制造部分獨立式二維晶體膜的方法和包括這樣的膜的器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及制造部分獨立式二維(2D)晶體膜的方法，該方法包括提供在第一表面上承載用于形成二維晶體膜的催化劑層的襯底以及在催化劑層上形成二維晶體膜。
[0002]本發(fā)明還涉及包括部分獨立式二維晶體膜的器件。
【背景技術(shù)】
[0003]諸如石墨烯、氮化硼、二硫化鎢和二硫化鉬晶體之類的2D晶體由于這樣的材料潛在地展現(xiàn)出的獨特性質(zhì)而吸引著大量關(guān)注。例如，除導(dǎo)電2D晶體(諸如石墨烯)作為導(dǎo)體在電子電路和電光器件中的應(yīng)用之外，這樣的材料理論上能夠形成極其有效的氣密屏障層，該氣密屏障層可以使用在各種各樣的應(yīng)用中，諸如水凈化隔膜、DNA測序隔膜、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)材料的保護(hù)層、用于深UV光刻應(yīng)用的過濾器(filter)。
[0004]然而，在獲得具有足夠高的質(zhì)量以展現(xiàn)出所預(yù)測的性質(zhì)的2D晶體方面的重要阻礙是在制造過程中，2D晶體(例如石墨烯)必須從2D晶體已經(jīng)形成到其上的第一襯底或催化物箔轉(zhuǎn)移到2D晶體要應(yīng)用到其上的第二襯底。這樣的轉(zhuǎn)移過程可以例如通過以下實現(xiàn):在2D晶體的所暴露表面上形成光致抗蝕劑層(例如PMMA層)和/或熱釋放膠帶以在襯底或箔的移除和所釋放的2D晶體向目標(biāo)襯底的隨后轉(zhuǎn)移期間支撐2D晶體，在完成轉(zhuǎn)移過程之后從2D晶體移除該光致抗蝕劑層和/或熱釋放膠帶。例如，諸如PMMA之類的光致抗蝕劑層可以通過利用合適溶劑的清洗步驟來移除，而熱釋放膠帶可以通過將膠帶加熱到其分解溫度以上來分解。轉(zhuǎn)移過程的示例在US 2012/0282419 Al中公開，其公開了一種形成充當(dāng)氣體和濕氣屏障的石墨烯保護(hù)膜的方法。該方法包括通過將包含碳源的反應(yīng)氣體和熱量供給到襯底來在襯底上產(chǎn)生石墨烯膜；以及通過干法過程、濕法過程或卷對卷過程將石墨烯膜轉(zhuǎn)移在柔性襯底上以利用石墨烯膜涂覆柔性襯底。
[0005]存在歸因于這樣的轉(zhuǎn)移過程的若干問題。首先，支撐材料的隨后移除在2D晶體上留下支撐材料的碎片，例如PMMA碎片或膠帶粘合劑碎片，該碎片負(fù)面地影響諸如石墨烯之類的2D晶體的電氣性質(zhì)。而且，轉(zhuǎn)移過程期間的2D晶體中的折疊、裂縫、針孔和其它缺陷的形成實際上是不可能避免的，該缺陷使2D晶體的電氣和屏障性質(zhì)降級。
[0006]US 7,988,941 B2和US 8, 075, 864 B2每一個公開了一種大體無缺陷的獨立式石墨烯片。然而，由于這些石墨烯片需要進(jìn)一步處置，例如放置在目標(biāo)襯底上，因此難以避免在進(jìn)一步處置期間的缺陷創(chuàng)建。而且，在實踐上難以在不引入缺陷的情況下增加這樣的石墨烯片的大小。
[0007]這凸顯了石墨烯的工業(yè)化方面的一個主要瓶頸，即可以在沒有引入針孔和裂縫的風(fēng)險的情況下處置的至少部分獨立式石墨烯層的可得到性，其中石墨烯層的獨立式部分可以具有范圍從幾nm2到數(shù)百cm 2及以上的面積使得其可以用作例如過濾器或隔膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明力圖提供一種產(chǎn)生可以更為簡單地處置的部分獨立式2維晶體膜的方法。
[0009]本發(fā)明還力圖提供一種包括這樣的部分獨立式2維晶體膜的器件。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種制造部分獨立式二維晶體膜的方法，該方法包括提供在第一表面上承載用于形成二維晶體層的催化劑層的載體；在催化劑層上形成二維晶體膜；
利用保護(hù)層覆蓋至少二維晶體膜；
