Nature子刊：二維材料金屬壓印方法，2英寸晶圓器件良率達97.6%！

近期，新加坡南洋理工大學高煒博（Weibo Gao）教授團隊與合作者開發(fā)了一種金屬印章壓印方法，在 2 英寸晶圓上良率達 97.6%，且器件性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法，特別是晶體管閾值電壓的波動降低了近 20 倍。

該方法在不引入化學或聚合物殘渣的情況下，解決了傳統(tǒng)圖案化工藝在二維半導體器件制備過程中，難以規(guī)避界面污染導致的電學性能下降和器件均勻性不足的難題。

審稿人對該研究評價稱：“盡管有關晶圓級生長的報道很多，但鑒于電子應用領域對晶圓級邏輯電路制造具有迫切需求，我認為這項工作對該領域意義重大。”

基于半導體產業(yè)的蓬勃發(fā)展和未來對納米級別新材料及新工藝的需求，該技術具有重要的應用前景，包括低維材料的無損圖案化工藝、相關圖案化設備的開發(fā)，以及二維半導體材料的產業(yè)化發(fā)展等。

此外，該方法不僅適用于二硫化鉬（MoS?），還可擴展到二硫化鎢（WS?）和二硒化鎢（WSe?）等其他二維材料，為多種二維材料的圖案化提供了一種通用的解決方案。

不久前，相關論文以《無殘留晶圓級二維材料直接壓印》（Residue-free wafer-scale direct imprinting of two-dimensional materials）為題發(fā)表在 Nature Electronics[1,2]。南洋理工大學李志偉博后和劉曉博士是共同第一作者，南洋理工大學高煒博教授和中國科學技術大學蔡洪冰教授擔任共同通訊作者。

受活字印刷啟發(fā)，24 小時突破技術卡點

2021 年，早在攻讀博士學位期間，李志偉與所在團隊首次開創(chuàng)了一種使用金屬網直接從大塊晶體中干法剝離出大面積單層二硫化鉬薄膜的方法 [3]。這種“金屬網輔助剝離”方法顯示出應用潛力，能夠生產出單層材料的陣列。

但一個關鍵缺陷仍然存在：在剝離轉移過程中，二維半導體仍然會與聚合物支撐物接觸，從而影響了表面的純凈度，理想中的“原子級潔凈的二維材料”仍然遙不可及。

之后，李志偉設想了一種全新的結構——完全鏤空的三維網格。目標是在圖案化過程實現(xiàn)一種局部的接觸模式，這樣的結構只會在部分區(qū)域與二維材料接觸，剩余部分二維材料則在圖案化過程中完全不受影響并保持本征潔凈。

為了實現(xiàn)這種結構，他的初步設想是：在硅襯底上使用實驗室中常用的光刻膠創(chuàng)建一個圖案模板，然后創(chuàng)建一個具有局部凹陷的三維結構網格。

然而，一次又一次的失敗接踵而至——光刻膠太軟、熱穩(wěn)定性差，并且容易剝落。無論是“正型”“負型”光刻膠，還是不同廠商不同批次的光刻膠，都無法在微米尺度上保持結構的完整性。

“我的實驗筆記上滿是坍塌的網格和變形的模板的結果。經過多年的嘗試，過程中也穿插了一些其他研究項目和科研任務，這個想法就暫時被擱置了。”李志偉回憶道。

2023 年末，意外地迎來了轉機。在南洋理工大學進行博后研究期間，一天早上，一邊吃早餐一邊觀看一段有關中國古代活字印刷術視頻后，李志偉腦中迸發(fā)出新的科研靈感——如果將模板印刷原理與“局部接觸”概念聯(lián)系起來，會有怎樣的可能性？

李志偉對 DeepTech 表示：“我突然意識到，之前一直受限制的光刻膠模板可以由任何一種材料代替，就像活字印刷術中的木頭或石頭。”

在之后的 24 小時內，他采用流程化的微納制造工藝來改進之前的模具并進行壓印實驗：首先，通過光刻技術確定光刻膠圖案；然后，將二氧化硅沉積在硅襯底上（模仿活字印刷中的石頭）以制造模具；接著，將 50 納米厚的金沉積到二氧化硅/硅模具上，作為剝離功能層；最后，將聚合物旋涂在金屬表面做支撐，從而剝離出三維鏤空金屬，最終得到一枚表面凹凸結構的金屬印章。

