晶圓之母？石墨烯「複製機器」，降低晶圓製造成本！

導讀

石墨烯作為一種新材料，John之前介紹過它的很多應用。然而，對於半導體晶圓製造方面會有什麼新應用呢？今天，我就通過麻省理工學院的一項最新創新，帶大家看看，石墨烯是如何作為「複製機器」，重複使用晶圓，進一步降低晶圓製造技術的成本的？

創新背景

2016年，全球範圍內半導體的銷售額達到了最高點：3390億美元。同年，全球範圍內半導體產業花費72億用於晶圓製造。這表明半導體產業目前發展勢頭很好，另外晶圓製造工藝又是半導體產業的基礎和重點。

「晶圓」，即硅半導體集成電路製作所用的硅晶片，它作為微電子元件的基質，可用於製造成晶體管、發光二極體、和其它電子和光子元器件。

（圖片來源於：維基百科）

所以，對於晶圓製造工藝的改進，對於半導體產業影響無疑是根本和深遠的。

創新探索

最近，麻省理工學院的工程師開發了一項創新技術，能夠大幅減少晶圓技術的整體成本，有利於使用比傳統的硅材料，更加獨特、高性能的半導體材料，製造元器件。這項創新研究發表於昨天的《自然》雜誌上。

（圖片來源於: Jose-Luis Olivares/MIT）

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

核心技術

材料

研究人員使用的材料，是我們關注已久的二維材料：「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，具有諸多優異的特性，例如：「輕薄」、「強度大」、「導電導熱性強」。

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

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

「大家對於用石墨烯製造出真正快速的電子器件，都感到十分有希望。但是，結果卻是製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、高性能的半導體材料。

Kim 的研究小組採取了一種全新的方案，在半導體中使用石墨烯。讓我們感到驚訝的是，研究人員並不是專註於石墨烯的電氣特性，而是專註於其「機械特性」。對此，Kim 這麼說：

「我們對於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「複製機器」，將複雜的晶體圖案，從下方的半導體晶圓轉移至頂層的材料上。

刻印

工程師們精心設計了這一過程，他們將單獨的石墨烯片放置於昂貴的晶圓之上，在石墨烯層上生長半導體材料。

他們發現石墨烯材料薄度足夠，以至可呈現出電氣上的「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，並不會受到石墨烯影響。

通過石墨烯表面，半導體材料的原子能夠重新以晶圓的晶體圖案進行組織。

剝離

（圖片來源於: Jose-Luis Olivares/MIT）

現在，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，它不會輕易粘連於其它材料的表面。這種材料一旦經過刻印，能夠很容易地從石墨烯表面剝落，這樣使得讓製造商可以重用原始的晶圓。

遠程外延技術

總結一下，研究團隊發現這項技術，他們稱之為「遠程外延技術」，能夠成功地從同樣的半導體晶圓上拷貝和剝落半導體層。

創新價值

重用晶圓

Kim 稱，在傳統的半導體製造工藝中，一旦晶圓的圖案轉移後，它會和半導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。」

團隊的新技術讓生產商們能夠使用石墨烯作為一種中間材料，讓它們複製和黏貼晶圓，將拷貝的薄膜與晶圓分離，並且多次重用晶圓。

對此，Kim 稱：

這項新技術讓製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

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

對此，Kim 說：

「現在業界一直都迷戀於硅，但是即便如此我們已經了解到有更好性能的半導體材料，我們尚無法使用它們，這是因為成本的緣故。但是，這項技術使得業界能根據性能而不是成本，自由地選擇半導體材料。」

研究人員已經成功將他們的技術應用到獨特的晶圓和半導體材料，包括磷化銦、砷化鎵、磷化鎵，這些材料比硅貴50到100倍。

便於集成和應用

哈佛大學的物理學教授、石墨烯研究的先驅 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用，這項技術可以輕易地集成到現有的半導體製造工藝中，並且能夠革新半導異質結構的薄膜生長，形成新的電子和光學設備應用。」

未來展望

柔性電子

研究小組研發的這種基於石墨烯的剝離的技術，也將推進柔性電子的進一步發展。

總體來說，晶圓是十分剛性的，使得它們製成的設備也同樣是非柔性的。Kim

稱，現在半導體設備例如LED和太陽能電池，已經可以製造成可彎曲和扭曲的。實際上，研究小組採用這項技術，展示了一種製造柔性LED顯示器的可能性，並且加上麻省理工學院的標識圖案。

（圖片來源於: MIT）

對此，Kim 說：

「如果你要想在你的汽車上安裝太陽能電池，而車的表面並不是平的，車身具有曲面。你能夠將半導體塗覆在車的頂部嗎？目前尚無可能，因為它與厚厚的晶圓相連接。而現在，我們可以剝離，彎曲，並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，研究人員計劃設計一種可重用的「晶圓之母」，它的不同區域由不同的特異材料組成。他們使用石墨烯作為中間層，希望能夠製造出多功能、高性能的器件。他們也在調查混合和匹配各種半導體材料，以一種多材料的結構，將它們疊加在一起。

所以，Kim 說：

「現在，特異材料能夠便於使用，你並不需要擔心晶圓的成本。讓我們給你複製機器。你可以生長半導體器件，剝離它們，重用晶圓。」

參考資料

【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

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