CN104038173A - 一种基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型的基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器制备方法，用于解决现有高频纳机电谐振器工艺在柔性衬底上制备易造成柔性聚合物衬底平整度和机械性能恶化，以及柔性基板与硅基片难以分离的问题。本方法采用PDMS作为器件制备过程中硅基片与柔性衬底分离的释放层，由于PDMS和柔性衬底之间的黏性较小，使得柔性衬底与硅基片的分离变得很容易；并通过氧气反应离子刻蚀将PDMS涂层表面改变为亲水性，有效保证制备的柔性衬底的光滑性和平整性以及其与PDMS之间必要的黏性。本发明制备得的纳机电谐振器(NEMS)电子学器件具有高频、高品质因素等特点，能广泛应用于可穿戴电子、生物医学工程、柔性无线通信设备等。

Description

一种基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器制备方法

技术领域

本发明属于通信电子元器件技术领域，涉及一种通信电子元器件，具体为一种基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器制备方法。

背景技术

随着高速柔性薄膜电子学的发展，高频柔性薄膜电子器件得到迅猛发展，基于柔性衬底的高频纳机电谐振器可在三维任意载体上实现高频振荡器、高灵敏度传感器和单分子检测器等功能器件，并且通过NEMS-IC集成技术，有望实现高速柔性薄膜全集成电路，在医疗、生化检测等领域有着巨大的应用潜力。然而，长期以来由于纳米器件制备技术不够成熟、传统纳米薄膜材料不够理想和缺乏高效激励与检测技术等原因，目前基于柔性衬底的高频纳机电谐振器还未见相关报道，因此研究具有柔性、可延展性的高频纳机电谐振器对于小型化、低功耗、高速柔性薄膜全集成电路的开发和应用有着重要意义。

基于传统硅、有机薄膜等材料的柔性薄膜电子学器件面临工作频率、延展性和可靠性三方面的技术挑战。自从2004年发现了由一层碳原子构成的二维物质——石墨烯(graphene)，其便迅速成为国际研究的热门材料，石墨烯独有的电学、力学和热学性能使其成为高速、高Q值、小型化纳米机电谐振器的理想材料。目前,石墨烯纳机电系统(NEMS)的研究主要集中在刚性衬底上，由于石墨烯内在张力的影响，限制了石墨烯纳机电谐振频率的进一步提高。基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器有望解决这一问题，而且具有可折叠扭曲、可直接接触人体皮肤、抗震性和价廉等优点，但其在制备工艺上仍存在诸多挑战：典型的高频纳机电谐振器工艺(包括砷化镓、硅、氮化铝、碳化硅、碳纳米管和石墨烯等材料)通常需要强酸/强碱刻蚀或者高温(>1000℃)外延生长，在柔性衬底上应用时会使得柔性聚合物衬底平整度和机械性能恶化；此外，由于制备柔性衬底时需要以硅基片为载体，因此如何实现在制备工艺的最后轻易有效地分离柔性衬底与硅基片也是一个需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器制备工艺上存在的困难，提出了一种新型的基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器制备方法。该工艺采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane、PDMS)作为器件制备过程中硅基片与柔性衬底分离的释放层，由于PDMS和柔性衬底之间的黏性较小，使得柔性衬底与硅基片的分离变得很容易；并通过氧气反应离子刻蚀(RIE)将PDMS涂层表面改变为亲水性，有效保证制备的柔性衬底的光滑性和平整性以及其与PDMS之间必要的黏性。同时，石墨烯沟道的刻蚀采用负性光刻胶作为掩体，以减小对柔性衬底的损伤。该制备工艺可以在低温下实现，并且不需要强酸/强碱的刻蚀，有效提高器件的可靠性。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术措施构成的技术方案来实现的。

一种基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在高阻硅(Si)基片上旋涂PDMS作为释放层，利用氧气反应离子刻蚀(RIE)使旋凃后的PDMS表层由疏水性转变为亲水性的，用于下一步聚酰亚胺的旋凃；

步骤2：在步骤1的PDMS层上旋凃聚酰亚胺(PI)，旋凃完后进行烘干固化，形成柔性衬底；

步骤3：在步骤2的柔性衬底上旋涂一层光刻胶，曝光所需的栅极金属电极形状；

步骤4：利用蒸发法在步骤3的柔性衬底表面依次蒸发金属钛和金-铂合金，然后去除多余光刻胶及其上面附着的金属，在柔性衬底上形成栅极金属电极；

步骤5：在步骤4的柔性衬底上继续旋凃聚酰亚胺，将上述的栅极金属电极埋置在聚酰亚胺衬底中，旋凃完后进行烘干固化；

步骤6：将在铜基片上利用化学气相沉积(CVD)技术制备的石墨烯晶圆上旋涂光刻胶(PMMA)，再把石墨烯晶圆放入硝酸铁(FeNO₃)溶液中刻蚀铜，刻蚀完毕后沾有石墨烯的光刻胶将浮于硝酸铁溶液表面，此时用玻璃将沾有石墨烯的光刻胶从硝酸铁溶液中转移到清水中清洗干净；

