專利名稱：制備具有20納米線寬以下納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米科技與先進(jìn)材料領(lǐng)域，涉及一種制備20納米線寬以下納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)的方法。
背景技術(shù)：
單層石墨指的是由一層碳原子構(gòu)成的平面正六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)的石墨烯，2004年由英國曼切斯頓大學(xué)A. K. Geim教授研究組通過機(jī)械解理的方法首次制備得到。
無缺陷的單層石墨是無帶隙的半金屬材料，載流子在單層石墨的傳播過程中有著很長的自由程和很高的遷移率，而石墨本身同時(shí)具有的高溫穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，使它在制備高速和高性能電子器件中擁有很好的前景。通過對寬度小于20納米石墨條帶的邊緣進(jìn)行特別的選擇性刻蝕與修飾，或者是通過特定溶液或氣氛的摻雜，可以將半金屬的單層石墨轉(zhuǎn)變成為N型或者是P型的半導(dǎo)體材料，為單層石墨在大規(guī)模集成電路上的應(yīng)用提供了可能。 要實(shí)現(xiàn)單層石墨的器件應(yīng)用，如何制備出具有特定形狀和陣列結(jié)構(gòu)的單層石墨是亟待解決的問題；而要實(shí)現(xiàn)單層石墨量子器件的制備和應(yīng)用，如何獲得小于20納米線寬的單層石墨結(jié)構(gòu)更是一個(gè)重要的技術(shù)難題。 為了大規(guī)模高效率地制備出可用于量子器件的單層石墨圖形結(jié)構(gòu)，本方法通過電子束過曝光PMMA光刻膠，首先在已經(jīng)制備出的單層石墨片上制備出大高寬比、極小線寬的光刻膠掩模板；然后通過氧反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)進(jìn)一步可控地逐漸減小掩模板的線寬直至20納米以下；最后再通過Ar+離子刻蝕技術(shù)刻蝕掉掩模板阻擋層以外的單層石墨，從而獲得線寬小于20納米的單層石墨樣品，以便用于單層石墨納米器件的制備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備具有20納米線寬以下納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)的方法。
本發(fā)明提供了兩種制備方法，其中，制備具有20納米線寬以下單層石墨基質(zhì)的方法，包括如下步驟 1)在襯底上外延生長單層石墨層； 2)將所述步驟1)得到的單層石墨層轉(zhuǎn)移到Si02/Si復(fù)合襯底上； 3)在所述步驟2)得到的單層石墨層之上制備聚甲基丙烯酸甲酯層并烘干； 4)將所述步驟3)得到的聚甲基丙烯酸甲酯層進(jìn)行曝光，得到圖案化的聚甲基丙
烯酸甲酯層；去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯，得到作為掩膜的聚甲基丙烯酸甲酯負(fù)膠圖
形； 5)對所述步驟4)得到的掩膜進(jìn)行刻蝕，使所述掩膜的線寬減小至20納米以下；
6)對所述步驟5)刻蝕完畢得到的掩膜繼續(xù)進(jìn)行刻蝕，去除沒有掩膜保護(hù)的單層納米層，得到所述具有20納米線寬以下單層石墨基質(zhì)的方法。 該方法的步驟1)中，所述構(gòu)成襯底的材料為銅或鎳；所述反應(yīng)氣選自甲烷、乙烯和乙炔中的至少一種；所述載氣為氫氣；所述襯底的厚度為700-50000納米，具體可為700-40000納米、700-35000納米、700-25000納米、700-10000納米、700-9000納米、700-5000納米或700-4500納米，優(yōu)選700納米；所述單層石墨層的厚度為0. 9_1. 35納米，具體可為0. 9-1. 2納米或1. 0-0. 35納米，優(yōu)選1. 35納米；沉積的壓力為500-1300mTorr，具體可為500-1200mTorr、600-1300mTorr、600-1000mTorr、500-1000mTorr、500-800mTorr或550-1000mTorr，優(yōu)選500mTorr ;沉積的溫度為850-1050°C，具體可為850-1000°C、850-95(TC或850-900°C，優(yōu)選850°C ;反應(yīng)氣的流量為2-30SCCM，具體可為2-10SCCM、2-25SCCM、5-30SCCM、 10-30SCCM、 10-25SCCM或5-25SCCM，優(yōu)選30SCCM ;沉積的時(shí)間為15-60分鐘，優(yōu)選30分鐘；所述步驟2)中，所述SiO"Si襯底是由厚度為280-320納米的Si(^層和厚度為
