CN102243990A

CN102243990A - 石墨烯纳米带的制备方法

Info

Publication number: CN102243990A
Application number: CN2011101685623A
Authority: CN
Inventors: 程新红; 张有为; 徐大伟; 王中健; 夏超; 俞跃辉
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2011-11-16

Abstract

本发明提供了一种石墨烯纳米带的制备方法，涉及半导体材料的制备领域。在该制备方法中，首先在半导体衬底上生成过渡金属薄膜层，在该过渡金属薄膜层上涂覆光刻胶以形成光刻胶层并对其烘干后，藉由一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影、烘干，以便在所述光刻胶层上形成与所述版图相对应的图形。接着使碳离子经由所述图形注入至所述过渡金属薄膜层中后，去除所述光刻胶层并清洗所述过渡金属薄膜层表面。最后对所述过渡金属薄膜层进行退火处理，以使碳原子从所述过渡金属薄膜层中析出重构，即可制备出石墨烯纳米带。根据本发明的制备方法制备的石墨烯纳米带，形状和尺寸易控制，并且产率高。

Description

石墨烯纳米带的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体材料的制备领域，尤其涉及一种石墨烯纳米带的制备方法。

背景技术

根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。利用尺寸不断减小的硅基半导体材料(硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽)来延长摩尔定律的发展道路已逐渐接近终点。随着微电子领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工的极限。

为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术(Beyond Silicon)，其中最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯(Graphene)作为一种新型的二维六方蜂巢结构碳原子晶体，自从2004年被发现以来，在全世界引起了广泛的关注。

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，在二维平面上每个碳原子以sp²杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ键，剩余的一个p电子垂直于石墨烯平面，与周围原子形成π键，碳原子间相互围成正六边形的平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子。实验证明石墨烯不仅具有非常出色的力学性能和热稳定性，还具有独特的电学性质。石墨烯是零带隙材料，其电子的有效质量为零，并以10⁶m/s的恒定速率运动，行为与光子相似，由此，石墨的理论电子迁移率高达2×10⁵cm²/V·s，实验测得迁移率也超过1.5×10⁴cm²/V·s，是商业硅片中电子迁移率的10倍，并具有常温整数量子霍尔效应等新奇的物理性质。正是其优异的电学性能使发展石墨烯基的晶体管和集成电路成为可能，并有可能完全取代硅成为新一代的主流半导体材料。

石墨烯的电子性质与其尺寸和几何形状密切相关，只有石墨烯纳米带由于量子限域效应和边缘效应而拥有能隙，具有半导体性能。目前，获得石墨烯纳米带的方法主要有光刻蚀法、化学分散法和有机合成法。目前普遍使用的光刻蚀法能精确控制石墨烯薄膜的尺寸和形状，但产率很低并且石墨烯边缘粗糙；另一方面，采用化学分散法和有机合成法时，产率很高但可控性差。因此，需要提出一种可控性高且产率高的制备石墨烯纳米带的方法。

发明内容

鉴于上述在制备石墨烯纳米带的现有技术中存在的问题，本发明提供一种石墨烯纳米带的制备方法，以确保制备的石墨烯纳米带具有较高的可控性及产率。

为达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯纳米带的制备方法，其包括：在半导体衬底上生成过渡金属薄膜层；在所述过渡金属薄膜层上均匀涂覆光刻胶以形成光刻胶层，并将其烘干；藉由一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影、烘干，以便在所述光刻胶层上形成与所述版图相对应的图形；注入碳离子，以使所述碳离子经由所述图形注入至所述过渡金属薄膜层中；去除所述光刻胶层，并清洗所述过渡金属薄膜层的表面；以及对所述过渡金属薄膜层进行退火处理，使碳原子从所述过渡金属薄膜层中析出重构，以便在所述金属薄膜层表面制备出具有特定形状和尺寸的石墨烯纳米带。

