一种快速高效的二维半导体MEMS传感器制备方法

本发明涉及半导体器件，具体提供一种快速高效的二维半导体mems传感器制备方法。

背景技术：

1、微机电系统(micro-electro mechanical system，mems)是指集成在硅晶圆上的结构在微米甚至纳米量级的电子机械传感装置。受益于当面大规模集成电路制造工艺带来的成本优势，以及微纳尺度结构带来的高速高灵敏度响应，mems具有普通传感器无法比拟的低成本、高集成度、低功耗、高灵敏度等优点，在消费电子、生物医疗、工业物联网等领域具有广阔的应用前景。针对当前mems器件的小型化、柔性可穿戴的发展趋势，以二硫化钼(mos2)等过渡金属硫族化合物(tmdc)为代表的二维半导体材料显示出了独特的优势。国际半导体联盟在2015年的技术路线图(international technology roadmap forsemiconductors,itrs)中明确地指出它是下一代mems器件的关键材料。二维半导体材料具有超薄厚度(单原子层或少原子层)，优异的电学、光学、机械性能及多自由度可调控性，使其在未来的更轻、更薄、更快、更灵敏的mems器件中具有优势。

2、然而，现阶段以器件应用为背景的单层二硫化钼研究仍然存在以下两个关键的科学问题：(1)材料制备，如何获得大面积的高质量二硫化钼薄膜；(2)器件工艺，如何实现高密度、高性能、大面积均一的器件加工。这是新型半导体材料从实验室走向市场要经历的共性问题，如能解决其高质量规模化制备和集成器件性能调控的关键科学障碍，必将有力推动二维半导体材料的应用发展进程。

3、目前制备二维材料mems器件时，如图1所示，主要工艺流程是先制备图形化衬底，而后利用聚合物辅助转移的方法实现衬底上二维材料的叠加，进一步通过热蒸镀或者电子束蒸镀的方法蒸镀电极。在转移的过程中，将不可避免地产生缺陷、应力、残胶等破坏本征二维材料特性的现象。此外，电极蒸镀的过程中会产生光刻胶的残留，以及高能的金属原子，不可避免地在接触区域引入缺陷降低器件性能。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种快速高效制备二维半导体mems传感器的方法，利用在带有孔洞的衬底上蒸镀钛(ti)、金(au)，再利用mos2与au的强作用力以获得大面积的高质量单层mos2，实现图形化的悬空自支撑mos2薄膜的制备。

