CN102751179B

CN102751179B - 一种制备石墨烯器件的方法

Info

Publication number: CN102751179B
Application number: CN201210212244.7A
Authority: CN
Inventors: 石润伯; 徐慧龙; 张志勇; 彭练矛; 王胜
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: CN102751179A

Abstract

本发明公开了一种制备石墨烯器件的方法。该方法在对石墨烯材料进行光学光刻后，通过氯苯和除胶剂AR 300-70化学处理消除光刻工艺过程对石墨烯性能的影响，并可以对石墨烯的狄拉克点和沟道电阻进行调控。本发明工艺简单，可以批量生产石墨烯器件，大大提高了加工效率并且不损害石墨烯的优异性能。

Description

一种制备石墨烯器件的方法

技术领域

本发明涉及一种石墨烯光学光刻器件制备方法，特别涉及一种在石墨烯上用光学光刻的方法制作器件，通过化学处理控制石墨烯器件性能的方法。

背景技术

石墨烯是纳米科研中的一个热点，尽管在实验室中石墨烯已经被拿来制备成各种各样的电学、光学器件，但这些器件的制备方法主要基于电子束曝光的图形化技术，虽然在实验室中能得到很好的器件性能，但电子束曝光技术成本高昂，时间效率低，不适合于大规模生产。在目前的集成电路工业中，光学光刻是最普遍使用的非常成熟的图形化技术，光学光刻技术的发展一直是集成电路发展的核心推动力。如果要将石墨烯投入到工业应用中去，把光学光刻技术与石墨烯器件和电路的制备结合起来是一个关键。

一般来说，光学光刻制备出的石墨烯器件在性能上与电子束曝光制备的石墨烯器件有相当的差距，并且得到的石墨烯器件在性能上并不可控。因此，找到一种不损害石墨烯性能的光学光刻方法和控制石墨烯器件性能的处理方法，制备出不逊色于电子束曝光器件的且性能可控的石墨烯光学光刻器件，对于石墨烯的应用有着重要意义。

发明内容

本发明旨在克服现有技术中存在的困难，提供一种用光学光刻技术制备石墨烯器件，并通过化学处理控制石墨烯器件性能的方法，其得到的石墨烯器件具有不逊色于传统实验室器件的良好的性能，并且有极高的生产效率，适合大规模生产。

本发明的技术方案如下：

一种制备石墨烯器件的方法，所述石墨烯器件包括电极和石墨烯有源区，制备方法包括以下步骤：

1)在绝缘基底上生长石墨烯，或者在金属上生长石墨烯后再将石墨烯转移到绝缘基底上；

2)通过光学光刻在绝缘基底上定义器件电极的图形，然后沉积电极材料，并通过剥离的方法形成电极的形状；

3)通过光学光刻在石墨烯上定义有源区的形状，刻蚀形成石墨烯有源区的形状；

4)将步骤3)得到的器件用氯苯浸泡一段时间；

5)将器件从氯苯中取出，用除胶剂AR 300-70浸泡处理，得到所需石墨烯器件。

本发明的制备方法中，石墨烯器件的电极和有源区的图形化均由光学光刻完成。所述电极可以是两端或者多端的，石墨烯形状也可以是各种各样的，如矩形、十字形等，根据需要只需设计成不同的掩膜板。

本发明的制备方法中，作为有源区的石墨烯可以是单层的或者多层的。石墨烯有源区可以位于一绝缘基底上，也可以是悬空的。可以直接在绝缘基底上制备石墨烯，例如通过化学气相沉积将石墨烯生长在绝缘基底上面；或者通过化学气相沉积或金属偏析法在金属上生长石墨烯，然后再将石墨烯转移到绝缘基底上面，而且可以使有源区悬空。所述绝缘基底可以是覆盖有SiO₂的硅片，也可以是SiC、石英、云母、玻璃、氮化硼(BN)等绝缘材料基片。

所述电极材料通常是金属，例如Ti/Au电极。在步骤2)可以采用电子束蒸发、热蒸发或者磁控溅射方法沉积金属电极材料。

本发明采用光学光刻方法对石墨烯进行加工。首先将设计的图形制成掩模板，根据需要可以设计成一层或者多层掩模板，后一层图形可以在前一层图形的基础上通过对准标记对准进行套刻。光学光刻定义有源区形状后，可以通过氧等离子刻蚀或者其它刻蚀方法形成所需石墨烯的形状。

本发明可以使用接触式曝光或者非接触式曝光(投影式曝光)等各种光学光刻技术，可以由各种光刻机进行加工，不同的光刻机会有不同的加工精度。

本发明使用的光刻胶可以为正胶或者负胶，不同的光刻胶有不同的工艺条件和加工精度。

上述步骤4)器件浸泡于氯苯中的时间通常是10min～20h，优选为30min-1h。

上述步骤5)器件浸泡于除胶剂AR 300-70中的时间通常是0.5min～2min，优选为1min。

本发明制备的石墨烯光学光刻器件具有不逊色于电子束曝光的电学性能，在光学光刻的工艺条件下维持了石墨烯材料的优点。石墨烯是指由单层或少数几层呈正六边形排布的sp²杂化C原子构成的二维材料，其厚度非常薄，单层只有0.3纳米左右，因此很容易在工艺过程中受到影响。由于光学光刻对石墨烯沟道的影响比电子束曝光严重很多，通常光学光刻器件要比电子束曝光器件性能差很多。本发明通过两种化学试剂处理，克服了光学光刻对石墨烯器件性能的影响，所制备的器件的载流子迁移率达到相同生长条件下电子束曝光器件的水准，为大规模制备各种各样的石墨烯功能器件提供了工艺保证。而且，本发明的工艺条件简单可控，具有良好的可重复性，生产效率高，在提高器件性能的同时大大降低了器件的成本。

