针对二维材料的激光刻蚀方法和系统

1.发明属于激光刻蚀系统领域，具体而言，本发明涉及一种针对二维材料的激光刻蚀方法和系统。


背景技术：

2.二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-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-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。


技术实现要素：

3.为了解决上述现有技术的问题，本发明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：
4.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；
5.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；
6.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。
7.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。
8.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。
9.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
10.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。
11.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。
12.优选地，所述的方法中还包括：
13.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。
14.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。
15.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：
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.本发明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
21.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
22.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。
23.相对于现有技术，根据本发明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
24.以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
25.图1示出了根据本发明较佳实施例中的一种逐层刻蚀方法的简要流程图；
26.图2示出了根据本发明一个较佳实施例的逐层激光刻蚀系统的简要示意图；
27.图3示出了根据本发明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；
28.图4举例示出了根据本发明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
29.为了使本发明的目的、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发明进一步详细说明。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，并不构成对本发明的不当限制，也不具备技术性意义。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所产生的效果及达到的目的前提下，均应包含于本发明揭示的技术内容的范围内。
30.本发明提出一种新的二维材料激光逐层刻蚀方法，该技术对刻蚀材料以及刻蚀环境具有高度的适用性，可根据刻蚀环境条件原位获得最佳刻蚀参数，并能有效地实现更大范围内的逐层刻蚀。以二硫化钼为例，在通常刻蚀环境下，仅通过二维材料依附衬底的不同，本发明可将逐层刻蚀的控制范围提升到十层以上，拓展了通过层数调控材料物性的能力。
