基于机械臂的全自动晶圆级二维材料干法转移平台及干法转移方法

本发明属于二维材料集成制造领域，具体涉及基于机械臂的全自动晶圆级二维材料干法转移平台及干法转移方法。

背景技术：

1、二维范德华材料（如mos2、ws2）因原子级厚度和优异的光电特性，成为下一代逻辑与光电子器件的核心材料。然而，将化学气相沉积（cvd）生长的二维材料从生长衬底（如蓝宝石）转移至功能衬底的过程中，传统方法存在诸多局限：聚合物辅助转移（如pmma）会残留污染物，导致器件性能下降；湿法转移易引发褶皱和裂纹，破坏材料结构完整性；手动操作的pva转移法则存在对准精度低、批次差异大、晶圆级覆盖率不足等问题，难以满足工业级大规模集成需求。尽管现有自动化尝试有所改进，但在亚微米级对准、无缺陷界面构建及兼容后端制程（beol）方面仍存在技术瓶颈。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的第一目的是提供一种基于机械臂的全自动晶圆级二维材料干法转移平台，实现二维材料的高精度、高覆盖率、无污染转移，所制备器件性能优异且一致性高；本发明的第二目的是提供利用上述转移平台的干法转移方法。

2、为实现上述第一目的，本发明的全自动晶圆级二维材料干法转移平台的技术方案如下：

3、本发明提供一种晶圆级二维材料干法转移平台，所述平台包括机械臂，与机械臂可拆卸连接的真空吸取工具、滚筒工具和叉形夹具，热释放胶装载模块，旋涂机，温控平台，液氮处理单元，用于固定衬底的第一衬底固定装置和第二衬底固定装置；其中，热释放胶装载模块用于放置热释放胶（trt）；旋涂机用于在二维材料表面涂覆paca溶液；真空吸取工具用于在机械臂带动下拾取热释放胶和剥离贴合二维材料；滚筒工具用于在机械臂带动下对样品施加压力；叉形夹具用于在机械臂带动下转移衬底和带衬底的样品；温控平台与第一衬底固定装置连接，温控平台用于提供温度以调控热释放胶的粘性以便于剥离热释放胶，还用于固化paca溶液以形成paca层；液氮处理单元用于提供液氮环境以使涂覆在二维材料表面的paca脆化脱落；其中，‌paca全称为polyvinyl alcohol/citric acid，即聚乙烯醇/柠檬酸。

4、上述技术方案中，机械臂具备末端工具切换功能，可根据任务灵活选用不同夹具。其中，真空吸取工具利用负压吸附，专门处理热释放胶、无衬底二维材料等柔软对象；叉形夹具则通过叉板托举的方式，负责转移带有硬质衬底的各类样品；而滚筒工具通过表面滚压，用于实现热释放胶与paca层、或二维材料与目标衬底之间的高质量贴合。

5、其中，所述平台还包括液体分配系统，该液体分配系统用于配制paca溶液，液体分配系统的滴管在控制模块控制下将paca溶液滴涂在二维材料表面。

6、其中，机械臂还包括视觉位置定位模块和力反馈模块，视觉位置定位模块用于识别二维材料边缘、衬底对位标记或工位基准位置，力反馈模块用于实时监测并动态调整机械臂与样品的接触力大小。

7、其中，所述平台还包括r-θ光学扫描台，r-θ光学扫描台用于对二维材料样品进行全晶圆光学表征与覆盖率检测。

8、其中，机械臂末端连接有夹具连接模块，夹具连接模块包括第一固定块、第二固定块、第一伸缩臂和第二伸缩臂，其中第一固定块与第二固定块相对设置，第一固定块与第一伸缩臂连接，第二固定块与第二伸缩臂连接，第一伸缩臂和第二伸缩臂同时动作，带动两个固定块向中心线靠拢或远离；第一固定块和第二固定块上均设有凸台；真空吸取工具、滚筒工具和叉形夹具上均设有连接块，该连接块上开设有安装孔，该安装孔用于与所述凸台配合连接。

