CN112345320A - 一种基于半自动探针台微控二维材料的方法 - Google Patents

一种基于半自动探针台微控二维材料的方法 Download PDF

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万茜
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高铭良
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Abstract

本发明一种基于半自动探针台微控二维材料的方法,属于探针台控制技术领域。本发明基于操控杆与步进电机精确控制探针台探针，使操作人员可以更加精确地控制探针在CVD制备的样品表面进行XYZ三个方向的移动，进而得到所需尺寸的二维材料样品，方便转移，为后续的器件制作提供了良好的基础，避免了传统方法处理过程中对二维材料的损害。本发明方法微调的行程为30mm，控制精度可达0.008μm，而且拥有控制效果良好，操作简便，实现了对探针台探针在半导体材料及金属电极表面的高精度微操作定位与控制。

Description

一种基于半自动探针台微控二维材料的方法
技术领域
本发明涉及一种基于半自动探针台微控二维材料的方法,属于探针台控制技术领域。
背景技术
半导体测试在半导体制造过程中的作用越来越重要，作为硅晶圆测试中重要的辅助设备，探针台扮演着非常重要的角色。伴随着集成电路制造业的不断发展，集成电路越来越小，集成电路的内部结构却越来越复杂，与此同时加工要求也越来越高。
现有制备二维材料方法有：1.化学气相沉积(CVD法)：通过自组装在铜箔上合成高质量的厘米级石墨烯片(Wan X,Chen K,Liu D,et al.High-Quality Large-AreaGraphene from Dehydrogenated Polycyclic Aromatic Hydrocarbons[J].Chemistry ofMaterials,2012,24(20):3906–3915.)；2.液相剥离(LPE法)：将层状材料石墨剥离成纳米级别厚度的石墨烯(Li Z,Young R J,Backes C,et al.Mechanisms of Liquid PhaseExfoliation for the Production of Graphene[J].ACS Nano,2020,1936-0851.)。然而CVD法制备的材料具有大面积高质量的优点，但是设备成本高，产率低，较适合于需要高参数值的电子器件。而液相剥离法得到的二维材料，产率很低，而且大多需要使用有机溶剂，尺寸不可控，在纳米到几十微米尺寸范围。
现有调控二维材料尺寸的方法主要采用光刻工艺：在样品上覆上一层光刻胶，使特定的光波穿过掩膜照射在光刻胶上，对光刻胶进行选择性曝光。然后使用显影液溶解掉被照射的区域，光掩模上的图形就呈现在光刻胶上。然后对衬底进行选择性的刻蚀或离子注入来控制尺寸，未被溶解的光刻胶将保护衬底在这些过程中不被改变。最后，将光刻胶去除，以方便进行半导体器件制造的其他步骤。上述方法存在哪些缺陷：光刻的主要缺点在于它必须在平面上使用，在不平的表面上它的效果要差一些，并且衬底要求具有极高的清洁条件。
目前，探针台主要用于半导体工业，光电子工业，集成电路和封装的测试。从功能上来区分有：温控探针台，真空探针台(超低温探针台)，RF探针台，LCD平板探针台，霍尔效应探针台，表面电阻率探针台。国内主要分为手动和半自动，然而该控制系统结构简单，易于实现，成本低廉，但存在定位精度低，稳定性差的问题。与目前带步进电机的探针台已有设计的文章对比，其驱动器连接控制器和步进电机，控制器是Controller Area Network(CAN)，即控制器局域网，是一种多主机异步串行总线，本发明的控制器是SMC30PLC操纵杆操纵控制器。
已有设计是用于定位探针到器件电极，本发明用于专业调控二维材料尺寸，制备器件的半自动探针台。
