Эта методика, недавно опубликованная в престижном журнале Nature Communications, была разработана исследователями из программы Graphene Flagship в Рейнско-Вестфальском техническом университете Аахена, Бундесвера в Мюнхене, компании AMO GmbH в Германии и Королевского технологического института Кентукки в Швеции в сотрудничестве с компанией Protemics GmbH.
Интеграция двумерных материалов, таких как графен, с кремнием (или любой другой подложкой, используемой в интегральных схемах) представляет собой ряд проблем. «Всегда есть критически важный этап при переносе двумерного материала с подложки, где он синтезирован, на конечную подложку, которая будет использоваться для производства электронных компонентов, таких как датчики», — говорит Арне Квелльмальц, соавтор статьи и исследователь из Кентуккийского технологического института, центра, связанного с программой Graphene Flagship. «Возможно, вам потребуется объединить графеновый фотодетектор для оптической связи на чипе с считыванием на кремниевых электронных схемах, но температура для производства этих материалов слишком высока; вы не можете выполнить этот процесс непосредственно на подложке электронных устройств».
До сих пор методы переноса двумерных материалов с подложки, где они синтезируются, на электронные компоненты либо были несовместимы с массовым производством, либо приводили к дефектам в двумерном материале, ухудшающим его электронные свойства. Но технология, разработанная Квеллмальцем и его командой в Graphene Flagship, использует технологии и инструменты, уже применяемые на полупроводниковых фабриках: она использует стандартный диэлектрический материал под названием бисбензоциклобутан (BCB) и оборудование для сборки кремниевых пластин.
«В основном, мы склеиваем две пластины вместе с помощью смолы BDB», — объясняет Квеллмальц. «Мы нагреваем смолу до тех пор, пока она не станет вязкой, как мед, а затем приклеиваем двумерный материал». Когда смола охлаждается до комнатной температуры, она затвердевает и образует связь между двумерным материалом и кремниевой пластиной, добавляет он. «Для послойного нанесения материалов мы просто повторяем этапы нагрева и прессования. Когда смола снова становится вязкой, она действует как амортизатор, подобно водяному матрасу, поддерживая двумерные материалы и принимая форму их поверхности».
Исследователи из Graphene Flagship продемонстрировали свою технологию переноса графена и дисульфида молибдена (материала из семейства дихалькогенидов металлов). Они также изготовили гетероструктуры из двумерных материалов с использованием графена, дисульфида молибдена и нитрида бора. После переноса на подложку они проанализировали материалы и отметили исключительно высокое качество. Кремниевое покрытие было равномерным на подложках диаметром до 100 миллиметров, а двумерные материалы не проявляли признаков напряжений или дефектов.
«Наш метод переноса может быть применен к любому двумерному материалу, независимо от его размера или подложки, на которой он был синтезирован», — говорит Макс Лемме, соавтор статьи и исследователь из AMO GmbH и RTWH Aachen, двух центров в Германии, входящих в программу Graphene Flagship. «Более того, поскольку он использует инструменты и методы, широко распространенные в полупроводниковой промышленности, он может ускорить проникновение на рынок нового поколения устройств, в которых двумерные материалы интегрированы с обычными схемами и микрочипами. Эта работа представляет собой важный шаг вперед к этой цели, и хотя еще предстоит преодолеть ряд проблем, открывающиеся возможности огромны: приложения в фотонике, датчиках и даже нейроморфных вычислениях. Интеграция двумерных материалов может кардинально изменить европейскую технологическую индустрию».
Европейская комиссия недавно объявила о проекте стоимостью 20 миллионов евро, направленном на преодоление разрыва между методами изготовления двумерных материалов в лаборатории и крупномасштабным производством электронных устройств. Проект, запущенный в рамках флагманской программы по графену, известен как «Экспериментальная пилотная линия 2D (2D-EPL)». «Эта статья — отличный пример работы, проводимой в рамках проекта 2D-EPL», — говорит Седрик Юйгебарт, программный директор по новым материалам и интеграции в imec, Бельгия, и технический директор 2D-EPL. «Это одна из самых актуальных задач: разработка инструментов, методов и руководств для изготовления устройств, которые используют потенциал 2D-материалов и совместимы со стандартами полупроводниковой промышленности», — говорит Юйгебарт. «Следующим шагом будет демонстрация потенциала этих процессов путем изготовления датчиков и оптоэлектронных устройств на пилотной установке».
Ссылка на статью
«Крупномасштабная интеграция двумерных материалов и их гетероструктур методом склеивания пластин», А. Квеллмальц, (2021), DOI: 10.1038/s41467-021-21136-0.
