本發(fā)明涉及石墨烯材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是一種多層石墨烯的刻蝕方法。
背景技術(shù)：
：石墨烯是近幾年來(lái)物理學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象之一。它是嚴(yán)格的二維晶體，由sp2雜化碳原子鍵合的且具有六方點(diǎn)陣蜂窩狀二維結(jié)構(gòu)。石墨烯具有很強(qiáng)的韌性，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)百倍。為了制成代替硅片的半導(dǎo)體電路，需要在石墨烯的表面進(jìn)行刻蝕處理。中國(guó)發(fā)明專利CN101996853B公開了一種對(duì)石墨或石墨烯進(jìn)行各向異性刻蝕的方法，實(shí)現(xiàn)了尺寸可控、并具有原子級(jí)平整邊緣的石墨烯的加工剪裁及圖案化。但是，這種方法無(wú)法精確控制多層石墨烯的縱向刻蝕深度和橫向刻蝕寬度，對(duì)于石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用產(chǎn)生了影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種多層石墨烯的刻蝕方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于刻蝕過(guò)程的精確控制。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。一種多層石墨烯的刻蝕方法，包括以下步驟：A、在多層石墨烯的表面涂刷光刻膠，然后對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光處理，然后使用顯影液對(duì)光刻膠進(jìn)行清洗；B、根據(jù)刻蝕深度的不同，在光刻膠相應(yīng)的位置涂刷不同厚度的刻蝕緩沖劑；C、將多層石墨烯放入反應(yīng)腔室內(nèi)，腔室抽真空；向反應(yīng)腔室內(nèi)注入乙烷，然后對(duì)反應(yīng)腔室進(jìn)行加熱，并開啟射頻電源，對(duì)多層石墨烯的表面進(jìn)行第一次刻蝕；反應(yīng)腔室內(nèi)氣壓保持在0.1～0.2Torr，反應(yīng)溫度控制在170～245℃，乙烷的流量保持在100～150sccm，射頻電源功率保持在600～800W；D、用去離子水對(duì)經(jīng)過(guò)第一次刻蝕的多層石墨烯進(jìn)行清洗，然后自然風(fēng)干；E、將多層石墨烯浸入酸性刻蝕液中，進(jìn)行第二次刻蝕；酸性刻蝕液的溫度控制在50～65℃；F、使用剝離液對(duì)多層石墨烯表面殘留的光刻膠進(jìn)行清除。作為優(yōu)選，光刻膠包括以下質(zhì)量份數(shù)的組份，10～15份的重氮萘醌磺酸酯、5～7份的硝基芐基磺酸酯、20～25份的2-甲氧基氰苯、10～15份的N-乙基乙二胺、10～20份的十氫化-2-萘酚、3～5份的聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、4～6份的聚乙烯醇樹脂、7～10份的1,8-萘二甲酸酐和2～3份的4-氯苯基磷酸二乙酯。作為優(yōu)選，剝離液包括以下組份，6～10wt％的3-氨基-1-丙醇、8～12wt％的1，3-二甲基-2-咪唑啉酮、3～7wt％的氨基甲酸烷基酯、5～10wt％的三乙二醇單丁基醚、15～20wt％的4-甲氧芐基異氰酸酯、6～8wt％的3,5,5-三甲基己酸、5～10wt％的丙酮，余量為水。作為優(yōu)選，刻蝕緩沖劑包括以下質(zhì)量份數(shù)的組份，3～5份的4-氨基-1-丁醇、7～12份的季戊四醇、1～2份的3,5-二硝基苯甲酸甲酯、5～10份的二芐基亞砜、5～7份的3-環(huán)己烯-1-羧酸甲酯和15～20份的對(duì)苯二甲酸二甲酯。作為優(yōu)選，酸性刻蝕液包括以下組份，2～3wt％的氫氟酸、12～15wt％的磷酸、4～6wt％的過(guò)硫酸銨、1.2～2wt％的N-氨乙基乙醇胺、2.5～5wt％的乙二胺四乙酸、6～10wt％的丙二酸二異丙酯、4～5wt％的4-溴甲基四氫吡喃、5～10wt％的間甲苯異硫氰酸酯、20～25wt％的異丙醇，余量為水。