CN116817804B - 一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于离子注入领域，具体涉及一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法，具体为将某厚度的石墨烯纳米片均匀分散在电镜载网上；使用特定参数的团簇注入方法，对电镜载网上的石墨烯纳米片进行团簇注入；对电镜载网上注入团簇的石墨烯纳米片进行厚度标定，并统计石墨烯纳米片中注入的团簇密度；选取不同厚度的石墨烯纳米片，重复上述步骤；根据石墨烯纳米片中注入团簇密度的统计结果，得到注入的团簇密度发生锐减的石墨烯纳米片的厚度区间；根据得到的厚度区间，得到该特定参数的团簇注入方法在石墨烯材料上的注入深度。本发明可直观且精确地判断团簇注入深度。

Description

一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法

技术领域

本发明属于离子注入领域，具体涉及一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法。

背景技术

离子注入技术在现代集成电路的制造中占有非常重要的地位，在一个完整的半导体器件的制备流程中，通常会有20多步的离子注入工序。在上世纪几十年的发展中，离子注入已成为相对完备且成熟的技术。但是，随着器件尺度的逐渐缩小，离子注入开始面临一系列的困境。器件的结构、材料及工作机制均会受量子尺寸效应的制约，必须针对功耗、密度、性能提高、工艺集成等问题寻求新的突破。

自摩尔定律提出已有五十余年，半导体特征尺寸已接近极限，2021年IBM发布了全球首款2nm芯片，意味着半导体尺寸已经步入量子尺度。在这样的背景下，寻求更加精准且可控的超浅离子注入方法将愈发重要。20世纪末到21世纪初的几十年内，由于团簇的平均原子注入能量低，所以关于团簇离子注入的相关工作不断涌出。已有相关研究结果初步揭示了团簇注入石墨体系的标度律关系，但实验上缺乏对深度表征的直观证据。往年使用扫描隧道显微镜探测注入深度的方法由于其需要对样品做额外的退火处理，将导致注入深度测量不够精准。

考虑到进一步缩减的器件尺寸，半导体领域迫切需要发展出精确控制注入深度的方法并同时寻求能够精确表征注入深度的手段。目前利用磁控溅射团簇束流源已能够通过改变沉积电压初步控制团簇的注入深度，在此基础上寻求更为精确的深度表征方法成为较迫切的需求，这能为实际的半导体制造工艺提供重要的参考依据，也对超浅结的制备具有重要意义。

发明内容

为了解决现有的技术问题，本发明提供一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法，该方法可以直观给出团簇离子注入材料的精确深度。

一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法，包括以下步骤：

S1：将某厚度的石墨烯纳米片均匀分散在电镜载网上；

S2：使用特定参数的团簇注入方法，对电镜载网上的石墨烯纳米片进行团簇注入；

S3：对电镜载网上注入团簇的石墨烯纳米片进行厚度标定，并统计石墨烯纳米片中注入的团簇密度；

S4: 选取不同厚度的石墨烯纳米片，重复上述步骤S1～S3；

S5：根据石墨烯纳米片中注入团簇密度的统计结果，得到注入的团簇密度发生锐减的石墨烯纳米片的厚度区间；

S6：根据得到的厚度区间，得到该特定参数的团簇注入方法在石墨烯材料上的注入深度。

进一步的，所述步骤S6中，注入深度取厚度区间的中点值。

进一步的，步骤S1中，将某厚度的石墨烯纳米片均匀分散在电镜载网上的方法包括以下步骤：S1.1：使用某厚度的石墨烯纳米片制作石墨烯分散液；S1.2：取石墨烯分散液滴在电镜载网上；S1.3：将石墨烯分散液烘干。

进一步的，步骤S3中对电镜载网上注入团簇的石墨烯纳米片进行厚度标定包括以下步骤：

S3.1：使用扫描透射电子显微镜得到其中一片石墨烯纳米片的同一区域的HAADF图像和BF图像；

S3.2：根据BF图像的条纹数与HAADF图像的灰度值变化，得到单层石墨烯的灰度值；

S3.3：使用扫描透射电子显微镜得到电镜载网上的所有石墨烯纳米片的HAADF图像，根据单层石墨烯的灰度值，得到每个石墨烯纳米片的层数，再根据石墨烯层间距，即可得到每个石墨烯纳米片的厚度。

进一步的，所述扫描透射电子显微镜包括球差矫正器。

进一步的，所述电镜载网为微栅碳膜。

进一步的，所述微栅碳膜为阵列微栅碳膜。

进一步的，步骤S1.1中，使用某厚度的石墨烯纳米片制作石墨烯分散液包括以下步骤：

a.将某厚度的石墨烯纳米片至于离心管中，加满蒸馏水；

b.对蒸馏水中的石墨烯纳米片进行超声振荡使粉末均匀分散；

c.对上述步骤b中形成的溶液用蒸馏水稀释得到石墨烯分散液。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明结合扫描透射电子显微镜的两种成像模式的特点，对多层石墨烯进行了层数标定，并结合不同层数上团簇密度的统计结果直观且精确地判断了团簇在特定条件下的注入深度。

