图案化二维材料的制备装置的制作方法

1.本发明涉及二维材料制备技术领域，尤其涉及一种图案化二维材料的制备装置。


背景技术：

2.以往大规模集成电路性能的不断提升依赖于新型器件结构的设计以及晶体管尺寸的不断减小。随着摩尔定律逐渐逼近极限，传统的硅基晶体管已达到其极限物理尺寸，隧穿电流的增加影响电路整体的性能和功耗。二维半导体材料具有原子层厚度、表面无悬挂键、高的载流子迁移率等显著区别于硅材料的特征，有望成为后摩尔时代晶体管器件的沟道材料。
3.由于二维材料与硅材料截然不同的结构，基于硅材料的p-n结和沟道材料的图案化形成方法并不适用于二维材料。经过研究发现，化学气相沉积(chemical vapor deposition,cvd)法可以满足二维材料p-n结制备和图案化形成的需求，同时兼顾了样品的高质量、反应过程的可控性、以及与现有集成电路制备工艺的兼容性。
4.但是现有的cvd生长设备大多都是在传统管式炉设备上进行有限改进，所有前驱体的供给受到统一的全局加热的控制，在异质结的合成过程中难以单独控制其中一种组分的合成，使得多种不同组分材料的合成会相互影响，无法满足p-n异质结的合成需求。以及现有的cvd生长设备还存在前驱体或衬底难以在三维方向精确移动，前驱体和衬底之间难以发生相对移动，进而导致难以形成图案化二维材料。


