CN110349840B - 一种实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统 - Google Patents

一种实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统，解决现有技术中氮化物在二维材料上成核不可控的技术问题。所述制备系统包括：生长腔室，其顶盖上设置有X‑Y位移平台，底部设置有生长平台；所述X‑Y位移平台可在X和Y两个方向上移动，进而带动其上设置的激光光路系统相对于生长平台进行移动；激光器，其设置在生长腔室外；所述激光器发射的激光通过光纤被引入到生长腔室内的激光光路系统中，实现入射激光光束的分束控制，最终实现样品的激光刻蚀。本发明的制备系统为一种新型二维材料生长系统，为实现二维材料原位生长‑图形化提供了一体化真空系统，为实现高质量二维材料的制备提供了平台，为氮化物可控成核生长提供了衬底制备基础。

Description

一种实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统
技术领域
本发明属于半导体材料生长领域，具体涉及一种实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统。
背景技术
现如今，包括氮化物在内的第三代半导体材料在国民生产生活中扮演着越来越重要的角色。其在发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光探测器(PD)、微波射频器件以及电力电子器件等领域已取得部分应用。现阶段氮化物由于其同质衬底生长工艺尚不成熟，通常采用异质衬底进行异质外延制备。在氮化物异质外延的过程中，由于衬底材料与氮化物之间大的晶格失配和热失配，使得氮化物材料中往往存在大的失配应变和高密度缺陷，严重制约着氮化物光电子器件和微电子器件的发展。在二维材料上生长氮化物材料，由于外延的氮化物和二维材料柔性衬底之间是弱的范德华力结合，因此，能够有效释放外延氮化物中的应力问题，并抑制氮化物外延层缺陷的产生，是实现高质量的氮化物材料生长的有效方法。但是，氮化物材料难以在完美的二维材料上成核。目前所采用的方案即引入缺陷，在缺陷处实现二维材料上氮化物的形核。常用的方法是通过旋涂法将石墨烯小片旋涂在衬底上，利用其边界作为形核点。这种方法制备的形核点密度和分布都是不可控的，这对提高氮化物的质量起到负面影响。
发明内容
本发明要解决现有技术中氮化物在二维材料上成核不可控的技术问题，提供一种实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统，本发明为实现高质量的氮化物材料生长奠定衬底基础。本发明将激光刻蚀系统与二维材料生长腔室相结合，在同一腔室内部实现二维材料的生长及其原位图形化，或者衬底图形化后二维材料的原位生长；利用本发明提供的系统可以得到图形化的二维材料衬底，以实现氮化物在此二维材料上的可控成核生长。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
本发明提供一种实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统，包括：
生长腔室，其顶盖上设置有X-Y位移平台，底部设置有生长平台；所述X-Y位移平台可在X和Y两个方向上移动，进而带动其上设置的激光光路系统相对于所述生长平台进行移动；
激光器，其设置在生长腔室外；所述激光器发射的激光通过光纤被引入到生长腔室内的激光光路系统中，实现入射激光光束的分束控制，最终实现样品的激光刻蚀。
在上述技术方案中，所述X-Y位移平台由X和Y两个相互垂直的滑轨构成，通过步进电机实现在X和Y两个方向上的移动。
在上述技术方案中，所述激光光路系统包括3块半反半透光学透镜、1块全反射透镜、4个转轴、及3块聚焦透镜；
每块半反半透光学透镜、及全反射透镜分别固定在一个转轴上，通过调节各自的转轴可以控制其转动角度，以调控光路，实现入射激光光束的分束控制；每块所述聚焦透镜可以将入射激光光斑进行缩减。
在上述技术方案中，每个所述转轴的控制部分设计有手动调控旋钮和电控旋钮两种，利用终端控制系统控制电控旋钮以调节该转轴上固定的透镜的旋转角度；手动调控旋钮是为防止电控旋钮故障时的备用旋钮。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统具有以下优点：
