一种石墨烯表面选区改性加工方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种石墨烯表面选区改性加工方法及装置，所述方法包括：用激光扫描衬底样片表面的预设区域，以提高所述预设区域覆盖的石墨烯薄膜材料表面的悬挂键数量；采用原子层沉积方法，在所述衬底样片表面进行薄膜沉积，以在所述预设区域生长目标薄膜。本发明专利技术提供的方法及装置，用以解决现有技术中石墨烯薄膜材料表面通常不具有悬挂键等ALD成膜必备条件，存在的难以采用ALD逐原子层沉积生长薄膜的技术问题。实现了增加石墨烯薄膜材料表面对原子层的附着力，从而有利于采用原子层沉积方法进行选区薄膜制备的技术效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体领域，尤其涉及一种石墨烯表面选区改性加工方法及装置。
技术介绍
功能薄膜材料的不断进步推动着电子信息科学的迅速发展。传统电子信息科学的功能材料硅，在尺寸小于10nm线宽时，因尺度效应等物理因素的影响，其器件性能的突破受到极大制约，这迫使人们去探索新材料。自2004年Geim等人发现稳定存在的单原子层碳材料石墨烯以来,以石墨烯为代表的二维薄膜材料的研究不断取得重要的进展。石墨烯的特异光学、电学、热力学以及机械性能，使其在微电子、量子物理、材料、化学等领域都表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景。例如，石墨烯的室温电子迁移率高达15,000cm2/(V-s)，在某些形式下甚至达到200,000cm2/(V-s)；MoS2体材料为间接带隙(0.65eV)，单原子层MoS2为直接带隙(1.79eV)，相比于需要构造带隙的石墨烯材料，可以更有利的运用于场效应晶体管中。而对于这种材料，目前必须要面对的问题，则是如何采用这些二维结构高效、无损的制备出满足应用需求的器件结构。最为典型的就是将石墨烯作为半导体材料，制备高性能的场效应晶体管。随着沿用摩尔定律等比例缩小的微电子工业发展路线，现有的成熟工业生产中需要ALD(AtomicLayerDeposition，采用原子层沉积)在石墨烯这种二维材料上制备超薄高k栅介质。但是高性能石墨烯薄膜材料表面通常不具有悬挂键等ALD成膜必备条件，很难在石墨烯表面采用ALD逐原子层沉积出均匀、高保型性的高k栅介质或其他薄膜。现有方法中即使采用特定溶液旋涂、等离子体轰击等表面修饰方法使石墨烯表面带有合适成膜的悬挂键基团，在栅介质结构制备的后续图形化工艺中，仍因二维薄层材料均匀、无损制备而存在巨大困难。现有后续工艺中，有采用等离子体刻蚀减薄、有机材料转移粘附等图形化制备方案，但是这些方案中刻蚀速率的控制、二维材料基面引入官能团、在二维材料表面造成不规则刻蚀坑、各向异性刻蚀比等关键参数的控制方面，仍存在较大问题，会在制备的石墨烯等二维材料中引入非常严重的缺陷，将会限制其在器件方面的应用。也就是说，现有技术中石墨烯薄膜材料表面通常不具有悬挂键等ALD成膜必备条件，存在难以采用ALD逐原子层沉积生长薄膜的技术问题。
技术实现思路
本专利技术通过提供一种石墨烯表面选区改性加工方法及装置，解决了现有技术中石墨烯薄膜材料表面通常不具有悬挂键等ALD成膜必备条件，存在的难以采用ALD逐原子层沉积生长薄膜的技术问题。一方面，为解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：一种石墨烯表面选区改性加工方法，所述方法包括：用激光扫描衬底样片表面的预设区域，以提高所述预设区域覆盖的石墨烯薄膜材料表面的悬挂键数量；采用原子层沉积方法，在所述衬底样片表面进行薄膜沉积，以在所述预设区域生长目标薄膜。可选的，所述用激光扫描衬底样片表面的预设区域之前，还包括：设定所述激光的波长、功率和扫描路径。可选的，所述激光的波长为极紫外150nm至近红外1500nm。可选的，所述激光为脉冲激光；所述激光的单脉冲宽度为10-8s～10-12s。可选的，所述激光通过镜组聚焦；所述激光聚焦光斑的直径为0.1μm～5mm。可选的，所述石墨烯薄膜材料的原子层数为1～50层。可选的，所述目标薄膜为高k栅介质；所述高k栅介质的材料具体为：Al2O3、ZrO2、HfO2、HfSiOx、SiO2、TiN、La2O3、LaAlOx或HfLaOx。可选的，所述用激光扫描衬底样片表面的预设区域之前，还包括：抽取真空，以使所述衬底样片处于真空度为1×105～1×10-9Pa的真空环境中。可选的，所述用激光扫描衬底样片表面的预设区域之前，还包括：输入气体，以使所述衬底样片处于所述气体氛围中；所述气体具体为以下任意一种或多种气体的混合：氧气、氢气、氮气、氦气和氩气。另一方面，提供一种石墨烯表面选区改性加工装置，所述装置包括：激光扫描腔体，所述激光扫描腔体内设置有载片平台；所述激光扫描腔体上设置有光学窗口法兰组件和用于取放衬底样片的进样通道；激光光源和镜组阵列，所述激光光源发出的激光经所述镜组阵列聚焦后，通过所述光学窗口法兰组件，扫描所述载片平台上放置的衬底样片表面的预设区域，以提高所述预设区域覆盖的石墨烯薄膜材料表面的悬挂键数量；原子层沉积设备腔体，所述原子层沉积设备腔体通过样片传输管道与所述激光扫描腔体连通；其中，当激光扫描后的所述衬底样片经所述样片传输管道进入所述原子层沉积设备腔体后，采用原子层沉积方法，在所述衬底样片表面进行薄膜沉积，以在所述预设区域生长目标薄膜。