本發(fā)明涉及二維材料和電化學(xué)傳感器件制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微波退火工藝。

背景技術(shù)：

過(guò)去的幾十年里，基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的生物傳感器，將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)測(cè)量，具有非標(biāo)記，快速響應(yīng)，低功耗，便攜，利用微電子制造工藝實(shí)現(xiàn)低成本、大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，在生物，醫(yī)學(xué)，工業(yè)制造，環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道材料通常有三維的體硅，二維的石墨烯、過(guò)渡金屬硫化物、黑磷，一維納米結(jié)構(gòu)的碳納米管，硅基納米線等。其中二維材料相比三維材料，由于平面結(jié)構(gòu)有優(yōu)異的靜電特性，又比一維材料更加穩(wěn)定，易于制造，特別是二硫化鉬納米片，開關(guān)電流比遠(yuǎn)高于石墨烯，禁帶寬度可調(diào)，生物兼容，是理想的基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的生物傳感器溝道材料。二硫化鉬薄膜可以達(dá)到原子層厚度，因此溝道載流子的輸入特征對(duì)氣體吸附十分敏感，產(chǎn)生電荷的轉(zhuǎn)移，適合用于氣體傳感器。而在二硫化鉬表面生長(zhǎng)敏感介質(zhì)層并功能化敏感膜表面可以進(jìn)行不同的傳感器檢測(cè)應(yīng)用。

隨著納米科學(xué)的進(jìn)步，納米材料也被廣泛應(yīng)用于生物或環(huán)境檢測(cè)的傳感器中。納米材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)、催化和電化學(xué)特性，將納米尺寸的金屬、金屬氧化物以及碳材料等與不同形貌的納米材料如上述提到的一維、二維材料等組成納米結(jié)構(gòu)作為傳感界面，可以顯著提高電化學(xué)傳感器的性能。例如，在二硫化鉬表面修飾納米金顆粒可以用于氣體檢測(cè)可以提高導(dǎo)電電流；在金電極上修飾二硫化鉬/金納米顆粒雜化結(jié)構(gòu)，葡萄糖氧化酶在其上完成自組裝可以實(shí)現(xiàn)葡萄糖檢測(cè)；納米金顆粒與寡核苷酸可以用于傳感器的功能化，實(shí)現(xiàn)dna測(cè)序等。上述檢測(cè)手段有用納米結(jié)構(gòu)修飾電極，測(cè)量電流或阻抗的方式，也有用薄膜晶體管測(cè)量電流等方式。對(duì)于薄膜晶體管，由于上述基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的生物傳感器優(yōu)勢(shì)，操作更加靈活方便，測(cè)試手段更加豐富，更加具有應(yīng)用前景。將薄膜晶體管與納米修飾材料結(jié)合，這樣的納米結(jié)構(gòu)具有高靈敏度，高電子輸運(yùn)速度，低背景電流的特點(diǎn)，并且可以功能化敏感表面，實(shí)現(xiàn)傳感測(cè)量需求，同時(shí)也使得測(cè)量過(guò)程更加簡(jiǎn)單、便捷。

合成納米結(jié)構(gòu)的方法通常過(guò)程復(fù)雜，不易控制。例如電化學(xué)刻蝕或金屬顆粒的電沉積形成金屬納米顆粒，然而電化學(xué)方法制備納米結(jié)構(gòu)需要專業(yè)設(shè)備，操作復(fù)雜，成本高昂；金屬顆粒的電沉積難于形成均勻覆蓋納米顆粒的表面，限制了傳感過(guò)程中擴(kuò)散或使得納米顆粒間的擴(kuò)散層重疊，影響輸運(yùn)。同樣的，一些金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)例如氧化鋅納米顆粒，通常用粉末固體與分散液混合滴涂與器件表面形成功能化界面，然而器件的性能很難保證均勻一致。另外，也有物理工藝常采用熱蒸發(fā)形成薄膜，隨后高溫?zé)嵬嘶鹗沟帽∧F(tuán)聚形成納米顆粒。這種物理工藝簡(jiǎn)單易行，但考慮到集成電路中的熱預(yù)算，以及生物傳感應(yīng)用常用到塑料、環(huán)氧樹脂等不耐高溫的柔性材料，需要找到一種低溫，有效地制備傳感器并合成功能化納米結(jié)構(gòu)的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種低溫制備二維柔性離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，實(shí)現(xiàn)柔性襯底上制備功能化納米結(jié)構(gòu)，并提升器件傳感檢測(cè)性能，使得制備過(guò)程簡(jiǎn)單，降低制造成本。

