CN103280404B

CN103280404B - 一种基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法

Info

Publication number: CN103280404B
Application number: CN201310185311.5A
Authority: CN
Inventors: 王浩敏; 孙秋娟; 谢红; 谢晓明
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2033-05-17
Also published as: CN103280404A

Abstract

本发明提供一种基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，以耐酸性不同的金属为过渡图形化掩模层，首先利用两步图形化技术，在非金属衬底表面将图形转移到光刻胶上，沉积金属并剥离，得到有图形化金属的衬底，再在留有金属图形的衬底上沉积竖直石墨烯材料，经过酸液腐蚀，去除反应活性较高的金属，以实现薄膜材料的图形化。本发明提供的图形化技术使用于各种非金属衬底尤其是绝缘衬底上二维晶体材料的器件加工工艺。

Description

一种基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种任意衬底上制作发射电子阴极的竖直石墨烯图形化技术。

背景技术

在当今以硅为代表的大规模集成电路材料因迫近其物理尺寸极限而面临发展瓶颈之时，以石墨烯为代表的新型二维晶体材料因其单原子厚度的二维晶体结构和独特的物理特性成为近年来进行下一代电子器件开发研究的焦点。就石墨烯而言，其表现出来的一系列独特的物理特性，如高机械强度、高光透率、高载流子迁移率、高导电性等，在微纳米器件、纳米传感器、高性能储能元件、透明导电膜、太赫兹器件、场发射器件等领域有着重要的应用前景。这些纳米器件中最具应用潜力的是纳米电子器件、光电器件，它们可广泛应用于电子学、光学、微机械装置和新型计算机中，是当今新材料与新器件研究领域中最富有活力的研究领域。目前，纳米器件的设计与制造正处于一个飞速发展时期。竖直石墨烯材料具有原子层厚度的尖锐边界，致其具有优良的电场电子发射特性；其金属特征也导致其在与其他金属材料接触时不会形成肖特基势垒。因而，其在纳米场发射电子器件中拥有广大的应用前景。然而，竖直石墨烯材料不同于其它薄膜材料，其片状竖直结构使其在基底表面难以进行光刻加工和刻蚀，难以实现图形化。与此同时，其生长并不需要催化性衬底，故其生长过程是非选择性生长，因此如何实现该竖直石墨烯的图形化仍是一个亟待解决的技术难题。

通常的图形化技术是通过标准半导体工艺实现薄膜材料的图形化。其步骤是首先将薄膜材料沉积在整个衬底上，然后通过光线或电子束曝光光刻胶将图形转移至光刻胶，然后将通过光刻胶作为掩模，将薄膜材料在衬底上图形化。再通过剥离光刻胶方法将薄膜图形留置于衬底表面。但是由于通常的工艺流程中掩模步骤需要旋转涂布光刻胶，而需要获得均匀平整的光刻胶薄膜，样品表面的起伏不要超过300纳米。然而竖直石墨烯的高度在几百纳米到几微米之间，无法进行光刻胶的涂布。此外，旋涂光刻胶速度还可能会达到每分钟几千转，如此高的转速可能会将竖直石墨烯剥离衬底表面。此外，还有一种常用半导体工艺实现薄膜材料的图形化。其步骤是通过光线或电子束曝光光刻胶将图形转移至光刻胶，然后将薄膜材料沉积在整个衬底上，再通过剥离光刻胶方法将薄膜图形留置于衬底表面。但是由于通常的工艺流程中掩模步骤需要用到光刻胶，而光刻胶的最高耐受温度远远低于竖直石墨烯材料的生长温度，无法通过直接在留有光刻胶的衬底表面直接沉积竖直石墨烯并剥离来达到图形化的目的。

因此，如何通过用标准的半导体工艺实现竖直石墨烯材料的图形化是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

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基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，用于解决现有技术中在非金属衬底上制备竖直石墨烯的工艺难关。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，该方法包括以下步骤：

