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前沿研究：液态金属印刷为第三代半导体制造业节能开辟新路

2023-06-11 13:15:02.0 来源：高教学术公众号责编：覃子喻

摘要：: 导体行业作为资本、人力和技术最为密集的制造业，始终面临着这样一个严峻挑战：生产未动，水电先行。

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【CPP114】讯：近一个世纪以来，半导体凭借其性能优势及产业带动作用，在推动现代科学、技术和社会进步方面一直发挥着极其重要的作用。令人惊讶的是，当前正进入其第三代时期的半导体领域甚至比以往任何时候都发展得更快。迄今为止，半导体行业主要由三代材料驱动。第一代以硅和锗为代表，始于20世纪50年代；第二代以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表，出现于20世纪80年代；第三代，主要是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC），可以追溯到20世纪末。半导体行业作为资本、人力和技术最为密集的制造业，始终面临着这样一个严峻挑战：生产未动，水电先行。到目前为止，几乎所有经典的半导体生长技术，如分子束外延（MBE）、脉冲激光沉积（PLD）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和原子层沉积（ALD）等，都严重依赖于高温处理和苛刻的真空条件（图1（a）和1（b）），基本上都受到大功率稳定性的影响。以芯片为例，其制造工艺层层叠代、环环相扣，从最初的晶片生产到生产线上的切割乃至最终的封装、检查和测试等，整个制程通常涵盖数十个复杂工序。在这些环节中发生的任何错误都将导致晶片报废以及随后引发的巨大损失。因此，对于半导体制造企业来说，其电力供应往往需要确保极高的电力质量和承受巨大的能耗成本。在很大程度上，半导体行业可以被视为一个耗电“大户”，所以节能降耗迫在眉睫。

如今，基于液态金属的半导体室温印刷技术已开启了它们的旅程。与需要高温、高真空、高能耗和复杂工艺的化学气相沉积等传统方法不同的是，这种液态金属半导体印刷技术简捷、稳定、经济、高效、节能。它并不取决于基材的性质，可根据需要沉积在各种表面上，包括那些低成本的柔性材料，如塑料、纸张和织物等。这将大大促进柔性电子的普及制造和使用。更重要的是，液态金属印刷可以实现批量生产和大面积打印，个性化单件制造与批量生产成本相当，具有独特的优势和巨大的潜力。目前，集成电路芯片加工的最大晶圆直径为300毫米，而印刷半导体和器件的直径可以超过1米。由于液态金属的反应性、非极化性和模板性，它们可以提供许多有效的解决方案，有效应对当前半导体的技术挑战，显著降低成本和能耗。在传统的半导体制备工艺中，炉内温度可高达1000°C。例如，工业硅炉的功耗为6300 kVA。除酸洗不耗电外，其余均为高能耗。但是，一旦硅芯和硅棒在酸洗时排出的酸没有得到适当的处理，就很容易对环境造成污染。相反，液态金属半导体印刷技术成本低且节能环保，一台设备可以完成几乎所有的印刷制造过程。虽然对不同方法的功耗增益进行完整比较取决于各自的具体工作情况，但液态金属印刷半导体方法的效果产出相当有前景，这是由其制程完成了从传统MOCVD（950°C–1050°C）和ALD（250°C以上）工艺路线到25°C附近室温制造的转身（图1）。此外，基于增材制造的印刷工艺是完全绿色环保的。一方面，这种制造节省了原材料，避免了潜在的污染。另一方面，印刷方式本身不依赖高温过程，因此节省了大量能源并减少了碳排放。总而言之，液态金属印刷制备半导体材料和高性能功能器件的大门已经开启。随着该领域不断取得更多的技术进步和基础发现，这种半导体印刷将对未来的能源社会和环境保护产生日益重要的影响。