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大尺寸转移技术专题:二维(2D)材料的晶圆级转移和2D材料异质结构的制备

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近日,一篇发表在Nature Communications的关于二维材料大面积晶片级转移的文章引发热议,该文章以独特的转移过程(通过低粘度下的模压工具将二维材料生长基板的表面形貌复制到目标晶圆的黏附层上),该方法避免了人工处理释放层,只依赖于半导体行业现有的工具和工艺流程,成功减少了转移过程中产生的褶皱、二维材料形变引起的缺陷以及聚合物残留物的污染等。并且通过多种材料的实验,证明了此方法的普适性。

1.a 二维(2D)材料的晶圆级转移

我们将二维材料从其生长基板转移到目标晶圆的方法包括四个连续步骤(图a (1-4)):

    (1)在目标晶圆上旋涂热固性双苯并环丁烯(BCB)作为粘合剂层并对其进行软烘烤,去除溶剂并固化粘合剂层(图a (1))。

    (2)将生长基板上的二维材料放置在目标晶圆的顶部,并使2D材料面向目标晶片的粘合层(图a (2))。

(3)通过使用商用半导体晶片键合工具对晶片堆叠施加热量和力来进行粘合剂晶片键合,从而在其生长衬底上的2D材料与目标晶片之间形成稳定的键合(图a (3))。在工具内部,加热暂时降低了粘合层的粘度,而粘合卡盘对晶片堆栈施加均匀的力。因此,粘合剂层紧贴二维材料,在复制生长基板表面形貌的同时与目标晶圆形成稳定的粘结,而不对二维材料施加过大压力。这一特性是有益的,因为它将传输的2D材料中的潜在损伤、褶皱或应变降至最低。

(4)去除生长底物。晶片键合后,通过蚀刻、分层或液体渗透进入二维材料和生长基板之间的界面,将生长基板移除(图a (4),得到目标晶圆上2D材料I。

(I)在目标晶圆上转移得到的2D材料。

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2.b 二维材料异质结构的形成

二维材料异质结构的形成过程,是利用热固性聚合物BCB,加热可使胶粘剂层中的聚合物链部分交联,形成化学稳定性高的网络。如果交联度保持较低,通过适当选择粘接温度和时间,BCB粘接层允许重复成型。将相同的目标晶片用于另一个转移组装,通过垂直堆叠2D材料——无需涂覆任何附加粘合剂,只需重复使用之前转移的2D材料下面的现有粘合剂层(图b (1-4))和II。

(1)无需额外处理就重复使用步骤(I)中的目标晶片。

 

(2)将第二种2D材料放置在目标晶圆顶部的其生长衬底上,使其面对先前传输的2D材料。

(3)晶圆键合(图b (3))。

(4)去除第二2D材料的生长衬底。

(II)在目标晶圆上转移的2D材料异质结构。

通过重复材料放置(图b (2))、晶片键合(图b (3))和去除生长衬底(图b (4))这三个步骤,范德华异质结构得以形成。

我们注意到,在此过程中,第一和第二种二维材料之间的界面以及第二种二维材料的表面都没有暴露于任何聚合物载体或粘合剂中,这些聚合物载体或粘合剂可能会因污染而降低二维材料的性能。部分交联BCB是化学稳定的,支持传统的晶圆加工。这一特性不仅可以使二维材料在转移后(分别使用图a, b中的晶片(I)和(II))能够被结构成器件,而且在转移前在BCB层顶部集成金属触点。这些触点可用于连接可能嵌入在目标晶圆上的集成电路(ic)。

到目前为止,大多数将2D材料从其生长衬底转移到所需电子器件的实验方法要么与大批量生产不兼容,要么导致2D材料及其电子性能的显着降低。而Quellmalz及其同事提出的新型转移方式,不仅解决了二维材料在各类基底的集成电路上构建器件的一个挑战,而且仅依赖于半导体工业中已经普遍使用的工具和方法,使用双苯并环丁烯(BCB)标准介电材料以及传统的晶圆键合设备。

 

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2021年4月26日 11:00
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