一种制备纳米尺度的石墨烯结构的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石墨烯半导体器件领域，特别是涉及一种制备纳米尺度的石墨烯结构的方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯由于其优异的性能，如超高的载流子迀移率、单原子层的厚度和较高的机械强度，在未来半导体领域有着很好的潜在应用价值，引起了人们的广泛关注。但是由于石墨烯本身没有带隙，所以要实现石墨烯在半导体领域的应用，首先要解决打开带隙的问题。目前常用的方法是把石墨烯裁成纳米带。而纳米带的尺度一般要到1nm以下才可以实现室温半导体的应用。
[0003]目前，可以利用嵌段共聚物光刻的方法来制备宽度小于1nm的石墨烯结构，但是这种方法受制于掩模形状的影响，均匀性并不是很好，而且不能灵活的调节孔的大小和周期。
[0004]为了实现较高的对准精度，灵活的图形大小和周期，可以使用电子束曝光技术来制备纳米尺度的石墨烯结构。然而，电子束曝光技术可实现精确控制且具有一定重复性的极限尺寸在20nm以上，无法达到1nm以下。此外，电子束曝光所用的电子束抗蚀剂容易残留在石墨烯表面，不易去除，残留的电子束抗蚀剂会影响石墨烯器件的性能。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是要提供一种制备纳米尺度的石墨烯结构的方法，以制备特征尺寸低于1nm的石墨稀结构，该方法可以通过金属络膜避免电子束抗蚀剂与石墨稀直接接触使石墨烯表面洁净无杂质，从而保证石墨烯器件的性能。
[0006]特别地，本发明提供了一种制备纳米尺度的石墨烯结构的方法，具体步骤包括:
[0007]步骤1、选取衬底并将石墨烯转移在所述衬底上，或在所述衬底上生长石墨烯；
[0008]步骤2、在所述石墨稀的表面蒸镀一定厚度的金属络膜；
[0009]步骤3、在所述金属铬膜表面旋涂一定厚度的电子束抗蚀剂；
[0010]步骤4、采用电子束曝光技术，在所述电子束抗蚀剂上曝光相应的图形，并经显影、定影，使所述电子束抗蚀剂上形成纳米尺度的结构图形；
[0011]步骤5、以具有纳米尺度结构图形的电子束抗蚀剂为第一掩模，采用离子束刻蚀技术刻蚀所述金属铬膜，使所述金属铬膜上形成相应的纳米尺度结构图形；
[0012]步骤6、以具有纳米尺度结构图形的金属铬膜作为第二掩模，采用反应离子束刻蚀技术刻蚀所述石墨稀，通过控制刻蚀时间，从而获得亚1nm石墨稀结构；
[0013]步骤7、利用铬腐蚀液将具有纳米尺度结构图形的石墨烯表面上剩余的金属铬膜去除，从而获得洁净无杂质的纳米尺度的石墨稀结构。
[0014]可选地，所述石墨烯通过化学气相沉积生长并转移到所述衬底上或直接在所述衬底上采用机械剥离法生长。
[0015]可选地，所述金属铬膜的蒸镀采用电子束蒸发或热蒸发进行蒸镀，所述金属铬膜的厚度为10nm?50nmo
[0016]可选地，所述电子束抗蚀剂选用正性电子束抗蚀剂；
[0017]可选地，所述正性电子束抗蚀剂为PMMA或ZEP520。
[0018]可选地，所述电子束抗蚀剂选用负性电子束抗蚀剂；
[0019]可选地，所述负性电子束抗蚀剂为HSQ或SAL601。
[°02°] 可选地，所述电子束抗蚀剂的涂覆厚度为50nm?200nmo
[OO21 ]可选地，所述步骤5中所述金属络膜的刻蚀所用的束流密度为5OmA/cm3?10mA/cm3，离子能量为300eV?500eVo
[0022]可选地，所述步骤6中所述石墨烯的刻蚀，采用氧气等离子体刻蚀，控制刻蚀时间为20s?150s，腔内压强为30mTorr?10mTorr，氧气流量为30sccm?lOOsccm，所加射频功率为50W?100W。
[0023]可选地，所述铬腐蚀液为硝酸铈铵和乙酸的混合水溶液。
[0024]进一步，所述铬腐蚀液的配制过程为:在10mL二次去离子水中加入4.4mL 98%乙酸，然后再加入25g硝酸铺钱，最后加入二次去离子水定容至125mL。
[0025]本发明的制备纳米尺度的石墨烯结构的方法，利用电子束曝光可以制备出20nm以上的石墨烯结构，进而采用反应离子束刻蚀石墨烯，由于刻蚀速度较慢，因而可以通过控制刻蚀参数来实现石墨烯结构的特征尺寸在1nm以下。此外，本发明的制备纳米尺度的石墨烯结构的方法，通过金属铬膜可以避免石墨烯和电子束抗蚀剂的直接接触，可以得到洁净无杂质的纳米尺度的石墨烯结构，从而可以消除电子束抗蚀剂残留对石墨烯性能的影响。
