专利名称：制备具有20纳米线宽以下纳米结构基质的方法
技术领域：
本发明属于纳米科技与先进材料领域，涉及一种制备20纳米线宽以下纳米结构基质的方法。
背景技术：
单层石墨指的是由一层碳原子构成的平面正六边形蜂窝状结构的石墨烯，2004年由英国曼切斯顿大学A. K. Geim教授研究组通过机械解理的方法首次制备得到。
无缺陷的单层石墨是无带隙的半金属材料，载流子在单层石墨的传播过程中有着很长的自由程和很高的迁移率，而石墨本身同时具有的高温稳定性和机械强度，使它在制备高速和高性能电子器件中拥有很好的前景。通过对宽度小于20纳米石墨条带的边缘进行特别的选择性刻蚀与修饰，或者是通过特定溶液或气氛的掺杂，可以将半金属的单层石墨转变成为N型或者是P型的半导体材料，为单层石墨在大规模集成电路上的应用提供了可能。 要实现单层石墨的器件应用，如何制备出具有特定形状和阵列结构的单层石墨是亟待解决的问题；而要实现单层石墨量子器件的制备和应用，如何获得小于20纳米线宽的单层石墨结构更是一个重要的技术难题。 为了大规模高效率地制备出可用于量子器件的单层石墨图形结构，本方法通过电子束过曝光PMMA光刻胶，首先在已经制备出的单层石墨片上制备出大高宽比、极小线宽的光刻胶掩模板；然后通过氧反应离子刻蚀技术进一步可控地逐渐减小掩模板的线宽直至20纳米以下；最后再通过Ar+离子刻蚀技术刻蚀掉掩模板阻挡层以外的单层石墨，从而获得线宽小于20纳米的单层石墨样品，以便用于单层石墨纳米器件的制备。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备具有20纳米线宽以下纳米结构基质的方法。
本发明提供了两种制备方法，其中，制备具有20纳米线宽以下单层石墨基质的方法，包括如下步骤 1)在衬底上外延生长单层石墨层； 2)将所述步骤1)得到的单层石墨层转移到Si02/Si复合衬底上； 3)在所述步骤2)得到的单层石墨层之上制备聚甲基丙烯酸甲酯层并烘干； 4)将所述步骤3)得到的聚甲基丙烯酸甲酯层进行曝光，得到图案化的聚甲基丙
烯酸甲酯层；去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯，得到作为掩膜的聚甲基丙烯酸甲酯负胶图
形； 5)对所述步骤4)得到的掩膜进行刻蚀，使所述掩膜的线宽减小至20纳米以下；
6)对所述步骤5)刻蚀完毕得到的掩膜继续进行刻蚀，去除没有掩膜保护的单层纳米层，得到所述具有20纳米线宽以下单层石墨基质的方法。 该方法的步骤1)中，所述构成衬底的材料为铜或镍；所述反应气选自甲烷、乙烯和乙炔中的至少一种；所述载气为氢气；所述衬底的厚度为700-50000纳米，具体可为700-40000纳米、700-35000纳米、700-25000纳米、700-10000纳米、700-9000纳米、700-5000纳米或700-4500纳米，优选700纳米；所述单层石墨层的厚度为0. 9_1. 35纳米，具体可为0. 9-1. 2纳米或1. 0-0. 35纳米，优选1. 35纳米；沉积的压力为500-1300mTorr，具体可为500-1200mTorr、600-1300mTorr、600-1000mTorr、500-1000mTorr、500-800mTorr或550-1000mTorr，优选500mTorr ;沉积的温度为850-1050°C，具体可为850-1000°C、850-95(TC或850-900°C，优选850°C ;反应气的流量为2-30SCCM，具体可为2-10SCCM、2-25SCCM、5-30SCCM、 10-30SCCM、 10-25SCCM或5-25SCCM，优选30SCCM ;沉积的时间为15-60分钟，优选30分钟；所述步骤2)中，所述SiO"Si衬底是由厚度为280-320纳米的Si(^层和厚度为
500-800微米的p型Si衬底层组成；所述单层石墨层与所述Si02层接触。该步骤中，将所
述单层石墨层转移到Si02/Si复合衬底上的方法为常规方法，其具体步骤为 (1)在铜箔表面使用4000转/秒的速度旋涂一层PMMA 671. 06，热台烘胶4分钟，
