无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法

1.本发明涉及一种无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法。


背景技术：

2.近年来，二维材料引起了纳米光电子领域的研究热潮。大部分二维材料层内原子通过共价键或离子键连接，束缚力强，而层间通过范德华力结合。这种层状结构赋予了二维材料独特的光电性能，如可调谐的电子能带结构、高载流子迁移率等，在构筑高性能光电子器件方面已经展示出巨大潜力。
3.单层或者少层二硫化钼材料作为常见稳定的二维半导体材料中的一员，具有较高的迁移率与较好的空气中稳定性。由于其具有较高的本征吸收率、合适的带隙宽度与根据材料层数带隙宽度可变的特点，常作为可见光光吸收材料用于光伏与光探测器件。
4.二硫化钼作为光吸收材料，构建周期性纳米结构被认为可有效地改善其由于厚度过薄所带来的光吸收率低的问题。在材料表面制作周期性结构的常用手段包括直接刻蚀材料表面、溅射生长金属阵列、制备介质光栅等。其中直接刻蚀材料表面工艺简单，不引入其他材料且不影响后续处理。
5.目前对于少层二硫化钼材料的图案制备方法大致为：电子束曝光或者光刻后，使用反应离子刻蚀等半导体刻蚀方法，其优点是图形可控，与传统光刻工艺兼容。然而复杂的图形化工艺会引入光刻胶等杂质而不利于保持材料表面洁净度，复杂的工艺过程会造成工艺成本的提高。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，可减小多余杂质的引入。
7.本发明采用的技术方案为：一种无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，其特征在于其步骤包括：
8.(1)、将二硫化钼膜转移到衬底上，所述衬底上已经制备好待转移的周期性图案；
9.(2)、常压、空气氛围中升温，达到指定温度后，通入惰性气体保温一段时间，得到上有与衬底图案相对应的周期性微孔图案的二硫化钼膜。
10.二硫化钼材料来源可为本领域公知的常规方法，如直接剥离法，化学气相沉积法。
11.优选的，步骤(2)中指定温度为300-400℃，保温时间为30～180min。
12.优选的，步骤(1)中转移具体为先超声清洗并使用酒精润湿衬底，再使用pdms拾取所需二硫化钼膜并在真空环境中将其平贴于衬底上，在真空环境中60-80℃加热10～20min，直至二硫化钼膜被释放且残余酒精被蒸发；最后在常温常压下依次使用丙酮，酒精，去离子水浸泡清洗，加热烘干，待降至室温后再进行步骤(2)的升温。
13.优选的，步骤(1)中所述二硫化钼膜厚度为10nm～100nm，即少层二硫化钼材料。
14.优选的，二硫化钼膜厚度为10～50nm时，步骤(2)中指定温度为300-350℃，保温时
间为60～180min。
15.优选的，二硫化钼膜厚度大于50nm且小于等于100nm时，步骤(2)中指定温度为350-400℃，保温时间为30～120min。
16.优选的，步骤(2)中通入的惰性气体为40sccm～200sccm的氮气或者氩气，反应压强为一个标准大气压。
17.优选的，步骤(2)中升温速率为5℃/min。
18.优选的，衬底上周期性图案为微米孔或微米柱，其深度或高度为二硫化钼膜厚度的1～10倍。
19.优选的，步骤(1)中在真空环境下进行转移。
20.本发明的优点在于操作简单，成本低廉，对材料污染小。首先在空气氛围下，随着温度的上升，由于衬底图案而导致的材料不平整为二硫化钼与氧气的反应提供了位点，形成氧-钼键。升温完成后，在惰性高温环境中，二硫化钼材料中的氧-钼键与硫-钼键逐渐被破坏，硫空位缺陷开始产生，在一定积累后将破坏所在材料结构，产生三角形/六角形孔洞，继续推进时间将使孔洞扩大加深并让孔洞形状向圆形变化并最终破坏材料。又因为图案化衬底与之前空气加热时产生的氧-钼键使得材料表面产生不平衡，为这种空位缺陷的产生提供了辅佐，使得空位倾向于以衬底周期为模板产生相变，在与衬底接触的位置二硫化钼结构被破坏，由此得到周期性图案。在制作图案化二硫化钼过程中基本不会在二硫化钼材料上引入杂质。在真空环境下转移二硫化钼，可以更少的引入杂质。
附图说明
21.图1为20nm二硫化钼刻蚀afm图。
22.图2为图1所示二硫化钼高度随距离变化图。
23.图3为100nm硫化钼刻蚀光学显微镜照片。
24.图4为衬底光学显微镜图片。
25.图5为实施例3中得到的硅片-二硫化钼的结构示意图。
具体实施方式
26.以下对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。
27.实施例1：100nm二硫化钼的微米孔刻蚀
28.1.使用标准光刻工艺在衬底上刻蚀出周期性微米柱，刻蚀深度为100nm，得到图4所示的具有周期性微米柱图案的氮化镓衬底。
29.2.对1中衬底超声清洗并使用氧气进行功率40w，30s的反应离子刻蚀，再使用酒精润湿。使用pdms(聚二甲基硅氧烷)拾取已剥离的二硫化钼材料(厚度～100nm)在真空环境中，将其平贴于衬底上，真空中80℃加热20min，至残余酒精被蒸发；抬起pdms，依次使用丙酮，酒精，去离子水浸泡清洗衬底与材料，加热烘干。
30.3.将2中所得物品放入石英舟并送入管式炉反应腔，在100sccm氮气速流中以5℃/
min的速率升温至350℃，常压退火120分钟，得到直径2微米的周期孔。
31.4.重复2中干法转移过程，将刻蚀后的材料转移至所需衬底(平整硅片)上，得到图3所示图像。
32.实施例2：20nm二硫化钼的微米孔刻蚀
33.1.使用标准光刻工艺在衬底上刻蚀出周期性微米柱，刻蚀深度为100nm，得到具有周期性微米柱图案的氮化镓衬底。
34.2.对1中衬底超声清洗并使用氧气进行功率40w，30s的反应离子刻蚀，再使用酒精润湿。使用pdms(聚二甲基硅氧烷)拾取已剥离的二硫化钼材料(厚度～20nm)在真空中将其平贴于衬底上，真空环境中80℃加热20min，至残余酒精被蒸发；抬起pdms，依次使用丙酮，酒精，去离子水浸泡清洗衬底与材料，加热烘干。
35.3.将2中所得物品放入石英舟并送入管式炉反应腔，在100sccm氮气速流中以5℃/min的速率升温至350℃，常压退火60分钟，得到直径2微米的周期孔。
36.4.重复2中干法转移过程，将刻蚀后的材料转移至所需衬底(平整硅片)上。得到图1、2所示afm图像。
37.实施例3：
38.本实施例步骤与实施例1基本一致，区别在于使用标准光刻工艺在衬底上刻蚀出周期性微米孔，刻蚀深度为100nm，得到具有周期性微米孔图案的氮化镓衬底。最终得到的二硫化钼形成阵列式的微米圆形膜，将二硫化钼转移到硅片上以后，得到的结构如图5所示。


