石墨烯器件的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种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：提供第一衬底；在所述第一衬底上形成PVA层；在所述PVA层上形成PMMA层；在所述PMMA层上形成石墨烯器件；将所述第一衬底、所述PVA层、所述PMMA层和所述石墨烯器件放入去离子水中，以溶解所述PVA层，使得所述PMMA层和所述石墨烯器件与所述第一衬底脱离；将所述PMMA层和所述石墨烯器件转移第二衬底上。本发明采用PMMA做支撑层，同时利用PVA作为牺牲层，然后，再通过去除PVA，使得形成在PMMA层上的石墨烯器件连同所述PMMA层一同脱离第一衬底，再与第二衬底（本实施例中为聚酰亚胺衬底）黏结，从而实现将石墨烯器件形成在第二衬底上。这样可以扩大石墨烯器件的应用范围。
【专利说明】石墨烯器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体技术，特别是涉及一种石墨烯器件的制作方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是从石墨材料中剥离出来，由碳原子组成的二维晶体，只有一层碳原子的厚度，是迄今最薄也最坚硬的材料，其独特的结构使得其显示出一系列奇特的物理特性，如高电导率、热导率、透光率、高迁移率及机械强度等。石墨烯具有透明、软性、能带结构连续可调、电子迁移率高等一系列重要的光电特性，基于石墨烯的电子器件在下一代纳米电子器件领域中具有重要的应用前景，如发光二极管、太阳能电池和纳米发电机等。这些优越的物理性能预示着石墨烯可以作为极佳的半导体材料结合不同的衬底广泛的应用于电子，传感器及能源等领域。
[0003]随着研究的不入与技术的不断推进，以石墨烯为基础的器件的功能必将得到进一步提升，并将成为未来纳米器件中的重要成员。然而目前存在的石墨烯场效应晶体管制备工艺研究，由于要集成低温加工工艺，高K电介质制备工艺等大多采用半导体硅做为衬底，然而在任意的衬底如有机或者无机衬底，刚性及柔性衬底上大规模集成具有高性能纳米器件仍然是具有挑战的。
【发明内容】
[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯器件的制作方法，用于解决现有技术中石墨烯场效应晶体管制备工艺大多采用半导体硅做为衬底，使得石墨烯器件的应用受到限制的问题。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种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]提供第一衬底；
[0007]在所述第一衬底上形成PVA层；
[0008]在所述PVA层上形成PMMA层；
[0009]在所述PMMA层上形成石墨烯器件；
[0010]将所述第一衬底、所述PVA层、所述PMMA层和所述石墨烯器件放入去离子水中，以溶解所述PVA层，使得所述PMMA层和所述石墨烯器件与所述第一衬底脱离；
[0011]将所述PMMA层和所述石墨烯器件转移第二衬底上。
[0012]优选地，在所述PMMA层上形成石墨烯器件的步骤包括:
[0013]在所述PMMA层上形成石墨烯层；
[0014]利用沉积工艺在所述石墨烯层上形成第一金属层；
[0015]利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将所述第一金属层形成所述石墨烯器件的源极和漏极；
[0016]在所述石墨烯层、所述源极和所述漏极上形成栅介质层；[0017]利用沉积工艺在所述栅介质层上形成第二金属层；
[0018]利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将所述第二金属层形成金属顶栅电极，所述金属顶栅电极位于所述源极和所述漏极之间的栅介质层上；
[0019]利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺去除所述源极和所述漏极上方的所述栅介质层，以暴露出所述源极和所述漏极。
[0020]优选地，所述形成石墨烯层的方法为机械剥离法。
[0021]优选地，所述第一金属层为Au,厚度为50nm?IOOnm,形成工艺为电子束蒸发。
[0022]优选地，在所述利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将所述第一金属层形成所述石墨烯器件的源极和漏极的步骤中，利用K2和12的混合溶液刻蚀所述第一金属层。