自然冷却，记为样品A; (2)将样品A放入0. 05g/mL的FeCl3或Fe (N03) 3溶液中，反应24小时，溶去铜箔，留下PMMA薄膜和单层石墨薄膜悬浮在溶液表面，记为样品B ; (3)将样品B在去离子水中洗去残余FeCl3溶液，使用覆盖有300nm厚度Si02层的Si片捞起样品B; (4)在样品B边缘逐滴滴入丙酮，直至浸没样品B，静置直到丙酮完全挥发，此时样品B表面PMMA薄膜部分溶解，下层单层石墨与Si02表面紧密结合，这种覆盖在Si02/Si复合衬底上的单层石墨薄膜记为样品C ; (5)将样品C放入丙酮溶液中，溶去残余PMMA光刻胶，使用酒精、去离子水依次清洗，氮气吹干； (6)将样品C放入石英管中，以500SCCM氩气和500SCCM氢气流量通过石英管，在45(TC下退火2小时，得到转移至Si02/Si复合衬底上高质量的单层石墨层。
所述步骤3)中，所述聚甲基丙烯酸甲酯层的厚度为50-300纳米，优选130纳米；所述制备聚甲基丙烯酸甲酯层的方法为旋涂法；所述旋涂法中，旋涂的速率为2000-6000转/秒，优选4000转/秒；烘干的温度为170-250°C ，优选180°C ，烘干的时间为60-300秒，优选90秒； 所述步骤4)中，所述图案化的聚甲基丙烯酸甲酯层的线宽为20-500纳米，具体可为20-450纳米、20-400纳米、20-300纳米、20-250纳米或20-100纳米，优选20纳米；曝光的剂量为7500-45000uAs/cm2，具体可为7500-9000uAs/cm、8000-45000uAs/cm、8500_45000uAs/cm、8500_35000uAs/cm、8500_9000uAs/cm、10000_45000uAs/cm、20000-45000uAs/cm或30000-45000uAs/cm，优选8500uAs/cm2 ;步距为1. 6-25. 6纳米，具体可为1. 6-20纳米、1. 6-15纳米、1. 6-10纳米或1. 6-15纳米，优选1. 6纳米；曝光的加速电压为5-15kV，优选10kV ;所述去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯时，选用丙酮作为溶剂；
所述步骤5)中，刻蚀的方法为反应离子刻蚀法，刻蚀的气体选自氧气；所述刻蚀的气体的流量为20-40SCCM，优选30SCCM ;刻蚀的反应功率为15-40W，优选20W ;刻蚀的时间为30-60秒，优选30秒;
5
所述步骤6)中，所述刻蚀的方法为氩离子刻蚀法；所述刻蚀步骤中，加速电压为400-600eV，具体可为400-500eV、450-550eV、450-600eV或500-600eV，优选450eV ;离子束的电流为60-100mA，具体可为65-95mA、60-90mA、65-90mA或70-80mA，优选70mA ;刻蚀的时间为30-300秒，具体可为30-90秒、35-85秒、40-100秒、50-70秒、100-300秒、50-300秒、200-300秒、150-300秒或150-250秒，优选60秒。 按照上述制备方法得到的具有20纳米线宽以下单层石墨基质及该单层石墨基质在制备单层石墨纳米器件中的应用，也属于本发明的保护范围。 本发明提供的制备具有20纳米线宽以下的纳米结构基质的方法，包括如下步骤
1)在衬底上制备金属薄膜层纳米结构基质； 2)在所述步骤1)得到的金属薄膜层之上制备聚甲基丙烯酸甲酯层并烘干；
3)将所述步骤2)得到的聚甲基丙烯酸甲酯层进行曝光，得到图案化的聚甲基丙烯酸甲酯层；去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯，得到作为掩膜的聚甲基丙烯酸甲酯负胶图形； 4)对所述步骤3)得到的掩膜进行刻蚀，使所述掩膜的线宽减小至20纳米以下；
