CN104627957A - 一种热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，包括紫外光刻、热解碳化、掩膜制作、金属电极沉积、剥离浮脱和电性能表征，利用光刻胶的感光性能，通过紫外光刻工艺、半导体加工工艺、惰性气氛下的热解碳化工艺以制作图案化的热解碳微结构；然后通过掩膜制作、金属电极沉积、剥离浮脱工艺，使拟制作电极的部位精确得到电极，制作成与碳微结构相集成的金属电极；通过四探针法，对电性能进行表征。本发明提出了一种基于C-MEMS的优化工艺以制作图案化的热解碳微结构，该工艺融合利用了半导体领域的相关技术与四探针法，工艺简洁、相关技术成熟，可应用于大规模生产，所得到的热解碳微结构有着较好的电性能。

Description

一种热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法

技术领域

本发明涉及微纳米结构、半导体微加工工艺与微纳器件表征的交叉领域，具体涉及一种热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法。

背景技术

微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)加工技术是一种前沿技术，它是在微米/纳米尺度的半导体加工工艺基础上发展起来的，是将微米、纳米结构根据需要进行设计、加工、制造，以形成器件或系统，并实现所需的各种复杂功能。MEMS的尺度范围在微米级别，利用MEMS加工技术能够制作整体尺寸较小的微纳结构和微纳器件。这种微制备过程技术还具有精确可控、重复性好，能与硅的微加工工艺完全相融合、能实现低成本大批量生产。此外，MEMS技术能够制备图案化的各种形状电极结构，对于制备微纳结构和实现器件级表征提供了经济、有效的方法。到目前为止，有很多科研工作者探索了MEMS加工技术用于制备基于热解碳微纳结构的传感器、驱动器、谐振器、电化学器件等MEMS器件，并提出了C-MEMS(Carbon MEMS)这一概念。

基于C-MEMS工艺制作的各种碳微纳结构及微纳器件，在微型传感器、微驱动器、微生化系统、微型电化学器件等领域，具有极高的应用潜力和前景。热解光刻胶所得到的热解碳微结构，可以经由不同的微加工方法制作成各种形状乃至三维结构，如释放式碳结构、多尺寸等级的三维碳微结构、高深宽比碳微结构等，在微纳结构和器件领域有很重要的意义，其主要原因在于碳结构的物理和化学性质是硅结构的有益补充，如硅是各向异性的，而碳是各向同性的。此外，碳结构的物理、化学和生物稳定性好，因此在三维微型电池、生物传感器、芯片超级电容器、微机械部件等很多方面有很大的潜在应用。表征和探索其在不同使用场合下的电性能，对于器件表征和具体应用具有非常重要的意义，也存在着大的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，提出了一种基于C-MEMS的优化工艺以制作图案化的热解碳微结构，该工艺融合利用了半导体领域的相关技术与四探针法，工艺简洁、相关技术成熟，可应用于大规模生产，所得到的热解碳微结构有着较好的电性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，包括紫外光刻、热解碳化、掩膜制作、金属电极沉积、剥离浮脱和电性能表征，利用光刻胶的感光性能，通过紫外光刻工艺、半导体加工工艺、惰性气氛下的热解碳化工艺以制作图案化的热解碳微结构；然后通过掩膜制作、金属电极沉积、剥离浮脱工艺，使拟制作电极的部位精确得到电极，制作成与碳微结构相集成的金属电极；通过四探针法，对电性能进行表征。

根据以上方案，所述图案化的热解碳微结构的制作过程具体包括以下步骤：

1)用典型RCA清洗流程清洗硅/二氧化硅基板；

2)待基板表面洗净后，将其置于115℃的烘箱中烘烤30分钟；

3)将步骤2)所得样品，采用匀胶机，自旋涂布一层光刻胶；

4)将步骤3)所得样品置于100℃的烘箱中烘烤15分钟；

5)对步骤4)所得样品进行紫外光刻，并进行显影、润洗、氧气等离子体洗净，以得到带有光刻胶微结构图案的样品；

6)将步骤5)所得样品置于115℃的烘箱中烘烤30～120分钟；

7)对所得样品放入真空管式炉中，在氮气气氛下，以2～5℃/min的速率从室温加热到400℃，并恒温30分钟；再以2～5℃/min的速率从400℃加热到所需温度600～9000℃，并恒温60分钟。