技术特征：
1.一种无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，其特征在于其步骤包括：(1)、将二硫化钼膜转移到衬底上，所述衬底上已经制备好待转移的周期性图案；(2)、常压、空气氛围中升温，达到指定温度后，通入惰性气体保温一段时间，得到上有与衬底图案相对应的周期性微孔图案的二硫化钼膜。2.根据权利要求1所述的无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，其特征在于步骤(2)中指定温度为300-400℃，保温时间为30～180min。3.根据权利要求1所述的无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，其特征在于：步骤(1)中转移具体为先超声清洗并使用酒精润湿衬底，再使用pdms拾取所需二硫化钼膜并在真空环境中将其平贴于衬底上，在真空环境中60-80℃加热10～20min，直至二硫化钼膜被释放且残余酒精被蒸发；最后在常温常压下依次使用丙酮，酒精，去离子水浸泡清洗，加热烘干，待降至室温后再进行步骤(2)的升温。4.根据权利要求1所述的无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，其特征在于：步骤(1)中所述二硫化钼膜厚度为10nm～100nm。5.根据权利要求4所述的无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，其特征在于：二硫化钼膜厚度为10～50nm时，步骤(2)中指定温度为300-350℃，保温时间为60～180min。6.根据权利要求4所述的无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，其特征在于：二硫化钼膜厚度大于50nm且小于等于100nm时，步骤(2)中指定温度为350-400℃，保温时间为30～120min。7.根据权利要求1所述的无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，其特征在于：步骤(2)中通入的惰性气体为40sccm～200sccm的氮气或者氩气，反应压强为一个标准大气压。8.根据权利要求1所述的无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，其特征在于：步骤(2)中升温速率为5℃/min。9.根据权利要求1所述的无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，其特征在于：衬底上周期性图案为微米孔或微米柱，其深度或高度为二硫化钼膜厚度的1～10倍。10.根据权利要求1所述的无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，其特征在于：步骤(1)中在真空环境下进行转移。

技术总结
本发明公开了一种无掩膜制备二硫化钼微孔图案的方法，其步骤包括：(1)、将二硫化钼膜转移到衬底上，所述衬底上已经制备好待转移的周期性图案；(2)、常压、空气氛围中升温，达到指定温度后，通入惰性气体保温一段时间，得到上有与衬底图案相对应的周期性图案的二硫化钼膜。本发明方法操作简单，设备要求低，而且能减小多余杂质引入。小多余杂质引入。小多余杂质引入。


技术研发人员：陶涛 蒋砚南 蒋迪 严羽 赵红 谢自力
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2022.07.19
技术公布日：2022/10/25