作為優(yōu)選，在進(jìn)行步驟E之前，在經(jīng)過(guò)第一次刻蝕的多層石墨烯上選擇性地涂刷保護(hù)涂層，保護(hù)涂層包括以下質(zhì)量份數(shù)的組份，8～10份的5-氨基間苯二甲酸、12～15份的碳酸甲乙酯、6～8份的三丙二醇單甲醚、3～7份的2,3,4-三甲氧基苯甲腈、2～5份的4-氯－2－硝基苯酚、15～18份的3,3,5-三甲基環(huán)己醇、10～15份的N,N-二芐基羥胺、5～10份的十二羥基硬脂酸，10～20份的硅油。采用上述技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果在于：本發(fā)明通過(guò)刻蝕緩沖劑的厚度與等離子體的控制之間的配合，利用刻蝕緩沖劑對(duì)于刻蝕過(guò)程的緩沖作用，實(shí)現(xiàn)縱向刻蝕深度的精確控制。在經(jīng)過(guò)縱向的刻蝕后，通過(guò)使用酸性刻蝕液對(duì)第一次刻蝕的縫隙進(jìn)行進(jìn)一步刻蝕。由于第一次刻蝕形成的縫隙在橫向上的暴露面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縫隙底部的暴露面積，通過(guò)對(duì)酸性刻蝕液組份的調(diào)整，弱化了刻蝕液與刻蝕表面的反應(yīng)速率，從而可以實(shí)現(xiàn)橫向刻蝕的同時(shí)，盡量減少對(duì)于第一次刻蝕所形成的縱向刻蝕深度的影響。此外，本發(fā)明所使用的光刻膠通過(guò)加入1,8-萘二甲酸酐和4-氯苯基磷酸二乙酯，可以在最后剝離工藝中，與剝離液中的3,5,5-三甲基己酸產(chǎn)生快速的溶解反應(yīng)，從而可以使剝離液對(duì)光刻膠內(nèi)部形成速度的分解剝離作用，降低了光刻膠的殘留量。保護(hù)涂層可以抑制酸性刻蝕液對(duì)于石墨烯的刻蝕作用。通過(guò)涂刷不同厚度的保護(hù)涂層，可以實(shí)現(xiàn)刻蝕表面的不同深度的刻蝕效果，從而形成階梯狀、絨面狀、鏤空狀等多種刻蝕形狀。具體實(shí)施方式實(shí)施例1一種多層石墨烯的刻蝕方法，包括以下步驟：A、在多層石墨烯的表面涂刷光刻膠，然后對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光處理，然后使用顯影液對(duì)光刻膠進(jìn)行清洗；B、將整個(gè)多層石墨烯表面平均分為兩部分，第一部分涂刷刻蝕緩沖劑的厚度保持在70～100nm，第二部分涂刷刻蝕緩沖劑的厚度保持在120～150nm；C、將多層石墨烯放入反應(yīng)腔室內(nèi)，腔室抽真空；向反應(yīng)腔室內(nèi)注入乙烷，然后對(duì)反應(yīng)腔室進(jìn)行加熱，并開啟射頻電源，對(duì)多層石墨烯的表面進(jìn)行第一次刻蝕；反應(yīng)腔室內(nèi)氣壓保持在0.12Torr，反應(yīng)溫度控制在180℃，乙烷的流量保持在125sccm，射頻電源功率保持在600W；反應(yīng)時(shí)間為4min；D、用去離子水對(duì)經(jīng)過(guò)第一次刻蝕的多層石墨烯進(jìn)行清洗，然后自然風(fēng)干；E、將多層石墨烯浸入酸性刻蝕液中，進(jìn)行第二次刻蝕；酸性刻蝕液的溫度控制在55℃；反應(yīng)時(shí)間控制在80s；F、使用剝離液對(duì)多層石墨烯表面殘留的光刻膠進(jìn)行清除。光刻膠包括以下質(zhì)量份數(shù)的組份，12份的重氮萘醌磺酸酯、6份的硝基芐基磺酸酯、24份的2-甲氧基氰苯、10份的N-乙基乙二胺、15份的十氫化-2-萘酚、5份的聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、6份的聚乙烯醇樹脂、8份的1,8-萘二甲酸酐和3份的4-氯苯基磷酸二乙酯。剝離液包括以下組份，8.7wt％的3-氨基-1-丙醇、11wt％的1，3-二甲基-2-咪唑啉酮、5wt％的氨基甲酸烷基酯、8wt％的三乙二醇單丁基醚、16wt％的4-甲氧芐基異氰酸酯、7wt％的3,5,5-三甲基己酸、6wt％的丙酮，余量為水。刻蝕緩沖劑包括以下質(zhì)量份數(shù)的組份，4份的4-氨基-1-丁醇、10份的季戊四醇、1份的3,5-二硝基苯甲酸甲酯、6份的二芐基亞砜、6份的3-環(huán)己烯-1-羧酸甲酯和18份的對(duì)苯二甲酸二甲酯。酸性刻蝕液包括以下組份，2.4wt％的氫氟酸、14wt％的磷酸、5wt％的過(guò)硫酸銨、1.8wt％的N-氨乙基乙醇胺、4.5wt％的乙二胺四乙酸、9wt％的丙二酸二異丙酯、5wt％的4-溴甲基四氫吡喃、9wt％的間甲苯異硫氰酸酯、21wt％的異丙醇，余量為水。