CN105470390A - 以胶带为基底构建大面积、柔性、可穿戴的有机纳米线场效应晶体管阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以胶带为基底构建大面积、柔性、可穿戴的有机纳米线场效应晶体管阵列的方法，包括以下步骤：1）纳米线的生长：制备模板，然后在模板上自组装生长纳米线阵列；2）基底的制作：在牺牲基底表面镀一层牺牲层，然后在牺牲层上制作栅极和源、漏电极；3）纳米线的转移：将胶带铺在生长了纳米线阵列的模板上，纳米线阵列会粘附在透明胶带上，剥离胶带，纳米线阵列会附着在胶带上一同被转移贴附在步骤2）制作的基底上；4）器件的构筑：利用胶带与牺牲层之间的粘附力较牺牲基底与牺牲层之间的粘附力大的特性，将牺牲层与牺牲基底分离，并转移至牺牲层刻蚀液中刻蚀，得到以胶带为基底的晶体管阵列。
Description
技术领域
本发明公开了一种以透明胶带为基底，利用胶带剥离工艺构建大面积、高性能、柔性且可穿戴的有机纳米线场效应晶体管阵列的方法。具体而言，本发明涉及一种将干法与湿法转移及刻蚀相结合的工艺，实现了器件由硅基底转移至柔性透明胶带基底的制备方法。
背景技术
透明胶带作为一种生活日用品，具有易弯曲，折叠，粘贴的性能，对于应用在柔性电子器件方面具有很大潜力，例如，生物器件，超轻量器件，可穿戴的电子器件，智能服饰，皮肤传感等。基于柔性及电子器件性能的考虑，一维大面积自组装有机单晶纳米线阵列较无机纳米线具有较好的柔性；较相应的有机单晶薄膜具有较高的载流子迁移率；较有机单根纳米线具有较好的集成度。同时有机纳米线阵列转移至柔性器件上具有较好的抗弯曲性能，然而通过传统的微电子加工技术，实现在胶带上光刻，转移工艺较为困难，研究较少，而且直到目前为止，绝大多数的有机纳米线阵列都是构筑在SiO2/Si及玻璃基底上，基底的选择受到限制，因此通过一种简单且有效的方法，将有机纳米线阵列转移到透明胶带上是一件刻不容缓的事情。
发明内容
为了解决技术存在的困难，本发明提供一种以透明胶带为基底，利用胶带剥离工艺构建大面积、高性能、柔性且可穿戴的有机纳米线场效应晶体管阵列的方法。
通过干法转移与湿法刻蚀，粘附力的不同，实现了铜硅的分离，进一步通过刻蚀液刻蚀铜层，制备顶栅顶接触的器件来验证方法的可行性，测试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。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种为基底构建大面积、柔性、可穿戴的有机纳米线场效应晶体管阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）纳米线的生长：制备模板，然后在模板上自组装生长纳米线阵列；
2）基底的制作：在牺牲基底表面镀一层牺牲层，然后在牺牲层上制作栅极和源、漏电极；
3）纳米线的转移：将胶带铺在生长了纳米线阵列的模板上，纳米线阵列会粘附在透明胶带上，剥离胶带，纳米线阵列会附着在胶带上一同被转移贴附在步骤2）制作的基底上；
4）器件的构筑：利用胶带与牺牲层之间的粘附力较牺牲基底与牺牲层之间的粘附力大的特性，将牺牲层与牺牲基底分离，并转移至牺牲层刻蚀液中刻蚀，得到以胶带为基底的晶体管阵列。
本发明一个较佳实施例中，所述牺牲基底为硅片，所述牺牲层为蒸镀的一层铜，镀铜是在硅片上利用磁控溅射的方法蒸镀的。
本发明一个较佳实施例中，所述刻蚀液为饱和过硫酸铵。
本发明一个较佳实施例中，栅极和源、漏电极是用金属材料金通过光刻、显影、蒸镀沉积形成的。
本发明一个较佳实施例中，光刻采用的是两次接触式对准曝光，首先通过一次光刻，调焦、调平刻出栅极，然后通过“十字”对准的方法，对应于栅极，刻出源、漏电极。
本发明一个较佳实施例中，制作的栅极和源、漏电极与所述牺牲层之间还设有一层绝缘层，所述绝缘层为Si3N4材料制作。
本发明一个较佳实施例中，步骤3）中所述的纳米线阵列的转移是将模板放在载玻片上，用胶带平铺贴附于模板表面，并倒置于另外一个载玻片上，适度挤压两载玻片以便于纳米线阵列全部转移至胶带上，然后剥离带有纳米线阵列的胶带。
本发明一个较佳实施例中，所述模板为在光栅的辅助下制备的PDMS模板。
本发明一个较佳实施例中，所述纳米线生长为通过物理气相沉积方法自组装生长出来的大面积纳米线阵列。
本发明一个较佳实施例中，所述胶带为透明胶带。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
1、工艺简单，成本低廉，为后续可能的器件大规模集成提供方便；
2、器件转移的成功率几乎为100%；
3、按照此方法能够转移得到大面积柔性器件，对于应用在柔性电子器件方面具有很大潜力能保持应有性能；
4、按照此方法能得到大面积柔性器件，并能保持应有性能；
