一种二维材料的刻蚀方法

1.本发明属于微电子工艺技术领域，具体涉及二维材料的刻蚀方法。


背景技术：

2.传统的si基集成电路（ics）即将逼近物理极限，需要在新的节点中引入新结构或新材料以延续摩尔定律，而二维材料（二维原子晶体材料）由于原子级厚度、表面无悬挂键以及出色的电学特性，能够有效克服短沟道效应，有望成为下一代集成电路材料的候选者，受到微电子领域广泛的关注。
3.对于二维材料在更小节点下的精细图案的刻蚀，一般需要经过常规的紫外曝光、激光直写和电子束光刻进行图形化，再通过等离子体刻蚀等干法或湿法刻蚀实现最终基于二维材料的图形定义。其中，常规光刻方法中的涂胶、曝光、显影、去胶等步骤较为繁琐，曝光精度还受限于光刻胶的影响，且光刻胶会在二维材料表面残留或直接破坏二维材料表面结构，进一步影响电学性能。所以，在图形化定义方面需要引入一种高精度、无损、无光刻胶沾污且步骤简易的激光刻蚀方法，一步法实现对二维材料的图形化和刻蚀，获得基于二维材料高可控性、高精度的图形，以实现二维材料器件、电路的大规模应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的提供一种新型的二维材料的刻蚀方法，以省略常规光刻等传统图形化方法中的涂胶、显影、去胶等步骤，实现高精度、高可控性、无沾污的二维材料的小尺寸图形，进而实现更小尺寸二维材料的大规模数字逻辑电路，以及其他模拟电路和射频模拟电路的应用。
5.本发明提供的二维材料的刻蚀方法，涉及绝缘衬底、衬底的上单层或多层二维材料、刻蚀激光源波长、刻蚀激光源功率。
6.本发明提供的二维材料的刻蚀方法，具体步骤如下：（1）在绝缘衬底表面制备得到二维材料；（2）激光源根据准备的图案对二维材料表面进行照射，图案范围外的二维材料在该激光照射下被热烧蚀。
7.本发明步骤（1）中，所述绝缘衬底为能够在刻蚀激光照射下保持稳定性质衬底，具体如玻璃衬底、蓝宝石衬底、石英衬底、硅衬底或柔性衬底等任一种；所述二维材料选自二维过渡金属硫化物材料、石墨烯、黑磷等，其制备方法采用物理、化学或金属有机化合物气相沉积形成；或者将已生长好的二维材料晶圆或块材通过剥离的方法转移到目标衬底。
8.本发明步骤（2）中，所述的激光刻蚀，脉冲激光波长范围通常在300nm—1200nm，功率范围通常在100mw—10mw，频率的范围通常在5khz—200khz；根据激光能量需大于所刻蚀二维材料禁带宽度进行参数选择，实现二维材料对激光更高的吸收效率，提高激光刻蚀效率；激光根据预设图案照射，对二维材料的实现图形化热烧蚀，可获得微米级别的高精度、百微米级别的大范围图形。
9.具体地，所述激光根据刻蚀二维材料的带隙不同，对激光器的脉冲激光波长、功率以及频率进行选择，以实现二维材料对激光更高的吸收效率，提高激光刻蚀效率。也可以根据精度需求不同，对激光器的的脉冲激光的波长、功率、频率及时间进行选择；比如，对于高精度的精细刻蚀，可选用较短波长的激光，对于大范围、精度要求较低的刻蚀，可选用较长波长的激光进行刻蚀。
10.本发明设计的新型的二维材料的刻蚀方法与现有光刻定义技术相比具有下列优点和效果：本发明方法，利用高能激光根据定义图案对二维材料薄膜表面进行选择性热烧蚀，一步法获得图形，相比于现有二维材料的常规光刻技术，实现了更高精度的图案定义，并省略了光刻胶以及其他化学物质的引入，保证了二维材料表面的洁净程度，避免了图形定义环节对二维材料性质的改变。通过本发明方法制备获得高精度、高洁净的二维材料晶体管阵列，在大规模集成电路的制造中有广阔的应用前景。
附图说明
11.图1是本发明一种二维材料的刻蚀方法的示意图。
12.图2是本发明中实施例1对二硫化钼激光刻蚀图形化后的光学显微镜图片，其中展示通过该方法制备的大写a字母。
13.图3是本发明中实施例2制备背栅晶体管的工艺流程。
14.图4是本发明中实施例2中激光刻蚀定义沟道与制备背栅器件的光学显微镜图片。
15.图中标号：1为衬底，2为底层二维材料，3为335nm波长光束，4为激光器，5为金电极。
具体实施方式
16.以下将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。附图中给出了本发明的具体实施例及相关图，用来解释本发明的二维材料的刻蚀方法。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的材料或具有相同或类似功能的方法。此处所描述的具体实施方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
17.以下，根据所附附图针对本发明方式的实例进行说明。
18.实施例1:实施例1提供的二维材料刻蚀流程与结构，参见图1所示，包括衬底1，底层二维材料2，335nm波长光束3，激光器4。具体步骤如下：（1）二维材料制备过程：在衬底1表面制备二维材料2。所述衬底1为本领域常用衬底，如蓝宝石衬底、石英衬底、硅衬底、玻璃衬底或柔性衬底的任一种；所述二维材料包括二维过渡金属硫化物材料、石墨烯、黑磷等，其制备方法采用物理、化学或金属有机化合物气相沉积形成；或者将已生长好的二维材料晶圆或块材通过剥离的方法转移到目标衬底。作为具体的一例，本实施例1中选用硅作为衬底，采用化学气相沉积法制备二维材料单层二硫化钼；（2）激光源图形化定义过程：对于单层二硫化钼的激光刻蚀，由于其能带间隙为1.85ev-1.9ev，为了提高激光刻蚀效率，激光能量需大于所刻蚀二维材料禁带宽度，根据计
算可选用335nm波长的激光源，在500mw功率、20khz的频率下，根据预设图案对二硫化钼表面照射10s，照射区域二硫化钼被烧蚀，留下最小线宽为10微米的字母a图案，如图2所示。
19.实施例2:实施例2提供一种二维材料的刻蚀图形化方法以制备背栅晶体管，其工艺流程如图3所示，器件实物光镜图如图4所示，相较于实施例1，所用衬底1，底层二维材料2与实施例1完全相同，采用au金属电极5。图3中，状态（1）是二维材料制备步骤；状态（2）-状态（3）是激光图形化刻蚀步骤；状态（3）—状态（4）为硬掩膜版对准生长源、漏金属电极的制备步骤，其中，二维材料制备、激光图形化刻蚀与实施例1中完全一致，刻蚀结果展示；实施例2中的硬掩膜版对准生长源、漏金属电极的制备，具体步骤如下：硬掩膜版对准生长源、漏金属电极：将硬掩膜版对准激光刻蚀图形化后所保留的二硫化钼区域，利用电子束蒸发设备对源、漏区域蒸镀30nm金电极，完成二硫化钼的背栅晶体管制备。
20.以上，针对本发明的性能可控的二维材料刻蚀方法进行了详细地说明，但本发明不限于以上的例子，在不脱离本发明的要旨的范围中，当然也可以进行各种的改良、变形。