根据以上方案，所述基板带有二氧化硅氧化层，单面或双面抛光，N型或P型。

根据以上方案，所述自旋涂布过程中光刻胶所形成的薄膜厚度为：6.8～7.2μm；具体技术参数为：第一步：5秒，转速为500rpm；第二步：30～40秒，转速为2500～5000rpm。

根据以上方案，所述步骤5)中显影、润洗过程包括：显影，80～90秒；1号去离子水，40秒；2号去离子水，30～40秒。

根据以上方案，所述与碳微结构相集成的金属电极的制作过程具体包括以下步骤：

1)将所述图案化的热解碳微结构置于旋涂机上，自旋涂布一层光刻胶；

2)对步骤1)所得的样品进行紫外光刻，然后进行显影、润洗、氧气等离子体洗净，以在拟制作电极的部位精确得到电极图案的微型沟槽；

3)通过物理气相沉积的方法，在步骤2)所得样品上先蒸镀一层5nm厚度的Cr金属膜，然后蒸镀一层100nm厚度的Au金属膜；

4)采用剥离浮脱的方法，将光刻胶及其上层金属膜除去，这样就在拟制作电极的部位精确得到了金属电极结构。

根据以上方案，所述自旋涂布光刻胶所形成的薄膜厚度为：3.8～4.2μm；具体技术参数为，第一步：5秒，转速为500rpm；第二步：40秒，转速为5000rpm。

根据以上方案，所述显影和润洗时间为，显影，13秒；1号去离子水，7秒；2号去离子水，6秒。

根据以上方案，所述步骤4)中金属膜除去的方法是在丙酮中浸泡10分钟。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于C-MEMS的优化工艺以制作图案化的热解碳微结构，利用光刻胶的感光性能，借助优化后的紫外光刻工艺，并经过显影、润洗和硬烤等半导体工艺，及惰性气氛下的碳化以形成图案化的热解碳微结构，然后利用剥离浮脱、物理气相沉积等工艺，在拟制作电极的部位精确得到电极，并结合四探针法，对其电性能进行表征。该工艺融合利用了半导体领域的相关技术与四探针法，工艺简洁、相关技术成熟，可应用于大规模生产，所得到的热解碳微结构有着较好的电性能。

附图说明

图1是本发明实施例1的热解碳微结构蒸镀金电极后的光学显微镜图；

图2是本发明实施例1的热解碳微结构及蒸镀金电极的微加工过程示意图；

图3是本发明实施例1的热解碳微结构电极的电性能表征结果；

图4是本发明实施例2至实施例4的热解碳微结构电极的电性能表征结果。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

实施例1，见图1至图3所示：

本发明提供一种热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，具体包括以下步骤：

1)用典型RCA清洗流程清洗N型、带有二氧化硅氧化层、双面抛光的硅/二氧化硅基板(见图2A)；

2)待基板表面洗净后，将其置于115℃的烘箱中烘烤30分钟；

3)将步骤2)所得样品，采用匀胶机，自旋涂布一层PR19000A光刻胶，光刻胶薄膜厚度为7μm，转速为：第一步，5秒，500rpm；第二步：40秒，5000rpm(见图2B)；

4)将步骤3)所得样品置于100℃的烘箱中烘烤15分钟；

5)对步骤4)所得样品进行紫外光刻，曝光剂量为350mJ/cm²(见图2C)；然后将样品按顺序浸入RD6显影液，1号去离子水，2号去离子水；浸泡显影时间为RD6显影液，80秒，1号去离子水，40秒，2号去离子水，30秒，以得到带有光刻胶微结构图案的样品；

