气为保护气(甲烷、氢气和氩气的体积比为1:1:20)，在700°C温度下，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在厚度为500nm的二氧化硅介质层SOI衬底上反应沉积一层致密石墨烯层。经AFM和拉曼光谱对所获得的石墨烯层表征，该石墨烯层为连续单层纳米多晶石墨烯膜，间或少量双层石墨烯。
[0055]3)制作对准标记及金属电极
[0056]如图1-2所示，采用双层胶紫外曝光结合热蒸发真空镀膜沉积厚度为3nm的金属铬作为过镀层，再沉积厚度为10nm的金层，从而形成宽3 μπι，长100 μπι，厚度为10nm的十字对准标记。其中，用于整体对准的全局对准标记PQRS相对晶圆中心的坐标为 P (-1000，O)，Q(1000，O)，R(0，1000)，S (O,-1000) ο 在硅衬底上形成周期为 10臟4 个芯片。设定芯片的局部对准标记相对于其所对应的每个芯片原点的坐标为M1 (-200，200)，M2 (200，200)，M3 (200，-200)，M4 (-200，-200)，坐标单位为 μ m。
[0057]在形成标记的同时形成尺寸为宽度15 μ m，间距20 μ m的金电极。
[0058]4)通过电子束光刻套刻曝光制备纳米结构阵列掩模，通过反应离子刻蚀将纳米图形制作在石墨烯二维材料上。
[0059]在具有全局对准标记、局部对准标记和金属电极的SOI衬底旋涂一层厚度为60nm的PMMA光刻胶，之后置于180°C下烘烤60秒以坚膜。然后把得到的样品载入电子束曝光机，5分钟后腔体达到高真空。调整好电子束光阑，在系统参考点金膜颗粒上调整好聚焦象散，在法拉第杯调整电流大小，运行子程序自动校正曝光系统写场拼接等。
[0060]自动校正高度测试过程，执行“heightmapping”功能，测试样品高度一致性。根据步骤3)设定的位于SOI衬底边缘的全局对准标记和位于芯片上的局部对准标记编辑曝光套刻位置，将纳米结构的曝光版图曝光在各个芯片上，如图2所示。打开高度测量选项，在每个芯片上曝光时系统自动测试并矫正聚焦高度。
[0061]设定纳米结构曝光版图为三角阵列圆孔，圆孔的直径为lOOnm，圆心距离为160nm，曝光版图为方形，如图2中的纳米结构所示。曝光参数为电压ΙΟΟΚν，电子束流为0.1nA,电子束斑尺寸为10nm，电子扫描步长为2.5nm。经过MIKE:IPA显影40秒，IPA定影30秒后得到图案化的抗蚀剂。
[0062]5)通过光刻结合等离子体刻蚀，将纳米电子器件和背景石墨烯导电材料分割出来。
[0063]光刻版图设计为裁开大片连续石墨烯层，隔断金属电极之间的其他石墨烯电学通道，使电流只流经纳米结构，起到对电子进行量子调控的目的。
[0064]等离子体刻蚀条件和纳米结构刻蚀条件基本一致，腔体气压为10mtorr,功率100W，直流偏压270v，刻蚀时间12秒。刻蚀完后用60°C丙酮浸泡3h，溶解去除残胶。
[0065]用扫描电子显微镜对刻蚀得到的石墨烯纳米结构电子器件的局部进行观察，核心结构部分如图4-5所示。可以看出，金属电极夹在纳米结构的石墨烯两端，纳米结构两侧的石墨烯层被曝光刻蚀掉。对照未作纳米结构的电子器件电学，测试表明，未作纳米结构的石墨烯电子器件的IV曲线为一次函数曲线，表现为半金属性。而经过纳米结构掺杂的石墨烯电子器件的IV曲线为二次函数曲线，表现为半导体性质。
[0066]在另一组实施例中，为了检验加工一致性和加工精度，对纳米结构的尺寸做了改进，纳米孔直径依然设计为lOOnm，但是纳米孔圆心之间距离变为150nm。在4英寸SOI衬底上采取同样套刻参数曝光，间距为10mm，数目49组，经过SEM表征测试后，纳米结构如图6所示，可以看出，纳米孔窄带约10nm。统计表明，其平均间距为11.4nm，标准偏差为1.5nm。因此可以说本发明的方法基本上实现了石墨烯在纳米尺度上大规模和均匀一致性加工。
[0067]至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
【主权项】
