CN102060292A - 制造和转移大尺寸石墨烯的方法 - Google Patents

制造和转移大尺寸石墨烯的方法 Download PDF

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Abstract

示例实施例涉及制造和转移大尺寸石墨烯层的方法。转移大尺寸石墨烯层的方法可以包括：在基底上形成石墨烯层、保护层和粘合层；去除所述基底。可以通过将所述石墨烯层滑动到转移基底上来将所述石墨烯层设置在所述转移基底上。

Description

制造和转移大尺寸石墨烯的方法
技术领域
本公开涉及制造大尺寸石墨烯层的方法和将大尺寸石墨烯层转移到转移基底上的方法。
背景技术
石墨烯(graphene)具有电、机械和化学稳定性，并具有相对高的导电率。因此，石墨烯作为用于在电路中使用的基本材料而备受关注。可以使用化学气相沉积(CVD)或碳化硅(SiC)基底的热解来制造石墨烯。
可以执行湿蚀刻来从石墨烯去除基底。然而，对于大尺寸石墨烯层，湿蚀刻从大尺寸石墨烯层的边缘开始，因此蚀刻到大尺寸石墨烯层的中心部分需要花费相对长的时间段。
还可以使用转印(stamp)方法来转移石墨烯层。转印方法可以包括：将石墨烯附着到第一基底上；并将附着的石墨烯转移到另一基底(例如，转移基底)。然而，这样的转移方法不利于转移大尺寸石墨烯层。
发明内容
示例实施例涉及制造大尺寸石墨烯层的方法和将大尺寸石墨烯层转移到转移基底的方法。这里将阐述其它方面，这些其它方面根据描述或通过非限制性实施例的实施可以是显然的。
一种转移大尺寸石墨烯层的方法可以包括：在基底上形成石墨烯层；在所述石墨烯层上形成保护层和粘合层；去除所述基底；将所述石墨烯层设置在转移基底上；去除所述粘合层和所述保护层。所述方法还可以包括在形成所述石墨烯层之前在所述基底上形成催化剂层。所述催化剂层可以包括从由镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、铂(Pt)和钌(Ru)组成的组中选择的材料。所述保护层可以包括从由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、光致抗蚀剂(PR)、电子抗蚀剂(ER)、SiOx和AlOx组成的组中选择的材料。所述粘合层可以包括从由粘合带、胶、环氧树脂、热分离带和水溶性带组成的组中选择的材料。
去除所述基底的步骤可以包括：削弱所述催化剂层和所述基底之间的粘合；将所述基底与所述催化剂层、所述石墨烯层、所述保护层和所述粘合层分离。削弱所述催化剂层和所述基底之间的粘合的步骤可以包括：使亲水性液体透入到所述催化剂层和所述基底之间的间隙中。所述方法还可以包括：在去除所述基底之后去除所述催化剂层。
设置所述石墨烯层的步骤可以包括：将接触溶液涂敷在所述转移基底上；将所述石墨烯层滑动到所述转移基底上。所述接触溶液可以包括从由去离子水、异丙醇、乙醇、甲醇和矿物油组成的组中选择的材料。
一种制造大尺寸石墨烯层的方法可以包括：在多个基底上形成多个石墨烯层；在所述多个石墨烯层的每个上形成保护层；将粘合带附着到所述保护层上；削弱所述多个石墨烯层和所述多个基底之间的粘合；去除所述多个基底。所述方法还可以包括：将非粘合带附着在所述粘合带上，以覆盖所述多个石墨烯层；将带有所述多个石墨烯层的所述粘合带卷绕到辊上。
一种制造大尺寸石墨烯层的另一方法可以包括：在基底上形成石墨烯层；在所述石墨烯层上形成保护层和粘合层；在所述石墨烯层上形成所述保护层和所述粘合层之后切割所述基底的暴露表面，以形成切割线；使亲水性液体接触所述切割线；去除所述基底；去除所述粘合层和所述保护层。
附图说明
当结合附图进行以下描述时，示例实施例的以上和/或其它方面可以变得更加明显和易于理解，在附图中：
图1-图7是示出根据示例实施例的制造和转移大尺寸石墨烯层的方法的剖视图；
图8-图13是示意性地示出根据示例实施例的制造大尺寸石墨烯的另一方法的示图。
具体实施方式
应该理解的是，当元件或层被称作在另一元件或层“上”，或者被称作“连接到”、“结合到”或“覆盖”另一元件或层时，该元件或层可以直接在另一元件或层上、直接连接到、直接结合到或直接覆盖另一元件或层，或者可以存在中间元件或中间层。相反，当元件被称作“直接在”另一元件或层“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一元件或层时，不存在中间元件或中间层。如在这里使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列的项目的任意组合和所有组合。
应该理解的是，尽管在这里可使用术语第一、第二、第三等来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分并不受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开来。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可被命名为第二元件、组件、区域、层或部分。
