2D材料工业化的需求

未来几年，2D材料的晶体管将被认为是扩展摩尔定律的关键技术之一。

国际半导体技术路线图（ITRS）已明确将为扩展摩尔定律提供长期解决方案。事实上，2D材料的特性和可预测的电气特性提供了强大的潜力，可以将我们在过去50年的显著创新和产品性能做出进一步的提升。

但是，ITRS并不能保证这些材料将发挥这种潜力。毫无疑问，英特尔和台积电等世界领先的半导体制造商非常热衷于了解2D材料的制造影响。但是，对于过去10年的所有学术论文来说，即使是研究最多的材料 - 石墨烯 - 也远未准备好部署在完整的大批量生产（HVM）生产设施中。

HVM 对 2D 材料的挑战是巨大的。但这一挑战是确保2D材料发挥潜力的关键。

2D 材料工业化的需求

在半导体行业采用新材料是一个巨大的颠覆性过程。然而，在扩展摩尔定律和确保6000亿美元市场的持续增长方面，几乎没有技术保证。因此，2D材料制造可以发展到在全球半导体市场中发挥关键作用的概念绝对不是无聊的猜测。

尽管如此，当今技术的现实情况是，2D材料只在实验室中少量配备，以支持学术研究。与其急于发表另一篇关于石墨烯惊人潜力的研究论文，不如关注如何开发在工业规模上制造高质量石墨烯或其他材料所需的工具、工艺和设备。

将 2D 材料集成到工业规模的主流制造中涉及一些艰巨的工程设计，包括材料增长、材料转移和生产线集成。在许多方面，这项工作都很艰难，但如果2D材料要发挥其潜力，这是必不可少的。

大规模制造 2D 材料的挑战

2D材料未来的关键是设计工具和工艺，生产适用于现有行业标准200和300 mm晶圆的无缺陷材料。然而，实现这一目标说起来容易做起来难。

该过程的每一步都需要专门设计和广泛定制的生产工具。值得记住的是，这些是高度专业化的材料，只有一个原子的厚度，因此需要结构完美且没有杂质才能执行。

从材料生长开始，化学气相沉积（CVD）是生产石墨烯和其他2D材料（如六方氮化硼）的最广泛使用的工艺。

生产石墨烯涉及在真空中将加热的基板并暴露在含碳气体中。当气体沉降在热基体表面时，碳生长成石墨烯独特的蜂窝图案。该过程需要严格控制温度和其他参数，以确保高质量的材料可以生长到所需的晶圆尺寸。

然后，生长过程之后是干转印过程，该过程将材料与生长基板分离并将其移动到生产晶圆中。这项任务类似于试图拿起一块足球场大小的保鲜膜并将其沉积在相邻的场地上，所有这些都不会破坏或污染材料表面的任何部分。

当然，这些过程也必须在晶圆厂中高度自动化的生产过程中实施，因此对特殊工程设备的需求也得到了提高。

发展历程

考虑到所涉及的技术挑战，我们不会有任何“飞跃”，从今天的小规模材料增长跳到完整的HVM生产。然而，以IEEE设备和系统路线图（IRDS）为指导，我们可以看到一些关键技术的“垫脚石”将有助于行业开发和证明促进向2D材料过渡所需的工具和流程。

这些垫脚石中的第一个是商业后端（BEOL）应用。这些是某些生产过程的最后阶段，其中传感或光子开关等特殊功能被添加到半导体晶圆中。它们代表了石墨烯生产商磨练其生产工具的强大机会。

这些器件往往在低产量的铸造厂生产，并且已经过渡到微机电系统（MEMS）等BEOL技术。

因此，与石墨烯制造商合作，在生产过程中容纳平面化2D层具有更大的灵活性。

这些BEOL应用对于证明石墨烯可以在商业生产环境中可靠地生长和部署至关重要。

2D 材料的“超越摩尔”潜力

这些初始应用是开发自动化系统和过程控制的关键步骤，以确保高度一致的材料结果。

在ANL，我们致力于进一步推动这种商业加速。应用开发套件将使更多客户能够缩短将2D材料集成到许多其他应用中的路径。与新的生态系统合作伙伴的行业合作将有助于为开发原型设备的公司提供大量的石墨烯。

最终，在未来几年中，这一至关重要的基础将使2D材料走出实验室，并获得真正的“超越摩尔”商业HVM主张的动力。完全集成的端到端生产工具的开发将确保当半导体制造商准备进入全面生产时，工业增长、转移和集成主张都将随之扩展。

审核编辑 ：李倩