技术实现要素：

5.本发明提供一种图案化二维材料的制备装置，用以解决现有技术中的cvd生长设备存在前驱体或衬底难以在三维方向精确移动的缺陷，实现了衬底在三维方向的精确移动，可以根据所需图案得到图案化二维材料。
6.本发明提供一种图案化二维材料的制备装置，包括有腔体、三维驱动部件、样品固定部件、第一加热部件、抽真空部件和多个气体输送部件；
7.所述三维驱动部件安装在所述腔体底部，所述样品固定部件安装在所述三维驱动部件上，所述第一加热部件安装在所述腔体内，所述第一加热部件用于对所述样品固定部件进行加热，所述抽真空部件与所述腔体连通，所述气体输送部件安装在所述腔体上，所述气体输送部件的出气口位于所述样品固定部件的上方。
8.根据本发明提供的一种图案化二维材料的制备装置，所述图案化二维材料的制备装置还包括有多个固态前驱体供给部件，所述固态前驱体供给部件安装在所述气体输送部件上，所述固态前驱体供给部件与所述气体输送部件连通，所述固态前驱体供给部件上设置有第二加热部件。
9.根据本发明提供的一种图案化二维材料的制备装置，所述图案化二维材料的制备装置还包括有冷却部件，所述冷却部件固定安装在所述腔体内，所述冷却部件用于对所述腔体进行降温。
10.根据本发明提供的一种图案化二维材料的制备装置，所述腔体上设置有观察窗口。
11.根据本发明提供的一种图案化二维材料的制备装置，所述第一加热部件包括有石墨加热器，所述石墨加热器固定安装在所述腔体内。
12.根据本发明提供的一种图案化二维材料的制备装置，所述抽真空部件包括有真空机和真空度检测仪，所述真空机与所述腔体连通，所述真空度检测仪与所述真空机连接。
13.根据本发明提供的一种图案化二维材料的制备装置，所述气体输送部件包括有至少一个管道，所述管道与所述腔体可拆卸连接，所述管道的一端位于所述样品固定部件的上方，所述管道上设置有质量流量计和电磁截止阀，所述质量流量计与所述电磁截止阀连接。
14.根据本发明提供的一种图案化二维材料的制备装置，所述固态前驱体供给部件包括有与所述气体输送部件可拆卸连接的供给块，所述供给块上设置有凹槽，所述气体输送部件与所述供给块的连接处设置有通孔。
15.根据本发明提供的一种图案化二维材料的制备装置，所述冷却部件包括有循环管路，所述循环管路固定安装在所述腔体的内部。
16.根据本发明提供的一种图案化二维材料的制备装置，通过抽真空部件对腔体进行抽真空，当腔体内的真空度达到预设值后，抽真空部件停止工作，然后通过其中一个或多个气体输送部件往腔体内输送惰性气体，当腔体内的气压恢复到常压后，停止往腔体内输送惰性气体。然后通过第一加热部件对样品固定部件上的衬底加热一定的时间，使得衬底的温度达到预设的生长温度。然后通过气体输送部件往样品固定部件输送包含有气态前驱体的混合气体，使得气态前驱体直接输送到样品固定部件上的衬底上。通过三维驱动部件带动样品固定部件上下移动，使得样品固定部件上的衬底与气体输送部件的出气口的直线距离为最佳的反应距离，在气体输送部件的出气口处，气态前驱体与衬底通过化学气相沉积法反应生长二维材料。然后根据所需要的图案，通过三维驱动部件带动样品固定部件不断前后左右的平面移动，实现了衬底在三维方向的精确移动，使得衬底与前驱体之间可以产生相对移动，进而可以根据所需图案得到图案化二维材料。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
18.图1是本发明提供的图案化二维材料的制备装置的结构示意图；
19.附图标记：
20.1：腔体；
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2：三维驱动部件；
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3：样品固定部件；
21.4：第一加热部件；
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5：抽真空部件；
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6：气体输送部件；
22.7：固态前驱体供给部
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8：第二加热部件；
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9：冷却部件；
23.件；
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41：石墨加热器；
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51：真空机；
24.11：观察窗口；
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61：管道；
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62：质量流量计；
25.52：真空度检测仪；
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71：供给块；
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72：凹槽；
26.63：电磁截止阀；
27.91：循环管路。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
29.下面结合图1描述本发明的图案化二维材料的制备装置。
30.如附图1所示，图案化二维材料的制备装置包括有腔体1、三维驱动部件2、样品固定部件3、第一加热部件4、抽真空部件5和多个气体输送部件6。
31.具体来说，三维驱动部件2安装在腔体1底部，样品固定部件3安装在三维驱动部件2上，第一加热部件4安装在腔体1内，第一加热部件4用于对样品固定部件3进行加热，抽真空部件5与腔体1连通，气体输送部件6安装在腔体1上，气体输送部件6的出气口位于样品固定部件3的上方。
32.在使用时，先在样品固定部件3上放置所需的生长衬底并固定，生长衬底包括sio2(300nm)/si、蓝宝石、云母、cu箔等。然后封闭腔体1，通过抽真空部件5对腔体1进行抽真空，当腔体1内的真空度达到预设值(如＜10-5