9、其中，所述平台还包括衬底仓，所述衬底仓用于存放衬底。

10、为实现上述第二目的，本发明的晶圆级二维材料干法转移方法的技术方案如下：

11、本发明提供一种利用上述的干法转移平台的转移方法，包括以下步骤：在生长衬底上制备二维材料，得到第一样品，第一样品上涂覆一层paca层，得到第二样品；在第二样品中的paca层上粘附一层热释放胶，得到第三样品；利用机械臂剥离第三样品上的热释放胶/paca/二维材料样品，得到第四样品，该第四样品由从下到上依次设置的二维材料、paca层和热释放胶组成；使第四样品表面暴露的二维材料与目标衬底贴合，得到第五样品；加热第五样品使第五样品中的热释放胶粘性降至设定阈值，剥离第五样品上的热释放胶，得到第六样品；第六样品置于冷冻环境下，使第六样品上的paca层脱落，即完成二维材料的转移。

12、其中，转移晶圆级二维材料的方法具体包括以下步骤：

13、（1）在生长衬底上制备二维材料，得到第一样品；在机械臂的端部与叉形夹具连接，叉形夹具转移第一样品至旋涂机内；通过旋涂机，将paca溶液涂覆到第一样品的二维材料表面；叉形夹具转移第一样品至第一衬底固定装置进行衬底固定，温控平台加热第一样品，使二维材料表面形成一层paca层，得到第二样品；

14、（2）机械臂的端部与真空吸取工具连接，真空吸取工具从热释放胶装载模块内吸取热释放胶，移送至第二样品的上表面；机械臂的端部与滚筒工具连接，滚筒工具对第二样品施加压力，使热释放胶与第二样品上的paca层贴合，得到第三样品；

15、（3）机械臂的端部与真空吸取工具连接，此时第三样品上的生长衬底固定在第一衬底固定装置上，真空吸取工具吸取生长衬底上的热释放胶，使热释放胶/paca/二维材料层从生长衬底上脱落，热释放胶/paca/二维材料层脱离生长衬底，得到第四样品；

16、（4）机械臂的端部与叉形夹具连接，叉形夹具拾取目标衬底至第二衬底固定装置进行衬底固定，机械臂的端部与真空吸取工具连接，真空吸取工具吸取第四样品并转移至目标衬底上，使第四样品上二维材料的一面与目标衬底贴合，机械臂的端部与滚筒工具连接，滚筒工具对第四样品施加压力，使第四样品固定在目标衬底上，得到第五样品；

17、（5）机械臂的端部与真空吸取工具连接，真空吸取工具吸取第五样品至温控平台加热；热释放胶与paca层之间的粘性降低，真空吸取工具吸取第五样品上脱落的热释放胶，得到第六样品；

18、（6）机械臂的端部与叉形夹具连接，叉形夹具拾取第六样品至液氮处理单元，经冷冻脆化，第六样品内的paca层脱落，最终完成二维材料的转移。

19、其中，在步骤（2）中，视觉位置定位模块识别二维材料边缘与热释放胶基准标记，视觉位置定位模块控制机械臂下降轨迹，使二维材料与热释放胶对准；步骤（4）中，视觉位置定位模块识别目标衬底与二维材料的对位标记，使目标衬底与二维材料对准。

20、其中，在步骤（6）中，paca层脱落后，机械臂将样品移送至r-θ 光学扫描台，进行全晶圆光学扫描检测，经检测合格的样品由机械臂移送回衬底仓，经检验样品不合格则记录异常位置与对应工艺参数。

21、其中，二维材料为mos2或wse2；paca溶液中的paca为聚乙烯醇-柠檬酸。

22、有益效果：本发明通过机械臂自动化系统与paca干法转移技术的结合，实现了二维材料从生长衬底到目标衬底的无损伤、高精度转移（对准偏差＜0.5 μm）。统计结果表明，转移后二维材料的晶圆级覆盖率大于97%；表面粗糙度控制在0.17±0.03 nm，接近原始生长材料（0.15 nm）。