500-800微米的p型Si襯底層組成；所述單層石墨層與所述Si02層接觸。該步驟中，將所
述單層石墨層轉(zhuǎn)移到Si02/Si復(fù)合襯底上的方法為常規(guī)方法，其具體步驟為 (1)在銅箔表面使用4000轉(zhuǎn)/秒的速度旋涂一層PMMA 671. 06，熱臺烘膠4分鐘，
自然冷卻，記為樣品A; (2)將樣品A放入0. 05g/mL的FeCl3或Fe (N03) 3溶液中，反應(yīng)24小時(shí)，溶去銅箔，留下PMMA薄膜和單層石墨薄膜懸浮在溶液表面，記為樣品B ; (3)將樣品B在去離子水中洗去殘余FeCl3溶液，使用覆蓋有300nm厚度Si02層的Si片撈起樣品B; (4)在樣品B邊緣逐滴滴入丙酮，直至浸沒樣品B，靜置直到丙酮完全揮發(fā)，此時(shí)樣品B表面PMMA薄膜部分溶解，下層單層石墨與Si02表面緊密結(jié)合，這種覆蓋在Si02/Si復(fù)合襯底上的單層石墨薄膜記為樣品C ; (5)將樣品C放入丙酮溶液中，溶去殘余PMMA光刻膠，使用酒精、去離子水依次清洗，氮?dú)獯蹈桑?(6)將樣品C放入石英管中，以500SCCM氬氣和500SCCM氫氣流量通過石英管，在45(TC下退火2小時(shí)，得到轉(zhuǎn)移至Si02/Si復(fù)合襯底上高質(zhì)量的單層石墨層。
所述步驟3)中，所述聚甲基丙烯酸甲酯層的厚度為50-300納米，優(yōu)選130納米；所述制備聚甲基丙烯酸甲酯層的方法為旋涂法；所述旋涂法中，旋涂的速率為2000-6000轉(zhuǎn)/秒，優(yōu)選4000轉(zhuǎn)/秒；烘干的溫度為170-250°C ，優(yōu)選180°C ，烘干的時(shí)間為60-300秒，優(yōu)選90秒； 所述步驟4)中，所述圖案化的聚甲基丙烯酸甲酯層的線寬為20-500納米，具體可為20-450納米、20-400納米、20-300納米、20-250納米或20-100納米，優(yōu)選20納米；曝光的劑量為7500-45000uAs/cm2，具體可為7500-9000uAs/cm、8000-45000uAs/cm、8500_45000uAs/cm、8500_35000uAs/cm、8500_9000uAs/cm、10000_45000uAs/cm、20000-45000uAs/cm或30000-45000uAs/cm，優(yōu)選8500uAs/cm2 ;步距為1. 6-25. 6納米，具體可為1. 6-20納米、1. 6-15納米、1. 6-10納米或1. 6-15納米，優(yōu)選1. 6納米；曝光的加速電壓為5-15kV，優(yōu)選10kV ;所述去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯時(shí)，選用丙酮作為溶劑；
所述步驟5)中，刻蝕的方法為反應(yīng)離子刻蝕法，刻蝕的氣體選自氧氣；所述刻蝕的氣體的流量為20-40SCCM，優(yōu)選30SCCM ;刻蝕的反應(yīng)功率為15-40W，優(yōu)選20W ;刻蝕的時(shí)間為30-60秒，優(yōu)選30秒;
5
所述步驟6)中，所述刻蝕的方法為氬離子刻蝕法；所述刻蝕步驟中，加速電壓為400-600eV，具體可為400-500eV、450-550eV、450-600eV或500-600eV，優(yōu)選450eV ;離子束的電流為60-100mA，具體可為65-95mA、60-90mA、65-90mA或70-80mA，優(yōu)選70mA ;刻蝕的時(shí)間為30-300秒，具體可為30-90秒、35-85秒、40-100秒、50-70秒、100-300秒、50-300秒、200-300秒、150-300秒或150-250秒，優(yōu)選60秒。 按照上述制備方法得到的具有20納米線寬以下單層石墨基質(zhì)及該單層石墨基質(zhì)在制備單層石墨納米器件中的應(yīng)用，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。 本發(fā)明提供的制備具有20納米線寬以下的納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)的方法，包括如下步驟
