CN115050636B - 一种低成本大面积石墨烯图形化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种低成本大面积石墨烯图形化方法，包括下列步骤：S1、在转移了石墨烯薄膜的衬底表面沉积一层铝金属作掩膜；S2、旋涂一层光刻胶并光刻，以便图形化铝金属掩膜；S3、刻蚀石墨烯；S4、清洗剩余光刻胶及腐蚀剩余铝金属掩膜。本发明使用金属掩膜隔开石墨烯与光刻胶，避免了石墨烯与光刻胶直接接触导致光刻胶残留。得到的石墨烯表面更清洁一致。大面积石墨烯中，清洁一致的表面保证了其电学、力学等特性的一致性，故在大面积石墨烯图形化中适用。本发明使用铝金属材料作为掩膜材料，其材料成本低，在大面积石墨烯图形化中额外增加的材料成本有限。
Description
技术领域
本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种低成本大面积石墨烯图形化方法。
背景技术
石墨烯薄膜是一种单层碳原子紧密堆积成蜂窝状晶格结构的新型二维材料。其在力学、电学、热力学等方面具有很多优良特性，表现在其强度高、韧性好、载流子迁移率高、热传导系数高等。利用石墨烯薄膜材料的这些优良特性，开发出了多种新型传感器及高性能晶体管。
制作这些器件都需要图形化石墨烯。图形化石墨烯通常采用在石墨烯上旋涂光刻胶，然后使用掩膜版光刻及等离子体图形化石墨烯的方法。由于光刻胶直接接触石墨烯且石墨烯具有较强的吸附特性，光刻胶不可避免地残留在石墨烯上，严重影响器件的性能。
目前，为清洗石墨烯上残留的光刻胶，采用紫外线臭氧处理、等离子体清洗等方法处理，但这些方法不仅成本高昂、且无法完全地清除残留光刻胶，有的甚至会引起石墨烯薄膜缺陷。为了避免光刻胶残留以及石墨烯损伤，许多新方法被提出，不再着眼于如何清洗石墨烯以去除光刻胶，而是避免光刻胶与石墨烯接触。专利号为：ZL201610546722.6的发明专利公开一种控制氧激子方向性运动，从而调控刻蚀石墨烯得到石墨烯图形的方法，虽然该方法无须使用光刻工艺处理石墨烯，有效避免了光刻胶的残留，但是氧激子具有控制精确度不高、图形化速率慢的缺点，导致石墨烯图形精度低甚至还会给石墨烯带来损伤，且该方法需要额外的刻蚀设备，增加了成本，有着较大的局限性。
发明内容
针对上述现有的石墨烯刻蚀方法容易导致石墨烯图形精度低甚至还会给石墨烯带来损伤，且该方法需要额外的刻蚀设备，增加了成本，有着较大的局限性的技术问题，本发明提供了一种成本低、工艺简单、能大面积图形化石墨烯，且石墨烯表面更清洁一致的低成本大面积石墨烯图形化方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种低成本大面积石墨烯图形化方法，包括下列步骤：
S1、在转移了石墨烯薄膜的衬底表面沉积一层铝金属作掩膜；
S2、旋涂一层光刻胶并光刻，以便图形化铝金属掩膜；
S3、刻蚀石墨烯；
S4、清洗剩余光刻胶及腐蚀剩余铝金属掩膜。
所述S1中沉积一层铝金属作掩膜的方法为：转移石墨烯薄膜到衬底上，使用蒸发的方式在石墨烯薄膜上沉积一层铝金属掩膜。
所述蒸发的方式采用电子束蒸发或热蒸发，所述铝金属掩膜的沉积厚度范围为5-40nm。
所述S1中的衬底采用硅、玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅或柔性材料，所述衬底上沉积有二氧化硅层或氮化硅层。
所述S2中旋涂一层光刻胶并光刻的方法为：在铝金属掩膜表面旋涂一层光刻胶，光刻并显影光刻胶后得到光刻胶图形，然后刻蚀铝金属掩膜得到铝金属掩膜图形。
所述光刻胶采用AZ5214E正光刻胶或AZ P4620正光刻胶，所述显影光刻胶采用减缓铝腐蚀的复合有机碱显影液。
所述刻蚀铝金属掩膜的方法为：使用三氯化硼和氯气金属干法刻蚀铝金属掩膜得到铝金属掩膜图形。
所述S3中刻蚀石墨烯的方法为：采用氧等离子体刻蚀石墨烯薄膜得到石墨烯图形。
所述S4中清洗剩余光刻胶的方法为：使用丙酮50℃水浴加热5分钟及无水乙醇50℃水浴加热3分钟清洗光刻胶图形。
所述S4中腐蚀剩余铝金属掩膜的方法为：采用铝腐蚀溶液腐蚀剩余的铝金属掩膜，所述铝腐蚀溶液采用稀盐酸、磷酸或稀四甲基氢氧化铵
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、本发明使用金属掩膜隔开石墨烯与光刻胶，避免了石墨烯与光刻胶直接接触导致光刻胶残留。得到的石墨烯表面更清洁一致。大面积石墨烯中，清洁一致的表面保证了其电学、力学等特性的一致性，故在大面积石墨烯图形化中适用。
2、本发明使用铝金属材料作为掩膜材料，其材料成本低，在大面积石墨烯图形化中额外增加的材料成本有限。
3、本发明使用电子束蒸发、热蒸发等方式沉积铝金属，这种方法不仅适用于各种尺寸包括大尺寸晶圆表面的金属生长，而且设备操作简单、成本低廉，还不会损伤石墨烯表面。
4、本发明使用三氯化硼、氯气金属干法刻蚀铝掩膜，能有效避免侧蚀，提高器件精度。
