石墨烯器件的光刻方法與流程

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯器件的光刻方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種全新的半導(dǎo)體材料。近20年來，碳納米材料一直是半導(dǎo)體科研領(lǐng)域的前沿，其中的石墨烯因?yàn)楠?dú)特的二維結(jié)構(gòu)而具備了很多獨(dú)特的性能。比如，石墨烯是世界上最薄的二維材料，其厚度只有0.35mm。石墨烯的強(qiáng)度是已知材料里最高的，達(dá)到130GPa，是鋼的100余倍。由于石墨烯二維結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性能，其載流子遷移率達(dá)15000cm²·V^-1·s^-1，是硅材料的10倍。石墨烯導(dǎo)熱率達(dá)到5000W·m^-1K^-1，是金剛石的3倍，而且石墨烯可以采用常用的半導(dǎo)體加工技術(shù)，因此工藝方面有比較大的兼容性。在具體加工方面，石墨烯可以采用貼片、外延、氧化和氣相沉積等方法進(jìn)行生長，然后引入官能團(tuán)進(jìn)行功能化，之后進(jìn)行常規(guī)的加工工藝。在石墨烯的半導(dǎo)體器件加工過程中，常常要在石墨烯表面利用光刻來制作金屬電極。

在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在如下技術(shù)問題：傳統(tǒng)光刻采用的光刻膠由于存在苯環(huán)結(jié)構(gòu)，會在石墨烯表面留下有機(jī)殘留，這種有機(jī)殘留很難去除，導(dǎo)致了金屬電極和石墨烯之間電阻增大，降低了器件性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的一種石墨烯器件的光刻方法，利用深紫外光刻，有效避免了傳統(tǒng)光刻中光刻膠對石墨烯的污染，提高了石墨烯器件制作工藝的可靠性和重復(fù)性。

本發(fā)明提供一種石墨烯器件的光刻方法，包括：

將石墨烯轉(zhuǎn)移置目標(biāo)襯底；

在所述石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA；

對所述石墨烯進(jìn)行深紫外光刻；

在所述石墨烯表面沉積金屬電極；

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，以剝離所述金屬電極的多余部分；

用異丙醇溶液和去離子水對所述石墨烯進(jìn)行清洗。

可選地，所述石墨烯由化學(xué)氣相沉積外延法制得。

可選地，所述石墨烯制備的方法包括：

選擇銅箔作為生長石墨烯的基底，CH₄和H₂的混合氣體作為生長石墨烯的反應(yīng)氣體，在化學(xué)氣相沉積外延爐里生長石墨烯，

其中，所述銅箔的厚度為30μm至50μm、純度為99％，所述CH₄和H₂的純度為99.999％，所述外延爐的溫度為900℃至1000℃，外延爐內(nèi)的氣壓小于1Pa。

可選地，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℃熱板對所述聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA進(jìn)行15分鐘的烘烤。

可選地，所述對所述石墨烯進(jìn)行深紫外光刻包括：

利用HgXe燈作為深紫外光刻的光源對所述石墨烯進(jìn)行光刻，其中HgXe燈產(chǎn)生光波的范圍為180nm至400nm；

利用甲基異丁基酮和異丙醇混合液對所述石墨烯顯影，其中甲基異丁基酮和異丙醇的體積比為1:4，顯影時(shí)間為3分鐘。

本發(fā)明實(shí)施例提供的石墨烯器件的光刻方法，將石墨烯轉(zhuǎn)移置目標(biāo)襯底；在所述石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA；對所述石墨烯進(jìn)行深紫外光刻；在所述石墨烯表面沉積金屬電極；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，以剝離所述金屬電極的多余部分；用異丙醇溶液和去離子水對所述石墨烯進(jìn)行清洗。利用深紫外光刻，有效避免了傳統(tǒng)光刻中光刻膠對石墨烯的污染，提高了石墨烯器件制作工藝的可靠性和重復(fù)性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例石墨烯器件的光刻方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例制造石墨烯的場效應(yīng)管的方法流程圖；

圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例化學(xué)氣相沉積外延法制備石墨烯的示意圖；

圖4為本發(fā)明另一實(shí)施例腐蝕粘附有熱釋放膠帶的Cu基石墨烯的示意圖；

圖5為本發(fā)明另一實(shí)施例壓制熱釋放膠帶和硅片的示意圖；

圖6為本發(fā)明另一實(shí)施例沉積柵介質(zhì)Al₂O₃的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明提供一種石墨烯器件的光刻方法，如圖1所示，所述方法包括：

S11、將石墨烯轉(zhuǎn)移置目標(biāo)襯底。

可選地，所述石墨烯由化學(xué)氣相沉積外延法制得。

可選地，所述石墨烯制備的方法包括：

選擇銅箔作為生長石墨烯的基底，CH₄和H₂的混合氣體作為生長石墨烯的反應(yīng)氣體，在化學(xué)氣相沉積外延爐里生長石墨烯，

其中，所述銅箔的厚度為30μm至50μm、純度為99％，所述CH₄和H₂的純度為99.999％，所述外延爐的溫度為900℃至1000℃，外延爐內(nèi)的氣壓小于1Pa。

S12、在所述石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA。

可選地，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℃熱板對所述聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA進(jìn)行15分鐘的烘烤。

S13、對所述石墨烯進(jìn)行深紫外光刻。

可選地，所述對所述石墨烯進(jìn)行深紫外光刻包括：

利用HgXe燈作為深紫外光刻的光源對所述石墨烯進(jìn)行光刻，其中HgXe燈產(chǎn)生光波的范圍為180nm至400nm；

利用甲基異丁基酮和異丙醇混合液對所述石墨烯顯影，其中甲基異丁基酮和異丙醇的體積比為1:4，顯影時(shí)間為3分鐘。

S14、在所述石墨烯表面沉積金屬電極。

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，以剝離所述金屬電極的多余部分。

S16、用異丙醇溶液和去離子水對所述石墨烯進(jìn)行清洗。

本發(fā)明實(shí)施例提供的石墨烯器件的光刻方法，將石墨烯轉(zhuǎn)移置目標(biāo)襯底；在所述石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA；對所述石墨烯進(jìn)行深紫外光刻；在所述石墨烯表面沉積金屬電極；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，以剝離所述金屬電極的多余部分；用異丙醇溶液和去離子水對所述石墨烯進(jìn)行清洗。利用深紫外光刻，有效避免了傳統(tǒng)光刻中光刻膠對石墨烯的污染，提高了石墨烯器件制作工藝的可靠性和重復(fù)性。

本發(fā)明還提供一種按照此方法來制造石墨烯的場效應(yīng)管的方法，如圖2所示，所述方法包括：

S21、制備石墨烯。

具體地，本發(fā)明所述石墨烯的制備方法包括但不限于由化學(xué)氣相沉積外延法制得?；瘜W(xué)氣相沉積外延法制備石墨烯的示意圖如圖3所示。選擇銅箔作為生長石墨烯的基底，采用CH₄和H₂的混合氣體作為生長石墨烯的反應(yīng)氣體，在化學(xué)氣相沉積外延爐里生長石墨烯。通過加熱，使得化學(xué)氣相沉積外延爐內(nèi)的溫度達(dá)到900℃至1000℃，外延爐內(nèi)的氣壓小于1Pa。