31.图1示出了根据本发明较佳实施例中的一种逐层刻蚀方法的简要流程图。在该流程中，首先需要设计刻蚀结构并设计规划刻蚀路径。具体地，本发明所述的逐层刻蚀技术通过二维材料层间温度差异来实现特定激光功率饱和时长条件下达到目标剩余层数材料的刻蚀。其实现依赖于在本发明所针对的二维材料存在的层间温度差异，该层间温度差异指由于转移或生长在特定衬底上的二维材料在激光辐照条件下由于热量从样品传输到衬底而形成的温度场，例如可以将布置有样品的衬底与冷源物理接触以使形成从样品上表面到样品衬底接触面单调递减的温度场梯度分布，具有此温度场梯度分布特征的二维材料结构即本发明各个实施例中所期望的刻蚀结构，有利地，还需要在刻蚀过程中通过温度控制台或其他手段调整或维持该温度梯度分布特征基本不变。当样品的表层不具备上述从样品上表面到样品衬底接触面单调递减的层间温度梯度时，例如在等激光功率辐照条件下样品温度最高层不在表层或表面数层温度差十分接近(如相邻层温度差为十摄氏度以内)时，可以通过预刻蚀去除上述示例的不适宜的表层直至获得合格的单层可控刻蚀的样品。所述样品预刻蚀为将激光功率调节到高于表层刻蚀阈值功率后，对样品进行充分时长的刻蚀，直到激光辐照中心温度降低到刻蚀阈值温度以下。
32.其次，该流程包括根据刻蚀材料与结构的最大层数选取对应的刻蚀条件。具体地，特定层数的刻蚀材料通常被布置在衬底上，刻蚀条件包括对刻蚀激光波长、起始功率的预设定以及对刻蚀环境的调整，其中刻蚀环境包括：所述衬底的热导率、所述衬底与所述多层二维材料的接触热阻、所述衬底与环境的温度、刻蚀环境的气体氛围、刻蚀激光功率的控制精度与稳定性；其中，对所述衬底的热导率的调控包括更换所述衬底材料以及更换所述衬底表面覆盖层的种类与厚度。
33.接着，该流程还包括将与所期望的刻蚀后目标的最大层厚相当的待刻蚀样品转移到所选定的衬底上，或者通过在其上生长而获得。由于预刻蚀实际刻蚀层数不易精确判定，以及刻蚀反应速率较慢，优选地，在制备初始样品时控制其层数在最大逐层或单层可控刻蚀层数以内。
34.此后，在获得适于进行逐层或单层可控刻蚀的样品之后，还需要确定满足逐层激光刻蚀的功率范围，其可通过分析在待刻蚀样品上的激光辐照中心温度演化曲线特征获得。一种优选的方式是通过测量待刻蚀材料拉曼特征峰的峰位移动获得所述温度演化曲线。但本发明的技术方案也可以根据其他测量技术获得待刻蚀样品上的激光辐照中心温度演化曲线，其并不脱离本技术的发明构思。该步骤具体包括以下子步骤：
35.(1)通过调控激光功率获得温度演化曲线。其中一种优选过程如下：使用预先设定的特定波长的刻蚀激光(本实施例优选采用532nm激光)照射样品，在无失焦前提下逐步提升激光功率，同时利用拉曼峰位移实时监控激光光斑中心的温度，温度先随激光功率的增加而升高，在达到某一温度后则不再随激光功率增加而出现返折降低。此现象表明该激光功率下材料开始发生刻蚀反应。在此条件下保持激光功率不变，样品辐照中心的温度将具有阶梯状降温特征并且所述阶梯状降温趋势将稳定到某个特定温度附近。该特定温度即为该条件下激光刻蚀的阈值温度。
36.(2)在确定刻蚀阈值温度以后，可通过更精确地测量温度演化曲线以确定单层刻蚀所需激光功率范围。其过程为，在无失焦前提下，逐步提高辐照在待刻蚀样品上的激光功率使得刻蚀样品中心温度逐步达到刻蚀阈值温度后，进一步阶梯式提高激光功率使得样品中心温度短时间内超过阈值温度，随后保持激光功率不变，观察刻蚀区温度恢复至阈值温度过程中的阶梯式下降数目(温度阶梯)。若温度阶梯数目为1，则该激光功率满足材料单层刻蚀条件；若温度阶梯数目超过1，则该激光功率过大，不满足材料单层刻蚀条件，应降低激光功率值。通过多次测试可获得满足单层刻蚀要求的激光功率范围。优选地，对于二硫化钼二维材料，激光功率可调控范围可以为0至20毫瓦，且实际激光功率波动与单次调节精度在0.1毫瓦以内。
37.(3)在获得单层刻蚀激光功率范围并在其中选定一固定数值的单层刻蚀激光功率后，可通过对特定区域进行充分曝光而实现区域刻蚀。所述刻蚀完成的判定依据为确保该区域内各点刻蚀温度均达到刻蚀阈值温度或者在其以下。其中，充分曝光优选地通过逐点长时间曝光实现。所述充分曝光时长还可以通过刻蚀区域沿刻蚀路径重复扫描积累曝光时长获得。采用单点短时长曝光反复扫描的意义在于减少单次扫描刻蚀过程时长，以减弱刻蚀系统失焦影响以及针对刻蚀反应过程耗时的随机波动而用以避免已完成刻蚀部分额外曝光耗时。出于保证拉曼光谱采集的信号质量的目的，单点采集时长也不可太短。优选的，大气环境下刻蚀单点曝光所需时长为2s，因此单次单点曝光时长可以为0.1秒并且重复扫
描20次。
38.所述样品的初始厚度或层数可根据光谱特性，或原子力显微镜直接扫描探测高度获得。
