二维纳米薄膜制备装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种二维纳米薄膜制备装置，包括：衬底储存室，沉积室，取样室，以及样品传送室，所述样品传送室包括样品运送装置，至少用以在样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的衬底储存室、沉积室或取样室之间传送所述衬底和/或样品。进一步还可包括镀膜室等，并且所述镀膜室亦能够与所述样品传送室真空级联。本发明专利技术还公开了一种二维纳米薄膜制备方法。藉由本发明专利技术的装置及方法可实现二维纳米薄膜材料在硅或其它硬质半导体、介质材料衬底上的大面积直接生长，并能与基于硅工艺的半导体技术加工流水线相匹配，方便后续器件加工与应用，特别是还具有低能耗、可连续自动化作业的优点，工艺可控性、稳定性和重复性高，产品质量稳定优良。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种二维纳米薄膜的制备装置及方法，特别是一种能与硅工艺技术等匹配的连续、自动化生产二维纳米薄膜的制备装置及方法，属于二维纳米材料制备领域。
技术介绍
二维纳米材料如石墨烯、硅烯、锗烯、氮化硼、层状过镀金属硫化物、黑磷等因自身独特的物理化学特性，在透明导电电极、高频电子器件、光伏元件、储能等诸多领域中有着巨大的应用潜力。相较于机械剥离、溶液化学剥离、热裂解等方法，化学气相沉积法(CVD)可用于制备大面积、高质量的二维纳米薄膜材料，同时能最大程度地保持材料的本征特性，并且成本低廉，是目前最切合工业应用需求的制备方法近年来，为了满足市场对二维纳米薄膜材料的需求，已有一些适用于大批量生产二维纳米薄膜的设备和方法提出。例如，SONY公司将化学气相沉积系统与卷对卷技术集成，推出了可在铜、镍金属箔片上连续化生产100米石墨烯薄膜的技术设备。CN102976318B、CN103469308A等文献在其基础上，分别对箔片的进样和收集装置进行了改进，以提高工艺的稳定性和可重复性。然而，这类设备是基于金属箔片进行二维纳米薄膜的化学气相沉积生长，后期需要通过化学或电化学转移工艺将薄膜转移至硅等基底上，才能进行后续器件加工应用，其在转移过程中由于表面张力和金属箔片的粗糙表面容易造成薄膜的破损、折叠、褶皱和表界面残留等缺陷，不能确保薄膜的高品质质量，而且转移工序繁复，难以进行市场推广。在硅或其它硬质衬底上直接制备二维纳米薄膜材料能够避免上述问题，且方便后续器件应用制作，能与当前基于硅工艺的半导体技术加工流水线相匹配。但现有的二维纳米薄膜材料制备工艺只适用于柔性金属箔片衬底，对于硅及其它硬质衬底不适用。虽然有研究人员进行一些在硅等介质材料上直接生长石墨烯等二维材料的尝试研究，但其均无法大规模实施，特别是其形成的材料质量和重复性都难以得到保障，其主要的原因可能在于：其一，常压和低真空度条件下的生长，前驱体气流量和配比的扰动对成核影响大，难以精确控制；所倚赖的超过1000℃高温长时间(﹥1hr)生长，能耗高，不适宜大规模工业化生产；其二，当前所采用的制备方法各工艺设备和流程相互分立，容易因表面吸附等问题影响二维薄膜材料的生长和最终材料质量。此外，现有的对单片基底进行人工操作或半自动化制备模式，往往会因为中间流程环节的不一致，导致生长的稳定性不一，且生产效率低下。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的主要目的在于提供一种二维纳米薄膜制备装置及方法，其能与硅工艺技术等匹配。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：在一些实施例中提供了一种二维纳米薄膜制备装置，其包括：衬底储存室，至少用于提供衬底；沉积室，至少用以提供适于在所述衬底上生长二维纳米薄膜而形成样品的环境；取样室，至少用以收集所述样品；以及，样品传送室，包括：样品运送装置，至少用以在样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的衬底储存室、沉积室或取样室之间传送所述衬底和/或样品。