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EU-Projekt Graphene Flagship

Graphen in die Halbleiterfertigung integrieren

17. Februar 2021, 11:25 Uhr   |  Ralf Higgelke

Graphen in die Halbleiterfertigung integrieren
© Graphene Flagship

Graphen auf ein Substrat zu transferieren war bislang eine große Herausforderung.

Als Game-Changer könnte sich die Integration von Graphen und anderer 2D-Materialien in Halbleiter-Fertigungslinien erweisen. Forscher des von der EU geförderten Projekts Graphene Flagship könnten nun einen Durchbruch erzielt haben.

Zweidimensionale Werkstoffe wie zum Beispiel Graphen könnten zu deutlich kleinere Bauelemente mit umfangreicheren Funktionen führen, als dies mit den heutigen siliziumbasierten Technologien möglich ist. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, ist es jedoch erforderlich, solche 2D-Materialien in die Halbleiter-Fertigungslinien zu integrieren. 2D-Materialien auf Silizium oder auf einem Substrat mit integrierter Elektronik zu integrieren birgt eine Reihe von Herausforderungen.

Einen großen Schritt, diese Herausforderungen zu meistern, ist ein Team von schwedischen und deutschen Forschern des Graphene Flagship gelungen. Sie haben eine neue Methode vorgestellt, um Graphen und andere 2D-Materialien in Halbleiter-Fertigungslinien zu integrieren. Dies ist ein Meilenstein für die kürzlich gestartete Initiative 2D Experimental Pilot Line (2D-EPL). Dieses Projekt mit einem Volumen von 20 Mio. Euro soll die Kluft zwischen einer Fertigung im Labormaßstab und einer Großserienproduktion von elektronischen Bauteilen auf Basis zweidimensionaler Materialien überwinden.

An dieser Arbeit beteiligt waren die Graphene-Flagship-Partner RWTH Aachen, die Universität der Bundeswehr München und die Firma AMO sowie die assoziierten Mitglieder KTH Royal Institute of Technology (Schweden) und Protemics.

»Es gibt immer diesen kritischen Schritt beim Transfer des 2D-Materials von einem speziellen Wachstumssubstrat auf das eigentliche Substrat, auf dem man Sensoren oder Komponenten aufbaut«, erklärt Arne Quellmalz, Forscher am KTH und Hauptautor der Arbeit. »Vielleicht möchte man einen Graphen-Fotodetektor für die optische On-Chip-Kommunikation mit einer Auswerteelektronik aus Silizium kombinieren. Aber die Temperaturen für das Wachstum dieser Materialien sind zu hoch, sodass dies nicht direkt auf dem Bauteilsubstrat erfolgen kann.«

Graphene Flagship
© Nature Communications

So sieht der Prozess aus, mit dem 2D-Materialien auf Wafer mithilfe von Standardprozessen aus der Halbleiterfertigung transferiert werden können.

2D-Materialien mit dem Wafer verkleben

Bislang sind die meisten experimentellen Verfahren zum Transfer von 2D-Materialien von ihrem Wachstumssubstrat auf die gewünschte Elektronik entweder nicht geeignet für die Großserienfertigung oder sie verschlechtern das 2D-Material und seine elektronischen Eigenschaften signifikant. Das Besondere an der von Quellmalz und seinen Kollegen vorgeschlagenen Lösung ist, dass sie in den existierenden Werkzeugsatz der Halbleiterfertigung stattfindet: Es wird ein Standard-Dielektrikum namens Bisbenzocyclobuten (BCB) zusammen mit konventionellen Wafer-Bonding-Anlagen verwendet. »Im Grunde verkleben wir die beiden Wafer mit einem Harz aus BCB«, erklärt Quellmalz. »Wir erwärmen das Harz, bis es zähflüssig wird, wie Honig, und pressen das 2D-Material darauf.«

Bei Raumtemperatur verfestigt sich das Harz und verbindet das 2D-Material dauerhaft mit dem Wafer, erläutert er. »Um weitere Schichten aufzubringen, wiederholen wir die Schritte des Erhitzens und Pressens. Das Harz wird wieder zähflüssig und verhält sich wie ein Kissen oder ein Wasserbett, das den Schichtaufbau stützt und sich an die Oberfläche des neuen 2D-Materials anpasst.«

Die Forscher konnten Graphen und Molybdändisulfid (MoS2) als Vertreter der Übergangsmetall-Dichalcogenide transferieren und Graphen mit hexagonalem Bornitrid (hBN) und MoS2 zu Heterostrukturen stapeln. Alle transferierten Schichten und Heterostrukturen waren nach eigenen Angaben von hoher Qualität, bedeckten also bis zu 100 mm große Silizium-Wafer gleichmäßig, und die transferierten 2D-Materialien waren kaum verspannt.

»Unsere Transfermethode lässt sich im Prinzip auf jedes 2D-Material anwenden, unabhängig von der Größe und der Art des Wachstumssubstrats«, betont Prof. Max Lemme von der AMO und der RWTH Aachen. »Und da es nur auf Werkzeuge und Methoden zurückgreift, die in der Halbleiterindustrie bereits üblich sind, könnte es die Markteinführung einer neuen Generation von Bauelementen, bei denen 2D-Materialien auf herkömmlichen integrierten Schaltkreisen oder Mikrosystemen integriert werden, erheblich beschleunigen.«

»Diese Forschungsarbeit ist ein wichtiger Schritt in Richtung dieses Ziels, und obwohl noch viele weitere Herausforderungen zu bewältigen sind, ist die Bandbreite möglicher Anwendungen groß: von der Photonik über die Sensorik bis hin zum neuromorphen Computing. Die Integration von 2D-Materialien könnte für die europäische High-Tech-Industrie ein echter Game-Changer sein«, so Lemme abschließend.

Originalpublikation

Quellmalz, A., Wang, X., Sawallich, S. et al. Large-area integration of two-dimensional materials and their heterostructures by wafer bonding. Nat Commun 12, 917 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21136-0

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