专利名称：用光刻工艺在高定向热解石墨上加工微结构的方法
技术领域：
本发明涉及用光刻技术对高定向热解石墨(HOPG)进行微加工。
背景技术：
为在微纳米研究领域应用具有优良导电性，抗磁性，低硬度和良好表面润滑性能的H0PG，很多研究机构都在开展研究如何微加工HOPG的工作。通过调研发现，目前的研究都是用激光、离子束、电子束等直写的方法将HOPG图形化，此类加工方法经济和时间成本闻長卩。
发明内容
本发明提供一种引入光刻技木，实现性价比较高的HOPG微结构加工方法。让具有优良导电性，抗磁性和低硬度的HOPG能直接应用于MEMS (微机械电子系统)领域，并在要求芯片整体拥有良好导电性、抗磁性、针对声波低通滤波等特殊应用场合替代不具有以上性能的硅基MEMS，这种图形化的HOPG也可以作为结构模板合成金属或半导体微结构。同吋，本发明中的HOPG对光刻技术而言也是ー种新颖的基底材料。本发明是通过以下技术方案实现的，用光刻エ艺在高定向热解石墨上加工微结构的方法，包括以下步骤:步骤1:表面平整化,使用研磨机研磨HOPG表面,对其抛光。步骤2:表面清洗超声清洗时的超声波规格是:采用2万赫兹到20万赫兹的频率，每升水不低于30w的功率。先将HOPG浸泡于纯水中，超声清洗不低于5分钟，可以清除表面平整化过程中的大部分颗粒污染及其他部分污染；然后将HOPG依次浸泡于丙酮和こ醇两种液体中，超声清洗不低于5分钟，主要用于去除有机污染，洗完后用纯水冲洗不低于I分钟；接着把双氧水、盐酸和纯水按照体积比1:1:6 1:2:50配制洗液，加热温度范围50°C到80V，清洗HOPG不低于5分钟，可去除大部分金属离子；最后用纯水冲洗不低于I分钟并干燥；步骤3:制作HOPG的掩膜:在表面平整和清洗后的HOPG上淀积ー层SiO2薄膜或者金属薄膜作为HOPG的掩膜；步骤4:涂胶:在基片上旋涂ー层厚度均匀的光刻胶作为SiO2薄膜或者金属薄膜的掩膜；步骤5:光刻:包括软烘、曝光、曝光后烘焙、显影、坚膜；步骤6:图形化HOPG的掩膜:若HOPG的掩膜是ニ氧化硅，可使用氢氟酸或者氢氧化钾、浓氨水湿法腐蚀图形化掩膜层，或者使用氟硫化物作为反应气体刻蚀的方法图形化掩膜层；若HOPG的掩膜是金属，根据能腐蚀金属但不能溶解光刻胶和石墨的原则配制适当的腐蚀液图形化掩膜层；步骤7:刻蚀 HOPG:
用MEMS行业常用的各种干法刻蚀设备，包括圆筒式、平板式、顺流等离子体、平面三极、反应离子刻蚀(RIE)、深度反应离子刻蚀(DRIE)、电子回旋加速震荡(ECR)、分布式ECR、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)或磁增强反应离子刻蚀(MERIE)以及其它干法刻蚀设备，使用氧气或者氟碳化合物气体刻蚀H0PG，在HOPG表面加工出具有设计图形的微结构；步骤8:除去光刻胶在刻蚀结束后，用丙酮浸泡，超声清洗去除残余光刻胶；完成第7步后需立即完成本步操作，否则可能有光刻胶去除不完全的情况发生；用此エ艺去除光刻胶操作简单、成本低廉、去除完全，可避免用机械去胶对HOPG微结构造成的机械物理破坏和用氧等离子体去胶对HOPG微结构造成的物理和化学破坏；步骤9:除去HOPG的掩膜使用和第6步ー样的操作去除残留的HOPG的掩膜，得到表面具有设计图形的微结构的HOPG。本发明的有效效果是:借鉴微电子和MEMS常用的光刻方法直接对HOPG进行加工，此方法的エ艺生产线成熟，性价比较高，适合在HOPG上直接加工出特征尺度大于500纳米的图形。