5)对所述步骤4)刻蚀完毕得到的掩膜继续刻蚀，去除没有掩膜保护的单层纳米层，得到所述具有20纳米线宽以下的纳米结构基质。 该方法的步骤1)中，各种常用的衬底均适用于该方法，如硅衬底；制备所述金属薄膜层纳米结构基质的方法为离子束溅射法或热蒸发法；所述离子束溅射法中，溅射使用的离子能量为400-600eV，具体可为400-500eV、450-550eV、450-600eV或500-600eV，优选450eV，束流为60-80mA，具体可为65-75mA、60-70mA、65-70mA或70_80mA，优选70mA，溅射时间为1 60分钟，具体可为5-40分钟、5-50分钟、8-12分钟、10-50分钟、15-45分钟或5-10分钟，优选8分钟；所述热蒸发法中，加热电流为50A-80A，优选60A，沉积速度为
0. 1A/S-0.3A/S，优选0.2A/S，沉积时间20分钟-120分钟，具体可为20-50分钟、25_120分钟、25-35分钟、25-110分钟、25-100分钟、50_110分钟、50_120分钟、30_100分钟或20-40分钟，优选30分钟。 所述步骤2)中，所述聚甲基丙烯酸甲酯层的厚度为50-300纳米，优选130纳米；所述制备聚甲基丙烯酸甲酯层的方法为旋涂法；所述旋涂法中，旋涂的速率为2000-6000转/秒，优选4000转/秒；烘干的温度为170-250°C ，优选180°C ，烘干的时间为60-300秒，优选90秒； 所述步骤3)中，所述图案化的聚甲基丙烯酸甲酯层的线宽为20-500纳米，优选20纳米；曝光步骤中，剂量为7500-45000uAs/cm2，具体可为7500-9000uAs/cm、8000_45000uAs/cm、8500_45000uAs/cm、8500_35000uAs/cm、8500_9000uAs/cm、10000-45000uAs/cm、 20000-45000uAs/cm或30000-45000uAs/cm，优选8500uAs/cm2，步距为
1. 6-25. 6纳米，具体可为1. 6-20纳米、1. 6-15纳米、1. 6-10纳米或1. 6-15纳米，优选1. 6纳米，加速电压为5-15kV，优选lOkV，所述去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯时，选用丙酮作为溶剂； 所述步骤4)中，所述刻蚀的方法为反应离子刻蚀法，刻蚀的气体选自氧气；所述刻蚀的气体的流量为20-40SCCM，优选30SCCM ;刻蚀的反应功率为15-40W，优选20W ;刻蚀的时间为30-60秒，优选30秒；
所述步骤5)中，所述刻蚀的方法为氩离子刻蚀法；所述刻蚀步骤中，加速电压为400-600eV，优选450eV ;反应离子束的电流为60-100mA，优选70mA ;刻蚀的时间为30-300秒，优选60秒。 按照上述方法制备得到的具有20纳米线宽以下的纳米结构基质及该纳米结构基质在制备纳米器件中的应用，也属于本发明的保护范围。 上述两方法的每个步骤中，为保证样品的洁净度，所有实验操作始终保持在100
洁净度的超净间中完成；所有与样品接触的器材均通过丙酮、无水乙醇、去离子超净水的超
声清洗；在样品的制备、电子束光刻、氧反应离子刻蚀、Ar+离子刻蚀操作中，均保持在仪器
相应的高真空中；在样品的表征过程中，样品始终保存在隔绝静电的密闭空间中。 本发明使用PMMA负胶图形作为掩模板，主要基于以下几点(l)PMMA作为电子束
曝光正胶时，在制备线宽小于50纳米米的图形时，不仅需要很高的电子加速电压，而且制
备出来的图形和衬底的结合力很差，容易脱落。而在高剂量的情况下，PMMA分子在断链之
后可再次发生键合，大大提高了光刻胶的分辨率，即使在很低的电子加速电压下也可以曝
光得到20纳米左右的精细图形，同时图形和衬底之间具有良好的结合力，不会发生脱落现
象。(2)PMMA负胶作为掩模板，不仅可以直接通过电子束曝光制备出接近20纳米线宽的
掩模板图形，而且因为它可以和氧离子反应，从而可以使得这种掩模板能够进一步被减薄。
(3)PMMA负胶图形具有良好的绝缘性和稳定性，在氩离子刻蚀之后遗留在单层石墨样品表
面的PMMA负胶掩模板不仅不会影响石墨本身的传输特性，而且可以作为顶栅的绝缘层，为
