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引言
石墨烯與通常應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)光刻過程中的聚合物的高親和力，并且不可避免地會改變石墨烯的電學(xué)性質(zhì)，通過拉曼光譜和電輸運研究，我們將石墨烯器件的室溫載流子遷移率與石墨烯中有序域的大小聯(lián)系起來。我們還發(fā)現(xiàn)這些有序結(jié)構(gòu)域的大小受到光刻后清洗過程的高度影響。最后表明，通過使用聚（二甲基戊二酰亞胺）(PMGI)作為保護(hù)層，提高了CVD石墨烯器件的產(chǎn)量。相反，與傳統(tǒng)生產(chǎn)方法制造的器件相比，它們的電學(xué)性能會惡化。
在高質(zhì)量石墨烯的幾種合成方法中，化學(xué)氣相沉積(CVD)是大規(guī)模生產(chǎn)最常用的方法之一。然而，石墨烯基器件大規(guī)模生產(chǎn)的挑戰(zhàn)是基于石墨烯的電子工業(yè)全面發(fā)展的巨大障礙。這是由于難以避免石墨烯的結(jié)構(gòu)降解和化學(xué)污染。因此，在本研究中，我們利用拉曼光譜和電輸運技術(shù)進(jìn)行了研究。
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實驗
我們在300納米厚的二氧化硅層上使用了CVD石墨烯，石墨烯器件是在場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)(GFET)中通過兩個光刻步驟生產(chǎn)出來的（圖1）。第一步用于定義石墨烯器件的幾何形狀，第二步用于制造電極。在第一個光刻步驟中，石墨烯上涂有一層1340nm厚的光刻膠(圖1a)，然后，通過直接激光書寫光刻技術(shù)(圖1b)來定義器件的幾何形狀，然后在AZ351B（1：4）顯影劑中開發(fā)暴露的光刻膠，圖1c。在這一發(fā)展之后，多余的石墨烯用o2等離子體去除石墨烯(圖1d)。最后，我們使用不同的協(xié)議去除光刻膠層(圖1e)，在第二個光刻步驟中，在之前的圖案石墨烯上涂上一層820nm厚的聚（二甲基戊二酰亞胺）(PMGI)基抗蝕劑，來自Microchem.com的LOR5A，然后是1340nm厚的光刻膠AZ1512HS(圖1f)，紫外照射后，暴露的光刻膠的發(fā)展產(chǎn)生下切口輪廓，如圖1gh所示。然后，在樣品上熱蒸發(fā)5/100nm的Cr/Au，并按照程序“P1”或程序“P2”進(jìn)行升降程序(圖1j)。 ????
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圖1
在稱為P1的過程中，光致抗蝕劑脫剝離劑、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)（剝離），然后沖洗異丙醇(IPA)和去離子水，圖21、2b、2c顯示。該過程嚴(yán)重?fù)p害了石墨烯。為了提高器件的生產(chǎn)效率，我們使用第二種方法逐步去除光刻膠和LOR。首先，用1-甲氧基-2-乙酸丙醇（PGMEA)去除光致抗蝕劑，這是一種LOR是惰性的溶劑(圖2d，e），然后，在AZ351B（1：4）中去除覆蓋石墨烯膜的剩余LOR層(圖2f)。研究發(fā)現(xiàn)，程序P2不如程序P1激進(jìn)，總共有60臺設(shè)備的設(shè)備生產(chǎn)效率提高了85%(圖2g)。事實上，當(dāng)PMGI作為支撐支架進(jìn)行CVD石墨烯轉(zhuǎn)移時，產(chǎn)量較高。
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圖2
我們在室溫下進(jìn)行了拉曼光譜和電輸運測量，以將石墨烯中有序域的大小與其載流子遷移率聯(lián)系起來。