39.上述流程还包括，在实现单层可控刻蚀之后，还可以通过在新的刻蚀面重复执行单层刻蚀来实现多层可控刻蚀的目的。
40.上述流程还包括，在所述逐层可控刻蚀完成之后，通过激光直写方式刻除目标刻蚀区域之外的多余样品部分从而获得成品。
41.在根据本发明的其他优选实施例中，所述温度演化曲线还可以用于判断待刻蚀样品是否单层可控。在单层不可控刻蚀的情形下，温度演化曲线特征为，在调节激光功率使样品达到刻蚀阈值温度后，进一步提高激光功率，样品温度在随激光功率变化同步快速升高至刻蚀阈值温度以上后，还会先随刻蚀反应进行进一步提升，再阶梯式下降至刻蚀阈值温度；或，样品温度在维持高于刻蚀阈值温度无明显变化条件下，通过其他参数，如待测样品拉曼信号强度，判定刻蚀仍在持续进行；或，无法通过激光功率调节，稳定获得温度单级阶梯。
42.在根据本发明的其他优选实施例中，对于常用的氧化硅覆盖的硅衬底而言，衬底氧化硅厚度还可以为2至20nm。所述温度场还可通过衬底温度或刻蚀过程化学环境调控，以典型的二维二硫化钼刻蚀为例，在大气氛围下刻蚀阈值温度约为350摄氏度，而在惰性气体氛围下刻蚀过程从氧化蒸发转变为直接蒸发，新刻蚀所需温度约为450摄氏度，等效于衬底温度降低100摄氏度。
43.图2示出了根据本发明一个较佳实施例的逐层激光刻蚀系统的简要示意图。所述激光刻蚀系统10包括激光模块11、计算机控制系统12、其上布置有衬底13的温度控制台14、位移台15和刻蚀气体氛围腔体16几个部分组成。其中激光模块11包括激光源、激光功率控制器和拉曼光谱仪，所述衬底13面向所述激光模块11的顶面用于布置待刻蚀的二维材料。计算机控制系统12至少包括刻蚀路径规划模块、刻蚀层数判断模块、刻蚀反馈模块。其中，所述刻蚀路径规划模块用于根据目标结构自动转换生成逐层结构刻蚀的规划路径；所述刻蚀层数判断模块用于对激光光斑中心温度探测过程中的温度台阶数目进行自动统计；所述刻蚀反馈模块通过监测激光辐照点(或区域)的温度是否达到刻蚀阈值温度或者在其以下来判断刻蚀是否完成。
44.温度控制台14与衬底直接热接触，用于根据刻蚀条件需要调控刻蚀过程中衬底的温度。在一个优选实施例中，温度控制台14包括以下操作：当刻蚀激光功率已达到最大值仍然无法完成目标层刻蚀时提升衬底温度以促进对目标层刻蚀，或者在刻蚀环境条件下刻蚀可控层数不足时降低衬底温度以减缓或防止对剩余层的刻蚀。
45.所述刻蚀气体氛围腔体16能够提供气密性理想且成分单纯的气体环境，用于改变二维材料的气体氛围，改变材料刻蚀理化反应过程与刻蚀生成物组分，并进一步调控二维材料刻蚀条件。以二维二硫化钼刻蚀为例，当其他刻蚀环境条件无法改变的情况下，改变气体氛围腔从大气氛围到惰性气体氛围等效衬底温度下降一百摄氏度，同时可以抑制刻蚀生成物残余中的氧化钼部分，并达到单层可控刻蚀范围增加的目的。
46.下面以一个更具体的实施例举例说明根据本发明的激光刻蚀方法对二维材料的刻蚀过程。
47.实施例1：
48.以二硫化钼连续十三层以内多层级台阶刻蚀为例，具体刻蚀流程如下：步骤1，设置刻蚀环境条件。该步骤具体包括，刻蚀激光功率波动以及功率控制精度约0.1毫瓦，大气氛围室温条件下，为达到二硫化钼13层以上的单层可控刻蚀，所需衬底可以为2至20纳米氧化硅覆盖的硅衬底。
49.步骤2，布置待刻蚀样品。该步骤具体包括，将机械剥离的二硫化钼层转移到步骤1所制备的例如2纳米的氧化硅覆盖的硅衬底上，寻找层厚面积合适的样品。经过afm表征所选样品区域其高度为8.5纳米，对应二硫化钼厚度为十三层，满足刻蚀结构初始层数要求；其中，如果样品的实际厚度较厚以至于需要被刻蚀的层厚大于所述逐层可控刻蚀的最大刻蚀范围，还可以预先对样品进行预刻蚀直至其满足逐层可控刻蚀的刻蚀范围并且重新测试二硫化钼层的厚度。
50.步骤3，获得该待刻蚀层的可控刻蚀对应的阈值波数。该步骤具体包括，在待刻蚀样品上控制激光功率，使其在无失焦前提下逐步上升，直至样品辐照中心温度不再同步上升出现反折后停止，记录该过程中样品辐照中心的单点温度演化曲线，以及以拉曼特征峰峰位演化为温度判据，确定二硫化钼的a
1g
特征峰刻蚀反应的阈值波数，本实施例中确定的阈值波数为405.5cm-1
。其中可以通过对样品待刻蚀表面的温度直接测量进而获得样品辐照中心温度。
51.图3举例示出了根据步骤3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拉曼特征峰随激光功率变化的演化曲线。在该曲线中，左侧为二硫化钼拉曼特征峰随时间和功率变化的演化曲线，从横坐标时间0点开始至约50秒附近，控制激光功率三次提升(即样品的目标区域内温度的三次提升)，使得纵坐标中的特征峰从最高值(约407cm-1