5、此方法可拓展从有机到无机半导体材料，普适性高。
转移过程则是通过粘附力的差异，实现了铜硅的分离，首先将镀铜基底用工具刀划掉部分边角，这样有利于铜层顺利剥离Si基底，然后把已经转移了材料的透明胶带紧贴于已经镀好电极的Cu/Si基底上，并放置在两个载玻片中间，轻轻挤压保持1min，使得透明胶带与镀好电极的Cu/Si基底接触更加紧密，然后用铜刻蚀液（饱和过硫酸铵(NH4)2S2O8）刻蚀铜层3-4s，待铜刻蚀完全后，将所述附带有器件结构的胶带基底转移至去离子水中，使其漂浮在去离子水表面洗去刻蚀液，清洗20-30s，接着将胶带转移至管式炉中，以75℃退火去除表面残留水渍，就得到了以透明胶带为基底的顶栅顶接触器件结构的有机纳米线场效应晶体管阵列，而且经刻蚀液刻蚀之后的硅片，能够取出后清洗回收再利用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1中a、b、c、d和e依次是为发明的优选实施例的在透明胶带上构筑有机场效应晶体管流程图；
图2为在透明胶带上构筑有机场效应晶体管流程的实物图；
图3为最终的器件结构显微镜图片；
图4和图5为最终在胶带上构筑的晶体管电学性能图。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
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：取一部分Si片浸入piranha溶液3小时，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10 min，最后用氮气吹干；
2）镀铜：取部分清洗干净的Si片衬底放入玻璃器皿，置于氧等离子体去胶机中，在功率300W的条件下，处理600s后，利用磁控溅射的方法在处理后的硅片衬底表面以1 Å/s蒸镀一层铜(300nm)，然后用清洗液对镀铜硅片进行冲洗，去除表面杂质；
3）制备栅极：在洗净的镀铜硅片上通过光刻、显影、蒸镀沉积金属材料金作为栅极；
4）绝缘层的制备：利用磁控溅射的方法在已经镀好的栅极基底上镀一层Si3N4作为绝缘层；
5）制备源、漏电极：在镀好绝缘层的基片上，通过光刻、显影、蒸镀沉积金属材料金作为源、漏电极；
6）纳米线阵列的生长和转移：在光栅的辅助下，制备PDMS模板，通过物理气相沉积（PVD）方法生长纳米线阵列，利用胶带将纳米线阵列转移至胶带上，进一步转移至已镀好电极的Cu/Si基底上。
7）器件的构筑：由于胶带与铜之间的粘附力较硅与铜之间的粘附力大，所以可以利用胶带的粘附力直接将铜与硅基底分离，进一步将电极及纳米线阵列转移至胶带上，接着将其置于铜刻蚀液（饱和过硫酸铵(NH4)2S2O8）中，待铜反应完全后，将所述附带有电极图形的胶带基底转移至去离子水中使其漂浮在去离子水表面洗去刻蚀液，接着将胶带转移至管式炉中，以75℃退火去除表面残留水渍，就得到了以透明胶带为基底的有机纳米线阵列场效应晶体管。
本发明的一种优选实施例中，步骤1）中所述的piranha溶液为浓硫酸：双氧水 = 3：1的强氧化性溶液，可将SiO2表面的有机物氧化掉并大量增加SiO2表面的羟基数目，增加其浸润性。SiO2/Si片基底中SiO2层的厚度为300 nm，清洗溶剂分别为丙酮，乙醇，去离子水，各超声10 min。
本发明的一种优选实施例中，步骤2）中所述的镀铜是利用磁控溅射的方法在处理后的硅片衬底表面以1 Å/s蒸镀一层铜(300nm)作为牺牲层，与饱和(NH4)2S2O8进行反应。
本发明的一种优选实施例中，步骤3）中所述的栅极的制备是通过光刻的方法将电极图案化，然后蒸镀一层金（75 nm）电极，接着用丙酮将光刻胶洗掉，留下了图案化的栅极。（光刻的具体条件：匀胶机参数为先500 r 6 s 后 3500 r 30 s，烘胶温度和时间均分别为100 ℃ 3 min，显影时间为12
s）
本发明的一种优选实施例中，步骤4）中所述的绝缘层Si3N4的厚度为50nm。
本发明的一种优选实施例中，步骤5）中所述的源、漏电极的制备是通过热蒸发金属镀膜仪蒸镀一层75nm厚的金。
本发明的一种优选实施例中，步骤7）中所述的转移过程则是通过粘附力的差异，实现了铜硅的分离，首先将镀铜基底用工具刀划掉部分边角，这样有利于铜层顺利剥离Si基底，然后把已经转移了材料的透明胶带紧贴于已经镀好电极的Cu/Si基底上，并放置在两个载玻片中间，轻轻挤压保持1min，使得透明胶带与镀好电极的Cu/Si基底接触更加紧密，然后用铜刻蚀液（饱和过硫酸铵(NH4)2S2O8）刻蚀铜层3-4s，待铜刻蚀完全后，将所述附带有器件结构的胶带基底转移至去离子水中，使其漂浮在去离子水表面洗去刻蚀液，清洗20-30s，接着将胶带转移至管式炉中，以75℃退火去除表面残留水渍，就得到了以透明胶带为基底的顶栅顶接触器件结构的有机纳米线场效应晶体管阵列，而且经刻蚀液刻蚀之后的硅片，能够取出后清洗回收再利用。
