石墨烯器件的制作方法

石墨烯器件的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種石墨烯器件的制作方法，所述石墨烯器件的制作方法至少包括：提供第一襯底；在所述第一襯底上形成PVA層；在所述PVA層上形成PMMA層；在所述PMMA層上形成石墨烯器件；將所述第一襯底、所述PVA層、所述PMMA層和所述石墨烯器件放入去離子水中，以溶解所述PVA層，使得所述PMMA層和所述石墨烯器件與所述第一襯底脫離；將所述PMMA層和所述石墨烯器件轉移第二襯底上。本發明采用PMMA做支撐層，同時利用PVA作為犧牲層，然后，再通過去除PVA，使得形成在PMMA層上的石墨烯器件連同所述PMMA層一同脫離第一襯底，再與第二襯底（本實施例中為聚酰亞胺襯底）黏結，從而實現將石墨烯器件形成在第二襯底上。這樣可以擴大石墨烯器件的應用范圍。
【專利說明】石墨烯器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體技術，特別是涉及一種石墨烯器件的制作方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯是從石墨材料中剝離出來，由碳原子組成的二維晶體，只有一層碳原子的厚度，是迄今最薄也最堅硬的材料，其獨特的結構使得其顯示出一系列奇特的物理特性，如高電導率、熱導率、透光率、高遷移率及機械強度等。石墨烯具有透明、軟性、能帶結構連續可調、電子遷移率高等一系列重要的光電特性，基于石墨烯的電子器件在下一代納米電子器件領域中具有重要的應用前景，如發光二極管、太陽能電池和納米發電機等。這些優越的物理性能預示著石墨烯可以作為極佳的半導體材料結合不同的襯底廣泛的應用于電子，傳感器及能源等領域。
[0003]隨著研究的不入與技術的不斷推進，以石墨烯為基礎的器件的功能必將得到進一步提升，并將成為未來納米器件中的重要成員。然而目前存在的石墨烯場效應晶體管制備工藝研究，由于要集成低溫加工工藝，高K電介質制備工藝等大多采用半導體硅做為襯底，然而在任意的襯底如有機或者無機襯底，剛性及柔性襯底上大規模集成具有高性能納米器件仍然是具有挑戰的。

【發明內容】

[0004]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種石墨烯器件的制作方法，用于解決現有技術中石墨烯場效應晶體管制備工藝大多采用半導體硅做為襯底，使得石墨烯器件的應用受到限制的問題。
[0005]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種石墨烯器件的制作方法，所述石墨烯器件的制作方法至少包括:
[0006]提供第一襯底；
[0007]在所述第一襯底上形成PVA層；
[0008]在所述PVA層上形成PMMA層；
[0009]在所述PMMA層上形成石墨烯器件；
[0010]將所述第一襯底、所述PVA層、所述PMMA層和所述石墨烯器件放入去離子水中，以溶解所述PVA層，使得所述PMMA層和所述石墨烯器件與所述第一襯底脫離；
[0011]將所述PMMA層和所述石墨烯器件轉移第二襯底上。
[0012]優選地，在所述PMMA層上形成石墨烯器件的步驟包括:
[0013]在所述PMMA層上形成石墨烯層；
[0014]利用沉積工藝在所述石墨烯層上形成第一金屬層；
[0015]利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝將所述第一金屬層形成所述石墨烯器件的源極和漏極；
[0016]在所述石墨烯層、所述源極和所述漏極上形成柵介質層；[0017]利用沉積工藝在所述柵介質層上形成第二金屬層；
[0018]利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝將所述第二金屬層形成金屬頂柵電極，所述金屬頂柵電極位于所述源極和所述漏極之間的柵介質層上；
[0019]利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝去除所述源極和所述漏極上方的所述柵介質層，以暴露出所述源極和所述漏極。
[0020]優選地，所述形成石墨烯層的方法為機械剝離法。
[0021]優選地，所述第一金屬層為Au,厚度為50nm?IOOnm,形成工藝為電子束蒸發。
[0022]優選地，在所述利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝將所述第一金屬層形成所述石墨烯器件的源極和漏極的步驟中，利用K2和12的混合溶液刻蝕所述第一金屬層。
