CN103956320A - 一种将电极图形转移在任意基底上并构建电子器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种将电极图形转移在任意基底上并构建电子器件的方法，本发明通过一种低成本简单易行的方法，通过刻蚀液将电极支撑层薄膜与基底分离并在任意基底上重新构建电子器件，特别是柔性电子器件，适用于各种类型的半导体器件。通过这种方法，基于不耐光刻的有机半导体材料，也能实现器件结构的多样化。本发明将通过成熟的光刻技术得到的电极图形转移到各种基底上，使构筑器件不受基底的限制，特别是对于降低成本具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件构建技术领域，具体包括柔性器件构建技术以及在不能光刻的基底上如何构建器件技术。
背景技术
半导体器件的构建不受基底的限制这一问题一直阻碍着多样化电子产品的发展，同时增加了半导体企业的生产成本。一些只有在科幻电影里看到的发明，如植物型太阳能电池，超薄、超轻可折叠的显示屏，电子皮肤，机器人上的用的传感器，模拟人眼功能的电子眼，这一切都需要解决的一个问题是，要把目前成熟的半导体工艺复制到人类想要的基底上，亟需解决的是如何把制备器件所需的电极图形复制到目标基底上。因此发展一种简单高效的方法来转移电极到任意基底上刻不容缓。
发明内容
为了解决技术存在的困难，本发明提供一种将电极图形转移在任意基底上并构建电子器件的方法。通过将硅片上的电极图形转移到任意基底的方式构建器件来验证方法的可行性。使用常见器件的电极图形来验证转移后器件的性能的差异，结果表明器件保持应有的性能。本方法工艺简单、成本低廉、实用性强，在器件的制备与集成中具有重要应用前景。
为达到上述发明目的，本发明所采用的一种技术方案是：
1）衬底的清洗：取一硅片采用清洗液超声清洗，然后吹干备用；
2）镀铜：利用磁控溅射的方法在洗净的硅片衬底表面蒸镀一层铜，然后用清洗液对镀铜硅片进行冲洗，去除表面杂质；
3）制备电极：在洗净的镀铜硅片上通过光刻、显影、沉积金属材料工艺制备出电极；
4）电极的转移：采用旋涂的方法在制备有电极的镀铜硅片上涂上一层电极支撑层薄膜并置于加热板或烘箱中加热，所述电极支撑层薄膜固化并附着在所述制备有电极的镀铜硅片的表面，接着将镀铜硅片置于铜刻蚀液中，待铜反应完全后，附带有电极图形的电极支撑层漂浮在刻蚀液表面；接着采用玻璃衬底将所述附带有电极图形的电极支撑层转移至去离子水中使其漂浮在去离子水表面；
5）半导体纳米材料的转移：将一维半导体纳米材料通过接触印刷法转移至目标基底上，二维半导体纳米材料采用直接蒸镀的方式沉积至目标基底上；
6）器件的构筑：将漂浮在去离子水表面的所述附带有电极图形的电极支撑层转移至带有半导体纳米材料的目标基底上，自然晾干；
本发明的一种优选实施例中，步骤2）中镀在硅片表面上的铜层厚度为300-1000nm。
本发明的一种优选实施例中，所述电极支撑层薄膜材料是溶度为6%的聚甲基丙烯酸甲酯，其中旋涂条件为2000-3500转 、20-30秒，加热温度和时间分别为120℃、3-5min；所述铜刻蚀液是饱和的过硫酸铵或氯化铁溶液。
本发明的一种优选实施例中，所述电子器件可以是顶栅结构的场效应晶体管器件。
本发明的一种优选实施例中，步骤6）中所述的器件的构筑是将漂浮在水面的电极图形平铺在带有半导体材料的基底上自然晾干。 本发明的一种优选实施例中，留在所述刻蚀液里的硅片，能够取出后清洗回收再利用。
本发明采用的另一种技术方案是一种将电极图形转移至任意基底并在基底上构建电子器件的方法，其特征在于：
1）衬底的清洗：取一金属牺牲层作为衬底采用清洗液超声清洗，然后吹干备用；
2）制备电极：在洗净的所述金属牺牲层上通过光刻、显影、沉积金属材料工艺制备出电极；
3）电极的转移：采用旋涂的方法在所述制备有电极的金属牺牲层上涂上一层电极支撑层薄膜并置于加热板或烘箱中加热，所述电极支撑层薄膜固化并附着在制备有电极的金属牺牲层表面，接着将金属牺牲层置于金属刻蚀液中，待金属牺牲层反应完全后，附带有电极图形的电极支撑层漂浮在所述金属刻蚀液表面；接着采用玻璃衬底将附带有电极图形的电极支撑层转移至去离子水中使其漂浮在去离子水表面；
4）半导体纳米材料的转移：将一维半导体纳米材料通过接触印刷法转移，二维半导体纳米材料采用直接蒸镀半导体薄膜的方式沉积至目标基底上；