进一步制备各种纳米器件带来极大的便利。 本发明利用PMMA过曝光时的负胶反转效应首先制备出接近20纳米线宽的光刻胶图形，再利用PMMA负胶图形能够与氧离子反应，进一步减薄得到更小的线宽，此时保持刻蚀功率20W，单层石墨为化学稳定状态，不会被氧离子反应刻蚀，得到小于20纳米的PMMA负胶掩模板之后，在使用氩离子刻蚀的过程中，因为制备出的PMMA负胶掩模板具有很大的高宽比，厚度远大于单层石墨，因而可以保证在单层石墨被刻蚀完之后仍然作为掩模存在，以便作为单层石墨上样品上的绝缘层。本发明提供的方法不仅可用来刻蚀单层石墨，亦可用来刻蚀任意衬底材料，从而在衬底上制备出尺寸可达几个纳米的相应图形。
这种通过氧离子反应刻蚀减縮光刻胶的方法不仅可以用来减縮PMMA负胶掩模板，也可以用来减縮其他能够同氧离子发生反应的掩模板(衬底的刻蚀速率远小于掩模板的刻蚀速率)；亦可通过改变反应离子的种类，来减縮其它不能用氧离子进行减縮的掩模板。 在通过PMMA负胶作为掩模板刻蚀出具有特定图形的单层石墨样品之后，亦可以使用保留下来的PMMA负胶作为绝缘层，方便高效地制备出顶栅电极或者是通过多次旋涂制备出具有空间架构的量子器件。 本发明提供了一种高效、简单且可控性强的快速制备线宽小于20纳米的单层图形基质的方法。PMMA作为负胶时，不仅在较低的电子加速电压下(10keV)可以得到很高的分辨率(20纳米)，未曝光区域的PMMA则可以通过丙酮的清洗而除去，避免了 PMMA正胶作为掩模板时漫长的曝光时间，大大提高了图形制备的效率；而且这种掩模板在氧反应离子刻蚀下还能可控地进一步减薄和縮小，从而得到20纳米以下的PMMA负胶图形掩模板。同时通过PMMA过曝光产生的掩模板在刻蚀之后还可以作为绝缘层，巧妙地解决了石墨量子
7器件顶栅制备的困难。
图1使用PMMA作为负胶掩膜板制备20纳米以下线宽的单层石墨条带过程示意图。 图2为使用PMMA 495K在过曝的情况下得到的大高宽比精细图形SEM图像。
图3为使用氧反应离子对PMMA负胶掩模板刻蚀前(al) (bl)和刻蚀后(a2) (b2)图形宽度变化。 图4为相同区域的单层石墨在氧反应离子刻蚀前(al)后(a2)的比较。 图5为相同区域的PMMA负胶掩模板图形和单层石墨在氩离子刻蚀前(a)后(b)
的比较。 图6为使用相同工艺制备小于20纳米的Au纳米线SEM图像。
图7为实施例3制备得到的Cu纳米线的SEM图像，其中，图7a为经过Ar离子刻蚀之后带有PMMA负胶掩模板的Cu图形的SEM图像，图7b为刻蚀后得到的高宽均为20nm左右的Cu纳米线条的SEM图像。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1 通过热氧化的方法，在(111)取向p型硼掺杂的Si片上生长一层300纳米厚的Si(^层。随后，将硅片切割成lcmXlcm的小块，通过丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声五分钟，氮气吹干备用，将上述小块硅片记为衬底A。 1)在石英管中装入lcmXlcm的铜箔(购自Alfa Aesar公司，商品编号为No. 13382)，先在40mTorr的压力下以2SCCM通以氢气，并逐渐升温至85(TC，保持温度和氢气流量不变，在500mTorr压力下以30SCCM通以甲烷30分钟，然后迅速降温至室温，制备得到厚度为1.35纳米的单层石墨样品，如图la所示； 2)在单层石墨样品表面以4000转/秒旋涂PMMA 671. 06， 18(TC热台烘胶5分钟，自然冷却后在0. 05g/mL的Fe (N03) 3溶液中浸泡一天一夜，除去铜箔，获得浮在溶液表面的粘附了单层石墨的PMMA薄膜，记为薄膜B，将所述薄膜B在去离子水中洗去残余Fe (N03) 3溶液后，使用衬底A在上述溶液中捞起薄膜B，在薄膜B边缘逐滴滴入丙酮，直至浸没薄膜B，静置直到丙酮完全挥发，此时薄膜B表面PMMA薄膜部分溶解，下层单层石墨与Si02表面紧密结合，这种覆盖在Si02/Si复合衬底上的单层石墨薄膜记为薄膜C，将薄膜C放入丙酮溶液中，溶去残余PMMA光刻胶，使用酒精、去离子水依次清洗，氮气吹干，将薄膜C放入石英管中，以500SCCM氩气和500SCCM氢气流量通过石英管，在45(TC下退火2小时，即可得到转移至Si02/Si复合衬底上高质量的单层石墨层； 3)在步骤2)得到的单层石墨层表面以4000转/秒旋涂PMMA 495K，匀胶40秒，18(TC热台90秒烘胶，得到厚度为130纳米的光刻胶，自然冷却后放入电子束刻蚀机(Raithe Line)中进行刻蚀。 4)在10kV加速电压下，使用7500uAs/cm2的曝光剂量，1. 6纳米的步距，曝光得到
