一種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備，其特征在于：所述設備包括支撐臺、石英管、一號管式加熱爐膛、二號管式加熱爐膛、恒溫鼓泡瓶、進氣系統(tǒng)以及尾氣系統(tǒng)；所述石英管通過支撐機構(gòu)固定在支撐臺上，所述一號管式加熱爐膛和二號管式加熱爐膛通過滑軌沿石英管外徑徑向滑動；所述石英管兩端分別設為進氣端和出氣端，所述進氣端和出氣端均設有密封法蘭；所述進氣端通過密封法蘭連接進氣系統(tǒng)和恒溫鼓泡瓶，所述出氣端通過密封法蘭連接尾氣系統(tǒng)。采用本實用新型所述的化學氣相沉積設備能夠獲得高質(zhì)量大尺寸的層狀二硫化鉬薄膜，為制備TMDs光電器件打下堅實基礎。
【專利說明】
一種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及到二硫化鉬薄膜制備的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備。
【背景技術(shù)】
[0002]層狀二硫化鉬(MoS2)是二維過渡金屬硫族化合物的典型材料之一，具有獨特的性質(zhì):I)其單層結(jié)構(gòu)具有類石墨烯結(jié)構(gòu);2)單層MoS2具有類似于三明治的S-M0-S的結(jié)構(gòu)，屬于六方晶系；3)隨著薄膜厚度的降低，其帶隙增大，當厚度減小到單層時，其由間接帶隙半導體變成直接帶隙半導體材料，其帶隙約為1.9eV，其發(fā)光效率得到大大提高;4)具有良好的載流子輸運性能，在微機電子、儲能器件、傳感器、顯示面板和太陽能電池等諸多領(lǐng)域都具有廣泛的潛在應用前景，如以單層二硫化鉬(MoS2)制備的場效應晶體管，其開關(guān)電流比可達108，在穩(wěn)定狀態(tài)下耗能比傳統(tǒng)硅晶體管小10萬倍;5)具有顯著的光致熒光現(xiàn)象，在激發(fā)光照射下，由于AB激子的躍迀，可在?670nm和?620nm處發(fā)射焚光。
[0003]然而，制備基于MoS2的高性能器件受限于大尺寸高重量的MoS2的可控制備。目前，單層MoS2的制備方法主要分為:“自上而下”和“自下而上”兩種?！白陨隙隆钡闹苽浞椒ㄖ饕?微機械剝離法、液相化學剝離法、激光減薄法等。這些方法能夠獲得單分子層的MoS2薄膜，但獲得的MoS2薄膜尺寸小，且尺寸和厚度控制性差?！白韵露稀钡闹苽浞椒ㄖ饕抢貌煌你f源和硫源進行反應，通過氣相沉積獲得大面積的MoS2薄膜?！白韵露稀钡闹苽浞椒ㄖ饕?電子束蒸發(fā)、熱分解、分子束外延生長法以及化學氣相沉積法等。這些方法中，用電子束蒸發(fā)Mo金屬再進行硫化的方法，制備過程分兩步，層數(shù)控制差，難獲得單層；以(NM)MoS4為源進行熱分解的方法，尾氣污染，只能制備三層及以上的MoS2薄膜;專利201510134872.1公開了一種層狀的二硫化鉬薄膜的制備方法，采用分子束外延生長法，通過精確控制硫源和鉬源的輸入，獲得層狀MoS2,而通過分子束外延生長法受限于生長設備尺寸，難以獲得大尺寸的單層MoS2材料;而傳統(tǒng)的化學氣相沉積法直接將固態(tài)硫粉和MoO3在同一管式爐內(nèi)蒸發(fā)并反應，缺少對其流量的精確控制，因而層數(shù)和尺寸的重復性、穩(wěn)定性較差。本公司提出了一種基于脈沖氣流法生長層狀二硫化鉬薄膜的方法，在PEM0CVD反應室中通過反應源氣體的輸入流量以及脈沖輸入方式，可獲得高質(zhì)量和層數(shù)可控的大尺寸二硫化鉬薄膜。但是傳統(tǒng)的化學氣相沉積設備難以控制氧化鉬和硫反應氣源的脈沖輸入方式，實現(xiàn)發(fā)明專利號)提出了的基于脈沖氣流法生長層狀二硫化鉬薄膜的方法，得到高質(zhì)量大尺寸的層狀二硫化鉬薄膜。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型的目的在于提出一種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備，能夠獲得高質(zhì)量大尺寸的層狀二硫化鉬薄膜，為制備TMDs光電器件打下堅實基礎。
