针对二维材料的激光刻蚀方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种针对二维材料的激光刻蚀方法和系统，其中利用单点激光刻蚀过程中刻蚀温度的原位实时监测，确定所述单点激光刻蚀过程中的阶梯状降温特征，根据所述阶梯状降温特征获得单层可控刻蚀范围内逐层刻蚀所需的激光功率，根据所述激光功率实现所述二维材料的特定层数的样品的可控刻蚀。根据本发明专利技术的方法和系统能够提供更高的垂直方向逐层刻蚀精度、高度可控且通用性强的单层或逐层刻蚀方案，其能够实现对二维材料大范围的逐层刻蚀，同时其刻蚀过程可控可定量，具备大规模自动化生产前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
针对二维材料的激光刻蚀方法和系统


[0001]专利技术属于激光刻蚀系统领域，具体而言，本专利技术涉及一种针对二维材料的激光刻蚀方法和系统。

技术介绍

[0002]二维材料普遍具有显著的量子限域效应，基于二维材料的新型器件具有广泛的应用前景，也是目前研究的热点。二维材料的厚度或层数是决定器件性能的重要因素，对二维材料平面结构和厚度的控制是制备器件的关键。目前，二维材料的平面结构可以通过掩模
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化学刻蚀或者激光直写刻蚀等方法获得，技术已比较成熟。而对二维材料厚度的控制，特别是同一器件中厚度的精确分布控制，目前还处于初步阶段。例如，通过MBE生长条件的控制可以获得特定厚度的二维材料(单层，双层，或数层)，但其厚度或层数在圆晶尺度(wafer scale)上基本是单一的或仅能形成受晶体生长限制的简单逐层结构。掩模
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化学刻蚀虽然可以获得亚微米甚至数十纳米的面内控制精度，但是对刻蚀厚度的控制难以达到逐层控制的水平，且逐层结构制备工艺复杂。激光直写刻蚀是实现二维材料器件可控制备的可能途径之一。通过调节激光的强度和波长，可以控制二维材料局域温度，激发化学反应或物理过程，实现逐点刻蚀。在激光刻蚀过程中获得更高的垂直方向刻蚀精度，实现对二维材料大范围的逐层刻蚀一直是领域内的重要目标。近期已有研究表明，在合适的激光设置条件下，二维材料可以被逐层刻蚀掉。但已报道的技术尚存在种种不足，限制了其进一步应用，其症结主要有以下几点：1)由于激光刻蚀过程对材料物性，热扩散环境，理化反应条件等较为敏感，将材料刻蚀到特定层数所需的时间及激光功率等参数只能经验性给出，尚没有形成有效的刻蚀策略；2)逐层刻蚀的范围较小。以层状二硫化钼材料的刻蚀为例，已有报道中通过激光刻蚀技术实现的最多可控刻蚀范围例如仅为三层。