1）提供一衬底并在该衬底上表面形成第一光刻胶层；

2）曝光并显影形成所需的光刻胶图形；

3）在该光刻胶图形上沉积易于酸溶液腐蚀的第一金属层；

4）将步骤3）之后获得的结构放入丙酮去胶并剥离所述第一光刻胶层上的第一金属层；

5）继续旋涂光刻胶，形成第二光刻胶层，曝光并显影形成所需的光刻胶图形；

6）接着沉积耐酸溶液腐蚀的第二金属层；

7）将步骤6）之后获得的结构再放入丙酮去胶并剥离所述第二光刻胶层上的第二金属层；形成金属图形化衬底；

8）在该金属图形化衬底上生长竖直石墨烯；

9）将步骤8）之后获得的结构放入酸溶液中腐蚀掉剩余的第一金属层，得到基于竖直石墨烯的场发射电极图形。

优选地，所述步骤1）中在衬底上表面形成第一光刻胶层之前还包括清洗烘干衬底的步骤。

优选地，所述衬底为非金属衬底。

优选地，所述步骤3）中易于酸溶液腐蚀的第一金属层的材料选自Ni、Cu或Ti。

优选地，所述步骤6）中耐酸溶液腐蚀的第二金属层的材料选自Pt或Au。

优选地，所述步骤8）中所述的竖直石墨烯是通过化学气相沉积方法沉积而成的。

优选地，所述步骤9）中的酸液为盐酸。

优选地，所述第一光刻胶层的厚度为1-2μm。

优选地，所述第一金属层与所述第二金属层厚度相同。

本发明提供了一种基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，具有以下有益效果：利用通常的图形化技术，实现金属的图形化，再以金属为掩膜板，在衬底上直接沉积高温生长的竖直石墨烯，该发明即沿用了传统的图形化技术，又克服了光刻胶在高温下无法做掩膜板使用的弊端；与离子束刻蚀方法相比，本发明工艺简单，易于操作，且花费较低。

附图说明

图1为本发明任意非金属衬底上匀胶后曝光的示意图。

图2为本发明衬底显影并沉积金属1后的结构示意图。

图3为本发明衬底上金属1剥离后的结构示意图。

图4为本发明带有图形化金属1的衬底匀胶后曝光的示意图。

图5为本发明衬底显影并沉积金属2后的结构示意图。

图6为本发明衬底上金属2剥离后的结构示意图。

图7为本发明带有图形化金属1和金属2的衬底上生长竖直石墨烯的结构示意图。

图8为本发明衬底上的金属1被腐蚀后的结构示意图。

元件标号说明

衬底 100

第一光刻胶层 101

第一金属层 102

第二光刻胶层 103

第二金属层 104

竖直石墨烯层 CNWs( Carbon nanowalls)

具体实施方式

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。

请参阅图1至图8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。

本发明的目的在于提供一种实现竖直石墨烯材料图形化的加工工艺，用于解决现有技术中在非金属衬底上制备竖直石墨烯的工艺难关。该方法包括：步骤1、清洗基片，烘干；步骤2、在基片上旋涂光刻胶，烘干；步骤3、紫外曝光；步骤4、对曝光后的基片进行显影，吹干，得到所需要的光刻图形；步骤5、在得到的光刻图形上沉积形成第一金属层；步骤6、第一金属层剥离，得到所需第一金属层图形；步骤7、在所得第一金属层图形上旋涂光刻胶，烘干；步骤8、紫外曝光；步骤9、对曝光后的带有第一金属层图形的基片进行显影，吹干，得到所需要的光刻图形；步骤10、在得到的光刻图形上沉积第二金属层；步骤11、第二金属层剥离，得到所需要的第二金属层图形；步骤12、在得到的第二金属层图形上沉积竖直石墨烯；步骤13、腐蚀第一金属层，得到图形化竖直石墨烯。步骤1中用到的衬底为任意非金属衬底。步骤5中沉积的第一金属层为易于酸液腐蚀的金属，如Ni、Cu、Ti等。步骤10中沉积的第二金属层为耐酸液腐蚀的金属，如Pt、Au等。步骤12中所述的竖直石墨烯是通过化学气相沉积(CVD)方法沉积而成的，该材料通常具有耐高温、耐酸碱腐蚀且强度较高的特点。步骤13中腐蚀第一金属层用到的溶液通常为酸液如盐酸等，该腐蚀溶液在腐蚀第一金属层的同时，不会对第二金属层和竖直石墨烯造成影响。

具体的，请参阅图1到图8所示的一种非金属衬底上的基于石墨烯的场发射电极图形化方法：

1）首先，请参照附图1所示，提供一衬底100，采用自动匀胶机旋涂光刻胶，形成第一光刻胶层101。本实施例中，自动匀胶机的转速设置为慢速500rpm，时间为10s，快速4000rpm，时间为45s。随后在100℃左右温度条件下烘干。形成第一光刻胶层101的厚度为1-2μm。所述衬底100为任意非金属衬底，其厚度可以超过10微米以上，本实施例中，选择Si或SiO₂为衬底。在此步骤中旋涂光刻胶之前还包括衬底1的清洗步骤，本实施例中采用标准RCA工艺清洗所述衬底。