[0023]优选地,所述栅介质层为高K介质材料,厚度为IOnm?30nm。
[0024]优选地，所述栅介质层为A1203，形成工艺为原子层沉积，进行所述原子层沉积时，设置反应温度为150°C。
[0025]优选地，所述第二金属层为铜，厚度为形成工艺为电子束蒸发。
[0026]优选地，所述利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将所述第二金属层形成金属顶栅电极的步骤中，利用所述六水合氯化铁溶液刻蚀所述第二金属层。
[0027]优选地，所述第一衬底为硅衬底。
[0028]优选地，所述第二衬底为有机衬底、蓝宝石衬底、玻璃衬底、GaN衬底、AlN衬底、塑料衬底或金属衬底。
[0029]优选地，所述第二衬底为聚酰亚胺衬底。
[0030]优选地，将所述PMMA层和所述石墨烯器件转移第二衬底上之后，还包括进行将所述PMMA层、所述石墨烯器件、第二衬底所述在70°C下烘烤IOmin的步骤。
[0031]优选地,所述PVA层的厚度为80nm?120nm。
[0032]优选地，所述PMMA层的厚度为180nm?250nm。
[0033]如上所述，本发明的石墨烯器件的制作方法，具有以下有益效果:
[0034]本发明采用PMMA做支撑层，将所述石墨烯器件形成在PMMA层，同时利用PVA作为牺牲层，将所述PMMA层黏结在第一衬底(本实施例中为硅衬底)上，然后，再通过去除PVA，使得形成在PMMA层上的石墨烯器件连同所述PMMA层一同脱离第一衬底，然后，再将所述载着石墨烯器件的PMMA层与第二衬底(本实施例中为聚酰亚胺衬底)黏结，从而实现将石墨烯器件形成在第二衬底上。这样可以突破石墨烯器件目前只能制作硅衬底上的局限，扩大石墨稀器件的应用范围。
[0035]另外，在所述形成石墨烯器件的工艺中，均采用低温工艺形成介质层，采用光刻和湿法刻蚀形成石墨烯器件中的各个部件，避免采用高温工艺、等离子工艺、丙酮等工艺，从而避免工艺中对PVA层和PMMA层的影响，从而确保能够完整形成所述石墨烯器件，并确保能够被完整的转移到第二衬底上。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1至图10显示为本发明的石墨烯器件的制作方法的示意图。
[0037]元件标号说明
[0038]100第一衬底
210 PVA 层
220 PMMA 层
300石墨烯层
400第一金属层
410源极
420漏极
500栅介质层
600金属顶栅电极
10去离子水
101第二衬底
S10-S60 步骤
【具体实施方式】
[0039]本发明将提供一种可转移的石墨烯器件的制作工艺，至少包括:在所述第一衬底上形成PVA层；在所述PVA层上形成PMMA层，在所述PMMA层上制备石墨烯器件，随后溶解PVA层，将石墨烯器件和PMMA层一起转移到聚酰亚胺衬底上，实现在柔性聚合物衬底上形成石墨烯器件，并且在柔性聚合物衬底上的器件开关比能达到10-6，其在经过多次弯曲后器件依然能够正常工作。
[0040]另外本发明也适用于将所制备的石墨烯器件转移至其它衬底上，实现石墨烯电子器件功能提升及其更广泛的应用。
[0041]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0042]请参阅图1至图10所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0043]具体的，参考图1所示，本实施例提供的所述石墨烯器件的制作工艺，至少包括:
[0044]首先，结合图1所示，执行步骤SlO:提供第一衬底100 ；
[0045]本实施例中，所述第一衬底100为硅衬底。
[0046]接下来，执行步骤S20:在所述第一衬底上形成PVA (Polyvinyl Alcohol,聚乙烯醇)层210 ；
[0047]PVA是一种水溶性高分子聚合物，由醋酸乙烯烃聚合醇解而制成，其性能独特，具有较佳的粘接性、柔韧性、平滑性、耐溶剂性等优良性质。
[0048]本实施例中，利用PVA来做牺牲层，以将第一衬底100和后续工艺形成的器件粘接，然后，再被溶解，从而实现可以将形成的器件转移。
[0049]然而，PVA在高温下会与Ar、H2反应、以及会和O2等离子体反应等反应，所以在后续工艺中，要避免工艺温度较高，以及避免Ar/H2退火、O2等离子体处理。
[0050]具体的，本实施例中，采用旋涂的方式在所述第一衬底100上形成PVA层210，所述PVA层210的厚度为IOOnm左右，具体为80nm?120nm。