2、本发明提供的一种快速高效的二维半导体mems传感器制备方法，包括以下步骤：

3、s1：提供一衬底，在所述衬底上形成氧化层，自所述氧化层延伸至所述衬底内刻蚀孔洞；

4、s2：在所述氧化层上蒸镀第一金属层、所述第一金属层上的第二金属层；

5、s3：从二维半导体材料中剥离出样品，将所述样品贴到所述第二金属层和带有所述孔洞的衬底上；

6、s4：根据所述样品与所述第二金属层的作用力形成薄膜层，以完成图形化的悬空自支撑二维半导体材料薄膜的制备，并得到二维半导体mems器件。

7、优选的，所述s1具体包括：

8、s11：采用反应离子束刻蚀对所述衬底进行ar+离子刻蚀孔洞阵列；

9、s12：将刻蚀好的衬底放入热蒸发镀膜机中进行蒸镀。

10、优选的，所述孔洞的直径为3μm，所述孔洞的间距为7μm。

11、优选的，所述s2中采用热蒸镀或电子束蒸镀的方法进行蒸镀。

12、优选的，所述s3具体包括：

13、s31：采用机械剥离蓝膜胶带对mos2母体块材进行剥离，其中，二维半导体材料为mos2；

14、s32：取一片胶带对胶带剥离下来的mos2薄膜样品进行减薄，直至通过灯光在胶带上的mos2薄膜样品呈黄绿色；

15、s33：将带有剥离好的mos2薄膜样品的胶带贴至蒸镀好的第一金属层、第二金属层和带有所述孔洞的衬底上，并放到加热台上加热按压；

16、s34：将胶带揭下完成样品制备和二维半导体mems器件阵列制备，对所述衬底上的第一电极和所述孔洞上方的mos2薄膜样品进行表征。

17、优选的，所述第一金属层、所述第二金属层分别为ti、au。

18、优选的，蒸镀所述第一金属层、所述第二金属层的厚度分别为8nm、10nm。

19、优选的，所述s33中的加热温度为120℃，所述按压时间为20s，之后从加热台取下按压10s。

20、优选的，位于所述衬底上方的第一金属层和第二金属层为二维半导体mems器件的第一电极，所述衬底为所述二维半导体mems器件的第二电极，所述薄膜层为mos2薄膜，mos2薄膜为二维半导体mems器件的响应层。

21、优选的，所述s34中采用光学、原子力显微镜或光谱中的至少一种进行表征。

22、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

23、(1)通过先对衬底刻蚀加工，之后蒸镀ti-au层，不仅可以避免目前器件制备工艺中所带来的残胶影响，还可以避免制备电极过程中在电极-样品接触区域的样品产生缺陷而降低器件性能；

24、(2)通过au与mos2的作用力，可以获得大面积干净无残胶污染的单层mos2，与通过转移技术制备的mems器件相比，直接剥离的样品完整度较高，不会引入应力、缺陷等问题；

25、(3)通过直接剥离的大面积样品，可以适用于高集成度、微纳米尺寸工艺器件；

26、(4)虽然本申请制备的器件结构为面外mems器件，但其制备方法不仅可以改善目前面内mems器件制备工艺及器件性能，还适用于其他图案化衬底器件制备。

技术特征：

1.一种快速高效的二维半导体mems传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的快速高效的二维半导体mems传感器制备方法，其特征在于，所述s1具体包括：

3.如权利要求2所述的快速高效的二维半导体mems传感器制备方法，其特征在于，所述孔洞的直径为3μm，所述孔洞的间距为7μm。

4.如权利要求1所述的快速高效的二维半导体mems传感器制备方法，其特征在于，所述s2中采用热蒸镀或电子束蒸镀的方法进行蒸镀。

5.如权利要求1所述的快速高效的二维半导体mems传感器制备方法，其特征在于，所述s3具体包括：

6.如权利要求5所述的快速高效的二维半导体mems传感器制备方法，其特征在于，所述第一金属层、所述第二金属层分别为ti、au。

7.如权利要求6所述的快速高效的二维半导体mems传感器制备方法，其特征在于，蒸镀所述第一金属层、所述第二金属层的厚度分别为8nm、10nm。

8.如权利要求5所述的快速高效的二维半导体mems传感器制备方法，其特征在于，所述s33中的加热温度为120℃，所述按压时间为20s，之后从加热台取下按压10s。

9.如权利要求5所述的快速高效的二维半导体mems传感器制备方法，其特征在于，位于所述衬底上方的第一金属层和第二金属层为二维半导体mems器件的第一电极，所述衬底为所述二维半导体mems器件的第二电极，所述薄膜层为mos2薄膜，mos2薄膜为二维半导体mems器件的响应层。

10.如权利要求5所述的快速高效的二维半导体mems传感器制备方法，其特征在于，所述s34中采用光学、原子力显微镜或光谱中的至少一种进行表征。

技术总结本发明涉及半导体器件技术领域，具体提供一种快速高效的二维半导体MEMS传感器制备方法，该方法通过先对衬底刻蚀加工，之后后蒸镀Ti‑Au层，不仅可以避免目前器件制备工艺中所带来的残胶影响，还可以避免制备电极过程中，在电极‑样品接触区域，样品产生缺陷从而降低器件性能，通过Au与MoS<subgt;2</subgt;的作用力，可以获得大面积干净无残胶污染的单层MoS<subgt;2</subgt;，与通过转移技术制备的MEMS器件相比，直接剥离的样品完整度较高，不会引入应力、缺陷等问题，通过直接剥离的大面积样品，可以适用于高集成度、微纳米尺寸工艺器件。技术研发人员：申德振,邵京京,刘雷,鲍洋受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/3/21