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前沿研究：液態金屬印刷為第三代半導體制造業節能開辟新路

2023-06-11 13:15 來源：高教學術公眾號責編：覃子喻

摘要：: 導體行業作為資本、人力和技術最為密集的制造業，始終面臨著這樣一個嚴峻挑戰：生產未動，水電先行。

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【CPP114】訊：近一個世紀以來，半導體憑借其性能優勢及產業帶動作用，在推動現代科學、技術和社會進步方面一直發揮著極其重要的作用。令人驚訝的是，當前正進入其第三代時期的半導體領域甚至比以往任何時候都發展得更快。迄今為止，半導體行業主要由三代材料驅動。第一代以硅和鍺為代表，始于20世紀50年代；第二代以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表，出現于20世紀80年代；第三代，主要是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC），可以追溯到20世紀末。半導體行業作為資本、人力和技術最為密集的制造業，始終面臨著這樣一個嚴峻挑戰：生產未動，水電先行。到目前為止，幾乎所有經典的半導體生長技術，如分子束外延（MBE）、脈沖激光沉積（PLD）、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）和原子層沉積（ALD）等，都嚴重依賴于高溫處理和苛刻的真空條件（圖1（a）和1（b）），基本上都受到大功率穩定性的影響。以芯片為例，其制造工藝層層疊代、環環相扣，從最初的晶片生產到生產線上的切割乃至最終的封裝、檢查和測試等，整個制程通常涵蓋數十個復雜工序。在這些環節中發生的任何錯誤都將導致晶片報廢以及隨后引發的巨大損失。因此，對于半導體制造企業來說，其電力供應往往需要確保極高的電力質量和承受巨大的能耗成本。在很大程度上，半導體行業可以被視為一個耗電“大戶”，所以節能降耗迫在眉睫。

如今，基于液態金屬的半導體室溫印刷技術已開啟了它們的旅程。與需要高溫、高真空、高能耗和復雜工藝的化學氣相沉積等傳統方法不同的是，這種液態金屬半導體印刷技術簡捷、穩定、經濟、高效、節能。它并不取決于基材的性質，可根據需要沉積在各種表面上，包括那些低成本的柔性材料，如塑料、紙張和織物等。這將大大促進柔性電子的普及制造和使用。更重要的是，液態金屬印刷可以實現批量生產和大面積打印，個性化單件制造與批量生產成本相當，具有獨特的優勢和巨大的潛力。目前，集成電路芯片加工的最大晶圓直徑為300毫米，而印刷半導體和器件的直徑可以超過1米。由于液態金屬的反應性、非極化性和模板性，它們可以提供許多有效的解決方案，有效應對當前半導體的技術挑戰，顯著降低成本和能耗。在傳統的半導體制備工藝中，爐內溫度可高達1000°C。例如，工業硅爐的功耗為6300 kVA。除酸洗不耗電外，其余均為高能耗。但是，一旦硅芯和硅棒在酸洗時排出的酸沒有得到適當的處理，就很容易對環境造成污染。相反，液態金屬半導體印刷技術成本低且節能環保，一臺設備可以完成幾乎所有的印刷制造過程。雖然對不同方法的功耗增益進行完整比較取決于各自的具體工作情況，但液態金屬印刷半導體方法的效果產出相當有前景，這是由其制程完成了從傳統MOCVD（950°C–1050°C）和ALD（250°C以上）工藝路線到25°C附近室溫制造的轉身（圖1）。此外，基于增材制造的印刷工藝是完全綠色環保的。一方面，這種制造節省了原材料，避免了潛在的污染。另一方面，印刷方式本身不依賴高溫過程，因此節省了大量能源并減少了碳排放。總而言之，液態金屬印刷制備半導體材料和高性能功能器件的大門已經開啟。隨著該領域不斷取得更多的技術進步和基礎發現，這種半導體印刷將對未來的能源社會和環境保護產生日益重要的影響。