CN101996853A - 一种对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，以利用这种方法来实现石墨烯晶向定位、石墨烯的加工剪裁及图案化，该方法包括：采用含氢等离子体对石墨或石墨烯的表面进行各向异性刻蚀，在石墨或石墨烯表面形成多个规则的六角形空洞，该多个六角形空洞均具有相同的取向，该取向与石墨烯的晶向是匹配的，且刻蚀边缘具有原子级平整，边缘结构均为zigzag构型。利用本发明，克服了现有对石墨或石墨烯进行刻蚀方法存在的局限性，实现了尺寸可控、并具有原子级平整边缘的石墨烯的加工剪裁及图案化。
Description
技术领域
本发明涉及集成半导体及半导体工艺与器件领域，尤其涉及一种对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法。
背景技术
石墨烯是近几年来物理学和材料学领域的重点研究对象之一。它是严格的二维晶体，由sp2杂化碳原子键合的且具有六方点阵蜂窝状二维结构。尽管石墨烯发展历史较短(2004年英国科学家首次报道)，然而其优异的物理性能和潜在的应用前景已经引起了物理界和化学界的广泛关注，成为碳纳米管后凝聚态物理和材料科学领域中又一研究热点。
石墨烯具有极其优良的电子学特性，载流子是零质量狄拉克费米子(低能下能量色散关系为线性)，有非常高的载流子浓度和高迁移率，能够实现弹道输；具有弱电-声子相互作用和微米尺度电子相干长度以及表现出室温量子霍尔效应。石墨烯属于零能隙的半导体，通过尺寸效应或量子受限，例如石墨烯纳米带，引入能隙，通过调节石墨烯纳米带宽，可以实现对石墨烯带隙宽度的调节(能隙与纳米带宽之间存在反比关系)，从而制作石墨烯场效应晶体管。而石墨烯条带尺寸越小时，边缘结构对器件的特性影响非常大，特定方向的边缘在器件的制作中才有意义。因此，小尺寸、具有特定方向、原子级光滑边缘的石墨烯纳米条带的获得是实现高开关比和高迁移率的石墨烯场效应晶体管的关键所在。因而，对石墨或石墨烯的表面刻蚀进行石墨烯的加工剪裁及图案化已成为石墨烯器件研究中的一个重要方向。
目前，石墨或石墨烯的表面刻蚀的方法主要有以下几种：第一、图形曝光刻蚀。先用PMMMA做掩模，再电子束曝光，然后采用氧的等离子体刻蚀或反应离子刻蚀。缺点是：石墨烯刻蚀边缘不光滑，粗糙度大于5nm。第二、化学方法裁剪。虽然能够得到边缘粗糙度小于5nm的纳米条带，但产量低，条带的尺寸不可控，并有可能引入杂质。第三、扫描隧道显微镜探针加工技术裁剪和原子力显微镜探针阳极氧化技术刻蚀。这两种探针技术能够得到边缘相对光滑的纳米条带，但操作复杂，费时，重复性差，不具有实用性。
可见，上述石墨或石墨烯的各种表面刻蚀加工方法都有其局限性。因此，尺寸可控、并具有原子级平整边缘的石墨烯的加工剪裁及图案化仍存在很多困难。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，以克服现有对石墨或石墨烯进行表面刻蚀方法存在的局限性，实现尺寸可控、并具有原子级平整边缘的石墨烯的加工剪裁及图案化。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，以利用这种方法来实现石墨烯晶向定位、石墨烯的加工剪裁及图案化，该方法包括：
采用含氢等离子体对石墨或石墨烯的表面进行各向异性刻蚀，在石墨或石墨烯表面形成多个规则的六角形空洞，该多个六角形空洞均具有相同的取向，该取向与石墨烯的晶向是匹配的，且刻蚀边缘具有原子级平整，边缘结构均为zigzag构型。
上述方案中，所述采用含氢等离子体对石墨或石墨烯的表面进行各向异性刻蚀，是根据含氢等离子体对石墨或石墨烯表面各个方向的刻蚀速度不一样的特性实现的。
上述方案中，所述采用含氢等离子体对石墨或石墨烯的表面进行各向异性刻蚀，是利用了含氢等离子体和石墨或石墨烯在特定条件下反应进行的，该特定条件为：
反应温度：200～520℃，气压：0.3～0.4Torr，氢等离子体功率：50～100W，刻蚀速度：5nm/分钟。
上述方案中，该方法在形成多个规则的六角形空洞之后还包括：采用氢气钝化刻蚀边缘。
上述方案中，该方法在采用氢气钝化刻蚀边缘之后还包括：根据刻蚀的六角形空洞，确定石墨烯的晶向。
上述方案中，该方法在确定石墨烯的晶向之后还包括：根据石墨烯的晶向，按照器件要求，结合微加工技术设计写入各种石墨烯图案和纳米条带图形。
上述方案中，所述各种石墨烯图案至少包括：Y、Z或工。
上述方案中，该方法在写入各种石墨烯图案和纳米条带图形之后还包括：再次采用氢等离子体对石墨或石墨烯的表面进一步进行各向异性刻蚀。
上述方案中，该方法中采用的刻蚀为干法刻蚀，或者是气相刻蚀。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，克服了现有对石墨或石墨烯进行表面刻蚀方法存在的局限性，实现了尺寸可控、并具有原子级平整边缘的石墨烯的加工剪裁及图案化。
2、本发明提供的这种对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，刻蚀的所有六角形空洞取向一致，且和石墨烯的晶向匹配，可以根据空洞确定石墨烯的晶向；
3、本发明提供的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，和微加工技术相结合，可以根据石墨烯的晶向，按照器件的需要，加工任意设计方向的石墨烯图案(例如Y、Z、工等图案)；
