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美国科学家发明石墨烯“复制机器”:降低晶圆技术成本!

2017-4-21 11:15| 投稿: caiflyer| 查看: 1601| 评论: 0|来自: 互联网

摘要: 导读石墨烯作为一种新材料,John之前介绍过它的很多应用。然而,对于半导体晶圆制造方面会有什么新应用呢?今天,我就通过麻省理工学院的一项最新创新,带大家看看,石墨烯是如何作为「复制机器」,重复使用晶圆,进 ...

导读

石墨烯作为一种新材料,John之前介绍过它的很多应用。然而,对于半导体晶圆制造方面会有什么新应用呢?今天,我就通过麻省理工学院的一项最新创新,带大家看看,石墨烯是如何作为「复制机器」,重复使用晶圆,进一步降低晶圆制造技术的成本的?

创新背景

2016年,全球范围内半导体的销售额达到了最高点:3390亿美元。同年,全球范围内半导体产业花费72亿用于晶圆制造。这表明半导体产业目前发展势头很好,另外晶圆制造工艺又是半导体产业的基础和重点。

「晶圆」,即硅半导体集成电路制作所用的硅晶片,它作为微电子元件的基质,可用于制造成晶体管、发光二极管、和其它电子和光子元器件。

(图片来源于:维基百科)

所以,对于晶圆制造工艺的改进,对于半导体产业影响无疑是根本和深远的。

创新探索

最近,麻省理工学院的工程师开发了一项创新技术,能够大幅减少晶圆技术的整体成本,有利于使用比传统的硅材料,更加独特、高性能的半导体材料,制造元器件。这项创新研究发表于昨天的《自然》杂志上。

(图片来源于: Jose-Luis Olivares/MIT)

麻省理工学院机械工程、材料科学和工程的助理教授 Jeehwan Kim 的研究小组在该校的电子研究实验室发明了这项技术。Kim 的论文合著者有论文第一作者、麻省理工学院的研究生 Yunjo Kim等人,以及来自俄亥俄州立大学和马斯达尔科学技术研究院的科研人员。

核心技术

  • 材料

研究人员使用的材料,是我们关注已久的二维材料:「石墨烯」。John之前多次介绍的,石墨烯是一种单层碳原子厚度的薄片,具有诸多优异的特性,例如:「轻薄」、「强度大」、「导电导热性强」。

自2014年石墨烯发明以来,研究人员一直都在研究石墨烯超常的电气属性,希望借此提高电子设备的性能和成本。石墨烯是一种极好的导体,电子流过石墨烯时几乎没有摩擦。可是,石墨烯用于半导体,其中的电子流一旦启动之后,就很难阻止它的流动,所以说石墨烯又是一个较差的半导体。

然而,如果要让半导体晶体管能正常工作,就需要能够控制电子流的开关,产生一种0和1的模式,使得器件进行一些列的计算。对此,Kim 这么说:

“大家对于用石墨烯制造出真正快速的电子器件,都感到十分有希望。但是,结果却是制造一种良好的石墨烯晶体管,真的很难。”

所以,研究人员一直在寻找更多的途径,将石墨烯变成廉价、高性能的半导体材料。

Kim 的研究小组采取了一种全新的方案,在半导体中使用石墨烯。让我们感到惊讶的是,研究人员并不是专注于石墨烯的电气特性,而是专注于其「机械特性」。对此,Kim 这么说:

“我们对于石墨烯有着更强的信念,因为它是一种十分健壮、超薄的材料,能够在水平方向,在原子之间形成很强的共价键。有意思地是,它具有十分弱的范德华力,这意味着它不能进行任何垂直交互,所以这使得石墨烯的表面非常光滑。”

所以,研究人员将它用作一种「复制机器」,将复杂的晶体图案,从下方的半导体晶圆转移至顶层的材料上。

  • 刻印

工程师们精心设计了这一过程,他们将单独的石墨烯片放置于昂贵的晶圆之上,在石墨烯层上生长半导体材料。

他们发现石墨烯材料薄度足够,以至可呈现出电气上的“不可见”。顶层可以通过石墨烯看到下层的晶圆,刻印它的图案时,并不会受到石墨烯影响。

通过石墨烯表面,半导体材料的原子能够重新以晶圆的晶体图案进行组织。

  • 剥离

(图片来源于: Jose-Luis Olivares/MIT)