技术特征：
1.一种二维材料的刻蚀方法，其特征在于，涉及绝缘衬底、衬底的上单层或多层二维材料、刻蚀激光源波长、刻蚀激光源功率；具体步骤如下：（1）在绝缘衬底表面制备得到二维材料；（2）激光源根据准备的图案对二维材料表面进行照射，图案范围外的二维材料在该激光照射下被热烧蚀。2.根据权利要求1所述的二维材料的刻蚀方法，其特征在于，步骤（1）中所述绝缘衬底为能够在刻蚀激光照射下保持稳定性质的衬底，具体选自玻璃衬底、蓝宝石衬底、石英衬底、硅衬底、柔性衬底等能够在刻蚀激光照射下保持稳定性质衬底的任一种。3.根据权利要求2所述的二维材料的刻蚀方法，其特征在于，步骤（1）中所述二维材料选自二维过渡金属硫化物材料、石墨烯、黑磷；其制备方法采用物理、化学或金属有机化合物气相沉积方法沉积形成；或者将已生长好的二维材料晶圆或块材通过剥离的方法转移到目标衬底。4.根据权利要求2所述的二维材料的刻蚀方法，其特征在于，步骤（2）中，所述的激光刻蚀，脉冲激光波长为300nm—1200nm，功率为100mw—10mw，频率为5khz—200khz，根据激光能量需大于所刻蚀二维材料禁带宽度进行参数选择，实现二维材料对激光更高的吸收效率，提高激光刻蚀效率；激光根据预设图案照射，对二维材料的实现图形化热烧蚀，获得微米级别的高精度、百微米级别的大范围图形。

技术总结
本发明属于微电子工艺技术领域，具体为一种二维材料的刻蚀方法。本发明方法包括：硅/二氧化硅或蓝宝石等衬底上的单层或多层二维材料的制备、高光束质量的小功率激光聚焦进行图案化刻蚀。本发明利用激光刻蚀方法对二维材料进行图形化，相较于传统的光刻图形化方法，激光刻蚀图形化省略了光刻胶的涂胶、显影、去胶等步骤，避免了以上步骤对二维材料的沾污和破坏，并将图形化和刻蚀同时完成，在实现高精度图形化的同时有效保留了二维材料的本征电学性能。因此，本发明方法在尺寸不断微缩的二维材料先进工艺中有广阔的应用前景。材料先进工艺中有广阔的应用前景。材料先进工艺中有广阔的应用前景。


技术研发人员：包文中 朱宇轩 夏银 邵仁锦 浦东林
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2022.09.19
技术公布日：2022/12/19