CN113808921A - 一种特征尺寸在亚微米量级的柔性电子器件制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体是涉及一种特征尺寸在亚微米量级的柔性电子器件的制造。其特征在于：利用传统光刻工艺设备实现柔性微纳器件的制造，具体包括作为基底材料的柔性聚合物，如聚酰亚胺(Polyimide，PI)，所述基底材料上通过光刻工艺沉积金属电极制备柔性衬底，所述柔性衬底作为微纳电子器件的载体，所述微纳电子器件通过电子束曝光工艺和金属蒸镀工艺制得金属电极作为源极与漏极的输入。本发明的有益效果是可以实现批量生产柔性微纳器件衬底，同时其在构建电极图形上具有较高的灵活性，对于器件复杂电学结构的搭建提供了很高的便捷性，适用范围更广。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其是涉及一种特征尺寸在亚微米量级的柔性电子器件的制造。
背景技术
近年来，微电子技术迅猛发展，开发具有简易制造流程、低成本、轻便可弯曲等特性的新型柔性电子材料和器件，可有效弥补传统刚性微电子器件的局限性，促进现代电子产品功能的多样性发展。
目前常见的柔性微纳电子器件制造方法有：
通过喷墨技术直接将功能材料打印到基板上形成图案，但由于利用多场调控提高喷印过程的操控性这项技术还不够成熟，使得喷印过程的稳定性较差，同时此类技术有着较高的生产成本。
通过转印技术将硬质基底电子器件一起转移至柔性基底上，但这种方法在高并发性和大规模集成量产上有着明显的技术瓶颈，还有待继续发展。
通过掩膜版直接在柔性基底上进行金属蒸镀，但这种方法因为衍射现象的存在很难进行较小尺寸电极的制造，同时其制造的电子器件的复杂程度也很受限不适用于复杂电路结构的引入。
发明内容
本发明的目的在于，避免以上几种器件制造方法带来的弊端，提供一种基于二维材料的柔性微纳电子器件的全新制造工艺，可以实现芯片级柔性电子器件的设计与制造，为柔性微纳电子器件的量产提供了新的解决方案，具有很高的参考价值。
本发明的技术方案是：
特征尺寸在亚微米量级的柔性电子器件的制造，其特征在于：包括作为基底材料的柔性聚合物，如聚酰亚胺(Polyimide，PI)，所述基底材料上通过光刻工艺沉积金属电极制备柔性衬底，所述柔性衬底作为微纳电子器件的载体，所述微纳电子器件通过电子束曝光工艺和金属蒸镀工艺制得金属电极作为源极与漏极的输入。
根据权利要求1所述，其特征在于，将PI膜固定在硬质基底上，方便进行光刻胶的旋涂，其中在PI膜与基底之间也旋涂有负胶202目的是使PI膜能够紧贴硬质基底。
根据权利要求1所述，其特征在于，所述电子束曝光前衬底在旋涂光刻胶后还旋涂一层导电胶(AR-PC 5090.02)，原因是PI基底的绝缘性使其在电子束曝光下会出现荷电效应，导致曝光图像发生漂移。
一种柔性衬底的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)绘制柔性衬底上金属电极和十字标记图形，其中电极中间预留100um×100um的空白区域，制作掩膜版。
(2)将柔性PI膜固定在硬质基底上，为提高后续光刻成形效果，在PI膜和硬质基底之间旋涂有一层光刻胶使得PI膜能够平整的紧贴硬质基底。
(3)在PI膜上旋涂负胶202，经过加热烘干后使用光刻机进行曝光处理。
(4)利用金属蒸镀工艺沉积金属Cr和Au，将衬底放入丙酮中超声，进行金属剥离处理。
(5)在柔性衬底背面沉积一层金质薄膜，防止绝缘基底中累计电荷在电极末端发生尖端放电烧毁器件。
根据权利要求4所述，其特征在于，所述步骤(3)中光刻工艺参数：使用匀胶机旋涂负胶202，预转600rpm时长30s，主转5000rpm时长80s，使用热板前烘90℃时长300s，使用光刻机曝光后热板后烘90℃时长180s，使用显影液显影75s。
根据权利要求4所述，其特征在于，所述步骤(4)中，粘附层Cr厚度30nm，Au电极厚度200nm，超声时间15min。
根据权利要求4所述，其特征在于，所述步骤(5)中，衬底背面金质薄膜厚度100nm。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.成功地利用传统光刻工艺设备实现特征尺寸在亚微米量级的柔性电子器件的制造，该工艺对于柔性芯片的发展具有很高的参考价值。
2.本发明可以实现批量制造柔性微纳器件衬底，在制造过程中器件最小尺寸仅受限于设备精度，有助于实现纳米级柔性器件的快速量产。
3.本发明构建的末端电极图形具有较高的灵活性，对于器件复杂电学结构的搭建提供了很高的便捷性，适用范围更广，同时相较于其他柔性器件制备工艺，该发明制备流程更为简化，成本更加低廉。
4.本发明制得的柔性微纳电子器件具有良好的稳定性，沉积的Cr/Au电极能够很好的满足各类电学测试，同时具有较强的应变承受能力，可以承受在20％应变的情况下进行稳定的光电测试。
附图说明
图1柔性衬底上的测试电极
图2背面沉积金属后的柔性衬底
图3制备的柔性光电探测器件放大图像
