CN106624371B - 一种在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法 - Google Patents

一种在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，采用气相沉积法在金属衬底上生长的石墨烯转移至所需要应用的目标器件上的转移过程中且尚未转移到目标器件之前，先对石墨烯薄膜进行图案化，再将图案化的石墨烯薄膜最终转移至目标器件。本发明具有以下优点:(1)与在器件上使用激光去除相比，可适用于不耐受激光的器件上，扩宽石墨烯的应用发展方向；(2)与掩膜刻蚀工艺相比，无需用溶液去除掩膜，从而避免了溶液对石墨烯的污染；(3)存在一些曲面或不规则表面等存在难以高质量图案化石墨烯的器件，可通过此方案高质量图案化石墨烯，在转移至复杂器件上。

Description

一种在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯图案化的方法，属于石墨烯电子器件制造领域。
背景技术
石墨烯作为一种新型的二维碳材料，由于其优异的电学、光学性质以及稳定的化学特性，在微电子领域具有广阔的应用前景。化学气相沉积(CVD)方法是取得高质量石墨烯的重要途径之一，也是目前唯一一种可以真正实现产业化生产的方法。目前，无锡格菲电子薄膜科技有限公司通过对CVD法制备石墨烯的改进，展开了大批量的工业化生产。近年来，随着石墨烯电子器件突飞猛进的发展，石墨烯薄膜的应用所能涉猎的电子器件越来越多，比如作为触控传感器的手机屏、智能贴膜，具有电加热功能的加热片，等等。然而，这些电子器件，无论是作为触控传感器还是加热片，一般都需要对石墨烯进行图案化，即将整片的单层或多层的石墨烯变成具有一定图案形状的石墨烯。
迄今为止，石墨烯电子器件制作过程中的图案化石墨烯主要有以下两种方法：
1、激光刻蚀方法：也叫激光直写工艺，在已转移好石墨烯的器件上使用激光将需去除的石墨烯扫除，形成图案化的石墨烯。
2、掩膜刻蚀工艺。在石墨烯表面制作掩膜保护不需去除的石墨烯，使用氧等离子体将需去除的石墨烯刻蚀，然后去掉掩膜，形成图案化的石墨烯。
直接使用激光刻蚀方法去除器件上的石墨烯，无需掩膜，但有些器件上难以使用激光进行作业，比如已有不耐激光涂层(激光会将涂层进行二次刻蚀导致破坏)。掩膜刻蚀工艺需将无需刻蚀的区域用掩膜保护，去除掩膜的过程通常用碱性溶液容易造成石墨烯性质的变化及污染，且易发生去除区域石墨烯残留无法完全去除的现象，同时两者均可能会对器件本身造成损伤，以及不适用于非平整表面的器件高质量图案化石墨烯。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法。该方法可以解决在一些器件上难以图案化石墨烯的问题；更进一步的，不会改变石墨烯原有的性质也不会污染石墨烯，也不会有去除区域石墨烯残留现象。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，采用气相沉积法在金属衬底上生长的石墨烯转移至所需要应用的目标器件上的转移过程中且尚未转移到目标器件之前，先对石墨烯薄膜进行图案化，再将图案化的石墨烯薄膜最终转移至目标器件。
本发明经试验验证，在本发明上述目标器件上形成图案化的石墨烯的方法提出的总构思下，根据石墨烯在转移过程中不同的图案化处理时机，有三种可行性方案。下面分别对这三种方案进行阐述说明。
第一种方案：在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，包括如下步骤：
1)将生长好石墨烯的金属箔与基底膜贴合，形成金属箔/石墨烯/基底膜的复合叠层结构；
2)通过刻蚀液刻蚀掉金属箔，将石墨烯保留在基底膜上，形成石墨烯/基底膜的复合膜结构；
3)对基底膜上的石墨烯进行图案化；
