CN103681310A - 一种生长石墨烯的衬底的刻蚀方法 - Google Patents

一种生长石墨烯的衬底的刻蚀方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生长石墨烯的衬底的刻蚀方法，包括如下步骤：1）将生长好石墨烯的衬底待刻蚀的部分浸在刻蚀液中，开始刻蚀；2）当衬底刻蚀一部分后，将石墨烯衬底刻蚀部分取出，用特定液体冲洗刚才被刻蚀的部分的表面，冲洗后的液体及时流出石墨烯衬底表面，此冲洗过程将带出表面杂质，污染物或多余的石墨烯；3）将冲洗过的石墨烯衬底继续刻蚀，待衬底刻蚀了一部分后，取出，重复从第二步的冲洗过程；4）重复步骤3）一次或多次，直至衬底完全刻蚀净。本发明是在刻蚀的过程中加入特殊的清洗方式，将这些容易沾染所需石墨烯层的物质冲洗掉，这样转移后的石墨烯薄膜可以尽可能避免受到沾污，保持较好的性能以备使用。

Description

一种生长石墨烯的衬底的刻蚀方法
技术领域
本发明涉及一种生长石墨烯的衬底的刻蚀转移技术。
背景技术
目前生长大面积石墨烯薄膜主要是通过气相沉积法，在衬底表面生长出一层或多层石墨烯，通过将石墨烯和衬底分离的方法将石墨烯转移出来，分离石墨烯和衬底主要的方法是将衬底刻蚀掉。刻蚀衬底主要依靠化学腐蚀或者电化学腐蚀等手段，但是生长石墨烯的衬底中通常会渗一部分碳，有些用较薄的衬底生长石墨烯的过程中会在衬底两面都生长出石墨烯，这些碳、石墨烯、以及衬底中的一些杂质会在刻蚀的过程中沉积或掉落在需要转移的石墨烯层表面。通常的生长衬底中也会溶碳，随着生长工艺和衬底性质的不一样，溶碳量也会不一样。这样这些碳、杂质等就无法在表面有效处理干净。
在无任何处理措施时，刻蚀过程中这些杂质不容易被观察到，但在刻蚀结束后，目标衬底上会明显观察到这些杂质。常见的用水冲洗也无法观察到这些杂质被冲下来，在刻蚀结束后的目标衬底上依然大量存在着这些杂质。需要找到一种有效的冲洗方式，能够避免这些杂质掉落在目标衬底上，且能够有效观察到这些杂质在何种程度时可以被冲洗净。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种对所需石墨烯层无损伤，操作简单方便，低成本，所得石墨烯无沾污、更加干净，且可适于大规模工业化生产的生长石墨烯的衬底的刻蚀方法。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种生长石墨烯的衬底的刻蚀方法，工艺流程参见附图1，包括如下步骤：
    1）将生长好石墨烯的衬底待刻蚀的部分浸在刻蚀液中，开始刻蚀；
    2）当衬底刻蚀一部分后，将石墨烯衬底刻蚀部分取出，用冲洗液冲洗刚才被刻蚀的部分的表面，冲洗后的液体及时流出石墨烯衬底表面，此冲洗过程将带出表面杂质，污染物或多余的石墨烯；
3）将冲洗过的石墨烯衬底继续刻蚀，待衬底刻蚀了一部分后，取出，重复从第二步的冲洗过程；
4）重复步骤3）一次或多次，直至衬底完全刻蚀净。
作为优选方案，所述冲洗液为含无机物（酸、碱、盐）或有机物（醇类、酮类、脂类、有机酸、有机盐）的水溶液，或醇类、酮类、脂类、有机酸、有机盐的一种或多种的混合液体。
    所述冲洗过程，采用每次分别用含无机物或有机物的水溶液、醇类、酮类、脂类、或有机类酸、有机盐中的一种与水交替冲洗的方式。
    优选的，所述冲洗过程，采用每次分别用乙醇和水交替冲洗一遍的方式；或者采用每次分别用异丙醇和水交替冲洗一遍的方式；或者采用每次分别用乙醇和过硫酸铵溶液交替冲洗一遍的方式。
    最佳的，所述冲洗过程，采用每次分别用乙醇和水冲洗一遍的方式。所述乙醇的浓度不低于99%。
