美國科學(xué)家發(fā)明石墨烯“復(fù)制機器”：降低晶圓技術(shù)成本！

 創(chuàng)新背景

2016年，全球范圍內(nèi)半導(dǎo)體的銷售額達到了最高點：3390億美元。同年，全球范圍內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)花費72億用于晶圓制造。這表明半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)目前發(fā)展勢頭很好，另外晶圓制造工藝又是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和重點。

「晶圓」，即硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片，它作為微電子元件的基質(zhì)，可用于制造成晶體管、發(fā)光二極管、和其它電子和光子元器件。

(圖片來源于：維基百科)

所以，對于晶圓制造工藝的改進，對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)影響無疑是根本和深遠的。

創(chuàng)新探索

最近，麻省理工學(xué)院的工程師開發(fā)了一項創(chuàng)新技術(shù)，能夠大幅減少晶圓技術(shù)的整體成本，有利于使用比傳統(tǒng)的硅材料，更加獨特、高性能的半導(dǎo)體材料，制造元器件。這項創(chuàng)新研究發(fā)表于昨天的《自然》雜志上。

(圖片來源于: Jose-Luis Olivares/MIT)

麻省理工學(xué)院機械工程、材料科學(xué)和工程的助理教授 Jeehwan Kim 的研究小組在該校的電子研究實驗室發(fā)明了這項技術(shù)。Kim 的論文合著者有論文第一作者、麻省理工學(xué)院的研究生 Yunjo Kim等人，以及來自俄亥俄州立大學(xué)和馬斯達爾科學(xué)技術(shù)研究院的科研人員。

核心技術(shù)

材料

研究人員使用的材料，是我們關(guān)注已久的二維材料：「石墨烯」。John之前多次介紹的，石墨烯是一種單層碳原子厚度的薄片，具有諸多優(yōu)異的特性，例如：「輕薄」、「強度大」、「導(dǎo)電導(dǎo)熱性強」。

自2014年石墨烯發(fā)明以來，研究人員一直都在研究石墨烯超常的電氣屬性，希望借此提高電子設(shè)備的性能和成本。石墨烯是一種極好的導(dǎo)體，電子流過石墨烯時幾乎沒有摩擦。可是，石墨烯用于半導(dǎo)體，其中的電子流一旦啟動之后，就很難阻止它的流動，所以說石墨烯又是一個較差的半導(dǎo)體。

然而，如果要讓半導(dǎo)體晶體管能正常工作，就需要能夠控制電子流的開關(guān)，產(chǎn)生一種0和1的模式，使得器件進行一些列的計算。對此，Kim 這么說：

“大家對于用石墨烯制造出真正快速的電子器件，都感到十分有希望。但是，結(jié)果卻是制造一種良好的石墨烯晶體管，真的很難。”

所以，研究人員一直在尋找更多的途徑，將石墨烯變成廉價、高性能的半導(dǎo)體材料。

Kim 的研究小組采取了一種全新的方案，在半導(dǎo)體中使用石墨烯。讓我們感到驚訝的是，研究人員并不是專注于石墨烯的電氣特性，而是專注于其「機械特性」。對此，Kim 這么說：

“我們對于石墨烯有著更強的信念，因為它是一種十分健壯、超薄的材料，能夠在水平方向，在原子之間形成很強的共價鍵。有意思地是，它具有十分弱的范德華力，這意味著它不能進行任何垂直交互，所以這使得石墨烯的表面非常光滑。”

所以，研究人員將它用作一種「復(fù)制機器」，將復(fù)雜的晶體圖案，從下方的半導(dǎo)體晶圓轉(zhuǎn)移至頂層的材料上。

刻印

工程師們精心設(shè)計了這一過程，他們將單獨的石墨烯片放置于昂貴的晶圓之上，在石墨烯層上生長半導(dǎo)體材料。

他們發(fā)現(xiàn)石墨烯材料薄度足夠，以至可呈現(xiàn)出電氣上的“不可見”。頂層可以通過石墨烯看到下層的晶圓，刻印它的圖案時，并不會受到石墨烯影響。

通過石墨烯表面，半導(dǎo)體材料的原子能夠重新以晶圓的晶體圖案進行組織。

剝離

(圖片來源于: Jose-Luis Olivares/MIT)