附图说明

图1显示了一个有源区形状为十字形的石墨烯器件的俯视图；

图2显示了图1所示器件在实施例步骤3后、化学处理之前的转移曲线；

图3显示了图1所示器件在经过实施例步骤4和5化学处理之后的转移曲线；

图4显示了通过图3的转移曲线计算得到的载流子迁移率；

图5显示了根据本发明方法制备的石墨烯器件在化学处理过程中每个阶段的转移曲线变化情形。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1所示的石墨烯光刻器件，作为有源区的石墨烯材料为十字形，沟道1长10微米，宽为2微米，有四个电极2与石墨烯沟道1进行接触，电极材料为Ti/Au，可以任选两个电极并加一个底栅电压进行场效应测量。金属层和刻蚀层均使用富士I线胶665D进行图形化，该器件的具体制备步骤如下：

1、通过化学气相沉积在金属上生长石墨烯，然后再将石墨烯转移到绝缘基底上面；

2、第一次光学光刻在绝缘基底上定义电极的图形，然后采用电子束蒸发沉积金属，通过剥离的方法形成金属电极的形状；

3、第二次光学光刻在石墨烯上定义沟道的形状，然后通过等离子体刻蚀刻出石墨烯沟道的形状；

4、将刻蚀后的器件放在氯苯里面进行浸泡，时间为半个小时；

5、将刻蚀后的器件放在除胶剂AR300-70里面进行浸泡，时间为45秒。

本实施例对制备的石墨烯器件进行了电学测量，所有测试均在真空下完成。图2显示的是步骤3刻蚀完的器件在未经任何化学处理之前的转移曲线，可以看到由于工艺过程的影响，该石墨烯器件的狄拉克点已经漂移到了50V以上，这表明此时沟道石墨烯的状态已经大大偏离了本征情形，并且这种偏离是不可控制的，这对于大规模制备有应用前景的石墨烯器件来说是一个必须解决的问题。图3显示的是该器件在步骤4和5化学处理之后的转移曲线，可以看到经过处理之后的石墨烯器件，其狄拉克点又重新回到了10V左右，接近于其本征状态，与通常制备的电子束器件相似。这说明本发明提供的方法很好的消除了光学光刻工艺对石墨烯性能的负面影响。

我们对该器件的迁移率进行了计算提取，如图4所示，器件的迁移率可以达到4000cm²/VS，这对于化学气相沉积生长的石墨烯，已经是一个很好的水准。这进一步说明了本发明提供的工艺方法在大大提高加工效率的情形下，很好的维持了石墨烯的优异性能。

此外，通过本方法还可以控制石墨烯器件的狄拉克点电压和沟道电导，可以满足不同应用场合的需要。我们测试了一个器件在本发明方法化学处理过程中每一个阶段的转移曲线，如图5所示。在石墨烯转移到硅片上之后，我们直接用金属网格做掩膜在石墨烯上部分蒸镀上金属电极(Ti/Au)，避免光刻工艺过程对石墨烯的影响，得到一条相对本征的转移曲线作为参考(曲线1)。然后将该片石墨烯用光刻胶5350进行图形化制备器件，在化学处理之前，对器件进行测量得到第二条转移曲线。我们可以看到经过光刻工艺之后的转移曲线(曲线2)相对于第一条曲线已经有了很大偏差。然后在本发明方法的化学处理过程中，在用氯苯浸泡10分钟(曲线3)、30分钟(曲线4)、12小时(曲线5)和再用AR300-70浸泡1分钟(曲线6)之后，分别测得4条转移曲线。可以看到，该器件的转移曲线经过了一个从前述第二条曲线向第一条曲线转变的过程。石墨烯器件的狄拉克点从100V以上渐变至接近该片石墨烯本征(未经工艺时)的20多伏，因此本方法有着控制石墨烯器件狄拉克点的作用。由于石墨烯器件的沟道电阻跟狄拉克点有着直接的联系，因此本发明方法也可作为一种调控石墨烯器件电阻的方法，为石墨烯的应用提供了更多可能的场合。

Claims

1.一种制备石墨烯器件的方法，所述石墨烯器件包括电极和石墨烯有源区，制备方法包括以下步骤：

2)通过光学光刻在绝缘基底上定义器件电极的图形，然后沉积电极材料，并通过剥离的方法形成电极；

3)通过光学光刻在石墨烯上定义有源区的形状，刻蚀形成石墨烯有源区；

4)将步骤3)得到的器件用氯苯浸泡处理10min～20h；

5)将器件从氯苯中取出，用除胶剂AR 300-70浸泡处理0.5min～2min，得到所需石墨烯器件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨烯是单层的或者多层的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)采用化学气相沉淀方法在绝缘基底上生长石墨烯。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)通过化学气相沉积或金属偏析法在金属上生长石墨烯，然后再将石墨烯转移到绝缘基底上，其中有源区部分位于绝缘基底上或者是悬空的。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝缘基底是覆盖有SiO₂的硅片、SiC、石英、云母、玻璃或氮化硼基片。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)所述电极材料是金属，采用电子束蒸发、热蒸发或者磁控溅射方法沉积金属电极材料。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)光学光刻定义有源区形状后，通过氧等离子刻蚀形成石墨烯有源区。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)和3)中所述光学光刻所用光刻胶为正胶或负胶，采用接触式曝光或者非接触式曝光。