CN113213460A - 一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法，该方法包括如下步骤：在衬底上光刻出所需要的垂直取向石墨烯的图形；依次沉积氧化物牺牲层和金属牺牲层；通过超声进行剥离，使图形区域的衬底显露出来，而非图形区域被氧化物/金属双牺牲层覆盖；使用等离子增强化学气相沉积技术生长垂直取向石墨烯；牺牲层在垂直取向石墨烯生长结束后脱离衬底，用氮气将牺牲层残留物吹净。本发明采用氧化物/金属双牺牲层的方法减少了后续的光刻、刻蚀等工艺对垂直取向石墨烯造成的沾污与破损，且图形化精细度高，具有重要的应用价值。

Description

一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法

技术领域

本发明属于石墨烯材料制备及石墨烯器件工艺技术领域，具体涉及一种利用氧化物/金属双牺牲层图形化生长垂直取向石墨烯的方法。

背景技术

垂直取向石墨烯是一种特殊结构的石墨烯，它是由无数垂直于衬底的石墨烯纳米片构成。这种独特的形貌使得垂直取向石墨烯具有常规平面石墨烯无可比拟的优势，如：暴露的锋利边缘、非堆积形态、巨大的表面-体积比。与此同时，垂直石墨烯也在很大程度上保留了常规石墨烯的高迁移率、良好机械性能和热传导性的特性，因此在储能、催化、生物传感和光探测领域具有广泛的应用前景。

制备垂直取向石墨烯的主流方法是等离子增强化学气相沉积法。垂直取向石墨烯的成型依赖于沉积过程中产生的等离子体鞘层，而不是金属的催化作用，因此垂直取向石墨烯不再受金属催化剂的限制，在非金属衬底上也可生长。这是垂直取向石墨烯的一大优势，但同时也带来了新的问题，那就是不能通过图形化催化剂的方法实现垂直取向石墨烯的图形化生长。目前，垂直取向石墨烯的图形化技术包括一下几种：(1)先在衬底上生长垂直取向石墨烯，在使用光刻和氧等离子体刻蚀工艺进行图形化。但是由于垂直取向石墨烯的特殊形貌，这种方法会造成光刻胶残留物难以去除，同时光刻也会对垂直取向石墨烯的形貌造成损伤。(2)使用胶带对长有垂直取向石墨烯的衬底样品进行粘揭。这种方法仅能对垂直取向石墨烯的外形尺寸进行粗略处理，无法实现精细化的图形。(3)在材料生长时将硬掩模板覆盖在衬底上，以此控制垂直取向石墨烯的生长区域。此种方法受掩模板的低制作精度的制约，仍不能满足高精细度的需求，且实现掩模板与衬底完全贴合的操作难度过大。因此，当下亟需开发一种简单高效、避免破损、可实现高精细度图形化生长垂直取向石墨烯的新技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法，旨在解决上述问题的至少之一。

本发明提供的图形化生长垂直取向石墨烯的方法，采用如下技术方案：

先采用光刻、沉积和剥离工艺在衬底101上制备图形化的氧化物牺牲层103和金属牺牲层104，使牺牲层覆盖于衬底上无需生长垂直取向石墨烯的区域；然后进行垂直取向石墨烯105的生长，生长的同时，牺牲层中的上层金属104向下层的氧化物103扩散，扩散后形成的混合物牺牲层106与衬底101在生长结束后降温过程中应力失配，从而导致混合物牺牲层106发生翘曲并脱离衬底101；用氮气将衬底上的混合物牺牲层106的残留部分连同其表面生长的垂直取向石墨烯105吹净，最终获得图形化的垂直取向石墨烯105。

具体来说，包括以下步骤：

(1)将衬底101清洗并烘干，通过紫外光刻在衬底上预制出所需的垂直取向石墨烯的光刻胶掩膜图形102；

(2)在步骤(1)所得带有光刻胶掩膜图形102的衬底101上沉积一层氧化物牺牲层103，之后在氧化物牺牲层之上再沉积一层金属牺牲层104，形成氧化物/金属双牺牲层；

(3)通过超声进行剥离，剥离后的衬底，图形区域显露出来，而非图形区域则被氧化物/金属双牺牲层所覆盖；

(4)生长垂直取向石墨烯，在图形区域中，垂直取向石墨烯105直接生长在衬底101上，非图形区域的垂直取向石墨烯105生长在金属牺牲层104向氧化物牺牲层103扩散后形成的混合物牺牲层106上，生长结束后降温过程中，混合物牺牲层106发生翘曲并脱离衬底；