[0023]優選地,所述柵介質層為高K介質材料,厚度為IOnm?30nm。
[0024]優選地，所述柵介質層為A1203，形成工藝為原子層沉積，進行所述原子層沉積時，設置反應溫度為150°C。
[0025]優選地，所述第二金屬層為銅，厚度為形成工藝為電子束蒸發。
[0026]優選地，所述利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝將所述第二金屬層形成金屬頂柵電極的步驟中，利用所述六水合氯化鐵溶液刻蝕所述第二金屬層。
[0027]優選地，所述第一襯底為硅襯底。
[0028]優選地，所述第二襯底為有機襯底、藍寶石襯底、玻璃襯底、GaN襯底、AlN襯底、塑料襯底或金屬襯底。
[0029]優選地，所述第二襯底為聚酰亞胺襯底。
[0030]優選地，將所述PMMA層和所述石墨烯器件轉移第二襯底上之后，還包括進行將所述PMMA層、所述石墨烯器件、第二襯底所述在70°C下烘烤IOmin的步驟。
[0031]優選地,所述PVA層的厚度為80nm?120nm。
[0032]優選地，所述PMMA層的厚度為180nm?250nm。
[0033]如上所述，本發明的石墨烯器件的制作方法，具有以下有益效果:
[0034]本發明采用PMMA做支撐層，將所述石墨烯器件形成在PMMA層，同時利用PVA作為犧牲層，將所述PMMA層黏結在第一襯底(本實施例中為硅襯底)上，然后，再通過去除PVA，使得形成在PMMA層上的石墨烯器件連同所述PMMA層一同脫離第一襯底，然后，再將所述載著石墨烯器件的PMMA層與第二襯底(本實施例中為聚酰亞胺襯底)黏結，從而實現將石墨烯器件形成在第二襯底上。這樣可以突破石墨烯器件目前只能制作硅襯底上的局限，擴大石墨稀器件的應用范圍。
[0035]另外，在所述形成石墨烯器件的工藝中，均采用低溫工藝形成介質層，采用光刻和濕法刻蝕形成石墨烯器件中的各個部件，避免采用高溫工藝、等離子工藝、丙酮等工藝，從而避免工藝中對PVA層和PMMA層的影響，從而確保能夠完整形成所述石墨烯器件，并確保能夠被完整的轉移到第二襯底上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1至圖10顯示為本發明的石墨烯器件的制作方法的示意圖。
[0037]元件標號說明
[0038]100第一襯底
210 PVA 層
220 PMMA 層
300石墨烯層
400第一金屬層
410源極
420漏極
500柵介質層
600金屬頂柵電極
10去離子水
101第二襯底
S10-S60 步驟
【具體實施方式】
[0039]本發明將提供一種可轉移的石墨烯器件的制作工藝，至少包括:在所述第一襯底上形成PVA層；在所述PVA層上形成PMMA層，在所述PMMA層上制備石墨烯器件，隨后溶解PVA層，將石墨烯器件和PMMA層一起轉移到聚酰亞胺襯底上，實現在柔性聚合物襯底上形成石墨烯器件，并且在柔性聚合物襯底上的器件開關比能達到10-6，其在經過多次彎曲后器件依然能夠正常工作。
[0040]另外本發明也適用于將所制備的石墨烯器件轉移至其它襯底上，實現石墨烯電子器件功能提升及其更廣泛的應用。
[0041]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0042]請參閱圖1至圖10所示。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
[0043]具體的，參考圖1所示，本實施例提供的所述石墨烯器件的制作工藝，至少包括:
[0044]首先，結合圖1所示，執行步驟SlO:提供第一襯底100 ；
[0045]本實施例中，所述第一襯底100為硅襯底。
[0046]接下來，執行步驟S20:在所述第一襯底上形成PVA (Polyvinyl Alcohol,聚乙烯醇)層210 ；
[0047]PVA是一種水溶性高分子聚合物，由醋酸乙烯烴聚合醇解而制成，其性能獨特，具有較佳的粘接性、柔韌性、平滑性、耐溶劑性等優良性質。
[0048]本實施例中，利用PVA來做犧牲層，以將第一襯底100和后續工藝形成的器件粘接，然后，再被溶解，從而實現可以將形成的器件轉移。
[0049]然而，PVA在高溫下會與Ar、H2反應、以及會和O2等離子體反應等反應，所以在后續工藝中，要避免工藝溫度較高，以及避免Ar/H2退火、O2等離子體處理。
[0050]具體的，本實施例中，采用旋涂的方式在所述第一襯底100上形成PVA層210，所述PVA層210的厚度為IOOnm左右，具體為80nm?120nm。
