未來幾年，2D材料的晶體管將被認(rèn)為是擴(kuò)展摩爾定律的關(guān)鍵技術(shù)之一。

國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）已明確將為擴(kuò)展摩爾定律提供長期解決方案。事實(shí)上，2D材料的特性和可預(yù)測(cè)的電氣特性提供了強(qiáng)大的潛力，可以將我們?cè)谶^去50年的顯著創(chuàng)新和產(chǎn)品性能做出進(jìn)一步的提升。

但是，ITRS并不能保證這些材料將發(fā)揮這種潛力。毫無疑問，英特爾和臺(tái)積電等世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造商非常熱衷于了解2D材料的制造影響。但是，對(duì)于過去10年的所有學(xué)術(shù)論文來說，即使是研究最多的材料 - 石墨烯 - 也遠(yuǎn)未準(zhǔn)備好部署在完整的大批量生產(chǎn)（HVM）生產(chǎn)設(shè)施中。

HVM 對(duì) 2D 材料的挑戰(zhàn)是巨大的。但這一挑戰(zhàn)是確保2D材料發(fā)揮潛力的關(guān)鍵。

2D 材料工業(yè)化的需求

在半導(dǎo)體行業(yè)采用新材料是一個(gè)巨大的顛覆性過程。然而，在擴(kuò)展摩爾定律和確保6000億美元市場(chǎng)的持續(xù)增長方面，幾乎沒有技術(shù)保證。因此，2D材料制造可以發(fā)展到在全球半導(dǎo)體市場(chǎng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用的概念絕對(duì)不是無聊的猜測(cè)。

盡管如此，當(dāng)今技術(shù)的現(xiàn)實(shí)情況是，2D材料只在實(shí)驗(yàn)室中少量配備，以支持學(xué)術(shù)研究。與其急于發(fā)表另一篇關(guān)于石墨烯驚人潛力的研究論文，不如關(guān)注如何開發(fā)在工業(yè)規(guī)模上制造高質(zhì)量石墨烯或其他材料所需的工具、工藝和設(shè)備。

將 2D 材料集成到工業(yè)規(guī)模的主流制造中涉及一些艱巨的工程設(shè)計(jì)，包括材料增長、材料轉(zhuǎn)移和生產(chǎn)線集成。在許多方面，這項(xiàng)工作都很艱難，但如果2D材料要發(fā)揮其潛力，這是必不可少的。

大規(guī)模制造 2D 材料的挑戰(zhàn)

2D材料未來的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)工具和工藝，生產(chǎn)適用于現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)200和300 mm晶圓的無缺陷材料。然而，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)說起來容易做起來難。

該過程的每一步都需要專門設(shè)計(jì)和廣泛定制的生產(chǎn)工具。值得記住的是，這些是高度專業(yè)化的材料，只有一個(gè)原子的厚度，因此需要結(jié)構(gòu)完美且沒有雜質(zhì)才能執(zhí)行。

從材料生長開始，化學(xué)氣相沉積（CVD）是生產(chǎn)石墨烯和其他2D材料（如六方氮化硼）的最廣泛使用的工藝。

生產(chǎn)石墨烯涉及在真空中將加熱的基板并暴露在含碳?xì)怏w中。當(dāng)氣體沉降在熱基體表面時(shí)，碳生長成石墨烯獨(dú)特的蜂窩圖案。該過程需要嚴(yán)格控制溫度和其他參數(shù)，以確保高質(zhì)量的材料可以生長到所需的晶圓尺寸。

然后，生長過程之后是干轉(zhuǎn)印過程，該過程將材料與生長基板分離并將其移動(dòng)到生產(chǎn)晶圓中。這項(xiàng)任務(wù)類似于試圖拿起一塊足球場(chǎng)大小的保鮮膜并將其沉積在相鄰的場(chǎng)地上，所有這些都不會(huì)破壞或污染材料表面的任何部分。

當(dāng)然，這些過程也必須在晶圓廠中高度自動(dòng)化的生產(chǎn)過程中實(shí)施，因此對(duì)特殊工程設(shè)備的需求也得到了提高。

發(fā)展歷程

考慮到所涉及的技術(shù)挑戰(zhàn)，我們不會(huì)有任何“飛躍”，從今天的小規(guī)模材料增長跳到完整的HVM生產(chǎn)。然而，以IEEE設(shè)備和系統(tǒng)路線圖（IRDS）為指導(dǎo)，我們可以看到一些關(guān)鍵技術(shù)的“墊腳石”將有助于行業(yè)開發(fā)和證明促進(jìn)向2D材料過渡所需的工具和流程。

這些墊腳石中的第一個(gè)是商業(yè)后端（BEOL）應(yīng)用。這些是某些生產(chǎn)過程的最后階段，其中傳感或光子開關(guān)等特殊功能被添加到半導(dǎo)體晶圓中。它們代表了石墨烯生產(chǎn)商磨練其生產(chǎn)工具的強(qiáng)大機(jī)會(huì)。

這些器件往往在低產(chǎn)量的鑄造廠生產(chǎn)，并且已經(jīng)過渡到微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等BEOL技術(shù)。

因此，與石墨烯制造商合作，在生產(chǎn)過程中容納平面化2D層具有更大的靈活性。

這些BEOL應(yīng)用對(duì)于證明石墨烯可以在商業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中可靠地生長和部署至關(guān)重要。

2D 材料的“超越摩爾”潛力

這些初始應(yīng)用是開發(fā)自動(dòng)化系統(tǒng)和過程控制的關(guān)鍵步驟，以確保高度一致的材料結(jié)果。

在ANL，我們致力于進(jìn)一步推動(dòng)這種商業(yè)加速。應(yīng)用開發(fā)套件將使更多客戶能夠縮短將2D材料集成到許多其他應(yīng)用中的路徑。與新的生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴的行業(yè)合作將有助于為開發(fā)原型設(shè)備的公司提供大量的石墨烯。

最終，在未來幾年中，這一至關(guān)重要的基礎(chǔ)將使2D材料走出實(shí)驗(yàn)室，并獲得真正的“超越摩爾”商業(yè)HVM主張的動(dòng)力。完全集成的端到端生產(chǎn)工具的開發(fā)將確保當(dāng)半導(dǎo)體制造商準(zhǔn)備進(jìn)入全面生產(chǎn)時(shí)，工業(yè)增長、轉(zhuǎn)移和集成主張都將隨之?dāng)U展。

審核編輯 ：李倩