專利名稱：一種二氧化硅圖形加工的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二氧化硅新型表面加工技術(shù)，具體是一種在室溫下利用圖形化石墨烯形成二氧化硅圖形的 方法。
背景技術(shù)：
由于二氧化硅具有良好的絕緣性質(zhì)、化學穩(wěn)定性和與硅的良好兼容性，在硅半導體工業(yè)中用途廣泛?，F(xiàn)行二氧化硅的圖形加工通過使用PMA、SU-8等有機高聚物作為光刻膠，經(jīng)光刻、刻蝕等傳統(tǒng)集成電路工藝實現(xiàn)，但為保證圖形轉(zhuǎn)移后完全除去光刻膠，需使用發(fā)煙硝酸等較危險化學物質(zhì)，增加工藝復雜性和成本。因此關(guān)于尋找新型氧化硅表面加工技術(shù)的工作近年來一直在進行。1995年，J Allgair等人發(fā)現(xiàn)無定形碳可以增強氫氟酸蒸氣對二氧化硅的腐蝕(JAllgair,J M Ryan,H J Song,M N Kozicki,T K Whidden and D K Ferry,Nanotechnology7351-355 (1996)),為二氧化娃加工技術(shù)的探索提供了新思路,但這一方法在形成無定形碳的過程中需要使用STM，且反應不在室溫下進行，增加了大規(guī)模推廣的難度。2007年，Y H Cho等人結(jié)合LOCOS和RIE工藝，在不經(jīng)過高精度光刻的條件下實現(xiàn)了二氧化娃微結(jié)構(gòu)的加工(Y H Cho, Sff Lee, B J Kim and T Fujii, Nanotechnology 18,465303 (2007))，但這一方法不能精確控制微結(jié)構(gòu)的尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用石墨烯增強刻蝕特性、在室溫下形成二氧化硅圖形的方法。本發(fā)明的上述目的是通過如下的技術(shù)方案予以實現(xiàn)的一種二氧化硅圖形加工的方法，包括如下步驟I)在SiO2襯底上直接生長石墨烯或?qū)⑹钠渌r底上轉(zhuǎn)移至SiO2襯底表面；2)按所需形狀，將石墨烯薄膜圖形化；3)在上述石墨烯層上沉積一層二氧化硅薄膜；4)用腐蝕溶液刻蝕掉上述二氧化硅薄膜后，石墨烯的圖形轉(zhuǎn)移到二氧化硅襯底上。所述二氧化硅襯底為表面有熱氧化層的單晶硅片、石英、玻璃或沉積有二氧化硅薄層的PET塑料、PDMS等柔軟基底。所述石墨烯可為單層、雙層或多層。在絕緣襯底上直接形成石墨烯的方法可為機械解理或從CVD制備石墨烯所用襯底上轉(zhuǎn)移。在石墨烯上沉積二氧化硅薄膜可用磁控濺射法和等離子增強化學氣相沉積(PECVD);厚度以完全蓋住石墨烯為最小值，一般為20nm-00nm。
刻蝕二氧化硅的腐蝕溶液為氫氟酸溶液或堿性溶液，例如TMAH((CH3)4N+0H_)，其中氫氟酸溶液的水和氫氟酸的體積比在10 1-3 I范圍，刻蝕時間取決于覆蓋在石墨烯上二氧化硅薄膜厚度。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點和效果本發(fā)明利用石墨烯增強刻蝕特性、在室溫下對二氧化硅表面進行圖形加工。其原理為在石墨烯上沉積二氧化硅薄膜，石墨烯表面的缺陷會增加，隨后用腐蝕溶液刻蝕二氧化硅薄膜，石墨烯表面的缺陷會增加腐蝕溶液中包裹在石墨烯周圍的 雙電層中離子的局域濃度。以氫氟酸溶液為例，氫氟酸刻蝕氧化硅的反應方程式為
2HF + Ο<->HO+ +HF2 .、3HF2 +Si02+3H30+ — H2SiF6+5H20.?？梢钥闯錾鲜?H3O+ 尚子的局域濃度增加會加快氫氟酸刻蝕襯底二氧化硅的速率，從而導致了在石墨烯原來存在位置的二氧化硅圖形的形成。本發(fā)明工藝簡單、效率高。且二氧化硅圖形形狀取決于石墨烯的形狀，刻蝕時不受表面形貌變化的影響，圖形的位置可通過預先調(diào)整石墨烯的位置來控制，圖形的邊界展寬和深度可通過控制刻蝕時間和石墨烯的層數(shù)等控制。本發(fā)明技術(shù)與現(xiàn)有硅基工藝兼容，可實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的二氧化硅表面圖形加工。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步詳細地說明圖I為圖形化石墨烯材料層；圖2為使用上述方法形成的二氧化硅圖形的原子力顯微鏡示意圖。
