Revolutionaire Schaalbare Proces Integreert 2D Materialen in Semiconductorproductie

Standaard BCB-dielektrikum en Wafer Bonding Maakt 2D-materialen Compatibel met Hoge-volume Productie

Twee-dimensionale (2D) materialen hebben een enorm potentieel voor het leveren van apparaten met veel kleinere afmetingen en uitgebreide functionaliteiten ten opzichte van wat bereikt kan worden met de huidige siliciumtechnologieën. Maar om dit potentieel te benutten, moeten we 2D-materialen in semiconductorproductielijnen kunnen integreren – een notoire moeilijke stap. Een team van Graphene Flagship onderzoekers in Zweden en Duitsland rapporteert nu een nieuwe methode om dit te laten werken.

Uitdaging van Transfer

De integratie van 2D-materialen met silicium of met een substraat met geïntegreerde elektronica presenteert een aantal uitdagingen. "Er is altijd deze kritieke stap van overbrengen van een speciale groeisubstraat naar het uiteindelijke substraat waarop je sensoren of componenten bouwt," zei Arne Quellmalz, onderzoeker bij Graphene Flagship Associate Member KTH. "Je wilt misschien een grafeen-fotodetector voor optische on-chip communicatie combineren met silicium uitleeselektronica, maar de groeitemperaturen van die materialen zijn te hoog, dus je kunt dit niet direct op het apparaten substraat doen."

Tot nu toe zijn de meeste experimentele methoden voor het overbrengen van 2D-materialen van hun groeisubstraat naar de gewenste elektronica ofwel niet-compatibel met hoge-volume productie of leiden ze tot een significante degradatie van het 2D-materiaal en zijn elektronische eigenschappen. De schoonheid van de oplossing voorgesteld door Quellmalz en medewerkers is dat het ligt in de bestaande toolkits van semiconductorproductie: het gebruik van een standaard dielektrisch materiaal genaamd bisbenzocyclobuteen (BCB), samen met conventionele wafer bonding apparatuur.

De Oplossing: BCB als Lijm

"We lijmen eigenlijk de twee wafers samen met een hars van BCB," zei Quellmalz. "We verwarmen de hars tot het viskeus wordt, als honing, en drukken het 2D-materiaal ertegen aan." Bij kamertemperatuur wordt de hars vast en vormt een stabiele verbinding tussen het 2D-materiaal en de wafer. "Om materialen te stapelen, herhalen we de stappen van verwarmen en drukken. De hars wordt weer viskeus en gedraagt zich als een kussen, of een waterbed, wat de laagstapel ondersteunt en zich aanpast aan het oppervlak van het nieuwe 2D-materiaal."

De onderzoekers demonstreren de overdracht van grafeen en molybdeendisulfide (MoS2), als vertegenwoordiger voor overgangsmetal dichalcogeniden, en stapelden grafeen met hexagonale boornitride (hBN) en MoS2 tot heterostructuren. Alle overgedragen lagen en heterostructuren waren naar verluidt van hoge kwaliteit, dat wil zeggen, ze kenmerkten zich door uniforme dekking over tot 100-millimeter silicium wafers en vertoonden weinig rek in de overgedragen 2D-materialen.

Volgens de onderzoekers is hun overdrachtsmethode in principe toepasbaar op elk 2D-materiaal, onafhankelijk van de grootte en het type groeisubstraat. En, aangezien het alleen op gereedschappen en methoden steunt die al gangbaar zijn in de semiconductorindustrie, kan het de verschijning op de markt van een nieuwe generatie apparaten waar 2D-materialen geïntegreerd zijn bovenop conventionele geïntegreerde schakelingen of microsystemen aanzienlijk versnellen. Dit werk is een belangrijke stap naar dat doel en, hoewel nog veel uitdagingen blijven, is het bereik van potentiële toepassingen groot: van fotonica, tot sensing, tot neuromorf computing. De integratie van 2D-materialen kan een echte game-changer zijn voor de Europese high-tech industrie.