4)再将步骤3)得到的图案化的石墨烯/基底膜的石墨烯面与与所述目标器件贴合，形成基底膜/图案化石墨烯/目标器件结构，移除基底膜，即在目标器件上形成图案化的石墨烯。
优选地，所述步骤3)中用激光照射所述步骤2)所得复合膜基底膜正面或背面，以对基底膜上的石墨烯进行照射刻蚀。
进一步优选地，所述步骤3)，通过激光机以4-12W的功率，2200-3000mm/s的走速进行照射刻蚀。
优选地，所述步骤3)中，从所述步骤2)所得复合膜的石墨烯的方向直接对石墨烯进行图案化，优选的，所述图案化工艺为激光直写的方法或等离子体刻蚀的方法。
第二种方案：在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将生长好石墨烯的金属箔与基底膜贴合，形成金属箔/石墨烯/基底膜的复合叠层结构；
2)用激光从基底膜的方向透过基底膜对石墨烯表面进行图案化刻蚀，得到金属箔/图案化的石墨烯/基底膜的复合叠层结构；
3)刻蚀掉金属箔，得到图案化的石墨烯/基底膜的结构；
4)再将步骤3)得到的图案化的石墨烯/基底膜的石墨烯面与与所述目标器件贴合，形成基底膜/图案化石墨烯/目标器件结构，移除基底膜，即在目标器件上形成图案化的石墨烯。
优选地，所述步骤2)中，通过激光机以4-12W的功率，2200-3000mm/s的走速进行照射刻蚀。
第三种方案：在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)先对生长好石墨烯的金属箔上的石墨烯面直接进行图案化处理，得到金属箔/图案化的石墨烯的复合结构；
2)在步骤1)得到的金属箔/图案化的石墨烯的石墨烯膜表面贴合基底膜，得到金属箔/图案化的石墨烯/基底膜的复合结构；
3)刻蚀掉金属箔，得到图案化的石墨烯/基底膜的复合结构；
4)再将步骤3)得到的图案化的石墨烯/基底膜的石墨烯面与与所述目标器件贴合，形成基底膜/图案化石墨烯/目标器件结构，移除基底膜，即在目标器件上形成图案化的石墨烯。
优选地，所述步骤1)中，所述图案化处理采用激光直写或等离子体刻蚀的方法。
优选的，本发明涉及的所述金属箔包含铜箔、镍箔、钌箔、铂箔、钯箔或者它们的合金箔；箔厚度为10μm～100μm，优选厚度为15μm～30μm；所述的基底膜设有粘性的胶质层，石墨烯与胶质层的结合力小于石墨烯与目标器件的结合力。基底膜用胶质层一面与石墨烯贴合，胶质层受热的情况下与石墨烯分离，以至于可以使已图案化的石墨烯充分转移至目标器件上。
所述基底膜为硅胶PET膜、热剥离胶带、热固化胶带等。
本发明中，刻蚀金属箔采用CVD法生长石墨烯后转移方法中常用的方法，一般采用化学刻蚀法，其中，所述金属箔刻蚀液为FeCl3、CuCl2、(NH4)2S2O8等溶液；
本发明中，所述目标器件包括不耐受激光器件、不耐化学刻蚀器件以及存在一些曲面或不规则表面等存在难以高质量图案化石墨烯的器件。无论怎样的器件，均可以用本发明方法在其表面设置图案化的石墨烯。
本发明中，根据目标器件需求，可以通过本发明提供的上述方法转移一层图案化的石墨烯，也可以通过本发明方法转移多层图案化的石墨烯。
本发明有益效果：
(1)与在器件上使用激光去除相比，可适用于不耐受激光的器件上，扩宽石墨烯的应用发展方向；
(2)与掩膜刻蚀工艺相比，无需用溶液去除掩膜，从而避免了溶液对石墨烯的污染；
(3)存在一些曲面或不规则表面等存在难以高质量图案化石墨烯的器件，可通过此方案高质量图案化石墨烯，在转移至复杂器件上。
附图说明
图1为本发明实施例1的工艺流程示意图(第一种方案)；
图2为本发明实施例2的工艺流程示意图(第二种方案)；
图3为本发明实施例3的工艺流程示意图(第三种方案)
其中，1-金属箔，2-石墨烯，3-基底膜，4-PET膜(目标器件)，5-ITO导电层，6-曲面材料。
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：
