CN117822101A - 一种新型多功能二维材料生长设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新型多功能二维材料生长设备，具体涉及于半导体设备技术领域,所述新型多功能二维材料生长设备包括刻蚀组件，其中：刻蚀组件包括激光器以及设置于激光器一侧的半透反射镜和偏转元件，半透反射镜两侧各设有一个反射镜，两个反射镜底部一侧设有聚焦透镜，激光器发射的光束通过偏转元件偏射、半透反射镜反射后形成两束相干光束，并依次经过两个反射镜并反射至聚焦透镜，最后经过平行板观察窗聚焦于衬底表面进行刻蚀，并可对反应物完成低能量照射和高能量激光照射，还可通过刻蚀组件可以刻蚀生长衬底改变晶体结构以及利用低能量激光照射、高能量激光照射来实现为刻蚀区域的反应产物分子提供能量和二维材料区域选择性生长等多种功能。

Description

一种新型多功能二维材料生长设备

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，尤其涉及一种新型多功能二维材料生长设备。

背景技术

二维材料逐渐成为半导体研究领域的焦点，二维材料展现出与相应的三维体材料截然不同的性质，在新型电子器件、光电子器件领域有巨大应用潜力。

常见的二维材料包括石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫族化合物等，目前常用的六方氮化硼和过渡金属硫族化合物生长制备方法包括体材料机械剥离、化学气相反应沉积、金属有机化合物气相反应沉积，其中，气相反应沉积需要前驱体在衬底附件产生化学反应，生成目标二维材料分子沉积在衬底上，因此生长过程受气流影响较大，目前气相反应沉积设备大多数是用于AlGaN、GaAs、InP等化合物体材料生长，在生长二维材料时，由于生长厚度仅有原子层尺度，现有生长体的缓冲层、变温层等技术不适用二维材料生长，二维材料经过初始成核后很快能合并为连续薄膜，因此成核阶段的调控是实现高质量二维材料生长的关键因素。

鉴于此，本申请提供一种新型多功能二维材料生长设备，通过激光刻蚀以及调控成核行为，由此改善生长晶体的质量以及修饰生长的薄膜。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种新型多功能二维材料生长设备。

本发明通过以下技术方案实现的：

本发明提出新型多功能二维材料生长设备包括刻蚀组件，其中：

所述刻蚀组件包括激光器以及设置于所述激光器一侧的偏转元件和半透反射镜，所述半透反射镜两侧各设有一个反射镜，两个所述反射镜底部一侧设有聚焦透镜，所述激光器发射的光束依次通过所述偏转元件偏射、所述半透反射镜反射后形成两束相干光束，并分别经过两个所述反射镜并反射至所述聚焦透镜上，最后激光光束聚焦于衬底表面，对反应物完成低能量照射和高能量激光照射，或用于刻蚀衬底。

进一步的，还包括容纳组件，所述容纳组件内部设有生长室，所述刻蚀组件位于所述容纳组件顶部一侧。

进一步的，还包括真空组件，所述真空组件设于所述生长室底部，所述真空组件与所述容纳组件固定连接。

进一步的，所述真空组件顶部还设有样品台，所述样品台与所述真空组件固定。

进一步的，所述生长室顶部还设有多个均匀分布的进气口，多个进气口朝向所述样品台一侧。

进一步的，所述容纳组件顶部一侧还设有监测组件，所述监测组件包括红外测温元件和拉曼光谱测量元件。

进一步的，所述容纳组件还包括设于所述生长室顶部的观察窗，所述激光器发射的光束透过所述观察窗照射至衬底上。

本发明的有益效果：

本发明提出的新型多功能二维材料生长设备可以通过激光刻蚀生长衬底来改变晶体结构，利用刻蚀后暴露出的悬键、指定方向刻蚀后衬底表面能差异和二维材料分子不同取向在表面形成能差异调控二维材料成核行为，间接控制二维材料成核生长过程，也可以刻蚀生长的二维材料薄膜，形成微纳图形，制备微纳图形二维材料，还可以利用低能量激光照射，为刻蚀区域的反应产物分子提供能量，二维材料分子在此区域能获得更高能量并实现更长距离迁移，实现二维材料的区域选择生长，通过调整激光波长和偏转元件及反射镜调整角度，使激光照射不同位置，实现更多功能。