    优选的，所述冲洗液的冲洗的压力为1×10-6MPa~1×102MPa。最佳为0.1MPa。
    优选的，所述冲洗液的温度为4℃~90℃。最佳为25℃。
    最后，在完成刻蚀后，用水多次长时间的冲洗刻蚀下来的石墨烯。
    本发明中，生长石墨烯的衬底，包括Pt、Ni、Cu、Co、Ir、Ru、Au、Ag等金属及其合金等导体、或者Si、SiO2、Al2O3等半导体、或者两者的复合材料，其厚度在0.1um-10mm。
    本发明中，衬底上的石墨烯层数包括一层或多层石墨烯。
    本发明中，刻蚀衬底的方法包括化学法，电化学法或其他的需要在液体中使衬底被刻蚀掉的方法。
本发明的有益效果：
本发明是在刻蚀的过程中加入特殊的清洗方式，将这些容易沾染所需石墨烯层的物质冲洗掉，这样转移后的石墨烯薄膜可以尽可能避免受到沾污，保持较好的性能以备使用。解决了现有技术中刻蚀下的石墨烯不够清洁、及其导致的相关性能不足的缺陷。具体效果有：
    1）本发明是在刻蚀生长石墨烯的衬底的过程中，加入冲洗的过程，污染物，杂质或多余石墨烯在冲洗的过程中会被冲洗液体带走，使刻蚀后的石墨烯表面洁净度较好，石墨烯性质相关性能更好。具体可参见附图2、3，图2是未采用本发明的方法时刻蚀转移后的石墨烯图，表面可见绿色物质即为杂质污染物或多余石墨烯，图3是采用本发明所述方法后刻蚀转移后的石墨烯图片，表面无明显杂质污染物或多余石墨烯。
2）本发明流程简单，操作方便，相比于直接刻蚀衬底，无需添加太多工序，成本低，效果提升明显，容易集成到相关设备中，容易应用到大规模、机械化、自动化的转移石墨烯的过程中。
3）本发明的冲洗过程中，可以直观的看到杂质，多余的碳、石墨烯等被冲洗下来，通过冲洗的现象，可以较准确的知道刻蚀到何种程度时，这些杂质、碳等已经被冲洗干净。
    4）本发明中冲洗过的液体可以经过滤后重新冲洗，避免药品或资源浪费，环境友好。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明工艺流程图；
图2是未采用本发明的方法时刻蚀转移后的石墨烯显微镜图；
图3是采用本发明所述方法后刻蚀转移后的石墨烯电显微镜图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
取一片生长好石墨烯的铜箔，厚度15um，将需转移的石墨烯面涂一层PMMA(PMMA溶解在乳酸乙酯中，PMMA浓度为4wt.％)，旋涂速率为2000rpm，旋涂时间1分钟。放入烘箱中，180℃下保持30分钟，然后取出后自然冷却，转移介质层厚度为500～1000nm。将PMMA面贴在亚克力板上，放置到52%浓度的过硫酸铵溶液中，常温下刻蚀，刻蚀十分钟后，取出亚克力板，分别用25℃的乙醇（浓度不低于99%）和纯水冲洗一遍，冲洗的压力为0.1MPa，继续放置在刻蚀液中刻蚀，十分钟后取出，按此方法再冲洗一遍，继续刻蚀，本实施例中总冲洗次数6-8次，大部分面积的铜箔被刻蚀透，且无明显铜箔较厚的区域，浸渍刻蚀至完全刻蚀透。将PMMA/石墨烯多次和长时间用水冲洗后，利用Si/SiO2、PET、玻璃等，将PMMA/石墨烯从水中捞出，在低温加热台或者热灯下(50～80℃)，保持60分钟以上，使残存的水分烘干，并固定PMMA/石墨烯在硅片表面。最后利用丙酮将PMMA溶解，溶解时间≥10分钟。
转移到PET或玻璃上后，用聚光灯观察石墨烯表面是否有明显脏污，用透光率测试仪测试透光率。转移到硅片上后，用光学金相显微镜观察石墨烯表面分布以及表面洁净度。
实施例2：