ITO层+石墨烯层双层导电层结构的互电容触摸屏sensor制作示例
参见图1所示，其制作工艺流程如下：
S1：将生长好石墨的铜箔贴合在硅胶PET膜上，形成铜箔/石墨烯/硅胶PET膜结构；
S2：通过0.2±0.1mol/L的(NH4)2S2O8刻蚀液刻蚀掉铜箔，使石墨烯保留在硅胶PET膜上，形成石墨烯/硅胶PET结构；
S3：通过吉事达激光机以4-12W(功率)/2200-3000mm/S(走速)/220-300Hz(频率)参数通过激光将硅胶PET膜上的石墨烯图案化；
S4：将已图案化的石墨烯转移至已做好ITO图案的PET背面上，再移除硅胶PET，即制作成具有双层导电层(ITO导电层和石墨烯导电层)的触摸屏sensor。由于PET上ITO已做好图案，而ITO不耐激光刻蚀，故无法再在器件上面使用激光刻蚀石墨烯，通过先在硅胶PET上将石墨烯图案化后再转移，可以有效解决此问题。；
实施例2：
石墨烯在曲率半径为5cm弧形玻璃上的图案化
参见图2所示，其制作工艺流程如下：
S1：将生长好石墨烯的铜箔通过吉事达激光机以4-12W(功率)/2200-3000mm/S(走速)/220-300Hz(频率)参数将铜箔上的石墨烯图案化，形成铜箔/图案化石墨烯；
S2：将铜箔/图案化石墨烯贴合在硅胶PET膜上，形成铜箔/图案化石墨烯/硅胶PET膜结构；
S3：通过0.2±0.1mol/L的(NH4)2S2O8刻蚀液刻蚀掉铜箔，使石墨烯保留在硅胶PET膜上，形成图案化石墨烯/硅胶PET结构；
S4：将已图案化的石墨烯转移至曲率半径为5cm弧形玻璃上，再移除硅胶PET，从而在弧形玻璃上形成所需要的图案化石墨烯，由于玻璃曲率半径过小，难以直接通过激光工艺处理弧面玻璃上的石墨烯。
实施例3：
石墨烯在曲率半径为10cm弧形玻璃上的图案化
参见图3所示，其制作工艺流程如下：
S1：将生长好石墨的铜箔贴合在硅胶PET膜上，形成铜箔/石墨烯/硅胶PET膜结构；
S2：通过吉事达激光机以4-12W(功率)/2200-3000mm*S-1(走速)/220-300Hz(频率)参数通过激光将S1膜结构上的石墨烯图案化，形成铜箔/图案化石墨烯/硅胶PET膜结构；
S3：通过0.2±0.1mol/L的(NH4)2S2O8刻蚀液刻蚀掉铜箔，使石墨烯保留在硅胶PET膜上，形成图案化石墨烯/硅胶PET结构；
S4：将已图案化的石墨烯转移至曲率半径为5cm弧形玻璃上，再移除硅胶PET，从而在弧形玻璃上形成所需要的图案化石墨烯，由于玻璃曲率半径过小，难以直接通过激光工艺处理弧面玻璃上的石墨烯。
实施例4：
石墨烯层+石墨烯层双层导电层结构的互电容触摸屏sensor制作示例
参见图1所示，其制作工艺流程如下：
S1：将生长好石墨的铜箔贴合在硅胶PET膜上，形成铜箔/石墨烯/硅胶PET膜结构；
S2：通过0.2±0.1mol/L的(NH4)2S2O8刻蚀液刻蚀掉铜箔，使石墨烯保留在硅胶PET膜上，形成石墨烯/硅胶PET结构；
S3：通过吉事达激光机以4-12W(功率)/2200-3000mm/S(走速)/220-300Hz(频率)参数通过激光将硅胶PET膜上的石墨烯图案化；
S4：将已图案化的石墨烯转移至已做好石墨烯图案的PET的背面上，再移除硅胶PET，即制作成具有双层石墨烯导电层的触摸屏sensor。由于PET上石墨烯已做好图案，而石墨烯本身不耐激光刻蚀，故无法再在器件上面使用激光刻蚀石墨烯，通过先在硅胶PET上将石墨烯图案化后再转移，可以有效解决此问题。
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 (11)

1.一种在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将生长好石墨烯的金属箔与基底膜贴合，形成金属箔/石墨烯/基底膜的复合叠层结构；