)处呈三级阶梯状下降，在样品的拉曼特征峰降低至附近之后(即样品的温度升至刻蚀阈值温度附近后，见图中横坐标约50秒左右)，拉曼特征峰呈现明显的阶梯状变化趋势，其中波数首先降低，然后分两次呈阶梯状提升直至所述阈值波数405.5cm-1
附近，该过程对应着样品温度首先升高，然后分两次呈阶梯状降低至刻蚀阈值温度附近，表明样品表面有两层被刻蚀。
52.步骤4，根据所获得的阈值波数确定单层刻蚀功率数值范围。该步骤具体包括，在待刻蚀样品上的非目标结构区上一点，实时观测二硫化钼a1g特征峰质心的位移，在其接近阈值波数后，进一步提高激光功率，并且控制该功率提升量以保证二硫化钼温度演变曲线中只出现单级阶梯。从而获得满足上述条件的功率范围为单层刻蚀功率的功率范围，取其值为p1。
53.步骤5，根据所获得的单层刻蚀功率对样品的另一非目标刻蚀区进行验证测试，如在温度演变曲线出现两级或多级台阶，重复步骤4。
54.步骤6，根据步骤4所确定的单层刻蚀激光功率对二硫化钼样品进行全区域单层刻蚀。该步骤具体包括，设定激光功率为p1，在表面第一层的目标刻蚀区按计算获得路径的连续扫描实现全区域刻蚀。刻蚀单点积分时长0.1秒，刻蚀点间距为0.1微米，刻蚀线间距0.1微米。通过刻蚀温度分布或材料拉曼光谱信号强度均一性实时监测刻蚀完成度，直至刻蚀完成。
55.步骤7，根据前述步骤1至6继续进行逐层刻蚀(在仅期望单层刻蚀的其他优选实施
例中该步骤并不是必须的)。该步骤包括以表面第一层所确定的单层刻蚀功率p1为初始功率，待辐照中心温度稳定后，继续测量第二层的刻蚀温度演变曲线，获得第二层刻蚀所需激光功率p2，进而完成第两层刻蚀区的刻蚀；类似地能够依次对下面的每一层进行刻蚀，最终获得目标刻蚀结构。此后，通过激光直写刻除目标刻蚀区域之外的多余样品部分从而获得成品。图4举例示出了刻蚀前后样品的光学和拉曼成像结果。
56.根据本发明的各个实施例的激光刻蚀系统和方法的技术效果：本发明的各个实施例上述的激光刻蚀系统和方法在激光刻蚀过程中能够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，其中通过调节刻蚀环境能够更好地将待刻蚀材料的温度场等关键因素控制在单层刻蚀条件下，通过对刻蚀激光光斑中心的温度实时监测能够准确获得该待测层是否满足单侧刻蚀条件并精确调节刻蚀激光功率以满足最佳单层刻蚀条件。同时本发明旨在形成通用性高的刻蚀策略，通过设定的外部条件和激光功率，以及在刻蚀过程中使用本发明所述的利用阈值温度确定单侧刻蚀功率的刻蚀方法对每一层进行精确单层刻蚀，使得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，因此具备大规模自动化生产前景。
57.虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

技术特征：
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.根据权利要求6所述的方法，其中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。8.根据权利要求4中所述的方法，其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：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。9.根据权利要求8中所述的方法，其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。10.根据权利要求8中所述的方法，其中，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。11.根据权利要求10中所述的方法，其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。12.一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；其特征在于还包括控制器，所述控制器被配置为用于实现权利要求1至11任一项所述的刻蚀方法。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：姚一锟 唐向前 王文宇 单欣岩 陆兴华
受保护的技术使用者：中国科学院物理研究所
技术研发日：2022.01.21
技术公布日：2023/7/31