(1)本发明制备系统利用激光刻蚀便于兼容于生长腔室的优势，提出集成激光刻蚀的半导体外延生长腔室，以实现衬底原位图形化以及外延层原位图形化。
(2)与微加工掩膜法刻蚀工艺图形化方法相比，本发明的制备系统无需用溶液去除掩膜，从而避免了对衬底表面的污染。
(3)本发明的制备系统在同一腔室进行材料的生长及原位刻蚀，从而避免了外界环境对衬底表面的污染，同时节约了制备成本和时间成本。
(4)本发明的制备系统利用激光束干涉法形成的图形，可以通过调节激光波长和能量来调节图形化的形状和尺寸，比传统掩膜法图形化更加灵活、便于调节。
(5)本发明的制备系统利用激光束干涉法形成的图形相比电子束刻蚀无需高真空等苛刻条件、可减低成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统的结构示意图。
图2为单光束激光光路系统设计图。
图3为双光束激光光路系统设计图。
图4为三光束激光光路系统设计图。
图中的附图标记表示为：
1-X-Y位移平台；2-激光光路系统；3-激光器；4-光纤；5-生长平台；6-生长腔室。
具体实施方式
本发明的发明思想为：为解决现有技术中氮化物在二维材料上成核不可控的技术问题，本发明提出原位激光刻蚀的方法在完整二维材料，如石墨烯表面刻蚀得到图形化石墨烯，通过图形的设计可以实现缺陷的密度和位置的控制，因此可以控制氮化物形核点的密度和分布位置。同时，本发明的制备系统采用激光刻蚀方法能够有效解决利用紫外光刻、电子束光刻和纳米压印等微纳米加工刻蚀石墨烯构建氮化物成核位点过程中污染问题。此外，本发明的制备系统可以实现材料生长后的原位刻蚀，以及刻蚀后的材料原位生长，避免环境对材料的污染，并且节约了制备成本和时间成本。
本发明提出的一种实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统，该系统利用激光刻蚀系统便于集成的特点，将激光刻蚀系统结合于生长腔室里面，构建一种原位生长刻蚀一体化腔室，实现可实现氮化物在二维材料上的可控成核生长，解决氮化物在二维材料上成核不可控，进而难以实现在二维材料上高质量氮化物生长的问题，为在二维材料上氮化物可控成核生长，实现高质量的氮化物的生长提供了有效手段。
本发明的一种实现氮化物可控成核的二维材料衬底制备系统，能够实现二维材料生长-二维材料原位图形化，或者衬底图形化-二维材料原位生长的全真空操作过程，一体化装置包括以下部分：
1)生长腔室6；
2)安置在生长腔室6顶盖的X-Y位移平台1。
3)安置在X-Y位移平台1上的激光光路系统2。
4)置于生长腔室6外的激光器3。
5)连接激光器3和激光光路系统2的光纤4。
6)安置在生长腔室6底部的生长平台5。
其中，所述X-Y位移平台1，其可沿水平平面内相互垂直X-Y轴进行位移。
其中，所述激光光路系统2包括4块半透半反光学透镜a，1块全反光学透镜b，4个转轴c，及3块聚焦透镜d。每块半反半透光学透镜a、及全反射透镜b分别固定在一个转轴c上，通过调节各自的转轴c调节半透半反光学透镜a和全反光学透镜b的角度以改变光路，实现单束激光刻蚀(如图2)，双束激光干涉刻蚀(如图3)，以及三束激光干涉刻蚀(如图4)。每块所述聚焦透镜d可以将入射激光光斑进行缩减。
其中，所述激光器3，其波长和功率可以根据所刻蚀材料进行选择。
其中，所述光纤4需根据所选激光器波长相匹配。
其中，所述生长平台5，其加热温度需要根据生长要求进行设定，其加热方式，加热丝材料和样品承载平台材料与设计需根据生长温度进行设定。
本发明提供了一种实现氮化物可控成核的二维材料衬底制备系统，实现二维材料的原位生长与图形化，生长-刻蚀一体化腔室为高质量图形化二维材料的制备提供良好的环境基础。下述制造方案的目的仅为举例说明本发明的实施方式，并不限制本发明的制造与应用。
如图1所示，首先，在生长腔室6顶盖上安置X-Y位移平台1，所采用X-Y位移平台1由X和Y两个相互垂直的滑轨构成，通过步进电机实现在X和Y两个方向上的移动。
其次，将激光光路系统2安置于X-Y位移平台1上以便保证激光光路系统2相对于生长平台5上的衬底样品的移动。激光光路系统2需包含3块半反半透光学透镜a1、a2、a3，1块全反射透镜b、4个转轴c1、c2、c3、c4，半反半透光学透镜a1、a2、a3、及全反射透镜b分别固定在转轴c1、c2、c3、c4上，通过调节转轴c1、c2、c3、c4可分别调节半反半透光学透镜a1、a2、a3、及全反射透镜b的旋转角度以改变光路，实现入射激光光束的分束控制。最终实现，单光束刻蚀(如图2所示)，双光束干涉刻蚀(如图3所示)和三光束干涉刻蚀(如图4所示)；同时，光路还包含3个聚焦透镜d，每个聚焦透镜d可以将入射激光光斑直径进行缩减。
