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韓國機械與材料研究所 (KIMM) 今天宣布，來自 KIMM 和新加坡南洋理工大學 (NTU Singapore) 的科學家已經開發出一種技術來制造高度均勻和可擴展的半導體晶圓，爲更高的芯片産量鋪平道路，更多具有成本效益的半導體和緩解全球芯片短缺。
智能手機和計算機中常見的半導體芯片制造起來既困難又複雜，需要高度先進的機器和特殊的環境來制造。它們的制造通常在硅晶片上完成，然後切成用于設備的小芯片。
然而，該工藝並不完美，並非來自同一晶圓的所有芯片都能按預期工作或運行。這些有缺陷的芯片被丟棄，降低了半導體産量，同時增加了生産成本。
以所需厚度生産均勻晶圓的能力是確保在同一晶圓上制造的每個芯片都能正常運行的最重要因素。
基于納米轉移的印刷——一種使用聚合物模具通過壓力或“沖壓”將金屬印刷到基板上的工藝——近年來因其簡單、相對成本效益和高産量而成爲一種有前途的技術。
圖：無化學納米轉移印刷技術産生的納米結構，來源：KIMM
然而，該技術使用化學粘合劑層，這會導致負面影響，例如大規模打印時的表面缺陷和性能下降，以及對人體健康的危害。由于這些原因，該技術的大規模采用以及隨之而來的芯片在設備中的應用受到了限制。
在他們發表在同行評審期刊 ACS Nano 上的研究中，來自 KIMM 和 NTU 的研究小組報告說，他們的無化學印刷技術與金屬輔助化學蝕刻相結合 – 一種用于增強表面對比度的方法使納米結構可見——産生具有高度均勻和可擴展的納米線（圓柱形納米結構）的半導體晶片。
與市場上當前的芯片相比，該半導體還表現出更好的性能。此外，制造方法也很快並且導致芯片良率高。
新的無化學印刷技術帶來高芯片良率
由 KIMM 和 NTU 開發的新的納米轉移印刷技術是通過在低溫（160°C）下將金（Au）納米結構層轉移到硅（Si）基板上來形成具有納米線的高度均勻的晶片，該晶片可以控制到所需的制造過程中的厚度。
這種不含化學物質的印刷技術通過在加熱下觸發薄金屬薄膜的直接化學吸附來發揮作用——這是一種化學反應，可在基材表面和被吸附的物質之間形成牢固的結合。
圖：無化學納米轉移印刷技術的概念圖
這種工業兼容技術允許快速、均勻地以規模（從納米到英寸）制造晶片。同時，制造的晶圓幾乎沒有缺陷，這意味著幾乎沒有芯片因性能不佳而被丟棄。在實驗室測試中，聯合研究團隊能夠實現 99% 以上的 20-納米厚的金膜到六英寸的硅晶片上。
這種可打印的晶圓尺寸僅限于實驗室設置，KIMM-NTU 團隊相信他們的技術可以輕松放大以用于 12 英寸晶圓——三星、英特爾等半導體芯片制造商當前生産線的主流晶圓尺寸和格羅方德。
當采用該方法制造 6 英寸晶圓時，結果顯示印刷層在蝕刻過程中保持完整且彎曲最小——這一過程通常會導致層分離——這表明 KIMM 和 NTU 開發的技術具有出色的均勻性和穩定性。
此外，當 100 個稱爲光電探測器的光傳感器被制造到 6 英寸晶圓中時，實現了出色的性能均勻性，突顯了該技術在商業大規模生産中的巨大潛力。
技術爲低成本半導體芯片打開了大門
KIMM聯合首席研究員、納米融合制造系統研究部首席研究員（兼研究規劃和協調部主任）Jun-HoJeong博士表示：“KIMM-NTU團隊開發的技術是一個新概念納米結構低成本量産技術，可應用于納米光子學、高性能納米太陽能電池、下一代二次電池等的量産。”
NTU 的聯合首席研究員、電氣與電子工程學院的助理教授 Munho Kim 也補充說，該團隊技術的均勻性、可擴展性和穩定性克服了現有納米轉移印刷方法中存在的主要瓶頸，也可能導致在各種電子和基于光的設備，因爲現在可以以更具成本效益的方式制造半導體芯片。
“由 KIMM 和 NTU 的研究團隊設計的技術已被證明可以有效地制造出具有出色均勻性的晶圓，從而減少有缺陷的半導體芯片。全球芯片供應的現實是它容易受到許多外部因素的影響，包括材料短缺和 COVID-19 大流行引起的供應鏈中斷等意外事件。因此，我們新開發的方法具有通過提高芯片良率來緩解未來全球芯片供應緊張的巨大潛力。此外，芯片制造商還可以享受更高的成本效益和更高的産量，”Asst 說。金教授。
Jeong博士強調了這項工作的重要性，進一步補充說，KIMM和NTU之間的合作是成功的國際夥伴關系的一個例子，它導致了共同申請專利。
該研究團隊已爲其開發的技術在韓國和新加坡申請了專利。該團隊花了三年時間設計、制造和測試這項新技術，該技術是在南大南洋納米制造中心 (N2FC) 進行的。
作爲下一步，研究團隊的目標是在未來幾年內與工業合作夥伴一起擴大他們的技術以實現商業化。
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