本实用新型专利技术属于气相沉积设备领域，具体涉及一种具有均匀温度场的二维材料气相沉积装置，包括反应管、以及包裹反应管并对反应管腔室进行控温的炉膛；炉膛控温的相应反应管腔室为温控区，所述的温控区分为气流上游的挥发区以及位于气流下游的沉积区，其中，对沉积区控温的对应炉膛内设置有螺距渐变的螺旋加热丝以及多个温度探头。本实用新型专利技术中，通过所述结构的加热丝B以及温度探头联合创新，能够利于改善温度的均匀性，改善二维材料的沉积效果。改善二维材料的沉积效果。改善二维材料的沉积效果。
A two-dimensional material vapor deposition device with uniform temperature field
【技术实现步骤摘要】
一种具有均匀温度场的二维材料气相沉积装置
[0001]本技术属于二维材料气相沉积
，具体涉及一种具有均匀温度场二维材料气相沉积装置。
技术介绍
[0002]二维材料具有优异的电学和光学性质，广泛的应用于催化，纳米摩擦学，微电子学，锂电池，储氢，医疗和光电领域。但大尺寸，均匀，高定向的单层二维材料薄膜的可控生长是其实际应用中的一大阻碍。中科院物理所张广宇团队自主搭建了两英寸多源化学气相沉积设备，成功制备了2英寸MoS2晶圆。2020年，该团队进一步改进化学气相沉积设备，将设备尺寸扩展到四英寸并将源通路从3路增加至7路，同时蓝宝石衬底垂直放置，成功外延得到4英寸连续单层MoS2膜。南京大学王欣然团队采用类似设备，并改用C/A面蓝宝石作为基底制备了两英寸同取向单晶MoS2晶圆。最近，北京大学刘开辉团队利用a面蓝宝石表面及台阶与二维半导体的相互作用，通过CVD法成功实现了2英寸单晶WS2单层膜的制备，并展示该基底同样适用于单晶MoS2、WSe2和MoSe2的外延生长。但是所获得的单晶MoS2、WSe2和MoSe2尺寸均为百微米级。晶圆级TMD的普适性制备仍需要进一步努力。
[0003]现有技术中，很难克服变温区温度跨度范围广，温度波动起伏大，导致不同位置，即不同温度区域沉积的样品形貌和质量差异巨大的困难，从而严重影响薄膜的尺寸和质量。
技术实现思路
[0004]为解决现有技术存在的问题，本技术目的在于提供一种具有均匀温度场二维材料气相沉积装置，旨在实现基底所处温度场的均匀性，利于实现晶圆级范围内二维材料的生长行为一致，从而改善制得的晶圆级二维材料的性能。
[0005]一种具有均匀温度场的二维材料气相沉积装置，包括反应管、密封反应管两端的密封装置A和密封装置B、以及包裹反应管并对反应管腔室进行控温的炉膛；所述的密封装置A上带有向反应管供气的进气管；密封装置B设置有输出反应管中气体的排气管；炉膛控温的相应反应管腔室为温控区，所述的温控区分为位于密封装置A侧的挥发区以及位于密封装置B侧的沉积区，对挥发区控温的对应炉膛内设置有加热丝A和用于探测加热丝A温度的温度探头A，对沉积区控温的对应炉膛内设置有加热丝B和用于探测加热丝B温度的温度探头B，所述的温度探头B的数量大于或等于2个；所述的加热丝B为螺旋加热丝，且其螺距沿气流方向渐变增加。
[0006]本技术中，创新地在加热沉积区的炉膛内设置具有螺距渐变的螺旋加热丝，其中螺旋加热丝缠绕的密度逐步减小，进一步配合多温度探头B的联合，如此能够调控沉积区温度缓慢、稳步降低，避免温度扰动带来的干扰，利于温度实时监测。本技术能够有效改善沉积区温度的均匀性，利于制得晶圆级范围内二维材料的生长行为一致，利于改善制得的晶圆级二维材料的性能。
[0007]本技术中，所述的密封装置A和B可以是行业内公知的能够用于沉积反应管密封的装置，例如可以为法兰。
[0008]本技术中，所述的反应管为石英管或刚玉管。
[0009]所述的反应管优选为直管，进一步优选为圆柱型直管。
[0010]反应管的长度、内径和壁厚可根据使用需求进行调整。
[0011]例如，所述的反应管的外径例如为50mm～800mm；壁厚为外径的1～15％。
[0012]本技术中，所述的装置还包括炉膛，所述的炉膛包覆在部分反应管的外周。且炉膛内壁和反应管的外壁允许含有间隙。也即是，反应管穿过炉膛的加热腔内，其两端裸露在加热腔外。
[0013]本技术中，受炉膛控温的反应管的腔室(位于炉膛加热腔内的对应反应管腔室)定义为温控区。优选地，温控区的长度占反应管总长度的1/8～7/8。
[0014]本技术中，所述的温控区通过炉膛进行控温。进一步优选通过设置在炉膛上的加热丝(电阻丝)进行控温。例如，通过加热丝A对挥发区进行控温，通过加热丝B对沉积区进行控温。
[0015]优选地，所述的加热丝A为螺旋加热丝(弹簧状结构)。
