石墨烯器件的光刻方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种石墨烯器件的光刻方法。

背景技术：

石墨烯是一种全新的半导体材料。近20年来，碳纳米材料一直是半导体科研领域的前沿，其中的石墨烯因为独特的二维结构而具备了很多独特的性能。比如，石墨烯是世界上最薄的二维材料，其厚度只有0.35mm。石墨烯的强度是已知材料里最高的，达到130GPa，是钢的100余倍。由于石墨烯二维结构的独特性能，其载流子迁移率达15000cm²·V^-1·s^-1，是硅材料的10倍。石墨烯导热率达到5000W·m^-1K^-1，是金刚石的3倍，而且石墨烯可以采用常用的半导体加工技术，因此工艺方面有比较大的兼容性。在具体加工方面，石墨烯可以采用贴片、外延、氧化和气相沉积等方法进行生长，然后引入官能团进行功能化，之后进行常规的加工工艺。在石墨烯的半导体器件加工过程中，常常要在石墨烯表面利用光刻来制作金属电极。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：传统光刻采用的光刻胶由于存在苯环结构，会在石墨烯表面留下有机残留，这种有机残留很难去除，导致了金属电极和石墨烯之间电阻增大，降低了器件性能。

技术实现要素：

本发明提供的一种石墨烯器件的光刻方法，利用深紫外光刻，有效避免了传统光刻中光刻胶对石墨烯的污染，提高了石墨烯器件制作工艺的可靠性和重复性。

本发明提供一种石墨烯器件的光刻方法，包括：

将石墨烯转移置目标衬底；

在所述石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA；

对所述石墨烯进行深紫外光刻；

在所述石墨烯表面沉积金属电极；

利用N甲基吡咯烷酮溶解所述石墨烯表面的聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA，以剥离所述金属电极的多余部分；

用异丙醇溶液和去离子水对所述石墨烯进行清洗。

可选地，所述石墨烯由化学气相沉积外延法制得。

可选地，所述石墨烯制备的方法包括：

选择铜箔作为生长石墨烯的基底，CH₄和H₂的混合气体作为生长石墨烯的反应气体，在化学气相沉积外延炉里生长石墨烯，

其中，所述铜箔的厚度为30μm至50μm、纯度为99％，所述CH₄和H₂的纯度为99.999％，所述外延炉的温度为900℃至1000℃，外延炉内的气压小于1Pa。

可选地，所述在所述石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA包括：

在所述石墨烯表面旋涂1μm厚的聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA后，采用180℃热板对所述聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA进行15分钟的烘烤。

可选地，所述对所述石墨烯进行深紫外光刻包括：

利用HgXe灯作为深紫外光刻的光源对所述石墨烯进行光刻，其中HgXe灯产生光波的范围为180nm至400nm；

利用甲基异丁基酮和异丙醇混合液对所述石墨烯显影，其中甲基异丁基酮和异丙醇的体积比为1:4，显影时间为3分钟。

本发明实施例提供的石墨烯器件的光刻方法，将石墨烯转移置目标衬底；在所述石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA；对所述石墨烯进行深紫外光刻；在所述石墨烯表面沉积金属电极；利用N甲基吡咯烷酮溶解所述石墨烯表面的聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA，以剥离所述金属电极的多余部分；用异丙醇溶液和去离子水对所述石墨烯进行清洗。利用深紫外光刻，有效避免了传统光刻中光刻胶对石墨烯的污染，提高了石墨烯器件制作工艺的可靠性和重复性。

附图说明

图1为本发明一实施例石墨烯器件的光刻方法的流程图；

图2为本发明另一实施例制造石墨烯的场效应管的方法流程图；

图3为本发明另一实施例化学气相沉积外延法制备石墨烯的示意图；

图4为本发明另一实施例腐蚀粘附有热释放胶带的Cu基石墨烯的示意图；

图5为本发明另一实施例压制热释放胶带和硅片的示意图；

图6为本发明另一实施例沉积栅介质Al₂O₃的方法流程图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种石墨烯器件的光刻方法，如图1所示，所述方法包括：

S11、将石墨烯转移置目标衬底。

可选地，所述石墨烯由化学气相沉积外延法制得。

可选地，所述石墨烯制备的方法包括：

选择铜箔作为生长石墨烯的基底，CH₄和H₂的混合气体作为生长石墨烯的反应气体，在化学气相沉积外延炉里生长石墨烯，

其中，所述铜箔的厚度为30μm至50μm、纯度为99％，所述CH₄和H₂的纯度为99.999％，所述外延炉的温度为900℃至1000℃，外延炉内的气压小于1Pa。

S12、在所述石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA。

可选地，所述在所述石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA包括：

在所述石墨烯表面旋涂1μm厚的聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA后，采用180℃热板对所述聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA进行15分钟的烘烤。

S13、对所述石墨烯进行深紫外光刻。

可选地，所述对所述石墨烯进行深紫外光刻包括：

利用HgXe灯作为深紫外光刻的光源对所述石墨烯进行光刻，其中HgXe灯产生光波的范围为180nm至400nm；

利用甲基异丁基酮和异丙醇混合液对所述石墨烯显影，其中甲基异丁基酮和异丙醇的体积比为1:4，显影时间为3分钟。

S14、在所述石墨烯表面沉积金属电极。

S15、利用N甲基吡咯烷酮溶解所述石墨烯表面的聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA，以剥离所述金属电极的多余部分。