1.一种石墨烯纳米电子器件的制备方法，用于在一衬底(10)上形成至少一个石墨烯纳米电子器件，每一所述石墨烯纳米电子器件包括带有纳米结构(20)的石墨烯区(30)以及与所述石墨烯区(30)连接的金属电极(40)，所述制备方法包括: 步骤S1、提供一衬底(10)，所述衬底(10)的上表面(11)由绝缘介质材料形成； 步骤S2、在所述衬底(10)的所述上表面(11)上形成连续的石墨烯层(50)，并且所述石墨烯层(50)基本上覆盖所述衬底(10)的整个所述上表面(11); 步骤S3、在所述石墨烯层(50)上形成各个所述金属电极(40); 步骤S4、在所述石墨烯层(50)上覆盖抗蚀剂层，采用电子束曝光的方式对所述抗蚀剂层进行曝光，以使得所述抗蚀剂层成形为预定的掩模的形状；其中，所述掩模的图案成形为仅用于在各个所述石墨烯区(30)在所述石墨烯层(50)中的预定位置处形成各个所述石墨烯区(30)的所述纳米结构(20); 步骤S5、对带有所述掩模的所述衬底(10)进行反应离子刻蚀，以在所述石墨烯区(30)中形成所述纳米结构(20)； 步骤S6、在形成所述纳米结构(20)之后，去除所述石墨烯区(30)周围的一部分所述石墨烯层(50)，以将所述石墨烯层(50)中的所述石墨烯区(30)与所述石墨烯区(30)外的其余石墨烯层(51)断开。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3还包括:在所述石墨烯层(50)上形成用于在电子束曝光时将曝光版图与所述衬底(10)进行对准的对准标记，所述对准标记包括: 用于将所述曝光版图与所述衬底(10)进行整体对准的全局对准标记￠1);和 在每一所述石墨烯区(30)在所述石墨烯层(50)中的预定位置周围形成的局部对准标记(31)。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述对准标记为在所述石墨烯层(50)上形成的金属标记，其与所述金属电极(40)同时形成。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用光刻和平板印刷工艺形成所述对准标记和所述金属电极(40);优选地，所述光刻为紫外光刻。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用等离子体增强化学气相沉积工艺在所述衬底(10)的所述上表面(11)上沉积所述石墨烯层(50)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S6中，采用光刻和等离子体刻蚀工艺进行所述去除操作；优选地，所述光刻为紫外光刻。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述纳米结构(20)为石墨稀纳米带结构或石墨稀纳米反点阵结构。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述至少一个石墨稀纳米电子器件为在所述衬底(10)上呈周期性阵列布置的多个石墨烯的纳米结构(20)。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，在所述衬底(10)上形成连续的所述石墨烯层(50)之前，还包括对所述衬底(10)进行抛光和清洗的步骤；可选地，经所述抛光后的所述衬底(10)的表面粗糙度Ra < 3nm。
10.一种石墨烯纳米电子器件，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的方法制备而成。
【专利摘要】本发明公开了一种石墨烯纳米电子器件及其制备方法，包括：S1、提供上表面为绝缘介质材料的衬底；S2、在上表面上形成连续且基本上覆盖衬底的整个上表面的石墨烯层；S3、在石墨烯层上形成各个金属电极；S4、在石墨烯层上覆盖抗蚀剂层，采用电子束对抗蚀剂层进行曝光，以使得抗蚀剂层成型为预定的掩模的形状；掩模的图案成型为仅用于在各个石墨烯区在石墨烯层中的预定位置处形成各个石墨烯区的纳米结构；步骤S5、对带有掩模的衬底进行反应离子刻蚀，以形成纳米结构；S6、去除石墨烯区周围的一部分石墨烯层，以将石墨烯层中的石墨烯区与石墨烯区外的其余石墨烯层断开。该方法可以大规模制备高精度和一致性的石墨烯纳米结构电子器件。
【IPC分类】B82Y10-00, H01L29-16, H01L21-04
【公开号】CN104701146
【申请号】CN201510064601
【发明人】唐成春, 顾长志, 杨海方, 李俊杰, 金爱子, 姜倩晴
【申请人】中国科学院物理研究所
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月6日