石墨烯和二硫化钼等二维材料目前可通过CVD制备出晶圆级二维材料层，如在2英寸蓝宝石晶片顶部沉积单晶Cu(111)膜(Epitaxial Al2O3(0001)/Cu(111)TemplateDevelopment for CVD Graphene Growth[J].Journal of Physical Chemistry C,2016,120(1):297-304.)；通过CVD法来调控高质量晶圆级单晶单层MoS2尺寸，成功实现了整个4英寸晶圆的MoS2(Wang Q,Li N,Tang J,et al.Wafer-scale Highly Oriented MonolayerMoS2 with Large Domain Sizes[J].Nano Letters,2020,1530-6992.)；在两英寸c面蓝宝石晶片上的Cu(111)薄膜上单晶六方氮化硼(h-BN)单层的成功外延生长(Chen T A,Chuu CP,Tseng C C,et al.Wafer-scale single-crystal hexagonal boron nitridemonolayers on Cu(111)[J].Nature,2020,579(7798):219-223.)。然而在传统工艺中制备器件时，需要进行光刻工艺，容易产生污染。
发明内容
技术问题：
提供一种基于半自动探针台调控二维材料尺寸的方法，基于操控杆与步进电机精确控制探针台探针，使操作人员可以更加精确地控制探针在样品表面进行XYZ三个方向的移动，进而得到所需尺寸的二维材料样品，避免传统方法处理过程中对二维材料的损害。
本发明方法利用微米级直径的探针在表面可直接微控操作，利用坚硬的微米钨针进行直接精确定位，机械接触，精准移动探针，通过探针划出所需微米尺寸的二维材料，作为进一步研究的器件。
技术方案：
为了实现看看上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种用于微控二维材料尺寸的半自动探针台，包括探针平台、操纵控制装置、运行装置，探针座和探针；其中，探针通过探针座与运行装置连接；操纵控制装置与运行装置连接，并通过运行装置操纵控制探针在探针平台上运行，实现对二维材料尺寸的微控。
在本发明的一种实施方式中，所述操纵控制装置包括：SMC30PLC操纵杆操纵控制器、操纵盒SMC72、DFC5107P五相步进电机驱动器。
在本发明的一种实施方式中，所述运行装置包括三轴XYZ电动微调工作台和三个42步进双出轴五相步进电机。
在本发明的一种实施方式中，所述探针型号为：韩国钨钢针尖WG-38-1.0，尺寸为38mm长，尖头为2μm。
在本发明的一种实施方式中，所述操纵控制装置中的SMC30PLC操纵杆操纵控制器连接操纵盒SMC72和DFC5107P五相步进电机驱动器，运行装置中的三个进双出轴五相步进电机连接三轴XYZ电动微调工作台和操纵控制装置中的DFC5107P五相步进电机驱动器，三轴XYZ电动微调工作台探针座与探针连接，通过实现探针运行。
在本发明的一种实施方式中，所述三轴XYZ电动微调工作台为型号为PK535-NBC-C25的进口三轴XYZ电动微调工作台。
在本发明的一种实施方式中，所述探针座为NT02PS精密手动探针座。
在本发明的一种实施方式中，所述SMC30PLC操纵杆操纵控制器脉冲范围在1Hz～10KHz，可以同时控制3台电机，三轴联动，每轴独立，每轴独立速度。操控非线性速度曲线，具有精确操控又有高速控制性能。
在本发明的一种实施方式中，所述DFC5107P五相步进电机驱动器，细分数为1、2、5、10、50、250。五相步进电机驱动器为每转500分割(0.72°/step)的高转矩。当1细分时，一圈实际脉冲数：360°/0.72°*1＝500Hz；当250细分时，一圈实际脉冲数：360°/0.72°*250＝125000Hz，所以一圈脉冲数范围在500～125000Hz。
在本发明的一种实施方式中，所述进口三轴XYZ电动微调工作台螺距为1mm，能够重复定位精度±1μm，直线度精度≤1μm，有效行程30mm，最大负载5kg且带有三个限位传感器。
在本发明的一种实施方式中，所述SMC30PLC操纵杆操纵控制器连接操纵盒SMC72和DFC5107P五相步进电机驱动器，三个42步进双出轴五相步进电机连接进口三轴XYZ电动微调工作台和DFC5107P五相步进电机驱动器，NT02PS精密手动探针座与进口三轴XYZ电动工微调作台和探针连接。
本发明还提供一种基于上述半自动探针台调控二维材料尺寸的方法，所述方法是将二维材料放置在上述半自动探针台的探针平台上，然后利用上述半自动探针台进行尺寸调控。
在本发明的一种实施方式中，所述方法还包括：利用显微镜观察探针平台上二维材料调控的过程，并将显微镜连接到计算机，使得操作者可以在计算机屏幕上看到实时、彩色的立体场景图像。