5、本发明使用稀酸或稀四甲基氢氧化铵腐蚀剩余铝，稀酸、稀四甲基氢氧化铵溶液不会与石墨烯反应及影响石墨烯性能，且在工艺加工中使用广泛、成本低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明衬底上石墨烯沉积铝金属掩膜及旋涂光刻胶的示意图；
图2为本发明图形化金属掩膜的示意图；
图3为本发明刻蚀石墨烯的示意图；
图4为本发明去除光刻胶及金属掩膜后图形化石墨烯的示意图。
其中：1为衬底，2为石墨烯薄膜，3为铝金属掩膜，4为光刻胶，5为光刻胶图像，6为铝金属掩膜图形，7为石墨烯图形。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种低成本大面积石墨烯图形化方法，可用于石墨烯传感器、石墨烯晶体管等器件中石墨烯的图形化。该方法利用金属作为掩膜隔离光刻胶，避免光刻胶直接接触石墨烯导致光刻胶残留影响器件性能。
本发明的一个实施例的石墨烯图形化方法，如图1所示，转移石墨烯薄膜2到二氧化硅衬底1上。在石墨烯薄膜2上沉积一层铝金属掩膜3，特别的使用蒸发的方式在石墨烯薄膜2上沉积20nm铝金属掩膜3，优选的，蒸发方法包括但不限于电子束蒸发及热蒸发。在铝金属掩膜上3旋涂光刻胶4，特别的，可以在铝掩膜3表面旋涂正光刻胶，优选的，正光刻胶包括但不限于AZ 5214E及AZP4620。
如图2所示，光刻并显影光刻胶4后得到光刻胶图形5，特别的，可以使用减缓铝腐蚀的复合有机碱显影液显影光刻胶4。使用三氯化硼、氯气金属干法刻蚀铝金属掩膜3得到铝金属掩膜图形6。
如图3所示，使用氧等离子体刻蚀石墨烯薄膜2得到石墨烯图形7。
如图4所示，清洗剩余光刻胶图形5，特别的，使用丙酮50℃水浴加热5分钟及无水乙醇50℃水浴加热3分钟清洗光刻胶图形5。腐蚀剩余铝金属掩膜图形6，优选的，铝腐蚀溶液包括但不限于稀盐酸、磷酸及稀四甲基氢氧化铵。完成整个石墨烯图形化加工。
本发明实施例提供的石墨烯图形化方法，能避免光刻胶与石墨烯直接接触引起石墨烯残留，导致石墨烯敏感单元性能下降。采用此方法能图形化石墨烯，能得到更加清洁一致的石墨烯表面，在大面积石墨烯中，更清洁一致的表面保证了各单元石墨烯电学、力学等性质的一致性，故在大面积石墨烯图形化中同样适用。
本发明采用铝金属作为掩膜材料，其金属镀膜设备简单、成本低廉，能用于各种尺寸包括大尺寸晶圆表面的金属生长。而且其材料成本同样较低，在大面积图形化石墨烯中额外增加的成本有限。
本发明实施例出现的二氧化硅衬底均可以由氮化硅、石英等替换，铝金属掩膜均可以由氧化铝掩膜等替换。在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种低成本大面积石墨烯图形化方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、在转移了石墨烯薄膜的衬底表面沉积一层铝金属作掩膜；
S2、旋涂一层光刻胶并光刻，以便图形化铝金属掩膜；
S3、刻蚀石墨烯；
S4、清洗剩余光刻胶及腐蚀剩余铝金属掩膜；
所述S2中旋涂一层光刻胶并光刻的方法为：在铝金属掩膜表面旋涂一层光刻胶，光刻并显影光刻胶后得到光刻胶图形，然后刻蚀铝金属掩膜得到铝金属掩膜图形；
所述刻蚀铝金属掩膜的方法为：使用三氯化硼和氯气金属干法刻蚀铝金属掩膜得到铝金属掩膜图形；
所述S3中刻蚀石墨烯的方法为：采用氧等离子体刻蚀石墨烯薄膜得到石墨烯图形。
2.根据权利要求1所述的一种低成本大面积石墨烯图形化方法，其特征在于：所述S1中沉积一层铝金属作掩膜的方法为：转移石墨烯薄膜到衬底上，使用蒸发的方式在石墨烯薄膜上沉积一层铝金属掩膜。
3.根据权利要求2所述的一种低成本大面积石墨烯图形化方法，其特征在于：所述蒸发的方式采用电子束蒸发或热蒸发，所述铝金属掩膜的沉积厚度范围为5-40nm。
4.根据权利要求1所述的一种低成本大面积石墨烯图形化方法，其特征在于：所述S1中的衬底采用硅、玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅或柔性材料，所述衬底上沉积有二氧化硅层或氮化硅层。
5.根据权利要求1所述的一种低成本大面积石墨烯图形化方法，其特征在于：所述光刻胶采用AZ5214E正光刻胶或AZP4620正光刻胶，所述显影光刻胶采用减缓铝腐蚀的复合有机碱显影液。
6.根据权利要求1所述的一种低成本大面积石墨烯图形化方法，其特征在于：所述S4中清洗剩余光刻胶的方法为：使用丙酮50℃水浴加热5分钟及无水乙醇50℃水浴加热3分钟清洗光刻胶图形。
7.根据权利要求1所述的一种低成本大面积石墨烯图形化方法，其特征在于：所述S4中腐蚀剩余铝金属掩膜的方法为：采用铝腐蚀溶液腐蚀剩余的铝金属掩膜，所述铝腐蚀溶液采用稀盐酸、磷酸或稀四甲基氢氧化铵。
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