CN218932294U - 一种沉积空间可调的二维材料气相沉积装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种沉积空间可调的二维材料气相沉积装置，包括反应管、包裹反应管并对反应管内形成的反应腔室进行控温的炉膛以及用于密封反应管两端的密封装置A和密封装置B，所述密封装置A上带有向反应管供气的进气管，所述密封装置B上带有输出反应管中气体的排气管；所述反应腔室内正对设置有沉积基底和原料载片，所述沉积基底和原料载片的至少一个通过伸缩机构驱动而调整二者的间隙。本申请的气相沉积装置，通过正对布置沉积基底和原料载片，在二者之间形成沉积空间，结合伸缩机构的推动作用，实现了沉积空间可调控，利于实现晶圆级范围内的二维材料的生长行为一致，从而提高了气相沉积产品的质量。

Description

一种沉积空间可调的二维材料气相沉积装置

技术领域

本实用新型属于二维材料气相沉积技术领域，具体涉及一种沉积空间可调的二维材料气相沉积装置。

背景技术

二维材料具有优异的电学、光学、机械性能及多自由度可调控性，不仅广泛应用到催化，纳米摩擦学，微电子学，锂电池，储氢，医疗和光电领域，在未来更优化的电子学器件中具有优势。

现有技术中，一方面，仅通过炉膛对反应管的反应腔室进行整体控温，而反应腔室跨度相对较大，整体控温的方式会引发反应腔室内局部温度波动，尤其当挥发位和沉积位发生温度波动时，会导致样品形貌和质量差异巨大，另一方面，如图1所示，现有的气相沉积装置，在沉积基底上方形成沉积空间，该沉积空间相对不受限且不可调，这种相对自由的沉积方式，一定程度上会影响沉积薄膜的尺寸(如厚度的均匀性)和质量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于至少解决上述问题之一，提供一种沉积空间可调的二维材料气相沉积装置，以便提高气相沉积产品的质量。

本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

一种沉积空间可调的二维材料气相沉积装置，包括反应管、包裹反应管并对反应管内形成的反应腔室进行控温的炉膛以及用于密封反应管两端的密封装置A和密封装置B，所述密封装置A上带有向反应管供气的进气管，所述密封装置B上带有输出反应管中气体的排气管；所述反应腔室内正对设置有沉积基底和原料载片，所述沉积基底和原料载片的至少一个通过伸缩机构驱动而调整二者的间隙。

进一步，所述沉积基底和原料载片均通过伸缩机构驱动，沉积基底和原料载片分别安装在对应伸缩机构的执行端。

进一步，所述伸缩机构包括伸缩驱动机构以及安装在伸缩驱动机构执行端的支撑柱，所述反应管延伸出侧向支管，所述伸缩驱动机构与侧向支管的端部密封装配，所述支撑柱置于侧向支管内，所述沉积基底和原料载片分别安装在对应的支撑柱上。

进一步，所述沉积基底与对应支撑柱的连接处设置有沉积加热板和热电偶探头，所述沉积加热板上设置有基底固定装置。

进一步，所述原料载片与对应支撑柱的连接处设置有挥发加热板和热电偶探头。

进一步，所述支撑柱为石英支撑柱。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的气相沉积装置，通过正对布置沉积基底和原料载片，在二者之间形成沉积空间，结合伸缩机构的推动作用，实现了沉积空间可调控，利于实现晶圆级范围内的二维材料的生长行为一致，从而提高了气相沉积产品的质量。进一步来说，通过加热板和配套的热电偶探头对挥发区域和沉积区域进行局部温控，再耦合炉膛的整体温控，有效改善了沉积生长环境温度均匀性，有助于改善二维材料的沉积均匀性，改善制得的材料的性能。

因此，本实用新型装置有效解决了生产晶圆级二维材料时、沉积基底不同区域的沉积温度的差异，提供一种沉积空间可调、温度均匀的的生长环境，利于生长出大尺寸、均匀的高质量的二维材料。总之，本实用新型能够起到高效，节约人工成本的效果，同时提高了实验效率，保证了生长薄膜材料的尺寸和质量，完全适用于管式炉控制生长二维材料薄膜。此种高度均匀温度场二维材料反应室设备生长二维材料薄膜必将会产生更大的市场空间，具有很强的实用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有气相沉积装置的示意图；

图2是本实用新型优选实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参见图2所示，本实施例公开了一种沉积空间可调的二维材料气相沉积装置，包括反应管1、包裹反应管并对反应管内形成的反应腔室进行控温的炉膛4以及用于密封反应管两端的密封装置A2和密封装置B3，所述密封装置A上带有向反应管供气的进气管，所述密封装置B上带有输出反应管中气体的排气管。

所述反应腔室内正对设置有沉积基底10和原料载片12，所述沉积基底和原料载片的至少一个通过伸缩机构驱动而调整二者的间隙。本实施例中，所述沉积基底和原料载片均通过伸缩机构驱动，沉积基底和原料载片分别安装在对应伸缩机构的执行端，所述伸缩机构包括伸缩驱动机构11以及安装在伸缩驱动机构执行端9的支撑柱8，所述反应管延伸出侧向支管，所述伸缩驱动机构与侧向支管的端部密封装配，所述支撑柱置于侧向支管内，所述沉积基底和原料载片分别安装在对应的支撑柱上，所述支撑柱为石英支撑柱。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述沉积基底与对应支撑柱的连接处设置有沉积加热板6和热电偶探头，所述沉积加热板6上设置有基底固定装置13；所述原料载片与对应支撑柱的连接处设置有挥发加热板7和热电偶探头。

