CN102315831B - 基于石墨烯的纳机电谐振器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于石墨烯的纳机电谐振器的制备方法，包括以下步骤：(1)以过渡族金属为催化剂，将催化剂沉积到第一绝缘衬底的表面；然后，以甲烷或乙炔为碳源，采用化学汽相淀积法，在高温下将碳原子沉积到第一绝缘衬底的表面上，从而形成石墨烯薄层；(2)采用图形转印法将得到的石墨烯薄层转印到第二绝缘衬底上；(3)利用金属蒸镀技术将金属材料制作成源电极、漏电极；(4)在样品表面旋转涂布保护胶，然后腐蚀所述石墨烯薄层下方的第二绝缘衬底的一部分以形成沟道；(5)将保护胶腐蚀掉，纳机电谐振器制作完成。本发明所提供的石墨烯谐振器电学性能、机械性能良好、方法与现行MEMS工艺兼容，可用于未来大规模的集成电路生产。
Description
技术领域
本发明属于纳机电系统领域，可用作传感器、致动器、混频器，并可用于射频通信和信息处理领域。
背景技术
纳机电系统(Nano-Electro-Mechanical System，简称NEMS)是指在特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型微机电系统，一般指特征尺寸在亚纳米到几百纳米、以纳米级结构所产生的新效应为工作特征的器件和系统。NEMS器件具有超高的机械谐振频率、品质因子、超高的质量和力感应灵敏度，以及极低的功耗等优点。现有技术中的尺度为100nm的碳化硅NEMS谐振器件，具有高频、高品质因子、非常低的驱动功率(10-12W)和低热噪声和高信噪比等优点，可满足射频通信系统的要求。此外，相对于MEMS器件，NEMS谐振器振动部分极小的质量对外加质量的灵敏度大大提高。目前，已经可以制造灵敏度达到10-24N数量级的NEMS器件，但是超高的灵敏度对器件的再现提出了更高的要求。
石墨稀(Graphene)是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料(0.335纳米厚)，是碳的二维结构。石墨稀是继富勒烯、碳纳米管之后的一种新的碳元素结构形态，作为一种半金属性材料，它具有优异的电学性质。石墨稀最重要的一个性质是电子运输特性，它内部载流子浓度高达1013cm-2量级；因其高度对称的晶格结构，使得其内部载流子的迁移率可达104cm2V-1s-1量级，实验表明，这种迁移率几乎与温度无关，所以在室温下通过提高晶体质量，可以提高载流子的迁移率(高达1x105cm2V-1s-1)。这些特性为石墨稀在未来电子学中的应用奠定了基础。
目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命。石墨稀表现出来的一系列奇特的电子和物理特性，使其在微纳米器件、固态气敏传感器、氢储存和集成电路等诸多领域有着重要的应用前景，人们看到了碳材料真正实用化的可能性。
鉴于以上因素，采用石墨烯材料制作谐振器不但具有纳米谐振器的高频、高品质因子、高灵敏度、低功耗等优点，而且可以预见在未来的电子产品应用中，石墨烯谐振器可以与硅基或碳基的集成电路集成在一起，使其成为电子线路信息传感的一部分，在射频通信和信息处理领域发挥重要的作用。因此，如何采用石墨烯材料批量制备的纳机电谐振器并使其兼容现有的集成电路制造技术是亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种以石墨烯薄层为谐振梁的谐振器，该谐振器与现有传统机械谐振器相比谐振频率更高、线性程度更好、功耗更低的特点。
为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：一种基于石墨烯的纳机电谐振器的制备方法，其特征在于：纳机电谐振器包括绝缘衬底、衬底栅电极、石墨烯薄层、源电极和漏电极，制备方法包括以下步骤：
(1)以过渡族金属为催化剂，将所述催化剂沉积到第一绝缘衬底的表面；
然后，以甲烷或乙炔为碳源，利用化学汽相淀积法，在1000℃高温下将碳原子沉积到第一绝缘衬底的表面上，从而形成石墨烯薄层；
(2)以保护胶为载体，采用图形转印法将得到的石墨烯薄层转印到第二绝缘衬底上；
(3)将所述保护胶腐蚀掉，然后用金属蒸镀技术将金属材料制作成源电极、漏电极；
(4)在步骤(3)中形成的样品表面旋转涂布保护胶，然后腐蚀所述石墨烯薄层下方的所述第二绝缘衬底的一部分以形成沟道；
(5)将所述步骤(4)中的保护胶腐蚀掉，所述纳机电谐振器制作完成。
本发明所提供的石墨烯谐振器电学性能、机械性能良好，方法与现行MEMS工艺兼容，可用于未来大规模的集成电路生产。