现在,研究团队报告石墨烯具有超薄、类似聚四氟乙烯的特性,能够像三明治的中间那层一样,夹在晶圆和半导体层之间,提供一种几乎难以察觉的、不粘连的表面。

石墨烯是相当光滑的,它不会轻易粘连于其它材料的表面。这种材料一旦经过刻印,能够很容易地从石墨烯表面剥落,这样使得让制造商可以重用原始的晶圆。

  • 远程外延技术

总结一下,研究团队发现这项技术,他们称之为「远程外延技术」,能够成功地从同样的半导体晶圆上拷贝和剥落半导体层。

创新价值

  • 重用晶圆

Kim 称,在传统的半导体制造工艺中,一旦晶圆的图案转移后,它会和半导体进行强有力的绑定,所以在不损伤这两层的情况下进行分离,几乎是不可能的。对此,Kim 说:

“你必须以牺牲晶圆而告终,它将变成器件的一部分。”

团队的新技术让生产商们能够使用石墨烯作为一种中间材料,让它们复制和黏贴晶圆,将拷贝的薄膜与晶圆分离,并且多次重用晶圆。

对此,Kim 称:

这项新技术让制造商可以重用硅和其它高性能材料的晶圆,从概念上讲,无限次。

  • 硅以外的材料

除了通过重用节约晶圆成本,Kim 称这项技术还为拓展更加独特的半导体材料,打开了新的机遇。

对此,Kim 说:

“现在业界一直都迷恋于硅,但是即便如此我们已经了解到有更好性能的半导体材料,我们尚无法使用它们,这是因为成本的缘故。但是,这项技术使得业界能根据性能而不是成本,自由地选择半导体材料。”

研究人员已经成功将他们的技术应用到独特的晶圆和半导体材料,包括磷化铟、砷化镓、磷化镓,这些材料比硅贵50到100倍。

  • 便于集成和应用

哈佛大学的物理学教授、石墨烯研究的先驱 Philip Kim,虽然没有参与这项研究,但是他说:

“这是一项十分独特的石墨烯应用,这项技术可以轻易地集成到现有的半导体制造工艺中,并且能够革新半导异质结构的薄膜生长,形成新的电子和光学设备应用。”

未来展望

  • 柔性电子

研究小组研发的这种基于石墨烯的剥离的技术,也将推进柔性电子的进一步发展。

总体来说,晶圆是十分刚性的,使得它们制成的设备也同样是非柔性的。Kim

称,现在半导体设备例如LED和太阳能电池,已经可以制造成可弯曲和扭曲的。实际上,研究小组采用这项技术,展示了一种制造柔性LED显示器的可能性,并且加上麻省理工学院的标识图案。

(图片来源于: MIT)

对此,Kim 说:

“如果你要想在你的汽车上安装太阳能电池,而车的表面并不是平的,车身具有曲面。你能够将半导体涂覆在车的顶部吗?目前尚无可能,因为它与厚厚的晶圆相连接。而现在,我们可以剥离,弯曲,并且你可以在汽车上进行共形覆膜,甚至覆盖。”

  • 晶圆之母

再说远点,研究人员计划设计一种可重用的「晶圆之母」,它的不同区域由不同的特异材料组成。他们使用石墨烯作为中间层,希望能够制造出多功能、高性能的器件。他们也在调查混合和匹配各种半导体材料,以一种多材料的结构,将它们叠加在一起。

所以,Kim 说:

“现在,特异材料能够便于使用,你并不需要担心晶圆的成本。让我们给你复制机器。你可以生长半导体器件,剥离它们,重用晶圆。”

参考资料

【1】http://news.mit.edu/2017/graphene-copy-machine-cheaper-semiconductor-wafers-0419

【2】Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer, Nature (2017). nature.com/articles/doi:10.1038/nature22053

需要进一步探讨交流的朋友,请直接联系微信:JohnZh1984,或者微信关注公众号:IntelligentThings。


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