为了便于描述，在这里可使用空间相对术语，如“在...下面”、“在...下方”、“下部的”、“在...上方”、“上部的”等来描述如图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应该理解的是，空间相对术语意在包含除了在附图中描述的方位之外的装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果在附图中装置被翻转，则描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件随后将被定位为“在”其它元件或特征“上方”。因此，示例性术语“在...下方”可包括“在...上方”和“在...下方”两种方位。所述装置可被另外定位(旋转90度或者在其它方位)，相应地解释这里使用的空间相对描述符。
这里使用的术语仅是为了描述各种实施例的目的，而不意图限制示例实施例。如这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一个(种)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。还将理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
在此参照作为示例实施例的理想实施例(以及中间结构)的示意图的剖视图来描述示例实施例。这样，预计这些图形的形状出现由例如制造技术和/或公差而引起的变化。因此，示例实施例不应该被理解为局限于在此示出的区域的形状，而是应该包括例如由制造导致的形状变形。
除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本领域普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。将进一步理解，除非这里如此明确定义，否则术语(包括在通用的字典中定义的术语)应该被解释为具有与相关领域的上下文中它们的意思一致的意思，而不是理想地或者过于僵化地解释它们的意思。
图1-图7是示出根据示例实施例的制造和转移大尺寸石墨烯层的方法的剖视图。参照图1，可以在基底100上形成催化剂层110。基底100可以由硅形成，以具有大约650μm的厚度。还可以在形成催化剂层110之前通过使基底100氧化而在基底100上形成厚度为大约100nm至大约300nm的氧化硅层102。
可以通过溅射从由镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、铂(Pt)和钌(Ru)组成的组中选择的至少一种金属在基底100上形成催化剂层110。催化剂层110可以被形成为具有大约100nm至大约150nm的厚度。当使用碳化硅(SiC)基底作为基底100进行热解来形成石墨烯时，可以从基底100省去催化剂层110。
可以在催化剂层110上形成石墨烯层120。可以通过使用含碳源气(CH4、C2H2、C2H4或CO)利用一般化学气相沉积(CVD)来形成石墨烯层120。石墨烯层120可以是单层或多层(例如，双层)。石墨烯层120可以被形成为具有大约0.3nm至大约2nm的厚度。
参照图2，可以在石墨烯层120上形成保护层130。在随后的制造工艺期间，可以使用保护层130来保护石墨烯层120。保护层130可以使用从由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、光致抗蚀剂(PR)、电子抗蚀剂(ER)、氧化硅(SiOx)和氧化铝(AlOx)组成的组中选择的至少一种材料通过旋涂来形成，并可以具有大约200nm至大约10μm的厚度。
可以在保护层130上形成粘合层140。粘合层140可以通过使用从由粘合带、胶、环氧树脂、热分离带和水溶性带组成的组中选择的至少一种材料形成为具有大约100μm至大约200μm的厚度。如随后将进一步详细描述的，当将包括催化剂层110的石墨烯层120与基底100物理地分离时，粘合层140可以用于支撑石墨烯层120。
参照图3，可以将基底100与催化剂层110分离，以形成剥离层A。当基底100由硅形成时，可以使用刀具切割基底100的下表面，以形成切割线。例如，形成切割线，使切割线到达基底100和催化剂层110之间的界面。可选地，可以去除基底100的边缘，从而在催化剂层110和基底100之间形成间隙。
因此，当亲水性液体接触切割线或者催化剂层110与基底100之间的间隙时，亲水性液体可以穿过切割线或该间隙，并削弱基底100和催化剂层110之间的粘合强度，从而有助于基底100与催化剂层110的分离。亲水性液体可以是水、醇和/或丙酮，但是示例实施例不限于此。当在基底100上形成氧化硅层102时，催化剂层110和氧化硅层102之间的粘合强度会相对低。因此，可以相对容易地将包括氧化硅层102的基底100与催化剂层110分离。
