一種基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種新型的基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器制備方法，用于解決現(xiàn)有高頻納機(jī)電諧振器工藝在柔性襯底上制備易造成柔性聚合物襯底平整度和機(jī)械性能惡化，以及柔性基板與硅基片難以分離的問題。本方法采用PDMS作為器件制備過程中硅基片與柔性襯底分離的釋放層，由于PDMS和柔性襯底之間的黏性較小，使得柔性襯底與硅基片的分離變得很容易；并通過氧氣反應(yīng)離子刻蝕將PDMS涂層表面改變?yōu)橛H水性，有效保證制備的柔性襯底的光滑性和平整性以及其與PDMS之間必要的黏性。本發(fā)明制備得的納機(jī)電諧振器(NEMS)電子學(xué)器件具有高頻、高品質(zhì)因素等特點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于可穿戴電子、生物醫(yī)學(xué)工程、柔性無線通信設(shè)備等。
【專利說明】一種基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信電子元器件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種通信電子元器件，具體為一種基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高速柔性薄膜電子學(xué)的發(fā)展，高頻柔性薄膜電子器件得到迅猛發(fā)展，基于柔性襯底的聞?lì)l納機(jī)電諧振器可在二維任意載體上實(shí)現(xiàn)聞?lì)l振蕩器、聞靈敏度傳感器和單分子檢測(cè)器等功能器件，并且通過NEMS-IC集成技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)高速柔性薄膜全集成電路，在醫(yī)療、生化檢測(cè)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。然而，長期以來由于納米器件制備技術(shù)不夠成熟、傳統(tǒng)納米薄膜材料不夠理想和缺乏高效激勵(lì)與檢測(cè)技術(shù)等原因，目前基于柔性襯底的高頻納機(jī)電諧振器還未見相關(guān)報(bào)道，因此研究具有柔性、可延展性的高頻納機(jī)電諧振器對(duì)于小型化、低功耗、高速柔性薄膜全集成電路的開發(fā)和應(yīng)用有著重要意義。
[0003]基于傳統(tǒng)硅、有機(jī)薄膜等材料的柔性薄膜電子學(xué)器件面臨工作頻率、延展性和可靠性三方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。自從2004年發(fā)現(xiàn)了由一層碳原子構(gòu)成的二維物質(zhì)——石墨烯(graphene),其便迅速成為國際研究的熱門材料,石墨烯獨(dú)有的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能使其成為高速、高Q值、小型化納米機(jī)電諧振器的理想材料。目前，石墨烯納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS)的研究主要集中在剛性襯底上，由于石墨烯內(nèi)在張力的影響，限制了石墨烯納機(jī)電諧振頻率的進(jìn)一步提高?；谌嵝砸r底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器有望解決這一問題，而且具有可折疊扭曲、可直接接觸人體皮膚、抗震性和價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，但其在制備工藝上仍存在諸多挑戰(zhàn)：典型的高頻納機(jī)電諧振器工藝（包括砷化鎵、硅、氮化鋁、碳化硅、碳納米管和石墨烯等材料）通常需要強(qiáng)酸/強(qiáng)堿刻蝕或者高溫（>1000°C )外延生長，在柔性襯底上應(yīng)用時(shí)會(huì)使得柔性聚合物襯底平整度和機(jī)械性能惡化；此外，由于制備柔性襯底時(shí)需要以硅基片為載體，因此如何實(shí)現(xiàn)在制備工藝的最后輕易有效地分離柔性襯底與硅基片也是一個(gè)需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器制備工藝上存在的困難，提出了一種新型的基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器制備方法。該工藝采用聚二甲基娃氧燒（Polydimethylsiloxane、PDMS)作為器件制備過程中娃基片與柔性襯底分離的釋放層，由于PDMS和柔性襯底之間的黏性較小，使得柔性襯底與硅基片的分離變得很容易；并通過氧氣反應(yīng)離子刻蝕（RIE)將PDMS涂層表面改變?yōu)橛H水性，有效保證制備的柔性襯底的光滑性和平整性以及其與PDMS之間必要的黏性。同時(shí)，石墨烯溝道的刻蝕采用負(fù)性光刻膠作為掩體，以減小對(duì)柔性襯底的損傷。該制備工藝可以在低溫下實(shí)現(xiàn)，并且不需要強(qiáng)酸/強(qiáng)堿的刻蝕，有效提高器件的可靠性。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。