[0051]接下來，執行步驟S30:在所述 PVA 層 210 上形成 PMMA(Polymethylmethacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)層220;
[0052]PMMA具有質輕、機械強度較高、易于成型、易于溶于有機溶劑等優點，并且可以形成良好的薄膜和良好的介電性能，可以作為有機場效應管的介質層。因而，本實施例中，采用PMMA層作為支撐層，在后續工藝中，將石墨烯器件形成在所述PMMA層220上。
[0053]然而，PMMA在高溫下會與Ar、H2反應、以及會和O2等離子體反應等反應，所以在后續工藝中，要避免工藝溫度較高，以及避免Ar/H2退火、O2等離子體處理，及避免電子束曝光工藝。
[0054]具體的，本實施例中，采用旋涂的方式在所述PVA層210上形成PMMA層220，所述PMMA層220的厚度為200nm左右，具體為180nm?220nm。
[0055]接下來，結合參考圖3至圖8，執行步驟S40:在所述PMMA層220上形成石墨烯器件；
[0056]所述石墨烯器件可以是零帶隙、頂柵石墨烯場效應管、雙層石墨烯晶體管、雙極超導石墨烯晶體管或石墨烯納米帶場效應管等。
[0057]其中，在本實施例中，所述石墨烯器件為頂柵石墨烯場效應管，即本步驟形成所述石墨烯器件的工藝包括:
[0058]如圖3所示，在所述PMMA層220上形成石墨烯層300 ；
[0059]本實施例中采用機械剝離法形成所述石墨烯層300。目前為止，機械剝離法是最簡單的形成石墨烯的方法，對實驗室條件要求最低。并且機械剝離法的溫度比較低，對PVA層210和PMMA層220的影響比較小。
[0060]而在其它實施方式中，所述形成石墨烯層300的工藝還可以SiC外延生長法、化學氣相淀積法或其它方法。
[0061]然后，如圖4所示，利用沉積工藝在所述石墨烯層300上形成第一金屬層400 ；
[0062]本實施例中，所述第一金屬層400為Au,所述沉積工藝為電子束蒸發。
[0063]其中，電子束蒸發是一種清潔的金屬薄膜沉積工藝。一般由熱絲發射的電子經過聚焦、偏轉和加速以后形成能量約為IOkeV的電子束，所述電子束轟擊放在有冷卻水套的容器中的金屬靶材并使之蒸發。蒸發出的金屬原子會在沉積在置于金屬靶材附近的襯底(如硅片)上，從而在襯底上得到了一定厚度的金屬鍍層。
[0064]在這個過程中，襯底周圍的溫度不會太高，對所述PVA層210和所述PMMA層220的影響不大。
[0065]然后，如圖5所示，利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝將所述第一金屬層400形成所述石墨烯器件的源極410和漏極420 ；[0066]具體的，本步驟中，包括:在所述第一金屬層400上形成光刻膠層(未圖示);再對所述第一金屬層400上的光刻膠層進行曝光和顯影，以在所述光刻膠層上形成所述石墨烯器件的源區和漏區的圖案；再以所述具有源區和漏區圖案的光刻膠層為掩膜，利用K2和I2的混合溶液對所述第一金屬層進行濕法刻蝕，以將所述第一金屬層400形成所述石墨烯器件的源極410和漏極420。另外，本步驟還包括去除所述第一金屬層400上的殘留的光刻膠。
[0067]本步驟中，將所述第一金屬層400形成所述源極410和漏極420的工藝為光刻工藝和濕法刻蝕，在光刻工藝中，光刻膠和顯影液中不存在丙酮或者其它能溶解PVA和PMMA層的有機溶劑，在所述刻蝕第一金屬層的過程中采用K2和I2的混合溶液進行濕法刻蝕，避免采用一般刻蝕金屬的等離子干法刻蝕，從而避免了電子束曝光工藝和等離子體對PVA和PMMA層的影響。
[0068]然后，如圖6所示，在所述石墨烯層300、所述源極410和所述漏極420上形成柵介質層500 ；
[0069]所述柵介質層500為高k介質層。材質可以為Al2O3, HfO2等。本實施例中，所述柵介質層500為Al2O3,形成方式為原子層沉積，其中，所述原子層沉積(Atomic layerdeposition，簡稱ALD)是是一種可以將物質以單原子層的形式一層一層的鍍在基底表面的方法。在原子層沉積過程中，新一層原子膜的化學反應是直接與之前一層相關聯的，這種方式使每次反應只沉積一層原子。相對于傳統的沉積工藝而言，單原子層逐次沉積的ALD在膜層的均勻性、階梯覆蓋率以及厚度控制等方面都具有明顯的優勢。
[0070]另外，在本實施例中，在進行所述原子層沉積時，反應溫度為150°C。這樣的反應溫度不會對PVA和PMMA的產生影響。
