一种基于石墨烯材料的高频纳机电谐振器及其制备工艺

摘要

本发明涉及一种基于石墨烯材料的具有新型结构的高频纳机电谐振器及其制备工艺，属于通信电子元器件技术领域。该制备工艺能使石墨烯平整、无损的转移到本地背栅的上面；且能有效降低器件制备过程中对石墨烯表面的污染，实现高质量的石墨烯沟道，从而实现更小栅长器件的制备。本发明制备的纳机电谐振器采用固支梁和本地背栅结构可直接读取其谐振器高频机械振动信号；因此，该电子学器件能用于可穿戴电子，无线通信设备等；由于采用固支梁和本地背栅结构，还能减小寄生电容对谐振器高频信号读取的影响；可有效地提高石墨烯谐振器的谐振频率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通信电子元器件，具体涉及一种基于石墨烯材料的高频纳机电谐振 器及其制备工艺，属于通信电子元器件技术领域。

背景技术

自从2004年发现了由一层碳原子构成的二维物质——石墨烯（graphene），其便迅 速成为国际研究的热门材料，石墨烯是若干种低维碳结构的一种形式，具有优秀的机械 性能，比钢还要硬5倍，是人们能想到的最薄但却是所发现的硬度最强的材料。而由于 石墨烯具有线性色散关系独特的锥形能带结构使得它具有优秀的电子特性，与传统的 硅、砷化镓和其它半导体材料相比，石墨烯具有更高的载流子迁移率、电子饱和速率和 热导率。由于石墨烯具有优秀的电学性能和机械性能，使其成为高速，高Q值，小型化 纳米机电谐振器的理想材料。目前，高频石墨烯纳机电系统（NEMS）存在器件结构不完 善、制备工艺不够成熟、机电谐振器信号的检测困难等诸多因素限制了石墨烯纳机电系 统的进一步发展。近年来，薄膜电子器件受到全球学术界的广泛关注，石墨烯材料以其 可扩缩性、均匀性和可靠性，必将广泛应用在薄膜电子器件领域。因此，研究可批量生 产的、生产重复性高的石墨烯纳机电谐振器及其制备工艺必将推动薄膜电子器件的进一 步发展和提高。

目前石墨烯纳机电系统（NEMS）器件结构多采用全背栅结构[Changyao Chen,Sami  Rosenblatt,et al.Performance of Monolayer Graphene Nanomechanical Resonators with Electrical  Readout.Nature nano.2009,4:861-867]，这种结构在器件制备工艺上相对比较成熟，已经可 以达到批量制备，但该结构由于寄生参数太多，不适合高频应用。2010年提出的本地背 栅石墨烯纳机电谐振器结构[YueHang Xu,Changyao Chen,et al.RF Electrical Transduction of  Graphene Mechanical Resonators.Applied Physics Letters,2010,97(24):3111]，非常适合高频应用， 但其制备工艺上仍存在诸多挑战，例如如何让石墨烯能够平整、无损的转移到本地背栅 的上面，并使石墨烯表面没有污染，以及实现高质量石墨烯沟道；如何实现更小栅长器 件，提高石墨烯谐振器的谐振频率等等，这些正是期待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的正是基于上面所述本地背栅石墨烯纳机电谐振器制备工艺所存在的 难点，提出了一种基于石墨烯材料的具有新型结构的高频纳机电谐振器及其制备工艺。 该工艺采用光刻胶（PMMA）材料作为器件的牺牲层，能有效降低器件制备过程中对石墨 烯材料的污染，并且由于PMMA是电子束材料，可采用高精度的刻蚀技术，因此采用该 工艺所制备的石墨烯纳机电谐振器可实现高质量石墨烯沟道，并有望实现更小栅长器件 的制备。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明提出的一种基于石墨烯材料的高频纳机电谐振器的制备工艺，其特征在于依 次包括以下工艺步骤：

