光学曝光也称为光刻，是利用特定波长的光进行辐照，将掩模版上的图形转移到光刻胶上的过程。光学曝光能够将平面二维图形投射到待加工基底的表面，并且可以做到层与层间的对准，是最早用于半导体集成电路的微纳加工技术，也是超大规模集成电路生产的核心步骤。光学曝光模式可分为掩模对准式曝光和投影式曝光两种。掩模对准式曝光又分为接触式（硬接触、软接触、真空接触、低真空接触）曝光和接近式曝光；投影式曝光包括1∶1投影曝光和缩小投影曝光（步进投影曝光和扫描投影曝光）。图5-1为几种基本光学曝光模式原理图，接触式和接近式是在掩模曝光机上完成的，设备结构简单，易于操作。

图5-1　基本光学曝光模式示意图

1—紫外光源；2—准直透镜；3—掩模版；4—石墨烯；5—基底；6—光学成像系统
（a）接触式曝光；（b）接近式曝光；（c）投影式曝光

接触式曝光[图5-1（a）]制备的图形具有较高的保真性和分辨率，通过先进的对准系统可实现1μm左右层与层之间的精准套刻。但是需要其基底和掩模版直接接触，会加速掩模版失效，缩短其寿命。通常接触式曝光适用于分立元件和中、小规模集成电路的生产，在科学研究中发挥着重要作用。相对于接触式曝光，接近式曝光[图5-1（b）]可以克服硬接触曝光对掩模版的损伤，但是曝光分辨率会有所降低。曝光过程中，光强分布的不均匀性会随着基底和掩模版之间间距的增加而增强，从而影响到实际获得图形的形貌。但是在实际应用中也可以充分利用接近式曝光过程中的衍射效应（如泊松亮斑曝光）来制备纳米尺度图形。在投影曝光系统中添加光学成像系统[图5-1（c）]，将掩模图形成像在光刻胶上，从而获得分辨率较高的曝光。这种方法中掩模版与基底上的光刻胶不接触，从而不会引起掩模版的损伤和污染，其成品率和对准精度都比较高。

对于石墨烯而言，利用上述曝光原理，采用200～450nm的紫外光作为光源，以光刻胶为中间媒介可以将微米级别图案转移至带有石墨烯的基底上，通过氧等离子体刻蚀工艺可实现石墨烯的图案化。一般石墨烯图案化过程主要分为基底前处理、石墨烯转移、涂胶、前烘、对准曝光、后烘、显影、坚膜、图形检测、刻蚀、去胶等，其工艺流程如图5-2所示。基底前处理是对目标基底进行清洗、烘烤等操作，去除表面污染物（有机物、工艺残留、灰尘等）及清洗后残留的水氧分子，工业上主要通过化学（强酸、强碱或者强极性有机溶剂等）与物理（超声、加热等）相结合的方式进行基底清洗。清洗后对基底进行烘烤可去除表面吸附的水分子，增加石墨烯与基底之间的黏附力，避免后续工艺中图形脱落。在洁净目标基底表面进行石墨烯转移是图案化工艺过程中的重要步骤，也是制备高质量器件的必要条件，具体转移方法在第三章中已经做出详细介绍，可根据不同基底类型、不同器件需求选取对应的方法进行石墨烯的转移。

图5-2　光学曝光技术进行石墨烯图案化基本工艺流程(www.daowen.com)

在实验室中一般利用匀胶机在基底表面旋涂光刻胶，经过滴胶、低速预转、高速匀胶几个步骤实现光刻胶的旋涂。每种光刻胶都具有不同的灵敏度和黏度，因此须根据需求选择相应的匀胶速度、旋转时间、烘干时间、曝光强度、显影时间等。前烘是为了去除光刻胶中的溶剂、释放光刻胶膜内应力，并增加光刻胶与石墨烯之间的黏附力。前烘不充分会导致光刻胶中的溶剂残留，阻碍紫外光对光刻胶的作用，影响其在显影液中的溶解度；过度前烘则会影响光刻胶感光成分的活性，影响曝光图案质量。前烘处理的样品冷却至常温后对其进行曝光，在掩模版遮挡下选择合适的曝光强度与曝光时间对光刻胶进行均匀照射即可完成曝光。如果需要对准，则须预先在基底上做相应的标记，并通过移动样品台实现基底上标记与掩模版上标记的对准。

显影是指光刻胶曝光后进入特定溶液中进行选择性腐蚀的过程，通过浸没、搅拌、喷淋等方法实现基底显影。当曝光强度与显影时间比较合适时，光刻胶侧壁比较陡直。如果曝光强度较低，会导致显影不完全，图案底部产生胶残留；如果曝光强度合适，不同的显影时间可形成不同侧壁的光刻胶结构。显影后对光刻胶进一步加热的过程称为坚膜，这一项操作可以使光刻胶内溶剂进一步挥发，提高在刻蚀过程中光刻胶对石墨烯的保护能力，并进一步减少驻波效应。在曝光图案符合制作标准（特征尺寸、对准精度等）后，通过氧等离子体对覆盖光刻胶图案的石墨烯进行刻蚀，去除暴露在空气中的石墨烯薄膜，并用丙酮等有机溶剂除去基底表面光刻胶以实现石墨烯的图案化。

刻蚀过程中辉光的存在易使光刻胶与石墨烯界面处发生局部碳化，进而导致光刻胶的大量残留。为此，Shen等利用聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为牺牲层，避免了石墨烯刻蚀过程光刻胶的残留，制备出不同沟道尺寸的石墨烯晶体管。利用该方法实现了晶圆级石墨烯薄膜的图案化，图案化精度在1μm左右，也为目前利用光学曝光技术制备石墨烯图案提供了较为高效的方法。此外，2018年，Kaplas等也提出利用聚合物转移石墨烯及其图案化的方法，图5-3（a）展示了该方法的基本实验流程。首先，在聚合物的保护下将石墨烯转移至基底表面，并且在不去胶的情况下对聚合物进行图案化；之后，在样品表面蒸镀一层金属，利用丙酮去除聚合物，获得金属保护下的石墨烯图案化薄膜；最后，通过刻蚀技术对石墨烯进行刻蚀，并将金属去除以获得图案化的石墨烯，各个过程对应的光学显微镜图如图5-3（b）所示。该方法不仅适用于光学曝光技术，也适用于电子束曝光技术，可以获得较高精度的石墨烯图案，实验结果如图5-3（c）所示。此外，由于整个过程不需要反复涂胶，这种方法也极大程度上避免了残胶对石墨烯薄膜的污染。但是，该方法获得的石墨烯与基底结合力较弱，也会导致部分区域发生石墨烯破裂，影响整体图案化效果。总体来说，光学曝光技术具有工艺简单、制备面积大、效率高等优点，是目前制备大面积石墨烯图案化阵列较为常见的方法。

图5-3　石墨烯图案化制备流程及相应结果图

（a）石墨烯转移及图案化工艺流程示意图；（b）石墨烯图案化过程光学显微镜图；（c）不同尺寸石墨烯图案的SEM图（其中LW表示图形线宽）；（d）结合力弱导致石墨烯被剥落的SEM图