:图1是实施I中用光刻エ艺在高定向热解石墨上加工微结构方法示意图；图2是实施2中用光刻エ艺在高定向热解石墨上加工微结构方法示意图；图3是实施3中用光刻エ艺在高定向热解石墨上加工微结构方法示意图；图4是实施4中用光刻エ艺在高定向热解石墨上加工微结构方法示意图；具体实施实例:实施实例1:本实施例中用光刻エ艺在高定向热解石墨上加工微结构方法包括如下步骤:步骤1:表面平整化使用CETR牌CP-4的化学机械研磨机减薄和研磨HOPG表面，调整HOPG的厚度和保证上下两面的平行度，然后对其抛光。步骤2:表面清洗超声清洗时的超声波规格是:采用2万赫兹的频率，每升水30w的功率，下文同。先将HOPG浸泡于超纯水中，超声清洗10分钟；然后将HOPG先后浸泡于丙酮和こ醇两种液体中，依次用超声清洗5分钟，洗完后用超纯水I分钟；接着把双氧水、盐酸和超纯水按照体积比1:2:9配制洗液，加热到80°C清洗HOPG约5分钟；最后用超纯水冲洗不低于I分钟并 干燥。本专利所指的超纯水是采用多级过滤、高性能离子交换单元反渗透、超滤过滤器超纯化处理，最后用紫外灯、除有机碳装置等多种处理方法后级处理后的几乎没有杂质和离子的纯度极高的水，在使用时其电阻率可超过15MQ cm步骤3:制作HOPG的掩膜在表面平整和清洗后的HOPG上采用磁控溅射的方法淀积ー层厚度约200纳米的Cu薄膜；
步骤4:涂胶在HOPG的Cu膜上，以3000rpm的转速旋涂ー层约2微米厚的BP212-37正型光刻胶作为HOPG的掩膜；步骤5:光刻先在热板上加热到110摄氏度，软烘60秒；然后用镀铬的玻璃板做曝光掩膜版，用波长365纳米的紫外线,在曝光强度7.5mw/cm2的条件下,曝光时间15秒；接着在热板上加热到110摄氏度，进行曝光后烘焙60秒；然后就使用质量分数为0.5%的KOH溶液显影30秒；最后在热板上加热到110摄氏度，坚膜360秒。步骤6:图形化HOPG的掩膜使用商品分析纯级的浓硝酸和超纯水配置约5mol/L的稀硝酸溶液,在常温约20°C下腐蚀约20秒后，用肉眼观察红色的铜是否消失，以能否呈现出银灰色甚至黑色的HOPG的表面的方法来确认Cu薄膜是否完全被刻蚀透，此种方法一般会使得线宽略増加，但是エ艺简单、成本低廉。步骤1:刻蚀在ICP刻蚀机里用氧气刻蚀H0PG，可在HOPG上面加工出微结构；步骤8:去除光刻胶用丙酮浸泡，超声去除残余光刻胶。此法エ艺成本简单，成本低廉，可避免用机械去胶对HOPG微结构的机械物理破坏和用氧等离子体去胶对HOPG微结构的化学破坏；步骤9:除去HOPG的掩膜使用商品分析纯级的浓硝酸和超纯水配置约5mol/L的稀硝酸溶液,在常温约20 V下浸泡至表面的红色完全消失。实施实例2本实施例中用光刻エ艺在高定向热解石墨上加工微结构方法包括如下步骤:步骤I ;表面平整化 使用CETR牌CP-4的化学机械研磨机减薄和研磨HOPG表面，每隔5分钟测试HOPG的厚度，并注意保证其上下两面的平行度，然后对其抛光。步骤2 ;表面清洗超声清洗时的超声波规格是:采用2万赫兹的频率，每升水30w的功率，下文同。先将HOPG浸泡于超纯水(本专利中对超纯水的描述详见附录I)中，超声清洗10分钟；然后将HOPG先后浸泡于丙酮和こ醇两种液体中，依次用超声清洗5分钟，洗完后用超纯水I分钟；接着把双氧水、盐酸和超纯水按照体积比1:2:9配制洗液，加热到80°C清洗HOPG约5分钟；最后用超纯水冲洗不低于I分钟并干燥。步骤3 ;制作HOPG的掩膜在表面平整和清洗后的HOPG上采用LPCVD的方法淀积ー层厚度约300纳米的SiO2薄膜，温度330°，因HOPG也能和氧气发生反应，所以考虑使用较低的反应温度，避免淀积时严重破坏HOPG表面的平整度和光滑度；步骤4 ;涂胶在HOPG的SiO2膜上，以200rpm的转速旋涂ー层约200微米厚的SU-8负型光刻胶作为HOPG的掩膜；