[0005]為此，本實用新型采用以下技術(shù)方案:
[0006]—種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備，所述設備包括支撐臺、石英管、一號管式加熱爐膛、二號管式加熱爐膛、恒溫鼓泡瓶、進氣系統(tǒng)以及尾氣系統(tǒng)；所述石英管通過支撐機構(gòu)固定在支撐臺上，所述一號管式加熱爐膛和二號管式加熱爐膛通過滑軌沿石英管外徑徑向滑動;所述石英管兩端分別設為進氣端和出氣端，所述進氣端和出氣端均設有密封法蘭;所述進氣端通過密封法蘭連接進氣系統(tǒng)和恒溫鼓泡瓶，所述出氣端通過密封法蘭連接尾氣系統(tǒng)。
[0007]優(yōu)選的，所述一號管式加熱爐膛靠近進氣端，二號管式加熱爐膛靠近出氣端。
[0008]優(yōu)選的，所述進氣系統(tǒng)包括氣瓶、2個氣體質(zhì)量流量控制器、3/2進氣閥和3個氣動閥，所述氣瓶、I個氣體質(zhì)量流量控制器和I個氣動閥通過不銹鋼管200連通石英管進氣端密封法蘭;所述氣瓶和I個氣體質(zhì)量流量控制器通過不銹鋼管200連通恒溫鼓泡瓶;所述恒溫鼓泡瓶連接3/2進氣閥，和I個氣動閥通過不銹鋼管300連通石英管進氣端密封法蘭，以及和I個氣動閥過不銹鋼管300連接到尾氣系統(tǒng)。
[0009]優(yōu)選的，所述尾氣系統(tǒng)包括腔體壓力探測器、腔體壓力控制蝶閥、氣動閥、手動球閥、硫過濾器、分子栗、機械栗和尾氣處理裝置，所述腔體壓力探測器位于出氣端的密封法蘭上;所述腔體壓力控制蝶閥、氣動閥和手動球閥通過不銹鋼管300連通硫過濾器，所述硫過濾器、分子栗、機械栗和尾氣處理裝置通過不銹鋼管200連通。
[0010]優(yōu)選的，所述不銹鋼管300的外層采用恒溫加熱帶包裹。
[0011]優(yōu)選的，所述腔體壓力控制蝶閥、氣動閥和手動球閥采用加熱衣包裹，防止尾氣冷凝阻塞。
[0012]優(yōu)選的，所述密封法蘭采用循環(huán)水冷卻。
[0013]本實用新型采用以上技術(shù)方案，采用上述反應源氣體的輸入精確可控和反應室壓力可控的化學氣相沉積設備，通過精確控制反應源氣體的輸入流量以及脈沖輸入方式，調(diào)控二硫化鉬薄膜成核和生長的速率，可以獲得結(jié)構(gòu)規(guī)則，表面平整的高質(zhì)量大尺寸的層狀二硫化鉬薄膜。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本實用新型實施例反應源氣體脈沖輸入方式的示意圖。
[0016]圖3為本實用新型實施例得到的單層二硫化鉬薄膜的電鏡掃描圖。
[0017]圖4為本實用新型實施例得到的單層二硫化鉬薄膜的拉曼光譜圖。
【具體實施方式】
[0018]為了使本實用新型的目的、特征和優(yōu)點更加的清晰，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型的【具體實施方式】做出更為詳細的說明，在下面的描述中，闡述了很多具體的細節(jié)以便于充分的理解本實用新型，但是本實用新型能夠以很多不同于描述的其他方式來實施。因此，本實用新型不受以下公開的具體實施的限制。
[0019]—種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備，如圖1所示，所述設備包括支撐臺1、石英管2、一號管式加熱爐膛3、二號管式加熱爐膛4、恒溫鼓泡瓶5、進氣系統(tǒng)6以及尾氣系統(tǒng)7;所述石英管2通過支撐機構(gòu)固定在支撐臺I上，所述一號管式加熱爐膛3和二號管式加熱爐膛4通過滑軌8沿石英管2外徑徑向滑動;所述石英管2兩端分別設為進氣端21和出氣端22，所述進氣端21和出氣端22均設有密封法蘭;所述進氣端21通過密封法蘭91連接進氣系統(tǒng)6和恒溫鼓泡瓶5，所述出氣端22通過密封法蘭92連接尾氣系統(tǒng)7。
