一种用于二维材料制备的垂直式化学气相沉积装备

1.本实用新型涉及端装备和半导体微电子材料制备技术领域，具体涉及一种用于二维材料制备的垂直式化学气相沉积装备。


背景技术：

2.二维材料应用的前提是二维材料规模化可控制备，目前除了石墨烯薄膜可以较大规模制备(但所制备的石墨烯薄膜质量有限)外，二维材料如tmds等还没有实现较大面积的高质量可控制备。
3.当前，实验研究制备二维材料技术是采用化学气相沉积法(cvd)或传质法制备，使用的设备基本是基于单一腔体的水平式的反应炉或高温炉(如石英管式炉)。使用这种单一腔室的反应炉制备二维材料如tmds和h-bn等时，都是先将制备二维材料所需的源材料(前驱体)和制备二维材料所需的衬底从大气中直接放入反应炉中，然后抽真空、加热等步骤而制备。此种反应炉具有结构简单、使用方便、成本较低的特点；同时，相对于其他材质的反应炉(如不锈钢管)，石英管式炉的石英管使用后易于清洁、循环使用。但是制备过程仍存在许多缺陷或不足，包括：空气中的物质对源材料(前驱体)和衬底的污染、气态的源材料在反应炉中分布/传输不均匀、无法对衬底表面进行原位预处理与改性等，从而导致在二维材料在衬底上成核难以控制、制备的二维材料均匀性差，最终导致所制备的二维材料质量差。
4.专利【zl201220182955.x、zl201210163121.9、zl201210134598.4、zl201220143736.0、zl201210201571.2】均公开了采用多腔室结构连续化制备二维薄膜的装备技术，上述专利技术主要针对石墨烯薄膜的制备而设计，且没有涉及衬底旋转。但是，石墨烯薄膜的制备与其他二维材料如tmds的制备不同，制备二维tmds材料需要不同的化学组分的前驱体源材料，源材料的蒸汽压一般都比较低，这不利于在反应炉内传输气态的源材料(前驱体)到达衬底表面，故除了前面提到的问题，还需精确控制衬底与源材料的位置、源材料到达衬底的分布均匀性等。为此，我们提出了一种用于二维材料制备的垂直式化学气相沉积装备。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于解决或至少缓解现有技术中所存在的问题。
6.本实用新型所述的气相制备是指制备二维材料的前驱体(源材料)以气态形式传输到衬底表面而反应生长二维材料，但前驱体本身也可以是固体粉末，通过加热形成气相前驱体，提供一种用于二维材料制备的垂直式化学气相沉积装备，包括有：
7.垂直式腔体结构的反应室，作为二维材料制备容器；
8.至少一个设置于反应室上的加热装置，用于对反应室的可控加热，依据二维材料制备所需可布置成单温区、双温区或多温区结构；
9.至少一个连通于反应室的气路系统，用于向反应室提供不同气压的一种或多种气体；
10.设置于反应室内的样品生长及传递件，用于二维材料的均匀气相沉积制备及样品传输取放；
11.布置于反应室顶部的真空系统，用于对反应室抽真空并维持反应室的真空环境。
12.可选地，所述反应室的外围设置有用于对反应室外壁进行水冷降温以减少温差影响的水冷系统。
13.可选地，所述样品生长及传递件包括有：
14.送样杆和样品托，用于样品在反应室内的传输取放；
15.布置于样品托上的衬底，以使二维材料在衬底表面的成核与生长；
16.设置于反应室内腔下部并从下至上向衬底表面供给制备二维材料所需前驱体的反应前驱体；
17.其中，样品生长及传递件内置有用于驱动样品托旋转的驱动件以使二维材料在衬底表面均匀制备。
18.可选地，所述反应前驱体为不同材质的第一反应前驱体、第二反应前驱体、预沉积前驱体中的一种或多种组合。
19.可选地，所述预沉积前驱体设置于衬底上，且预沉积前驱体为前驱体预沉积膜。
20.可选地，所述反应室内还设有用于激发气态物质形成等离子体以大幅降低反应温度的等离子体系统，且等离子体系统设置于衬底周围。
21.可选地，所述等离子体系统的射频电源功率在0-500w之间可调。
22.可选地，所述反应室内的真空度在常压至1.0
×
10-5
pa之间可调。
23.本实用新型主要具备以下有益效果：
