Process engineering for wafer-level integration of graphene into industrial applications

Wittmann, Sebastian; Lemme, Max C.; Vescan, Andrei

doi:10.18154/RWTH-2024-06132

Process engineering for wafer-level integration of graphene into industrial applications

Wittmann, Sebastian^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Wittmann, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Lemme, Max C. (Thesis advisor)^RWTH* ; Vescan, Andrei (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-05-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-06132
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/988268/files/988268.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (618710)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Aufgrund der herausragenden mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften von Graphen im Vergleich zu konventionellen industriell genutzten Materialsystemen in Halbleiterfertigungslinien kann dessen Verwendung die Leistung bestehender siliziumbasierter Anwendungen verbessern. Mögliche Anwendungsbeispiele für Graphen-basierte Applikationen sind im Bereich der mikro- und nano-elektromechanischen Systeme als Membran für Lautsprecher, Mikrofone und Drucksensoren, im Bereich der Wärmeableitung als Wärmespreizer und im Bereich der elektronischen Anwendungen als aktives Element für Hochfrequenztransistoren und Hall-Sensoren. Um dies zu realisieren, ist es notwendig, Graphen in bestehende Halbleiterprozesse zu integrieren, um eine kommerzielle Nutzung zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird die Integration von Graphen in komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) kompatible Silizium-basierte Technologien in Halbleiterfertigungslinien untersucht. Der Transfer von Graphen auf Waferebene mit einer Wafer-Bonding-Technik wird im Hinblick auf Ausbeute, Verunreinigung, Handhabung und Skalierbarkeit analysiert und mit dem Standard-Nass-Transfer verglichen. Der Einfluss der Oberflächeneigenschaften auf das elektrische Verhalten von Graphen auf einem isolierenden Substrat wird untersucht und eine neue Methode zur Kontrolle auf Waferebene angewendet. Darüber hinaus wurde die Leistungsfähigkeit von Anwendungen auf Graphenbasis am Beispiel des Hall-Sensors mit verschiedenen Integrationsansätzen untersucht und mit herkömmlichen Anwendungen auf Siliziumbasis verglichen. Schließlich wurde ein Prozessablauf für die Herstellung von Graphen-basierten Hall-Sensoren und Teststrukturen in einer CMOS-kompatiblen Halbleiterfertigungsumgebung unter Verwendung von nanokristallinem Graphit entwickelt und die hergestellten Strukturen wurden elektrisch und optisch untersucht.

Due to the outstanding mechanical, thermal, and electrical properties of graphene compared to conventional industrial material systems in semiconductor fabrication lines, its use can improve the performance of existing silicon-based applications. Possible application examples for graphene-based applications are in the field of micro- and nano-electromechanical systems as a membrane for loudspeakers, microphones, and pressure sensors, in the field of heat dissipation applications as a heat spreader, and in the field of electronic applications as an active element for high-frequency transistors and Hall sensors. To realize this, it is necessary to integrate graphene into existing semiconductor processes to enable its commercial use. In the presented work, the integration of graphene into complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatible silicon-based technologies in semiconductor fabrication lines is investigated. The transfer of graphene at the wafer level with a wafer-bonding technique is analyzed concerning yield, contamination, handling, and scalability and is compared to standard wet transfer. The impact of the surface properties on the electrical behavior of graphene on an isolating substrate is examined and a new methodology is used for the control at the wafer level. Furthermore, the performance of graphene-based applications was investigated using the Hall sensor as an example with different integration approaches and compared with conventional silicon-based applications. Finally, a process flow was developed for the fabrication of graphene-based Hall sensor and test structures in a CMOS-compatible semiconductor fabrication environment using nanocrystalline graphite and the fabricated structures were electrically and optically investigated.

OpenAccess:
PDF
(additional files)