8设计的PMMA负胶掩模板图案，如图lc和d所示。图2为使用PMMA 495K在过曝的情况下 得到的大高宽比精细图形SEM图像。 5)在30SCCM的氧气气流下，以20W的刻蚀功率，使用氧离子反应刻蚀机刻蚀样品 30秒，进一步减薄PMMA负胶掩模板至20纳米线宽以下，如图le所示。图3为使用氧反应 离子对PMMA负胶掩模板刻蚀前(al)、 (bl)和刻蚀后(a2)、 (b2)图形宽度变化。其中，图 3(al)、 (bl)是在通过化学气相沉积的方法制备得到的单层石墨上，通过PMMA过曝得到的 图形，图3(a2) 、 (b2)是在氧反应离子刻蚀机中，以20W的刻蚀功率，通以30SCCM的氧气气 流条件下，刻蚀30秒后PMMA掩模板的减薄对比。图4为相同区域的单层石墨在氧反应离 子刻蚀前(al)后(a2)的比较。图中虚线框中PMMA负胶掩膜板线条可以看出，在这种刻蚀 功率下，即使完全刻蚀掉PMMA负胶掩模板，单层石墨仍然具有很好的稳定性，并没有被刻 蚀减薄。 6)使用450eV的氩离子，在70mA束流下，刻蚀样品30秒，得到线宽20纳米以下 的单层石墨图案，而PMMA负胶掩模板宽度并没有明显变化，如图If所示。图5为相同区域 的PMMA负胶掩模板图形和单层石墨在氩离子刻蚀前(a)后(b)的比较。其中，图5(al)和 (a2)是在氩离子刻蚀机中，以70mA的束流密度，450eV离子能量下，刻蚀60秒前后的对比 图。可以看出，通过CVD生长得到的单层石墨已经完全被刻蚀，多层的区域也明显被减薄， 而PMMA掩模板的宽度并没有明显的变化；图5(b)为氩离子刻蚀之后的SEM图，可以看出， 没有PMMA负胶掩模板保护的区域单层石墨已经被刻蚀干净。
实施例2 将硅片切割成lcmXlcm的小块，通过丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声五分钟， 氮气吹干备用。 1)在硅片上通过离子束溅射得到厚度为280纳米的Au膜，溅射使用离子能量为 450eV，束流为70mA，溅射时间为40min。 2)在样品表面以3000转/秒旋涂PMMA 495K，匀胶60秒，18(TC热台90秒烘胶，得 到厚度为140纳米的光刻胶，自然冷却后放入电子束刻蚀机(Raith e Line)中进行刻蚀。
3)在10kV加速电压下，使用8500uAs/cm2的曝光剂量，1. 6纳米的步距，曝光得到 设计的PMMA负胶掩模板图案 4)在30SCCM的氧气气流下，以15W的刻蚀功率，使用氧离子反应刻蚀机刻蚀样品 60秒，进一步减薄PMMA负胶掩模板至20纳米线宽以下 5)使用450eV的氩离子，在70mA束流下，刻蚀样品5_10分钟，得到线宽20纳米以 下的带有部分PMMA负胶掩膜板残余的Au线条图案，使用氧反应离子刻蚀足够长时间，去除 剩余的PMMA负胶掩模板图案，即得到各种线宽小于20纳米的Au的图形。
图6为按照上述方法制备所得线宽小于20纳米的Au纳米线的SEM图像。其中， 图6 (al)和(a2)显示了氧反应离子刻蚀30s前后PMMA负胶掩模板的减薄过程；(al)为Au 衬底上过曝光PMMA得到的负胶图形；(a2)为经过氧反应离子减薄的作为掩模板的PMMA负 胶。图6(bl)和(b2)分别为以PMMA负胶为掩模板经过氩离子刻蚀得到的小于20纳米的 大高宽比Au线条。
实施例3、 将硅片切割成lcmX lcm的小块，通过丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声五分钟，氮气吹干备用。 1)在硅片上通过离子束溅射得到厚度为20纳米的Cu膜，溅射使用离子能量为 450eV，束流为70mA，溅射时间为8min。 2)在样品表面以6000转/秒旋涂PMMA 495K，匀胶60秒，18(TC热台90秒烘胶， 得到厚度为80纳米的光刻胶，自然冷却后放入电子束刻蚀机(Raith e Line)中进行刻蚀。