在一些实施例中，所述二维纳米薄膜制备装置还包括：镀膜室，至少用以提供适于对所述衬底进行预处理而利于二维纳米薄膜生长的环境，并且所述镀膜室亦能够与所述样品传送室真空级联；在一些实施例中，所述二维纳米薄膜制备装置还包括：人机交互操作系统界面，至少用以对所述衬底或样品于各腔室之间的传送操作、二维纳米薄膜的生长过程进行实时监测和控制。在一些较为优选的实施例中，所述衬底可选自硬质衬底，特别是与硅工艺匹配的衬底。在一些实施例中提供了一种二维纳米薄膜制备方法，其可以包括：以样品传送室内的样品运送装置将衬底从衬底储存室中取出，并移送入沉积室，以在所述衬底上生长二维纳米薄膜而形成样品，之后将所述样品从沉积室中取出，并移送入取样室；并且，至少在将所述衬底或样品于前述的任意两个腔室之间传送时，该任意两个腔室之间均保持真空级联。在一些较为优选的实施例中，所述二维纳米薄膜制备方法主要是基于所述的二维纳米薄膜制备装置而实施的。较之现有技术，藉由本专利技术提供的二维纳米薄膜制备装置及方法，可实现二维纳米薄膜材料在硅或其它硬质半导体、介质材料衬底上的大面积直接生长，并能与当前基于硅工艺的半导体技术加工流水线相匹配，方便后续器件加工与应用，特别是还具有低能耗、可连续自动化作业的优点，工艺可控性、稳定性和重复性高，产品质量稳定优良。附图说明图1是本专利技术一实施方案中与硅工艺技术匹配的二维纳米薄膜材料制备装置的结构示意图；图2是本专利技术一实施方案中机械传送装置内样品托盘的结构示意图；图3是本专利技术一实施方案中机械传送装置中的传动机械手臂的结构示意图；附图标记说明：衬底储备室1，镀膜室2，样品传送室3，化学气相沉积室4，取样室5，阀门11、12、13、14、15、16，气路21、22、23、24、25，抽真空装置31、32、33、34、35，样品承载台41、42、43、44、45，样品处理装置51、52、53，冷却系统61、62，沉积系统71、72，热屏蔽系统81，82，83，传动装置91，轨道92，机械手臂93。具体实施方式本专利技术的一个方面提供了一种二维纳米薄膜制备装置。在一些实施例中，所述二维纳米薄膜制备装置可以包括：衬底储存室，至少用于提供衬底；沉积室，至少用以提供适于在所述衬底上生长二维纳米薄膜而形成样品的环境；取样室，至少用以收集所述样品；以及，样品传送室，包括：样品运送装置，至少用以在样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的衬底储存室、沉积室或取样室之间传送所述衬底和/或样品。在一些较为具体的实施例中，所述沉积室至少可选自化学、物理气相沉积室中的一种或多种。进一步的，所述沉积室可以包括高温生长区和等离子体发生器。其中，所述高温生长区可设有加热装置，例如，较为典型的适用加热装置可以选自电阻加热、红外加热、激光加热、电子束加热装置中的一种或多种的组合。在一些实施例中，藉由所述加热装置可实现的加热温度范围为室温～2000℃。其中，所述等离子体发生器可选自但不限于射频等离子体发生器、电感耦合等离子体发生器中的一种或多种的组合。在一些实施例中，所述等离子体发生器的功率可以为0～5000W。在一些较为具体的实施例中，所述的二维纳米薄膜制备装置还可包括：镀膜室，至少用以提供适于对所述衬底进行预处理而利于二维纳米薄膜生长的环境，并且所述镀膜室亦能够与所述样品传送室真空级联。在一些较为优选的实施例中，所述衬底储存室、镀膜室、沉积室以及取样室环绕布置于样品传送室周围。在一些较为优选的实施例中，所述的二维纳米薄膜制备装置中是以样品传送室为中心真空级联衬底储存室、镀膜室、沉积室以及取样室等。在一些实施例中，在所述二维纳米薄膜制备装置工作时，衬底放置于衬底储存室并由衬底储存室中取出，依次经镀膜室预处理，化学气相沉积室生长二维薄膜材料，并传送收集于取样室。制备流程的工序衔接由样品传送室中的可控机械装置完成取样、放样和传动。在一些实施例中，所述镀膜室包括高温和/或等离子体处理单元和/或物理气相沉积系统和/或化学气相沉积系统。其中，所述物理气相沉积系统可包括溅射镀膜系统、电子束蒸发镀膜系统、热蒸镀系统中的任意一种或多种的组合，且不限于此。在一些较为优选的实施例中，所述样品运送装置选自能够以平面式传输方式将所述衬底或样本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维纳米薄膜制备装置，其特征在于包括：衬底储存室，至少用于提供衬底；沉积室，至少用以提供适于在所述衬底上生长二维纳米薄膜而形成样品的环境；取样室，至少用以收集所述样品；以及，样品传送室，包括：样品运送装置，至少用以在样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的衬底储存室、沉积室或取样室之间传送所述衬底和/或样品。

