Nature子刊：二维材料金属压印方法，2英寸晶圆器件良率达97.6%！

近期，新加坡南洋理工大学高炜博（Weibo Gao）教授团队与合作者开发了一种金属印章压印方法，在 2 英寸晶圆上良率达 97.6%，且器件性能显著优于传统方法，特别是晶体管阈值电压的波动降低了近 20 倍。

该方法在不引入化学或聚合物残渣的情况下，解决了传统图案化工艺在二维半导体器件制备过程中，难以规避界面污染导致的电学性能下降和器件均匀性不足的难题。

审稿人对该研究评价称：“尽管有关晶圆级生长的报道很多，但鉴于电子应用领域对晶圆级逻辑电路制造具有迫切需求，我认为这项工作对该领域意义重大。”

基于半导体产业的蓬勃发展和未来对纳米级别新材料及新工艺的需求，该技术具有重要的应用前景，包括低维材料的无损图案化工艺、相关图案化设备的开发，以及二维半导体材料的产业化发展等。

此外，该方法不仅适用于二硫化钼（MoS₂），还可扩展到二硫化钨（WS₂）和二硒化钨（WSe₂）等其他二维材料，为多种二维材料的图案化提供了一种通用的解决方案。

不久前，相关论文以《无残留晶圆级二维材料直接压印》（Residue-free wafer-scale direct imprinting of two-dimensional materials）为题发表在 Nature Electronics[1,2]。南洋理工大学李志伟博后和刘晓博士是共同第一作者，南洋理工大学高炜博教授和中国科学技术大学蔡洪冰教授担任共同通讯作者。

受活字印刷启发，24 小时突破技术卡点

2021 年，早在攻读博士学位期间，李志伟与所在团队首次开创了一种使用金属网直接从大块晶体中干法剥离出大面积单层二硫化钼薄膜的方法 [3]。这种“金属网辅助剥离”方法显示出应用潜力，能够生产出单层材料的阵列。

但一个关键缺陷仍然存在：在剥离转移过程中，二维半导体仍然会与聚合物支撑物接触，从而影响了表面的纯净度，理想中的“原子级洁净的二维材料”仍然遥不可及。

之后，李志伟设想了一种全新的结构——完全镂空的三维网格。目标是在图案化过程实现一种局部的接触模式，这样的结构只会在部分区域与二维材料接触，剩余部分二维材料则在图案化过程中完全不受影响并保持本征洁净。

为了实现这种结构，他的初步设想是：在硅衬底上使用实验室中常用的光刻胶创建一个图案模板，然后创建一个具有局部凹陷的三维结构网格。

然而，一次又一次的失败接踵而至——光刻胶太软、热稳定性差，并且容易剥落。无论是“正型”“负型”光刻胶，还是不同厂商不同批次的光刻胶，都无法在微米尺度上保持结构的完整性。

“我的实验笔记上满是坍塌的网格和变形的模板的结果。经过多年的尝试，过程中也穿插了一些其他研究项目和科研任务，这个想法就暂时被搁置了。”李志伟回忆道。

2023 年末，意外地迎来了转机。在南洋理工大学进行博后研究期间，一天早上，一边吃早餐一边观看一段有关中国古代活字印刷术视频后，李志伟脑中迸发出新的科研灵感——如果将模板印刷原理与“局部接触”概念联系起来，会有怎样的可能性？

李志伟对 DeepTech 表示：“我突然意识到，之前一直受限制的光刻胶模板可以由任何一种材料代替，就像活字印刷术中的木头或石头。”

在之后的 24 小时内，他采用流程化的微纳制造工艺来改进之前的模具并进行压印实验：首先，通过光刻技术确定光刻胶图案；然后，将二氧化硅沉积在硅衬底上（模仿活字印刷中的石头）以制造模具；接着，将 50 纳米厚的金沉积到二氧化硅/硅模具上，作为剥离功能层；最后，将聚合物旋涂在金属表面做支撑，从而剥离出三维镂空金属，最终得到一枚表面凹凸结构的金属印章。

图丨晶圆级二维材料的印章压印过程示意图（来源：Nature Electronics）

拿着这枚金属“印章”，将其压在一层化学气相沉积（CVD，chemical vapour deposition）生长的 MoS₂ 片上，就像纸张附着在模板上，二维晶体只附着在印章凸起的轮廓上。当研究人员提起模板时，剩下的是一个无污染的二硫化钼图案——模板未接触的任何地方都保持着原子级别的平整度。

李志伟表示：“没想到第一次压印就成功了，我感到非常兴奋，马上与我的合作导师高炜博教授分享了这个令人惊喜的结果。随后，我们一起制定了详细的光学、电学表征计划，并对这一技术充满信心。”

多团队高效协作，促进金属“印章”压印成功

在接下来的一年里，李志伟与所在团队对“印章压印”技术进行了细致的表征与验证，并在毫米大小的 CVD 薄膜上制造了数百个微小晶体管。

与通过等离子体蚀刻制造的器件相比，研究人员通过压印技术制造的阵列表现出三个特点：二维材料表面无聚合物残留、阈值电压的波动降低 20 倍以及在 100 个器件的电学性能和均匀性更优。

这一快速进展很大程度上离不开导师指导、团队内部成员以及其他单位合作者的高效协作——该团队得到了来自中国科学技术大学的蔡洪冰教授、南洋理工大学刘政教授以及南洋理工大学王骁教授和美国麻省理工学院李巨教授团队的支持。结果显示，通过这种新型压印技术制造的大面积器件，在性能和均匀性方面皆优于传统的蚀刻方法。

图丨金属压印和传统蚀刻工艺制备的 Mo

S₂ 阵列的表征（来源：Nature Electronics）

为了验证该技术未来在工业发展领域的可扩展性，他们还与南京大学李涛涛教授进行合作，获得了晶圆级高质量单层 MoS₂ 薄膜。值得关注的是，通过使用新型压印技术将薄膜直接图案化为晶圆级阵列，并在 2 英寸晶圆上制造 500 个晶体管和逻辑门器件，实现了 97.6% 的良率，进而证明了该方法的应用潜力。

期望向商业纳米压印水平迈进

这种“压印”技术并非仅仅是实验室里的突发奇想——它更是一种古老工艺与现代原子级制造技术的结合与思想碰撞。研究团队通过从源头消除污染，既保留了二维材料的优势，又实现了接近工业尺度的晶圆加工。

目前其成品率已达 97.6%，为实现商业应用提供了切实可行的途径：高性能晶体管、大规模逻辑门、集成电路。

需要了解的是，受限于实验室光刻设备的精度，研究团队目前制备的图案化极限在 200 nm，并且表现出了局部的边缘不平整问题。为解决该问题，他们计划在接下来的研究阶段通过提升光刻设备、改善印章、提高实验环境洁净度和压印机械设备自动化等方面，继续推进压印技术发展，并期望将精度做到与商业纳米压印技术相近的纳米级尺度水平。

参考资料：

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

本文来自：DeepTech深科技

近期学术会议推荐