1)在襯底上制備金屬薄膜層納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)； 2)在所述步驟1)得到的金屬薄膜層之上制備聚甲基丙烯酸甲酯層并烘干；
3)將所述步驟2)得到的聚甲基丙烯酸甲酯層進(jìn)行曝光，得到圖案化的聚甲基丙烯酸甲酯層；去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯，得到作為掩膜的聚甲基丙烯酸甲酯負(fù)膠圖形； 4)對所述步驟3)得到的掩膜進(jìn)行刻蝕，使所述掩膜的線寬減小至20納米以下；
5)對所述步驟4)刻蝕完畢得到的掩膜繼續(xù)刻蝕，去除沒有掩膜保護(hù)的單層納米層，得到所述具有20納米線寬以下的納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)。 該方法的步驟1)中，各種常用的襯底均適用于該方法，如硅襯底；制備所述金屬薄膜層納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)的方法為離子束濺射法或熱蒸發(fā)法；所述離子束濺射法中，濺射使用的離子能量為400-600eV，具體可為400-500eV、450-550eV、450-600eV或500-600eV，優(yōu)選450eV，束流為60-80mA，具體可為65-75mA、60-70mA、65-70mA或70_80mA，優(yōu)選70mA，濺射時(shí)間為1 60分鐘，具體可為5-40分鐘、5-50分鐘、8-12分鐘、10-50分鐘、15-45分鐘或5-10分鐘，優(yōu)選8分鐘；所述熱蒸發(fā)法中，加熱電流為50A-80A，優(yōu)選60A，沉積速度為
0. 1A/S-0.3A/S，優(yōu)選0.2A/S，沉積時(shí)間20分鐘-120分鐘，具體可為20-50分鐘、25_120分鐘、25-35分鐘、25-110分鐘、25-100分鐘、50_110分鐘、50_120分鐘、30_100分鐘或20-40分鐘，優(yōu)選30分鐘。 所述步驟2)中，所述聚甲基丙烯酸甲酯層的厚度為50-300納米，優(yōu)選130納米；所述制備聚甲基丙烯酸甲酯層的方法為旋涂法；所述旋涂法中，旋涂的速率為2000-6000轉(zhuǎn)/秒，優(yōu)選4000轉(zhuǎn)/秒；烘干的溫度為170-250°C ，優(yōu)選180°C ，烘干的時(shí)間為60-300秒，優(yōu)選90秒； 所述步驟3)中，所述圖案化的聚甲基丙烯酸甲酯層的線寬為20-500納米，優(yōu)選20納米；曝光步驟中，劑量為7500-45000uAs/cm2，具體可為7500-9000uAs/cm、8000_45000uAs/cm、8500_45000uAs/cm、8500_35000uAs/cm、8500_9000uAs/cm、10000-45000uAs/cm、 20000-45000uAs/cm或30000-45000uAs/cm，優(yōu)選8500uAs/cm2，步距為
1. 6-25. 6納米，具體可為1. 6-20納米、1. 6-15納米、1. 6-10納米或1. 6-15納米，優(yōu)選1. 6納米，加速電壓為5-15kV，優(yōu)選lOkV，所述去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯時(shí)，選用丙酮作為溶劑； 所述步驟4)中，所述刻蝕的方法為反應(yīng)離子刻蝕法，刻蝕的氣體選自氧氣；所述刻蝕的氣體的流量為20-40SCCM，優(yōu)選30SCCM ;刻蝕的反應(yīng)功率為15-40W，優(yōu)選20W ;刻蝕的時(shí)間為30-60秒，優(yōu)選30秒；