[0071]然后，如圖7所示，利用沉積工藝在所述柵介質層500上形成第二金屬層，利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝將所述第二金屬層形成金屬頂柵電極600。
[0072]所述第二金屬層為銅，所述形成第二金屬層的沉積工藝為電子束蒸發。類似形成第一金屬層的步驟中，在形成第二金屬層中，襯底周圍的溫度不會太高，對所述PVA層210和所述PMMA層220的影響不大。
[0073]其中，利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝將所述第二金屬層形成金屬頂柵電極600的工藝包括:在所述第二金屬層上形成光刻膠，然后再對所述第二金屬層上的光刻膠進行曝光顯影，以形成所述金屬頂柵電極的圖形，所述金屬頂柵電極的圖形位于所述源極410和所述漏極420之間的上部。再以所述具有金屬頂柵電極的圖形的光刻膠為掩膜，對所述第二金屬層進行刻蝕，以形成所述金屬頂柵電極600，所述金屬頂柵電極600位于所述源極410和所述漏極420之間的柵介質層500上。所述刻蝕第二金屬層的工藝為利用所述六水合氯化鐵溶液進行濕法刻蝕。
[0074]類似形成所述源極410和所述漏極420的步驟，本步驟形成金屬頂柵電極600的工藝能夠避免對PVA和PMMA層的影響。
[0075]然后，如圖8所示，利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝去除所述源極410和所述漏極420上方的所述柵介質層500，以暴露出所述源極410和所述漏極420，至此，形成好本實施例中的所述石墨烯器件。
[0076]接下來，執行步驟S50:如圖9所示，將所述第一襯底、所述PVA層、所述PMMA層和所述石墨烯器件放入去離子水10中，以溶解所述PVA層，使得所述PMMA層和所述石墨烯器件與所述第一襯底脫離；
[0077]其中，所述PVA層溶解于去離子水10，所述PMMA層載著所述石墨烯器件飄浮在水面上來。
[0078]接下來，執行步驟S60:如圖10所示，將所述PMMA層和所述石墨烯器件轉移第二襯底101上。
[0079]本實施例中，所述第二襯底101為聚酰亞胺襯底。聚酰亞胺是一種具有優異的綜合性能和工藝特性的聚合物材料。它具有可與鋁合金相比的硬度，很好的強度、柔韌性，以及化學和輻射穩定性。本步驟中，將所述PMMA層和所述石墨烯器件轉移到聚酰亞胺襯底上，則所具有所述石墨烯器件的電子產品可以具有輕、薄和可卷曲等性質。
[0080]另外，本步驟中，在將所述PMMA層和所述石墨烯器件轉移第二襯底101 (聚酰亞胺襯底)上之后，還包括進行將所述PMMA層、所述石墨烯器件、第二襯底101所述在70°C下烘烤IOmin的步驟，以增強第二襯底101與PMMA之間的黏附性。
[0081]在其它實施例中，所述第二襯底101為有機襯底、藍寶石襯底、玻璃襯底、GaN襯底、AlN襯底、塑料襯底或金屬襯底。所述PMMA層和所述石墨烯器件轉移到不同的襯底上，所述石墨烯器件會具有不同的應用。這樣，通過上述方式，將所述石墨烯器件從第一襯底100 (本實施例中為硅襯底)上轉移到第二襯底101上，使得石墨烯器件的應用領域大大拓展。
[0082]綜上所述，本發明采用PMMA做支撐層，將所述石墨烯器件形成在PMMA層，同時利用PVA作為犧牲層，將所述PMMA層黏結在第一襯底(本實施例中為硅襯底)上，然后，再通過去除PVA，使得形成在PMMA層上的石墨烯器件連同所述PMMA層一同脫離第一襯底，然后，再將所述載著石墨烯器件的PMMA層與第二襯底(本實施例中為聚酰亞胺襯底)黏結，從而實現將石墨烯器件形成在第二襯底上。這樣可以突破石墨烯器件目前只能制作硅襯底上的局限，擴大石墨烯器件的應用范圍。
[0083]另外，在所述形成石墨烯器件的工藝中，均采用低溫工藝形成介質層，采用光刻和濕法刻蝕形成石墨烯器件中的各個部件，避免采用高溫工藝、等離子工藝、丙酮等工藝，從而避免工藝中對PVA層和PMMA層的影響，從而確保能夠完整形成所述石墨烯器件，并確保能夠被完整的轉移到第二襯底上。
[0084]所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0085]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種石墨烯器件的制作方法，其特征在于，所述石墨烯器件的制作方法至少包括: 提供第一襯底； 在所述第一襯底上形成PVA層； 在所述PVA層上形成PMMA層； 在所述PMMA層上形成石墨烯器件； 將所述第一襯底、所述PVA層、所述PMMA層和所述石墨烯器件放入去離子水中，以溶解所述PVA層，使得所述PMMA層和所述石墨烯器件與所述第一襯底脫離； 將所述PMMA層和所述石墨烯器件轉移第二襯底上。