附图说明
图1a是本发明提供的结构示意图。
图1b分别为图1a所示结构的剖视图。
图2是制作过程的第一示意图。
图3是制作过程的第二示意图。
图4是制作过程的第三示意图。
图5是制作过程的第四示意图。
图6a是制作过程的第五示意图。
图6b为图6a的俯视图。
图7是制作过程的第六示意图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行详细说明。
图1a示出了本发明所提出的谐振器结构图。如图1a所示，所述谐振器包括绝缘衬底102、衬底栅电极101、石墨烯薄层103、源电极104和漏电极105。图1b进一步示出了图1a所示结构的剖视图，如图1b所示，介于石墨烯谐振器103和衬底栅电极101间的是绝缘衬底102被腐蚀后形成的沟道。优选地，所述衬底栅电极101为P型硅栅电极。
所述石墨烯谐振器的制造方法如下：
1.以过渡族金属为催化剂，将所述催化剂沉积到第一绝缘衬底的表面；然后，以甲烷或乙炔为碳源，利用化学汽相淀积法(CVD，即Chemi ca l Vapor Depo si t i on)，在高温下将碳原子沉积到以二氧化硅／硅为衬底的材料表面上(其中，所述衬底中的二氧化硅对应于图1中的部件102，硅对应于图1中的部件101)，从而形成石墨烯薄层；优选地，所述过渡族金属是铜或镍。
2.以保护胶为载体，利用转印法将得到的石墨烯薄层转印到另一个新的绝缘衬底上，如二氧化硅／硅衬底。优选地，所述保护胶可以是PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。
3.将所述保护胶(优选是PMMA)腐蚀掉，然后用金属蒸镀技术将金属材料制作成源电极、漏电极。
4.在步骤3中形成的样品表面旋转涂布保护胶(优选地，保护胶是PMMA)，然后用氧化硅蚀刻缓冲液(BufferedOxide Etch溶液，即BOE溶液)或氟化氢(HF)溶液腐蚀所述石墨烯薄层下方的二氧化硅绝缘层以形成沟道，腐蚀后效果如图7所示。
5.将所述步骤4中的保护胶(优选地，是PMMA)腐蚀掉，谐振器制作完成，其结构如图1b所示。
下面，进一步对上述各步骤中所涉及的具体内容进行详细说明：
1)前期准备
如图2所示，其中附图标记201为催化剂，即过渡族金属(如铜)。
首先，将催化剂(如铜)放入温度约为35℃、浓度为20％-30％的醋酸溶液中反应几分钟，以除去催化剂(如铜)表面的氧化物，再用去离子水清洗铜块；
然后，在二氧化硅／硅衬底表面涂一层用于光刻的保护胶，根据谐振梁设计尺寸的需要，进行曝光处理，然后将催化剂(如铜)原子沉积到二氧化硅／硅衬底表面。优选地，所述曝光处理采用电子束曝光法(E l ec t ron-beam Lithography)进行处理，优选地，所述沉积采用金属蒸镀技术。优选地，所述二氧化硅／硅衬底可以采用Si l iconQues t公司已制备好的衬底或自行制备；
最后，除去所述光刻用的保护胶，从而制作出所需的过渡族金属(如铜)／二氧化硅／硅衬底。优选地，使用丙酮溶液除去光刻胶。需要说明的是，所述过渡族金属(如铜)／二氧化硅／硅衬底是指在二氧化硅／硅衬底基础上镀上一层过渡族金属(如铜)薄膜。
2)石墨烯薄层的制备
将制作好的过渡族金属(如铜)／二氧化硅／硅衬底放入反应室，并通入甲烷(或乙炔)、氢气和惰性气体的混合气体，在1000℃高温条件下，在所述过渡族金属(如铜)的催化作用下将在所述过渡族金属(如铜)的表面产生单层或多层的石墨烯薄层。优选地，所述惰性气体是氦气。
3)石墨烯薄层的转印
首先，如图3所示，在所述2)中制备得到的所述石墨烯薄层表面旋转涂布一层保护胶(优选地，是PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯)，图3中301为保护胶(PMMA)，以形成第一样品；
然后，将第一样品放入温度为90℃、浓度为1mol／L的氢氧化钠溶液中，将所述过渡族金属(如铜)／二氧化硅／硅衬底中的二氧化硅部分腐蚀掉，以释放第一样品中的保护胶／石墨烯／过渡族金属(如铜)的结合体，再用去离子水清洗；
接下来，将脱离下来的保护胶／石墨烯／过渡族金属(如铜)的结合体放入浓度为20％的氯化铁溶液中，直至过渡族金属(如铜)被完全腐蚀掉，从而得到悬空的保护胶／石墨烯的结合体，再用去离子水清洗；
最后，采用图形转印法将所述保护胶／石墨烯的结合体转移到另一个新的二氧化硅／硅衬底上。
4)源电极、漏电极和栅电极的制作
