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韩国机械与材料研究所 (KIMM) 今天宣布，来自 KIMM 和新加坡南洋理工大学 (NTU Singapore) 的科学家已经开发出一种技术来制造高度均匀和可扩展的半导体晶圆，为更高的芯片产量铺平道路，更多具有成本效益的半导体和缓解全球芯片短缺。
智能手机和计算机中常见的半导体芯片制造起来既困难又复杂，需要高度先进的机器和特殊的环境来制造。它们的制造通常在硅晶片上完成，然后切成用于设备的小芯片。
然而，该工艺并不完美，并非来自同一晶圆的所有芯片都能按预期工作或运行。这些有缺陷的芯片被丢弃，降低了半导体产量，同时增加了生产成本。
以所需厚度生产均匀晶圆的能力是确保在同一晶圆上制造的每个芯片都能正常运行的最重要因素。
基于纳米转移的印刷——一种使用聚合物模具通过压力或“冲压”将金属印刷到基板上的工艺——近年来因其简单、相对成本效益和高产量而成为一种有前途的技术。
图：无化学纳米转移印刷技术产生的纳米结构，来源：KIMM
然而，该技术使用化学粘合剂层，这会导致负面影响，例如大规模打印时的表面缺陷和性能下降，以及对人体健康的危害。由于这些原因，该技术的大规模采用以及随之而来的芯片在设备中的应用受到了限制。
在他们发表在同行评审期刊 ACS Nano 上的研究中，来自 KIMM 和 NTU 的研究小组报告说，他们的无化学印刷技术与金属辅助化学蚀刻相结合 – 一种用于增强表面对比度的方法使纳米结构可见——产生具有高度均匀和可扩展的纳米线（圆柱形纳米结构）的半导体晶片。
与市场上当前的芯片相比，该半导体还表现出更好的性能。此外，制造方法也很快并且导致芯片良率高。
新的无化学印刷技术带来高芯片良率
由 KIMM 和 NTU 开发的新的纳米转移印刷技术是通过在低温（160°C）下将金（Au）纳米结构层转移到硅（Si）基板上来形成具有纳米线的高度均匀的晶片，该晶片可以控制到所需的制造过程中的厚度。
这种不含化学物质的印刷技术通过在加热下触发薄金属薄膜的直接化学吸附来发挥作用——这是一种化学反应，可在基材表面和被吸附的物质之间形成牢固的结合。
图：无化学纳米转移印刷技术的概念图
这种工业兼容技术允许快速、均匀地以规模（从纳米到英寸）制造晶片。同时，制造的晶圆几乎没有缺陷，这意味着几乎没有芯片因性能不佳而被丢弃。在实验室测试中，联合研究团队能够实现 99% 以上的 20-纳米厚的金膜到六英寸的硅晶片上。
这种可打印的晶圆尺寸仅限于实验室设置，KIMM-NTU 团队相信他们的技术可以轻松放大以用于 12 英寸晶圆——三星、英特尔等半导体芯片制造商当前生产线的主流晶圆尺寸和格罗方德。
当采用该方法制造 6 英寸晶圆时，结果显示印刷层在蚀刻过程中保持完整且弯曲最小——这一过程通常会导致层分离——这表明 KIMM 和 NTU 开发的技术具有出色的均匀性和稳定性。
此外，当 100 个称为光电探测器的光传感器被制造到 6 英寸晶圆中时，实现了出色的性能均匀性，突显了该技术在商业大规模生产中的巨大潜力。
技术为低成本半导体芯片打开了大门
KIMM联合首席研究员、纳米融合制造系统研究部首席研究员（兼研究规划和协调部主任）Jun-HoJeong博士表示：“KIMM-NTU团队开发的技术是一个新概念纳米结构低成本量产技术，可应用于纳米光子学、高性能纳米太阳能电池、下一代二次电池等的量产。”
NTU 的联合首席研究员、电气与电子工程学院的助理教授 Munho Kim 也补充说，该团队技术的均匀性、可扩展性和稳定性克服了现有纳米转移印刷方法中存在的主要瓶颈，也可能导致在各种电子和基于光的设备，因为现在可以以更具成本效益的方式制造半导体芯片。
“由 KIMM 和 NTU 的研究团队设计的技术已被证明可以有效地制造出具有出色均匀性的晶圆，从而减少有缺陷的半导体芯片。全球芯片供应的现实是它容易受到许多外部因素的影响，包括材料短缺和 COVID-19 大流行引起的供应链中断等意外事件。因此，我们新开发的方法具有通过提高芯片良率来缓解未来全球芯片供应紧张的巨大潜力。此外，芯片制造商还可以享受更高的成本效益和更高的产量，”Asst 说。金教授。
Jeong博士强调了这项工作的重要性，进一步补充说，KIMM和NTU之间的合作是成功的国际伙伴关系的一个例子，它导致了共同申请专利。
该研究团队已为其开发的技术在韩国和新加坡申请了专利。该团队花了三年时间设计、制造和测试这项新技术，该技术是在南大南洋纳米制造中心 (N2FC) 进行的。
作为下一步，研究团队的目标是在未来几年内与工业合作伙伴一起扩大他们的技术以实现商业化。
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