6)将步骤5)所得样品置于115℃的烘箱中烘烤30分钟；

7)对所得样品放入真空管式炉中，在氮气气氛下，以2℃/min的速率从室温加热到400℃，并恒温30分钟；再以2℃/min的速率从400℃加热到所需温度600℃，并恒温60分钟(见图2D)；

8)将步骤7)得到的图案化的热解碳微结构置于旋涂机上，自旋涂布一层NR9 3000PY光刻胶，光刻胶薄膜厚度为：4μm，转速为：第一步，5秒，500rpm；第二步：40秒，5000rpm(见图2E)；

9)对步骤8)所得的样品进行紫外光刻，曝光剂量为448mJ/cm²；按顺序浸入RD6显影液，1号去离子水，2号去离子水；浸泡显影时间为RD6显影液，13秒，1号去离子水，7秒，2号去离子水，6秒；以在拟制作电极的部位精确得到电极图案的微型沟槽(见图2F)；

10)通过物理气相沉积的方法，在步骤9)所得样品上先蒸镀一层5nm厚度的Cr金属膜，然后蒸镀一层100nm厚度的Au金属膜(见图2G)；

11)采用剥离浮脱的方法，即在丙酮中浸泡10分钟，将NR9 3000PY光刻胶及其上层金属膜除去，这样就在拟制作电极的部位精确得到了金属电极结构(见图2H)；

12)采用四探针法，对步骤11)得到的带金属电极热解碳微结构电性能进行表征(见图3)。

本实施例的热解碳微结构电极的光学显微镜放大图如图1所示。

实施例2：

本发明提供一种热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，具体包括以下步骤：

1)用典型RCA清洗流程清洗P型、带有二氧化硅氧化层、单面抛光的硅/二氧化硅基板；

2)待基板表面洗净后，将其置于115℃的烘箱中烘烤30分钟；

3)将步骤2)所得样品，采用匀胶机，自旋涂布一层SU-81060作光刻胶，光刻胶薄膜厚度为6.8μm，转速为：第一步，5秒，500rpm；第二步：30秒，2500rpm；

4)将步骤3)所得样品置于100℃的烘箱中烘烤15分钟；

5)对步骤4)所得样品进行紫外光刻，曝光剂量为400mJ/cm²；然后将样品按顺序浸入PGMEA显影液，1号去离子水，2号去离子水；浸泡显影时间为PGMEA显影液，80秒，1号去离子水，40秒，2号去离子水，30秒，以得到带有光刻胶微结构图案的样品；

6)将步骤5)所得样品置于115℃的烘箱中烘烤120分钟；

7)对所得样品放入真空管式炉中，在氮气气氛下，以5℃/min的速率从室温加热到400℃，并恒温30分钟；再以5℃/min的速率从400℃加热到所需温度900℃，并恒温60分钟。

8)将步骤7)得到的图案化的热解碳微结构置于旋涂机上，自旋涂布一层NR9 3000PY光刻胶，光刻胶薄膜厚度为：3.8μm，转速为：第一步，5秒，500rpm；第二步：40秒，5000rpm；

9)对步骤8)所得的样品进行紫外光刻，曝光剂量为448mJ/cm²；按顺序浸入RD6显影液，1号去离子水，2号去离子水；浸泡显影时间为RD6显影液，13秒，1号去离子水，7秒，2号去离子水，6秒；以在拟制作电极的部位精确得到电极图案的微型沟槽；

10)通过物理气相沉积的方法，在步骤9)所得样品上先蒸镀一层5nm厚度的Cr金属膜，然后蒸镀一层100nm厚度的Au金属膜；

11)采用剥离浮脱的方法，即在丙酮中浸泡10分钟，将NR9 3000PY光刻胶及其上层金属膜除去，这样就在拟制作电极的部位精确得到了金属电极结构；

12)采用四探针法，对步骤11)得到的带金属电极热解碳微结构电性能进行表征(见图4)。

实施例3：

本发明提供一种热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，具体包括以下步骤：

1)用典型RCA清洗流程清洗N型、带有二氧化硅氧化层、单面抛光的硅/二氧化硅基板；

2)待基板表面洗净后，将其置于115℃的烘箱中烘烤30分钟；

3)将步骤2)所得样品，采用匀胶机，自旋涂布一层PR19000A光刻胶，光刻胶薄膜厚度为7.2μm，转速为：第一步，5秒，500rpm；第二步：40秒，5000rpm；