pa)后，抽真空部件5停止工作，然后通过其中一个或多个气体输送部件6往腔体1内输送惰性气体，当腔体1内的气压恢复到常压后，停止往腔体1内输送惰性气体。然后通过第一加热部件4对样品固定部件3上的衬底加热一定的时间，使得衬底的温度达到预设的生长温度。然后通过气体输送部件6往样品固定部件3输送包含有气态前驱体的混合气体，使得气态前驱体直接输送到样品固定部件3上的衬底上。通过三维驱动部件2带动样品固定部件3上下移动，使得样品固定部件3上的衬底与气体输送部件6的出气口的直线距离为最佳的反应距离，在气体输送部件6的出气口处，气态前驱体与衬底通过化学气相沉积法反应生长二维材料。然后根据所需要的图案，通过三维驱动部件2带动样品固定部件3不断前后左右的平面移动，实现了衬底在三维方向的精确移动，使得衬底与前驱体之间可以产生相对移动，进而可以根据所需图案得到图案化二维材料。
33.其中，在本发明的可选实施例中，腔体1例如为不锈钢腔体1。但是应当了解，腔体1还可以是其他任何合适的材质。
34.其中，在本发明的可选实施例中，三维驱动部件2例如为三维平移台。
35.进一步的，如附图1所示，腔体1上设置有观察窗口11。在使用时，通过结合长焦光学显微镜等设备，可以通过观察窗口11实时监测二维材料的生长情况，实现对其原位生长机理解读。
36.进一步的，样品固定部件3由石墨或氮化硅陶瓷制成，保证了样品固定部件3在具有良好的导热性的同时也更加耐用。
37.进一步的，如附图1所示，第一加热部件4包括有石墨加热器41，石墨加热器41固定安装在腔体1内。在使用时，石墨加热器41对样品固定部件3的底部进行加热，进而使得放置在样品固定部件3上的衬底的温度随着升高，进而使得衬底的温度可以达到预设的反应温
度，使得前驱体可以在衬底上进行反应得到二维材料。
38.进一步的，如附图1所示，抽真空部件5包括有真空机51和真空度检测仪52，真空机51与腔体1连通，真空度检测仪52与真空机51连接。在使用时，当需要对腔体1进行抽真空时，开启真空机51，真空机51开始工作对腔体1进行抽真空，同时真空度检测仪52对腔体1内的真空度进行实时检测，当真空度检测仪52检测到腔体1内的真空度达到了预设值时，真空机51停止工作，使得腔体1内的真空度符合要求，进而保证了图案化二维材料制备的顺利可以进行。
39.进一步的，如附图1所示，气体输送部件6包括有至少一个管道61，管道61与腔体1可拆卸连接，管道61的一端位于样品固定部件3的上方，管道61上设置有质量流量计62和电磁截止阀63，质量流量计62与电磁截止阀63连接。在使用时，可以根据实际需求对管道61进行拆装，通过管道61往样品固定部件3上的衬底输送包含有前驱体的混合气体，质量流量计62则实时检测通过管道61输送到衬底上的气体的量，当质量流量计62检测到输送的气体的量达到了预设的量时，电磁截止阀63将管道61截断，进而停止往衬底输送气体，满足了p-n异质结和图案化二维材料精准合成的要求。
40.其中，在本发明的可选实施例中，管道61例如为石英管。但是应当了解，管道61还可以是其他任何合适的材质。
41.进一步的，如附图1所示，图案化二维材料的制备装置还包括有多个固态前驱体供给部件7，固态前驱体供给部件7安装在气体输送部件6上，固态前驱体供给部件7与气体输送部件6连通，固态前驱体供给部件7上设置有第二加热部件8。
42.在使用时，在部分固态前驱体供给部件7中放入一种化学气相沉积法反应所需的固态前驱体，然后在样品固定部件3上放置所需的生长衬底并固定。然后封闭腔体1，通过抽真空部件5对腔体1进行抽真空，当腔体1内的真空度达到预设值后，通过其中一个或多个气体输送部件6往腔体1内输送惰性气体，直到腔体1内的气压恢复到常压。然后通过第一加热部件4对样品固定部件3上的衬底加热一定的时间，使得衬底的温度达到预设的生长温度。然后通过第二加热部件8对前驱体部件进行加热，使得前驱体部件内的固态前驱体挥发成气体，同时通过与前驱体部件连通的气体输送部件6往样品固定部件3输送惰性气体，气体输送部件6在输送气体到样品固定部件3时，会带动挥发的前驱体一起移动到样品固定部件3上的衬底上。然后通过三维驱动部件2使得样品固定部件3以及样品固定部件3上的衬底根据实际需求在三维方向上移动，进而得到所需图案的第一种图案化二维材料。
43.其中，在本发明的可选实施例中，第二加热部件8例如为电阻丝。但是应当了解，第二加热部件8还可以是其他任何合适的加热件。
44.另一部分固态前驱体供给部件7内放有另外一种固态前驱体，同样对固态前驱体供给部件7内的固态前驱体进行加热，使得固态前驱体发生挥发，然后通过与前驱体部件连通的气体输送部件6往样品固定部件3输送惰性气体，并同时将挥发的前驱体输送到样品固定部件3上，且同时通过三维驱动部件2带动样品固定部件3，使得此时输送气体的气体输送部件6的出气口位于第一种图案化二维材料的晶畴边缘，进而使得另一种前驱体在第一种图案化二维材料的边缘处反应形成第二种图案化二维材料，使得第二种二维材料沿着第一种二维材料的边缘向外生长形成平面内异质结或者沿着第一种二维材料的边缘向内生长形成平面外异质结。实现了在异质结的形成过程中单独控制其中一种组分的合成，然后再
控制另外一种组分的合成，避免了多种不同组分材料之间的合成会互相影响，保证了异质结的质量。
45.其中，如附图1所示，固态前驱体供给部件7包括有与气体输送部件6可拆卸连接的供给块71，供给块71上设置有凹槽72，气体输送部件6与供给块71的连接处设置有通孔。在使用时，将固态前驱体放置在凹槽72内，然后将供给块71安装在气体输送部件6上，然后对供给块71加热，使得供给块71内部的固态前驱体挥发，而凹槽72通过通孔与气体输送部件6连通，则挥发的前驱体会被气体输送部件6往样品固定部件输送的气体带动，使得挥发的前驱体输送到衬底上与衬底发生反应，当需要添加或者更换固态前驱体时，将供给块71从气体输送部件6上拆卸下来即可，简单方便。
46.进一步的，如附图1所示，图案化二维材料的制备装置还包括有冷却部件9，冷却部件9固定安装在腔体1内，冷却部件9用于对腔体1进行降温。在使用时，由于在图案化二维材料的制备过程中需要对衬底或固态前驱体进行加热，腔体1内的温度会不可避免的升高，冷却部件9则可以用于降低腔体1内的温度，使得腔体1内的三维驱动部件2等部件可以保持在合适的工作温度，保证了图案化二维材料的制备装置可以长期稳定运行。
47.其中，如附图1所示，冷却部件9包括有循环管路91，循环管路91固定安装在腔体1的内部。在使用时，将一制冷系统与循环管路91连接，在循环管路91内填充满水，并通过制冷系统对水进行冷却并驱动水不断循环流动，经过制冷系统的低温水在腔体1内循环流动时带走腔体1内的热量，进而实现了对腔体1内的各部件的降温，保证了图案化二维材料的制备装置可以长期稳定运行。
48.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。