步骤7：利用经步骤5的柔性衬底将步骤6所述的沾有石墨烯的光刻胶从清水里捞起，完成石墨烯的转移；

步骤8：将经步骤7的柔性衬底晾干，利用电子束曝光光刻胶，保留栅极金属电极上方的光刻胶和石墨烯，并采用氧化蚀刻法蚀刻掉其他地方暴露出的石墨烯，形成石墨烯梁；

步骤9：采用热蒸法在经步骤8的柔性衬底上相应位置依次蒸发金属钛、铂和金，形成与栅极金属电极平行的两电极，分别作为源极金属电极和漏极金属电极，两电极间间隔500nm～2000nm；

步骤10：用负性光刻胶覆盖经步骤9的柔性衬底，光刻去除栅极金属电极上方负性光刻胶，再用光刻法刻蚀掉栅极金属电极上方的聚酰亚胺，形成石墨烯沟道；

步骤11：将经步骤10的柔性电子器件放在烤箱中加热，分离柔性衬底与硅基片；

步骤12：将分离后的柔性电子器件放在烤箱中继续加热，除去制备过程中产生的有机残渣并完成亚胺化反应，即制备得基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器。

上述技术方案中，所述高阻硅基片的厚度为100um，步骤1旋凃的PDMS释放层的厚度为50～60um，步骤2柔性衬底的厚度为70～100um；所述石墨烯沟道的宽度即漏极金属电极和源极金属电极之间的距离为500nm～2000nm。

本发明的基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器具有以下优点及有益的技术效果：由于固支梁材料石墨烯(Graphene)具有二维平面结构、高的场相关电导率和高机械强度等特性，本发明基于石墨烯材料设计及制备工艺制备的纳机电谐振器(NEMS)电子学器件具有高频、高品质因素等特点；本发明采用柔性衬底制备的石墨烯纳机电谐振器，可以通过调节器件弯曲度，增大石墨烯梁的张力，从而提高所制备电子学元器件的谐振频率；本发明采用PDMS作为器件制备过程中硅基片和柔性衬底分离的释放层，可很容易实现柔性衬底与硅基片的分离；由于采用本地背栅结构有效减小寄生电容对谐振器高频信号读取的影响。本发明所制备的具有固支梁和本地背栅结构的柔性高频电子学元器件能用于可穿戴电子、生物医学工程、柔性无线通信设备等。

附图说明

图1为本发明基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器的切面结构示意图。

图2为本发明基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器的立体结构示意图，其中，1为柔性衬底、2为栅极金属电极、3为石墨烯固支梁、4为源极金属电极、5为漏极金属电极。

图3为本发明基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器的制备流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，但不应理解为是对本发明保护范围的任何限定。

本发明所述的基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器，其切面结构如图1所示，包括从下向上依次层叠有：柔性衬底1，栅极金属电极2，石墨烯固支梁3，石墨烯固支梁两侧的上方层叠有金属构成的源极金属电极4和漏极金属电极5。

本发明以下实施例中所述作为制备柔性石墨烯高频纳机电谐振器的载体的高阻硅基片厚度为100μm；

所述的PDMS释放层的厚度为50um；

所述的柔性衬底1的厚度为75um，石墨烯沟道的宽度为500～2000nm；

所述的栅极金属电极2由1nm厚的金属钛和10nm厚的金-铂合金组成；

所述的源极金属电极4和漏极金属电极5均由1nm厚的钛，15nm厚的铂，和50nm厚的金组成。

下面实施例中所述的石墨烯晶圆是在铜基片上采用化学气相沉积法(CVD)制备，所述柔性衬底的材料采用可光刻液态聚合物HD8820，所述负性光刻胶为HD7010。

本发明的一种基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器的制备方法，其详细操作步骤如下：

步骤1：在高阻硅(Si)基片上旋涂PDMS释放层。旋凃前将PDMS与其固化剂(有机硅弹性体)按10:1的比重混合，然后慢慢搅拌并在真空中放置20分钟以除去混合物中的气泡。旋凃分三步完成，旋凃的初始速度为150rpm，保持足够时间以保证这种液态PDMS布满整个基片表面并超过所需要的量；第二步加快旋凃速度到900rpm，约为最终速度的60％，保持50s以除去第一步多余的量；第三步加快到最终速度1500rpm，以保证PDMS涂层表面的平整性。旋凃完成后进行烘干固化并通过氧气反应离子刻蚀(RIE)处理使旋凃后的PDMS表层由疏水性转变为亲水性的。旋凃的PDMS释放层的厚度为50um；

步骤2：在步骤1的PDMS层上旋凃可光刻液态聚合物HD8820。旋凃方法同步骤1中所述，旋凃完后进行烘干固化，形成柔性衬底；

步骤3：在步骤2柔性衬底上旋涂一层光刻胶，曝光所需的栅极金属电极形状，其栅长为1um，栅宽为10um；

步骤4：利用蒸发法在步骤3的柔性衬底表面蒸发1nm厚的金属钛和30nm厚的金-铂合金，然后放入丙酮中5分钟浮脱，除去多余的光刻胶及其上面附着的金属,在柔性衬底上形成栅极金属电极；