[0051]接下来，执行步骤S30:在所述 PVA 层 210 上形成 PMMA(Polymethylmethacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)层220;
[0052]PMMA具有质轻、机械强度较高、易于成型、易于溶于有机溶剂等优点，并且可以形成良好的薄膜和良好的介电性能，可以作为有机场效应管的介质层。因而，本实施例中，采用PMMA层作为支撑层，在后续工艺中，将石墨烯器件形成在所述PMMA层220上。
[0053]然而，PMMA在高温下会与Ar、H2反应、以及会和O2等离子体反应等反应，所以在后续工艺中，要避免工艺温度较高，以及避免Ar/H2退火、O2等离子体处理，及避免电子束曝光工艺。
[0054]具体的，本实施例中，采用旋涂的方式在所述PVA层210上形成PMMA层220，所述PMMA层220的厚度为200nm左右，具体为180nm?220nm。
[0055]接下来，结合参考图3至图8，执行步骤S40:在所述PMMA层220上形成石墨烯器件；
[0056]所述石墨烯器件可以是零带隙、顶栅石墨烯场效应管、双层石墨烯晶体管、双极超导石墨烯晶体管或石墨烯纳米带场效应管等。
[0057]其中，在本实施例中，所述石墨烯器件为顶栅石墨烯场效应管，即本步骤形成所述石墨烯器件的工艺包括:
[0058]如图3所示，在所述PMMA层220上形成石墨烯层300 ；
[0059]本实施例中采用机械剥离法形成所述石墨烯层300。目前为止，机械剥离法是最简单的形成石墨烯的方法，对实验室条件要求最低。并且机械剥离法的温度比较低，对PVA层210和PMMA层220的影响比较小。
[0060]而在其它实施方式中，所述形成石墨烯层300的工艺还可以SiC外延生长法、化学气相淀积法或其它方法。
[0061]然后，如图4所示，利用沉积工艺在所述石墨烯层300上形成第一金属层400 ；
[0062]本实施例中，所述第一金属层400为Au,所述沉积工艺为电子束蒸发。
[0063]其中，电子束蒸发是一种清洁的金属薄膜沉积工艺。一般由热丝发射的电子经过聚焦、偏转和加速以后形成能量约为IOkeV的电子束，所述电子束轰击放在有冷却水套的容器中的金属靶材并使之蒸发。蒸发出的金属原子会在沉积在置于金属靶材附近的衬底(如硅片)上，从而在衬底上得到了一定厚度的金属镀层。
[0064]在这个过程中，衬底周围的温度不会太高，对所述PVA层210和所述PMMA层220的影响不大。
[0065]然后，如图5所示，利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将所述第一金属层400形成所述石墨烯器件的源极410和漏极420 ；[0066]具体的，本步骤中，包括:在所述第一金属层400上形成光刻胶层(未图示);再对所述第一金属层400上的光刻胶层进行曝光和显影，以在所述光刻胶层上形成所述石墨烯器件的源区和漏区的图案；再以所述具有源区和漏区图案的光刻胶层为掩膜，利用K2和I2的混合溶液对所述第一金属层进行湿法刻蚀，以将所述第一金属层400形成所述石墨烯器件的源极410和漏极420。另外，本步骤还包括去除所述第一金属层400上的残留的光刻胶。
[0067]本步骤中，将所述第一金属层400形成所述源极410和漏极420的工艺为光刻工艺和湿法刻蚀，在光刻工艺中，光刻胶和显影液中不存在丙酮或者其它能溶解PVA和PMMA层的有机溶剂，在所述刻蚀第一金属层的过程中采用K2和I2的混合溶液进行湿法刻蚀，避免采用一般刻蚀金属的等离子干法刻蚀，从而避免了电子束曝光工艺和等离子体对PVA和PMMA层的影响。
[0068]然后，如图6所示，在所述石墨烯层300、所述源极410和所述漏极420上形成栅介质层500 ；
[0069]所述栅介质层500为高k介质层。材质可以为Al2O3, HfO2等。本实施例中，所述栅介质层500为Al2O3,形成方式为原子层沉积，其中，所述原子层沉积(Atomic layerdeposition，简称ALD)是是一种可以将物质以单原子层的形式一层一层的镀在基底表面的方法。在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。相对于传统的沉积工艺而言，单原子层逐次沉积的ALD在膜层的均匀性、阶梯覆盖率以及厚度控制等方面都具有明显的优势。
[0070]另外，在本实施例中，在进行所述原子层沉积时，反应温度为150°C。这样的反应温度不会对PVA和PMMA的产生影响。
[0071]然后，如图7所示，利用沉积工艺在所述栅介质层500上形成第二金属层，利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将所述第二金属层形成金属顶栅电极600。