【技术特征摘要】
1.一种二维纳米薄膜制备装置，其特征在于包括：衬底储存室，至少用于提供衬底；沉积室，至少用以提供适于在所述衬底上生长二维纳米薄膜而形成样品的环境；取样室，至少用以收集所述样品；以及，样品传送室，包括：样品运送装置，至少用以在样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的衬底储存室、沉积室或取样室之间传送所述衬底和/或样品。2.根据权利要求1所述的二维纳米薄膜制备装置，其特征在于还包括：镀膜室，至少用以提供适于对所述衬底进行预处理而利于二维纳米薄膜生长的环境，并且所述镀膜室亦能够与所述样品传送室真空级联；优选的，所述衬底储存室、镀膜室、沉积室以及取样室环绕布置于样品传送室周围；优选的，所述镀膜室包括高温和/或等离子体处理单元和/或物理气相沉积系统和/或化学气相沉积系统；优选的，所述物理气相沉积系统包括溅射镀膜系统、电子束蒸发镀膜系统、热蒸镀系统中的任意一种或两种以上的组合。3.根据权利要求1所述的二维纳米薄膜制备装置，其特征在于：所述沉积室至少选自化学、物理气相沉积室中的任意一种；优选的，所述沉积室包括高温生长区和等离子体发生器；进一步的，所述高温生长区设有加热装置，所述加热装置包括电阻加热、红外加热、激光加热、电子束加热装置中的任意一种或两种以上的组合；进一步的，所述等离子体发生器包括射频等离子体发生器、电感耦合等离子体发生器中的任意一种或两种以上的组合；和/或，优选的，所述样品运送装置选自能够以平面式传输方式将所述衬底或样品在真空级联的任意两个腔室之间进行传送的样品运送装置；进一步的，所述样品运送装置包括：机械传动装置，至少用以实现在样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的腔室之间进行衬底或样品的取放和传送，样品托盘，至少用以临时存放所述衬底和/或样品，转盘，至少用以驱使样品托盘按设定角度转动而到达设定位置；优选的，至少在所述衬底储存室或取样室内还设有一个以上样品托；优选的，所述机械传动装置包括至少一滑轨和至少一机械手臂，所述机械手臂能于所述滑轨上自由移动。4.根据权利要求1-3中任一项所述的二维纳米薄膜制备装置，其特征在于：所述二维纳米薄膜制备装置还包括：真空发生装置，至少用以使样品传送室和/或能够与所述样品传送室真空级联的任一腔室内形成真空环境；优选的，所述真空环境的真空度为10-1Pa～10-8Pa；进一步的，所述真空发生装置包括机械泵和/或分子泵机组；和/或，所述二维纳米薄膜制备装置中至少两个可相互连通的腔室之间还分布有可开合闸门；优选的，至少在所述衬底储存室和能够与所述样品传送室真空级联的任一腔室之间设有可开合闸门；和/或，所述样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的腔室中的至少一个腔室还与温度调控机构连接；优选的，所述温度调控机构包括分布于所述样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的腔室中的至少一个腔室腔壁内的冷却机构；进一步优选的，所述冷却机构选自双层水冷系统；和/或，所述样品传送室和能够与所述样品传送室真空级联的腔室中的至少一个腔室还具有一个以上气体连接口，所述气体连接口与单一气源连接或与混气盒连接，所述混气盒的入口至少并联有两个以上气路；和/或，所述二维纳米薄膜制备装置还包括：人机交互操作系统界面，至少用以对所述衬底或样品于各腔室之间的传送操作、二维纳米薄膜的生长过程进行实时监测和控制。5.根据权利要求1所述的二维纳米薄膜制备装置，其特征在于所述衬底选自...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，俞强，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32