MC方案｜氮化硼封裝對2D半導體層等離子體處理的影響(上篇)

二維(2D)過渡金屬二硫族化合物(TMDCs)在光學、電子學、催化和能量存儲方面的應用是研究的熱點。當封裝在沒有電荷無序的環境中時，它們的光學和電子性質可以顯著增強。因為六方氮化硼(h-BN)是原子級薄的、高度結晶的并且是強絕緣體，所以它是封裝和鈍化TMDCs常用的2D材料之一。在這份報告中，我們研究了超薄氮化硼如何屏蔽底層金屬氧化物半導體在半導體器件制造和后處理過程中通常使用的高能氬等離子體的TMDCs層。像差校正的掃描透射電子顯微鏡用于分析h-BN和MoS₂中的缺陷形成這些觀察結果與拉曼光譜和光致發光光譜相關。我們的結果強調了h-BN對于短時間的等離子體暴露(< 30秒)是有效的阻擋層，但是對于長時間的暴露是無效的，長時間的暴露會在下面的MoS₂中導致廣泛的碰撞損傷和非晶化.

將層狀范德瓦爾斯晶體分離成原子級薄的二維(2D)結構導致了對凝聚態物理的重要新認識，^1,2這又導致了全新的電子設備設計。^3,4在這些系統的合成路線、基本物理現象和器件特性的研究上已經花費了大量的努力。然而，對設備處理的關注較少。最終，所有2D材料的應用都需要對晶體質量、厚度(層數)以及器件加工條件進行精確控制。在這種背景下，我們提出了一個與微電子學中普遍存在的工藝相關的古老而相關的問題：等離子體處理。

等離子體處理廣泛用于清潔、功能化和鈍化表面，以及蝕刻材料。^5–11從石墨烯器件研究的早期開始，它就被應用于2D材料。^12–15然而，人們很快意識到高能等離子體會影響2D材料的結構和化學穩定性，從而降低電子設備中的橫向傳輸。^16–18因此，需要高質量、穩定且可擴展的封裝材料來保護2D器件通道，這也是研究的目標。然而，尚不清楚等離子體處理是否導致封裝層中的電荷結合，這降低了結構完整的2D材料中的載流子傳輸，或者是否直接損壞了材料。在這些情況下，通常使用電荷傳輸測量來推斷缺陷形成的作用，但是傳輸測量僅提供缺陷引入的間接證據。這些事實促使我們使用直接方法來探索等離子體蝕刻條件如何影響封裝層和有源溝道。

在所有高性能2D半導體器件中，隔離或封裝有源半導體層以限制電荷不均勻性和暴露于加工化學品是至關重要的。需要封裝來保護電子器件，例如晶體管和光電器件，晶體管的溝道埋在電介質絕緣體下，光電器件的結埋在觸點和阻擋層下。電荷不均勻性是由俘獲電荷、懸掛鍵和離子鍵的偶極子造成的，所有這些都阻礙了電子傳輸并抑制了2D層中的輻射復合。有機層(聚合物)和平的、高度結晶的、幾乎共價的材料，例如六方氮化硼(h-BN)¹⁹已經證明是2D通道和活性層的有效基底和密封劑。^20–22然而，聚合物和有機小分子容易受到熱損傷，并且在暴露于溶劑時會膨脹和溶解。這意味著它們不適合作為半導體器件制造和加工過程中的密封劑。然而，h-BN具有高的化學和熱穩定性，使其成為潛在的優良密封劑。已經開發了用于h-BN封裝的石墨烯和2D半導體器件的直接生長和轉移的幾種方案。^23–26在這些研究中，光刻后蝕刻步驟對于限定通道和接觸是BBKS少的。盡管一些研究假設h-BN足以保護下面的活性2D層，^27–30還沒有系統的研究提供其有效性的機制。在這項研究中，我們對h-BN層作為密封劑的功效進行了系統的研究。我們將光譜學和原子分辨率成像分析相關聯，以理解等離子體劑量變化、連續等離子體暴露、密封劑和底層厚度如何影響損傷累積率。

機械剝離2D MoS₂如別處所述，使用常規透明膠帶法制備層。³¹有意選擇剝離層的厚度，使得每個樣品可以重復進行多次分析。通過使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）印模的干轉移技術，將剝離的h-BN和MoS₂層轉移到SiO2/Si襯底上。干轉移技術使用電動顯微操作臺(X-Y-Z軸)，連接光學顯微鏡和自制加熱臺（基于熱電材料）。在將MoS₂層轉移到SiO2/Si襯底上之后，樣品在石英管爐中的封閉氣體（Ar?+?H2）環境中，以去除所有PDMS污染物。在300℃溫度下退火4小時，以清除污染物并釋放在基于壓力的干轉移方法中產生的應變。值得注意的是，2H相MoS₂在300°C的還原性氣氛中極其穩定。這已經被先前幾個研究證實，并且在我們選擇的退火溫度下沒有觀察到結構相變或缺陷形成的證據。^32,33同樣地，將h-BN和MoS₂層轉移到專用SiNx TEM網格（Norcada股份有限公司，直徑為100μm 的孔 3×3陣列）并以相同的方式退火，以在照射和隨后的掃描透射電子顯微鏡（STEM）表征之前去除 PDMS 污染 。這里使用兩種不同的等離子體輻照系統，在不同的曝光時間下處理不同的樣品。在 所有等離子體暴露分析均使用超純氬氣 (99.995%)。專用的等離子清潔系統可用于固定 TEM 支架，這樣我們就可以在將 TEM 網格安裝到 TEM 支架上，對樣品進行多次曝光處理。TEM 分析（TEM 網格上的樣品）與拉曼分析（SiO2/Si 襯底上的樣品）的等離子體暴露時間不同，因為根據可用配置，兩個系統中樣品距等離子體源的定位距離不同。

拉曼光譜以及光致發光測量使用LabRAM HR Evolution HORIBA系統進行。使用光斑尺寸約 0.5μm、激光功率 1% 的 633 nm 激光對 h-BN 和 MoS₂ 層進行診斷缺陷相關分析。在本例中，PL 分析使用 405nm 激光，激光功率為 0.1% (0.25μW)，采集時間為 1s。使用美國Olympus的光學顯微鏡對等離子體處理前后的所有樣品進行捕獲和分析。等離子體清洗機（Tergeo Plasma Cleaner）在 0.35Torr 基礎真空環境下使用 65sccm 的 Ar（99.995% 純度）流量和 50W 射頻功率。在專用TEM等離子體清潔系統(Gatan，Solarus 950)的情況下使用相同的參數。高角度環形暗場(HAADF)-STEM已用于直接觀察所有樣品的缺陷演變。 所有樣品均使用經過像差校正的 JEOL NEOARM STEM，其加速電壓為 200kV，會聚角為 25-29mrad。對于 JEOL NEOARM STEM，聚光鏡孔徑為 40μm，成像相機長度為 4cm，探頭電流為 120pA。所有捕獲的 STEM 圖像均使用 Gatan gms 軟件和相關的 Gatan 明場和高角度環形暗場探測器收集。 使用 imagej 中提供的自適應高斯模糊函數（半徑為 1-2 像素）對實驗獲取的 STEM 圖像進行平滑處理。

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