所述步驟5)中，所述刻蝕的方法為氬離子刻蝕法；所述刻蝕步驟中，加速電壓為400-600eV，優(yōu)選450eV ;反應(yīng)離子束的電流為60-100mA，優(yōu)選70mA ;刻蝕的時(shí)間為30-300秒，優(yōu)選60秒。 按照上述方法制備得到的具有20納米線寬以下的納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)及該納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)在制備納米器件中的應(yīng)用，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。 上述兩方法的每個(gè)步驟中，為保證樣品的潔凈度，所有實(shí)驗(yàn)操作始終保持在100
潔凈度的超凈間中完成；所有與樣品接觸的器材均通過丙酮、無水乙醇、去離子超凈水的超
聲清洗；在樣品的制備、電子束光刻、氧反應(yīng)離子刻蝕、Ar+離子刻蝕操作中，均保持在儀器
相應(yīng)的高真空中；在樣品的表征過程中，樣品始終保存在隔絕靜電的密閉空間中。 本發(fā)明使用PMMA負(fù)膠圖形作為掩模板，主要基于以下幾點(diǎn)(l)PMMA作為電子束
曝光正膠時(shí)，在制備線寬小于50納米米的圖形時(shí)，不僅需要很高的電子加速電壓，而且制
備出來的圖形和襯底的結(jié)合力很差，容易脫落。而在高劑量的情況下，PMMA分子在斷鏈之
后可再次發(fā)生鍵合，大大提高了光刻膠的分辨率，即使在很低的電子加速電壓下也可以曝
光得到20納米左右的精細(xì)圖形，同時(shí)圖形和襯底之間具有良好的結(jié)合力，不會發(fā)生脫落現(xiàn)
象。(2)PMMA負(fù)膠作為掩模板，不僅可以直接通過電子束曝光制備出接近20納米線寬的
掩模板圖形，而且因?yàn)樗梢院脱蹼x子反應(yīng)，從而可以使得這種掩模板能夠進(jìn)一步被減薄。
(3)PMMA負(fù)膠圖形具有良好的絕緣性和穩(wěn)定性，在氬離子刻蝕之后遺留在單層石墨樣品表
面的PMMA負(fù)膠掩模板不僅不會影響石墨本身的傳輸特性，而且可以作為頂柵的絕緣層，為
進(jìn)一步制備各種納米器件帶來極大的便利。 本發(fā)明利用PMMA過曝光時(shí)的負(fù)膠反轉(zhuǎn)效應(yīng)首先制備出接近20納米線寬的光刻膠圖形，再利用PMMA負(fù)膠圖形能夠與氧離子反應(yīng)，進(jìn)一步減薄得到更小的線寬，此時(shí)保持刻蝕功率20W，單層石墨為化學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，不會被氧離子反應(yīng)刻蝕，得到小于20納米的PMMA負(fù)膠掩模板之后，在使用氬離子刻蝕的過程中，因?yàn)橹苽涑龅腜MMA負(fù)膠掩模板具有很大的高寬比，厚度遠(yuǎn)大于單層石墨，因而可以保證在單層石墨被刻蝕完之后仍然作為掩模存在，以便作為單層石墨上樣品上的絕緣層。本發(fā)明提供的方法不僅可用來刻蝕單層石墨，亦可用來刻蝕任意襯底材料，從而在襯底上制備出尺寸可達(dá)幾個(gè)納米的相應(yīng)圖形。
這種通過氧離子反應(yīng)刻蝕減縮光刻膠的方法不僅可以用來減縮PMMA負(fù)膠掩模板，也可以用來減縮其他能夠同氧離子發(fā)生反應(yīng)的掩模板(襯底的刻蝕速率遠(yuǎn)小于掩模板的刻蝕速率)；亦可通過改變反應(yīng)離子的種類，來減縮其它不能用氧離子進(jìn)行減縮的掩模板。 在通過PMMA負(fù)膠作為掩模板刻蝕出具有特定圖形的單層石墨樣品之后，亦可以使用保留下來的PMMA負(fù)膠作為絕緣層，方便高效地制備出頂柵電極或者是通過多次旋涂制備出具有空間架構(gòu)的量子器件。 本發(fā)明提供了一種高效、簡單且可控性強(qiáng)的快速制備線寬小于20納米的單層圖形基質(zhì)的方法。PMMA作為負(fù)膠時(shí)，不僅在較低的電子加速電壓下(10keV)可以得到很高的分辨率(20納米)，未曝光區(qū)域的PMMA則可以通過丙酮的清洗而除去，避免了 PMMA正膠作為掩模板時(shí)漫長的曝光時(shí)間，大大提高了圖形制備的效率；而且這種掩模板在氧反應(yīng)離子刻蝕下還能可控地進(jìn)一步減薄和縮小，從而得到20納米以下的PMMA負(fù)膠圖形掩模板。同時(shí)通過PMMA過曝光產(chǎn)生的掩模板在刻蝕之后還可以作為絕緣層，巧妙地解決了石墨量子
7器件頂柵制備的困難。