4)将步骤3)所得样品置于100℃的烘箱中烘烤15分钟；

5)对步骤4)所得样品进行紫外光刻，曝光剂量为350mJ/cm²；然后将样品按顺序浸入RD6显影液，1号去离子水，2号去离子水；浸泡显影时间为RD6显影液，80秒，1号去离子水，40秒，2号去离子水，30秒，以得到带有光刻胶微结构图案的样品；

6)将步骤5)所得样品置于115℃的烘箱中烘烤30分钟；

7)对所得样品放入真空管式炉中，在氮气气氛下，以5℃/min的速率从室温加热到400℃，并恒温30分钟；再以5℃/min的速率从400℃加热到所需温度800℃，并恒温60分钟。

8)将步骤7)得到的图案化的热解碳微结构置于旋涂机上，自旋涂布一层NR9 3000PY光刻胶，光刻胶薄膜厚度为：4μm，转速为：第一步，5秒，500rpm；第二步：40秒，5000rpm；

9)对步骤8)所得的样品进行紫外光刻，曝光剂量为448mJ/cm²；按顺序浸入RD6显影液，1号去离子水，2号去离子水；浸泡显影时间为RD6显影液，13秒，1号去离子水，7秒，2号去离子水，6秒；以在拟制作电极的部位精确得到电极图案的微型沟槽；

10)通过物理气相沉积的方法，在步骤9)所得样品上先蒸镀一层5nm厚度的Cr金属膜，然后蒸镀一层100nm厚度的Au金属膜；

11)采用剥离浮脱的方法，即在丙酮中浸泡10分钟，将NR9 3000PY光刻胶及其上层金属膜除去，这样就在拟制作电极的部位精确得到了金属电极结构；

12)采用四探针法，对步骤11)得到的带金属电极热解碳微结构电性能进行表征(见图4)。

实施例4：

本发明提供一种热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，具体包括以下步骤：

1)用典型RCA清洗流程清洗P型、带有二氧化硅氧化层、双面抛光的硅/二氧化硅基板；

2)待基板表面洗净后，将其置于115℃的烘箱中烘烤30分钟；

3)将步骤2)所得样品，采用匀胶机，自旋涂布一层SU-81060作光刻胶，光刻胶薄膜厚度为6.8μm，转速为：第一步，5秒，500rpm；第二步：30秒，2500rpm；

4)将步骤3)所得样品置于100℃的烘箱中烘烤15分钟；

5)对步骤4)所得样品进行紫外光刻，曝光剂量为400mJ/cm²；然后将样品按顺序浸入PGMEA显影液，1号去离子水，2号去离子水；浸泡显影时间为PGMEA显影液，80秒，1号去离子水，40秒，2号去离子水，30秒，以得到带有光刻胶微结构图案的样品；

6)将步骤5)所得样品置于115℃的烘箱中烘烤30分钟；

7)对所得样品放入真空管式炉中，在氮气气氛下，以3℃/min的速率从室温加热到400℃，并恒温30分钟；再以3℃/min的速率从400℃加热到所需温度700℃，并恒温60分钟。

8)将步骤7)得到的图案化的热解碳微结构置于旋涂机上，自旋涂布一层NR9 3000PY光刻胶，光刻胶薄膜厚度为：3.8μm，转速为：第一步，5秒，500rpm；第二步：40秒，5000rpm；

9)对步骤8)所得的样品进行紫外光刻，曝光剂量为448mJ/cm²；按顺序浸入RD6显影液，1号去离子水，2号去离子水；浸泡显影时间为RD6显影液，13秒，1号去离子水，7秒，2号去离子水，6秒；以在拟制作电极的部位精确得到电极图案的微型沟槽；