在進(jìn)行步驟E之前，在經(jīng)過(guò)第一次刻蝕的多層石墨烯上涂刷保護(hù)涂層，步驟B所述的第一部分涂刷厚度為30～50nm，第二部分涂刷厚度為70～100nm，保護(hù)涂層包括以下質(zhì)量份數(shù)的組份，9份的5-氨基間苯二甲酸、13份的碳酸甲乙酯、7份的三丙二醇單甲醚、4份的2,3,4-三甲氧基苯甲腈、3份的4-氯－2－硝基苯酚、16份的3,3,5-三甲基環(huán)己醇、11份的N,N-二芐基羥胺、6份的十二羥基硬脂酸，15份的硅油。對(duì)刻蝕完畢的多層石墨烯樣品進(jìn)行放大觀察，第一部分的平均縱向深度為78nm，第二部分的平均縱向深度為51nm。第一部分的橫向刻蝕面呈明顯的絨面狀，第二部分的橫向刻蝕面呈明顯的鏤空狀。使用美國(guó)Futurre的PR1-2000A光刻膠重復(fù)上述工藝過(guò)程，最終對(duì)于成品表面光刻膠的殘留量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如下：實(shí)驗(yàn)組別殘留量(mg)實(shí)施例1中的光刻膠0.0012PR1-2000A光刻膠0.0070實(shí)施例2本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，主要對(duì)步驟C的刻蝕工藝進(jìn)行改進(jìn)。在步驟C中，將多層石墨烯放入反應(yīng)腔室內(nèi)，腔室抽真空；向反應(yīng)腔室內(nèi)注入乙烷，然后對(duì)反應(yīng)腔室進(jìn)行加熱，并開啟射頻電源，對(duì)多層石墨烯的表面進(jìn)行第一次刻蝕；反應(yīng)腔室內(nèi)氣壓保持在0.15Torr，反應(yīng)溫度控制在190℃，乙烷的流量保持在115sccm，射頻電源功率保持在650W；反應(yīng)時(shí)間為45s；然后將乙烷的流量提高至150sccm，再加入流量為20sccm的氦氣以及流量為15sccm的氮?dú)?，反?yīng)腔室內(nèi)氣壓升高至在0.18Torr，反應(yīng)溫度控制在210℃，反應(yīng)時(shí)間為110s。通過(guò)將刻蝕過(guò)程分解為兩個(gè)階段，利用混合氣體電離后對(duì)于刻蝕緩沖劑的快速分解作用，加快了刻蝕的速度，并且在刻蝕表面未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。進(jìn)過(guò)放大觀察，多層石墨烯第一部分的平均縱向深度為73nm，第二部分的平均縱向深度為58nm。將實(shí)施例1中步驟C的電源功率加大至800W，乙烷流量加大至140sccm，經(jīng)過(guò)1min的刻蝕，對(duì)刻蝕表面進(jìn)行放大觀察，每條刻蝕槽內(nèi)的缺陷數(shù)為3～5。由此證明了實(shí)施例1中的刻蝕工藝不適合快速刻蝕。實(shí)施例3本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的。主要對(duì)保護(hù)涂層的成分進(jìn)行了改進(jìn)。保護(hù)涂層包括以下質(zhì)量份數(shù)的組份，9份的5-氨基間苯二甲酸、13份的碳酸甲乙酯、7份的三丙二醇單甲醚、4份的2,3,4-三甲氧基苯甲腈、3份的4-氯－2－硝基苯酚、16份的3,3,5-三甲基環(huán)己醇、11份的N,N-二芐基羥胺、6份的十二羥基硬脂酸，15份的硅油以及9份的3-氨基-4-甲氧基乙酰苯胺。在多層石墨烯的表面涂刷保護(hù)涂層的厚度為10～15nm，然后進(jìn)行步驟E和步驟F的工藝過(guò)程。將本工藝制成的絨面與實(shí)施例1中制成的絨面進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下：實(shí)驗(yàn)組別均勻度(％)實(shí)施例165.3實(shí)施例381.5通過(guò)加入3-氨基-4-甲氧基乙酰苯胺，可以與酸性刻蝕液中的4-溴甲基四氫吡喃和間甲苯異硫氰酸酯形成絡(luò)合物，在保護(hù)涂層的厚度較薄時(shí)，可以提高保護(hù)涂層脫落的均勻度，從而是得酸性刻蝕液對(duì)于刻蝕表面的刻蝕作用均勻度提高，提高了絨面的均勻度。上述描述僅作為本發(fā)明可實(shí)施的技術(shù)方案提出，不作為對(duì)其技術(shù)方案本身的單一限制條件。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3