图4柔性光电探测器件弯曲效果
图5柔性光电探测器件的光响应效果
具体实施方法
下面结合附图1，2，3，4，5和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述：
特征尺寸在亚微米量级的柔性电子器件的制造，其特征在于：包括作为基底材料的柔性聚合物，如聚酰亚胺(Polyimide，P1)，所述基底材料上通过光刻工艺沉积金属电极制备柔性衬底，所述柔性衬底作为微纳电子器件的载体，所述微纳电子器件通过电子束曝光工艺和金属蒸镀工艺制得金属电极作为源极与漏极的输入。
本发明制得的柔性衬底如图1所示，其制备流程包含以下步骤：
(1)绘制带有12个电极图案的掩膜版，测试电极中间预留100um×100um的空白区域，用做材料转移区域。
(2)将柔性PI膜固定在硬质基底上，为提高后续光刻成形效果，在PI膜和硬质基底之间旋涂有一层光刻胶使得PI膜能够平整的紧贴硬质基底。
(3)使用匀胶机旋涂负胶202，预转600rpm时长30s，主转5000rpm时长80s，使用热板前烘90℃时长300s，使用光刻机曝光后热板后烘90℃时长180s，使用显影液显影75s。
(4)光刻得到测试电极图案后，在电子束蒸发台中进行测试电极的蒸镀，厚度分别为30nm的Cr与200nm的Au，然后进行金属剥离处理，将基片朝下浸泡入丙酮中，在超声槽中超声清洗15min。
为防止绝缘材料中累计电荷在电极两端进行尖端放电烧毁器件在衬底背面沉积一层金质薄膜如图2所示，金质薄膜厚度为100nm。
利用机械剥离法获取二维材料然后通过干法转移将二维材料转移至衬底空白区域处。
本发明制柔性光电探测器末端电极如图3所示，电极最小宽度为2um。其制备流程包含以下步骤：
(1)使用匀胶机旋涂电子束光刻胶PMMA(950A6)，预转600rpm时长30s，主转2000rpm时长60s，使用热板烘干温度180℃时长90s。
(2)使用匀胶机旋涂导电胶(AR-PC5090.02)，预转600rpm时长30s，主转2000rpm时长60s，使用热板烘干温度90℃时长120s。
(3)利用电子束曝光技术(EBL)绘制末端电极图案，曝光后使用显影液进行显影：75s。
(4)利用金属蒸发台沉积金属30nm Cr和200nmAu，将衬底放入丙酮中浸泡15分钟，进行金属剥离处理，使用氮***吹干制得柔性微纳光电器件。
对制得的柔性微纳光电探测器进行弯曲测试如图4所示。
柔性微纳光电探测器的光电测试结果如图5所示，对器件分别500nm、600nm和700nm波长的光照，其有良好的光电响应，基本满足光电探测设备的预期。
以上对本发明的一个实施例进行了详细的说明，但所述内容仅为本发明的较好的实施例，不用以限制本发明，凡依本发明申请范围所做的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利覆盖范围之内。
Claims (7)
1.特征尺寸在亚微米量级的柔性电子器件的制造，其特征在于：包括作为基底材料的柔性聚合物，如聚酰亚胺(Polyimide，PI)，所述基底材料上通过光刻工艺沉积金属电极制备柔性衬底，所述柔性衬底作为微纳电子器件的载体，所述微纳电子器件通过电子束曝光工艺和金属蒸镀工艺制得金属电极作为源极与漏极的输入。
2.根据权利要求1所述，其特征在于，将PI膜固定在硬质基底上，方便进行光刻胶的旋涂，其中在PI膜与基底之间也旋涂有负胶202目的是使PI膜能够紧贴硬质基底。
3.根据权利要求1所述，其特征在于，所述电子束曝光前衬底在旋涂光刻胶后还旋涂一层导电胶(AR-PC 5090.02)，原因是PI基底的绝缘性使其在电子束曝光下会出现荷电效应，导致曝光图像发生漂移。
4.一种柔性衬底的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)绘制柔性衬底上金属电极和十字标记图形，其中电极中间预留
的空白区域，制作掩膜版。
(2)将柔性PI膜固定在硬质基底上，为提高后续光刻成形效果，在PI膜和硬质基底之间旋涂有一层光刻胶使得PI膜能够平整的紧贴硬质基底。
(3)在PI膜上旋涂负胶202，经过加热烘干后使用光刻机进行曝光处理。
(4)利用金属蒸镀工艺沉积金属Cr和Au，将衬底放入丙酮中超声，进行金属剥离处理。
(5)在柔性衬底背面沉积一层金质薄膜，防止绝缘基底中累计电荷在电极末端发生尖端放电烧毁器件。
5.根据权利要求4所述，其特征在于，所述步骤(3)中光刻工艺参数：使用匀胶机旋涂负胶202，预转600rpm时长30s，主转5000rpm时长80s，使用热板前烘90℃时长300s，使用光刻机曝光后热板后烘90℃时长180s，使用显影液显影75s。
6.根据权利要求4所述，其特征在于，所述步骤(4)中，粘附层Cr厚度30nm，Au电极厚度200nm，超声时间15min。
7.根据权利要求4所述，其特征在于，所述步骤(5)中，衬底背面金质薄膜厚度100nm。
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