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，能推動芯片向更小尺寸、更多功能發展。擁有獨特屬性的石墨烯，更是長期被視作能顛覆工業和技術應用現狀的明星材料。但要將二維材料集成到半導體生產線中，尚且面臨不少挑戰。

　　近日，歐盟“石墨烯旗艦計劃”的一項最新實驗，提出了一種將石墨烯和2D材料集成到半導體生產線的新方法，剛剛發表在國際頂級學術期刊《自然·通訊》上。

　　▲《基于晶圓鍵合的二維材料及其異質結構的大面積集成》

　　論文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41467-021-21136-0

　　這是歐盟2D-EPL項目的一個里程碑。歐盟“石墨烯旗艦計劃”是歐洲有史以來最大的多方合作研究計劃，投資預算達10億歐元。

　　其中，耗資2000萬歐元的“二維實驗試驗線（2D-EPL）”項目在近期啟動，旨在成為首家將石墨烯和層狀材料集成到半導體平臺的石墨烯晶圓廠，將基于二維材料的創新技術從實驗室引向規模化生產和商業化落地。

　　根據論文，新轉移方法原則上適用于任何二維材料，有望加速光子學、傳感、神經擬態計算等技術進展。

　　“二維材料的整合可能會成為歐洲高科技產業真正的游戲規則改變者。”德國亞琛工業大學Max Lemme教授評價說。

　　本文福利：具有特殊屬性的石墨烯，在芯片和散熱材料領域被應用，市場持續高漲。推薦行業報告《中國石墨烯產業發展形勢展望》，可在公眾號對話框回復【芯東西094】下載。

　　01.

　　二維材料：在IC產業前景巨大但落地難

　　二維材料的特性可能有益于推動芯片微縮化。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結構。

　　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，具備良好的導電性、熱傳導性、高強度、高電子遷移率等特性。

　　IBM一項研究表明，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300%。

　　盡管理論上具備優良特性，但二維材料在集成電路生產線中的應用仍面臨種種難點。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移至另一個基底上，轉移成功后才能構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移方式，要么不適宜于大批量使用，要么會造成二維材料電學性能的嚴重退化。

　　而在本項研究中，研究人員利用一種名為雙苯環丁烯（BCB）的標準電介質材料，以及傳統的晶圓鍵合設備解決這一難題。

　　論文還提到，研究人員用標準電子束（e-beam）光刻和干法蝕刻發來制作器件。由于依賴常見的集成電路工具和方法，這項研究成果或能加速新一代二維材料器件的出現。

　　02.

　　利用熱固性聚合物+晶圓鍵合設備，

　　提升二維材料轉移成功率

　　本項研究中，研究人員采用直徑100mm的銅箔作為化學氣相沉積（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，并將這兩種材料轉移至直徑100mm的硅基底上。

　　根據論文，實驗在室溫下的真空室中進行，具體可以分為四步：

　　1、研究人員先在目標晶圓（直徑100mm的硅基底）上旋涂一層熱固性雙苯環丁烯（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，放置于目標晶圓的頂部，并使二維材料朝向熱固性雙苯環丁烯膠層。

　　3、通過使用晶圓鍵合設備，對晶圓施加熱量和均勻的力，使得二維材料和目標晶圓之間形成穩定的鍵合。

　　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，使二維材料轉移到目標晶圓上。

　　轉移結果顯示，兩種材料均在直徑100mm的硅片上覆蓋均勻，并表現出很小的應變。

　　▲上-二維材料晶圓級轉移原理圖；下-二維材料異質結構形成的原理圖

　　03.

　　適用于各類二維材料異質結構轉移

　　論文指出，雙苯環丁烯（BCB）是一種熱固性聚合物，通過加熱，可在黏合層中形成交聯的聚合物鏈，進而形成具有高化學穩定性的網絡。

　　如果在轉移過程中，BCB膠交聯程度較低，研究人員可以通過適當改變加熱溫度和加熱時間，使得BCB膠層重新成型。

　　基于此，研究人員亦可利用同一個BCB膠層，在同一目標晶圓上實現多次材料轉移，并有可能通過垂直堆積二維材料組成異質結構。

　　為了探索該轉移方法的通用性，研發人員演示了多種二維材料異質結構的轉移實驗，包括轉移單層石墨烯、雙層石墨烯結構、多層二硫化鉬（MoS2）、多層六方氮化硼（hBN）以及石墨烯/hBN異質結構。

　　通過統計分析，實驗結果證明 ，所有轉移的層和異質結構都在100毫米大小的硅片上實現高質量的均勻覆蓋，并在轉移的二維材料中應變很小，同時轉移過程與傳統半導體工藝技術兼容。

　　▲多層hBN和單層石墨烯的異質結構示意圖。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結構均勻覆蓋在整個高阻硅片上。

　　此外，研究人員還制備出場效應石墨烯器件（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4520 cm^2/（V ·S）。

　　這說明，采用新型轉移方法與采用常規濕轉移（wet transfer）相比，最終得到了性能相近的石墨烯器件。

　　04.

　　結語：石墨烯集成電路應用仍待解決更多難題

　　傳統硅基集成電路產業賴以生存的摩爾定律日益逼近物理極限，帶來產學界對于集成電路產業未來發展的擔憂。這一背景下，石墨烯因具備優異的電學特性、導熱性等優勢，而被視為有望取代硅基材料的后備材料之一。

　　本項研究提出的新型轉移方式，解決了二維材料在各類基底的集成電路上構建器件的一個挑戰。但是，石墨烯等材料在集成電路產業中的應用仍有缺乏適合的能隙寬度、成本較高、未得到大規模驗證等許多其他難題留待解決。