步骤5 ;光刻先在热板上加热到90摄氏度，软烘30分钟；然后用镀铬的玻璃板做曝光掩膜版，用波长365纳米的紫外线，曝光强度7.5mw/cm2,曝光时间5分钟；接着在热板上加热到95摄氏度，进行曝光后烘焙30分钟；然后就使用PGMEA (电子级丙ニ醇甲醚醋酸酷)显影20分钟；最后在热板上加热到95摄氏度，坚膜30分钟。步骤6 ；图形化HOPG的掩膜在ICP刻蚀机里用四氟化碳气体刻蚀，可将HOPG上面的ニ氧化硅薄膜加工出微图形，用此法图形化HOPG的ニ氧化硅掩膜时，线宽保持较好，无明显扩大；步骤I ;刻蚀在上步的基础上用ICP刻蚀机，直接充入氧气刻蚀H0PG，可在HOPG上面加工出微结构；步骤8;去除光刻胶先用丙酮浸泡，超声软化光刻胶，然后使用专用的SU-8去胶剂去除残留的光刻胶。此法エ艺成本简单,成本低廉,可避免用机械去胶对HOPG微结构的机械物理破坏和用氧等离子体去胶对HOPG微结构的化学破坏；步骤9 ；除去HOPG的掩膜使用商品分析纯级的HF溶液和超纯水按照体积比1:10的比例配成刻蚀液，常温浸泡10分钟。实施实例3本实施例中用光刻エ艺在高定向热解石墨上加工微结构方法包括如下步骤:步骤I ;表面平整化 使用CETR牌CP-4的化学机械研磨机减薄和研磨HOPG表面，调整HOPG的厚度和保证上下两面的平行度，然后对其抛光。步骤2 ;表面清洗超声清洗时的超声波规格是:采用2万赫兹的频率，每升水30w的功率，下文同。先将HOPG浸泡于超纯水(本专利中对超纯水的描述详见附录I)中，超声清洗10分钟；然后将HOPG先后浸泡于丙酮和こ醇两种液体中，依次用超声清洗5分钟，洗完后用超纯水I分钟；接着把双氧水、盐酸和超纯水按照体积比1:2:9配制洗液，加热到80°C清洗HOPG约5分钟；最后用超纯水冲洗不低于I分钟并干燥。步骤3 ;制作HOPG的掩膜在表面平整和清洗后的HOPG上采用磁控溅射的方法淀积ー层厚度约200纳米的Al薄膜；步骤4 ;涂胶在HOPG的Al膜上，以3000rpm的转速旋涂ー层约2微米厚的BP212-37正型光刻胶作为HOPG的掩膜；步骤5 ;光刻先在热板上加热到110摄氏度，软烘60秒；然后用镀铬的玻璃板做曝光掩膜版，用波长365纳米的紫外线，曝光强度7.5mw/cm2,曝光时间15秒；接着在热板上加热到110摄氏度，进行曝光后烘焙60秒；然后就使用质量分数为0.5%的KOH溶液显影30秒；最后在热板上加热到110摄氏度，坚膜360秒。步骤6 ；图形化HOPG的掩膜使用商品分析纯级的浓盐酸和超纯水配置约3mol/L的稀盐酸溶液，在常温约20°C下腐蚀约20秒后，用肉眼观察银白色的铝是否消失，以能否呈现出银灰色甚至黑色的HOPG的表面的方法来确认Al薄膜是否完全被刻蚀透，此种方法一般会使得线宽略増加，但是エ艺简单、成本低廉。步骤I ;刻蚀在ICP刻蚀机里用氧气刻蚀H0PG，可在HOPG上面加工出微结构步骤8;去除光刻胶用丙酮浸泡，超声去除残余光刻胶。此法エ艺成本简单，成本低廉，可避免用机械去胶对HOPG微结构的机械物理破坏和用氧等离子体去胶对HOPG微结构的化学破坏；步骤9 ；除去HOPG的掩膜使用商品分析纯级的浓盐酸和超纯水配置约3mol/L的稀盐酸溶液，在常温约20°C下浸泡至表面的银白色完全消失。实施实例4本实施例中用光刻エ艺在高定向热解石墨上加工微结构方法包括如下步骤:步骤I ;表面平整化 使用CETR牌CP-4的化学机械研磨机减薄和研磨HOPG表面，调整HOPG的厚度和保证上下两面的平行度，然后对其抛光。步骤2 ;表面清洗超声清洗时的超声波规格是:采用2万赫兹的频率，每升水30w的功率，下文同。先将HOPG浸泡于超纯水中，超声清洗10分钟；然后将HOPG浸泡于丙酮和こ醇两种液体中，依次用超声清洗5分钟，洗完后用超纯水I分钟；接着把双氧水、盐酸和超纯水按照体积比1:2:9配制洗液，加热到80°C清洗HOPG约5分钟；最后用超纯水冲洗不低于I分钟并干燥。步骤3 ;制作HOPG的掩膜在表面平整和清洗后的HOPG上采用磁控溅射的方法淀积ー层厚度约200纳米的Ag薄膜；步骤4 ;涂胶在HOPG的Ag膜上，以3000rpm的转速旋涂ー层约2微米厚的BP212-37正型光刻胶作为HOPG的掩膜；步骤5 ;光刻先在热板上加热到110摄氏度，软烘60秒；然后用镀铬的玻璃板做曝光掩膜版，用波长365纳米的紫外线，曝光强度7.5mw/cm2,曝光时间15秒；接着在热板上加热到110摄氏度，进行曝光后烘焙60秒；然后就使用质量分数为0.5%的KOH溶液显影30秒；最后在热板上加热到110摄氏度，坚膜360秒。