在本发明中优选的是，所述过渡金属薄膜层是采用过渡金属Ni、Ru、Ir、Pt、或者Co来形成的。

在本发明中优选的是，所述过渡金属薄膜层是采用合金来形成的，所述合金是由选自过渡金属Ni、Ru、Ir、Pt、以及Co所组成的群中的至少两种制备的。

在本发明中优选的是，所述过渡金属薄膜层是采用化学沉积法、溅射法、以及电子束蒸发法中一种方法形成。

在本发明中优选的是，所述碳离子是通过用碳离子束轰击所述过渡金属薄膜层被注入的。

在本发明中优选的是，所述过渡金属薄膜层的厚度为50纳米至300纳米。

在本发明中优选的是，所述退火处理是通过将所述过渡金属薄膜层在惰性气体的环境中加热至700℃至1200℃的温度范围内，并保持5分钟至60分钟后再冷却来完成的。

另外，在本发明中优选的是，所述退火处理是通过将所述过渡金属薄膜层在真空环境中加热至700℃至1200℃的温度范围内，并保持5分钟至60分钟后再冷却来完成的。

根据本发明的制备方法，通过依据事先画好的版图对光刻胶层曝光、显影进而烘干来在光刻胶层定义出图形，接着将碳离子在光刻胶层定义出的区域内注入过渡金属薄膜层，而其他区域由于被光刻胶掩蔽碳离子无法进入，最后通过加热过渡金属薄膜层而后冷却降温以使碳离子从过渡金属薄膜层中析出重构，由此制备出特定形状和尺寸的石墨烯纳米带。根据本发明的制备石墨烯纳米带的方法，能够容易地控制所制备的石墨烯纳米带的形状和尺寸，并且产率很高。

附图说明

图1为本发明的石墨烯纳米带的制备方法的流程示意图。

图2至图8为按照图1所示的流程制备石墨烯纳米带的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，通过具体实施例来对本发明进行详细说明。所提供的实施例为本发明的优选实施例，但不应被认为本发明仅限于在此阐述的实施例中。在图中，为了更清楚的反应结构，适当放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。参考图是本发明的示意图，图中的表示只是示意性质的，不应该被认为限制本发明的范围。

图1为本发明的石墨烯纳米带的制备方法的流程示意图。如图1所示，所述制备方法包括如下步骤：

S101，在半导体衬底上生成过渡金属薄膜层；

S103，在所述过渡金属薄膜层上均匀涂覆光刻胶，以形成光刻胶层并对其加热烘干；

S105，藉由一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影、烘干，以便在所述光刻胶层上形成与所述版图相对应的图形；

S107，实施碳离子注入工艺，以使所述碳离子经由所述图形注入至所述过渡金属薄膜层，而在其他区域碳离子会被所述光刻胶层掩蔽无法进入过渡金属薄膜层中；

S109，去除所述光刻胶层并清洗所述过渡金属薄膜层的表面；以及

S111，对所述过渡金属薄膜层进行退火处理，使碳原子从所述过渡金属薄膜中析出重构，以便制备出具有特定形状和尺寸的石墨烯纳米带。

首先执行步骤S101，提供半导体衬底并在其上生成过渡金属薄膜层。如图2所示，半导体衬底11为形成有半导体器件的硅，其形成有厚度约为300nm的SiO₂层12。另外，半导体衬底11也可为形成有半导体器件的绝缘体上硅(SOI)、或者为形成有半导体器件的II-VI或者III～V族化合物半导体。接着在SiO₂层12上生成过渡金属薄膜层13，如图2所示。在本实施方式中，所述过渡金属薄膜层13为采用Ni，Ru、Ir、Pt或者Co等生成的薄膜，但并不局限于此，在另一种实施方式中，所述过渡金属薄膜层13也可为采用由Ni，Ru，Ir，Pt、以及Co等过渡金属中的至少两种制成的合金来生成的薄膜。所述过渡金属薄膜层13是通过化学沉积法，溅射法，电子束蒸发法中一种方法形成的，其厚度为50纳米至300纳米。

接着，如图3所示，在过渡金属薄膜层13上均匀地涂覆光刻胶以形成光刻胶层14，并对其进行加热烘干，即执行步骤S103。其中，对光刻胶层14的烘干是通过将其加热到80℃至120℃的温度范围内保持1分钟至30分钟来完成的。通过加热烘干，可降低光刻胶层14被灰尘等污染的可能性，减轻光刻胶层14的应力，从而提高光刻胶层14的附着性。

之后，在步骤S105中，如图4所示，藉由一预设有版图的光掩膜15或称光罩(mask)对光刻胶层14曝光，之后显影、烘干，以便在光刻胶层14上形成与所述版图相对应的图形。需要特别说明的是，若该光刻胶层14上的光刻胶为正胶，则在光刻胶层14上形成与所述版图相对应的图形应与该版图相同；若该光刻胶层14上的光刻胶为负胶，则在光刻胶层14上形成与所述版图相对应的图形应与该版图互补。曝光后，即在光刻胶层14上与光掩膜15上版图相对应的图形，其在显影后便显现出来，从而在光刻胶层14定义出图形，如图5所示。其中，可根据所使用的光刻胶的种类来选择不同的显影液。显影后，将光刻胶层14加热到100℃至200℃的温度范围内保持1分钟至30分钟进行烘干。通过烘干过程，可除去光刻胶层14中剩余的溶液，增强其对过渡金属薄膜层13的附着性，提高光刻胶层14在后述碳离子注入过程中的抗蚀性和保护能力，并且减少光刻胶层14中的缺陷。在此温度下，光刻胶层14软化，形成为类似玻璃体在高温下的熔融状态，从而光刻胶层14表面在表面张力作用下圆滑化，光刻胶层14中的缺陷由此减少，并且光刻胶层14的图形的边缘轮廓得以修正。另外，根据本发明的该实施例，可通过改变预设光掩膜15的版图，来控制后面将详细叙述的石墨烯纳米带16的形状和尺寸。