現(xiàn)在，研究團隊報告石墨烯具有超薄、類似聚四氟乙烯的特性，能夠像三明治的中間那層一樣，夾在晶圓和半導(dǎo)體層之間，提供一種幾乎難以察覺的、不粘連的表面。

石墨烯是相當光滑的，它不會輕易粘連于其它材料的表面。這種材料一旦經(jīng)過刻印，能夠很容易地從石墨烯表面剝落，這樣使得讓制造商可以重用原始的晶圓。

遠程外延技術(shù)

總結(jié)一下，研究團隊發(fā)現(xiàn)這項技術(shù)，他們稱之為「遠程外延技術(shù)」，能夠成功地從同樣的半導(dǎo)體晶圓上拷貝和剝落半導(dǎo)體層。

創(chuàng)新價值

重用晶圓

Kim 稱，在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝中，一旦晶圓的圖案轉(zhuǎn)移后，它會和半導(dǎo)體進行強有力的綁定，所以在不損傷這兩層的情況下進行分離，幾乎是不可能的。對此，Kim 說：

“你必須以犧牲晶圓而告終，它將變成器件的一部分。”

團隊的新技術(shù)讓生產(chǎn)商們能夠使用石墨烯作為一種中間材料，讓它們復(fù)制和黏貼晶圓，將拷貝的薄膜與晶圓分離，并且多次重用晶圓。

對此，Kim 稱：

這項新技術(shù)讓制造商可以重用硅和其它高性能材料的晶圓，從概念上講，無限次。

硅以外的材料

除了通過重用節(jié)約晶圓成本，Kim 稱這項技術(shù)還為拓展更加獨特的半導(dǎo)體材料，打開了新的機遇。

對此，Kim 說：

“現(xiàn)在業(yè)界一直都迷戀于硅，但是即便如此我們已經(jīng)了解到有更好性能的半導(dǎo)體材料，我們尚無法使用它們，這是因為成本的緣故。但是，這項技術(shù)使得業(yè)界能根據(jù)性能而不是成本，自由地選擇半導(dǎo)體材料。”

研究人員已經(jīng)成功將他們的技術(shù)應(yīng)用到獨特的晶圓和半導(dǎo)體材料，包括磷化銦、砷化鎵、磷化鎵，這些材料比硅貴50到100倍。

便于集成和應(yīng)用

哈佛大學(xué)的物理學(xué)教授、石墨烯研究的先驅(qū) Philip Kim，雖然沒有參與這項研究，但是他說：

“這是一項十分獨特的石墨烯應(yīng)用，這項技術(shù)可以輕易地集成到現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝中，并且能夠革新半導(dǎo)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的薄膜生長，形成新的電子和光學(xué)設(shè)備應(yīng)用。”

未來展望

柔性電子

研究小組研發(fā)的這種基于石墨烯的剝離的技術(shù)，也將推進柔性電子的進一步發(fā)展。

總體來說，晶圓是十分剛性的，使得它們制成的設(shè)備也同樣是非柔性的。Kim

稱，現(xiàn)在半導(dǎo)體設(shè)備例如LED和太陽能電池，已經(jīng)可以制造成可彎曲和扭曲的。實際上，研究小組采用這項技術(shù)，展示了一種制造柔性LED顯示器的可能性，并且加上麻省理工學(xué)院的標識圖案。

(圖片來源于: MIT)

對此，Kim 說：

“如果你要想在你的汽車上安裝太陽能電池，而車的表面并不是平的，車身具有曲面。你能夠?qū)雽?dǎo)體涂覆在車的頂部嗎?目前尚無可能，因為它與厚厚的晶圓相連接。而現(xiàn)在，我們可以剝離，彎曲，并且你可以在汽車上進行共形覆膜，甚至覆蓋。”

晶圓之母

再說遠點，研究人員計劃設(shè)計一種可重用的「晶圓之母」，它的不同區(qū)域由不同的特異材料組成。他們使用石墨烯作為中間層，希望能夠制造出多功能、高性能的器件。他們也在調(diào)查混合和匹配各種半導(dǎo)體材料，以一種多材料的結(jié)構(gòu)，將它們疊加在一起。

所以，Kim 說：

“現(xiàn)在，特異材料能夠便于使用，你并不需要擔心晶圓的成本。讓我們給你復(fù)制機器。你可以生長半導(dǎo)體器件，剝離它們，重用晶圓。”