一种二维材料光电子芯片及其制备方法与流程

1.本发明涉及光器件技术领域，特别涉及一种二维材料光电子芯片及其制备方法。


背景技术：

2.随着社会的发展和进步，人们对电子产品的性能、小型化、功耗提出更高的要求，但是随着硅基芯片制程工艺的线宽不断下探，当线宽低于10nm时，芯片会出现短沟道效应、栅极调控及漏电等不利因素。然而二维层状半导体材料可以避免这些影响因素，它的结构厚度是原子级，而且由于尺寸和量子效应，二维材料会有优异的电学、光学效应，由此制备的二维材料光电子芯片在电子迁移率、开关比及光电响应等方面有巨大的优势。
3.然而，因为二维材料的特殊性，芯片加工难度大、材料成本高等不利因素约束了二维材料的发展。二维材料光电子芯片使用互补金属氧化物半导体加工工艺(cmos工艺)，该工艺中会有各类物理轰击和化学反应，在芯片加工中容易受到等离子体轰击、清洗溶剂冲击和六甲基二硅氮烷(hmds)反应等影响，进而造成二维材料碎裂、氧化等不可恢复的破坏。
4.专利cn110042365a公开了一种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法，包括以下步骤：在氧化硅衬底上剥离单层或多层的二维材料；将剥离的二维材料在高温下退火去除表面吸附；将剥离的或者直接生长的二维材料放入原子层沉积系统中进行若干个沉积循环生长氧化铝的沉积的原子层。这种在二维材料表面生长氧化铝的原子层沉积方法，能够通过物理吸附使氧化铝沉积在二维材料的表面，避免在二维材料的表面引入杂质和缺陷，从而保持了其本征特性。然而这种制备方法需要高温退火，步骤较为复杂，同时制备出的二维材料无法满足硅基元器件的特征尺寸低于10nm的应用领域的要求。
5.因此，找到一种能够加工二维材料光电子芯片方法，使其能够避免因半导体加工工艺而破坏质量，是目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本技术的方案基于上述思路，提供了一种二维材料光电子芯片及其制备方法，采用原子层沉积(ald)技术，在二维材料表面沉积超薄介质薄膜，形成的超薄介质薄膜保护内部的二维材料，让二维材料不因半导体加工工艺而破坏。
7.一方面，本发明提供一种二维材料光电子芯片的制备方法，包括如下步骤：
8.获取待镀膜的衬底晶元；
9.在衬底晶元表面依次制备金属薄膜和氮化硅薄膜，得到具备金属镀膜和氮化硅薄膜的晶圆；
10.在所述具备金属镀膜和氮化硅薄膜的晶圆表面，按照预设的芯片图案区域，生长二维材料；
11.对所述二维材料按照预设形状进行激光切割，得到第一中间样品；
12.对所述中间样品表面进行原子层沉积，在二维材料表面沉积超薄介质薄膜，使超薄介质薄膜覆盖于所述第一中间样品表面；
13.在所述超薄介质薄膜的表面制备金属薄膜电极，得到待键合的目标样品；
14.将所述目标样品与印刷电路板键合，得到二维材料光电子芯片。
15.进一步地，所述在衬底晶元表面依次制备金属薄膜和氮化硅薄膜，包括：
16.通过电子束蒸发法在衬底晶圆表面进行金属镀膜；
17.通过等离子体增强化学气相沉积法在所述金属镀膜表面制备氮化硅薄膜。
18.进一步地，所述生长二维材料的方式为通过化学气相沉积法将二硫化钼薄膜材料转移到具备金属镀膜和氮化硅薄膜的晶圆上。
19.进一步地，所述在所述超薄介质薄膜的表面制备金属薄膜电极，包括：
20.根据预设刻蚀形状以及所述超薄介质薄膜的表面的形状，确定光刻胶的光刻形状；
21.在述超薄介质薄膜的表面进行光刻和显影，得到第二中间样品；