3)在10kV加速电压下，使用7500uAs/cm2的曝光剂量，1. 6纳米的步距，曝光得到 设计的PMMA负胶掩模板图案 4)在30SCCM的氧气气流下，以15W的刻蚀功率，使用氧离子反应刻蚀机刻蚀样品 30秒，进一步减薄PMMA负胶掩模板至20纳米线宽以下 5)使用450eV的氩离子，在70mA束流下，刻蚀样品l分钟，使用氧反应离子刻蚀 足够长时间，去除剩余的PMMA负胶掩模板图案，即得到线宽小于20纳米的Cu的图形。图 7中a图显示的即为经过Ar离子刻蚀之后带有PMMA负胶掩模板的Cu图形，在氧离子反应 刻蚀机中以30SCCM氧气流量，35W功率刻蚀10分钟，即得到高宽均为20nm左右的Cu的纳 米线条(图7b)。
权利要求
一种制备具有20纳米线宽以下单层石墨基质的方法，包括如下步骤1)在衬底上外延生长单层石墨层；2)将所述步骤1)得到的单层石墨层转移到SiO2/Si复合衬底上；3)在所述步骤2)得到的单层石墨层之上制备聚甲基丙烯酸甲酯层并烘干；4)将所述步骤3)得到的聚甲基丙烯酸甲酯层进行曝光，得到图案化的聚甲基丙烯酸甲酯层；去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯，得到作为掩膜的聚甲基丙烯酸甲酯负胶图形；5)对所述步骤4)得到的掩膜进行刻蚀，使所述掩膜的线宽减小至20纳米以下；6)对所述步骤5)刻蚀完毕得到的掩膜继续进行刻蚀，去除没有掩膜保护的单层石墨层，得到所述具有20纳米线宽以下单层石墨基质。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤1)中，所述构成衬底的材料为铜或镍；所述反应气选自甲烷、乙烯和乙炔中的至少一种；所述载气为氢气；所述衬底的厚度为700-50000纳米，优选700纳米；所述单层石墨层的厚度为0. 9_1. 35纳米，优选1. 35纳米；所述步骤2)中，所述Si02/Si衬底是由厚度为280-320纳米的Si02层和厚度为500-800微米的P型Si衬底层组成；所述单层石墨层与所述Si02层接触；所述步骤3)中，所述聚甲基丙烯酸甲酯层的厚度为50-300纳米，优选130纳米；所述步骤4)中，所述图案化的聚甲基丙烯酸甲酯层的线宽为20-500纳米，优选20纳米。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步骤1)中，沉积的压力为500-1300mTorr，优选500mTorr ;沉积的温度为850-1050°C ，优选850°C ;反应气的流量为2-30SCCM，优选30SCCM ;沉积的时间为15-60分钟，优选30分钟；所述步骤3)中，所述制备聚甲基丙烯酸甲酯层的方法为旋涂法；所述旋涂法中，旋涂的速率为2000-6000转/秒，优选4000转/秒；烘干的温度为170-250°C ，优选180°C ，烘干的时间为60-300秒，优选90秒;所述步骤4)中，曝光的剂量为7500-45000uAs/cm2，优选8500uAs/cm2 ;步距为1. 6-25. 6纳米，优选1. 6纳米；曝光的加速电压为5-15kV，优选10kV ;所述去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯时，选用丙酮作为溶剂；所述步骤5)中，刻蚀的方法为反应离子刻蚀法，刻蚀的气体选自氧气；所述刻蚀的气体的流量为20-40SCCM，优选30SCCM ;刻蚀的反应功率为15-40W，优选20W ;刻蚀的时间为30-60秒，优选30秒；所述步骤6)中，所述刻蚀的方法为反应离子刻蚀法；反应离子选自氩离子；所述刻蚀步骤中，加速电压为400-600eV，优选450eV ;反应离子束的电流为60-100mA，优选70mA ;刻蚀的时间为30-300秒，优选60秒。
4. 权利要求1-3任一所述方法制备得到的具有20纳米线宽以下单层石墨基质。
5. 权利要求4所述具有20纳米线宽以下单层石墨基质在制备单层石墨纳米器件中的应用。