5）器件的构筑：将漂浮在去离子水表面的所述附带有电极图形的电极支撑层转移至带有半导体纳米材料的目标基底上，自然晾干。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、工艺简单，成本低廉，不受电极种类和形状的限制；
2、转移电极的产率几乎为100%；
3、按照此方法得到器件能保持应有性能；
4、可拓展从有机到无机半导体材料，从零维到三维尺度，普适性高。
综上，由于本发明制备工艺简单，成本低廉，普适性高，产率高，方法灵活而且可以大面积制备。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，下面以本发明的优选实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
图1为本发明的第一种优选实施例的电极图形转移流程图；
图2为本发明的第一种优选实施例的器件构筑流程图；
其中：1.硅片衬底，2.铜层，3.电极，4.电极支撑层，5.目标基底，6.半导体纳米材料。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
如图1和图2所示，本发明的第一种优选实施例包括以下步骤：
1）衬底的清洗：取一硅片衬底1分别用丙酮、无水乙醇、去离子水依次超声清洗，接着用氮气吹干备用；
2）镀铜：利用磁控溅射的方法在所述洗净的硅片衬底1表面蒸镀一铜层2，然后用丙酮对所述镀铜硅片进行冲洗，去除表面杂质；
3）制备电极：在所述洗净的镀铜硅片上通过光刻、显影、沉积金属材料等工艺制备出电极3；
4）电极的转移：采用旋涂的方法在所述制备有电极3的镀铜硅片上涂上一层电极支撑层4并置于加热板或烘箱中加热，电极支撑层4固化并附着在制备有电极3的镀铜硅片表面，接着将镀铜硅片置于铜刻蚀液中，待铜反应完全后，附带有电极3的电极支撑层4漂浮在刻蚀液表面；接着采用玻璃衬底将所述附带有电极3的电极支撑层4转移至去离子水中使其漂浮在去离子水表面；
5）半导体纳米材料的转移：将一维或二维半导体纳米材料6通过接触印刷法转移至目标基底5上；
6）器件的构筑：将漂浮在去离子水表面的附带有电极3图形的电极支撑层4转移至所述带有半导体纳米材料6的目标基底5上，自然晾干，这样完成了在目标基底5上电子器件的制备，待后续性能测试；
7）硅片的回收再利用：将留在刻蚀液里的硅片1，取出后清洗干净，回收再利用。
本发明的第二种优选实施例包括以下步骤：
1）衬底的清洗：取一铜箔作为衬底分别用丙酮、无水乙醇、去离子水依次超声清洗，接着用氮气吹干备用；
2）制备电极：在洗净的铜箔衬底上通过光刻、显影、沉积金属材料等工艺制备出电极；
3）电极的转移：采用旋涂的方法在所述制备有电极的铜箔上涂上一层电极支撑层薄膜并置于加热板或烘箱中加热，电极支撑层薄膜固化并附着在制备有电极的铜箔表面，接着将铜箔置于铜刻蚀液中，待铜反应完全后，附带有电极图形的电极支撑层漂浮在刻蚀液表面；接着采用玻璃衬底将附带有电极图形的电极支撑层转移至去离子水中使其漂浮在去离子水表面；
4）半导体纳米材料的转移：将一维或二维半导体纳米材料通过接触印刷法转移至目标基底上；
5）器件的构筑：将漂浮在去离子水表面的附带有电极图形的电极支撑层转移至带有半导体纳米材料的目标基底上，自然晾干，这样完成了在目标基底上电子器件的制备，待后续性能测试。
在本发明所涉及的方法中，半导体器件的构筑并非采用常规的光刻工艺直接在带有半导体材料的目标基底上直接光刻出电极图形，而是先在其他衬底上光刻出所需图形，然后通过腐蚀牺牲层的方式将电极图形转移至目标基底，因而目标基底不用经受光刻胶、显影液等溶剂的造成的损伤，因此本发明的目标基底材质可以是任意材料，如：纸张、树叶、塑料、金属、布料等，目标基底也不受其形状限制，其形状可以是：圆柱体、平面、球面等。
本发明的牺牲层不限于镀铜材料，也可以是其他金属材料，此时的腐蚀液也采用相应的金属腐蚀液。
本发明采用镀铜的技术方案具有一下有益效果：1.金属铜的材料成本较低，使用铜有利于降低成本，2.铜刻蚀液的腐蚀性较低，不会对器件的其他部分产生腐蚀或损伤，3.采用铜刻蚀液刻蚀镀铜反应速度较快，节省时间。