附图说明

图1是本发明的配置完的石墨烯分散液实物图；

图2是本发明所用微栅碳膜的示意图；

图3是本发明的多层石墨烯层数标定图，从左至右依次为HAADF图像、BF图像；

图4是本发明的多层石墨烯层数标定图的强度分析曲线；

图5是本发明的注入深度散点图。

实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法，以确定团簇注入石墨烯纳米片后的离子注入深度，包括如下步骤：

S1：将某厚度的石墨烯纳米片均匀分散在电镜载网上；

S2：使用特定参数的团簇注入方法，对电镜载网上的石墨烯纳米片进行团簇注入；

S3：对电镜载网上注入团簇的石墨烯纳米片进行厚度标定，并统计石墨烯纳米片中注入的团簇密度；

S4:选取不同厚度的石墨烯纳米片，重复上述步骤S1～S3；

S5：根据石墨烯纳米片中注入团簇密度的统计结果，得到注入的团簇密度发生锐减的石墨烯纳米片的厚度区间；

S6：根据得到的厚度区间，得到该特定参数的团簇注入方法在石墨烯材料上的注入深度。

本发明通过将团簇在特定条件下注入不同厚度的石墨烯纳米片中，得到某种团簇在特定条件下的注入深度；通过改变不同种类团簇在不同参数值下的注入，得到不同种类团簇在不同参数值下在石墨烯纳米片中的注入深度，从而为半导体器件制备提供较为精准的参数支撑。本发明中，为尽量减小实验及数据处理带来的误差，进一步确定特定参数的团簇注入方法在石墨烯材料上的注入深度，取注入的团簇密度发生锐减的石墨烯纳米片的厚度区间的中点值。

本发明使用某种厚度的石墨烯纳米片制作石墨烯分散液包括以下步骤：a.将某厚度的石墨烯纳米片至于离心管中，加满蒸馏水；b.对蒸馏水中的石墨烯纳米片进行超声振荡使粉末均匀分散；c.对上述步骤b中形成的溶液用蒸馏水稀释得到石墨烯分散液。较为简单的稀释方法可以先倒出一半超声振荡后形成的溶液，然后向溶液中加入蒸馏水，溶液稀释均匀后再倒出一半溶液，然后再次向溶液中加入蒸馏水，反复多次后得到石墨烯分散液。

通过上述方式，使用不同厚度的石墨烯纳米片制作石墨烯分散液，以此得到在灯光下呈半透明状的满足不同浓度需求的石墨烯分散液。如图1所示为石墨烯分散液，取石墨烯分散液滴在电镜载网上；并将石墨烯分散液烘干。从而使得某厚度的石墨烯纳米片均匀分散在电镜载网上。

本发明提供的对不同厚度的石墨烯纳米片进行厚度标定方法，结合扫描透射电子显微镜的两种成像模式的特点，对多层石墨烯进行了层数标定，并结合不同层数上团簇密度的统计结果直观且精确地判断了其注入深度。具体包括以下步骤：

S3.1：使用扫描透射电子显微镜得到其中一片石墨烯纳米片的同一区域的HAADF图像和BF图像；

S3.2：根据BF图像的条纹数与HAADF图像的灰度值变化，得到单层石墨烯的灰度值；

S3.3：使用扫描透射电子显微镜得到电镜载网上的一片石墨烯纳米片的HAADF图像，根据单层石墨烯的灰度值，得到该石墨烯纳米片的层数，再根据石墨烯层间距，即可得到该石墨烯纳米片的厚度。

所述扫描透射电子显微镜包括球差矫正器，以提高显微镜分辨率和图像质量；所述电镜载网为微栅碳膜，以便更加精准的进行离子注入深度标定。优选的，所述微栅碳膜为阵列微栅碳膜，微栅碳膜膜骨架上分布有规则的孔洞，用于搭载并观测棒状或片状样品。

下面以Au₆₆团簇在15kV的沉积电压下注入多层石墨烯为例，对深度标定方法做具体描述：

S1、取适量的石墨烯纳米片置于50ml离心管中，加满蒸馏水，超声振荡30分钟使粉末均匀分散，随后倒出一半溶液，再次加满蒸馏水。反复三次使石墨烯分散液浓度变为初始的1/8，分散液在灯光下呈现半透明状；

S2、取石墨烯分散液滴在微栅碳膜上，每片微栅碳膜滴加十滴，滴完后将微栅碳膜置于烘干灯下烘烤至水分蒸干；优选的，微栅碳膜为阵列微栅碳膜，阵列微栅碳膜膜骨架上分布有规则的孔洞，用于搭载并观测棒状或片状样品，如图2所示。

S3、将预处理完的微栅碳膜固定至磁控溅射团簇束流源的样品载台上，设定质谱筛选质量为13002（197×66），对应Au₆₆的原子质量，再设定样品台上的偏置电压为15kV，参数设定完成后对微栅碳膜上的石墨烯纳米片开始溅射，最终样品上的团簇沉积剂量约为100pA·h；