22.使用电子束蒸发法在所述第二样品的表面区域制备金属镀膜，得到具备所述光刻胶和所述金属镀膜的第三中间样品；所述第二中间样品的表面区域包括所述光刻胶的表面区域，以及所述超薄介质薄膜的表面区域中未覆盖所述光刻胶的区域；
23.去除所述第三中间样品表面的光刻胶以及覆盖在所述光刻胶的表面区域的金属镀膜，得到具备金属薄膜电极的待键合的目标样品。
24.进一步地，所述在超薄介质薄膜的表面进行光刻和显影，得到第二中间样品，包括：
25.在超薄介质薄膜的表面旋涂光刻胶；
26.使用热板进行样品的预处理，通过光刻机对样品上超薄介质薄膜区域进行曝光；
27.使用含四甲基氢氧化铵的显影液对超薄介质薄膜区域的光刻胶进行显影。
28.进一步地，所述去除所述第三中间样品表面的光刻胶以及覆盖在所述光刻胶的表面区域的金属镀膜使用的方法为剥离工艺。
29.进一步地，所述将所述目标样品与印刷电路板键合，包括：
30.将目标样品键合在印刷电路板上；
31.通过引线键合的形式，使用金线将目标样品上的金属薄膜电极与印刷电路板上金属电极互联。
32.进一步地，所述衬底晶元的材质为硅衬底、铌酸锂、钽酸锂、硅晶圆、碳化硅晶圆、氮化硅、石英、蓝宝石或石英玻璃中的一种。
33.另一方面，本技术还提供一种二维材料光电子芯片，由上述的制备方法制备得到。
34.本发明针对二维材料光电子芯片难以加工的问题，结合化学气相沉积法(cvd)先将二维材料生长在芯片图案区域，随后采用原子层沉积(ald)技术，在二维材料表面沉积超薄介质薄膜，形成的超薄介质薄膜能够有效保护内部的二维材料，使二维材料不因半导体加工工艺而破坏。这样极大的提高了二维材料光电子芯片加工的良品率，降低了二维材料光电子芯片的单片成本，可以使二维材料光电子芯片满足在线宽10nm线宽领域内应用的要求。
附图说明
35.下面对说明书附图所表达的内容做简要说明：
36.图1为本技术所提供的一种二维材料光电子芯片的制备方法流程图；
37.图2为本技术实施例所提供的一种二维材料光电子芯片第一中间样品的制备方法示意图；
38.图3为本技术实施例所提供的一种二维材料光电子芯片的制备方法示意图；
39.图4为本技术实施例所提供的一种二维材料光电子芯片的俯视示意图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
41.为了解决芯片加工难度大，针对二维材料光电子芯片难以加工的问题，本发明提供了一种采用原子层沉积(ald)技术在二维材料表面沉积超薄介质薄膜的方法，形成的超薄介质薄膜保护内部的二维材料，让二维材料不因半导体加工工艺而破坏。
42.首先，本发明提供一种二维材料光电子芯片的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
43.s1、获取待镀膜的衬底晶元。
44.准备带镀膜的衬底晶元，其中，衬底晶元的材质可以是硅衬底、铌酸锂、钽酸锂、硅晶圆、碳化硅晶圆、氮化硅、石英、蓝宝石或石英玻璃中的一种。
45.s2、在衬底晶元表面依次制备金属薄膜和氮化硅薄膜，得到具备金属镀膜和氮化硅薄膜的晶圆。
46.通过电子束蒸发法在衬底晶圆表面进行金属镀膜；
47.通过等离子体增强化学气相沉积法在所述金属镀膜表面制备氮化硅薄膜。
48.s3、在所述具备金属镀膜和氮化硅薄膜的晶圆表面，按照预设的芯片图案区域，生长二维材料。
49.所述生长二维材料的方式为通过化学气相沉积法将二硫化钼薄膜材料转移到具备金属镀膜和氮化硅薄膜的晶圆上。
50.s4、对所述二维材料按照预设形状进行激光切割，得到第一中间样品；