接着进行步骤S107，即实施碳离子注入工艺。具体而言，在光刻胶层14所定义的图形区域将碳离子注入到过渡金属薄膜层13中，而在其他区域中碳离子由于被光刻胶层14掩蔽无法进入到过渡金属薄膜层13中，如图6。例如，碳离子注入可通过用碳离子束轰击过渡金属薄膜层13来实现。

在完成碳离子注入工艺后，如图7所示，去除光刻胶层14并将过渡金属薄膜层13的表面清洗干净，即执行步骤S109，以避免光刻胶残余在过渡金属薄膜层13表面。其中，光刻胶层14的去除可采用有机溶剂或者无机溶剂来通过湿法去胶来完成，也可通过利用等离子体将光刻胶剥除的干法去胶法完成。

最后执行步骤S111，对过渡金属薄膜层13进行退火处理，使碳原子从所述过渡金属薄膜中析出重构。首先，将过渡金属薄膜层13在氩气等惰性气体保护下或者在真空环境下加热到700℃至1200℃的温度范围内，并且保持5分钟至60分钟后降温，碳原子将从过渡金属薄膜层13表面中析出重构，由此可在过渡金属薄膜层13的表面制备出具有在步骤S105中由光刻胶层14所定义的图形和尺寸的石墨烯纳米带16，如图8所示。

另外，根据本发明，能够在尺寸为诸如6寸、8寸等的半导体衬底上生长一层过渡金属薄膜层13，进而一次性制备出多条石墨烯纳米带16。此外，也能够通过利用载有多个不同版图的光掩模15来进行光刻，来同时制备出多条与上述多个不同版图相对应的石墨烯纳米带16。因此，根据本发明的方法制备石墨烯纳米带时产率很高。

综上所述，使用本发明的制备石墨烯纳米带的方法，能够根据需要在步骤S105对光刻胶曝光之后显影而定义出不同形状和尺寸的图形，制备出具有特定形状和尺寸的石墨烯纳米带。本发明的制备石墨烯纳米带的方法，具有可控性高并且产率高的优点。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如本发明的权利要求书所列。

Claims

1.一种石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

在半导体衬底上生成过渡金属薄膜层；

在所述过渡金属薄膜层上均匀涂覆光刻胶以形成光刻胶层，并将其烘干；

藉由一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影、烘干，以便在所述光刻胶层上形成与所述版图相对应的图形；

注入碳离子，以使所述碳离子经由所述图形注入至所述过渡金属薄膜层中；

去除所述光刻胶层，并清洗所述过渡金属薄膜层的表面；以及

对所述过渡金属薄膜层进行退火处理，使碳原子从所述过渡金属薄膜层中析出重构，以便在所述金属薄膜层表面制备出具有特定形状和尺寸的石墨烯纳米带。

2.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述过渡金属薄膜层是采用过渡金属Ni、Ru、Ir、Pt、或者Co来形成的。

3.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述过渡金属薄膜层是采用合金来形成的，所述合金是由选自过渡金属Ni、Ru、Ir、Pt、以及Co所组成的群中的至少两种制备的。

4.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述过渡金属薄膜层是采用化学沉积法、溅射法、以及电子束蒸发法中一种方法形成。

5.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述碳离子是通过用碳离子束轰击所述过渡金属薄膜层被注入的。

6.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述过渡金属薄膜层的厚度为50纳米至300纳米。

7.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述退火处理是通过将所述过渡金属薄膜层在惰性气体的环境中加热至700℃至1200℃的温度范围内，并保持5分钟至60分钟后再冷却来完成的。

8.根据权利要求1所述的石墨烯纳米带的制备方法，其特征在于，所述退火处理是通过将所述过渡金属薄膜层在真空环境中加热至700℃至1200℃的温度范围内，并保持5分钟至60分钟后再冷却来完成的。