6. —种制备具有20纳米线宽以下的纳米结构基质的方法，包括如下步骤1) 在衬底上制备金属薄膜层纳米结构基质；2) 在所述步骤1)得到的金属薄膜层之上制备聚甲基丙烯酸甲酯层并烘干；3) 将所述步骤2)得到的聚甲基丙烯酸甲酯层进行曝光，得到图案化的聚甲基丙烯酸甲酯层；去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯，得到作为掩膜的聚甲基丙烯酸甲酯负胶图形；4) 对所述步骤3)得到的掩膜进行刻蚀，使所述掩膜的线宽减小至20纳米以下；5) 对所述步骤4)刻蚀完毕得到的掩膜继续刻蚀，去除没有掩膜保护的单层纳米层，得到所述具有20纳米线宽以下的纳米结构基质。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤1)中，所述衬底为硅衬底；所述步骤2)中，所述聚甲基丙烯酸甲酯层的厚度为50-300纳米，优选130纳米；所述步骤3)中，所述图案化的聚甲基丙烯酸甲酯层的线宽为20-500纳米，优选20纳米。
8. 根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述步骤1)中，制备所述金属薄膜层纳米结构基质的方法为离子束溅射法或热蒸发法；所述离子束溅射法中，溅射使用的离子能量为400-600eV，优选450eV，束流为60-80mA，优选70mA，溅射时间为1_60分钟，优选8分钟；所述热蒸发法中，加热电流为50A-80A，优选60A，沉积速度为0.lA/S-0.3A/S，优选0. 2A/S，沉积时间为20分钟-120分钟，优选30分钟。所述步骤2)中，所述制备聚甲基丙烯酸甲酯层的方法为旋涂法；所述旋涂法中，旋涂的速率为2000-6000转/秒，优选4000转/秒；烘干的温度为170-250°C ，优选180°C ，烘干的时间为60-300秒，优选90秒;所述步骤3)曝光步骤中，剂量为7500-45000uAs/cm2，优选8500uAs/cm2，步距为1. 6-25. 6纳米，优选1. 6纳米，加速电压为5-15kV，优选10kV，所述去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯时，选用丙酮作为溶剂；所述步骤4)中，所述刻蚀的方法为反应离子刻蚀法，刻蚀的气体选自氧气；所述刻蚀的气体的流量为20-40SCCM，优选30SCCM ;刻蚀的反应功率为15-40W，优选20W ;刻蚀的时间为30-60秒，优选30秒;所述步骤5)中，所述刻蚀的方法为反应离子刻蚀法；反应离子选自氩离子；所述刻蚀步骤中，加速电压为400-600eV，优选450eV ;反应离子束的电流为60-100mA，优选70mA ;刻蚀的时间为30-300秒，优选60秒。
9. 权利要求6-8任一所述方法制备得到的具有20纳米线宽以下的纳米结构基质。
10. 权利要求9所述具有20纳米线宽以下的纳米结构基质在制备纳米器件中的应用。
全文摘要
本发明公开一种制备具有20纳米线宽以下纳米结构基质的方法。该方法，包括如下步骤1)利用化学气相沉积方法在衬底上外延生长单层纳米层；2)将单层纳米层转移到SiO2/Si复合衬底上，或在Si衬底上通过溅射方法生长其他纳米结构基质；3)在单层纳米层之上制备聚甲基丙烯酸甲酯层并烘干；4)将聚甲基丙烯酸甲酯层进行曝光，得到图案化的聚甲基丙烯酸甲酯层；去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯，得到作为掩膜的聚甲基丙烯酸甲酯负胶图形；5)对所述掩膜进行刻蚀，使所述掩膜的线宽减小至20纳米以下；6)对所述步骤5)刻蚀完毕得到的掩膜继续进行刻蚀，去除没有掩膜保护的单层纳米层，得到所述具有20纳米线宽以下单层纳米结构基质。该方法适宜于刻蚀各种衬底材料，从而在衬底上制备出尺寸可达几个纳米的相应图形。
文档编号B82B1/00GK101794072SQ20101003431
公开日2010年8月4日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者于欣欣, 张琨, 王晓平, 蔡洪冰 申请人:中国科学技术大学