S4、使用扫描透射电子显微镜对沉积完团簇的微栅碳膜进行相关表征，首先寻找合适的样品区域用于进行层数标定，如图3所示，分别为同一样品区域的HAADF图像和BF图像，在BF图像中画出指示线，根据BF图像中的黑色条纹数数出49条，对应于指示线跨越的石墨烯层数为49层；其中，所述HAADF图像，为扫描透射电子显微镜的HAADF模式拍摄的图像，HAADF模式即高角度环形暗场像模式，拍摄得到的图像显示灰度值状况，灰度值与样品厚度和组成元素的原子序数有关，在不改变相关相机参数及屏幕电流时，图像显示灰度值保持不变；所述BF图像，为扫描透射电子显微镜的BF模式拍摄的图像。所述BF模式，即明场像模式，此模式下多层石墨烯的边缘卷曲会被观测到，表现出与层数对应的黑色条纹，黑色条纹数与观察的多层石墨烯层数相等。

S5、在图3的HAADF图像中标出与BF图像中相同的指示线，使两图中的指示线指示相同的样品位置，沿HAADF图像指示线做强度分析，得到图4中的强度分析曲线。可知沿着指示线HAADF图像灰度值减少了11000，则根据HAADF图像的成像规律可算出单层石墨烯对应的灰度值为11000/49=220（精确到十位）；此时根据不同石墨烯纳米片的HAADF图像，即可由其灰度值变化，得到对应不同石墨烯纳米片的石墨烯层数。

S6、利用标定出的单层石墨烯对应的灰度值为220，可对所有拍摄得到的不同厚度的石墨烯纳米片进行层数标定，进而进行厚度标定（石墨烯层间距为0.335nm，由HAADF图像得到石墨烯层数，再以石墨烯层间距乘以石墨烯层数即可得到对应厚度），随后在不同厚度的石墨烯纳米片上任意框选，计算框选面积及框选范围内的团簇数，可得到框选范围内的团簇密度；

S7、在进行多次采点后，可得到不同厚度石墨烯纳米片上的团簇密度，将所有数据绘制成一张散点图，如图5所示。在散点图上能看到石墨烯纳米片厚度在2.92-4.74nm的区间时，团簇密度发生锐减，故可认定Au66团簇在15kV的沉积电压下实际注入深度在此区间内，考虑到实验及数据处理存在误差，取区间中点3.83nm为该参数下的注入深度。 由此可知Au₆₆团簇在15kV的沉积电压下注入石墨烯纳米片的深度为3.83nm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：将某厚度的石墨烯纳米片均匀分散在电镜载网上；

S2：使用特定参数的团簇注入方法，对电镜载网上的石墨烯纳米片进行团簇注入；

S3：对电镜载网上注入团簇的石墨烯纳米片进行厚度标定，并统计石墨烯纳米片中注入的团簇密度；

S4:选取不同厚度的石墨烯纳米片，重复上述步骤S1～S3；

S5：根据石墨烯纳米片中注入团簇密度的统计结果，得到注入的团簇密度发生锐减的石墨烯纳米片的厚度区间；

S6：根据得到的厚度区间，得到该特定参数的团簇注入方法在石墨烯材料上的注入深度。

2.根据权利要求1所述的一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法，其特征在于所述步骤S6中，注入深度取厚度区间的中点值。

3.根据权利要求1所述的一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法，其特征在于所述步骤S1中，将某厚度的石墨烯纳米片均匀分散在电镜载网上的方法包括以下步骤：

S1.1：使用某厚度的石墨烯纳米片制作石墨烯分散液；

S1.2：取石墨烯分散液滴在电镜载网上；

S1.3：将石墨烯分散液烘干。

4.根据权利要求1所述的一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法，其特征在于步骤S3中对电镜载网上注入团簇的石墨烯纳米片进行厚度标定包括以下步骤：

S3.1：使用扫描透射电子显微镜得到其中一片石墨烯纳米片的同一区域的HAADF图像和BF图像；

S3.2：根据BF图像的条纹数与HAADF图像的灰度值变化，得到单层石墨烯的灰度值；

S3.3：使用扫描透射电子显微镜得到电镜载网上的所有石墨烯纳米片的HAADF图像，根据单层石墨烯的灰度值，得到每个石墨烯纳米片的层数，再根据石墨烯层间距，即可得到每个石墨烯纳米片的厚度。

5.根据权利要求4所述的一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法，其特征在于所述扫描透射电子显微镜包括球差矫正器。

6.根据权利要求1所述的一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法，其特征在于所述电镜载网为微栅碳膜。

7.根据权利要求6所述的一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法，其特征在于所述微栅碳膜为阵列微栅碳膜。

8.根据权利要求3所述的一种多层石墨烯中离子注入深度精确标定方法，其特征在于所述步骤S1.1中，使用某厚度的石墨烯纳米片制作石墨烯分散液包括以下步骤：

a.将某厚度的石墨烯纳米片至于离心管中，加满蒸馏水；

b.对蒸馏水中的石墨烯纳米片进行超声振荡使粉末均匀分散；

c.对上述步骤b中形成的溶液用蒸馏水稀释得到石墨烯分散液。