本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：1、本申请实施例提供的方法及装置，采用激光扫描成所设计的图形结构，使得扫描范围内的石墨烯薄膜材料表面引入大量悬挂键或者缺陷，以增加预设图形结构范围内石墨烯薄膜材料表面对原子层的附着力，从而有利于采用原子层沉积方法进行选区薄膜制备，生长出均匀、高保型性的高k栅介质等薄膜。2、本申请实施例提供的方法及装置，需制备的目标薄膜材料在石墨烯薄膜上均匀原位展开，可避免多次转移以及中间层材料造成的缺陷以及环境污染等问题。同时，该方法与硅基器件大规模制造工艺通融，可使高性能二维薄膜材料器件的制造研发沿用大规模平面印刷工艺，工艺流程简单可控，重复性好，可用于自动化宏量生产。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本申请实施例中石墨烯表面选区改性加工方法的流程图；图2为本申请实施例中石墨烯表面选区改性加工装置的结构图。具体实施方式本申请实施例通过提供一种石墨烯表面选区改性加工方法及装置，解决了现有技术中石墨烯薄膜材料表面通常不具有悬挂键等ALD成膜必备条件，存在的难以采用ALD逐原子层沉积生长薄膜的技术问题。实现了增加预设图形结构范围内石墨烯薄膜材料表面对原子层的附着力，从而有利于采用原子层沉积方法进行选区薄膜制备的技术效果。为解决上述技术问题，本申请实施例提供技术方案的总体思路如下：本申请提供一种石墨烯表面选区改性加工方法，所述方法包括：用激光扫描衬底样片表面的预设区域，以提高所述预设区域覆盖的石墨烯薄膜材料表面的悬挂键数量；采用原子层沉积方法，在所述衬底样片表面进行薄膜沉积，以在所述预设区域生长目标薄膜。本申请实施例提供的方法及装置，采用激光扫描成所设计的图形结构，使得扫描范围内的石墨烯薄膜材料表面引入大量悬挂键或者缺陷，以增加预设图形结构范围内石墨烯薄膜材料表面对原子层的附着力，从而有利于采用原子层沉积方法进行选区薄膜制备，生长出均匀、高保型性的高k栅介质等薄膜。为了更好的理解上述技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本专利技术实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。实施例一在本实施例中，提供了一种石墨烯表面选区改性加工方法，请参考图1，图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯表面选区改性加工方法，其特征在于，所述方法包括：用激光扫描衬底样片表面的预设区域，以提高所述预设区域覆盖的石墨烯薄膜材料表面的悬挂键数量；采用原子层沉积方法，在所述衬底样片表面进行薄膜沉积，以在所述预设区域生长目标薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯表面选区改性加工方法，其特征在于，所述方法包括：用激光扫描衬底样片表面的预设区域，以提高所述预设区域覆盖的石墨烯薄膜材料表面的悬挂键数量；采用原子层沉积方法，在所述衬底样片表面进行薄膜沉积，以在所述预设区域生长目标薄膜。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用激光扫描衬底样片表面的预设区域之前，还包括：设定所述激光的波长、功率和扫描路径。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光的波长为极紫外150nm至近红外1500nm。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光为脉冲激光；所述激光的单脉冲宽度为10-8s～10-12s。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光通过镜组聚焦；所述激光聚焦光斑的直径为0.1μm～5mm。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨烯薄膜材料的原子层数为1～50层。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标薄膜为高k栅介质；所述高k栅介质的材料具体为：Al2O3、ZrO2、HfO2、HfSiOx、SiO2、TiN、La2O3、LaAlOx或HfLaOx。8.如权利要求1-7任一所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：解婧，屈芙蓉，卢维尔，李楠，张庆钊，夏洋，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11