S16、用异丙醇溶液和去离子水对所述石墨烯进行清洗。

本发明实施例提供的石墨烯器件的光刻方法，将石墨烯转移置目标衬底；在所述石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA；对所述石墨烯进行深紫外光刻；在所述石墨烯表面沉积金属电极；利用N甲基吡咯烷酮溶解所述石墨烯表面的聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA，以剥离所述金属电极的多余部分；用异丙醇溶液和去离子水对所述石墨烯进行清洗。利用深紫外光刻，有效避免了传统光刻中光刻胶对石墨烯的污染，提高了石墨烯器件制作工艺的可靠性和重复性。

本发明还提供一种按照此方法来制造石墨烯的场效应管的方法，如图2所示，所述方法包括：

S21、制备石墨烯。

具体地，本发明所述石墨烯的制备方法包括但不限于由化学气相沉积外延法制得。化学气相沉积外延法制备石墨烯的示意图如图3所示。选择铜箔作为生长石墨烯的基底，采用CH₄和H₂的混合气体作为生长石墨烯的反应气体，在化学气相沉积外延炉里生长石墨烯。通过加热，使得化学气相沉积外延炉内的温度达到900℃至1000℃，外延炉内的气压小于1Pa。

S22、将所述石墨烯转移置目标衬底。

具体地，石墨烯的转移方法有很多种，本发明仅提供其中一种石墨烯转移的方法，包括：

S221、在Cu基底的石墨烯表面粘附热释放胶带；

S222、将所述粘附有热释放胶带的Cu基的石墨烯底侵入FeCl₃溶液中，以腐蚀Cu基底，腐蚀过程的示意图如图4所示；

S223、将粘附有热释放胶带石墨烯的捞出，用去离子水漂洗并用N₂吹干；

S224、用热释放胶带将所述石墨烯贴附在N型<100>硅片上；

S225、将所述硅片加热到90℃；

S226、如图5所示，在所述硅片上施加8kg压力，以将热释放胶带和硅片紧紧压制在一起，压制5分钟后，撕去热释放胶带。

至此，石墨烯成功地转移到了硅片上。

S23、在所述石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA。

具体地，本发明旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA的厚度为1μm，并用180℃热板对聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA烘烤15分钟。

S24、对所述石墨烯进行深紫外光刻，以形成源、漏电极的图形。

具体地，本发明选择HgXe灯作为深紫外光刻的光源对所述石墨烯进行光刻，选择甲基异丁基酮和异丙醇混合液对光刻后的石墨烯显影，其中，HgXe灯产生光波的范围为180nm至400nm，甲基异丁基酮和异丙醇的体积比为1:4，显影时间为3分钟。

S25、在所述光刻后的石墨烯表面沉积源、漏金属电极。

具体地，将显影完毕的石墨烯放置于电子束蒸发台内，蒸发沉积源、漏金属电极，其中，金属电极的材料为Ti/Au/Ti合金、厚度为20nm/300nm/20nm；

蒸发沉积结束后，使用N甲基吡咯烷酮溶解所述石墨烯表面的聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA，剥离掉多余的源、漏金属，形成源、漏金属电极；

先使用异丙醇清洗所述石墨烯，再使用去离子水清洗所述石墨烯，并用45℃的N₂气吹干所述石墨烯。

S26、在含有源、漏金属电极的石墨烯表面沉积栅介质Al₂O₃。

具体地，如图6所示，所述沉积栅介质Al₂O₃的方法包括：

S261、将制作完源、漏电极的石墨烯放入蒸发台，蒸发厚度小于2nm的Al seed层；

S262、将所述石墨烯放置于空气中自然氧化4小时，形成Al₂O₃seed层；

S263、将所述石墨烯放置于原子层沉积炉内，沉积厚度为10nm的Al₂O₃，其中沉积炉内的温度为70℃。

S27、在所述栅介质Al₂O₃表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA。

具体地，本发明旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA的厚度为1μm，并用180℃热板对聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA烘烤15分钟。

S28、对所述栅介质Al₂O₃进行深紫外光刻，以形成栅介质Al₂O₃的图形。

具体地，所述深紫外光刻的方法与S24相同，即选择HgXe灯作为深紫外光刻的光源对所述石墨烯进行光刻，选择甲基异丁基酮和异丙醇混合液对光刻后的石墨烯显影，其中，HgXe灯产生光波的范围为180nm至400nm，甲基异丁基酮和异丙醇的体积比为1:4，显影时间为3分钟。

S29、腐蚀除了所述栅介质Al₂O₃的图形以外的其余Al₂O₃部分。

具体地，腐蚀液的成分是体积比为1：3的H₃PO₄与H₂O的溶液，腐蚀20分钟后，使用去离子水清洗，并用N₂吹干。

S30、在所述栅介质Al₂O₃上沉积栅极金属。

具体地，栅极金属为Ti/Au/Ti合金，合金厚度为20nm/300nm/20nm。

至此，本发明提供的石墨烯场效应管的制作方法已完毕。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。