在本发明的一种实施方式中，所述方法中尺寸调控是采用操纵盒上的操纵杆控制步进电机运动，对探针的XYZ三维运动进行控制，用操纵杆上的摇杆的上下和左右方向分别对工作台进行Y和X方向运动的控制，用摇杆的逆时针和顺时针控制Z上下方向的运动。通过该操作可得到想获得的样品。
有益效果：
(1)本发明基于操控杆与步进电机精确控制半自动探针台探针的方法，操作台行程30mm，控制精度可达0.008μm，而且拥有控制效果良好，操作简便，实现了高精度的微操作定位与控制的优点。
(2)本发明方法通过半自动探针台的XYZ三维运动可以精确调控通过CVD法沉积制备的大面积二维材料的尺寸，得到想要的规则形状，且方便转移，为后续的器件制作提供了良好的基础。
附图说明
图1为本发明半自动探针台探针的结构图；其中，1是SMC30PLC操纵杆操纵控制器、操纵盒SMC72；2是DFC5107P五相步进电机驱动器；XYZ是三个42步进双出轴五相步进电机；3是进口三轴XYZ电动工作台；4是NT02PS精密手动探针座；5是探针；6是探针平台台面。
图2为本发明半自动探针台探针的装置图。
图3为利用探针划开二维材料并挑起的过程示意图；其中，a为探针在样品上划出规则形状；b为用探针将样品划出的形状挑起。
图4为各种细分数对应的细分后步进当量范围。
图5为实施例1中利用探针划出想要的石墨烯形状的光学流程图。
图6实施例2中利用探针划出想要的硒化钼形状的光学流程图。
图7为实施例3中利用探针划出想要的金薄膜形状的光学流程图。
图8为实施例4中利用探针挑起金薄膜的光学流程图。
具体实施方式
根据权利要求所包含的内容举例说明。
涉及到的石墨烯和二硫化钼等二维材料可通过CVD法制备出相应晶圆级二维材料层。
实施例1：在CVD法制备的石墨烯二维材料层上划出规则图形
1.探针台构健：
SMC30PLC操纵杆操纵控制器连接操纵盒SMC72和DFC5107P五相步进电机驱动器，三个42步进双出轴五相步进电机连接进口三轴XYZ电动微调工作台(工作台螺距为1mm，能够重复定位精度±1μm，直线度精度≤1μm，有效行程30mm，最大负载5kg且带有三个限位传感器)和DFC5107P五相步进电机驱动器(250细分)，NT02PS精密手动探针座与进口三轴XYZ电动工微调作台和探针(尺寸为38mm长，尖头为2μm)连接。
2.将显微镜连接到计算机，使得操作者可以在计算机屏幕上看到实时、彩色的立体场景图像。
3.将转移到硅片的石墨烯放置在探针平台上。
4.采用操纵盒上的操纵杆控制步进电机运动，可以对探针的XYZ三维运动进行控制，用操纵杆上的摇杆的上下和左右方向分别对工作台进行Y和X方向运动的控制，用摇杆的逆时针和顺时针控制Z上下方向的运动。利用探针在石墨烯上划出相应器件的形状(220μm*120μm)，具体步骤(图5)为：
1)将摇杆顺时针方向转动，使得探针向下运动，直到探针接触到样品表面，摇杆不再转动，如图5.1。
2)将摇杆向左摇动，使得探针向左移动，探针向左划开样品，移动约220μm，如图5.2-3。
3)将摇杆向下摇动，使得探针向下移动，探针向下划开样品，移动约120μm，如图5.4。
4)将摇杆向右摇动，使得探针向右移动，探针向右划开样品，移动约220μm，如图5.5-6。
5)将摇杆向上摇动，使得探针向上移动，探针向上划开样品，移动约120μm，如图5.7。
6)将摇杆逆时针方向转动，使得探针向上运动，直到探针远离样品表面，随后摇杆不再转动，如图5.8。
涉及的驱动器控制250细分，0.72°/250＝0.00288°，最大脉冲10KHZ，细分后步进当量最大＝1mm*10000Hz*0.00288°/360°＝0.08mm＝80μm；最小脉冲1Hz，细分后步进当量最小＝1mm*1Hz*0.00288°/360°＝0.000008mm＝0.008μm。具体的细分后步进当量范围如图4。
通过探针划出石墨烯的形状，可以不断调控石墨烯器件沟道的尺寸，得到想要的规则形状，且方便转移，获得所需的电学器件，避免传统光刻等过程带来的有机杂质的影响。上述微控操作行程30mm，控制精度可达0.008μm，而且拥有控制效果良好，操作简便，实现了高精度的微操作定位与控制的优点。
实施例2：在硅片上CVD法制备的二维二硒化钼材料层上划出规则图形
1.探针台构健：
