CN104310305A - 基于飞秒激光的大规模阵列石墨烯纳机电谐振器制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于飞秒激光的大规模阵列石墨烯纳机电谐振器制备方法，在SiO₂/Si衬底的表面溅射TiW合金和Au，通过化学汽相淀积法制备出单层石墨烯薄膜，将单层石墨烯薄膜转移到TiW/Au连线之上；采用飞秒激光扫描切割相邻两个TiW/Au连线和相邻两个Au电极片之间的单层石墨烯薄膜区域，形成阵列石墨烯纳机电谐振器，飞秒激光能量密度大于0.16~0.21J/cm²；本发明结合传统的CMOS工艺与飞秒激光微加工技术该制备过程，完全采用自下而上的制备工艺，既不需要旋涂光刻胶，又规避了等离子体刻蚀，减少了对石墨烯的二次污染，大大提高了纳机电谐振器的谐振频率和品质因数，同时也极大降低了制作成本。

Description

基于飞秒激光的大规模阵列石墨烯纳机电谐振器制备方法

技术领域

本发明属于纳机电系统（NEMS）应用领域，涉及一种石墨烯纳机电谐振器的批量阵列制备方法。

背景技术

纳机电谐振器是纳机电系统的基础结构和典型器件，通过纳机电谐振器的悬臂梁的有效质量发生变化，可实时监测环境中的传染性病原体、有毒性化学气体以及爆炸物等，能够用来表征生物化学反应。 

石墨烯由于以下特性使其成为检测生化分子的最佳材料：1、石墨烯是严格的二维材料，其比表面积很高。在相同体积下石墨烯表面吸附的分子较其他材料达到最大；2、石墨烯具有很强的导电性，表现出很高的金属导电率，因此，即使没有载流子的限制，热噪声也很低。3、石墨烯没有晶体缺陷，确保其热交换引起的附加噪声维持在很低的水平。鉴于石墨烯的以上优异的特性，采用石墨烯材料制作谐振器不但具有纳米谐振器的高频、高品质因数、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。

传统的石墨烯纳机电谐振器采用CMOS工艺制备，一般是先通过反应离子刻蚀技术（RIE）对SiO₂/Si衬底表面进行图形化处理，再把石墨烯转移到SiO₂衬底上的金属电极上。其中涉及到对大面积石墨烯薄膜进行刻蚀，需要旋涂光刻胶，还要用到等离子体刻蚀技术，会对石墨烯造成二次污染，降低纳机电谐振器的谐振频率和品质因数。因此，石墨烯纳机电谐振器的批量制备技术的完善成为本领域的难题。

飞秒激光微加工技术在微电子、微光学、微机电系统和生物医学等领域均已应用，飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，与物质相互作用时间极短，热效应小(几乎可以忽略)，因而可以大大提高加工精度。

发明内容

本发明针对传统MEMS-CMOS工艺制备石墨烯纳机电谐振器存在的问题，提供一种基于飞秒激光加工技术的大规模阵列石墨烯纳机电谐振器制备方法，将飞秒激光加工技术和传统MEMS-CMOS工艺相结合，实现纳机电谐振器的批量制备，规避先转移石墨烯再刻蚀石墨烯下方的SiO₂这种能给石墨烯带来二次污染的工艺，使制备出的石墨烯纳机电谐振器品质因数更高，作为传感器响应更灵敏。

本发明的技术方案是采用以下步骤：

（1）在n型Si 衬底表面热生长SiO₂绝缘层，形成SiO₂/Si衬底；

（2）在SiO₂/Si衬底的表面溅射TiW合金和Au；用1号掩膜版光刻，显影后，在金属腐蚀液中腐蚀形成阵列的TiW/Au连线和阵列的Au 电极片；

（3）用2号掩膜版进行光刻，显影后，用反应离子刻蚀TiW/Au连线之间的SiO₂绝缘层，形成阵列的沟槽， 

（4）通过化学汽相淀积法制备出单层石墨烯薄膜，将单层石墨烯薄膜转移到TiW/Au连线之上，使大量的单层石墨烯薄膜悬置在沟槽的上面形成谐振梁；

  （5）采用飞秒激光扫描切割相邻两个TiW/Au连线和相邻两个Au 电极片之间的单层石墨烯薄膜区域，形成阵列石墨烯纳机电谐振器，飞秒激光的能量密度大于0.16 ~ 0.21 J/cm²。

本发明通过反应离子刻蚀技术对SiO₂/Si衬底表面进行图形化处理，形成图形衬底，再将大面积石墨烯转移到图形衬底表面，通过飞秒激光微加工技术刻蚀出阵列的石墨烯元件。结合传统的CMOS工艺与飞秒激光微加工技术该制备过程，采用飞秒激光微加工技术对大面积石墨烯薄膜进行刻蚀，完全采用自下而上的制备工艺，既不需要旋涂光刻胶，又规避了等离子体刻蚀，实现了在衬底上任意位置获得任意形状的石墨烯，减少了对石墨烯的二次污染，大大提高了纳机电谐振器的谐振频率和品质因数，同时也极大降低了制作成本。