步骤1：在高阻硅（Si）基板上旋涂光刻胶（PMMA），利用电子束在光刻胶上蚀刻出 所需的T型的栅极金属电极的形状；

步骤2：利用蒸发法在步骤1旋涂有光刻胶的高阻硅基板表面蒸发一层金属钛和一 层金-铂合金，然后放入丙酮中浮脱，则在高阻硅基板上形成T型栅极金属电极；

步骤3：在步骤2形成的T型栅极金属电极的高阻硅基板上再旋涂一层光刻胶（PMMA） 层，将T型栅极金属电极埋在光刻胶层中,使光刻胶固化；

步骤4：在步骤3的高阻硅基板上用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一 层二氧化硅（SiO₂）介质层；

步骤5：在事先制作好的石墨烯晶圆上旋涂上光刻胶（PMMA），再把石墨烯晶圆放入 硝酸铁(FeNO₃)溶液中刻蚀掉铜，刻蚀完毕后沾有石墨烯的光刻胶将浮于硝酸铁液体表 面，此时用玻璃片把光刻胶从硝酸铁溶液里面转移到清水里面清洗干净；

步骤6：转移石墨烯，利用步骤4中制作好的高阻硅基板将步骤5所述沾有石墨烯 的光刻胶从清水里捞起，并在显微镜下利用玻璃针挪动光刻胶和石墨烯，直到石墨烯位 于上述栅极金属电极正上方为止，至此石墨烯转移完毕；

步骤7：将步骤6的高阻硅基板晾干，用电子束蚀刻光刻胶，留下上述栅极金属电 极上方的光刻胶和石墨烯，其他地方暴露出的石墨烯用氧化蚀刻法蚀刻掉；

步骤8：在步骤4所述二氧化硅介质层上，且与上述栅极金属电极平行，用电子束 光刻剥离技术在其上依次蒸发一层钛、一层铂和一层金作为源极金属电极和漏极金属电 极，且源极金属电极和漏极金属电极之间的距离相距500nm～2000nm，即得雏形器件；

步骤9：用光刻胶（PMMA）覆盖步骤8所述雏形器件，光刻暴露出所述T型栅极金 属电极的方形部分，并刻蚀掉所述栅极金属电极方形部分上方的二氧化硅介质层；

步骤10：曝光处理步骤9中所述器件，刻蚀掉步骤9中剩余的光刻胶和步骤3中旋 涂在T型栅极金属电极的方形部分上的光刻胶，暴露出源极金属电极、漏极金属电极和 所述方形部分的栅极金属电极；

步骤11：用氢氟酸（HF）腐蚀石墨烯下方的二氧化硅介质层直达光刻胶层上方，使 石墨烯悬挂于所述方形部分栅极金属电极上方，成为石墨烯梁，同时形成石墨烯沟道， 其宽度即为源极金属电极和漏极金属电极之间的距离，至此即制得基于石墨烯材料的高 频纳机电谐振器。

上述技术方案中，步骤2所述将蒸发了金属钛和金-铂合金后的高阻硅基板放入丙 酮中浮脱，其浮脱时间为5分钟。

上述技术方案中，步骤4所述在高阻硅基板上沉积的二氧化硅（SiO₂）介质层其厚 度为100nm～200nm。

依本发明上述任一所述制备工艺制备的基于石墨烯材料的高频纳机电谐振器，其结 构为固支梁和本地背栅结构；包括由下向上依次层叠有：高阻硅基板、光刻胶（PMMA） 层、栅极金属电极、二氧化硅介质层、石墨烯梁、源极金属电极和漏极金属电极；位于 高阻硅基板上的二氧化硅介质层上蚀刻有沟道，其深度直达光刻胶层3上方，即形成石 墨烯沟道；所述栅极金属电极在石墨烯沟道内部且位于光刻胶层内部和高阻硅基板上 方；在高阻硅基板上方和二氧化硅介质层上悬挂有单层的石墨烯梁，所述石墨烯梁由二 氧化硅介质层作支撑，并位于栅极金属电极之上，在石墨烯梁两侧沉积有源极金属电极 和漏极金属电极。