可以将粘合层140升高，以将催化剂层110与基底100分离。可选地，可以通过离子铣削直接去除基底100。另外，可以使用化学蚀刻去除基底100。根据基底100的材料，蚀刻剂可以是KOH、FeCl3、HCl、HF或反应性离子蚀刻蚀刻剂。
参照图4，可以通过湿蚀刻将催化剂层110从图3的剥离层A去除。例如，剥离层A可以暴露于FeCl3、HCl和水的混合物，以去除催化剂层110。可选地，可以通过使用反应性离子蚀刻或离子铣削来去除催化剂层110。可以通过使用间苯二酸(IPA)或去离子(DI)水来洗涤得到的结构。
参照图5和图6，可以将得到的结构布置在转移基底150上，使得石墨烯层120接触转移基底150。可以将接触溶液152涂敷在转移基底150上。可以使用从由去离子水、异丙醇、乙醇、甲醇和矿物油组成的组中选择的至少一种作为接触溶液152。可以通过在转移基底150上滑动得到的结构来对齐得到的结构。
可选地，如果转移基底150的表面具有疏水性能，则可以将接触溶液152涂敷在石墨烯层120上，并可以将转移基底150布置在石墨烯层120上。可以通过在石墨烯层120上滑动转移基底150来对齐转移基底150。
可以将接触溶液152从转移基底150去除。例如，转移基底150可以以大约60℃热处理大约6小时，从而去除接触溶液152。
参照图7，根据粘合层140和保护层130的材料，可以使用蚀刻、离子铣削和/或热处理顺序地去除粘合层140和保护层130。蚀刻、离子铣削和/或热处理可以是公知的工艺。因此，为了简洁起见，略去在这方面的详细描述。可以通过使用IPA或DI水洗涤石墨烯层120，以从石墨烯层120去除化学残留物。
根据示例实施例，可以相对容易地将尺寸为大约6英寸或大于大约6英寸的大尺寸石墨烯层转移到尺寸等于或大于该大尺寸石墨烯层的转移基底。另外，为了去除其上已经形成有石墨烯层的基底，可以切割该基底，并可以在切割线上引入亲水性液体，从而将基底和石墨烯层分离。
图8-图13是示意性地示出根据示例实施例的制造大尺寸石墨烯层的另一方法的示图。如上所述，相同的标号表示相同的元件。因此，为了简洁起见，下面将不再重复上面已经讨论过的元件的详细解释。
参照图8，可以在基底支撑件210上设置多个基底100。可以在每个基底100上顺序地形成氧化硅层102、催化剂层110、石墨烯层120和保护层130，从而形成堆250。可以如在上面的非限制性实施例中所描述的方式来形成堆250。因此，为了简洁起见，已经略去其详细描述。在图8中，可以在一个基底支撑件210上设置多个基底100。然而，示例实施例不限于此，多个基底100中的每个可以设置在分离的基底支撑件(未示出)上。
参照图9，可以将粘合带240附着到设置在基底支撑件210上的保护层130。粘合带240可以在卷绕在第一辊221上的同时被抽出，并可以附着到第二辊222。可以使第一辊221和第二辊222降低，使得粘合带240接触保护层130。
参照图10，在由粘合带240支撑的同时，可以将第一辊221和第二辊222、堆250与基底支撑件210分离。
参照图11，可以切割硅基底100的下表面，从而形成切割线。因此，当亲水性液体接触切割线时，亲水性液体可以穿过基底100的切割线，并有助于基底100与催化剂层110的分离。亲水性液体可以是水、醇和/或丙酮，但是示例实施例不限于此。
可以将粘合带240升高，以将催化剂层110与基底100分离。当已经在基底100上形成氧化硅层102时，因为催化剂层110和氧化硅层102之间的粘合强度会相对低，所以可以相对容易地将基底100和氧化硅层102与催化剂层110分离。可选地，可以通过离子铣削直接去除基底100。另外，可以通过使用化学蚀刻来去除基底100。根据基底100的材料，蚀刻剂可以是KOH、FeCl3、HCl、HF或反应性离子蚀刻蚀刻剂。
可以通过湿蚀刻来去除催化剂层110。例如，当催化剂层110由Ni或Cu形成时，可以使用FeCl3蚀刻催化剂层110。可选地，可以通过使用反应性离子蚀刻、离子铣削和/或抛光(ashing)来去除催化剂层110。
参照图12，可以将非粘合带260附着到粘合带240，以覆盖石墨烯层120。非粘合带260可以从其上卷绕有非粘合带260的辊(未示出)抽出，并可以与粘合带240叠置。非粘合带260可以是一般的玻璃纸粘合带，但是示例实施例不限于此。
参照图13，可以将包括相应的保护层130的多个石墨烯层120卷绕到第二辊222上，并予以储存。因此，可以根据需要以后使用储存的石墨烯层120。在图13中，应当理解的是，已经示意性地示出石墨烯层120、保护层130、粘合带240和非粘合带260。
在非限制性的实施例中，可以将尺寸为大约6英寸或大于大约6英寸的多个大尺寸石墨烯层卷绕在辊上，并予以储存，如果需要，则可以在使用之前切割大尺寸石墨烯层。如上所述，可以相对容易地将大尺寸石墨烯层与催化剂层分离，并予以储存。在根据示例实施例的转移大尺寸石墨烯层的方法中，可以相对容易地将大尺寸石墨烯层转移到转移基底上。
