一种用于表征二维二硫化钼（2D MoS?）层的晶圆级方法

《Applied Surface Science》：A wafer-scale method for the characterization of 2D MoS 2 layers

二维过渡金属硫化物（TMDs）的原子层沉积（ALD）工艺优化及综合表征方法研究。采用AFM、XPS、STEM和光学方法（WDXRF、拉曼、PL）开发了wafer-scale综合表征协议，实现MoS2单层薄膜的精确控制（ALD循环数优化）及全 wafer 均匀性评估。

　　在半导体器件不断微型化的背景下，二维过渡金属二硫属化物（TMDs）因其优异的电学性能和潜在的器件应用前景而受到广泛关注。作为一类具有层状结构的材料，TMDs在厚度、层数和化学组成等方面表现出高度可调的特性，使其成为下一代低功耗、超小型晶体管的理想候选材料。然而，要实现这些材料在大规模器件中的实际应用，关键在于其在晶圆尺度上的可控制备与精准表征。本文旨在探讨一种结合多种表征技术的综合方法，以评估ALD（原子层沉积）法制备的MoS?薄膜在厚度、连续性和化学组成等方面的特性。

随着硅基电子器件接近其物理极限，特别是在亚10纳米尺度下，通道迁移率的下降限制了器件性能的进一步提升。因此，二维TMDs因其出色的静电控制能力和对短沟道效应的抗性，提供了新的发展方向。这些材料的电子特性高度依赖于厚度，例如，单层MoS?表现出较大的带隙，而多层结构则呈现较小的带隙。这种特性使得TMDs在可调带隙器件设计中具有重要价值。此外，近年来在化学气相沉积（CVD）技术方面取得的进展，使得大规模、高质量TMDs的生长成为可能，为可扩展的电子和光电子器件提供了新的基础。

尽管CVD技术在制备大面积TMDs方面取得了一定成就，但其在实现单层MoS?薄膜的连续覆盖方面仍面临挑战。这主要是由于生长过程中可能出现的层间断裂和二次成核现象，导致薄膜的均匀性和连续性难以保证。为了解决这一问题，研究者尝试采用不同的成核抑制剂，例如氯化化合物，以减少垂直生长的可能性。然而，这些化合物通常会对基底材料产生腐蚀或应力问题，从而影响器件的稳定性。

相比之下，ALD技术因其精确的层间控制能力和高质量的薄膜均匀性，成为一种可行的替代方案。ALD过程通常包括低温沉积和高温退火两个阶段，其中低温沉积用于形成非晶态薄膜，而高温退火则用于实现材料的结晶化。这种方法能够有效避免二次成核，从而确保薄膜的连续性和均匀性。然而，ALD制备的TMDs在晶粒尺寸和缺陷密度方面仍存在一定的不足，相较于CVD生长的材料，其在某些性能指标上可能略逊一筹。

为了确保大规模生产中TMDs的高质量，必须建立一种适用于晶圆尺度的表征方法。当前，大多数表征技术仍局限于小面积的分析，难以全面评估材料的整体性能。例如，原子力显微镜（AFM）是一种常用的表面形貌分析工具，能够提供厚度、晶粒尺寸和覆盖率等信息。然而，对于晶粒尺寸较小或薄膜连续性较好的情况，AFM的分辨率可能不足以准确测量厚度和覆盖率。因此，需要结合其他非破坏性光学技术，如拉曼光谱和光致发光，以获得更全面的材料信息。

拉曼光谱作为一种无损分析手段，能够提供关于TMDs晶体质量、掺杂、应变等信息，并且还能作为判断层数的一个重要指标。例如，单层MoS?的拉曼光谱特征与多层结构存在明显差异，这使得研究人员能够通过拉曼光谱快速判断材料的层数。此外，光致发光（Photoluminescence）技术在单层MoS?中表现出较强的激子主导效应，这与较低的介电屏蔽和空间限制有关，进一步验证了单层厚度的特性。然而，尽管这些光学技术在某些方面具有优势，它们在大规模材料表征中的精度仍存在不足。

为了克服这一问题，本文提出了一种结合X射线光电子能谱（XPS）和扫描透射电子显微镜（STEM）的表征方法，用于精确测量薄膜的化学组成、表面覆盖率和等效厚度。然而，这些技术通常需要较长的分析时间，难以满足大规模生产中对快速表征的需求。因此，本文进一步开发了一种综合表征方法，结合波长分散X射线荧光（WDXRF）、拉曼光谱和光致发光技术，以实现对TMDs薄膜在晶圆尺度上的快速、准确评估。该方法不仅能够提供等效厚度和化学组成的信息，还能确保对材料整体性能的全面分析。

在具体实施中，本文对两种不同的ALD工艺进行了研究，分别使用了四（二甲氨基）钼（IV）（TDMAMo）和钼氧氯化物（MoO?Cl?）作为钼源，同时使用1,2-乙二硫醇（EDT）作为硫源。两种工艺的温度条件和成核抑制剂均有所不同，这使得研究者能够比较不同工艺对薄膜性能的影响。通过这种方法，研究者能够确定实现单层MoS?薄膜所需的ALD循环次数，并确保薄膜在晶圆尺度上的连续覆盖和高均匀性。

在实验过程中，研究者采用AFM对ALD生长的MoS?薄膜在微尺度上进行了均匀性分析，同时利用XPS和STEM对薄膜的化学组成、表面覆盖率和等效厚度进行了精确测量。这些方法的结合使得研究者能够获得更全面的材料信息，从而为优化ALD工艺提供了依据。此外，WDXRF技术的引入进一步提高了对材料整体化学组成和厚度的评估能力，使得研究者能够在不破坏材料的情况下快速获得关键数据。

通过这一综合表征方法，研究者成功评估了两种不同的ALD工艺在实现单层MoS?薄膜方面的效果，并验证了该方法在大规模材料分析中的可行性。研究结果表明，无论采用哪种工艺，都能实现接近完整的单层覆盖和高均匀性，同时保持晶圆的完整性。这为未来大规模生产TMDs材料提供了重要的技术支持，并有助于推动其在电子和光电子器件中的应用。

在实际应用中，TMDs材料的表征不仅需要考虑其物理特性，还需要关注其化学稳定性、环境适应性和工艺兼容性。例如，不同的成核抑制剂可能对基底材料产生不同的影响，从而影响薄膜的生长质量。此外，不同工艺条件下的温度控制、气体流量和反应时间等参数也需要进行优化，以确保材料的性能和稳定性。因此，建立一套全面的表征方法，不仅有助于评估材料的性能，还能为优化制备工艺提供重要依据。

综上所述，本文通过结合多种表征技术，提出了一种适用于晶圆尺度的综合方法，用于评估ALD法制备的MoS?薄膜的厚度、连续性和化学组成。该方法不仅能够提供精确的材料信息，还能确保对大规模材料的快速分析，从而为未来TMDs材料的生产和应用提供了重要的技术支持。通过这一研究，研究人员能够更好地理解不同工艺条件对材料性能的影响，并为优化制备过程提供科学依据。这将有助于推动TMDs材料在电子和光电子领域的广泛应用，为未来器件的微型化和高性能化提供新的解决方案。