芯東西2月23日消息，隨著摩爾定律逼近“觸頂”瓶頸，二維材料展示出巨大的潛力，能推動(dòng)芯片向更小尺寸、更多功能發(fā)展。擁有獨(dú)特屬性的石墨烯，更是長期被視作能顛覆工業(yè)和技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的明星材料。但要將二維材料集成到半導(dǎo)體生產(chǎn)線中，尚且面臨不少挑戰(zhàn)。
近日，歐盟“石墨烯旗艦計(jì)劃”的一項(xiàng)最新實(shí)驗(yàn)，提出了一種將石墨烯和2D材料集成到半導(dǎo)體生產(chǎn)線的新方法，剛剛發(fā)表在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。
▲《基于晶圓鍵合的二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的大面積集成》
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21136-0
這是歐盟2D-EPL項(xiàng)目的一個(gè)里程碑。歐盟“石墨烯旗艦計(jì)劃”是歐洲有史以來最大的多方合作研究計(jì)劃，投資預(yù)算達(dá)10億歐元。
其中，耗資2000萬歐元的“二維實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)線（2D-EPL）”項(xiàng)目在近期啟動(dòng)，旨在成為首家將石墨烯和層狀材料集成到半導(dǎo)體平臺(tái)的石墨烯晶圓廠，將基于二維材料的創(chuàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室引向規(guī)?；a(chǎn)和商業(yè)化落地。
根據(jù)論文，新轉(zhuǎn)移方法原則上適用于任何二維材料，有望加速光子學(xué)、傳感、神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算等技術(shù)進(jìn)展。
“二維材料的整合可能會(huì)成為歐洲高科技產(chǎn)業(yè)真正的游戲規(guī)則改變者?！钡聡鴣嗚」I(yè)大學(xué)Max Lemme教授評(píng)價(jià)說。
本文福利：具有特殊屬性的石墨烯，在芯片和散熱材料領(lǐng)域被應(yīng)用，市場持續(xù)高漲。推薦行業(yè)報(bào)告《中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)展望》，可在公眾號(hào)對(duì)話框回復(fù)【芯東西094】下載。
01.
二維材料：在IC產(chǎn)業(yè)前景巨大但落地難
二維材料的特性可能有益于推動(dòng)芯片微縮化。近年來，研究人員探索越來越多新型二維材料，包括石墨烯、MoS2等半導(dǎo)體、hBN等絕緣體。如果將幾種不同的二維材料垂直堆疊，就形成了許多功能更加豐富的新型范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
石墨烯（Graphene）是 一種由碳原子以sp?雜化軌道組成的，六角型、呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，具備良好的導(dǎo)電性、熱傳導(dǎo)性、高強(qiáng)度、高電子遷移率等特性。
IBM一項(xiàng)研究表明，相比硅基芯片，石墨烯芯片在性能和功耗方面將有較大提升。比如，硅基芯片制程從7nm推進(jìn)至5nm，芯片速度將有20%的提升；而7nm制程的石墨烯芯片相比7nm制程的硅基芯片，速度提升高達(dá)300%。
盡管理論上具備優(yōu)良特性，但二維材料在集成電路生產(chǎn)線中的應(yīng)用仍面臨種種難點(diǎn)。比如，石墨烯晶體所需的生長溫度極高，因此需在特殊基底上長晶。
在石墨烯芯片制備過程中，研究人員需要先在特殊的生長基底上長出石墨烯晶體，然后再將石墨烯晶體轉(zhuǎn)移至另一個(gè)基底上，轉(zhuǎn)移成功后才能構(gòu)建出所需的傳感器等器件。
但以往的研究中使用的石墨烯晶體轉(zhuǎn)移方式，要么不適宜于大批量使用，要么會(huì)造成二維材料電學(xué)性能的嚴(yán)重退化。
而在本項(xiàng)研究中，研究人員利用一種名為雙苯環(huán)丁烯（BCB）的標(biāo)準(zhǔn)電介質(zhì)材料，以及傳統(tǒng)的晶圓鍵合設(shè)備解決這一難題。
論文還提到，研究人員用標(biāo)準(zhǔn)電子束（e-beam）光刻和干法蝕刻發(fā)來制作器件。由于依賴常見的集成電路工具和方法，這項(xiàng)研究成果或能加速新一代二維材料器件的出現(xiàn)。
02.