51.s5、对所述中间样品表面进行原子层沉积，在二维材料表面沉积超薄介质薄膜，使超薄介质薄膜覆盖于所述第一中间样品表面；
52.s6、在所述超薄介质薄膜的表面制备金属薄膜电极，得到待键合的目标样品。
53.根据预设刻蚀形状以及所述超薄介质薄膜的表面的形状，确定光刻胶的光刻形状；
54.在超薄介质薄膜的表面旋涂光刻胶；
55.使用热板进行样品的预处理，通过光刻机对样品上超薄介质薄膜区域进行曝光；
56.使用含四甲基氢氧化铵的显影液对超薄介质薄膜区域的光刻胶进行显影，得到第二中间样品；
57.使用电子束蒸发法在所述第二样品的表面区域制备金属镀膜，得到具备所述光刻胶和所述金属镀膜的第三中间样品；所述第二中间样品的表面区域包括所述光刻胶的表面
区域，以及所述超薄介质薄膜的表面区域中未覆盖所述光刻胶的区域；
58.使用剥离工艺(lift-off)去除所述第三中间样品表面的光刻胶以及覆盖在所述光刻胶的表面区域的金属镀膜，得到具备金属薄膜电极的待键合的目标样品。
59.s7、将所述目标样品与印刷电路板键合，得到二维材料光电子芯片。
60.将目标样品键合在印刷电路板上；
61.通过引线键合的形式，使用金线将目标样品上的金属薄膜电极与印刷电路板上金属电极互联。
62.为进一步说明本技术中的技术方案，本技术实施例进一步公开了以下具体实施例。
63.实施例1
64.本实施例提供一种具体的制备二维材料光电子芯片的实施方式，如图2和图3所示。
65.第一步：将整片衬底晶圆使用工业标准湿法清洗工艺(rca)进行清洗，再使用电子束蒸发(ebe)的方式进行薄膜金属镀膜，再在薄膜金属镀膜表面上用等离子体增强化学的气相沉积(pecvd)的方式进行sin薄膜的制备。
66.第二步：使用化学气相沉积(cvd)的方式，将二维材料生长在芯片图案区域。
67.第三步：使用激光划片机将生长好的二维材料晶圆进行切割，分成一颗颗小芯片。因为二维材料会有优异的电学、光学效应，这样就初步形成二维材料光电子芯片。
68.第四步：为了提高二维材料光电子芯片的可加工性，在芯片的表面进行原子层沉积(ald)，使用原子层沉积(ald)在二维材料表面沉积超薄介质薄膜，将超薄介质薄膜覆盖于芯片表面。这样形成的介质薄膜保护内部的二维材料不被破坏，并且有利于后续的芯片加工。
69.第五步：在二维材料光电子芯片表面旋涂光刻胶，使用热板进行芯片的预处理后，再用光刻机对芯片上二维材料区域进行曝光，使用含四甲基氢氧化铵(tmah)的显影液对二维材料光电子芯片进行显影。
70.第六步：使用电子束蒸发(ebe)镀金属薄膜。
71.第七步：使用剥离(lift-off)工艺制备金属电极。
72.第八步：使用键合机将二维材料光电子芯片键合在印刷电路板(pcb)上，再使用引线机将金(au)线通过引线键合(wirebonding)的形式将二维材料光电子芯片的金属薄膜电极与印刷电路板(pcb)上金属电极互联，从而形成一块二维材料光电子芯片，如图4所示。
73.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种二维材料光电子芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：获取待镀膜的衬底晶元；在衬底晶元表面依次制备金属薄膜和氮化硅薄膜，得到具备金属镀膜和氮化硅薄膜的晶圆；在所述具备金属镀膜和氮化硅薄膜的晶圆表面，按照预设的芯片图案区域，生长二维材料；对所述二维材料按照预设形状进行激光切割，得到第一中间样品；对所述第一中间样品表面进行原子层沉积，在二维材料表面沉积超薄介质薄膜，使超薄介质薄膜覆盖于所述第一中间样品表面；在所述超薄介质薄膜的表面制备金属薄膜电极，得到待键合的目标样品；将所述目标样品与印刷电路板键合，得到二维材料光电子芯片。