2.根據權利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:在所述PMMA層上形成石墨烯器件的步驟包括: 在所述PMMA層上形成石墨烯層； 利用沉積工藝在所述石墨烯層上形成第一金屬層； 利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝將所述第一金屬層形成所述石墨烯器件的源極和漏極； 在所述石墨烯層、所述源極和所述漏極上形成柵介質層； 利用沉積工藝在所述柵介質層上形成第二金屬層； 利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝將所述第二金屬層形成金屬頂柵電極，所述金屬頂柵電極位于所述源極和所述漏極之間的柵介質層上； 利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝去除所述源極和所述漏極上方的所述柵介質層，以暴露出所述源極和所述漏極。
3.根據權利要求2所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述形成石墨烯層的方法為機械剝離法。
4.根據權利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述第一金屬層為Au，厚度為50nm~IOOnm,形成工藝為電子束蒸發。
5.根據權利要求4所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:在所述利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝將所述第一金屬層形成所述石墨烯器件的源極和漏極的步驟中，利用K2和I2的混合溶液刻蝕所述第一金屬層。
6.根據權利要求2所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述柵介質層為高K介質材料，厚度為IOnm~30nm。
7.根據權利要求2所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述柵介質層為Al2O3,形成工藝為原子層沉積，進行所述原子層沉積時，設置反應溫度為150°C。
8.根據權利要求2所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述第二金屬層為銅，厚度為形成工藝為電子束蒸發。
9.根據權利要求8所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述利用光刻工藝和濕法刻蝕工藝將所述第二金屬層形成金屬頂柵電極的步驟中，利用所述六水合氯化鐵溶液刻蝕所述第二金屬層。
10.根據權利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述第一襯底為硅襯
。
11.根據權利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述第二襯底為有機襯底、藍寶石襯底、玻璃襯底、GaN襯底、AlN襯底、塑料襯底或金屬襯底。
12.根據權利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述第二襯底為聚酰亞胺襯底。
13.根據權利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:將所述PMMA層和所述石墨烯器件轉移第二襯底上之后，還包括進行將所述PMMA層、所述石墨烯器件、第二襯底所述在70°C下烘烤IOmin的步驟。
14.根據權利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述PVA層的厚度為80nm ~120nm。
15.根據權利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述PMMA層的厚度為 180nm ~250nm。`
【文檔編號】H01L21/04GK103646855SQ201310713413
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】王浩敏, 謝紅, 孫秋娟, 王慧山, 吳天如, 謝曉明, 江綿恒 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所