本發(fā)明提供的低溫制備二維柔性離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，具體步驟為：

提供非柔性襯底，在所述非柔性襯底上涂覆柔性材料前軀體，固化后形成器件柔性襯底；

在所述柔性襯底上形成圖形化金屬層一；

在所述圖形化金屬層一上方形成絕緣介質(zhì)層；

在所述絕緣介質(zhì)層上方轉(zhuǎn)移二維半導(dǎo)體薄膜作為器件的導(dǎo)電溝道；

在所述二維半導(dǎo)體薄膜上方形成圖形化金屬層二；

在所述二維半導(dǎo)體薄膜及圖形化金屬層二上方沉積修飾層材料；

采用微波退火工藝對(duì)器件進(jìn)行低溫退火處理；

將器件從所述非柔性襯底上分離開，得到柔性襯底上具有特定傳感功能的器件。

本發(fā)明采用微波退火工藝低溫進(jìn)行處理，使功能層表面發(fā)生團(tuán)聚，在傳感界面形成功能化納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)退火工藝也可以改善各層結(jié)構(gòu)之間的界面特性。

可選的，所述非柔性襯底為單晶硅或玻璃等。

可選的，所述柔性材料為對(duì)溫度有一定承受能力的有機(jī)物。例如，聚酰亞胺（pi）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（pet）或環(huán)氧樹脂。

可選的，所述絕緣介質(zhì)層材質(zhì)可以為一下任意一種：

氧化硅（sio2）、氧化鋁（al2o3）以及高介電常數(shù)（high-k）柵介質(zhì)等。

可選的，所述圖形化金屬層一、所述圖形化金屬層二的材質(zhì)可以為金（au）、鋁（al）等金屬。

可選的，所述圖形化金屬層一的形成步驟包括：

在所述柔性襯底上形成金屬層；

在所述金屬層上涂覆光阻，并對(duì)所述光阻進(jìn)行曝光和顯影，形成圖形化光阻；

使用干法或濕法工藝刻蝕所述金屬層，形成圖形化金屬層一。

可選的，所述圖形化金屬層一的形成步驟包括：

在所述柔性襯底上使用帶有圖形的硬掩膜沉積金屬，直接形成圖形化金屬層一。

可選的，所述圖形化金屬層一的形成步驟包括：

在所述柔性襯底上形成金屬層；

使用聚焦離子束直接對(duì)金屬層進(jìn)行刻蝕，形成圖形化金屬層一。

可選的，所述圖形化金屬層一的形成步驟包括：

在所述柔性襯底上涂覆光阻；

對(duì)所述光阻進(jìn)行曝光和顯影，形成圖形化的光阻；

在所述圖形化光阻及柔性襯底上形成金屬層；

采用剝離技術(shù)形成圖形化金屬層一。

可選的，所述圖形化金屬層二的形成步驟包括：

在所述柔性襯底上形成金屬層；

在所述金屬層上涂覆光阻，并對(duì)所述光阻進(jìn)行曝光和顯影，形成圖形化光阻；

使用干法或濕法工藝刻蝕所述金屬層，形成圖形化金屬層二。

可選的，所述圖形化金屬層二的形成步驟包括：

在所述柔性襯底上使用帶有圖形的硬掩膜沉積金屬，直接形成圖形化金屬層二。

可選的，所述圖形化金屬層二的形成步驟包括：

在所述柔性襯底上形成金屬層；

使用聚焦離子束直接對(duì)金屬層進(jìn)行刻蝕，形成圖形化金屬層二。

可選的，所述圖形化金屬層二的形成步驟包括：

在所述柔性襯底上涂覆光阻；

對(duì)所述光阻進(jìn)行曝光和顯影，形成圖形化的光阻；

在所述圖形化光阻及柔性襯底上形成金屬層；

采用剝離技術(shù)形成圖形化金屬層二。

可選的，所述金屬層一、金屬層二可以通過(guò)濺射，熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)等任意一種方式形成。

