束直寫(xiě)曝光以及顯影。
[0018]圖4對(duì)應(yīng)步驟9:用RIE刻蝕以PMMA為掩膜的氮化硅。
[0019]圖5對(duì)應(yīng)步驟12:在100-300 nm氮化硅隔膜上旋涂300-600 nm的PMMA。
[0020]圖6對(duì)應(yīng)步驟13:用電子束直寫(xiě)曝光以及顯影。
[0021]圖7對(duì)應(yīng)步驟14:用RIE刻蝕以PMMA為掩膜的氮化硅隔膜。
[0022]圖8對(duì)應(yīng)步驟16:用stencil做掩膜，熱蒸發(fā)10nm金到石墨稀上。
[0023]圖9對(duì)應(yīng)步驟17:在石墨烯上旋涂PMMA。
[0024]圖10對(duì)應(yīng)步驟18，19:用光學(xué)光刻做套刻，刻出pads的圖形以及顯影。
[0025]圖11對(duì)應(yīng)步驟