附图说明

图1为本发明的新型多功能二维材料生长设备的刻蚀组件示意图；

图2为本发明的新型多功能二维材料生长设备的整体图；

图中：容纳组件1，观察窗11，刻蚀组件2，激光器21，偏转元件22，半透反射镜,3，反射镜24，聚焦透镜25，监测组件3，进气口4，样品台5，真空组件6；

以本发明为目的的实现功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了更加清楚完整的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。

请参考图1-图2，本发明提出一种新型多功能二维材料生长设备包括刻蚀组件2，其中：

刻蚀组件2包括激光器21以及设置于激光器21一侧的偏转元件22和半透反射镜23，半透反射镜23两侧各设有一个反射镜24，两个反射镜24底部一侧设有聚焦透镜25，激光器21发射的光束依次经过偏转元件22偏射、半透反射镜23反射后形成两束相干光束，并分别经过两个反射镜24并反射至聚焦透镜25上，最后激光光束聚焦于衬底表面，对反应物完成低能量照射和高能量激光照射，或用于刻蚀衬底。

在本实施方式中：

激光器21用于发射激光光束；

偏转元件22用于使激光照射于半透反射镜；

半透反射镜23用于将激光光束分成两束相干光束；

聚焦透镜25用于聚焦光束；

反射镜24用于反射激光光束，并与偏转元件22共同控制相干光束角度；

具体的，激光器21发射的光束先经过偏转元件22进行照射至半透反射镜23上，并形成两束相干光束，随后两束激光光束依次经过左右两侧的反射镜24反射至聚焦透镜25上，最后经过观察窗11进行照射至衬底上，通过调整激光波长和反射镜24、偏转元件22可以控制激光刻蚀的位置，无需额外的机械移动装置，既节约刻蚀所需时间，又提高控制精准度，使激光能在二维成核、生长阶段完成刻蚀，实现调控作用；

本发明中激光具有多种工作模式，通过配合不同的激光波长和光束角度，可以通过干涉刻蚀修饰生长衬底表面晶格结构间接控制成核生长行为优化晶体取向和质量，也可以通过激光刻蚀成核的二维材料晶畴控制成核过程获得特殊维纳结构，最后还可以刻蚀二维材料形成图形化二维材料，实现多功能生长。

在一个实施例中，二维材料经过成核、合并就完成了生长，生长过程相比于体材料更加迅速，因此可以利用激光刻蚀调控呈核能直接影响生长的二维材料质量与形状，激光干涉刻蚀可以很容易的形成微纳周期性结构，形成的微纳结构能对二维材料成核生长过程起到调控作用；

其次生长二维材料的衬底不仅仅是二维材料的支撑层，更是影响二维材料成核、晶畴合并的关键要素，刻蚀后的衬底表面会产生周期性的结构，表面能、原子结构均出现周期性变化，不同位置处的二维材料分子在衬底上吸附能与迁移能产生差异，可实现选择性成核，通过设计刻蚀方向，可以使衬底上不同取向的二维材料晶畴形成能产生差异，二维材料晶畴将沿着形成能最低的方向生长，相同晶向的二维材料合并后就能形成单晶二维材料薄膜，生长出高质量二维材料；

最后，在生长过程中利用激光进行低能量照射，还能为刻蚀区域的反应产物分子提供能量，二维材料分子在此区域能获得更高能量并实现更长距离迁移，实现二维材料的区域选择生长，经过激光照射区域的设计，就能实现特殊结构的二维材料生长，在生长过程中利用激光进行高能量刻蚀，也可以直接编辑薄膜图案，获得微纳图形的二维材料，便于实现微纳器件应用。