利用熱固性聚合物+晶圓鍵合設(shè)備，
提升二維材料轉(zhuǎn)移成功率
本項(xiàng)研究中，研究人員采用直徑100mm的銅箔作為化學(xué)氣相沉積（CVD）制單層石墨烯的生長基底、采用直徑為1cm的帶氧化層硅片（SiO2/Si）作為二硫化鉬的生長基底，并將這兩種材料轉(zhuǎn)移至直徑100mm的硅基底上。
根據(jù)論文，實(shí)驗(yàn)在室溫下的真空室中進(jìn)行，具體可以分為四步：
1、研究人員先在目標(biāo)晶圓（直徑100mm的硅基底）上旋涂一層熱固性雙苯環(huán)丁烯（BCB）膠，軟烘烤去除溶劑并將其固化。
2、將長有石墨烯或者二硫化鉬的生長基底，放置于目標(biāo)晶圓的頂部，并使二維材料朝向熱固性雙苯環(huán)丁烯膠層。
3、通過使用晶圓鍵合設(shè)備，對(duì)晶圓施加熱量和均勻的力，使得二維材料和目標(biāo)晶圓之間形成穩(wěn)定的鍵合。
4、晶圓鍵合后，通過蝕刻、分層，或使液體滲透到2D材料與生長基底之間，移去二維材料的生長基底，使二維材料轉(zhuǎn)移到目標(biāo)晶圓上。
轉(zhuǎn)移結(jié)果顯示，兩種材料均在直徑100mm的硅片上覆蓋均勻，并表現(xiàn)出很小的應(yīng)變。
▲上-二維材料晶圓級(jí)轉(zhuǎn)移原理圖；下-二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的原理圖
03.
適用于各類二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移
論文指出，雙苯環(huán)丁烯（BCB）是一種熱固性聚合物，通過加熱，可在黏合層中形成交聯(lián)的聚合物鏈，進(jìn)而形成具有高化學(xué)穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)。
如果在轉(zhuǎn)移過程中，BCB膠交聯(lián)程度較低，研究人員可以通過適當(dāng)改變加熱溫度和加熱時(shí)間，使得BCB膠層重新成型。
基于此，研究人員亦可利用同一個(gè)BCB膠層，在同一目標(biāo)晶圓上實(shí)現(xiàn)多次材料轉(zhuǎn)移，并有可能通過垂直堆積二維材料組成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
為了探索該轉(zhuǎn)移方法的通用性，研發(fā)人員演示了多種二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)，包括轉(zhuǎn)移單層石墨烯、雙層石墨烯結(jié)構(gòu)、多層二硫化鉬（MoS2）、多層六方氮化硼（hBN）以及石墨烯/hBN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
通過統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明 ，所有轉(zhuǎn)移的層和異質(zhì)結(jié)構(gòu)都在100毫米大小的硅片上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的均勻覆蓋，并在轉(zhuǎn)移的二維材料中應(yīng)變很小，同時(shí)轉(zhuǎn)移過程與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝技術(shù)兼容。
▲多層hBN和單層石墨烯的異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖。圖c為從非接觸式太赫茲近場光譜儀中提取的Rsh空間分辨地圖，顯示多層hBN和單層石墨烯的異質(zhì)結(jié)構(gòu)均勻覆蓋在整個(gè)高阻硅片上。
此外，研究人員還制備出場效應(yīng)石墨烯器件（field-effect graphene devices）。
石英基底上制備出的石墨烯器件載流子遷移率范圍通常在1700±700cm^2/（V ·S），而新型轉(zhuǎn)移方法制備出的石墨烯器件載流子遷移率范圍在2800±900 cm^2/（V ·S），最高可達(dá)4520 cm^2/（V ·S）。
這說明，采用新型轉(zhuǎn)移方法與采用常規(guī)濕轉(zhuǎn)移（wet transfer）相比，最終得到了性能相近的石墨烯器件。
04.
結(jié)語：石墨烯集成電路應(yīng)用仍待解決更多難題
傳統(tǒng)硅基集成電路產(chǎn)業(yè)賴以生存的摩爾定律日益逼近物理極限，帶來產(chǎn)學(xué)界對(duì)于集成電路產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的擔(dān)憂。這一背景下，石墨烯因具備優(yōu)異的電學(xué)特性、導(dǎo)熱性等優(yōu)勢(shì)，而被視為有望取代硅基材料的后備材料之一。
本項(xiàng)研究提出的新型轉(zhuǎn)移方式，解決了二維材料在各類基底的集成電路上構(gòu)建器件的一個(gè)挑戰(zhàn)。但是，石墨烯等材料在集成電路產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用仍有缺乏適合的能隙寬度、成本較高、未得到大規(guī)模驗(yàn)證等許多其他難題留待解決。