[0016]优选地，所述的加热丝A为等螺距螺旋加热丝。所述的等螺距指不同区域的螺旋缠绕的密度相同。
[0017]本技术中，加热挥发区对应炉膛的顶部和底部均设置有加热丝A。
[0018]本技术中，可根据反应原料的数量，进一步调控加热丝A的数量。例如，所述的加热丝A沿气流方向，设置有两组。例如，底部以及顶部，沿气流方向，均设置有两组的加热丝A。
[0019]本技术中，温度探头A设置在加热丝A的附近，例如，二者的距离小于或等于3cm。优选地，温度探头A设置在位于底部的加热丝A的附加，且每组加热丝A设置一个温度探头。
[0020]本技术中，在加热沉积区的炉膛内设置有加热丝B；所述的加热丝B 呈螺旋的弹簧状结构，且加热丝B的螺距沿气流方向渐变增加。也即是，所述的加热丝沿气流方向的螺旋密度渐变降低。
[0021]作为优选，加热沉积区的炉膛的顶部和底部均设置有加热丝B。
[0022]本技术中，所述的加热丝A和B，可以放置在炉膛的内壁中，还可以借助于固定支架固定在炉膛上。
[0023]作为优选，温度探头B设置在加热丝B的附近，例如，二者的距离小于或等于3cm。优选地，温度探头B设置在位于底部的加热丝B的附近。进一步优选，温度探头B的数量为3～6个，且其沿加热丝B的长度方向均匀设置。
[0024]本技术中，所述的温度探头A和B可以是行业内公知的能够探测温度的设备，例如，可以是热电偶探头。
[0025]本技术中，所述的挥发区放置有盛放原料的原料托盘(例如为瓷舟)，所述的原料托盘数可根据原料的数量进行调整。例如，当进行物理气相沉积时，其原料托盘的数量可以是一个。当进行化学气相沉积时，所述的原料托盘可以是一个或者多个。
[0026]本技术中，所述的沉积区设置有沉积基底，优选地，所述的沉积基底竖置(垂
直管道轴向方向放置)在沉积区。也即是，所述的沉积基底的平面垂直于反应管长度方向。
[0027]本技术研究发现，将沉积基底垂直反应管道长度方向放置，进一步配合所述的渐变螺旋加热丝以及温度探头，可以协同，极大程度减小了基底所处横向温度场范围，进一步提高二维材料沉积温度场的均匀性，并且可以方便地通过调节该垂直放置基底的位置(即基底与源的间距)来精确调控其生长温度，可实现晶圆级范围内二维材料一致的生长行为、质量和均匀性，从而实现二维材料晶圆的制备。本技术的结构在晶圆级二维材料的气相沉积方面具有更优的应用效果。
[0028]所述的沉积基底可以借助于自身重力竖立在反应管内，也可以借助于固定装置进行固定。所述的沉积基底和沉积区的内壁允许存在间隙。优选地，所述的沉积基底的平面面积可以为沉积区横截面积的10～60％。
[0029]本技术一种优选的具有均匀温度场的二维材料气相沉积装置，包括反应管以及用于密封反应管两端的密封装置A和密封装置B；其中密封装置A上带有向反应管供气的进气管；密封装置B设置有输出反应管本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种具有均匀温度场的二维材料气相沉积装置，包括反应管、密封反应管两端的密封装置A和密封装置B、以及包裹反应管并对反应管腔室进行控温的炉膛；所述的密封装置A上带有向反应管供气的进气管；密封装置B设置有输出反应管中气体的排气管；炉膛控温的相应反应管腔室为温控区，所述的温控区分为位于密封装置A侧的挥发区以及位于密封装置B侧的沉积区，其特征在于，对挥发区控温的对应炉膛内设置有加热丝A和用于探测加热丝A温度的温度探头A，对沉积区控温的对应炉膛内设置有加热丝B和用于探测加热丝B温度的温度探头B，所述的温度探头B的数量大于或等于2个；所述的加热丝B为螺旋加热丝，且其螺距沿气流方向渐变增加。2.如权利要求1所述的具有均匀温度场的二维材料气相沉积装置，其特征在于，所述的密封装置A和B均为法兰。3.如权利要求1所述的具有均匀温度场的二维材料气相沉积装置，其特征在于，所述的反应管为石英管或刚玉管。4.如权利要求1所述的具有均匀温度场的二维材料气相沉积装置，其特征在于，所述的加热丝A为螺旋加热丝。5.如权利要求4所述的具有均匀温度场的二维材料气相沉积装置，其特征在于，所述的加热丝A为等螺距螺旋加热丝。6.如权利要求1所述的具有均匀温度场的二维材料气相沉积装置，其特征在于，加热挥发区对应炉膛的顶部和底部均设置有加热丝A。7....
【专利技术属性】
技术研发人员：段曦东，李佳，宋蓉，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：新型
国别省市：
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