圖1使用PMMA作為負(fù)膠掩膜板制備20納米以下線寬的單層石墨條帶過程示意圖。 圖2為使用PMMA 495K在過曝的情況下得到的大高寬比精細(xì)圖形SEM圖像。
圖3為使用氧反應(yīng)離子對PMMA負(fù)膠掩模板刻蝕前(al) (bl)和刻蝕后(a2) (b2)圖形寬度變化。 圖4為相同區(qū)域的單層石墨在氧反應(yīng)離子刻蝕前(al)后(a2)的比較。 圖5為相同區(qū)域的PMMA負(fù)膠掩模板圖形和單層石墨在氬離子刻蝕前(a)后(b)
的比較。 圖6為使用相同工藝制備小于20納米的Au納米線SEM圖像。
圖7為實(shí)施例3制備得到的Cu納米線的SEM圖像，其中，圖7a為經(jīng)過Ar離子刻蝕之后帶有PMMA負(fù)膠掩模板的Cu圖形的SEM圖像，圖7b為刻蝕后得到的高寬均為20nm左右的Cu納米線條的SEM圖像。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
實(shí)施例1 通過熱氧化的方法，在(111)取向p型硼摻雜的Si片上生長一層300納米厚的Si(^層。隨后，將硅片切割成lcmXlcm的小塊，通過丙酮、無水乙醇、去離子水分別超聲五分鐘，氮?dú)獯蹈蓚溆?，將上述小塊硅片記為襯底A。 1)在石英管中裝入lcmXlcm的銅箔(購自Alfa Aesar公司，商品編號為No. 13382)，先在40mTorr的壓力下以2SCCM通以氫氣，并逐漸升溫至85(TC，保持溫度和氫氣流量不變，在500mTorr壓力下以30SCCM通以甲烷30分鐘，然后迅速降溫至室溫，制備得到厚度為1.35納米的單層石墨樣品，如圖la所示； 2)在單層石墨樣品表面以4000轉(zhuǎn)/秒旋涂PMMA 671. 06， 18(TC熱臺烘膠5分鐘，自然冷卻后在0. 05g/mL的Fe (N03) 3溶液中浸泡一天一夜，除去銅箔，獲得浮在溶液表面的粘附了單層石墨的PMMA薄膜，記為薄膜B，將所述薄膜B在去離子水中洗去殘余Fe (N03) 3溶液后，使用襯底A在上述溶液中撈起薄膜B，在薄膜B邊緣逐滴滴入丙酮，直至浸沒薄膜B，靜置直到丙酮完全揮發(fā)，此時(shí)薄膜B表面PMMA薄膜部分溶解，下層單層石墨與Si02表面緊密結(jié)合，這種覆蓋在Si02/Si復(fù)合襯底上的單層石墨薄膜記為薄膜C，將薄膜C放入丙酮溶液中，溶去殘余PMMA光刻膠，使用酒精、去離子水依次清洗，氮?dú)獯蹈?，將薄膜C放入石英管中，以500SCCM氬氣和500SCCM氫氣流量通過石英管，在45(TC下退火2小時(shí)，即可得到轉(zhuǎn)移至Si02/Si復(fù)合襯底上高質(zhì)量的單層石墨層； 3)在步驟2)得到的單層石墨層表面以4000轉(zhuǎn)/秒旋涂PMMA 495K，勻膠40秒，18(TC熱臺90秒烘膠，得到厚度為130納米的光刻膠，自然冷卻后放入電子束刻蝕機(jī)(Raithe Line)中進(jìn)行刻蝕。 4)在10kV加速電壓下，使用7500uAs/cm2的曝光劑量，1. 6納米的步距，曝光得到
8設(shè)計(jì)的PMMA負(fù)膠掩模板圖案，如圖lc和d所示。圖2為使用PMMA 495K在過曝的情況下 得到的大高寬比精細(xì)圖形SEM圖像。 5)在30SCCM的氧氣氣流下，以20W的刻蝕功率，使用氧離子反應(yīng)刻蝕機(jī)刻蝕樣品 30秒，進(jìn)一步減薄PMMA負(fù)膠掩模板至20納米線寬以下，如圖le所示。圖3為使用氧反應(yīng) 離子對PMMA負(fù)膠掩模板刻蝕前(al)、 (bl)和刻蝕后(a2)、 (b2)圖形寬度變化。其中，圖 3(al)、 (bl)是在通過化學(xué)氣相沉積的方法制備得到的單層石墨上，通過PMMA過曝得到的 圖形，圖3(a2) 、 (b2)是在氧反應(yīng)離子刻蝕機(jī)中，以20W的刻蝕功率，通以30SCCM的氧氣氣 流條件下，刻蝕30秒后PMMA掩模板的減薄對比。圖4為相同區(qū)域的單層石墨在氧反應(yīng)離 子刻蝕前(al)后(a2)的比較。圖中虛線框中PMMA負(fù)膠掩膜板線條可以看出，在這種刻蝕 功率下，即使完全刻蝕掉PMMA負(fù)膠掩模板，單層石墨仍然具有很好的穩(wěn)定性，并沒有被刻 蝕減薄。 6)使用450eV的氬離子，在70mA束流下，刻蝕樣品30秒，得到線寬20納米以下 的單層石墨圖案，而PMMA負(fù)膠掩模板寬度并沒有明顯變化，如圖If所示。圖5為相同區(qū)域 的PMMA負(fù)膠掩模板圖形和單層石墨在氬離子刻蝕前(a)后(b)的比較。其中，圖5(al)和 (a2)是在氬離子刻蝕機(jī)中，以70mA的束流密度，450eV離子能量下，刻蝕60秒前后的對比 圖?？梢钥闯觯ㄟ^CVD生長得到的單層石墨已經(jīng)完全被刻蝕，多層的區(qū)域也明顯被減薄， 而PMMA掩模板的寬度并沒有明顯的變化；圖5(b)為氬離子刻蝕之后的SEM圖，可以看出， 沒有PMMA負(fù)膠掩模板保護(hù)的區(qū)域單層石墨已經(jīng)被刻蝕干凈。