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結(jié)果與討論
圖3a顯示了接收的CVD石墨烯的拉曼光譜，圖3b和圖3c分別顯示了P1和P2程序產(chǎn)生的石墨烯器件的拉曼光譜。用P1程序處理的石墨烯(圖3b)與參考CVD石墨烯的拉曼光譜非常相似(圖3a)。這表明，使用NMP的發(fā)射在石墨烯上留下的化學(xué)殘留量可以忽略不計。然而，圖3c顯示，在P2程序進(jìn)行的剝離過程中，PMGI聚合物并沒有被完全去除。這可以通過圖3c所示的1137、1178、1300、1312、1400、1410、1434、1404?1和1604cm?1與PMGI聚合物相關(guān)來證實。因此，使用程序P2的設(shè)備生產(chǎn)的巨大增加伴隨著在起飛過程中PMGI的顯著污染。
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圖3
為了去除P2程序產(chǎn)生的石墨烯器件中殘留的PMGI，我們嘗試了三種不同的清洗方法：第一種方法(C1)包括在一個NMP浴缸中清洗設(shè)備；在第二種清洗方法(C2)中，我們使用N、N-二甲基甲酰胺(DMF)來清洗石墨烯器件；最后，第三種方法(C3)包括通過H2/Ar（1：1）在300°C下退火2h清洗石墨烯。盡管如此，我們還是觀察到，分別使用NMP和DMF的清潔方法C1和C2都不能從石墨烯表面去除殘留的PMGI聚合物。圖3c通過P2程序生產(chǎn)并用NMP(圖3d)和DMF(圖3e)清洗的兩種石墨烯器件的拉曼光譜顯示了與PMGI聚合物相關(guān)的相同特征。對于H2/Ar退火，圖3f顯示，該過程并沒有完全去除石墨烯表面殘留的PMGI聚合物，因為仍然存在一些與聚合物相關(guān)的拉曼帶。石墨烯的結(jié)構(gòu)無序可以通過ID/IG強度比來量化。
經(jīng)過P1和P2兩種方法處理的石墨烯的有序結(jié)構(gòu)域的尺寸均減小到La≈160nm，由此，我們推斷，這些過程在石墨烯中引入的結(jié)構(gòu)缺陷數(shù)量大致相同。此外，由于P2制備的器件用C1清洗，La的表達(dá)值沒有下降。然而，當(dāng)采用C2和C3方法進(jìn)行清洗時，有序結(jié)構(gòu)域的尺寸進(jìn)一步減小，這表明石墨烯的結(jié)構(gòu)無序性增加。
因此，清潔方法要么不清潔石墨烯表面，要么促進(jìn)一定程度的清潔，但以引入缺陷為代價。為了將拉曼光譜得到的結(jié)果與石墨烯器件的電輸運特性聯(lián)系起來，我們對不同發(fā)射程序和清洗方法產(chǎn)生的幾種器件進(jìn)行了導(dǎo)電率柵極電壓(Vg)的函數(shù)測量，由于幾個設(shè)備的中立點超過100V，我們在這里只考慮通過孔的傳輸。石墨烯的電導(dǎo)率σ作為柵極電壓Vg的次線性函數(shù)，這種次線性行為與石墨烯中的弱點無序有關(guān)，該無序作為載流子密度無關(guān)的殘余電阻率ρs出現(xiàn)。強無序率和帶電雜質(zhì)無序率是產(chǎn)生電阻率(μne)?1的原因，其中μ是遷移率，n是載流子密度。
? ? ? 我們進(jìn)行了電輸運測量和拉曼光譜研究，以比較CVD貝爾斯坦納米技術(shù)的性質(zhì)。并采用最近開發(fā)的一種使用LOR作為犧牲層的方法生產(chǎn)的器件。我們發(fā)現(xiàn)PMGI分子在石墨烯中引入無序，從而損害了基于CVD-石墨烯的器件的性能。然后，我們應(yīng)用了最常見的光刻后清洗方法來去除PMGI分子。我們能夠?qū)㈦娺w移率與經(jīng)過不同清洗程序的設(shè)備中有序的域大小聯(lián)系起來。我們的結(jié)論是，使用LOR作為犧牲層提高了CVD石墨烯器件的產(chǎn)量，但損害了器件的整體電子性能。