4、本发明提供的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，和微加工技术相结合，还可以剪裁，获得具有原子级平整的zigzag边缘的石墨烯；可以加工小于10nm的石墨烯纳米条带，具有原子级平整的zigzag边缘；
5、利用本发明，还可用于石墨烯的边界修饰和改性(H-Passivation)等。
附图说明
图1是本发明提供的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法流程图；
图2是在石墨或石墨烯表面形成多个规则的六角形空洞的示意图；
图3是写入石墨烯的各种图案的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提出了自己独特的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，即含氢的气体(包括氢气、甲烷、乙烯等等)的等离子体各向异性刻蚀法。石墨烯纳米条带的典型边缘有zigzag和armchair两种。采用这种方法加工得到的石墨烯纳米条带，具有原子级平整的条带边缘，并且边缘结构均为zigzag构型。
如图1所示，图1是本发明提供的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法流程图，该方法包括以下步骤：
首先，在等离子体增强化学气相沉积系统(PECVD)中通入含氢的气体，在一定的合适反应条件下(反应温度：200～520℃，气压：0.3～0.4Torr，氢等离子体功率：50～100W，刻蚀速度：5nm/分钟)，采用氢等离子体在石墨或石墨烯表面进行刻蚀。因为氢和石墨或石墨烯表面碳原子的反应沿各个方向的反应速度不一样，或者称氢等离子体在石墨或石墨烯表面各个方向的刻蚀速度是不一样的，即氢等离子体的各向异性刻蚀。刻蚀的结果是：在石墨或石墨烯表面形成多个规则的六角形空洞(如图2所示)。所有的六角形空洞均具有相同的取向，和石墨烯的晶向是匹配的，且刻蚀边缘具有原子级平整，边缘结构均为zigzag构型；
然后用氢气钝化刻蚀边缘(H-Passivation)。
接下来，根据刻蚀的六角形空洞，确定石墨烯的晶向。
然后根据石墨烯的晶向，按照器件要求，结合微加工技术设计、写入各种石墨烯图案(例如Y、Z、工等图案，如图3所示)和纳米条带图形。
进而，再采用氢等离子体进一步刻蚀。
经过上述个步骤，可以加工获得任意设计方向的石墨烯图案；剪裁石墨烯，获得具有原子级平整的zigzag边缘；加工石墨烯纳米条带，获得尺寸小于10nm、具有原子级平整的zigzag边缘的石墨烯纳米条带。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，以利用这种方法来实现石墨烯晶向定位、石墨烯的加工剪裁及图案化，其特征在于，该方法包括：
采用含氢等离子体对石墨或石墨烯的表面进行各向异性刻蚀，在石墨或石墨烯表面形成多个规则的六角形空洞，该多个六角形空洞均具有相同的取向，该取向与石墨烯的晶向是匹配的，且刻蚀边缘具有原子级平整，边缘结构均为zigzag构型。
2.根据权利要求1所述的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，其特征在于，所述采用含氢等离子体对石墨或石墨烯的表面进行各向异性刻蚀，是根据含氢等离子体对石墨或石墨烯表面各个方向的刻蚀速度不一样的特性实现的。
3.根据权利要求1所述的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，其特征在于，所述采用含氢等离子体对石墨或石墨烯的表面进行各向异性刻蚀，是利用了含氢等离子体和石墨或石墨烯在特定条件下反应进行的，该特定条件为：
反应温度：200～520℃，气压：0.3～0.4Torr，氢等离子体功率：50～100W，刻蚀速度：5nm/分钟。
4.根据权利要求1所述的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，其特征在于，该方法在形成多个规则的六角形空洞之后还包括：采用氢气钝化刻蚀边缘。
5.根据权利要求4所述的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，其特征在于，该方法在采用氢气钝化刻蚀边缘之后还包括：根据刻蚀的六角形空洞，确定石墨烯的晶向。
6.根据权利要求5所述的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，其特征在于，该方法在确定石墨烯的晶向之后还包括：根据石墨烯的晶向，按照器件要求，结合微加工技术设计写入各种石墨烯图案和纳米条带图形。
7.根据权利要求6所述的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，其特征在于，所述各种石墨烯图案至少包括：Y、Z或工。
8.根据权利要求6所述的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，其特征在于，该方法在写入各种石墨烯图案和纳米条带图形之后还包括：再次采用氢等离子体对石墨或石墨烯的表面进一步进行各向异性刻蚀，加工获得任意设计方向的石墨烯图案；剪裁石墨烯，获得具有原子级平整的zigzag边缘；获得尺寸小于10nm、具有原子级平整的zigzag边缘的石墨烯纳米条带。
9.根据权利要求1所述的对石墨或石墨烯进行各向异性刻蚀的方法，其特征在于，该方法中采用的刻蚀为干法刻蚀，或者是气相刻蚀。
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