二維納米薄膜制備裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種二維納米薄膜的制備裝置，特別是一種能與硅工藝技術(shù)等匹配的連續(xù)、自動化生產(chǎn)二維納米薄膜的制備裝置，屬于二維納米材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]二維納米材料如石墨烯、硅烯、鍺烯、氮化硼、層狀過鍍金屬硫化物、黑磷等因自身獨特的物理化學(xué)特性，在透明導(dǎo)電電極、高頻電子器件、光伏元件、儲能等諸多領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用潛力。
[0003]相較于機械剝離、溶液化學(xué)剝離、熱裂解等方法，化學(xué)氣相沉積法(CVD)可用于制備大面積、高質(zhì)量的二維納米薄膜材料，同時能最大程度地保持材料的本征特性，并且成本低廉，是目前最切合工業(yè)應(yīng)用需求的制備方法
[0004]近年來，為了滿足市場對二維納米薄膜材料的需求，已有一些適用于大批量生產(chǎn)二維納米薄膜的設(shè)備和方法提出。例如，SONY公司將化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)與卷對卷技術(shù)集成，推出了可在銅、鎳金屬箔片上連續(xù)化生產(chǎn)100米石墨烯薄膜的技術(shù)設(shè)備。CN102976318B、CN103469308A等文獻在其基礎(chǔ)上，分別對箔片的進樣和收集裝置進行了改進，以提高工藝的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。然而，這類設(shè)備是基于金屬箔片進行二維納米薄膜的化學(xué)氣相沉積生長，后期需要通過化學(xué)或電化學(xué)轉(zhuǎn)移工藝將薄膜轉(zhuǎn)移至硅等基底上，才能進行后續(xù)器件加工應(yīng)用，其在轉(zhuǎn)移過程中由于表面張力和金屬箔片的粗糙表面容易造成薄膜的破損、折疊、褶皺和表界面殘留等缺陷，不能確保薄膜的高品質(zhì)質(zhì)量，而且轉(zhuǎn)移工序繁復(fù)，難以進行市場推廣。
[0005]在硅或其它硬質(zhì)襯底上直接制備二維納米薄膜材料能夠避免上述問題，且方便后續(xù)器件應(yīng)用制作，能與當(dāng)前基于硅工藝的半導(dǎo)體技術(shù)加工流水線相匹配。但現(xiàn)有的二維納米薄膜材料制備工藝只適用于柔性金屬箔片襯底，對于硅及其它硬質(zhì)襯底不適用。雖然有研究人員進行一些在硅等介質(zhì)材料上直接生長石墨烯等二維材料的研究，但其均無法大規(guī)模實施，特別是其形成的材料質(zhì)量和重復(fù)性都難以得到保障，其主要的原因可能在于:其一，常壓和低真空度條件下的生長，前驅(qū)體氣流量和配比的擾動對成核影響大，難以精確控制;所倚賴的超過1000°C高溫長時間(>lhr)生長，能耗高，不適宜大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn);其二，當(dāng)前所采用的制備方法各工藝設(shè)備和流程相互分立，容易因表面吸附等問題影響二維薄膜材料的生長和最終材料質(zhì)量。此外，現(xiàn)有的對單片基底進行人工操作或半自動化制備模式，往往會因為中間流程環(huán)節(jié)的不一致，導(dǎo)致生長的穩(wěn)定性不一，且生產(chǎn)效率低下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的主要目的在于提供一種二維納米薄膜制備裝置及方法，其能與硅工藝技術(shù)等匹配。
[0007]為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本實用新型采用的技術(shù)方案包括:
[0008]在一些實施例中提供了一種二維納米薄膜制備裝置，其包括:
[0009]用于存儲襯底的襯底儲存室，
[0010]用以提供適于在所述襯底上生長二維納米薄膜而形成樣品的環(huán)境的沉積室，
[0011 ]用以收集所述樣品的取樣室，
[0012]以及，樣品傳送室，包括用以在襯底儲存室、沉積室和取樣室之間傳送所述襯底和/或樣品的樣品運送裝置；
[0013]其中，所述樣品傳送室能夠與所述襯底儲存室、沉積室、取樣室中的任一者真空級聯(lián)。
[0014]在一些實施例中，所述二維納米薄膜制備裝置還包括用以提供適于對所述襯底進行預(yù)處理而利于二維納米薄膜生長的環(huán)境的鍍膜室，所述鍍膜室能夠與所述樣品傳送室真空級聯(lián)。
[0015]在一些實施例中，所述二維納米薄膜制備裝置還包括:人機交互操作系統(tǒng)界面，至少用以對所述襯底或樣品于各腔室之間的傳送操作、二維納米薄膜的生長過程進行實時監(jiān)測和控制。
[0016]在一些較為優(yōu)選的實施例中，所述襯底可選自硬質(zhì)襯底，特別是與硅工藝匹配的襯底。
[0017]在一些實施例中提供了一種二維納米薄膜制備方法，其可以包括:以樣品傳送室內(nèi)的樣品運送裝置將襯底從襯底儲存室中取出，并移送入沉積室，以在所述襯底上生長二維納米薄膜而形成樣品，之后將所述樣品從沉積室中取出，并移送入取樣室;并且，至少在將所述襯底或樣品于前述的任意兩個腔室之間傳送時，該任意兩個腔室之間均保持真空級聯(lián)。