[0006]一種基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0007]步驟I :在高阻硅（Si)基片上旋涂PDMS作為釋放層，利用氧氣反應(yīng)離子刻蝕(RIE)使旋凃后的PDMS表層由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性的，用于下一步聚酰亞胺的旋凃；
[0008]步驟2 :在步驟I的PDMS層上旋凃聚酰亞胺（PI)，旋凃完后進(jìn)行烘干固化，形成柔性襯底；
[0009]步驟3 :在步驟2的柔性襯底上旋涂一層光刻膠，曝光所需的柵極金屬電極形狀；
[0010]步驟4 :利用蒸發(fā)法在步驟3的柔性襯底表面依次蒸發(fā)金屬鈦和金-鉬合金，然后去除多余光刻膠及其上面附著的金屬，在柔性襯底上形成柵極金屬電極；
[0011]步驟5 :在步驟4的柔性襯底上繼續(xù)旋凃聚酰亞胺，將上述的柵極金屬電極埋置在聚酰亞胺襯底中，旋凃完后進(jìn)行烘干固化；
[0012]步驟6 :將在銅基片上利用化學(xué)氣相沉積（CVD)技術(shù)制備的石墨烯晶圓上旋涂光刻膠（PMMA)，再把石墨烯晶圓放入硝酸鐵（FeNO3)溶液中刻蝕銅，刻蝕完畢后沾有石墨烯的光刻膠將浮于硝酸鐵溶液表面，此時(shí)用玻璃將沾有石墨烯的光刻膠從硝酸鐵溶液中轉(zhuǎn)移到清水中清洗干凈；
[0013]步驟7 :利用經(jīng)步驟5的柔性襯底將步驟6所述的沾有石墨烯的光刻膠從清水里撈起，完成石墨烯的轉(zhuǎn)移；
[0014]步驟8 :將經(jīng)步驟7的柔性襯底晾干，利用電子束曝光光刻膠，保留柵極金屬電極上方的光刻膠和石墨烯，并采用氧化蝕刻法蝕刻掉其他地方暴露出的石墨烯，形成石墨烯梁；
[0015]步驟9 :采用熱蒸法在經(jīng)步驟8的柔性襯底上相應(yīng)位置依次蒸發(fā)金屬鈦、鉬和金，形成與柵極金屬電極平行的兩電極，分別作為源極金屬電極和漏極金屬電極，兩電極間間隔 500nm ?2000nm ；
[0016]步驟10 :用負(fù)性光刻膠覆蓋經(jīng)步驟9的柔性襯底，光刻去除柵極金屬電極上方負(fù)性光刻膠，再用光刻法刻蝕掉柵極金屬電極上方的聚酰亞胺，形成石墨烯溝道；
[0017]步驟11 :將經(jīng)步驟10的柔性電子器件放在烤箱中加熱，分離柔性襯底與硅基片；
[0018]步驟12 :將分離后的柔性電子器件放在烤箱中繼續(xù)加熱，除去制備過程中產(chǎn)生的有機(jī)殘?jiān)⑼瓿蓙啺坊磻?yīng)，即制備得基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器。
[0019]上述技術(shù)方案中，所述高阻硅基片的厚度為lOOum，步驟I旋凃的PDMS釋放層的厚度為50?60um，步驟2柔性襯底的厚度為70?IOOum ;所述石墨烯溝道的寬度即漏極金屬電極和源極金屬電極之間的距離為500nm?2000nm。
[0020]本發(fā)明的基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益的技術(shù)效果：由于固支梁材料石墨烯（Graphene)具有二維平面結(jié)構(gòu)、高的場(chǎng)相關(guān)電導(dǎo)率和高機(jī)械強(qiáng)度等特性，本發(fā)明基于石墨烯材料設(shè)計(jì)及制備工藝制備的納機(jī)電諧振器（NEMS)電子學(xué)器件具有高頻、高品質(zhì)因素等特點(diǎn)；本發(fā)明采用柔性襯底制備的石墨烯納機(jī)電諧振器，可以通過調(diào)節(jié)器件彎曲度，增大石墨烯梁的張力，從而提高所制備電子學(xué)元器件的諧振頻率；本發(fā)明采用PDMS作為器件制備過程中硅基片和柔性襯底分離的釋放層，可很容易實(shí)現(xiàn)柔性襯底與硅基片的分離；由于采用本地背柵結(jié)構(gòu)有效減小寄生電容對(duì)諧振器高頻信號(hào)讀取的影響。本發(fā)明所制備的具有固支梁和本地背柵結(jié)構(gòu)的柔性高頻電子學(xué)元器件能用于可穿戴電子、生物醫(yī)學(xué)工程、柔性無線通信設(shè)備等。【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖I為本發(fā)明基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器的切面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器的立體結(jié)構(gòu)示意圖，其中，I為柔性襯底、2為柵極金屬電極、3為石墨烯固支梁、4為源極金屬電極、5為漏極金屬電極。