上述技术方案中，所述作为支撑石墨烯梁的二氧化硅介质层为直接接触，石墨烯梁 被范德瓦尔斯力固定在二氧化硅介质层上。

上述技术方案中，所述二氧化硅介质层其厚度为100nm～200nm。

上述技术方案中，所述石墨烯沟道的宽度即源极金属电极和漏极金属电极相距的距 离为500nm～2000nm。

上述技术方案中，所述栅极金属电极由金属钛和金-铂合金组成。

上述技术方案中，所述源极金属电极和漏极金属电极均由钛、铂和金组成。

本发明提出的基于石墨烯材料的高频纳机电谐振器具有以下优点及有益的技术效 果：由于石墨烯具有二维平面结构、场相关电导率和高机械强度等特性；因此，本发明 基于石墨烯材料设计及制备工艺制备的纳机电谐振器（NEMS）电子学器件具有高频、高 品质因素等特点。本发明制备的纳机电谐振器采用固支梁和本地背栅结构可直接读取其 谐振器高频机械振动信号；因此，该电子学器件能用于可穿戴电子，无线通信设备等； 由于采用固支梁和本地背栅结构，还能减小寄生电容对谐振器高频信号读取的影响。同 时该制备工艺能够使石墨烯平整、无损的转移到本地背栅的上面；并且减少了石墨烯表 面的污染，实现了高质量的石墨烯沟道；从而能够实现更小栅长的器件，提高石墨烯谐 振器的谐振频率。

附图说明

图1是本发明基于石墨烯材料的高频纳机电谐振器的切面结构示意图；

图2是图1的立体结构示意图。

图中，1高阻硅基板，2栅极金属电极，3光刻胶层，4二氧化硅介质层，5石墨烯 梁，6源极金属电极，7漏极金属电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，有必要在此指出的是所 述实施例只是用于对本发明的进一步说明，但不应理解为是对本发明保护范围的任何限 定，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质性的改进和调 整。

本发明以下实施例中所述基于石墨烯材料的高频纳机电谐振器所用材料及参数：

所述高阻硅基板1厚度均为400μm；

所述的光刻胶均为PMMA光刻胶，其光刻胶层3厚度为50nm；

所述的二氧化硅（SiO₂）介质层4用于支撑石墨烯梁5，它应提供较为光滑的电极 接触，其沉积的厚度为200nm，石墨烯沟道的宽度即源极金属电极6和漏极金属电极7 之间的距离为500nm；

所述的栅极金属电极2由1nm厚的金属钛和10nm厚的金-铂合金组成；

所述的源极金属电极6和漏极金属电极7均由1nm厚的钛，15nm厚的铂，和50nm 厚的金组成。

实施例1

本实施例的一种基于石墨烯材料的高频纳机电谐振器的制备工艺依前面所述的工 艺步骤，其具体操作步骤如下：

步骤1：在高阻硅基板1上旋涂光刻胶（PMMA），利用电子束在光刻胶上蚀刻制作出 所需的T型的栅极金属电极2的形状，其栅长度500nm，栅宽500μm，其方形部分边长 为120μm×120μm；

步骤2：利用蒸发法在步骤1旋涂有光刻胶的高阻硅基板1表面蒸发一层1nm厚的 金属钛，和一层10nm厚的金-铂合金；然后放入丙酮中浮脱5分钟，除去多余的光刻胶 及其上面附着的金属,只剩下高阻硅基板1上已成型的T型栅极金属电极2；

步骤3：在步骤2形成的T型栅极金属电极2的高阻硅基板1上再旋涂一层光刻胶 层3，其厚度为50nm，并将所述T型的栅极金属电极2埋在光刻胶层3中，使光刻胶固 化；

步骤4：在步骤3的高阻硅基板1上方用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉 积一层厚度100nm的二氧化硅（SiO₂）介质层4；

步骤5：在事先已在铜基片上用CVD制作好的石墨烯晶圆上旋涂上光刻胶，再把石墨 烯晶圆放入硝酸铁(FeNO₃)溶液中刻蚀掉铜，刻蚀完毕后沾有石墨烯的光刻胶将浮于硝 酸铁液体表面，此时用玻璃片把光刻胶从硝酸铁溶液里面转移到清水里面清洗干净；