SMC30PLC操纵杆操纵控制器连接操纵盒SMC72和DFC5107P五相步进电机驱动器，三个42步进双出轴五相步进电机连接进口三轴XYZ电动微调工作台(工作台螺距为1mm，能够重复定位精度±1μm，直线度精度≤1μm，有效行程30mm，最大负载5kg且带有三个限位传感器)和DFC5107P五相步进电机驱动器(1、2、5、10、50或者250细分)，NT02PS精密手动探针座与进口三轴XYZ电动工微调作台和探针(尺寸为38mm长，尖头为2μm)连接。
2.将显微镜连接到计算机，使得操作者可以在计算机屏幕上看到实时、彩色的立体场景图像。
3.将退火后的化学气相沉积制备的硒化钼样品硅片放置在探针平台上。
4.采用操纵盒上的操纵杆控制步进电机运动，可以对探针的XYZ三维运动进行控制，用操纵杆上的摇杆的上下和左右方向分别对工作台进行Y和X方向运动的控制，用摇杆的逆时针和顺时针控制Z上下方向的运动。利用探针在硒化钼上划出想要的形状(110μm*70μm)，具体步骤(图6)为：。
1)将摇杆顺时针方向转动，使得探针向下运动，直到探针接触到样品表面，摇杆不再转动，如图6.1。
2)将摇杆向下摇动，使得探针向下移动，探针向下划开样品，移动约70μm，如图6.2。
3)将摇杆向左摇动，使得探针向左移动，探针向左划开样品，移动约110μm，如图6.3。
4)将摇杆向上摇动，使得探针向上移动，探针向上划开样品，移动约70μm，如图6.4-5。
7)将摇杆向右摇动，使得探针向右移动，探针向右划开样品，移动约110μm，如图6.6-7。
8)将摇杆逆时针方向转动，使得探针向上运动，直到探针远离样品表面，随后摇杆不再转动，如图6.8。
通过该方法可以扩展到过渡金属二硫化物样品，在样品上利用探针划出相应的形状，将该划好的样品作为沟道，避免传统光刻等过程带来的有机杂质的影响，减少了电荷陷阱，对制作半导体器件方面非常有利。
实施例3：在硅片上沉积的金薄膜二维材料层上划出规则图形
1.探针台构健：
SMC30PLC操纵杆操纵控制器连接操纵盒SMC72和DFC5107P五相步进电机驱动器，三个42步进双出轴五相步进电机连接进口三轴XYZ电动微调工作台(工作台螺距为1mm，能够重复定位精度±1μm，直线度精度≤1μm，有效行程30mm，最大负载5kg且带有三个限位传感器)和DFC5107P五相步进电机驱动器(250细分)，NT02PS精密手动探针座与进口三轴XYZ电动工微调作台和探针(尺寸为38mm长，尖头为2μm)连接。
2.将显微镜连接到计算机，使得操作者可以在计算机屏幕上看到实时、彩色的立体场景图像。
3.将在硅片上沉积的金薄膜放置在探针平台上。
4.采用操纵盒上的操纵杆控制步进电机运动，可以对探针的XYZ三维运动进行控制，用操纵杆上的摇杆的上下和左右方向分别对工作台进行Y和X方向运动的控制，用摇杆的逆时针和顺时针控制Z上下方向的运动。利用探针划出金薄膜形状(280μm*240μm)，具体步骤(图7)为：
1)将摇杆顺时针方向转动，使得探针向下运动，直到探针接触到样品表面，摇杆不再转动，如图7.1。
2)将摇杆向左摇动，使得探针向左移动，探针向左划开样品，移动约280μm，如图7.2。
3)将摇杆向下摇动，使得探针向下移动，探针向下划开样品，移动约240μm，如图7.3-7.4。
4)将摇杆向右摇动，使得探针向右移动，探针向右划开样品，移动约280μm，如图7.5。
5)将摇杆向上摇动，使得探针向上移动，探针向上划开样品，移动约240μm，如图7.6-7.7。
6)将摇杆逆时针方向转动，使得探针向上运动，直到探针远离样品表面，随后摇杆不再转动，如图7.8。
该方法中，金薄膜由于沉积在硅片上，薄膜平整度高，利用探针划开金薄膜，可将这部分形状的金薄膜作为器件的电极材料，避免了传统光刻等过程带来的有机杂质的影响，实施例4：将在硅片上沉积的金薄膜上划出的图形挑起
1.SMC30PLC操纵杆操纵控制器连接操纵盒SMC72和DFC5107P五相步进电机驱动器，三个42步进双出轴五相步进电机连接进口三轴XYZ电动微调工作台(工作台螺距为1mm，能够重复定位精度±1μm，直线度精度≤1μm，有效行程30mm，最大负载5kg且带有三个限位传感器)和DFC5107P五相步进电机驱动器(250细分)，NT02PS精密手动探针座与进口三轴XYZ电动工微调作台和探针(尺寸为38mm长，尖头为2μm)连接。
2.将显微镜连接到计算机，使得操作者可以在计算机屏幕上看到实时、彩色的立体场景图像。
3.将在300nm硅片上沉积的200nm厚金箔放置在探针平台上。