(5)用氮气将脱离衬底的混合物牺牲层106残留物连同其表面生长的垂直取向石墨烯105吹净，完成图形化垂直取向石墨烯105的生长。

上述方法中，所使用的衬底101材料可以为半导体、绝缘体或金属，依据为衬底熔点高于垂直取向石墨烯的生长温度，其中优选硅、石英、蓝宝石、铜片；

所述目标衬底的清洗和烘干方法为：将衬底材料置于丙酮中煮沸2-5min，重复2次，再置于乙醇中煮沸2-5min，重复2次，使用去离子水冲洗30次，使用氮气吹干衬底，最后在150℃下烘烤10-20min以取出残余水分；

所述氧化物牺牲层103，可以为使用化学气相沉积系统制得的氧化硅或氮化硅薄膜，也可以为使用原子层沉积系统制得的氧化铪或氧化铝薄膜；

所述氧化物牺牲层103的厚度为20-500nm；

所述金属牺牲层104为磁控溅射技术制得的镍薄膜、钛薄膜或铬薄膜；

所述金属牺牲层104的厚度为20-500nm；

所述生长垂直取向石墨烯105的方法为等离子体增强化学气相沉积法，等离子体模式可以为微波等离子体(f＝0.5-10GHz)、射频等离子体(f＝1-500MHz，通常为13.56MHz)、低频等离子体(f＝10-1000KHz)或直流等离子体；

所述生长垂直取向石墨烯105的碳源为甲烷、乙烯或乙炔；

所述生长垂直取向石墨烯105的温度为500-1000℃，垂直取向石墨烯105的生长时间为1-120min,气压为1-100mbar；

所述生长完成后的降温速率为50-300℃/min。

本发明采用氧化物/金属双牺牲层的方法，利用垂直取向石墨烯生长过程中金属向氧化物扩散形成混合物牺牲层，以及生长结束后降温过程中混合物牺牲层与衬底的应力失配，实现了垂直取向石墨烯的图形化生长。该方法有助于垂直取向石墨烯的生长技术的提升，增强垂直取向石墨烯的产业化潜力。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明首次提出通过氧化物/金属双牺牲层的方法实现垂直取向石墨烯的图形化生长；

(2)本发明避免了常规图形化工艺过程中的光刻胶残留和垂直取向石墨烯破损的问题；

(3)本发明的图形化精细度高，至少可以实现微米级的图形化垂直取向石墨烯的生长；

(4)本发明对衬底材料的限制小，但凡可以承受生长温度的衬底，均可使用本发明进行垂直取向石墨烯的图形化生长；

(5)通过对氧化物牺牲层和金属牺牲层的厚度的调整，本发明可适用于不同的垂直取向石墨烯制备工艺，应用范围广泛。

附图说明

图1为垂直取向石墨烯图形化生长的流程示意图，其中，101为衬底，102为光刻胶掩膜，103为氧化物牺牲层，104为金属牺牲层，105为垂直取向石墨烯，106为金属牺牲层向氧化物牺牲层扩散后形成的混合物牺牲层；

图2为在生长结束后混合物牺牲层106发生翘曲并脱离衬底的光学显微镜照片；

图3为图形化垂直取向石墨烯105的光学显微镜照片；

图4为非牺牲层(垂直取向石墨烯105)区域和牺牲层(衬底101)区域拉曼光谱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细介绍，但此处所描述的优选实施例仅限于说明解释本发明，并不用于限定本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂及材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

图1为本发明实施例中垂直取向石墨烯图形化生长的流程示意图。如图1所示，本发明提供的垂直取向石墨烯图形化生长的方法，包括：在衬底101上进行光刻，制作出与所需垂直取向石墨烯图形相同的光刻胶掩膜102；依次沉积氧化物牺牲层103和金属牺牲层104；对衬底进行剥离，使需要生长垂直取向石墨烯105的区域显露出衬底，不需要生长垂直取向石墨烯105的区域被牺牲层覆盖；生长垂直取向石墨烯105，生长过程中，金属牺牲层104向氧化物牺牲层103扩散后形成的混合物牺牲层106，生长完成后的降温过程中混合物牺牲层106与衬底101由于应力不匹配而发生分离；只需用氮气将脱离衬底的混合物牺牲层106残留物连同其表面生长的垂直取向石墨烯105吹净即可完成垂直取向石墨烯的图形化生长。

需要说明的是，本发明提供的技术方案要求对氧化牺牲层103和金属牺牲层104的厚度进行控制。具体来说，在生长垂直取向石墨烯105的温度和时间条件下，氧化牺牲层103的厚度太薄，金属可能会穿过氧化牺牲层103继续向衬底101扩散，从而对衬底101造成破坏；氧化牺牲层103的厚度太厚，金属则无法充分在氧化牺牲层103中扩散。相应的，金属牺牲层104的厚度也会直接影响扩散深度。因此，需要调试出适用于垂直取向石墨烯105生长工艺的牺牲层厚度值。