實(shí)施例2 將硅片切割成lcmXlcm的小塊，通過丙酮、無水乙醇、去離子水分別超聲五分鐘， 氮?dú)獯蹈蓚溆谩?1)在硅片上通過離子束濺射得到厚度為280納米的Au膜，濺射使用離子能量為 450eV，束流為70mA，濺射時(shí)間為40min。 2)在樣品表面以3000轉(zhuǎn)/秒旋涂PMMA 495K，勻膠60秒，18(TC熱臺90秒烘膠，得 到厚度為140納米的光刻膠，自然冷卻后放入電子束刻蝕機(jī)(Raith e Line)中進(jìn)行刻蝕。
3)在10kV加速電壓下，使用8500uAs/cm2的曝光劑量，1. 6納米的步距，曝光得到 設(shè)計(jì)的PMMA負(fù)膠掩模板圖案 4)在30SCCM的氧氣氣流下，以15W的刻蝕功率，使用氧離子反應(yīng)刻蝕機(jī)刻蝕樣品 60秒，進(jìn)一步減薄PMMA負(fù)膠掩模板至20納米線寬以下 5)使用450eV的氬離子，在70mA束流下，刻蝕樣品5_10分鐘，得到線寬20納米以 下的帶有部分PMMA負(fù)膠掩膜板殘余的Au線條圖案，使用氧反應(yīng)離子刻蝕足夠長時(shí)間，去除 剩余的PMMA負(fù)膠掩模板圖案，即得到各種線寬小于20納米的Au的圖形。
圖6為按照上述方法制備所得線寬小于20納米的Au納米線的SEM圖像。其中， 圖6 (al)和(a2)顯示了氧反應(yīng)離子刻蝕30s前后PMMA負(fù)膠掩模板的減薄過程；(al)為Au 襯底上過曝光PMMA得到的負(fù)膠圖形；(a2)為經(jīng)過氧反應(yīng)離子減薄的作為掩模板的PMMA負(fù) 膠。圖6(bl)和(b2)分別為以PMMA負(fù)膠為掩模板經(jīng)過氬離子刻蝕得到的小于20納米的 大高寬比Au線條。
實(shí)施例3、 將硅片切割成lcmX lcm的小塊，通過丙酮、無水乙醇、去離子水分別超聲五分鐘，氮?dú)獯蹈蓚溆谩?1)在硅片上通過離子束濺射得到厚度為20納米的Cu膜，濺射使用離子能量為 450eV，束流為70mA，濺射時(shí)間為8min。 2)在樣品表面以6000轉(zhuǎn)/秒旋涂PMMA 495K，勻膠60秒，18(TC熱臺90秒烘膠， 得到厚度為80納米的光刻膠，自然冷卻后放入電子束刻蝕機(jī)(Raith e Line)中進(jìn)行刻蝕。
3)在10kV加速電壓下，使用7500uAs/cm2的曝光劑量，1. 6納米的步距，曝光得到 設(shè)計(jì)的PMMA負(fù)膠掩模板圖案 4)在30SCCM的氧氣氣流下，以15W的刻蝕功率，使用氧離子反應(yīng)刻蝕機(jī)刻蝕樣品 30秒，進(jìn)一步減薄PMMA負(fù)膠掩模板至20納米線寬以下 5)使用450eV的氬離子，在70mA束流下，刻蝕樣品l分鐘，使用氧反應(yīng)離子刻蝕 足夠長時(shí)間，去除剩余的PMMA負(fù)膠掩模板圖案，即得到線寬小于20納米的Cu的圖形。圖 7中a圖顯示的即為經(jīng)過Ar離子刻蝕之后帶有PMMA負(fù)膠掩模板的Cu圖形，在氧離子反應(yīng) 刻蝕機(jī)中以30SCCM氧氣流量，35W功率刻蝕10分鐘，即得到高寬均為20nm左右的Cu的納 米線條(圖7b)。
權(quán)利要求