虽然这里已经公开了示例实施例，但应当理解，可以做出其它改变。这些改变不应视为脱离本申请的示例实施例的精神和范围，对于本领域技术人员是明显的所有这样的修改意图包括在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种转移大尺寸石墨烯的方法，所述方法包括：
在基底上形成石墨烯层；
在所述石墨烯层上形成保护层和粘合层；
去除所述基底；
将所述石墨烯层设置在转移基底上；
去除所述粘合层和所述保护层。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在形成所述石墨烯层之前在所述基底上形成催化剂层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保护层包括从由聚甲基丙烯酸甲酯、光致抗蚀剂、电子抗蚀剂、氧化硅和氧化铝组成的组中选择的材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粘合层包括从由粘合带、胶、环氧树脂、热分离带和水溶性带组成的组中选择的材料。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，去除所述基底的步骤包括：
削弱所述催化剂层和所述基底之间的粘合；
将所述基底与所述催化剂层、所述石墨烯层、所述保护层和所述粘合层分离。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，削弱所述催化剂层和所述基底之间的粘合的步骤包括：使亲水性液体透入到所述催化剂层和所述基底之间的间隙中。
7.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括：
在去除所述基底之后去除所述催化剂层。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，去除所述基底的步骤包括蚀刻所述基底。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述石墨烯层设置在转移基底上的步骤包括：
将接触溶液涂敷在所述转移基底上；
将所述石墨烯层滑动到所述转移基底上。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述接触溶液包括从由去离子水、异丙醇、乙醇、甲醇和矿物油组成的组中选择的材料。
11.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：
通过加热所述转移基底来蒸发所述接触溶液。
12.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在所述石墨烯层上形成所述保护层和所述粘合层之后，切割所述基底的暴露表面，以形成切割线；
使亲水性液体接触所述切割线。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括：
在形成所述石墨烯层之前，在所述基底上形成催化剂层；
在去除所述基底之后去除所述催化剂层。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述粘合层包括从由粘合带、胶、环氧树脂、热分离带和水溶性带组成的组中选择的材料。
15.一种制造大尺寸石墨烯的方法，所述方法包括：
在多个基底上形成多个石墨烯层；
在所述多个石墨烯层的每个上形成保护层；
将粘合带附着到所述保护层上；
削弱所述多个石墨烯层和所述多个基底之间的粘合；
去除所述多个基底。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：
在形成所述多个石墨烯层之前在所述多个基底中的每个上形成催化剂层。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述保护层包括从由聚甲基丙烯酸甲酯、光致抗蚀剂、电子抗蚀剂、氧化硅和氧化铝组成的组中选择的材料。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，削弱所述多个石墨烯层和所述多个基底之间的粘合的步骤包括：使亲水性液体透入到所述催化剂层和所述多个基底之间的间隙中。
19.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括：在去除所述多个基底之后去除所述催化剂层。
20.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：
将非粘合带附着在所述粘合带上，以覆盖所述多个石墨烯层；
将带有所述多个石墨烯层的所述粘合带卷绕到辊上。
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