[0026]根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
【附图说明】
[0027]后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中:
[0028]图1是根据本发明一个实施例的制备纳米尺度的石墨烯结构的方法的制备流程图；
[0029]图2是图1所示方法的采用反应离子刻蚀技术刻蚀石墨烯的原理图；
[0030]图3是图1所示方法的采用反应离子刻蚀技术刻蚀石墨烯的速率图；
[0031]图4是采用图1所示方法制备的石墨烯结构的扫描电子显微镜图；
[0032]图5是采用图1所示方法制备的石墨烯结构的原子力显微镜图；
[0033]图6是实施例1中获得的石墨烯结构的示意图；
[0034]图7是实施例2中获得的金属铬膜的示意图；
[0035]图8是实施例2中获得的石墨烯结构的示意图。
【具体实施方式】
[0036]图1是根据本发明一个实施例的制备纳米尺度的石墨烯结构的方法的制备流程图。参见图1，本发明提供了一种制备纳米尺度的石墨烯结构的方法，具体步骤包括:
[0037]步骤S1、选取衬底I并将石墨烯2转移在所述衬底I上，或在所述衬底I上生长石墨烯2;
[0038]步骤S2、在所述石墨烯2的表面蒸镀一定厚度的金属铬膜3;
[0039]步骤S3、在所述金属铬膜3表面旋涂一定厚度的电子束抗蚀剂4;
[0040]步骤S4、采用电子束曝光技术，在所述电子束抗蚀剂4上曝光相应的图形，并经显影、定影，使所述电子束抗蚀剂4上形成纳米尺度的结构图形；
[0041]步骤S5、以具有纳米尺度结构图形的电子束抗蚀剂4为第一掩模，采用离子束刻蚀技术刻蚀所述金属铬膜3，使所述金属铬膜3上形成相应的纳米尺度结构图形；
[0042]步骤S6、以具有纳米尺度结构图形的金属铬膜3作为第二掩模，采用反应离子束刻蚀技术刻蚀所述石墨稀2，通过控制刻蚀时间，从而获得亚1nm石墨稀结构；
[0043]步骤S7、利用铬腐蚀液将具有纳米尺度结构图形的石墨烯2表面上剩余的金属铬膜3去除，从而获得洁净无杂质的纳米尺度的石墨稀结构。
[0044]本发明的制备纳米尺度的石墨稀结构的方法，利用电子束曝光可以制备出20nm以上的石墨烯结构，进而采用反应离子束刻蚀，由于刻蚀速度较慢，因而可以通过控制刻蚀参数来实现石墨稀结构的特征尺寸在1 n m以下。此外，本发明的制备纳米尺度的石墨稀结构的方法，通过金属铬膜3可以避免石墨烯2和电子束抗蚀剂4的直接接触，可以得到洁净无杂质的纳米尺度的石墨烯结构，从而可以消除电子束抗蚀剂4残留对石墨烯2性能的影响。
[0045]在步骤SI中，参见图1中的(a)，选取衬底I并将石墨烯2转移在所述衬底I上，或在所述衬底I上生长石墨烯2。选取衬底I并洗净，所述衬底I可以选用硅衬底或二氧化硅衬底。所述石墨烯2可以通过化学气相沉积(CVD)生长并转移到所述衬底I上。所述石墨烯2还可以直接在所述衬底I上生长，如采用机械剥离法生长。
[0046]在步骤S2中，参见图1中的(a)，在所述石墨烯2的表面蒸镀一定厚度的金属铬膜3。所述金属铬膜3的蒸镀可以采用热蒸发设备在所述石墨烯2的表面生长金属铬膜3。所述金属铬膜3的蒸镀还可以采用电子束蒸发设备在所述石墨烯2的表面生长金属铬膜3。所述金属络膜3的厚度可以为1nm?50nmo
[0047]在步骤S3中，参见图1中的(a)，在所述金属铬膜3表面旋涂一定厚度的电子束抗蚀剂4。所述电子束抗蚀剂4可以选用正性电子束抗蚀剂，如PMMA或ZEP520。所述电子束抗蚀剂4还可以选用负性电子束抗蚀剂，如HSQ或SAL601。所述电子束抗蚀剂4的涂覆厚度为50nm?200nmo
[0048]在步骤S4中，参见图1中的(b)，采用电子束曝光技术，在所述电子束抗蚀剂4上曝光相应的图形，并经显影、定影，使所述电子束抗蚀剂4上形成纳米尺度的结构图形。
[0049]在步骤S5中，参见图1中的(C)，以具有纳米尺度结构图形的电子束抗蚀剂4为第一掩模，刻蚀所述金属铬膜3，使所述金属铬膜3上形成相应的纳米尺度结构图形。所述金属铬膜3的刻蚀采用离子束刻蚀，其中，刻蚀所用的束流密度为50mA/cm3?lOOmA/cm3，离子能量为300eV?500eV。
[0050]在步骤S6中，参见图1中的(d)，以具有纳米尺度结构图形的金属铬膜3作为第二掩模，采用反应离子束刻蚀技术刻蚀所述石墨烯2，通过控制刻蚀时间，从而获得亚1nm石墨烯结构。因氧气等离子体5刻蚀具有各向同性的特点，所述石墨烯2的刻蚀采用氧气等离子体5进行