本发明的铜层厚度为300nm，恰当的厚度有利于提高转移效率和减少生产成本，若所镀铜层过厚，铜刻蚀液消耗量较大，且刻蚀时间较长，不经济；若过薄，在其上的形成的电极图形易出现凹凸不平或不完整等情况。
电极支撑层材料是溶度为6%的聚甲基丙烯酸甲酯，其中旋涂条件为2000转 、20秒2000r 、20s，加热温度和时间分别为120℃、3min，这种条件下形成的电极支撑层厚度均一且致密，支撑电极效果好，保证转移的产率。
留在所述刻蚀液里的硅片，能够取出后清洗回收再利用，这种方法相比传统基于硅片的半导体工艺在成本方面有巨大的优势。电子器件可以是顶栅结构的场效应晶体管器件，顶栅结构有利于构筑基于场效应晶体管器件的逻辑电路，如反相器、门电路等，而传统的蒸镀方式只能构筑底栅器件难以实现器件集成。电极图形可以是同种类型电极对用于形成欧姆接触，异种电极对用于形成肖特基接触，以及顶栅型FET电极。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (7)
1.一种将电极图形转移在任意基底上并构建电子器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）衬底的清洗：取一硅片采用清洗液超声清洗，然后吹干备用；
2）镀铜：利用磁控溅射的方法在洗净的硅片衬底表面蒸镀一层铜，然后用清洗液对镀铜硅片进行冲洗，去除表面杂质；
3）制备电极：在洗净的镀铜硅片上通过光刻、显影、沉积金属材料工艺制备出电极；
4）电极的转移：采用旋涂的方法在制备有电极的镀铜硅片上涂上一层电极支撑层薄膜并置于加热板或烘箱中加热，所述电极支撑层薄膜固化并附着在所述制备有电极的镀铜硅片的表面，接着将镀铜硅片置于铜刻蚀液中，待铜反应完全后，附带有电极图形的电极支撑层漂浮在刻蚀液表面；接着采用玻璃衬底将所述附带有电极图形的电极支撑层转移至去离子水中使其漂浮在去离子水表面；
5）半导体纳米材料的转移：将一维半导体纳米材料通过接触印刷法转移至目标基底上，二维半导体纳米材料采用直接蒸镀的方式沉积至目标基底上；
6）器件的构筑：将漂浮在去离子水表面的所述附带有电极图形的电极支撑层转移至带有半导体纳米材料的目标基底上，自然晾干。
2.根据权利要求1所述的一种将电极图形转移在任意基底上并构建电子器件的方法，其特征在于：步骤2）中镀在硅片表面上的铜层厚度为300-1000 nm。
3.根据权利要求1所述的一种将电极图形转移在任意基底上并构建电子器件的方法，其特征在于：所述电极支撑层薄膜材料是溶度为6%的聚甲基丙烯酸甲酯，其中旋涂条件为2000-3500转 、20-30秒，加热温度和时间分别为120℃、3-5min；所述铜刻蚀液是饱和的过硫酸铵或氯化铁溶液。
4.根据权利要求1所述的一种将电极图形转移在任意基底上并构建电子器件的方法，其特征在于：所述电子器件可以是顶栅结构的场效应晶体管器件。
5.根据权利要求1所述的一种将电极图形转移在任意基底上并构建电子器件的方法，其特征在于：步骤6）中所述的器件的构筑是将漂浮在水面的电极图形平铺在带有半导体材料的基底上自然晾干。
6.根据权利要求1所述的一种将电极图形转移在任意基底上并构建电子器件的方法，其特征在于：留在所述刻蚀液里的硅片，能够取出后清洗回收再利用。
7.一种将电极图形转移在任意基底上并构建电子器件的方法，其特征在于：
1）衬底的清洗：取一金属牺牲层作为衬底采用清洗液超声清洗，然后吹干备用；
2）制备电极：在洗净的所述金属牺牲层上通过光刻、显影、沉积金属材料工艺制备出电极；
3）电极的转移：采用旋涂的方法在所述制备有电极的金属牺牲层上涂上一层电极支撑层薄膜并置于加热板或烘箱中加热，所述电极支撑层薄膜固化并附着在制备有电极的金属牺牲层表面，接着将金属牺牲层置于金属刻蚀液中，待金属牺牲层反应完全后，附带有电极图形的电极支撑层漂浮在所述金属刻蚀液表面；接着采用玻璃衬底将附带有电极图形的电极支撑层转移至去离子水中使其漂浮在去离子水表面；
4）半导体纳米材料的转移：将一维半导体纳米材料通过接触印刷法转移，二维半导体纳米材料采用直接蒸镀半导体薄膜的方式沉积至目标基底上；
5）器件的构筑：将漂浮在去离子水表面的所述附带有电极图形的电极支撑层转移至带有半导体纳米材料的目标基底上，自然晾干。
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