圖丨晶圓級二維材料的印章壓印過程示意圖（來源：Nature Electronics）

拿著這枚金屬“印章”，將其壓在一層化學氣相沉積（CVD，chemical vapour deposition）生長的 MoS? 片上，就像紙張附著在模板上，二維晶體只附著在印章凸起的輪廓上。當研究人員提起模板時，剩下的是一個無污染的二硫化鉬圖案——模板未接觸的任何地方都保持著原子級別的平整度。

李志偉表示：“沒想到第一次壓印就成功了，我感到非常興奮，馬上與我的合作導師高煒博教授分享了這個令人驚喜的結果。隨后，我們一起制定了詳細的光學、電學表征計劃，并對這一技術充滿信心。”

多團隊高效協(xié)作，促進金屬“印章”壓印成功

在接下來的一年里，李志偉與所在團隊對“印章壓印”技術進行了細致的表征與驗證，并在毫米大小的 CVD 薄膜上制造了數(shù)百個微小晶體管。

與通過等離子體蝕刻制造的器件相比，研究人員通過壓印技術制造的陣列表現(xiàn)出三個特點：二維材料表面無聚合物殘留、閾值電壓的波動降低 20 倍以及在 100 個器件的電學性能和均勻性更優(yōu)。

這一快速進展很大程度上離不開導師指導、團隊內部成員以及其他單位合作者的高效協(xié)作——該團隊得到了來自中國科學技術大學的蔡洪冰教授、南洋理工大學劉政教授以及南洋理工大學王驍教授和美國麻省理工學院李巨教授團隊的支持。結果顯示，通過這種新型壓印技術制造的大面積器件，在性能和均勻性方面皆優(yōu)于傳統(tǒng)的蝕刻方法。

圖丨金屬壓印和傳統(tǒng)蝕刻工藝制備的 Mo

S? 陣列的表征（來源：Nature Electronics）

為了驗證該技術未來在工業(yè)發(fā)展領域的可擴展性，他們還與南京大學李濤濤教授進行合作，獲得了晶圓級高質量單層 MoS? 薄膜。值得關注的是，通過使用新型壓印技術將薄膜直接圖案化為晶圓級陣列，并在 2 英寸晶圓上制造 500 個晶體管和邏輯門器件，實現(xiàn)了 97.6% 的良率，進而證明了該方法的應用潛力。

期望向商業(yè)納米壓印水平邁進

這種“壓印”技術并非僅僅是實驗室里的突發(fā)奇想——它更是一種古老工藝與現(xiàn)代原子級制造技術的結合與思想碰撞。研究團隊通過從源頭消除污染，既保留了二維材料的優(yōu)勢，又實現(xiàn)了接近工業(yè)尺度的晶圓加工。

目前其成品率已達 97.6%，為實現(xiàn)商業(yè)應用提供了切實可行的途徑：高性能晶體管、大規(guī)模邏輯門、集成電路。

需要了解的是，受限于實驗室光刻設備的精度，研究團隊目前制備的圖案化極限在 200 nm，并且表現(xiàn)出了局部的邊緣不平整問題。為解決該問題，他們計劃在接下來的研究階段通過提升光刻設備、改善印章、提高實驗環(huán)境潔凈度和壓印機械設備自動化等方面，繼續(xù)推進壓印技術發(fā)展，并期望將精度做到與商業(yè)納米壓印技術相近的納米級尺度水平。

參考資料：

1.Li, Z. et al. Residue-free wafer-scale direct imprinting of two-dimensional materials. Nature Electronics 8, 571–577 (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01408-z

2.Conti, S. Metal stamp method for residue-free two-dimensional semiconductor patterning. Nat. Rev. Electr. Eng. 2, 521 (2025). https://doi.org/10.1038/s44287-025-00200-7

3.Li, Z. et al. Dry exfoliation of large-area 2D monolayer and heterostructure arrays. ACS Nano 15, 13839–13846 (2021). https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05734

本文來自：DeepTech深科技

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