可選的，所述功能層為以下任意一種：

金（au）、銀（ag）等金屬或氧化硅（sio2）氧化鋅（zno）、氧化鋁（al2o3）以及高介電常數(shù)（high-k）柵介質(zhì)等。

可選的，所述二維半導(dǎo)體薄膜制備方法包括：固相法，液相法，氣相法。

本發(fā)明利用微波退火工藝低溫處理，一方面改善器件各層之間的界面特性，消除測(cè)試中由于界面缺陷造成的遲滯、漂移等現(xiàn)象；另一方面，借助功能層材料對(duì)微波的吸收作用，與在二維半導(dǎo)體薄膜界面處形成納米結(jié)構(gòu)的功能層，應(yīng)用于不同場(chǎng)景的傳感檢測(cè)。微波退火工藝具有快速，低熱預(yù)算，制造周期短，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為第一實(shí)施例中低溫制備二維柔性離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法工藝流程。

圖2~圖8為第二實(shí)施例中低溫制備二維柔性離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的各實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的闡述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明各實(shí)施方式中，為了使讀者更好地理解本申請(qǐng)而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，即使沒有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實(shí)施方式的種種變化和修改，也可以實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)各權(quán)利要求所要求保護(hù)的技術(shù)方案。

本發(fā)明的第一實(shí)施方式涉及低溫制備二維柔性離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法。下面結(jié)合流程圖1和示意圖2~8具體說(shuō)明。如圖1所示，具體流程包含以下步驟：

步驟s1：如圖2，提供一非柔性襯底101。

該非柔性襯底可以是單晶硅，玻璃等。

步驟s2：如圖3，在上述非柔性襯底101上涂覆柔性襯底材料前驅(qū)體，固化后形成柔性襯底102，所述前軀體材料可以為聚酰亞胺（pi）、環(huán)氧樹脂或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（pet）等。

優(yōu)選的，選擇聚酰亞胺（pi）作為柔性襯底前驅(qū)體材料，因?yàn)榫埘啺纺さ哪蜔釡囟瓤梢赃_(dá)到350℃左右?？紤]到后續(xù)工藝制備中的熱預(yù)算，需要采用對(duì)溫度承受能力更高的材料。

步驟s3：如圖4，在上述柔性襯底上形成圖形化金屬層一103。金屬層一的材質(zhì)可以為金（au）、鋁（al）。

優(yōu)選的，為了工藝和器件性能的穩(wěn)定性，選擇金（au）作為圖形化金屬層一103的材質(zhì)。

形成圖形化金屬層一103的工藝步驟包括：

在柔性襯底102上涂覆光阻（圖未示出），并對(duì)光阻進(jìn)行曝光和顯影，形成圖形化光阻；

在所述圖形化光阻和柔性襯底102上方采用濺射、熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)等任意一種方式沉積圖形化金屬層一103材質(zhì)的金屬層；

采用剝離工藝得到圖形化金屬層一103。

此外，圖形化金屬層一103也可以采用掩膜曝光刻蝕或先沉積金屬層再進(jìn)行光刻等方式實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的慣用技術(shù)手段，在此不作贅述。

步驟s4：如圖5，在上述柔性襯底102及圖形化金屬層一103上形成絕緣介質(zhì)層104。

所述絕緣介質(zhì)層可以為氧化硅（sio2）、氧化鋁（al2o3）以及高介電常數(shù)（high-k）柵介質(zhì)等其中任意一種或幾種堆疊組合，采用蒸發(fā)、濺射或化學(xué)氣相淀積等工藝實(shí)現(xiàn)。