附图说明

图1是图形化衬底表面结构示意图；

图2是形成阵列石墨烯纳机电谐振器结构示意图；

图中：1. SiO₂/Si衬底；2. TiW/Au连线；3. Au 电极片；4. 沟槽；5. 石墨烯薄膜。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明先将SiO₂/Si衬底1的表面通过常规的反应离子刻蚀技术（RIE）进行图形化处理，形成图形衬底，再将大面积石墨烯5转移到图形衬底表面，最后通过飞秒激光微加工技术刻蚀出大规模阵列的石墨烯纳机电谐振器。具体实施步骤如下：

1、在n型Si 衬底表面热生长300 nm厚 的SiO₂绝缘层，形成SiO₂/Si衬底1。其中，n型Si 衬底的电阻率为1~10 Ωcm。

2、在SiO₂/Si衬底1的表面溅射5 nm 厚的TiW合金和100 nm厚 的Au；用1号掩膜版进行光刻，显影后，在金属腐蚀液中腐蚀TiW/Au形成阵列的TiW/Au连线2和阵列的Au 电极片3。

3、用2号掩膜版进行光刻，显影后，用反应离子刻蚀（RIE）技术刻蚀TiW/Au连线2之间的SiO₂绝缘层，形成阵列的沟槽4，沟槽4的宽度为3~8 μm，图形化后的衬底表面结构如图1所示。反应离子刻蚀的工艺条件为：压力：1300 Torr；功率：500 W；三氟甲烷（CHF3）：18 sccm；六氟化硫（SF6）：3.5 sccm；氦（He）：95 sccm；持续时间为1 min）。 

4、通过常规的化学汽相淀积（CVD）法制备出完美单层石墨烯薄膜5，将单层石墨烯薄膜5转移到SiO₂/Si衬底1表面的TiW/Au连线2之上，使大量的单层石墨烯薄膜5悬置在沟槽4的上面，由于单层石墨烯薄膜5与沟槽4两端SiO₂间范德华力的作用，大量单层石墨烯薄膜5悬于沟槽4上方形成谐振梁。

5、采用飞秒激光扫描切割相邻两个TiW/Au连线2和相邻两个Au 电极片3之间的单层石墨烯薄膜5区域，形成阵列的规则的石墨烯纳机电谐振器，如图2所示。石墨烯的烧结阀值是0.16 ~ 0.21 J/cm²，用飞秒激光对单层石墨烯薄膜5进行照射时飞秒激光的能量密度大于0.16 ~ 0.21 J/cm²。当飞秒激光的能量密度大于这个阀值0.16 ~ 0.21 J/cm²时，石墨烯就会迅速地断裂，从而形成大规模的阵列石墨烯纳机电谐振器。

Claims (5)

1.一种基于飞秒激光的大规模阵列石墨烯纳机电谐振器制备方法，其特征是采用以下步骤：

（1）在n型Si 衬底表面热生长SiO₂绝缘层，形成SiO₂/Si衬底；

（2）在SiO₂/Si衬底的表面溅射TiW合金和Au；用1号掩膜版光刻，显影后，在金属腐蚀液中腐蚀形成阵列的TiW/Au连线和阵列的Au 电极片；

（3）用2号掩膜版进行光刻，显影后，用反应离子刻蚀TiW/Au连线之间的SiO₂绝缘层，形成阵列的沟槽， 

（4）通过化学汽相淀积法制备出单层石墨烯薄膜，将单层石墨烯薄膜转移到TiW/Au连线之上，使大量的单层石墨烯薄膜悬置在沟槽的上面形成谐振梁；

（5）采用飞秒激光扫描切割相邻两个TiW/Au连线和相邻两个Au 电极片之间的单层石墨烯薄膜区域，形成阵列石墨烯纳机电谐振器，飞秒激光的能量密度大于0.16 ~ 0.21 J/cm²。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是： 步骤（1）中热生长300 厚nm 的SiO₂绝缘层。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是： 步骤（1）中的n型Si 衬底的电阻率为1~10 Ωcm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：步骤（2）在SiO₂/Si衬底的表面溅射5 nm 厚的TiW合金和100 nm厚 的Au。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：步骤（3）中沟槽的宽度为3~8 μm，反应离子刻蚀的工艺条件为：压力1300 Torr；功率500 W；三氟甲烷18 sccm；六氟化硫3.5 sccm；氦95 sccm；持续时间1 min。