参见图2：单光束刻蚀，其光路走向为，入射光首先通过半反半透光学透镜a1，一半的反射光再通过半反半透光学透镜a2，随后透射部分通过聚焦透镜d1形成一束刻蚀光束进行单光束刻蚀。
参见图3：双光束刻蚀，其光路走向为，入射光首先通过半反半透光学透镜a1，一半的反射光再通过半反半透光学透镜a2，随后其中一半的透射光通过聚焦透镜d1形成第一束刻蚀光束；另一半反射光部分经过全反射光学透镜b实现全反射再通过聚焦透镜d2形成第二束刻蚀光束，两束刻蚀光束相互干涉作为刻蚀光源进行双光束干涉刻蚀。
参见图4：三光束刻蚀，其光路走向为，入射光首先通过半反半透光学透镜a1，一半的反射光通过半反半透光学透镜a2产生的透射光再通过聚焦透镜d1形成第一束刻蚀光束；通过半反半透光学透镜a2产生的反射光再通过全反射光学透镜b实现全反射，再通过聚焦透镜d2形成第二束刻蚀光束；入射光通过半反半透光学透镜a1产生的透射光再经过半反半透光学透镜a3所产生的反射光通过聚焦透镜d3形成第三束刻蚀光束，三束刻蚀光束相互干涉作为刻蚀光源进行三光束干涉刻蚀。
第三，激光光路系统2中的转轴c的控制设计有手动调控旋钮和电控旋钮两种，利用终端控制系统可以控制电控旋钮以调节该转轴上固定的透镜的旋转角度。手动调控旋钮是为防止电控旋钮故障时的备用。
第四，激光器3需安置于生长腔室6外，利用光纤4将激光引入生长腔室6顶盖的激光光路系统2中。其中激光器3的波长和功率范围根据需求调整。光纤4的选择需根据所选激光器波长，与之相匹配，保证最高出光效率。
第五，生长平台5，其加热方式需要根据所需生长的二维材料的生长温度进行选择，控制温度范围也需要根据具体需要进行调整。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统，其特征在于，包括：
生长腔室，其顶盖上设置有X-Y位移平台，底部设置有生长平台；所述X-Y位移平台可在X和Y两个方向上移动，进而带动其上设置的激光光路系统相对于所述生长平台进行移动；
激光器，其设置在生长腔室外；所述激光器发射的激光通过光纤被引入到生长腔室内的激光光路系统中，实现入射激光光束的分束控制，最终实现样品的激光刻蚀；
所述激光光路系统包含3块半反半透光学透镜a1、a2、a3，1块全反射透镜b、4个转轴c1、c2、c3、c4，半反半透光学透镜a1、a2、a3、及全反射透镜b分别固定在转轴c1、c2、c3、c4上，通过调节转轴c1、c2、c3、c4可分别调节半反半透光学透镜a1、a2、a3、及全反射透镜b的旋转角度以改变光路，实现入射激光光束的分束控制，最终实现单光束刻蚀、双光束干涉刻蚀、或三光束干涉刻蚀；激光光路系统还包含3个聚焦透镜d1、d2、d3，每个聚焦透镜均能将入射激光光斑直径进行缩减；
单光束刻蚀，其光路走向为，入射光首先通过半反半透光学透镜a1，一半的反射光再通过半反半透光学透镜a2，随后透射部分通过聚焦透镜d1形成一束刻蚀光束进行单光束刻蚀；
双光束干涉刻蚀，其光路走向为，入射光首先通过半反半透光学透镜a1，一半的反射光再通过半反半透光学透镜a2，随后其中一半的透射光通过聚焦透镜d1形成第一束刻蚀光束；另一半反射光部分经过全反射光学透镜b实现全反射再通过聚焦透镜d2形成第二束刻蚀光束，两束刻蚀光束相互干涉作为刻蚀光源进行双光束干涉刻蚀；
三光束干涉刻蚀，其光路走向为，入射光首先通过半反半透光学透镜a1，一半的反射光通过半反半透光学透镜a2产生的透射光再通过聚焦透镜d1形成第一束刻蚀光束；通过半反半透光学透镜a2产生的反射光再通过全反射光学透镜b实现全反射，再通过聚焦透镜d2形成第二束刻蚀光束；入射光通过半反半透光学透镜a1产生的透射光再经过半反半透光学透镜a3所产生的反射光通过聚焦透镜d3形成第三束刻蚀光束，三束刻蚀光束相互干涉作为刻蚀光源进行三光束干涉刻蚀。
2.根据权利要求1所述的实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统，其特征在于，所述X-Y位移平台由X和Y两个相互垂直的滑轨构成，通过步进电机实现在X和Y两个方向上的移动。
3.根据权利要求1所述的实现氮化物可控成核的二维材料复合衬底制备系统，其特征在于，每个所述转轴的控制部分设计有手动调控旋钮和电控旋钮两种，利用终端控制系统控制电控旋钮以调节该转轴上固定的透镜的旋转角度；手动调控旋钮是为防止电控旋钮故障时的备用旋钮。
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