步驟s5：如圖6，在上述絕緣介質(zhì)層104上形成二維半導(dǎo)體薄膜105。所述二維半導(dǎo)體材料105可以是過(guò)渡金屬硫化物如二硫化鉬或黑磷，通過(guò)固相法、液相法、氣相法均可以得到，該技術(shù)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的慣用技術(shù)手段，在此不作贅述。

s6：如圖7，在所述絕緣介質(zhì)層104及所述二維半導(dǎo)體薄膜105上形成圖形化金屬層106。所述圖形化金屬層二106材質(zhì)及制備工藝與上述圖形化金屬層一103相同，在此不再贅述。

s7：如圖8，在所述二維半導(dǎo)體薄膜105及所述圖形化金屬層二106上形成功能層107。

所述功能層材質(zhì)可以一下任意一種或幾種的組合：

金（au）、銀（ag）等金屬或氧化硅（sio2）氧化鋅（zno）、氧化鋁（al2o3）以及高介電常數(shù)（high-k）柵介質(zhì)等。

所述功能層107可以通過(guò)蒸發(fā)、濺射、或化學(xué)氣相淀積、原子層淀積等方式形成，該技術(shù)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的慣用技術(shù)手段，在此不作贅述。

s8：如圖1，在形成上述圖形化結(jié)構(gòu)后，采用微波退火低溫處理。

s9：將柔性襯底上的器件從非柔性襯底上分離下來(lái)，得到柔性襯底上的離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

其中，微波退火工藝可以根據(jù)反應(yīng)腔體的形狀、大小、材料等不同，存在不同的設(shè)計(jì)；例如結(jié)合所采用的微波頻率以及反應(yīng)腔體中的電磁波分布的不同，微波退火工藝也可以相應(yīng)的進(jìn)行調(diào)整，在此不作限定。此外，也可以根據(jù)腔體內(nèi)的電磁波具有特定的空間分布，以及樣品的置入對(duì)微波的分布等的影響進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。微波退火工藝的輸入能量，可以根據(jù)采用的實(shí)際材料情況的不同，可以有很大的變化范圍，例如有效功率的變化范圍可以是280w~4200w，甚至可以更大。微波退火工藝的時(shí)間通常極短，例如可以在數(shù)秒甚至1秒以內(nèi)完成期望的效果，具體時(shí)間可以根據(jù)工藝需要來(lái)決定，在此同樣不作限定。

本發(fā)明的第二實(shí)施方式同樣涉及一種低溫制備二維柔性離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法。第二實(shí)施方式是在第一實(shí)施方式基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，主要區(qū)別之處在于：在第一實(shí)施方式中，在完成所述所有圖形化結(jié)構(gòu)工藝后再采用微波退火低溫工藝，主要目的是形成傳感界面的納米結(jié)構(gòu)，借助材料對(duì)微波的吸收作用，表面自由能發(fā)生改變，材料的形貌和特性也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致團(tuán)聚形成島狀或納米顆粒，形成功能化傳感界面，實(shí)現(xiàn)不同的傳感應(yīng)用；而在第二實(shí)施方式中，在形成所述圖形化金屬層二106之后，進(jìn)行一步微波退火工藝，目的是改善所述絕緣介質(zhì)層104與所述圖形化金屬層一103和所述二維半導(dǎo)體薄膜105之間的界面特性，以及改善所述二硫化鉬105與所述圖形化金屬層層二106之間的界面特性，降低可能由界面缺陷和陷阱電荷引起的噪聲，從工藝上消除遲滯，提高開關(guān)電流比，優(yōu)化器件性能。

其中所述在形成所述圖形化金屬層二106之后的一步微波退火工藝由于與第一實(shí)施方式中的微波退火目的不同，與根據(jù)具體需要也有不同的設(shè)計(jì)，總共進(jìn)行兩步微波退火工藝。本實(shí)施方式在第一實(shí)施方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)，為獲得功能化傳感界面和優(yōu)化的器件性能。第一實(shí)施方式中提到的技術(shù)細(xì)節(jié)再本實(shí)施方式中依然有效，為了減少重復(fù)，這里不再贅述。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，上述各實(shí)施方式是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體實(shí)施例，而在實(shí)際應(yīng)用中，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作各種改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。