美国科学家发明石墨烯“复制机器”：降低晶圆技术成本！

 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。”