蒙特利尔大学研发石墨烯转移自动化技术 电子芯片量产迎新突破

蒙特利尔大学（UdeM）物理系教授、IRIC 电子纳米生物传感器设计与应用研究室主任德尔菲娜・布伊（Delphine Bouilly）领导的团队，成功开发了一种创新的自动化和并行化湿法转移技术，用于高效、精准地将CVD生长的石墨烯纳米带阵列转移到目标晶圆上，并实现方向控制和多层堆叠。这种单原子层厚度的材料在电子芯片组装中具有重要作用，新方法将为分子诊断领域的应用提供技术支持。该研究由博士生阿米拉・本谢里夫（Amira Bencherif）主导，相关成果发表于《npj 二维材料与应用》期刊。

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研究背景与挑战

传统转移方法的局限性：CVD生长的石墨烯需从金属基底（如铜）转移到功能化基底，但传统湿法转移依赖人工操作，效率低、易引入缺陷，且难以规模化。干法转移（如卷对卷技术）虽适合大面积转移，但对柔性基底依赖性强，且可能损伤材料。

需求与瓶颈：晶圆级器件制造和范德华异质结构需要高精度、高吞吐量的转移技术，同时需控制材料的取向和堆叠顺序。

技术创新与装置设计

核心装置：由玻璃柱阵列和双泵流体系统构成。玻璃柱形状（圆柱形或H形）决定石墨烯的定位与取向，双泵系统实现铜蚀刻、清洗和沉积的自动化。

圆柱形柱：通过凹液面使石墨烯居中沉积，适用于无方向要求的转移。

H形柱：利用狭长液面固定石墨烯带的方向，实现精准平行排列（误差约±5°）。

并行转移流程：

铜蚀刻：将覆盖PMMA的石墨烯/铜片置于玻璃柱内的蚀刻液中溶解铜。

清洗与液面控制：双泵系统动态替换蚀刻液为去离子水，避免液面剧烈波动。

晶圆对齐与沉积：目标晶圆插入玻璃柱下方，泵出液体使石墨烯/PMMA缓慢沉积，避免褶皱。

实验结果与质量验证

定位精度：石墨烯片在8mm直径柱内的定位偏差仅0.4±0.2mm，3×3阵列晶圆上所有石墨烯均成功转移至预设电极区域。

质量评估：

形貌分析

（SEM/光学显微镜）：自动转移的石墨烯无撕裂或褶皱，优于新手手动转移（后者常见缺陷）。

拉曼光谱

：ID/IG比（~0.27）与手动转移（~0.25）相当，表明缺陷密度低且分布均匀；G峰与2D峰位置分析显示应变和掺杂水平相近。

电学性能

：场效应晶体管（GFET）的载流子迁移率（几何均值~250 cm²/(V·s)）在自动与手动转移样品间无显著差异，验证电接触质量。

方向控制与多层堆叠

H形柱实现取向控制

：石墨烯带在转移过程中保持平行排列，通过旋转晶圆或调整柱阵列方向，可在同一晶圆上叠加不同取向的石墨烯层（如垂直交叉结构），为异质结器件设计提供灵活性。

技术优势与应用前景

高效率与可扩展性

：并行处理多片石墨烯，减少单次处理时间；装置设计兼容标准晶圆尺寸（如4英寸），适合规模化生产。

材料节约

：仅消耗目标区域所需的石墨烯，避免传统湿法转移中大面积材料的浪费。

工业适用性

：无需复杂设备或高技能操作，且玻璃柱可重复使用，降低成本。

潜在应用

：适用于其他二维材料（如MoS₂）的转移，推动光电探测器、传感器及扭转电子学器件的晶圆级制造。

总结

该技术通过创新的装置设计和自动化流程，解决了二维材料转移中的定位、方向控制和规模化难题，为基于范德华异质结构的高性能器件制造提供了实用化方案。未来工作可进一步优化柱形设计以提高方向精度，并探索多材料异质结的自动化组装。

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