24.1、本实用新型可沿垂直方向供给前驱体，减小重力对前驱体均匀性的影响，使得二维材料生长所需的前驱体可以均匀达到衬底表面，配合放置衬底的样品托的旋转，使制备的二维材料均匀，可以在大尺寸衬底表面均匀制备适合于光电子器件用的高质量(晶体结构完整、缺陷少)的二维材料(薄膜)。
25.2、本实用新型利用水冷系统对反应室腔壁进行冷却，可保证反应室内的温度稳定，且提供了合适功率的等离子辅助生长，可以大幅降低反应所需的温度，并改善传质的均匀度，能够在大尺寸衬底表面均匀地制备高质量的二维tmds材料或二维tmds薄膜，以满足半导体器件、芯片应用。
附图说明
26.下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种用于二维材料制备的垂直式化学气相沉积装备的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
27.图1为本实用新型中实施例1的结构示意图；
28.图2为本实用新型中实施例2的结构示意图；
29.图3为本实用新型中实施例3的结构示意图；
30.图4为本实用新型中实施例4的结构示意图。
31.图中：反应室10、加热装置20、第一加热件201、第二加热件202、水冷系统30、气路系统40、第一气路系统401、第二气路系统402、样品生长及传递件50、送样杆501、样品托502、衬底503、第一反应前驱体504、第二反应前驱体505、预沉积前驱体506、真空系统60、等
离子体系统70。
具体实施方式
32.下面结合附图1-4和实施例对本实用新型进一步说明：
33.实施例1
34.本实施例提供一种用于二维材料制备的垂直式化学气相沉积装备，参照附图1，包括有：
35.垂直式腔体结构的反应室10，作为二维材料制备容器，垂直式的反应室10腔体结构，沿垂直方向传质，保证前驱体在反应室10内分布更均匀；本实施例中，反应室由耐高温的材料制备成中空状，比如刚玉、石英、不锈钢制备成管式状或者其他形状，优选石英管；
36.两组分别设置于反应室10上的第一加热件201和第二加热件202，依据二维材料制备所需布置成双温区，用于对反应室10的可控加热；本实施例中，反应室10的温度在室温至1100℃之间可调；
37.连通于反应室10的第一气路系统401和第二气路系统402，用于向反应室10提供不同气压的一种或多种气体；本实施例中，第一气路系统401和第二气路系统402均至少包括有气体罐(气体源)、控制阀(valve)、质量流量计(mfc)；
38.设置于反应室10内的样品生长及传递件50，用于二维材料的均匀气相沉积制备及样品传输取放；
39.布置于反应室10顶部的真空系统60，用于对反应室10抽真空并维持反应室10的真空环境，本实施例中，反应室10内的真空度在常压至1.0
×
10-5
pa之间可调。
40.本实施例中，如图1所示，所述样品生长及传递件50包括有：
41.送样杆501和样品托502，用于样品在反应室10内的传输取放；
42.布置于样品托502上的衬底503，以使二维材料在衬底503表面的成核与生长；
43.设置于反应室10内腔下部并从下至上向衬底503表面供给制备二维材料所需前驱体的反应前驱体；本实施例中，所述反应前驱体为不同材质的第一反应前驱体504和第二反应前驱体505，第一反应前驱体504和第二反应前驱体505为两种不同的固体粉末，分别在第一加热件201和第二加热件202区域进行加热，且可以理解的是，根据实际需要，可只使用一个或多个加热装置20或者气路系统40也可设计一个或多个气路系统；
44.其中，样品生长及传递件50内置有用于驱动样品托502旋转的驱动件以使二维材料在衬底503表面均匀制备。
45.实施例2
46.本实施例提供一种用于二维材料制备的垂直式化学气相沉积装备，参照附图2，包括有：
47.垂直式腔体结构的反应室10，作为二维材料制备容器，垂直式的反应室10腔体结构，沿垂直方向传质，保证前驱体在反应室10内分布更均匀；本实施例中，反应室由耐高温的材料制备成中空状，比如刚玉、石英、不锈钢制备成管式状或者其他形状，优选石英管；