10)通过物理气相沉积的方法，在步骤9)所得样品上先蒸镀一层5nm厚度的Cr金属膜，然后蒸镀一层100nm厚度的Au金属膜；

11)采用剥离浮脱的方法，即在丙酮中浸泡10分钟，将NR9 3000PY光刻胶及其上层金属膜除去，这样就在拟制作电极的部位精确得到了金属电极结构；

12)采用四探针法，对步骤11)得到的带金属电极热解碳微结构电性能进行表征(见图4)。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，其特征在于，包括紫外光刻、热解碳化、掩膜制作、金属电极沉积、剥离浮脱和电性能表征，利用光刻胶的感光性能，通过紫外光刻工艺、半导体加工工艺、惰性气氛下的热解碳化工艺以制作图案化的热解碳微结构；然后通过掩膜制作、金属电极沉积、剥离浮脱工艺，使拟制作电极的部位精确得到电极，制作成与碳微结构相集成的金属电极；通过四探针法，对其电性能进行表征。

2.根据权利要求1所述的热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，其特征在于，所述图案化的热解碳微结构的制作过程具体包括以下步骤：

1)用典型RCA清洗流程清洗硅/二氧化硅基板；

2)待基板表面洗净后，将其置于115℃的烘箱中烘烤30分钟；

3)将步骤2)所得样品，采用匀胶机，自旋涂布一层光刻胶；

4)将步骤3)所得样品置于100℃的烘箱中烘烤15分钟；

5)对步骤4)所得样品进行紫外光刻，并进行显影、润洗、氧气等离子体洗净，以得到带有光刻胶微结构图案的样品；

6)将步骤5)所得样品置于115℃的烘箱中烘烤30～120分钟；

7)对所得样品放入真空管式炉中，在氮气气氛下，以2～5℃/min的速率从室温加热到400℃，并恒温30分钟；再以2～5℃/min的速率从400℃加热到所需温度600～900℃，并在该温度下保温60分钟。

3.根据权利要求2所述的热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，其特征在于，所述基板带有二氧化硅氧化层，单面或双面抛光，N型或P型。

4.根据权利要求2所述的热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，其特征在于，所述自旋涂布过程中光刻胶所形成的薄膜厚度为：6.8～7.2μm；具体技术参数为：第一步：5秒，转速为500rpm；第二步：30～40秒，转速为2500～5000rpm。

5.根据权利要求2所述的热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，其特征在于，所述步骤5)中显影、润洗过程包括：显影，80～90秒；1号去离子水，40秒；2号去离子水，30～40秒。

6.根据权利要求1所述的热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，其特征在于，所述与碳微结构相集成的金属电极的制作过程具体包括以下步骤：

1)将所述图案化的热解碳微结构置于旋涂机上，自旋涂布一层光刻胶；

2)对步骤1)所得的样品进行紫外光刻，然后进行显影、润洗、氧气等离子体洗净，以在拟制作电极的部位精确得到电极图案的微型沟槽；

3)通过物理气相沉积的方法，在步骤2)所得样品上先蒸镀一层5nm厚度的Cr金属膜，然后蒸镀一层100nm厚度的Au金属膜；

4)采用剥离浮脱的方法，将光刻胶及其上层金属膜除去，这样就在拟制作电极的部位精确得到了金属电极结构。

7.根据权利要求6所述的热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，其特征在于，所述自旋涂布光刻胶所形成的薄膜厚度为：3.8～4.2μm；具体技术参数为，第一步：5秒，转速为500rpm；第二步：40秒，转速为5000rpm。

8.根据权利要求6所述的热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，其特征在于，所述显影和润洗时间为，显影，13秒；1号去离子水，7秒；2号去离子水，6秒。

9.根据权利要求6所述的热解碳微结构电极的制作工艺及其电性能表征方法，其特征在于，所述步骤4)中金属膜除去的方法是在丙酮中浸泡10分钟。