技术实现思路

[0003]为了解决上述现有技术的问题，本专利技术第一方面提供一种对二维材料的样品的激光刻蚀方法，所述方法包括：
[0004]利用单点激光刻蚀过程中刻蚀温度的原位实时监测确定所述过程中的阶梯状降温特征；
[0005]根据所述阶梯状降温特征获得在单层可控刻蚀范围内刻蚀所述样品所需的刻蚀激光功率；
[0006]根据所述刻蚀激光功率实现所述样品的特定层数的可控刻蚀。
[0007]优选地，获得待刻蚀的所述样品的所述单层可控刻蚀范围包括通过调节刻蚀环境控制所述样品的温度分布沿表层向内逐层递减，其中所述刻蚀环境包括：衬底热导率、衬底与样品接触热阻、衬底与环境温度、刻蚀环境气体氛围、所述刻蚀激光功率的控制精度与稳定性。
[0008]优选地，所述的方法中对所述衬底热导率的调节包括更换衬底材料以及更换衬底
表面覆盖层种类与厚度。
[0009]优选地，所述的方法中，通过所述原位实时监测确定所述阶梯状降温特征包括：通过样品辐照中心的刻蚀温度演化曲线确定刻蚀阈值温度并获得所述阶梯状降温特征，其中
[0010]在无失焦前提下调控激光功率逐步上升直至所述样品辐照中心温度不再同步上升并出现反折后停止，此后在激光功率不变且无失焦前提下等待充分时长直至所述样品辐照中心温度不再变化时，所获得的温度即为所述刻蚀阈值温度。
[0011]优选地，所述的方法中的所述温度演化曲线通过拉曼光谱实时探测获得。
[0012]优选地，所述的方法中还包括：
[0013]利用所述温度演化曲线判断样品初始层厚是否在单层可控刻蚀范围以内，若否，则刻蚀所述样品直至其初始层厚处于所述单层可控刻蚀范围以内，其中如果所述刻蚀激光功率无法使所述温度演化曲线中出现单阶梯下降，或者所述刻蚀激光功率下所述辐照中心的温度相对于所述刻蚀阈值温度先升高后阶梯式下降，或所述辐照中心的温度稳定在高于所述刻蚀阈值温度的特定温度但利用仪器测得刻蚀仍在持续，则能够确定所述样品的初始层厚不在单层可控刻蚀范围以内。
[0014]优选地，所述的方法中的所述样品初始层厚可通过生长制备条件间接获得，或者通过光谱或原子力显微镜直接探测获得。
[0015]优选地，所述的方法中根据所述阶梯状降温特征获得在单层可控刻蚀范围内刻蚀所述样品所需的刻蚀激光功率还包括：
[0016]根据所述温度演化曲线设定特定刻蚀激光功率，其中所述特定刻蚀激光功率对所述样品的单次刻蚀层数等于与其对应的所述温度演化曲线中所述阶梯状降温特征的阶梯数。
[0017]优选地，所述的方法中确定所述阶梯状降温特征的阶梯数包括：在无失焦前提下，逐步提高辐照在所述样品上的刻蚀激光功率使得所述样品的辐照中心温度逐步达到并短暂超过所述刻蚀阈值温度后，保持激光功率不变并观察所述样品的辐照中心温度恢复至所述刻蚀阈值温度过程中的所述阶梯数。
[0018]优选地，所述的方法中，使用所述特定刻蚀激光功率对所述样品的刻蚀区域的每一点进行曝光时长充分的刻蚀，其中对每一点进行单次扫描，并且所述单次扫描的曝光时长充分，其中所述曝光时长充分指的是在无失焦条件下执行所述刻蚀直至刻蚀过程中所述辐照中心的温度低于所述刻蚀阈值温度。
[0019]优选地，所述的方法中对每一点进行单点短时曝光并多次扫描积累足够的刻蚀总时长以达到所述曝光时长充分，而非对每一点进行单次扫描。
[0020]本专利技术的第二方面提供一种二维材料刻蚀系统，包括可控功率激光源、温度探测仪、温度控制台、位移台和刻蚀气体氛围腔体，其中
[0021]所述可控功率激光源用于提供所需功率的刻蚀激光；所述温度探测仪用于实现刻蚀温度的原位实时监测；所述温度控制台用于控制样品的温度分布处于单层可控刻蚀范围；所述位移台用于控制所述样品的被刻蚀位置；所述刻蚀气体氛围腔体用于形成包围待刻蚀样品的气体氛围；其特征在于
[0022]还包括控制器，所述控制器被配置为用于实现上述第一方面任一项所述的刻蚀方法。
[0023]相对于现有技术，根据本专利技术各个实施例的逐层可控激光刻蚀方法和系统具有更高的垂直方向逐层刻蚀精度，实现对二维材料大范围的逐层刻蚀，同时其对刻蚀对象以及刻蚀环境的局限或要求严苛程度均大大降低，刻蚀过程可控可定量，具备大规模自动化生产前景。
附图说明
[0024]以下参照附图对本专利技术实施例作进一步说明，其中：
[0025]图1示出了根据本专利技术较佳实施例中的一种逐层刻蚀方法的简要流程图；
[0026]图2示出了根据本专利技术一个较佳实施例的逐层激光刻蚀系统的简要示意图；
[0027]图3示出了根据本专利技术一个较佳实施例的经过洛伦兹拟合后的刻蚀样品中的二硫化钼拉曼特征峰以及硅的拉曼特征峰随激光功率变化的演化曲线；
[0028]图4举例示出了根据本专利技术一个较佳实施例的刻蚀前后样品的光学和拉曼成像结果。
具体实施方式
[0029]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本专利技术进一步详细说明。本说明所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的认识了解与阅读，并不构成对本专利技术的不当限制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对二维材料的样品的激光刻蚀方法，所述方法包括：利用单点激光刻蚀过程中刻蚀温度的原位实时监测确定所述过程中的阶梯状降温特征；根据所述阶梯状降温特征获得在单层可控刻蚀范围内刻蚀所述样品所需的刻蚀激光功率；根据所述刻蚀激光功率实现所述样品的特定层数的可控刻蚀。2.根据权利要求1所述的方法，获得待刻蚀的所述样品的所述单层可控刻蚀范围包括通过调节刻蚀环境控制所述样品的温度分布沿表层向内逐层递减，其中所述刻蚀环境包括：衬底热导率、衬底与样品接触热阻、衬底与环境温度、刻蚀环境气体氛围、所述刻蚀激光功率的控制精度与稳定性。3.根据权利要求2所述的方法，其中对所述衬底热导率的调节包括更换衬底材料以及更换衬底表面覆盖层种类与厚度。4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述原位实时监测确定所述阶梯状降温特征包括：通过样品辐照中心的刻蚀温度演化曲线确定刻蚀阈值温度并获得所述阶梯状降温特征，其中在无失焦前提下调控激光功率逐步上升直至所述样品辐照中心温度不再同步上升并出现反折后停止，此后在激光功率不变且无失焦前提下等待充分时长直至所述样品辐照中心温度不再变化时，所获得的温度即为所述刻蚀阈值温度。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述温度演化曲线通过拉曼光谱实时探测获得。6.根据权利要求4所述的方法，其中还包括：利用所述温度演化曲线判断样品初始层厚是否在单层可控刻蚀范围以内，若否，则刻蚀所述样品直至其初始层厚处于所述单层可控刻蚀范围以内，其中如果所述刻蚀激光功率无法使所述温度演化曲线中出现单阶梯下降，或者所述刻蚀激光功率下所述辐照中心的温度相对于所述刻蚀阈值温度先升高后阶梯式下降，或所述辐照中心的温度稳定在高于所述刻蚀阈值温度的特定温度但利用仪器测得刻蚀仍在持续，则能够确定所述样品的初始层厚不在单层可控刻蚀范围以内。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚一锟，唐向前，王文宇，单欣岩，陆兴华，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：