[0020]其中，所述一號管式加熱爐膛3靠近進氣端21，二號管式加熱爐膛4靠近出氣端22。
[0021]其中，所述進氣系統(tǒng)6包括氣瓶61、2個氣體質(zhì)量流量控制器62、3/2進氣閥63和3個氣動閥64，所述氣瓶61、I個氣體質(zhì)量流量控制器621和I個氣動閥641通過不銹鋼管200連通石英管進氣端密封法蘭91;所述氣瓶61和I個氣體質(zhì)量流量控制器622通過不銹鋼管200連通恒溫鼓泡瓶5;所述恒溫鼓泡瓶5連接3/2進氣閥63，和I個氣動閥642通過不銹鋼管300連通石英管進氣端密封法蘭91，以及和I個氣動閥643過不銹鋼管300連接到尾氣系統(tǒng)7。
[0022 ]其中，所述尾氣系統(tǒng)7包括腔體壓力探測器71、腔體壓力控制蝶閥7 2、氣動閥7 3、手動球閥74、硫過濾器75、分子栗76、機械栗77和尾氣處理裝置78，所述腔體壓力探測器71位于出氣端的密封法蘭92上;所述腔體壓力控制蝶閥72、氣動閥73和手動球閥74通過不銹鋼管300連通硫過濾器75，所述硫過濾器75、分子栗76、機械栗77和尾氣處理裝置78通過不銹鋼管200連通。
[0023]其中，所述不銹鋼管300的外層采用恒溫加熱帶包裹。
[0024]其中，所述腔體壓力控制蝶閥72、氣動閥73和手動球閥74采用加熱衣包裹，防止尾氣冷凝阻塞。
[0025]其中，所述密封法蘭采用循環(huán)水冷卻。
[0026]以生長單層二硫化鉬薄膜為實施例來說明利用本實用新型所述的化學氣相沉積設備基于脈沖氣流法制備層狀二硫化鉬薄膜:
[0027]I)把4N純度的固態(tài)硫粉置于恒溫鼓泡瓶5中，恒溫鼓泡瓶5的溫度設定為20°C，把4N純度的MoO3利用石英舟裝載后置于一號管式加熱爐膛3恒溫區(qū)，把清洗完成的藍寶石襯底置于管式加熱爐膛3恒溫區(qū)；不繡鋼管300的加熱帶溫度設定為180°C。
[0028]2)開啟氬氣氣瓶61和氣體質(zhì)量流量控制器621和氣體質(zhì)量流量控制器622，其中，氣體質(zhì)量流量控制器621的流量為lOOsccm(設定范圍為50-200SCCm)，氣體質(zhì)量流量控制器622的流量為50sccm(10-100sccm)。開啟機械栗77。開啟手動球閥74并使氣動閥641、643和73處于關(guān)閉狀態(tài)，通過控制氣動閥642的開閉，除去管式爐中的殘存的空氣。當管式爐中氣體壓力達到20Pa以下時，開啟分子栗，使管式爐中壓力達到10—3pa以下，關(guān)閉手動球閥74。
[0029]3)打開氣動閥643，并使3/2進氣閥63處于常閉狀態(tài)，即從恒溫鼓泡瓶5中出來的氣體能經(jīng)氣動閥643流向尾氣處理裝置78。把恒溫鼓泡瓶5溫度設定為200 °C，升溫速率設定為20°C/min，一號管式加熱爐膛3溫度設定為600°C，升溫速率設定為50°C/min，二號管式加熱爐膛4溫度設定為760°C，升溫速率設定為50°C/min。
[0030]4)當在恒溫鼓泡瓶5、一號管式加熱爐膛3和二號管式加熱爐膛4溫度均到達設定值時，打開3/2進氣閥63，關(guān)閉氣動閥643，并同時打開氣動閥641、642和73，硫蒸汽和MoO3在載氣的幫助下，進入到反應室發(fā)生反應并在藍寶石襯底上成核長大。通過蝶閥72與氣體壓力計聯(lián)動調(diào)節(jié)反應腔內(nèi)的壓力，使反應腔壓力恒定為10—3pa。反應t時間(1s)后，關(guān)閉3/2進氣閥63，打開氣動閥643，并同時關(guān)閉氣動閥641、642和73。