[0072]所述第二金属层为铜，所述形成第二金属层的沉积工艺为电子束蒸发。类似形成第一金属层的步骤中，在形成第二金属层中，衬底周围的温度不会太高，对所述PVA层210和所述PMMA层220的影响不大。
[0073]其中，利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将所述第二金属层形成金属顶栅电极600的工艺包括:在所述第二金属层上形成光刻胶，然后再对所述第二金属层上的光刻胶进行曝光显影，以形成所述金属顶栅电极的图形，所述金属顶栅电极的图形位于所述源极410和所述漏极420之间的上部。再以所述具有金属顶栅电极的图形的光刻胶为掩膜，对所述第二金属层进行刻蚀，以形成所述金属顶栅电极600，所述金属顶栅电极600位于所述源极410和所述漏极420之间的栅介质层500上。所述刻蚀第二金属层的工艺为利用所述六水合氯化铁溶液进行湿法刻蚀。
[0074]类似形成所述源极410和所述漏极420的步骤，本步骤形成金属顶栅电极600的工艺能够避免对PVA和PMMA层的影响。
[0075]然后，如图8所示，利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺去除所述源极410和所述漏极420上方的所述栅介质层500，以暴露出所述源极410和所述漏极420，至此，形成好本实施例中的所述石墨烯器件。
[0076]接下来，执行步骤S50:如图9所示，将所述第一衬底、所述PVA层、所述PMMA层和所述石墨烯器件放入去离子水10中，以溶解所述PVA层，使得所述PMMA层和所述石墨烯器件与所述第一衬底脱离；
[0077]其中，所述PVA层溶解于去离子水10，所述PMMA层载着所述石墨烯器件飘浮在水面上来。
[0078]接下来，执行步骤S60:如图10所示，将所述PMMA层和所述石墨烯器件转移第二衬底101上。
[0079]本实施例中，所述第二衬底101为聚酰亚胺衬底。聚酰亚胺是一种具有优异的综合性能和工艺特性的聚合物材料。它具有可与铝合金相比的硬度，很好的强度、柔韧性，以及化学和辐射稳定性。本步骤中，将所述PMMA层和所述石墨烯器件转移到聚酰亚胺衬底上，则所具有所述石墨烯器件的电子产品可以具有轻、薄和可卷曲等性质。
[0080]另外，本步骤中，在将所述PMMA层和所述石墨烯器件转移第二衬底101 (聚酰亚胺衬底)上之后，还包括进行将所述PMMA层、所述石墨烯器件、第二衬底101所述在70°C下烘烤IOmin的步骤，以增强第二衬底101与PMMA之间的黏附性。
[0081]在其它实施例中，所述第二衬底101为有机衬底、蓝宝石衬底、玻璃衬底、GaN衬底、AlN衬底、塑料衬底或金属衬底。所述PMMA层和所述石墨烯器件转移到不同的衬底上，所述石墨烯器件会具有不同的应用。这样，通过上述方式，将所述石墨烯器件从第一衬底100 (本实施例中为硅衬底)上转移到第二衬底101上，使得石墨烯器件的应用领域大大拓展。
[0082]综上所述，本发明采用PMMA做支撑层，将所述石墨烯器件形成在PMMA层，同时利用PVA作为牺牲层，将所述PMMA层黏结在第一衬底(本实施例中为硅衬底)上，然后，再通过去除PVA，使得形成在PMMA层上的石墨烯器件连同所述PMMA层一同脱离第一衬底，然后，再将所述载着石墨烯器件的PMMA层与第二衬底(本实施例中为聚酰亚胺衬底)黏结，从而实现将石墨烯器件形成在第二衬底上。这样可以突破石墨烯器件目前只能制作硅衬底上的局限，扩大石墨烯器件的应用范围。
[0083]另外，在所述形成石墨烯器件的工艺中，均采用低温工艺形成介质层，采用光刻和湿法刻蚀形成石墨烯器件中的各个部件，避免采用高温工艺、等离子工艺、丙酮等工艺，从而避免工艺中对PVA层和PMMA层的影响，从而确保能够完整形成所述石墨烯器件，并确保能够被完整的转移到第二衬底上。
[0084]所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0085]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种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: 提供第一衬底； 在所述第一衬底上形成PVA层； 在所述PVA层上形成PMMA层； 在所述PMMA层上形成石墨烯器件； 将所述第一衬底、所述PVA层、所述PMMA层和所述石墨烯器件放入去离子水中，以溶解所述PVA层，使得所述PMMA层和所述石墨烯器件与所述第一衬底脱离； 将所述PMMA层和所述石墨烯器件转移第二衬底上。