一種制備具有20納米線寬以下單層石墨基質(zhì)的方法，包括如下步驟1)在襯底上外延生長單層石墨層；2)將所述步驟1)得到的單層石墨層轉(zhuǎn)移到SiO2/Si復(fù)合襯底上；3)在所述步驟2)得到的單層石墨層之上制備聚甲基丙烯酸甲酯層并烘干；4)將所述步驟3)得到的聚甲基丙烯酸甲酯層進(jìn)行曝光，得到圖案化的聚甲基丙烯酸甲酯層；去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯，得到作為掩膜的聚甲基丙烯酸甲酯負(fù)膠圖形；5)對所述步驟4)得到的掩膜進(jìn)行刻蝕，使所述掩膜的線寬減小至20納米以下；6)對所述步驟5)刻蝕完畢得到的掩膜繼續(xù)進(jìn)行刻蝕，去除沒有掩膜保護(hù)的單層石墨層，得到所述具有20納米線寬以下單層石墨基質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟1)中，所述構(gòu)成襯底的材料為銅或鎳；所述反應(yīng)氣選自甲烷、乙烯和乙炔中的至少一種；所述載氣為氫氣；所述襯底的厚度為700-50000納米，優(yōu)選700納米；所述單層石墨層的厚度為0. 9_1. 35納米，優(yōu)選1. 35納米；所述步驟2)中，所述Si02/Si襯底是由厚度為280-320納米的Si02層和厚度為500-800微米的P型Si襯底層組成；所述單層石墨層與所述Si02層接觸；所述步驟3)中，所述聚甲基丙烯酸甲酯層的厚度為50-300納米，優(yōu)選130納米；所述步驟4)中，所述圖案化的聚甲基丙烯酸甲酯層的線寬為20-500納米，優(yōu)選20納米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步驟1)中，沉積的壓力為500-1300mTorr，優(yōu)選500mTorr ;沉積的溫度為850-1050°C ，優(yōu)選850°C ;反應(yīng)氣的流量為2-30SCCM，優(yōu)選30SCCM ;沉積的時(shí)間為15-60分鐘，優(yōu)選30分鐘；所述步驟3)中，所述制備聚甲基丙烯酸甲酯層的方法為旋涂法；所述旋涂法中，旋涂的速率為2000-6000轉(zhuǎn)/秒，優(yōu)選4000轉(zhuǎn)/秒；烘干的溫度為170-250°C ，優(yōu)選180°C ，烘干的時(shí)間為60-300秒，優(yōu)選90秒;所述步驟4)中，曝光的劑量為7500-45000uAs/cm2，優(yōu)選8500uAs/cm2 ;步距為1. 6-25. 6納米，優(yōu)選1. 6納米；曝光的加速電壓為5-15kV，優(yōu)選10kV ;所述去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯時(shí)，選用丙酮作為溶劑；所述步驟5)中，刻蝕的方法為反應(yīng)離子刻蝕法，刻蝕的氣體選自氧氣；所述刻蝕的氣體的流量為20-40SCCM，優(yōu)選30SCCM ;刻蝕的反應(yīng)功率為15-40W，優(yōu)選20W ;刻蝕的時(shí)間為30-60秒，優(yōu)選30秒；所述步驟6)中，所述刻蝕的方法為反應(yīng)離子刻蝕法；反應(yīng)離子選自氬離子；所述刻蝕步驟中，加速電壓為400-600eV，優(yōu)選450eV ;反應(yīng)離子束的電流為60-100mA，優(yōu)選70mA ;刻蝕的時(shí)間為30-300秒，優(yōu)選60秒。
4. 權(quán)利要求1-3任一所述方法制備得到的具有20納米線寬以下單層石墨基質(zhì)。
5. 權(quán)利要求4所述具有20納米線寬以下單層石墨基質(zhì)在制備單層石墨納米器件中的應(yīng)用。
6. —種制備具有20納米線寬以下的納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)的方法，包括如下步驟1) 在襯底上制備金屬薄膜層納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)；2) 在所述步驟1)得到的金屬薄膜層之上制備聚甲基丙烯酸甲酯層并烘干；3) 將所述步驟2)得到的聚甲基丙烯酸甲酯層進(jìn)行曝光，得到圖案化的聚甲基丙烯酸甲酯層；去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯，得到作為掩膜的聚甲基丙烯酸甲酯負(fù)膠圖形；4) 對所述步驟3)得到的掩膜進(jìn)行刻蝕，使所述掩膜的線寬減小至20納米以下；5) 對所述步驟4)刻蝕完畢得到的掩膜繼續(xù)刻蝕，去除沒有掩膜保護(hù)的單層納米層，得到所述具有20納米線寬以下的納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述步驟1)中，所述襯底為硅襯底；所述步驟2)中，所述聚甲基丙烯酸甲酯層的厚度為50-300納米，優(yōu)選130納米；所述步驟3)中，所述圖案化的聚甲基丙烯酸甲酯層的線寬為20-500納米，優(yōu)選20納米。