近期，新加坡南洋理工大學(xué)高煒博（Weibo Gao）教授團(tuán)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(dá) 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(xué)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(dǎo)體器件制備過程中，難以規(guī)避界面污染導(dǎo)致的電學(xué)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(guān)晶圓級生長的報道很多，但鑒于電子應(yīng)用領(lǐng)域?qū)A級邏輯電路制造具有迫切需求，我認(rèn)為這項工作對該領(lǐng)域意義重大?！?/p>

基于半導(dǎo)體產(chǎn)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(shù)具有重要的應(yīng)用前景，包括低維材料的無損圖案化工藝、相關(guān)圖案化設(shè)備的開發(fā)，以及二維半導(dǎo)體材料的產(chǎn)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(kuò)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(guān)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(xué)李志偉博后和劉曉博士是共同第一作者，南洋理工大學(xué)高煒博教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蔡洪冰教授擔(dān)任共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Electronics）

受活字印刷啟發(fā)，24 小時突破技術(shù)卡點

2021 年，早在攻讀博士學(xué)位期間，李志偉與所在團(tuán)隊首次開創(chuàng)了一種使用金屬網(wǎng)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(wǎng)輔助剝離”方法顯示出應(yīng)用潛力，能夠生產(chǎn)出單層材料的陣列。

但一個關(guān)鍵缺陷仍然存在：在剝離轉(zhuǎn)移過程中，二維半導(dǎo)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(shè)想了一種全新的結(jié)構(gòu)——完全鏤空的三維網(wǎng)格。目標(biāo)是在圖案化過程實現(xiàn)一種局部的接觸模式，這樣的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，他的初步設(shè)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(jié)構(gòu)網(wǎng)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(fù)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(jié)構(gòu)的完整性。

“我的實驗筆記上滿是坍塌的網(wǎng)格和變形的模板的結(jié)果。經(jīng)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(wù)，這個想法就暫時被擱置了?！崩钪緜セ貞浀?。

圖丨李志偉（來源：李志偉）

2023 年末，意外地迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。在南洋理工大學(xué)進(jìn)行博后研究期間，一天早上，一邊吃早餐一邊觀看一段有關(guān)中國古代活字印刷術(shù)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(shù)中的木頭或石頭?！?/p>

在之后的 24 小時內(nèi)，他采用流程化的微納制造工藝來改進(jìn)之前的模具并進(jìn)行壓印實驗：首先，通過光刻技術(shù)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(jié)構(gòu)的金屬印章。

（來源：Nature Electronics）

拿著這枚金屬“印章”，將其壓在一層化學(xué)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(dāng)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(dǎo)師高煒博教授分享了這個令人驚喜的結(jié)果。隨后，我們一起制定了詳細(xì)的光學(xué)、電學(xué)表征計劃，并對這一技術(shù)充滿信心?！?/p>

多團(tuán)隊高效協(xié)作，促進(jìn)金屬“印章”壓印成功

在接下來的一年里，李志偉與所在團(tuán)隊對“印章壓印”技術(shù)進(jìn)行了細(xì)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(shù)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(xué)性能和均勻性更優(yōu)。

這一快速進(jìn)展很大程度上離不開導(dǎo)師指導(dǎo)、團(tuán)隊內(nèi)部成員以及其他單位合作者的高效協(xié)作——該團(tuán)隊得到了來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的蔡洪冰教授、南洋理工大學(xué)劉政教授以及南洋理工大學(xué)王驍教授和美國麻省理工學(xué)院李巨教授團(tuán)隊的支持。結(jié)果顯示，通過這種新型壓印技術(shù)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。

（來源：Nature Electronics）

為了驗證該技術(shù)未來在工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域的可擴(kuò)展性，他們還與南京大學(xué)李濤濤教授進(jìn)行合作，獲得了晶圓級高質(zhì)量單層 MoS? 薄膜。值得關(guān)注的是，通過使用新型壓印技術(shù)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(jìn)而證明了該方法的應(yīng)用潛力。

期望向商業(yè)納米壓印水平邁進(jìn)

這種“壓印”技術(shù)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(shù)的結(jié)合與思想碰撞。研究團(tuán)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(dá) 97.6%，為實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)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(shè)備的精度，研究團(tuán)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(shè)備、改善印章、提高實驗環(huán)境潔凈度和壓印機(jī)械設(shè)備自動化等方面，繼續(xù)推進(jìn)壓印技術(shù)發(fā)展，并期望將精度做到與商業(yè)納米壓印技術(shù)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 Electronics8, 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 Nano15, 13839–13846 (2021). https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05734

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