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
如图1-5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：取一部分Si片浸入piranha溶液3小时，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10 min，最后用氮气吹干；
2）镀铜：取部分清洗干净的Si片衬底放入玻璃器皿，置于氧等离子体去胶机中，在功率300W的条件下，处理600s后，利用磁控溅射的方法在处理后的硅片衬底表面以1 Å/s蒸镀一层铜(300nm)，然后用清洗液对镀铜硅片进行冲洗，去除表面杂质；
3）制备栅极：在洗净的镀铜硅片上通过光刻、显影、蒸镀沉积金属材料金作为栅极；
4）绝缘层的制备：利用磁控溅射的方法在已经镀好的栅极基底上镀一层Si3N4作为绝缘层；
5）制备源、漏电极：在镀好绝缘层的基片上，通过光刻、显影、蒸镀沉积金属材料金作为源、漏电极；
6）纳米线阵列的生长和转移：在光栅的辅助下，制备PDMS模板，通过物理气相沉积（PVD）方法生长纳米线阵列，利用胶带将纳米线阵列转移至胶带上，进一步转移至已镀好电极的Cu/Si基底上。
7）器件的构筑：由于胶带与铜之间的粘附力较硅与铜之间的粘附力大，所以可以利用胶带的粘附力直接将铜与硅基底分离，进一步将电极及纳米线阵列转移至胶带上，接着将其置于铜刻蚀液（饱和过硫酸铵(NH4)2S2O8）中，待铜反应完全后，将所述附带有电极图形的胶带基底转移至去离子水中使其漂浮在去离子水表面洗去刻蚀液，接着将胶带转移至管式炉中，以75℃退火去除表面残留水渍，就得到了以透明胶带为基底的有机纳米线阵列场效应晶体管。
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 (10)
1. 一种以胶带为基底构建大面积、柔性、可穿戴的有机纳米线场效应晶体管阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）纳米线的生长：制备模板，然后在模板上自组装生长纳米线阵列；
2）基底的制作：在牺牲基底表面镀一层牺牲层，然后在牺牲层上制作栅极和源、漏电极；
3）纳米线的转移：将胶带铺在生长了纳米线阵列的模板上，纳米线阵列会粘附在透明胶带上，剥离胶带，纳米线阵列会附着在胶带上一同被转移贴附在步骤2）制作的基底上；
4）器件的构筑：利用胶带与牺牲层之间的粘附力较牺牲基底与牺牲层之间的粘附力大的特性，将牺牲层与牺牲基底分离，并转移至牺牲层刻蚀液中刻蚀，得到以胶带为基底的晶体管阵列。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述牺牲基底为硅片，所述牺牲层为蒸镀的一层铜，镀铜是在硅片上利用磁控溅射的方法蒸镀的。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述刻蚀液为饱和过硫酸铵。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：栅极和源、漏电极是用金属材料金通过光刻、显影、蒸镀沉积形成的。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于：光刻采用的是两次接触式对准曝光，首先通过一次光刻，调焦、调平刻出栅极，然后通过“十字”对准的方法，对应于栅极，刻出源、漏电极。
6. 根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：制作的栅极和源、漏电极与所述牺牲层之间还设有一层绝缘层，所述绝缘层为Si3N4材料制作。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3）中所述的纳米线阵列的转移是将模板放在载玻片上，用胶带平铺贴附于模板表面，并倒置于另外一个载玻片上，适度挤压两载玻片以便于纳米线阵列全部转移至胶带上，然后剥离带有纳米线阵列的胶带。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述模板为在光栅的辅助下制备的PDMS模板。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纳米线生长为通过物理气相沉积方法自组装生长出来的大面积纳米线阵列。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述胶带为透明胶带。
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