下面进一步对本申请的气相沉积装置进行补充说明：

所述反应腔室占反应管总长度的1/8～7/8，反应腔室通过炉膛进行整体控温，炉膛内设置有炉膛加热丝5和相应的热电偶探头，炉膛加热丝为等螺距螺旋加热丝。

所述的密封装置A和密封装置B可以是行业内公知的能够用于沉积反应管密封的装置，例如可以为法兰；所述的反应管为石英管或刚玉管；所述的反应管优选为直管，进一步优选为圆柱型直管；反应管的长度、内径和壁厚可根据使用需求进行调整；例如，所述的反应管的外径例如为50mm～800mm；壁厚为外径的1～15％。

所述原料载片上开设有原料放置凹槽，原料载片为石英片，厚度优选大于5mm，直径小于反应管半径。石英片上的原料放置凹槽均匀密布，原料放置凹槽的孔径优选大于2mm，小于1/2石英片半径。

所述的反应原料为气体原料或者固体原料。所述的固体原料例如为粉末、颗粒、金属线等材料。例如，所述的原料为WSe₂粉末、WS₂粉末、Se粉、S粉、Te粉，氧化钼等过渡金属和化合物和可能应用的其他基材。

本实用新型装置，可以用于各类二维材料的制备，例如，可以用于纳米薄膜、纳米片、纳米带、超晶格的制备。

本实用新型装置，可以用于高质量的晶圆级二维材料的制备；例如，可以制备厚度为0.7-100nm的二维材料。

当进行物理以及化学气相沉积时，其反应原料设置在原料载片的原料放置凹槽内，沉积基底固定放置于沉积区上，移动两块加热板，使其相距一段合适的距离，形成一个空间限制的生长环境；向反应管中持续通入载气，借助炉膛加热丝对反应腔室进行控温处理，在借助对加热板的温度控制，使原料和沉积基底处于一个温度变化范围小的温度场内。原料在加热下，通过向上挥发，运输到上层的沉积基底上。本实用新型的设置，可使得原料挥发后，在温度均匀、空间限制环境中生长，避免沉积温度不均和紊乱气流的影响，并通过热电偶探头对温度进行实时监测。此外，温度可控、空间限制的沉积方式，极大程度地缩小沉积基底所处的温度场范围，提高了二维材料沉积温度场的均匀性，进一步精确了材料的沉积条件，从而实现高质量二维材料晶圆的制备。

综上所述，本实用新型中，创新地在炉膛内设置具有移动、控温的沉积基底和原料载片，其中沉积基底不仅可以进行移动，实现空间限制，还可以进行控温并进行实时监测，有效地避免基底沉积时的温度不均带来的干扰。本实用新型能够有效地为反应提供温度变化范围小的温度场，与空间限制的生长环境协同，利于实现晶圆级范围内的二维材料的生长行为一致，从而调优晶圆级二维材料的性能。

上述本实用新型所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本实用新型才公开部分数值以举例说明本实用新型的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本实用新型创造保护范围的限制。

同时，上述本实用新型如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种沉积空间可调的二维材料气相沉积装置，包括反应管、包裹反应管并对反应管内形成的反应腔室进行控温的炉膛以及用于密封反应管两端的密封装置A和密封装置B，所述密封装置A上带有向反应管供气的进气管，所述密封装置B上带有输出反应管中气体的排气管；其特征在于：所述反应腔室内正对设置有沉积基底和原料载片，所述沉积基底和原料载片的至少一个通过伸缩机构驱动而调整二者的间隙。

2.根据权利要求1所述的沉积空间可调的二维材料气相沉积装置，其特征在于：所述沉积基底和原料载片均通过伸缩机构驱动，沉积基底和原料载片分别安装在对应伸缩机构的执行端。

3.根据权利要求2所述的沉积空间可调的二维材料气相沉积装置，其特征在于：所述伸缩机构包括伸缩驱动机构以及安装在伸缩驱动机构执行端的支撑柱，所述反应管延伸出侧向支管，所述伸缩驱动机构与侧向支管的端部密封装配，所述支撑柱置于侧向支管内，所述沉积基底和原料载片分别安装在对应的支撑柱上。

4.根据权利要求3所述的沉积空间可调的二维材料气相沉积装置，其特征在于：所述沉积基底与对应支撑柱的连接处设置有沉积加热板和热电偶探头，所述沉积加热板上设置有基底固定装置。

5.根据权利要求4所述的沉积空间可调的二维材料气相沉积装置，其特征在于：所述原料载片与对应支撑柱的连接处设置有挥发加热板和热电偶探头。

6.根据权利要求5所述的沉积空间可调的二维材料气相沉积装置，其特征在于：所述支撑柱为石英支撑柱。

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