[0023]圖3為本發(fā)明基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器的制備流程示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不應(yīng)理解為是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的任何限定。
[0025]本發(fā)明所述的基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器，其切面結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括從下向上依次層疊有：柔性襯底1，柵極金屬電極2，石墨烯固支梁3，石墨烯固支梁兩側(cè)的上方層疊有金屬構(gòu)成的源極金屬電極4和漏極金屬電極5。
[0026]本發(fā)明以下實(shí)施例中所述作為制備柔性石墨烯高頻納機(jī)電諧振器的載體的高阻硅基片厚度為IOOym ;
[0027]所述的PDMS釋放層的厚度為50um ；
[0028]所述的柔性襯底I的厚度為75um，石墨烯溝道的寬度為500?2000nm ；
[0029]所述的柵極金屬電極2由Inm厚的金屬鈦和IOnm厚的金-鉬合金組成；
[0030]所述的源極金屬電極4和漏極金屬電極5均由Inm厚的鈦，15nm厚的鉬，和50nm
厚的金組成。
[0031]下面實(shí)施例中所述的石墨烯晶圓是在銅基片上采用化學(xué)氣相沉積法（CVD)制備，所述柔性襯底的材料采用可光刻液態(tài)聚合物HD8820，所述負(fù)性光刻膠為HD7010。
[0032]本發(fā)明的一種基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器的制備方法，其詳細(xì)操作步驟如下：
[0033]步驟I :在高阻硅（Si)基片上旋涂PDMS釋放層。旋凃前將PDMS與其固化劑（有機(jī)硅彈性體）按10:1的比重混合，然后慢慢攪拌并在真空中放置20分鐘以除去混合物中的氣泡。旋凃分三步完成，旋凃的初始速度為150rpm，保持足夠時(shí)間以保證這種液態(tài)PDMS布滿整個(gè)基片表面并超過所需要的量；第二步加快旋凃速度到900rpm，約為最終速度的60%，保持50s以除去第一步多余的量；第三步加快到最終速度1500rpm，以保證PDMS涂層表面的平整性。旋凃完成后進(jìn)行烘干固化并通過氧氣反應(yīng)離子刻蝕（RIE)處理使旋凃后的PDMS表層由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性的。旋凃的PDMS釋放層的厚度為50um ；
[0034]步驟2 :在步驟I的PDMS層上旋凃可光刻液態(tài)聚合物HD8820。旋凃方法同步驟I中所述，旋凃完后進(jìn)行烘干固化，形成柔性襯底；
[0035]步驟3 :在步驟2柔性襯底上旋涂一層光刻膠，曝光所需的柵極金屬電極形狀，其柵長為Ium,柵寬為IOum ；
[0036]步驟4 :利用蒸發(fā)法在步驟3的柔性襯底表面蒸發(fā)Inm厚的金屬鈦和30nm厚的金-鉬合金，然后放入丙酮中5分鐘浮脫，除去多余的光刻膠及其上面附著的金屬，在柔性襯底上形成柵極金屬電極；[0037]步驟5 :在步驟4的柔性襯底上繼續(xù)旋凃HD8820，方法同步驟2所述，將所述的柵極金屬電極埋置在柔性襯底中，旋凃完后進(jìn)行烘干固化。整個(gè)柔性襯底的厚度為75um ；
[0038]步驟6 :將在銅基片上CVD技術(shù)制備的石墨烯旋涂上光刻膠（PMMA)，再把石墨烯晶圓放入硝酸鐵（FeNO3)溶液中刻蝕銅，刻蝕完畢后沾有石墨烯的光刻膠將浮于硝酸鐵液體表面，此時(shí)用玻璃把光刻膠從硝酸鐵溶液里面轉(zhuǎn)移到清水里面清洗干凈；
[0039]步驟7 :轉(zhuǎn)移石墨烯。利用步驟5中制作好的柔性襯底將步驟6所述光刻膠從水里撈起；
[0040]步驟8 :將步驟7的襯底晾干，用電子束曝光光刻膠，留下柵極金屬電極上方的光刻膠和石墨烯，其具體大小為3 μ mX Ium的方形區(qū)域，石墨烯溝道短邊平行于柵極金屬電極，其他地方暴露出的多余石墨烯用氧化蝕刻法蝕刻掉，完成石墨烯梁的制備；
[0041]步驟9 :在步驟8所述柔性襯底上，且平行與柵極金屬電極相距Ium的距離，用熱蒸法在其上依次蒸發(fā)Inm厚的鈦、15nm厚的鉬和50nm厚的金作為源極金屬電極和漏極金屬電極；