t2時間后(I 2s)，打開3/2進氣閥63，關(guān)閉氣動閥643，并同時打開氣動閥641、642和73。如圖2所示，依此類推，反應95個脈沖后，關(guān)閉3/2進氣閥63，打開氣動閥643，并同時關(guān)閉氣動閥641、642和73。[0031 ] 5)關(guān)閉丨旦溫鼓泡瓶5的溫度，關(guān)閉一號管式加熱爐膛3和二號管式加熱爐膛4，并打開爐蓋，讓其迅速冷卻。依次關(guān)閉分子栗、機械栗。待管式爐溫度冷卻到室溫后，開啟氣動閥642，待管內(nèi)壓強恢復到常壓后，開蓋，取出生長了 MoS2薄膜的樣品。
[0032]將得到的二硫化鉬薄膜樣品進行表征，圖2為該樣品的電鏡掃描圖，如圖所示，在襯底上的二硫化鉬形狀規(guī)則，表面平整；圖3為該樣品的拉曼光譜圖，如圖所示，二硫化鉬薄膜兩個主要拉曼特征峰的間隔在20cm—1左右，表明所制備的樣品為單層的二硫化鉬薄膜。
[0033]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備，其特征在于:所述設備包括支撐臺、石英管、一號管式加熱爐膛、二號管式加熱爐膛、恒溫鼓泡瓶、進氣系統(tǒng)以及尾氣系統(tǒng);所述石英管通過支撐機構(gòu)固定在支撐臺上，所述一號管式加熱爐膛和二號管式加熱爐膛通過滑軌沿石英管外徑徑向滑動;所述石英管兩端分別設為進氣端和出氣端，所述進氣端和出氣端均設有密封法蘭;所述進氣端通過密封法蘭連接進氣系統(tǒng)和恒溫鼓泡瓶，所述出氣端通過密封法蘭連接尾氣系統(tǒng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備，其特征在于:所述一號管式加熱爐膛靠近進氣端，二號管式加熱爐膛靠近出氣端。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備，其特征在于:所述進氣系統(tǒng)包括氣瓶、2個氣體質(zhì)量流量控制器、3/2進氣閥和3個氣動閥，所述氣瓶、I個氣體質(zhì)量流量控制器和I個氣動閥通過不銹鋼管200連通石英管進氣端密封法蘭;所述氣瓶和I個氣體質(zhì)量流量控制器通過不銹鋼管200連通恒溫鼓泡瓶;所述恒溫鼓泡瓶連接3/2進氣閥，和I個氣動閥通過不銹鋼管300連通石英管進氣端密封法蘭，以及和I個氣動閥過不銹鋼管300連接到尾氣系統(tǒng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備，其特征在于:所述尾氣系統(tǒng)包括腔體壓力探測器、腔體壓力控制蝶閥、氣動閥、手動球閥、硫過濾器、分子栗、機械栗和尾氣處理裝置，所述腔體壓力探測器位于出氣端的密封法蘭上；所述腔體壓力控制蝶閥、氣動閥和手動球閥通過不銹鋼管300連通硫過濾器，所述硫過濾器、分子栗、機械栗和尾氣處理裝置通過不銹鋼管200連通。5.根據(jù)權(quán)利要求3或者4所述的一種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備，其特征在于:所述不銹鋼管300的外層采用恒溫加熱帶包裹。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備，其特征在于:所述腔體壓力控制蝶閥、氣動閥和手動球閥采用加熱衣包裹，防止尾氣冷凝阻塞。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖氣流生長二硫化鉬薄膜的化學氣相沉積設備，其特征在于:所述密封法蘭采用循環(huán)水冷卻。
【文檔編號】C23C16/455GK205473973SQ201620184845
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月9日
【發(fā)明人】林本慧
【申請人】無錫盈芯半導體科技有限公司