步骤6 ；图形化HOPG的掩膜使用商品分析纯级的浓硝酸和超纯水配置约6mol/L的稀硝酸溶液,在常温约20°C下腐蚀约20秒后，用肉眼观察银白色的银是否消失，以能否呈现出银灰色甚至黑色的HOPG的表面的方法来确认Ag薄膜是否完全被刻蚀透，此种方法一般会使得线宽略増加，但是エ艺简单、成本低廉。步骤7;刻蚀在ICP刻蚀机里用氧气刻蚀H0PG，可在HOPG上面加工出微结构；步骤8;去除光刻胶用丙酮浸泡，超声去除残余光刻胶。此法エ艺成本简单，成本低廉，可避免用机械去胶对HOPG微结构的机械物理破坏和用氧等离子体去胶对HOPG微结构的的化学破坏；步骤9 ；除去HOPG的掩膜使用商品分析纯级的浓硝酸和超纯水配置约6mol/L的稀硝酸溶液,在常温约20°C下浸泡至表面的银白色完全消失。
权利要求
1.用光刻エ艺在高定向热解石墨上加工微结构的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:表面平整化,使用研磨机研磨HOPG表面，对其抛光； 步骤2:表面清洗； 步骤3:淀积ー层SiO2薄膜或者金属薄膜作为HOPG的掩膜； 步骤4:涂胶，旋涂ー层厚度均匀的光刻胶作为SiO2薄膜或者金属薄膜的掩膜； 步骤5:光刻； 步骤6:图形化HOPG的掩膜: 若HOPG的掩膜是ニ氧化硅,使用氢氟酸或者氢氧化钾、浓氨水湿法腐蚀图形化掩膜层，或者使用氟硫化物作为反应气体刻蚀的方法图形化掩膜层；若HOPG的掩膜是金属，根据能腐蚀金属但不能溶解光刻胶和石墨的原则配制适当的腐蚀液图形化掩膜层； 步骤7:干法刻蚀HOPG: 步骤8:除去光刻胶: 在刻蚀结束后，用丙酮浸泡，超声清洗去除残余光刻胶； 步骤9:除去HOPG的掩膜:使用和第6步ー样的操作去除残留的HOPG的掩膜，得到表面具有设计图形的微结构的H0PG。
2.如权利要 求1所述的用光刻エ艺在高定向热解石墨上加工微结构的方法，其特征在于，所述步骤2中表面清洗的过程为:先将HOPG浸泡于纯水中，采用2万赫兹到20万赫兹的频率，每升水不低于30w的功率，超声清洗不低于5分钟；然后将HOPG依次浸泡于丙酮和こ醇两种液体中，超声清洗不低于5分钟，洗完后用纯水冲洗不低于I分钟；接着把双氧水、盐酸和纯水按照体积比1:1:6 1:2:50配制洗液，加热温度范围50°C到80°C，清洗HOPG不低于5分钟；最后用纯水冲洗不低于I分钟并干燥。
3.如权利要求1所述的用光刻エ艺在高定向热解石墨上加工微结构的方法，其特征在于，所述步骤7中干法刻蚀HOPG的具体过程为:用MEMS行业常用的各种干法刻蚀设备，包括圆筒式、平板式、顺流等离子体、平面三极、反应离子刻蚀(RIE)J^度反应离子刻蚀(DRIE)、电子回旋加速震荡(ECR)、分布式ECR、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)或磁增强反应离子刻蚀(MERIE)以及其它干法刻蚀设备，使用氧气或者氟碳化合物气体刻蚀H0PG，在HOPG表面加工出具有设计图形的微结构。
全文摘要
本发明公开了一种用光刻工艺在高定向热解石墨上加工微结构的方法，步骤1表面平整化，使用研磨机研磨HOPG表面，对其抛光；步骤2表面清洗；步骤3制作HOPG的掩膜；步骤4旋涂光刻胶作为SiO2薄膜或者金属薄膜的掩膜；步骤5光刻；步骤6图形化HOPG的掩膜；步骤7刻蚀HOPG；步骤8除去光刻胶；步骤9除去HOPG的掩膜。本发明的有效效果是借鉴微电子和MEMS常用的光刻方法直接对HOPG进行加工，此方法的工艺生产线成熟，性价比较高，适合在HOPG上直接加工出特征尺度大于500纳米的图形。
文档编号B81C1/00GK103121659SQ20131001338
公开日2013年5月29日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者何洋, 王圣坤, 周岩, 杨儒元, 苑伟政 申请人:西北工业大学