[0018]在一些較為優(yōu)選的實施例中，所述二維納米薄膜制備方法主要是基于所述的二維納米薄膜制備裝置而實施的。
[0019]較之現(xiàn)有技術(shù)，藉由本實用新型提供的二維納米薄膜制備裝置及方法，可實現(xiàn)二維納米薄膜材料在硅或其它硬質(zhì)半導(dǎo)體、介質(zhì)材料襯底上的大面積直接生長，并能與當(dāng)前基于硅工藝的半導(dǎo)體技術(shù)加工流水線相匹配，方便后續(xù)器件加工與應(yīng)用，特別是還具有低能耗、可連續(xù)自動化作業(yè)的優(yōu)點，工藝可控性、穩(wěn)定性和重復(fù)性高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定優(yōu)良。
【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型一實施方案中與硅工藝技術(shù)匹配的二維納米薄膜材料制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是本實用新型一實施方案中機械傳送裝置內(nèi)樣品托盤的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是本實用新型一實施方案中機械傳送裝置中的傳動機械手臂的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]附圖標(biāo)記說明:襯底儲備室I，鍍膜室2，樣品傳送室3，化學(xué)氣相沉積室4，取樣室5，閥門 11、12、13、14、15、16，氣路21、22、23、24、25，抽真空裝置31、32、33、34、35，樣品承載臺41、42、43、44、45，樣品處理裝置51、52、53，冷卻系統(tǒng)61、62，沉積系統(tǒng)71、72，熱屏蔽系統(tǒng)81，82,83,傳動裝置91，軌道92，機械手臂93。
【具體實施方式】
[0024]本實用新型的一個方面提供了一種二維納米薄膜制備裝置。
[0025]在一些實施例中，所述二維納米薄膜制備裝置可以包括:
[0026]襯底儲存室，至少用于提供襯底；
[0027]沉積室，至少用以提供適于在所述襯底上生長二維納米薄膜而形成樣品的環(huán)境；
[0028]取樣室，至少用以收集所述樣品；以及，
[0029]樣品傳送室，包括:
[0030]樣品運送裝置，至少用以在樣品傳送室和能夠與所述樣品傳送室真空級聯(lián)的襯底儲存室、沉積室或取樣室之間傳送所述襯底和/或樣品。
[0031]在一些較為具體的實施例中，所述沉積室至少可選自化學(xué)、物理氣相沉積室中的一種或多種。
[0032]進一步的，所述沉積室可以包括高溫生長區(qū)和等離子體發(fā)生器。
[0033]其中，所述高溫生長區(qū)可設(shè)有加熱裝置，例如，較為典型的適用加熱裝置可以選自電阻加熱、紅外加熱、激光加熱、電子束加熱裝置中的一種或多種的組合。
[0034]在一些實施例中，藉由所述加熱裝置可實現(xiàn)的加熱溫度范圍為室溫?2000°C。
[0035]其中，所述等離子體發(fā)生器可選自但不限于射頻等離子體發(fā)生器、電感耦合等離子體發(fā)生器中的一種或多種的組合。
[0036]在一些實施例中，所述等離子體發(fā)生器的功率可以為O?5000W。
[0037]在一些較為具體的實施例中，所述的二維納米薄膜制備裝置還可包括:鍍膜室，至少用以提供適于對所述襯底進行預(yù)處理而利于二維納米薄膜生長的環(huán)境，并且所述鍍膜室亦能夠與所述樣品傳送室真空級聯(lián)。
[0038]在一些較為優(yōu)選的實施例中，所述襯底儲存室、鍍膜室、沉積室以及取樣室環(huán)繞布置于樣品傳送室周圍。
[0039]在一些較為優(yōu)選的實施例中，所述的二維納米薄膜制備裝置中是以樣品傳送室為中心真空級聯(lián)襯底儲存室、鍍膜室、沉積室以及取樣室等。
[0040]在一些實施例中，在所述二維納米薄膜制備裝置工作時，襯底放置于襯底儲存室并由襯底儲存室中取出，依次經(jīng)鍍膜室預(yù)處理，化學(xué)氣相沉積室生長二維薄膜材料，并傳送收集于取樣室。制備流程的工序銜接由樣品傳送室中的可控機械裝置完成取樣、放樣和傳動。
[0041]在一些實施例中，所述鍍膜室包括高溫和/或等離子體處理單元和/或物理氣相沉積系統(tǒng)和/或化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)。
[0042]其中，所述物理氣相沉積系統(tǒng)可包括濺射鍍膜系統(tǒng)、電子束蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)、熱蒸鍍系統(tǒng)中的任意一種或多種的組合，且不限于此。
[0043]在一些較為優(yōu)選的實施例中，所述樣品運送裝置選自能夠以平面式傳輸方式將所述襯底或樣品在真空級聯(lián)的任意兩個腔室之間進行傳送的樣品運送裝置。其中，所述“平面式傳輸方式”是有別于且不含卷曲、折疊操作的傳送方式。
[0044]在一些實施例中，所述樣品運送裝置包括；
[0045]機械傳動裝置，至少用以實現(xiàn)在樣品傳送室和能夠與所述樣品傳送室真空級聯(lián)的