2）对所述衬底100匀胶完成后进行光学曝光，将所设计的图形转移到第一光刻胶层101上。然后将设有第一光刻胶层的衬底放入显影液中进行显影，N₂吹干，用磁控溅射方法在其上表面沉积易于酸液腐蚀的第一金属层102，如图2所示。本实施例中，选择Ni为沉积的第一金属层材料，第一金属层的厚度大致为70nm。

3）将步骤2）之后获得的结构放入丙酮去胶并剥离，去除多余的胶及第一金属层，获得所需图形化金属层结构。如图3所示。所述步骤中金属剥离可以在温度为50°-60°的热丙酮中进行，可获得更好的剥离效果。

4）在所得图形化金属层的衬底表面旋涂光刻胶，形成第二光刻胶层103，并进行光学曝光，步骤同1)、2)所述，如图4所示。

5）将所述衬底放入显影液中进行显影，N₂吹干，用磁控溅射方法在衬底表面沉积第二金属层104，如图5所示。本实施例中，选择Pt为沉积的第二金属层材料，第二金属层（即Pt膜）的厚度为70nm，与第一金属层（本实施例中选择Ni）有相同的膜厚。

6）将所述的衬底放入丙酮去胶并剥离，去除多余的胶及第二金属层Pt，获得所需图形结构。如图6所示。

7）在得到的金属图形化衬底上生长竖直石墨图7所示。所述竖直石墨烯是用高温等离子增强化学气相沉积方法生成的，其生长过程与普通石墨烯的不同之处在于竖直石墨烯的两侧加有高电场，以控制石墨烯的生长方向。该部分技术属于本领域的公知常识，在此不再赘述。

8）将所述衬底放入盐酸中腐蚀金属Ni，得到一种基于石墨烯的场发射电极图形，如图8所示。

综上所述，本发明提供一种基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，以耐酸性不同的金属为过渡图形化掩模层，首先利用两步图形化技术，在非金属衬底表面将图形转移到光刻胶上，沉积金属并剥离，得到有图形化金属的衬底，再在留有金属图形的衬底上沉积竖直石墨烯材料，经过酸液腐蚀，去除反应活性较高的金属，以实现薄膜材料的图形化。本发明提供的图形化技术使用于各种非金属衬底尤其是绝缘衬底上二维晶体材料的器件加工工艺，所以，本发明有效的克服了现有技术中的种种缺点，具有高度产业利用价值。

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。

Claims

1.一种基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)提供一衬底并在该衬底上表面形成第一光刻胶层；

2)曝光并显影形成所需的光刻胶图形；

3)在该光刻胶图形上沉积易于酸溶液腐蚀的第一金属层；

4)将步骤3)之后获得的结构放入丙酮去胶并剥离所述第一光刻胶层上的第一金属层；

5)继续旋涂光刻胶，形成第二光刻胶层，曝光并显影形成所需的光刻胶图形；

6)接着沉积耐酸溶液腐蚀的第二金属层；

7)将步骤6)之后获得的结构再放入丙酮去胶并剥离所述第二光刻胶层上的第二金属层；形成金属图形化衬底；

8)在该金属图形化衬底上生长竖直石墨烯；

9)将步骤8)之后获得的结构放入酸溶液中腐蚀掉剩余的第一金属层，得到基于竖直石墨烯的场发射电极图形。

2.根据权利要求1所述的基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，其特征在于，所述步骤1)中在衬底上表面形成第一光刻胶层之前还包括清洗烘干衬底的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，其特征在于，所述衬底为非金属衬底。

4.根据权利要求1所述的基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，其特征在于，所述步骤3)中易于酸溶液腐蚀的第一金属层的材料选自Ni、Cu或Ti。

5.根据权利要求1所述的基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，其特征在于，所述步骤6)中耐酸溶液腐蚀的第二金属层的材料选自Pt或Au。

6.根据权利要求1所述的基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，其特征在于，所述步骤8)中所述的竖直石墨烯是通过化学气相沉积方法沉积而成的。

7.根据权利要求1所述的基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，其特征在于，所述步骤9)中的酸溶液为盐酸。

8.根据权利要求1所述的基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，其特征在于，所述第一光刻胶层的厚度为1-2μm。

9.根据权利要求1所述的基于竖直石墨烯的场发射电极的图形化制备方法，其特征在于，所述第一金属层与所述第二金属层厚度相同。