S22、將所述石墨烯轉(zhuǎn)移置目標(biāo)襯底。

具體地，石墨烯的轉(zhuǎn)移方法有很多種，本發(fā)明僅提供其中一種石墨烯轉(zhuǎn)移的方法，包括：

S221、在Cu基底的石墨烯表面粘附熱釋放膠帶；

S222、將所述粘附有熱釋放膠帶的Cu基的石墨烯底侵入FeCl₃溶液中，以腐蝕Cu基底，腐蝕過程的示意圖如圖4所示；

S223、將粘附有熱釋放膠帶石墨烯的撈出，用去離子水漂洗并用N₂吹干；

S224、用熱釋放膠帶將所述石墨烯貼附在N型<100>硅片上；

S225、將所述硅片加熱到90℃；

S226、如圖5所示，在所述硅片上施加8kg壓力，以將熱釋放膠帶和硅片緊緊壓制在一起，壓制5分鐘后，撕去熱釋放膠帶。

至此，石墨烯成功地轉(zhuǎn)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。

具體地，本發(fā)明旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA的厚度為1μm，并用180℃熱板對聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA烘烤15分鐘。

S24、對所述石墨烯進(jìn)行深紫外光刻，以形成源、漏電極的圖形。

具體地，本發(fā)明選擇HgXe燈作為深紫外光刻的光源對所述石墨烯進(jìn)行光刻，選擇甲基異丁基酮和異丙醇混合液對光刻后的石墨烯顯影，其中，HgXe燈產(chǎn)生光波的范圍為180nm至400nm，甲基異丁基酮和異丙醇的體積比為1:4，顯影時(shí)間為3分鐘。

S25、在所述光刻后的石墨烯表面沉積源、漏金屬電極。

具體地，將顯影完畢的石墨烯放置于電子束蒸發(fā)臺內(nèi)，蒸發(fā)沉積源、漏金屬電極，其中，金屬電極的材料為Ti/Au/Ti合金、厚度為20nm/300nm/20nm；

蒸發(fā)沉積結(jié)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，剝離掉多余的源、漏金屬，形成源、漏金屬電極；

先使用異丙醇清洗所述石墨烯，再使用去離子水清洗所述石墨烯，并用45℃的N₂氣吹干所述石墨烯。

S26、在含有源、漏金屬電極的石墨烯表面沉積柵介質(zhì)Al₂O₃。

具體地，如圖6所示，所述沉積柵介質(zhì)Al₂O₃的方法包括：

S261、將制作完源、漏電極的石墨烯放入蒸發(fā)臺，蒸發(fā)厚度小于2nm的Al seed層；

S262、將所述石墨烯放置于空氣中自然氧化4小時(shí)，形成Al₂O₃seed層；

S263、將所述石墨烯放置于原子層沉積爐內(nèi)，沉積厚度為10nm的Al₂O₃，其中沉積爐內(nèi)的溫度為70℃。

S27、在所述柵介質(zhì)Al₂O₃表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA。

具體地，本發(fā)明旋涂聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA的厚度為1μm，并用180℃熱板對聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA烘烤15分鐘。

S28、對所述柵介質(zhì)Al₂O₃進(jìn)行深紫外光刻，以形成柵介質(zhì)Al₂O₃的圖形。

具體地，所述深紫外光刻的方法與S24相同，即選擇HgXe燈作為深紫外光刻的光源對所述石墨烯進(jìn)行光刻，選擇甲基異丁基酮和異丙醇混合液對光刻后的石墨烯顯影，其中，HgXe燈產(chǎn)生光波的范圍為180nm至400nm，甲基異丁基酮和異丙醇的體積比為1:4，顯影時(shí)間為3分鐘。

S29、腐蝕除了所述柵介質(zhì)Al₂O₃的圖形以外的其余Al₂O₃部分。

具體地，腐蝕液的成分是體積比為1：3的H₃PO₄與H₂O的溶液，腐蝕20分鐘后，使用去離子水清洗，并用N₂吹干。

S30、在所述柵介質(zhì)Al₂O₃上沉積柵極金屬。

具體地，柵極金屬為Ti/Au/Ti合金，合金厚度為20nm/300nm/20nm。

至此，本發(fā)明提供的石墨烯場效應(yīng)管的制作方法已完畢。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。