Tillverkningsprocessen
Låt oss börja med att konstatera att framställning av grafenbastransistorer på en kiselbricka är en långvarig, repetitiv process, som håller på i tio dagar. Att ta med alla steg skulle helt enkelt bli för tradigt. Därför visar vi bara själva hanteringen av grafenskiktet.
Kiselplattan (wafer) som kommer in på första raden i bilden och fungerar som substrat för grafenet, tillverkas som vilken annan halvledarskiva som helst, med vanliga metoder för CMOS-framställning. Det tar ännu längre tid, kanske uppåt en månad.
Kiselplattan är inte färdig, utan har efter tillverkning början till, eller om man så vill, bottendelarna av de transistorer som sedan ska byggas på med grafen och toppelektroder, för att bli riktiga, fungerande transistorer. Det är där vi kommer in i processen. Processchemat nedan visar tillverkning av grafenkretsar på hela kiselbrickor, så kallad wafer-scale.
Det första steget är att få bort grafenet från den kopparfolie det tillverkats på. Grafen är allt för skört för att kunna transporteras eller användas utan någon form av bärare. Dessutom behöver det någonstans att "växa" under tillverkningen och koppar är ett bra sådant material, en så kallad katalytisk metall. Som bonus får man skräpigt grafen på kopparfoliens opolerade baksida.
Rad ett. Alltihop börjar med att man sätter på en sorts tejp (polymer) på det "fina" grafenet för att skydda det, varefter man oxiderar skräpgrafenet till koldioxid med syre-plasmaetsning som helt enkelt gör om det till koldioxid. Koldioxidmolekylerna flyger bort av sig själv. Därefter läggs kopparfolien i järnkloridbad och försvinner på ett par timmar.
När man etsat bort kopparn är grafenet fortfarande förorenat av järn och koppar på undersidan och måste tvättas med saltsyra. Efteråt kan det föras över på den slutliga kiselskivan (kallad target) där grafenet fäster mycket bra med hjälp av van der Waals-kraft, alltså samma metod som geckoödlor använder för att klättra på väggar.
Slutligen löser man upp polymeren med aceton, sköljer bort den och tvättar, tvättar och tvättar igen. Skivan är klar för vidarebearbetning till enskilda transistorer. Allt som nu sker med skivan måste göras vid så låg temperatur, under 800 grader Celsius, så att inte grafenet oxideras, blir till koldioxid och flyger bort.
Rad två visar grunderna i litografi. Avsikten är att skapa grafen-öar på kislet, öar som sedan ska bilda basar i transistorer, eller membran i olika typer av sensorer. Den grafen som inte behövs, måste torretsas bort. Fotoresist, ett ljuskänsligt ämne, läggs på med så kallad spin-coating. Man häller på resist medan kiselskivan roterar och resisten slungas utåt och täcker skivan jämnt.
Resisten bakas och får torka varefter den exponeras med en bild av det man vill ska försvinna från skivan. Skivan exponeras med ultraviolett ljus genom en mask och de delar som belysts kan sköljas bort (framkallas) i nästa steg. Masken föreställer en enda krets, och exponeras om och om igen i långa rader på skivan, så kallad step-and-repeat.
Kvar finns nu oskyddad grafen som ska bort och grafen skyddad av resisten, som ska bli kvar. Det oskyddade grafenet torretsas bort med gasen koltetrafluorid i en plasmaetsare. Kvar blir rektangulära mönster av grafen ovanpå emitterområdena, efter att den härdade fotoresisten sköljts bort. Nu finns en kiselskiva med transistor-basar av grafen.
Nästa litografisteg visas på rad tre. Nu exponeras en mask som kommer att resultera i de aluminiumledningar som ska bli ledningsmönster och kontaktpunkter. Aluminium ångas på, varefter masken tvättas bort i ett steg kallat lift-off.
I nästa steg förångar man på ett lager aluminium som oxideras till aluminiumoxid vid 700 grader Celsius. Aluminiumoxid är en högvärdig isolator. Den bildar det isolerande skiktet mellan grafen-basen och kollektor-elektroden. Det hjälper även till att fästa övriga elektroder eftersom grafen fungerar lite som teflon i nanovärlden – nästan inget fäster på det. Aluminium fäster.
Rad fyra. På processchemats sista rad visas hur bas- och kollektorelektroder i titan-aluminium läggs på med vakuumförångning. Resultatet är ett antal färdiga transistorer, som i mikroskopbilden ovan. Notera att det inte finns något slingrande, sammanbindande ledningsmönster. Det rör sig fortfarande om enskilda transistorer, avsedda att provas en och en.
Efter att elektroderna lagts på, ritsas kislet (scribing) och knäcks sönder i enskilda kretsar.
De små kiselbitarna med ett antal hundra transistorer läggs in och provas i en så kallad probstation där de ligger skyddade för vibrationer, magnetfält, ljus och andra störningar. Mätutrustningen klarar alla möjliga enheter. Kontaktpunkterna på bitarna kan probas med mikrometerprecision. Mätracken intill kan mäta strömspännings-karaktäristik automatiskt med strömmar ned till femtoampere. Spänning och frekvens mäts upp till millimetervågor.
De fungerande kretsarna monteras i kapslar och man gör kontakt mellan kapselns ben och kontaktpunkterna på kislet med bondning med tunna guldtrådar. Kapselns lock limmas på med epoxi. Kretsen är färdig att tas i bruk.