步骤5：在步骤4的柔性衬底上继续旋凃HD8820，方法同步骤2所述，将所述的栅极金属电极埋置在柔性衬底中，旋凃完后进行烘干固化。整个柔性衬底的厚度为75um；

步骤6：将在铜基片上CVD技术制备的石墨烯旋涂上光刻胶(PMMA)，再把石墨烯晶圆放入硝酸铁(FeNO₃)溶液中刻蚀铜，刻蚀完毕后沾有石墨烯的光刻胶将浮于硝酸铁液体表面，此时用玻璃把光刻胶从硝酸铁溶液里面转移到清水里面清洗干净；

步骤7：转移石墨烯。利用步骤5中制作好的柔性衬底将步骤6所述光刻胶从水里捞起；

步骤8：将步骤7的衬底晾干，用电子束曝光光刻胶，留下栅极金属电极上方的光刻胶和石墨烯，其具体大小为3μm×1um的方形区域，石墨烯沟道短边平行于栅极金属电极，其他地方暴露出的多余石墨烯用氧化蚀刻法蚀刻掉，完成石墨烯梁的制备；

步骤9：在步骤8所述柔性衬底上，且平行与栅极金属电极相距1um的距离，用热蒸法在其上依次蒸发1nm厚的钛、15nm厚的铂和50nm厚的金作为源极金属电极和漏极金属电极；

步骤10：旋凃负性光刻胶HD7010覆盖上述制备的整个器件，光刻暴露出栅极金属电极的方形部分，用光刻法刻蚀掉栅极金属电极上方的HD8820柔性衬底，直至栅极金属电极上方，形成石墨烯沟道；

步骤11：将整个器件放在烤箱中100℃加热，分离柔性衬底与硅基片；

步骤12：将分离后的柔性电子器件放在烤箱中继续加热，将温度慢慢由100℃调至280℃并保持4h，除去制备过程中产生的有机残渣和完成亚胺化反应，以达到柔性电子器件的最佳性能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了更好地理解本发明的原理以及具体制备工艺，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质性的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在高阻硅基片上旋涂PDMS作为释放层，利用氧气反应离子刻蚀使旋凃后的PDMS表层由疏水性转变为亲水性的，用于下一步聚酰亚胺的旋凃；

步骤2：在步骤1的PDMS层上旋凃聚酰亚胺，旋凃完后进行烘干固化，形成柔性衬底；

步骤3：在步骤2的柔性衬底上旋涂一层光刻胶，曝光所需的栅极金属电极形状；

步骤4：利用蒸发法在步骤3的柔性衬底表面依次蒸发金属钛和金-铂合金，然后去除多余光刻胶及其上面附着的金属，在柔性衬底上形成栅极金属电极；

步骤5：在步骤4的柔性衬底上继续旋凃聚酰亚胺，将上述的栅极金属电极埋置在聚酰亚胺衬底中，旋凃完后进行烘干固化；

步骤6：将在铜基片上利用化学气相沉积技术制备的石墨烯晶圆上旋涂光刻胶，再把石墨烯晶圆放入硝酸铁溶液中刻蚀铜，刻蚀完毕后沾有石墨烯的光刻胶将浮于硝酸铁溶液表面，此时用玻璃将沾有石墨烯的光刻胶从硝酸铁溶液中转移到清水中清洗干净；

步骤7：利用经步骤5的柔性衬底将步骤6所述的沾有石墨烯的光刻胶从清水里捞起，完成石墨烯的转移；

步骤8：将经步骤7的柔性衬底晾干，利用电子束曝光光刻胶，保留栅极金属电极上方的光刻胶和石墨烯，并采用氧化蚀刻法蚀刻掉其他地方暴露出的石墨烯，形成石墨烯梁；

步骤9：采用热蒸法在经步骤8的柔性衬底上相应位置依次蒸发金属钛、铂和金，形成与栅极金属电极平行的两电极，分别作为源极金属电极和漏极金属电极，两电极间间隔500nm～2000nm；

步骤10：用负性光刻胶覆盖经步骤9的柔性衬底，光刻去除栅极金属电极上方负性光刻胶，再用光刻法刻蚀掉栅极金属电极上方的聚酰亚胺，形成石墨烯沟道；

步骤11：将经步骤10的柔性电子器件放在烤箱中加热，分离柔性衬底与硅基片；

步骤12：将分离后的柔性电子器件放在烤箱中继续加热，除去制备过程中产生的有机残渣并完成亚胺化反应，即制备得基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器。

2.按权利要求1所述基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器制备方法，其特征在于，采用PDMS作为释放层，实现柔性衬底与硅基片的分离。

3.按权利要求1所述基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器制备方法，其特征在于，所述步骤1旋凃的PDMS释放层的厚度为50～60um。

4.按权利要求1所述基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器制备方法，其特征在于，所述步骤2中柔性衬底的厚度为70～100um。

5.按权利要求1所述基于柔性衬底的石墨烯高频纳机电谐振器制备方法，其特征在于，所述步骤10中石墨烯沟道的刻蚀采用负性光刻胶作为掩体，以减小对柔性衬底的损伤。