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于所述步驟1)中，制備所述金屬薄膜層納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)的方法為離子束濺射法或熱蒸發(fā)法；所述離子束濺射法中，濺射使用的離子能量為400-600eV，優(yōu)選450eV，束流為60-80mA，優(yōu)選70mA，濺射時(shí)間為1_60分鐘，優(yōu)選8分鐘；所述熱蒸發(fā)法中，加熱電流為50A-80A，優(yōu)選60A，沉積速度為0.lA/S-0.3A/S，優(yōu)選0. 2A/S，沉積時(shí)間為20分鐘-120分鐘，優(yōu)選30分鐘。所述步驟2)中，所述制備聚甲基丙烯酸甲酯層的方法為旋涂法；所述旋涂法中，旋涂的速率為2000-6000轉(zhuǎn)/秒，優(yōu)選4000轉(zhuǎn)/秒；烘干的溫度為170-250°C ，優(yōu)選180°C ，烘干的時(shí)間為60-300秒，優(yōu)選90秒;所述步驟3)曝光步驟中，劑量為7500-45000uAs/cm2，優(yōu)選8500uAs/cm2，步距為1. 6-25. 6納米，優(yōu)選1. 6納米，加速電壓為5-15kV，優(yōu)選10kV，所述去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯時(shí)，選用丙酮作為溶劑；所述步驟4)中，所述刻蝕的方法為反應(yīng)離子刻蝕法，刻蝕的氣體選自氧氣；所述刻蝕的氣體的流量為20-40SCCM，優(yōu)選30SCCM ;刻蝕的反應(yīng)功率為15-40W，優(yōu)選20W ;刻蝕的時(shí)間為30-60秒，優(yōu)選30秒;所述步驟5)中，所述刻蝕的方法為反應(yīng)離子刻蝕法；反應(yīng)離子選自氬離子；所述刻蝕步驟中，加速電壓為400-600eV，優(yōu)選450eV ;反應(yīng)離子束的電流為60-100mA，優(yōu)選70mA ;刻蝕的時(shí)間為30-300秒，優(yōu)選60秒。
9. 權(quán)利要求6-8任一所述方法制備得到的具有20納米線寬以下的納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)。
10. 權(quán)利要求9所述具有20納米線寬以下的納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)在制備納米器件中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開一種制備具有20納米線寬以下納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)的方法。該方法，包括如下步驟1)利用化學(xué)氣相沉積方法在襯底上外延生長單層納米層；2)將單層納米層轉(zhuǎn)移到SiO2/Si復(fù)合襯底上，或在Si襯底上通過濺射方法生長其他納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)；3)在單層納米層之上制備聚甲基丙烯酸甲酯層并烘干；4)將聚甲基丙烯酸甲酯層進(jìn)行曝光，得到圖案化的聚甲基丙烯酸甲酯層；去除未曝光的聚甲基丙烯酸甲酯，得到作為掩膜的聚甲基丙烯酸甲酯負(fù)膠圖形；5)對所述掩膜進(jìn)行刻蝕，使所述掩膜的線寬減小至20納米以下；6)對所述步驟5)刻蝕完畢得到的掩膜繼續(xù)進(jìn)行刻蝕，去除沒有掩膜保護(hù)的單層納米層，得到所述具有20納米線寬以下單層納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)。該方法適宜于刻蝕各種襯底材料，從而在襯底上制備出尺寸可達(dá)幾個(gè)納米的相應(yīng)圖形。
文檔編號B82B1/00GK101794072SQ20101003431
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者于欣欣, 張琨, 王曉平, 蔡洪冰 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)