4.采用操纵盒上的操纵杆控制步进电机运动，可以对探针的XYZ三维运动进行控制，用操纵杆上的摇杆的上下和左右方向分别对工作台进行Y和X方向运动的控制，用摇杆的逆时针和顺时针控制Z上下方向的运动。将在硅片上沉积的金薄膜上划出的图形挑起，具体步骤(图8)为：
1)将摇杆顺时针方向转动，使得探针向下运动，直到探针接触到划好的金薄膜表面，摇杆不再转动，如图8.1。
2)将摇杆向左摇动，使得探针向左移动，直到探针与金薄膜接触，如图8.2。
3)将摇杆向逆时针方向转动，使得探针向上移动，此时探针将金薄膜挑起时，停止转动摇杆，如图8.3。
4)将摇杆向上摇动，使得探针向上移动，探针向上移动，继续将金薄膜向上挑起，直至与衬底分离，如图8.4-8.5。
5)将摇杆逆时针方向转动，使得探针向上运动，直到探针带着金薄膜远离样品表面，随后摇杆不再转动，如图8.6。
6)将摇杆向右摇动，使得探针带着金薄膜向右移动，如图8.7。
7)将摇杆顺时针方向转动，使得探针向下运动，直到探针接触到样品表面，摇杆不再转动，此时金薄膜转移到了别的地方，如图8.8。
该方法制作简单、实用，挑起的金薄膜经转移可作为半导体器件中的电极，避免了传统光刻等过程带来的有机杂质的影响。
通过该方法可以扩展到过渡金属二硫化物样品，在样品上利用探针划出相应的形状，将该划好的样品作为沟道，避免传统光刻等过程带来的有机杂质的影响，减少了电荷陷阱，对制作半导体器件方面非常有利。
本实施方式仅为较佳实施例，凡依照本发明所作的等效的变化或修改，都应视为本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种基于半自动探针台调控二维材料尺寸的方法，其特征在于，所述方法是将二维材料放置在半自动探针台的探针平台上，然后利用半自动探针台进行尺寸调控；
所述半自动探针台包括探针平台、操纵控制装置、运行装置，探针座和探针；其中，探针通过探针座与运行装置连接；操纵控制装置与运行装置连接，并通过运行装置操纵控制探针在探针平台上运行，实现对二维材料尺寸的微控。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述操纵控制装置包括：SMC30PLC操纵杆操纵控制器、操纵盒SMC72、DFC5107P五相步进电机驱动器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运行装置包括三轴XYZ电动微调工作台和三个42步进双出轴五相步进电机。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中二维材料尺寸的调控是采用操纵盒上的操纵杆控制步进电机运动，对探针的XYZ三维运动进行控制，用操纵杆上的摇杆的上下和左右方向分别对工作台进行Y和X方向运动的控制，用摇杆的逆时针和顺时针控制Z上下方向的运动。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：利用显微镜观察探针平台上二维材料调控的过程，并将显微镜连接到计算机，使得操作者可以在计算机屏幕上看到实时、彩色的立体场景图像。
6.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，二维材料包括：石墨烯二维材料、二硒化钼二维材料、金薄膜二维材料。
7.一种用于微控二维材料尺寸的半自动探针台，其特征在于，包括探针平台、操纵控制装置、运行装置，探针座和探针；其中，探针通过探针座与运行装置连接；操纵控制装置与运行装置连接，并通过运行装置操纵控制探针在探针平台上运行，实现对二维材料尺寸的微控；
其中，操纵控制装置包括：SMC30PLC操纵杆操纵控制器、操纵盒SMC72、DFC5107P五相步进电机驱动器；运行装置包括三轴XYZ电动微调工作台和三个42步进双出轴五相步进电机。
8.根据权利要求7所述的半自动探针台，其特征在于，所述探针的尺寸为38mm长，尖头为2μm。
9.根据权利要求7所述的半自动探针台，其特征在于，所述操纵控制装置中的SMC30PLC操纵杆操纵控制器连接操纵盒SMC72和DFC5107P五相步进电机驱动器，运行装置中的三个进双出轴五相步进电机连接三轴XYZ电动微调工作台和操纵控制装置中的DFC5107P五相步进电机驱动器，三轴XYZ电动微调工作台探针座与探针连接，通过实现探针运行。
10.权利要求7-9任一项所述的半自动探针台在调控二维材料尺寸方面的应用。
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