48.一个设置于反应室10上的加热装置20，依据二维材料制备所需布置成单温区，用于对反应室10的可控加热；本实施例中，反应室10的温度在室温至1100℃之间可调；
49.连通于反应室10的第一气路系统401和第二气路系统402，用于向反应室10提供不
同气压的一种或多种气体；本实施例中，第一气路系统401和第二气路系统402均至少包括有气体罐(气体源)、控制阀(valve)、质量流量计(mfc)；
50.设置于反应室10内的样品生长及传递件50，用于二维材料的均匀气相沉积制备及样品传输取放；
51.布置于反应室10顶部的真空系统60，用于对反应室10抽真空并维持反应室10的真空环境，本实施例中，反应室10内的真空度在常压至1.0
×
10-5
pa之间可调。
52.本实施例中，如图2所示，所述样品生长及传递件50包括有：
53.送样杆501和样品托502，用于样品在反应室10内的传输取放；
54.布置于样品托502上的衬底503，以使二维材料在衬底503表面的成核与生长；
55.设置于反应室10内腔下部并从下至上向衬底503表面供给制备二维材料所需前驱体的反应前驱体；本实施例中，所述反应前驱体为设置于衬底503上的预沉积前驱体506，且预沉积前驱体506为前驱体预沉积膜，由于反应不涉及其他固体或液体前驱体，故只需要一个加热装置20，以对衬底503所在区域进行加热；可以理解的是，在实际使用中可根据需要，设置更多加热装置20以便对涉及固体或液体前驱体的材料制备提供加热条件；且气路系统40也可设计一个或多个气路系统；
56.其中，样品生长及传递件50内置有用于驱动样品托502旋转的驱动件以使二维材料在衬底503表面均匀制备。
57.实施例3
58.本实施例提供一种用于二维材料制备的垂直式化学气相沉积装备，参照附图3，包括有：
59.垂直式腔体结构的反应室10，作为二维材料制备容器，垂直式的反应室10腔体结构，沿垂直方向传质，保证前驱体在反应室10内分布更均匀；本实施例中，反应室由耐高温的材料制备成中空状，比如刚玉、石英、不锈钢制备成管式状或者其他形状，优选石英管；
60.两个设置于反应室10上的加热装置20，即第一加热件201和第二加热件202，依据二维材料制备所需可布置成单温区、双温区或多温区结构，用于对反应室10的可控加热；本实施例中，反应室10的温度在室温至1100℃之间可调；
61.连通于反应室10的第一气路系统401和第二气路系统402，用于向反应室10提供不同气压的一种或多种气体；本实施例中，第一气路系统401和第二气路系统402均至少包括有气体罐(气体源)、控制阀(valve)、质量流量计(mfc)；
62.设置于反应室10内的样品生长及传递件50，用于二维材料的均匀气相沉积制备及样品传输取放；
63.布置于反应室10顶部的真空系统60，用于对反应室10抽真空并维持反应室10的真空环境，本实施例中，反应室10内的真空度在常压至1.0
×
10-5
pa之间可调。
64.本实施例中，如图3所示，所述反应室10的外围设置有用于对反应室10外壁进行水冷降温以减少温差影响的水冷系统30，使得反应室10内的温度更集中，减少温差对材料生长的影响。
65.本实施例中，如图3所示，所述样品成长及传递件50包括有：
66.送样杆501和样品托502，用于样品在反应室10内的传输取放；
67.布置于样品托502上的衬底503，以使二维材料在衬底503表面的成核与生长；
68.设置于反应室10内腔下部并从下至上向衬底503表面供给制备二维材料所需前驱体的反应前驱体；本实施例中，所述反应前驱体为不同材质的第一反应前驱体504和第二反应前驱体505，第一反应前驱体504和第二反应前驱体505为两种不同的固体粉末，分别在第一加热件201和第二加热件202区域进行加热，且可以理解的是，根据实际需要，可只使用一个或多个加热装置20或者气路系统40也可设计一个或多个气路系统；
69.其中，样品生长及传递件50内置有用于驱动样品托502旋转的驱动件以使二维材料在衬底503表面均匀制备。
70.实施例4