蝕刻載體的第二表面中的腔體，該第二表面與第一表面相對，所述腔體終止于催化劑層上；從腔體蝕刻催化劑層的所暴露部分；以及移除保護(hù)層，從而獲得在所述腔體之上獨立的二維晶體膜。
[0011]本發(fā)明的方法提供二維晶體膜，諸如例如石墨烯、氮化硼、二硫化鎢和二硫化鉬以及金屬硫族化合物(dichalcogenide)晶體膜，其中二維晶體膜的一部分是獨立的，但是膜的邊緣通過由載體形成的支撐結(jié)構(gòu)來支撐，使得可以在不引入膜中的缺陷的情況下處置膜。該方案允許形成大面積獨立式二維晶體膜，其大體無缺陷并且可以用作例如過濾或隔膜結(jié)構(gòu)而不要求精密處置，因為二維晶體膜的獨立式部分由所述支撐結(jié)構(gòu)支撐。
[0012]在實施例中，二維晶體膜是石墨烯晶體膜。在實施例中，二維晶體膜可以具有大約0.3-50nm的厚度，例如包括高達(dá)100個石墨烯層，或者大約20_40nm的厚度，例如包括50-100個左右的石墨烯層。在可替換實施例中，二維石墨烯晶體膜是單個層，諸如單個石墨烯層。二維晶體膜的厚度可以通過形成步驟的持續(xù)時間以及通過控制用于形成二維晶體膜的前驅(qū)體材料的量來控制。
[0013]在二維石墨烯晶體膜的情況下，催化劑層可以是銅、鎳、鉑或釕層中的一個。銅、鎳、鉑和釕全部已知為合適的石墨化催化劑并且因此是用于形成催化劑層的合適材料。銅和鎳特別合適。
[0014]盡管可以使用任何合適的載體，但是載體優(yōu)選地是具有氧化物表面層的硅襯底，因為這樣的襯底可以在全世界大多數(shù)半導(dǎo)體代工廠中進(jìn)行常規(guī)處理。在該實施例中，保護(hù)層可以是附加地覆蓋氧化物表面層的所暴露部分的氮化物層。氮化物電介質(zhì)層(例如氮化硅層)具有抵擋基于硅的半導(dǎo)體器件制造過程中所使用的許多蝕刻配方的良好抵抗性并且因此特別適合作為二維晶體膜之上的保護(hù)層。
[0015]在實施例中，蝕刻襯底的第二表面中的腔體的步驟包括蝕刻第二表面上的氮化物和氧化物層以暴露硅襯底；蝕刻硅襯底以暴露第一表面處的氧化物層；以及蝕刻第一表面處的氧化物層以暴露催化劑層。
[0016]該方法還可以包括提供覆蓋2維晶體膜的保護(hù)層之上的另外的氧化物層，諸如硅氧化物層，并且其中蝕刻第一表面處的氧化物層以暴露催化劑層的步驟還包括蝕刻另外的氧化物層以暴露所述保護(hù)層。如果保護(hù)層是氮化物層，則這特別有利，因為氮化物層可以包括可能準(zhǔn)許在各種蝕刻步驟期間接入受保護(hù)的二維晶體膜的針孔，從而如果膜材料對于蝕刻配方不是惰性的則冒有損壞二維晶體膜的風(fēng)險。另外的氧化物層有效地密封這樣的針孔，從而防止發(fā)生這樣的損壞。
[0017]依照本發(fā)明的另一方面，提供一種器件，包括載體；通過載體的腔體；以及具有所述腔體之上的獨立式部分的二維晶體膜，其中二維晶體膜由載體支撐并且通過用于形成二維晶體膜的催化劑層與所述載體分離?？梢酝ㄟ^本發(fā)明的方法制造的這樣的器件受益于具有通過載體的通孔腔體之上的獨立式無缺陷二維晶體膜，其使得器件特別適合用作晶片分檔器的深UV過濾器中或DNA測序裝置中的隔膜、保護(hù)OLED器件中的有機(jī)發(fā)光二極管的氣體屏障等等。
[0018]二維晶體膜可以是石墨烯、氮化硼、二硫化鎢、二硫化鉬和金屬硫族化合物晶體膜中的一個。石墨烯晶體膜特別優(yōu)選。
[0019]二維晶體膜可以具有任何合適的厚度，這取決于其要執(zhí)行哪個功能。二維晶體膜可以具有尚達(dá)50nm的厚度，例如包括尚達(dá)100個石墨稀層，如果石墨稀晶體I旲要用作屏障層則這可以是有用的。二維晶體膜可以具有小于20nm的厚度，例如包括少于50個石墨烯層，或者甚至少于20個層，并且可以是單個層，如果二維晶體膜需要是透明的或者要用作隔膜則這可以是有用的。
[0020]載體優(yōu)選地是硅襯底，并且催化劑層優(yōu)選地是石墨化催化劑，諸如銅、鎳、鉑或釕層。
【附圖說明】
[0021]參照附圖通過非限制性示例的方式并且更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的實施例，其中: 圖1示出在利用PMMA光致抗蝕劑作為