具體實施例方式下面參照本發(fā)明的附圖，更詳細的描述出本發(fā)明的最佳實施例。實施例一選用覆蓋有400nm的熱氧化硅的單晶硅片作為襯底。通過機械解理的方法直接在熱氧化硅上形成石墨烯，石墨烯層數(shù)形狀隨意。如圖I所示。隨后，利用磁控濺射方法在石墨烯上方沉積一 30nm厚的二氧化硅薄膜。(濺射時間2hours ；Ar氣體流量2. 5mTorr ；02氣體流量2mTorr ;樣品臺溫度300K ;射頻功率IOOff ；)用氫氟酸和水的體積比為1:10氫氟酸溶液刻蝕石墨烯上方沉積的二氧化硅薄膜，經(jīng)30秒鐘后，石墨烯上方沉積的二氧化硅薄膜全部刻蝕掉，將石墨烯圖形轉(zhuǎn)移到熱氧化硅表面。如圖2所示，用原子力顯微鏡測量表面形貌，圖形形狀取決于石墨烯的形狀，且圖形的深度在一定范圍內(nèi)隨著石墨烯層數(shù)的增加而加深。實施例二選用覆蓋有400nm的熱氧化硅的單晶硅片作為襯底。通過CVD方法在金屬Ni或Cu表面生長石墨烯，隨后使用PDMS將石墨烯轉(zhuǎn)移到二氧化硅襯底上，利用化學氣相沉積方法(PECVD)在石墨烯上沉積一 30nm厚的二氧化硅薄膜。隨即用氫氟酸和水的體積比為I : 3氫氟酸溶液刻蝕石墨烯上方沉積的二氧化硅薄膜，經(jīng)30秒鐘后，石墨烯上方沉積的二氧化硅薄膜全部刻蝕掉，最終在二氧化硅襯底表面可獲得與原先石墨烯形狀一致的圖案。本發(fā)明中，上述二個實施例提供了一種優(yōu)化了的二氧化硅表面圖形加工方案，本發(fā)明不僅局限于此實 施例，可以根據(jù)實際需要和設(shè)計要求做出相應的修改，例如實施例中提供的襯底除了有熱氧化硅的單晶硅片以外，還可以是石英、玻璃或沉積有二氧化硅薄層的PET塑料、PDMS等柔軟基底。另外，石墨烯除單層石墨烯外，還可以是雙層或多層石墨烯。此外，腐蝕溶液除氫氟酸溶液外，還可以是堿性溶液，例如TMAH((CH3)4N+0H_)。上述實施例只是本發(fā)明的舉例，盡管為說明目的公開了本發(fā)明的最佳實施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應局限于最佳實施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種二氧化硅圖形加工的方法，包括如下步驟 1)在SiO2襯底上直接生長石墨烯或?qū)⑹钠渌r底上轉(zhuǎn)移至SiO2襯底表面； 2)按所需形狀，將石墨烯薄膜圖形化； 3)在上述石墨烯層上沉積一層二氧化硅薄膜； 4)用腐蝕溶液刻蝕掉上述二氧化硅薄膜后，石墨烯的圖形轉(zhuǎn)移到二氧化硅襯底上。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅襯底為表面有熱氧化層的單晶硅片、石英、玻璃或沉積有二氧化硅薄層的PET塑料、PDMS等柔軟基底。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述石墨烯為單層、雙層或多層。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，形成圖形化石墨烯層的方法為機械解理或從CVD制備石墨烯所用襯底上轉(zhuǎn)移。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在石墨烯上沉積二氧化硅薄膜用磁控濺射法和等離子增強化學氣相沉積。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，二氧化硅薄膜的厚度范圍為20nm-100nm。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，刻蝕二氧化硅薄膜的腐蝕溶液為氫氟酸溶液，氫氟酸溶液的水和氫氟酸的體積比在10 1-3 I范圍。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種二氧化硅表面圖形加工的方法，屬于集成電路表面加工技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括在二氧化硅襯底上形成圖形化的石墨烯層，并在石墨烯層上再沉積一層二氧化硅薄膜，隨后用氫氟酸溶液刻蝕掉二氧化硅薄膜，即可在二氧化硅襯底上形成形狀與石墨烯相同的刻蝕圖案。本發(fā)明利用石墨烯增強刻蝕特性，在室溫下在二氧化硅表面形成圖形，其形狀取決于石墨烯的形狀；圖形的位置可通過預先調(diào)整石墨烯的位置來控制，圖形的邊緣展寬和深度可通過控制刻蝕時間和石墨烯的層數(shù)來控制。本發(fā)明技術(shù)與現(xiàn)有硅基工藝兼容，可實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的二氧化硅表面圖形的加工。
文檔編號H01L21/02GK102646575SQ20121011319
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者任黎明, 傅云義, 張興, 李佩朔, 趙華波, 魏子鈞, 黃如 申請人:北京大學