71.本实施例提供一种用于二维材料制备的垂直式化学气相沉积装备，参照附图4，包括有：
72.垂直式腔体结构的反应室10，作为二维材料制备容器，垂直式的反应室10腔体结构，沿垂直方向传质，保证前驱体在反应室10内分布更均匀；本实施例中，反应室10由耐高温的材料制备成中空状，比如刚玉、石英、不锈钢制备成管式状或者其他形状，优选石英管；
73.两个设置于反应室10上的加热装置20，即第一加热件201和第二加热件202，依据二维材料制备所需可布置成单温区、双温区或多温区结构，用于对反应室10的可控加热；本实施例中，反应室10的温度在室温至1000℃之间可调；
74.连通于反应室10的第一气路系统401和第二气路系统402，用于向反应室10提供不同气压的一种或多种气体；本实施例中，第一气路系统401和第二气路系统402均至少包括有气体罐(气体源)、控制阀(valve)、质量流量计(mfc)；
75.设置于反应室10内的样品生长及传递件50，用于二维材料的均匀气相沉积制备及样品传输取放；
76.布置于反应室10顶部的真空系统60，用于对反应室10抽真空并维持反应室10的真空环境，本实施例中，反应室10内的真空度在常压至1.0
×
10-5
pa之间可调。
77.本实施例中，如图4所示，所述反应室10的外围设置有用于对反应室外壁进行水冷降温以减少温差影响的水冷系统30，使得反应室10内的温度更集中，减少温差对实验结果的影响。
78.本实施例中，如图4所示，所述样品生长及传递件50包括有：
79.送样杆501和样品托502，用于样品在反应室10内的传输取放；可以理解的是，送样杆501和样品托502在反应室10内的相对位置可调；
80.布置于样品托502上的衬底503，以使二维材料在衬底503表面的成核与生长；
81.设置于反应室10内腔下部并从下至上向衬底503表面供给制备二维材料所需前驱体的反应前驱体；本实施例中，所述反应前驱体为设置于衬底503上的预沉积前驱体506和设置于反应室10内腔下部的第二反应前驱体505，分别在第一加热件201和第二加热件202区域进行加热，且可以理解的是，根据实际需要，可只使用一个或多个加热装置20或者气路系统40也可设计一个或多个气路系统；
82.其中，样品生长及传递件50内置有用于驱动样品托502旋转的驱动件以使二维材料在衬底503表面均匀制备。
83.本实施例中，如图4所示，所述反应室10内还设有用于激发气态物质形成等离子体以大幅降低反应温度的等离子体系统70，且等离子体系统70设置于衬底503周围，可以理解
的是，等离子体系统70也可在反应前对衬底503进行预处理；本实施例中，等离子体系统70的射频电源功率在0-500w之间可调。
84.根据本实用新型上述实施例的用于二维材料制备的垂直式化学气相沉积装备，制备二维材料的基本步骤包括：
85.(1)将制备二维材料所需的衬底503放置于样品托502，根据实际情况，采用适当的方法(等离子体或退火处理)对衬底503进行预处理；处理时，依据所需的衬底503表面结构，优化处理参数对衬底503进行预处理；
86.(2)将预处理的衬底503通过送样杆501传递到反应室10的特定位置；
87.(3)通过气路系统40将二维材料制备所需的前驱体沿垂直方向均匀传质到衬底503表面，使前驱体在衬底503表面反应成核与生长；其中，反应物/前驱体是由制备二维材料而定，可以是固态、液态或气态，如果是固态或液态则需要通过加热装置20使之转化为气态而传输到衬底503表面。
88.(4)二维材料在衬底503表面制备后，通过样品生长及传递件50将样品从反应室10退出，从而完成使用本装置制备二维材料。
89.在衬底503处理和二维材料制备过程中，样品托502带着衬底502旋转以提高实验的可控性。
90.在本实用新型的描述中，需要说明的是，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。
91.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。