2.根据权利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:在所述PMMA层上形成石墨烯器件的步骤包括: 在所述PMMA层上形成石墨烯层； 利用沉积工艺在所述石墨烯层上形成第一金属层； 利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将所述第一金属层形成所述石墨烯器件的源极和漏极； 在所述石墨烯层、所述源极和所述漏极上形成栅介质层； 利用沉积工艺在所述栅介质层上形成第二金属层； 利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将所述第二金属层形成金属顶栅电极，所述金属顶栅电极位于所述源极和所述漏极之间的栅介质层上； 利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺去除所述源极和所述漏极上方的所述栅介质层，以暴露出所述源极和所述漏极。
3.根据权利要求2所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述形成石墨烯层的方法为机械剥离法。
4.根据权利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述第一金属层为Au，厚度为50nm~IOOnm,形成工艺为电子束蒸发。
5.根据权利要求4所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:在所述利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将所述第一金属层形成所述石墨烯器件的源极和漏极的步骤中，利用K2和I2的混合溶液刻蚀所述第一金属层。
6.根据权利要求2所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述栅介质层为高K介质材料，厚度为IOnm~30nm。
7.根据权利要求2所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述栅介质层为Al2O3,形成工艺为原子层沉积，进行所述原子层沉积时，设置反应温度为150°C。
8.根据权利要求2所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述第二金属层为铜，厚度为形成工艺为电子束蒸发。
9.根据权利要求8所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述利用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将所述第二金属层形成金属顶栅电极的步骤中，利用所述六水合氯化铁溶液刻蚀所述第二金属层。
10.根据权利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述第一衬底为硅衬
。
11.根据权利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述第二衬底为有机衬底、蓝宝石衬底、玻璃衬底、GaN衬底、AlN衬底、塑料衬底或金属衬底。
12.根据权利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述第二衬底为聚酰亚胺衬底。
13.根据权利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:将所述PMMA层和所述石墨烯器件转移第二衬底上之后，还包括进行将所述PMMA层、所述石墨烯器件、第二衬底所述在70°C下烘烤IOmin的步骤。
14.根据权利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述PVA层的厚度为80nm ~120nm。
15.根据权利要求1所述的石墨烯器件的制作方法，其特征在于:所述PMMA层的厚度为 180nm ~250nm。`
【文档编号】H01L21/04GK103646855SQ201310713413
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】王浩敏, 谢红, 孙秋娟, 王慧山, 吴天如, 谢晓明, 江绵恒 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所