实施例1

(1)使用厚度为500μm的硅片作为衬底，先进行清洗和烘干流程，再通过光刻做出所需的垂直取向石墨烯图形；

(2)使用原子层沉积系统在衬底上沉积一层厚度为40nm的氧化铪；

(3)使用磁控溅射系统再在衬底上溅射一层厚度为20nm的钛；

(4)放入丙酮试剂中超声，直至衬底表面洁净为止；

(5)将衬底置于等离子体化学气相沉积系统中生长垂直取向石墨烯。先使用氩气冲洗腔室，在氢气气氛(200sccm，10mbar)中以200℃/min的速率升温至930℃，保持5min，通入氢气:甲烷＝15:3sccm，气压调至4mbar，5min后关闭甲烷，在氢气气氛(100sccm，4mbar)中以300℃/min的速率降温至常温，取出衬底。

(6)完成垂直取向石墨烯生长后的衬底如图2所示，牺牲层区域有些已经脱离衬底，有些已经发生翘曲且与衬底有粘连。使用氮气可将衬底的牺牲层残留物吹净。最终，在牺牲层区域，牺牲层连同牺牲层上生长的垂直取向石墨烯被去除，非牺牲层区域(需要生长石墨烯的区域)则是垂直取向石墨烯直接生长在衬底上，如图3所示。图4为牺牲层区域和非牺牲层区域的拉曼光谱，由此可知，非牺牲层区域长有垂直取向石墨烯，而牺牲层区域的垂直取向石墨烯已被完全清除掉。

实施例2

(1)将厚度为430μm蓝宝石衬底进行清洗和烘干，再通过光刻做出所需的垂直取向石墨烯图形；

(2)使用电感耦合等离子体化学气相沉积系统在衬底上沉积一层厚度为300nm的氧化硅；

(3)使用磁控溅射系统再在衬底上溅射一层厚度为100nm的铬；

(4)放入丙酮试剂中超声，直至衬底表面洁净为止；

(5)将衬底置于等离子体化学气相沉积系统进行垂直取向石墨烯生长。先使用氩气冲洗腔室，在氢气气氛(200sccm，10mbar)中以200℃/min的速率升温至930℃，保持5min，通入氢气:甲烷＝15:3sccm，气压调至4mbar，40min后关闭甲烷，在氢气气氛(100sccm，4mbar)中以300℃/min的速率降温至常温，取出衬底。

(6)使用氮气可将衬底的牺牲层残留物吹净。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1使用紫外光刻在目标衬底上预制出所需的垂直取向石墨烯图形；

S2在S1所得带有光刻胶图形的衬底上沉积一层氧化物牺牲层，之后在氧化物牺牲层之上再沉积一层金属牺牲层；

S3通过超声进行剥离，剥离后的衬底，图形区域显露出来，而非图形区域则被氧化物/金属双牺牲层所覆盖；

S4使用等离子体增强化学气相系统生长垂直取向石墨烯，在图形区域中，垂直取向石墨烯直接生长在衬底上，非图形区域的垂直取向石墨烯生长在牺牲层上，生长结束后降温过程中，牺牲层发生翘曲并脱离衬底；

S5用氮气将脱离衬底的牺牲层残留物吹净，完成图形化垂直取向石墨烯的生长。

2.根据权利要求1所述的一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法，其特征在于，S1中，所述目标衬底材料为半导体、绝缘体或金属。

3.根据权利要求1所述的一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法，其特征在于，S2中，所述氧化物牺牲层，为使用化学气相沉积系统制得的氧化硅或氮化硅薄膜，或者为使用原子层沉积系统制得的氧化铪或氧化铝薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法，其特征在于，S2中，所述氧化物牺牲层的厚度为20-500nm。

5.根据权利要求1所述的一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法，其特征在于，S2中，所述金属牺牲层为磁控溅射技术制得的镍薄膜、钛薄膜或铬薄膜。

6.根据权利要求1所述的一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法，其特征在于，S2中，所述金属牺牲层的厚度为20-500nm。

7.根据权利要求1所述的一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法，其特征在于，S4中，所述生长垂直取向石墨烯的方法为等离子体增强化学气相沉积法，等离子体模式为微波等离子体、射频等离子体、低频等离子体或直流等离子体。

8.根据权利要求1所述的一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法，其特征在于，S4中，所述生长垂直取向石墨烯的碳源为甲烷、乙烯或乙炔。

9.根据权利要求1所述的一种图形化生长垂直取向石墨烯的，其特征在于，S4中，所述生长垂直取向石墨烯的温度为500-1000℃，垂直取向石墨烯的生长时间为1-120min,气压为1-100mbar。

10.根据权利要求1所述的一种图形化生长垂直取向石墨烯的方法，其特征在于，S4中，所述生长完成后的降温速率为50-300℃/min。

Images