[0042]步驟10 :旋凃負(fù)性光刻膠HD7010覆蓋上述制備的整個(gè)器件，光刻暴露出柵極金屬電極的方形部分，用光刻法刻蝕掉柵極金屬電極上方的HD8820柔性襯底，直至柵極金屬電極上方，形成石墨烯溝道；
[0043]步驟11 :將整個(gè)器件放在烤箱中100°C加熱，分離柔性襯底與硅基片；
[0044]步驟12 :將分離后的柔性電子器件放在烤箱中繼續(xù)加熱，將溫度慢慢由100°C調(diào)至280°C并保持4h，除去制備過程中產(chǎn)生的有機(jī)殘?jiān)屯瓿蓙啺坊磻?yīng)，以達(dá)到柔性電子器件的最佳性能。
[0045]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了更好地理解本發(fā)明的原理以及具體制備工藝，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)性的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟I :在高阻硅基片上旋涂PDMS作為釋放層，利用氧氣反應(yīng)離子刻蝕使旋凃后的PDMS表層由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性的，用于下一步聚酰亞胺的旋凃； 步驟2 :在步驟I的PDMS層上旋凃聚酰亞胺，旋凃完后進(jìn)行烘干固化，形成柔性襯底； 步驟3 :在步驟2的柔性襯底上旋涂一層光刻膠，曝光所需的柵極金屬電極形狀； 步驟4 :利用蒸發(fā)法在步驟3的柔性襯底表面依次蒸發(fā)金屬鈦和金-鉬合金，然后去除多余光刻膠及其上面附著的金屬，在柔性襯底上形成柵極金屬電極； 步驟5 :在步驟4的柔性襯底上繼續(xù)旋凃聚酰亞胺，將上述的柵極金屬電極埋置在聚酰亞胺襯底中，旋凃完后進(jìn)行烘干固化； 步驟6 :將在銅基片上利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備的石墨烯晶圓上旋涂光刻膠，再把石墨烯晶圓放入硝酸鐵溶液中刻蝕銅，刻蝕完畢后沾有石墨烯的光刻膠將浮于硝酸鐵溶液表面，此時(shí)用玻璃將沾有石墨烯的光刻膠從硝酸鐵溶液中轉(zhuǎn)移到清水中清洗干凈； 步驟7 :利用經(jīng)步驟5的柔性襯底將步驟6所述的沾有石墨烯的光刻膠從清水里撈起，完成石墨烯的轉(zhuǎn)移； 步驟8 :將經(jīng)步驟7的柔性襯底晾干，利用電子束曝光光刻膠，保留柵極金屬電極上方的光刻膠和石墨烯，并采用氧化蝕刻法蝕刻掉其他地方暴露出的石墨烯，形成石墨烯梁；步驟9 :采用熱蒸法在經(jīng)步驟8的柔性襯底上相應(yīng)位置依次蒸發(fā)金屬鈦、鉬和金，形成與柵極金屬電極平行的兩電極，分別作為源極金屬電極和漏極金屬電極，兩電極間間隔500nm ?2000nm ； 步驟10 :用負(fù)性光刻膠覆蓋經(jīng)步驟9的柔性襯底，光刻去除柵極金屬電極上方負(fù)性光刻膠，再用光刻法刻蝕掉柵極金屬電極上方的聚酰亞胺，形成石墨烯溝道； 步驟11 :將經(jīng)步驟10的柔性電子器件放在烤箱中加熱，分離柔性襯底與硅基片； 步驟12 :將分離后的柔性電子器件放在烤箱中繼續(xù)加熱，除去制備過程中產(chǎn)生的有機(jī)殘?jiān)⑼瓿蓙啺坊磻?yīng)，即制備得基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器。
2.按權(quán)利要求I所述基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器制備方法，其特征在于，采用PDMS作為釋放層，實(shí)現(xiàn)柔性襯底與硅基片的分離。
3.按權(quán)利要求I所述基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器制備方法，其特征在于，所述步驟I旋凃的PDMS釋放層的厚度為50?60um。
4.按權(quán)利要求I所述基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器制備方法，其特征在于，所述步驟2中柔性襯底的厚度為70?lOOum。
5.按權(quán)利要求I所述基于柔性襯底的石墨烯高頻納機(jī)電諧振器制備方法，其特征在于，所述步驟10中石墨烯溝道的刻蝕采用負(fù)性光刻膠作為掩體，以減小對(duì)柔性襯底的損傷。
【文檔編號(hào)】H03H3/02GK104038173SQ201410255822
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】徐躍杭, 董若巖, 孫巖, 吳韻秋, 徐銳敏, 延波 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)