首先，除去所述3)中所制得的样品表面的保护胶，优选地，用丙酮溶液将样品表面的保护胶(优选地，是PMMA)完全除去；如图4所示，在范德华力作用下，所述石墨烯薄层将吸附在所述另一个新的二氧化硅／硅衬底上；
然后，如图5所示，采用金属蒸镀技术，将金(Au)和铬(Cr)依次镀在石墨烯薄层的上层的、与沟道边缘衔接的一端，将其作为源电极；用同样的方法，将金和铬镀在石墨烯薄层的上层的、与沟道边缘衔接的另一端，将其作为漏电极；
进一步，所述栅电极为所述另一个新的二氧化硅／硅衬底的底层已有的P型硅，故在此不陈述制作方法。
5)沟道的制作
首先，在所述4)中制得的样品表面旋转涂布一层保护胶(优选地，是PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯)；
然后，如图6a-6b所示，用丙酮溶液将保护胶(优选地，是PMMA)腐蚀出一个小孔，优选地，为了满足后续的刻蚀工艺需要，该孔的直径应大于开孔位置处石墨烯薄层的宽度；
接着，将氧化硅蚀刻缓冲液(BOE溶液)或者氟化氢(HF)溶液沿小孔注入，刻蚀位于所述石墨烯薄层下方的所述另一个新的二氧化硅／硅衬底上的二氧化硅绝缘层，从而形成沟道，腐蚀后效果如图7所示；
最后，用丙酮溶液将该样品表面的保护胶(优选地，是PMMA)完全溶解掉，最终结构如图1.b所示。
本发明所提供的石墨烯谐振器电学性能、机械性能良好，方法与现行MEMS工艺兼容，可用于未来大规模的集成电路生产。
Claims (8)
1.一种基于石墨烯的纳机电谐振器的制备方法，其特征在于：所述纳机电谐振器包括绝缘衬底、衬底栅电极、石墨烯薄层、源电极和漏电极，所述制备方法包括以下步骤：
(1)以过渡族金属为催化剂，将所述催化剂沉积到第一绝缘衬底的表面；
然后，以甲烷或乙炔为碳源，利用化学汽相淀积法，在1000℃高温下将碳原子沉积到第一绝缘衬底的表面上，从而形成石墨烯薄层；
(2)以保护胶为载体，采用图形转印法将得到的石墨烯薄层转印到第二绝缘衬底上；
(3)将所述保护胶腐蚀掉，然后用金属蒸镀技术将金属材料制作成源电极、漏电极；
(4)在步骤(3)中形成的样品表面旋转涂布保护胶，然后腐蚀所述石墨烯薄层下方的所述第二绝缘衬底的一部分以形成沟道；
(5)将所述步骤(4)中的保护胶腐蚀掉，所述纳机电谐振器制作完成。
2.如权利要求1所示的方法，其特征在于：所述过渡族金属是铜或镍。
3.如权利要求1所示的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的第一绝缘衬底是二氧化硅／硅衬底，所述步骤(1)包括：
首先，除去所述催化剂表面的氧化物；
然后，在所述第一绝缘衬底的表面涂一层用于光刻的保护胶，根据谐振梁设计尺寸的需要，进行曝光处理，然后将所述催化剂的原子沉积到所述第一绝缘衬底的表面；
最后，除去所述用于光刻的保护胶，从而制作出所需的过渡族金属／二氧化硅／硅衬底。
4.如权利要求3所示的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的石墨烯薄层的沉积过程如下：将制作好的所述过渡族金属／二氧化硅／硅衬底放入反应室，并通入甲烷或乙炔、氢气和惰性气体的混合气体，在1000℃的温度条件下，在所述过渡族金属的催化作用下，将在所述过渡族金属的表面产生单层或多层的石墨烯薄层。
5.如权利要求4所示的方法，其特征在于：所述石墨烯薄层的转印过程如下：
首先，在所述石墨烯薄层表面旋转涂布一层保护胶；
然后，将沉积了石墨烯薄层的样品中的二氧化硅部分腐蚀掉，以释放该样品中的保护胶／石墨烯／过渡族金属的结合体；
接下来，将所述保护胶／石墨烯／过渡族金属的结合体中的过渡族金属完全腐蚀掉，从而得到悬空的保护胶／石墨烯的结合体；
最后，采用图形转印法将所述保护胶／石墨烯的结合体转移到第二绝缘衬底上。
6.如权利要求1-5任一项所示的方法，其特征在于：所述源电极、漏电极的制作方法如下：用金属蒸镀技术，将至少两种电极金属依次镀在石墨烯薄层的上层的、与沟道边缘衔接的一端，将其作为源电极；用金属蒸镀技术，将至少两种电极金属镀在石墨烯薄层的上层的、与沟道边缘衔接的另一端，将其作为漏电极。
7.如权利要求6所示的方法，其特征在于：所述沟道的制作方法如下：
首先，在形成了源电极、漏电极的样品表面旋转涂布一层保护胶；
然后，将保护胶腐蚀出一个或多个小孔；
接着，将氧化硅蚀刻缓冲液或者氟化氢(HF)溶液沿所述小孔注入，刻蚀石墨烯薄层下方的所述第二绝缘衬底的二氧化硅以形成沟道。
8.如权利要求7所示的方法，其特征在于：该小孔的直径应大于开孔位置处石墨烯薄层的宽度。
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