2)通过刻蚀液刻蚀掉金属箔，将石墨烯保留在基底膜上，形成石墨烯/基底膜的复合膜结构；
3)对基底膜上的石墨烯进行图案化；
4)再将步骤3)得到的图案化的石墨烯/基底膜的石墨烯面与与所述目标器件贴合，形成基底膜/图案化石墨烯/目标器件结构，移除基底膜，即在目标器件上形成图案化的石墨烯。
2.根据权利要求1所述的在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤3)中，用激光照射所述步骤2)所得复合膜的正面或背面，以对基底膜上的石墨烯进行照射刻蚀。
3.根据权利要求2所述的在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法 ，其特征在于：所述步骤3)，通过激光机以4-12W的功率，2200-3000mm/s的走速进行照射刻蚀。
4.根据权利要求1所述的在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法 ，其特征在于：所述步骤3)中，从所述步骤2)所得复合膜的石墨烯的方向直接对石墨烯进行图案化。
5.根据权利要求4所述的在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法 ，其特征在于：所述图案化为激光直写的方法或等离子体刻蚀的方法。
6.一种在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将生长好石墨烯的金属箔与基底膜贴合，形成金属箔/石墨烯/基底膜的复合叠层结构；
2)用激光从基底膜的方向透过基底膜对石墨烯表面进行图案化刻蚀，得到金属箔/图案化的石墨烯/基底膜的复合叠层结构；
3)刻蚀掉金属箔，得到图案化的石墨烯/基底膜的结构；
4)再将步骤3)得到的图案化的石墨烯/基底膜的石墨烯面与与所述目标器件贴合，形成基底膜/图案化石墨烯/目标器件结构，移除基底膜，即在目标器件上形成图案化的石墨烯。
7.根据权利要求6所述的在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤2)中，通过激光机以4-12W的功率，2200-3000mm/s的走速进行照射刻蚀。
8.一种在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)先对生长好石墨烯的金属箔上的石墨烯面直接进行图案化处理，得到金属箔/图案化的石墨烯的复合结构；
2)在步骤1)得到的金属箔/图案化的石墨烯的石墨烯膜表面贴合基底膜，得到金属箔/图案化的石墨烯/基底膜的复合结构；
3)刻蚀掉金属箔，得到图案化的石墨烯/基底膜的复合结构；
4)再将步骤3)得到的图案化的石墨烯/基底膜的石墨烯面与与所述目标器件贴合，形成基底膜/图案化石墨烯/目标器件结构，移除基底膜，即在目标器件上形成图案化的石墨烯。
9.根据权利要求8所述的在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，其特征在于：所述图案化处理采用激光直写或等离子体刻蚀的方法。
10.根据权利要求1-9任一项所述的在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，其特征在于：所述的金属箔包含铜箔、镍箔、钌箔、铂箔、钯箔或者它们的合金箔；箔厚度为10μm～100μm；所述的基底膜具有粘性的胶质层，石墨烯与胶质层的结合力小于石墨烯与目标器件的结合力；胶质层受热的情况下与石墨烯分离，以至于可以使已图案化的石墨烯充分转移至目标器件上。
11.根据权利要求10所述的在目标器件上形成图案化的石墨烯的方法，其特征在于：所述的金属箔厚度为15μm～30μm。
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