在一个实施例中，刻蚀组件2的波长、功率、偏转元件22及反射镜24角度可以根据不同的实际需求进行调整，来满足不同刻蚀位置、刻蚀深度、刻蚀图案的需求。

进一步的，还包括容纳组件1，容纳组件1内部设有生长室，刻蚀组件2位于容纳组件1顶部一侧；

还包括真空组件6，真空组件6设于生长室底部，真空组件6与容纳组件1固定连接；

真空组件6顶部还设有样品台5，样品台5与真空组件6固定。

在本实施方式中：

容纳组件1用于提供一个反应腔体；

真空组件6用于抽空生长室内部的气体；

具体的，生长室外部设有冷却系统，冷却系统通过冷却水循环来为生长室内部降温，来进行控制生长室的温度，样品台5上设置有加热元件配合冷却系统升温降温，真空组件6设置在反应腔体的底部，真空组件6上还包括支撑样品台5的支撑轴，样品台5放置在支撑轴上，真空组件6的抽气口设置在样品台5底部一侧，样品台5上用于放置衬底，样品台5对衬底进行加热，同时配合生长室外部的冷却系统进行温度，灵活升降温以满足带有多种工艺流程。

在一个实施例中，本发明可以使用适用于六方氮化硼、过渡金属硫族化合物等不同二维材料的生长，样品台5上的生长衬底可以根据实际情况进行选择，包括但不限于蓝宝石、Si/SiO₂、云母。

进一步的，生长室顶部还设有多个均匀分布的进气口4，多个进气口4朝向样品台5一侧。

在本实施方式中：

进气口4用于通入气体；

具体的，出气口均匀分布于生长室顶部，使载气和前驱气体在生长室内均匀分布，向下的气流还能阻挡腔室内反应物沉积在观察窗11上影响刻蚀和测量准确性。

进一步的，容纳组件1顶部一侧还设有监测组件3，监测组件3包括红外测温元件和拉曼光谱测量元件。

在本实施方式中：

红外测温可以进行测量反应室内部的温度；

拉曼光谱测量元件用于测量二维材料的结构特征；

具体的，监测组件3还可以根据实际情况进行设置其他的元件。

进一步的，容纳组件1还包括设于生长室顶部的观察窗11，激光器21发射的光束透过观察窗11照射至衬底上。

在本实施方式中：

观察窗11用于提供光束进入窗口；

具体的，整个容纳组件1处于密封状态，容纳组件1顶部设置有观察窗11，观察窗11上设置有刻蚀组件2和监测组件3，刻蚀组件2与监测组件3通过观察窗11将光束照射至生长室内部。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，基于本实施方式，本领域的普通技术人员在没有做出任何创造性劳动的前提下所获得其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

Claims (7)

1.一种新型多功能二维材料生长设备，其特征在于，包括刻蚀组件，其中：

所述刻蚀组件包括激光器以及设置于所述激光器一侧的偏转元件和半透反射镜，所述半透反射镜两侧各设有一个反射镜，两个所述反射镜底部一侧设有聚焦透镜，所述激光器发射的光束依次通过所述偏转元件偏射、所述半透反射镜反射后形成两束相干光束，并分别经过两个所述反射镜并反射至所述聚焦透镜上，最后激光光束聚焦于衬底表面，对反应物完成低能量照射和高能量激光照射，或用于刻蚀衬底。

2.根据权利要求1所述的新型多功能二维材料生长设备，其特征在于，还包括容纳组件，所述容纳组件内部设有生长室，所述刻蚀组件位于所述容纳组件顶部一侧。

3.根据权利要求2所述的新型多功能二维材料生长设备，其特征在于，还包括真空组件，所述真空组件设于所述生长室底部，所述真空组件与所述容纳组件固定连接。

4.根据权利要求3所述的新型多功能二维材料生长设备，其特征在于，所述真空组件顶部还设有样品台，所述样品台与所述真空组件固定。

5.根据权利要求4所述的新型多功能二维材料生长设备，其特征在于，所述生长室顶部还设有多个均匀分布的进气口，多个进气口朝向所述样品台一侧。

6.根据权利要求5所述的新型多功能二维材料生长设备，其特征在于，所述容纳组件顶部一侧还设有监测组件，所述监测组件包括红外测温元件和拉曼测量元件。

7.根据权利要求2所述的新型多功能二维材料生长设备，其特征在于，所述容纳组件还包括设于所述生长室顶部的观察窗，所述激光器发射的光束透过所述观察窗照射至衬底上。