步骤6：转移石墨烯，利用步骤4中制作好的高阻硅基板1将步骤5所述沾有石墨 烯的光刻胶从清水里捞起，并在显微镜下利用玻璃针挪动光刻胶和石墨烯，直到石墨烯 位于上述栅极金属电极2正上方为止，至此石墨烯转移完毕；

步骤7：将步骤6的高阻硅基板1晾干，用电子束蚀刻光刻胶，留下上述栅极金属 电极2上方的光刻胶和石墨烯，其具体尺寸为宽度1μm，长度8μm的长方形区域，其 他地方暴露出的多余石墨烯用氧化蚀刻法蚀刻掉；

步骤8：在步骤4所述二氧化硅介质层4上，且与所述栅极金属电极2平行，采用 电子束光刻剥离技术在其上依次蒸发一层1nm厚的钛、一层15nm厚的铂和一层50nm厚 的金作为源极金属电极6和漏极金属电极7，且源极金属电极和漏极金属电极之间的距 离相距500nm，用电子束光刻剥离技术在二氧化硅介质层4上依次蒸发一层1nm厚的钛、 一层15nm厚的铂和一层50nm厚的金作为源极金属电极6和漏极金属电极7，即得锥形 器件；

步骤9：用光刻胶覆盖步骤8所述锥形器件，光刻暴露出上述T型栅极金属电极2 中的方形部分，并刻蚀掉其方形部分上方的二氧化硅介质层4；

步骤10：曝光处理步骤9中所述器件，刻蚀掉步骤9中剩余的光刻胶和步骤3中旋 涂在T型栅极金属电极2中的方形部分上的光刻胶层，暴露出源极金属电极6、漏极金 属电极7和所述方形部分的栅极金属电极2；

步骤11：用氢氟酸（HF）腐蚀石墨烯下方的二氧化硅介质层4直达光刻胶层3上方， 使石墨烯悬挂于方形部分栅极金属电极2上方，成为石墨烯梁5，同时形成石墨烯沟道， 石墨烯沟道的宽度即为源极金属电极6和漏极金属电极7之间的距离，本实施例为 500nm，至此即制得基于石墨烯材料的高频纳机电谐振器。

本发明依上述实施例1的制备工艺所制备的基于石墨烯材料的高频纳机电谐振器， 该谐振器结构为固支梁和本地背栅结构；其切面结构如图1所示，包括由下向上依次层 叠有：高阻硅基板1、栅极金属电极2、光刻胶层3、二氧化硅介质层4、石墨烯梁5、 源极金属电极6和漏极金属电极7；位于高阻硅基板1上的二氧化硅介质层4上蚀刻有 沟道，其深度直达光刻胶层3上方，即形成石墨烯沟道；所述栅极金属电极2在石墨烯 沟道内部且位于光刻胶层3内部和高阻硅基板1上方；高阻硅基板1上方及二氧化硅介 质层4上悬挂有单层的石墨烯梁5，所述石墨烯梁5由二氧化硅介质层4作支撑，并位 于栅极金属电极之上，在石墨烯梁5两侧沉积有由1nm厚的钛、15nm厚的铂和50nm厚 的金构成的源极金属电极6和漏极金属电极7。

实施例2

所述用于支撑石墨烯梁5的二氧化硅（SiO₂）介质层4，它应提供较为光滑的电极 接触，其沉积的厚度为100nm，所述石墨烯沟道的宽度即源极金属电极6和漏极金属电 极7之间的距离为2000nm；其他制备工艺条件和操作步骤与实施例1相同，同样可制得 基于石墨烯材料的高频纳机电谐振器。

本发明经实施例制备的基于石墨烯材料的高频纳机电谐振器，由于石墨烯具有二维 平面结构、场相关电导率和高机械强度等特性，因此，本发明基于石墨烯材料设计及制 备工艺制备的纳机电谐振器（NEMS）电子学器件具有高频、高品质因素等特点。由于采 用固支梁和本地背栅结构可直接读取其谐振器高频机械振动信号；因此，该电子学器件 能用于可穿戴电子，无线通信设备等；由于采用固支梁和本地背栅结构还能减小寄生电 容对谐振器高频信号读取的影响。