与实施例1不同之处在于，用UV胶代替PMMA，旋涂UV胶到PET或玻璃上，将碾平的铜箔贴合在UV胶上，经固化后，UV胶厚度为1-50um，刻蚀方法同实施例1，刻蚀清洗后，放在烘箱中烘干，烘箱温度50-150℃，烘烤时间1-30分钟。冲洗时冲洗压力为1×10-6MPa。
烘干后在聚光灯下观察石墨烯表面是否有明显脏污，用透光率测试仪测试透光率。用光学金相显微镜观察石墨烯表面分布以及表面洁净度。
实施例3：
与实施例1不同之处在于衬底用铜镍合金，镍的比例在10%-80%，合金厚度50um，每刻蚀30分钟后冲洗一次，本实施例中冲洗次数在10-12次，刻蚀转移后清洗烘干。冲洗时冲洗压力为1×102MPa。
转移到PET或玻璃上后，用聚光灯观察石墨烯表面是否有明显脏污，用透光率测试仪测试透光率。转移到硅片上后，用光学金相显微镜观察石墨烯表面分布以及表面洁净度。
实施例4：
与实施例1不同之处在于冲洗时使用异90℃的丙醇代替乙醇，其他操作过程相同。
转移到PET或玻璃上后，用聚光灯观察石墨烯表面是否有明显脏污，用透光率测试仪测试透光率。转移到硅片上后，用光学金相显微镜观察石墨烯表面分布以及表面洁净度。
实施例5：
与实施例1不同之处在于冲洗时使用4℃的52%浓度的过硫酸铵的水溶液代替纯水，其他操作过程相同。
转移到PET或玻璃上后，用聚光灯观察石墨烯表面是否有明显脏污，用透光率测试仪测试透光率。转移到硅片上后，用光学金相显微镜观察石墨烯表面分布以及表面洁净度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生长石墨烯的衬底的刻蚀方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）将生长好石墨烯的衬底待刻蚀的部分浸在刻蚀液中，开始刻蚀；
2）当衬底刻蚀一部分后，将石墨烯衬底刻蚀部分取出，用冲洗液冲洗刚才被刻蚀的部分的表面，冲洗后的液体及时流出石墨烯衬底表面，此冲洗过程将带出表面杂质，污染物或多余的石墨烯；
3）将冲洗过的石墨烯衬底继续刻蚀，待衬底刻蚀了一部分后，取出，重复从第二步的冲洗过程；
4）重复步骤3）一次或多次，直至衬底完全刻蚀净。
2.根据权利要求1所述的生长石墨烯的衬底的刻蚀方法，其特征在于：所述冲洗液为含无机物或有机物的水溶液，或醇类、酮类、脂类、有机类酸、有机盐的一种或多种的混合液体。
3.根据权利要求2所述的生长石墨烯的衬底的刻蚀方法，其特征在于：所述冲洗过程，采用每次分别用含无机物或有机物的水溶液、醇类、酮类、脂类或有机类酸、有机盐中的一种或多种与水交替冲洗的方式。
4.根据权利要求3所述的生长石墨烯的衬底的刻蚀方法，其特征在于：采用每次分别用乙醇和水交替冲洗一遍的方式；或者采用每次分别用异丙醇和水交替冲洗一遍的方式；或者采用每次分别用乙醇和过硫酸铵溶液交替冲洗一遍的方式。
5.根据权利要求4所述的生长石墨烯的衬底的刻蚀方法，其特征在于：所述冲洗过程，采用每次分别用乙醇和水交替冲洗一遍的方式。
6.根据权利要求1-5任一项所述的生长石墨烯的衬底的刻蚀方法，其特征在于：所述冲洗液的冲洗的压力为1×10-6MPa~1×102MPa。
7.根据权利要求6所述的生长石墨烯的衬底的刻蚀方法，其特征在于：所述冲洗液的冲洗的压力为0.1MPa。
8.根据权利要求1-5任一项所述的生长石墨烯的衬底的刻蚀方法，其特征在于：所述冲洗液的的温度为4℃~90℃。
9.根据权利要求8所述的生长石墨烯的衬底的刻蚀方法，其特征在于：所述冲洗液的温度为25℃。
10.根据权利要求1所述的生长石墨烯的衬底的刻蚀方法，其特征在于：最后，在完成刻蚀后，用水多次长时间的冲洗刻蚀下来的石墨烯。
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