創(chuàng)新背景

2016年，全球范圍內(nèi)半導(dǎo)體的銷售額達(dá)到了最高點(diǎn)：3390億美元。同年，全球范圍內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)花費(fèi)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(shì)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(diǎn)。

「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。

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(圖片來源于：維基百科)

所以，對(duì)于晶圓制造工藝的改進(jìn)，對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)影響無疑是根本和深遠(yuǎn)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(xiàng)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(dú)特、高性能的半導(dǎo)體材料，制造元器件。這項(xiàng)創(chuàng)新研究發(fā)表于昨天的《自然》雜志上。

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(圖片來源于: Jose-Luis Olivares/MIT)

麻省理工學(xué)院機(jī)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(shí)驗(yàn)室發(fā)明了這項(xiàng)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(dá)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(qiáng)度大」、「導(dǎo)電導(dǎo)熱性強(qiáng)」。

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(shí)幾乎沒有摩擦?？墒?，石墨烯用于半導(dǎo)體，其中的電子流一旦啟動(dòng)之后，就很難阻止它的流動(dòng)，所以說石墨烯又是一個(gè)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(jìn)行一些列的計(jì)算。對(duì)此，Kim 這么說：

“大家對(duì)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?！?/p>

所以，研究人員一直在尋找更多的途徑，將石墨烯變成廉價(jià)、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(jī)械特性」。對(duì)此，Kim 這么說：

“我們對(duì)于石墨烯有著更強(qiáng)的信念，因?yàn)樗且环N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(qiáng)的共價(jià)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(jìn)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(jī)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(jì)了這一過程，他們將單獨(dú)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(shí)，并不會(huì)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(jìn)行組織。

剝離

(圖片來源于: Jose-Luis Olivares/MIT)

現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)報(bào)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(dāng)光滑的，它不會(huì)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(yuǎn)程外延技術(shù)

總結(jié)一下，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)，他們稱之為「遠(yuǎn)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(jià)值

重用晶圓