2.根据权利要求1所述的一种二维材料光电子芯片的制备方法，其特征在于，所述在衬底晶元表面依次制备金属薄膜和氮化硅薄膜，包括：通过电子束蒸发法在衬底晶圆表面进行金属镀膜；通过等离子体增强化学气相沉积法在所述金属镀膜表面制备氮化硅薄膜。3.根据权利要求1所述的一种二维材料光电子芯片的制备方法，其特征在于，所述生长二维材料的方式为通过化学气相沉积法将二硫化钼薄膜材料转移到具备金属镀膜和氮化硅薄膜的晶圆上。4.根据权利要求1所述的一种二维材料光电子芯片的制备方法，其特征在于，所述在所述超薄介质薄膜的表面制备金属薄膜电极，包括：根据预设刻蚀形状以及所述超薄介质薄膜的表面的形状，确定光刻胶的光刻形状；在所述超薄介质薄膜的表面进行光刻和显影，得到第二中间样品；使用电子束蒸发法在所述第二样品的表面区域制备金属镀膜，得到具备所述光刻胶和所述金属镀膜的第三中间样品；所述第二中间样品的表面区域包括所述光刻胶的表面区域，以及所述超薄介质薄膜的表面区域中未覆盖所述光刻胶的区域；去除所述第三中间样品表面的光刻胶以及覆盖在所述光刻胶的表面区域的金属镀膜，得到具备金属薄膜电极的待键合的目标样品。5.根据权利要求4所述的一种二维材料光电子芯片的制备方法，其特征在于，所述在所述超薄介质薄膜的表面进行光刻和显影，得到第二中间样品，包括：在超薄介质薄膜的表面旋涂光刻胶；使用热板进行样品的预处理，通过光刻机对样品上超薄介质薄膜区域进行曝光；使用含四甲基氢氧化铵的显影液对超薄介质薄膜区域的光刻胶进行显影。6.根据权利要求4所述的一种二维材料光电子芯片的制备方法，其特征在于，所述去除所述第三中间样品表面的光刻胶以及覆盖在所述光刻胶的表面区域的金属镀膜使用的方法为剥离工艺。7.根据权利要求1所述的一种二维材料光电子芯片的制备方法，其特征在于，所述将所述目标样品与印刷电路板键合，包括：将目标样品键合在印刷电路板上；通过引线键合的形式，使用金线将目标样品上的金属薄膜电极与印刷电路板上金属电
极互联。8.根据权利要求1所述的一种二维材料光电子芯片的制备方法，其特征在于，所述衬底晶元的材质为硅衬底、铌酸锂、钽酸锂、硅晶圆、碳化硅晶圆、氮化硅、石英、蓝宝石或石英玻璃中的一种。9.一种二维材料光电子芯片，其特征在于，由权利要求1～8任一所述的制备方法制备得到。

技术总结
本发明公开了一种二维材料光电子芯片及其制备方法，制备方法包括：获取待镀膜的衬底晶元；在衬底晶元表面依次制备金属薄膜和氮化硅薄膜；在具备金属镀膜和氮化硅薄膜的晶圆表面，按照预设的芯片图案区域，生长二维材料；对二维材料按照预设形状进行激光切割；在中间样品表面进行原子层沉积，在二维材料表面沉积超薄介质薄膜，使超薄介质薄膜覆盖于中间样品表面；在超薄介质薄膜的表面制备金属薄膜电极；将目标样品与印刷电路板键合，得到二维材料光电子芯片。本申请提供的的方法采用原子层沉积(ALD)技术，在二维材料表面沉积超薄介质薄膜，形成的超薄介质薄膜能够保护内部的二维材料，使二维材料不因半导体加工工艺而破坏。使二维材料不因半导体加工工艺而破坏。使二维材料不因半导体加工工艺而破坏。


技术研发人员：尹志军 范宁 崔国新 叶志霖 汤济 许启诚
受保护的技术使用者：南京南智先进光电集成技术研究院有限公司
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/11