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)測的電氣特性提供了強(qiáng)大的潛力，可以將我們在過去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 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)體市場中發(fā)揮關(guān)鍵作用的概念絕對不是無聊的猜測。

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，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，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到生產(chǎn)晶圓中。這項任務(wù)類似于試圖拿起一塊足球場大小的保鮮膜并將其沉積在相鄰的場地上，所有這些都不會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化的生產(chǎn)過程中實(shí)施，因此對特殊工程設(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。

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)驗室，并獲得真正的“超越摩爾”商業(yè)HVM主張的動力。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，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