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《铜衬底上生长大尺寸二维单晶的最新进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2020-11-26

  • 大规模、高质量的二维（2D）材料已成为在现代化学和物理学中的研究热门。在过去的几年中，大尺寸单晶2D材料的可控制备取得了显著进步。在诸多制备方法中，化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）受到了最广泛的关注，因为它可以通过调节生长条件来精确控制2D材料的尺寸和质量。同时，在众多的催化剂中，由于Cu具有在CVD过程中生长单层2D材料的显著优点，已被广泛接受为最受欢迎的催化剂。本文总结了通过CVD在Cu衬底上制备大尺寸2D单晶的最新进展。首先，将以超低的前体溶解度和可行的表面工程技术显示出Cu的独特功能。随后，展示了不同铜晶相表面上生长大尺寸石墨烯和六方氮化硼（h-BN）晶体的最新工作。此外，揭示了2D单晶生长的生长机理，为阐明深入的生长动力学过程提供了指导。最后，讨论了工业上大规模生产2D单晶的相关问题，并为未来的研究提供新思路。

    天津大学 的 胡文平 教授和 耿德超 教授 （共同通讯） 等人，在 Adv. Mater. 上发表了题为“ Recent Advances in Growth of Large-Sized 2D Single Crystals on Cu Substrates ”的综述论文。文章同等第一作者为：范怡萱和李琳。本文简要介绍了在催化剂Cu衬底上生长大尺寸单晶2D材料的最新进展。考虑到Cu具有多种晶体方向的事实，研究人员首先讨论Cu晶体学取向方面的二维生长，然后依次证明了石墨烯单晶和六方氮化硼（h-BN）晶体的尺寸增加现象，显示出了Cu催化剂的巨大潜力。为了阐明Cu在2D材料生长中的重要作用，基于几种模拟计算，进一步阐述了深入的生长机理。最后，本文强调了大尺寸单晶二维材料规模化制备领域目前面临的相关挑战，并展望了该领域的发展之路。

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相关报告

  • 《国际实验室张凯研究团队在硅衬底上生长高结晶性黑磷薄膜研究方面取得进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-03-19
    • 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 张凯研究员 与湖南大学 潘安练教授、 深圳大学 张晗教授 合作，在 Nature Communications 上发表题为 “Epitaxial nucleation and lateral growth of high-crystalline black phosphorus films on silicon” 的研究论文，报道了 一种在 硅 等介质基底 上生长高结晶性黑磷薄膜的 方法 。 黑磷是一种具有高载流子迁移率、 0.3~1.5 eV 随厚度可调直接带隙以及各向异性等优异性质的二维层状半导体材料，在 新型 电子和光电子器件等领域 ，如高迁移率场效应晶体管、室温宽波段红外探测器及多光谱高分辨成像等方面 具有 独特的应用优势，受到广泛关注 。 然而，黑磷的大规模应用开发迄今仍受限于 大面积 、 高质量薄膜 的制备 。 传统上， 黑磷 可以通过高温高压、汞催化或从铋溶液中重结晶等方法来制备 。 通过矿化剂辅助气相输运法（ CVT ） 则 可进一步提高其产率和结晶度。但是，这些方法仅可获得 黑磷 晶体块材， 很难 直接在衬底上生长 黑磷 薄膜。最近， 也有 研究人员通过脉冲激光沉积或 借鉴 高温高压 法尝试 在 介质 衬底上直接生长 黑磷 薄膜 。 然而，获得的薄膜 多为 非晶态，晶粒尺寸小 、 迁移率 等 电学性能不理想， 离 实际应用 需求 相距甚远。尽管 很多研究都 做出了巨大的努力， 包括本文通讯作者 中国科学院苏州纳米所 张凯研究员团队前期在黑磷生长、掺杂、复合所做出的持续性工作尝试（ Small 2016, 12, 5000; Adv. Funct. Mater. 27, 1702211, 2017; Nature Commun. 9, 4573, 2018 ）， 但 如何在基底上实现黑磷成核进而高结晶性薄膜的可控生长依然是一大挑战。 作者 在这项工作中，开发了一种新的生长策略， 引入缓冲层 Au 3 SnP 7 作为成核点， 诱导黑磷在介质基底 上的成核生长。在 以往 报道的 CVT 方法中，以 Au 或 AuSn 作为前驱体生长 黑磷晶体 时， Au 3 SnP 7 是 其中 重要的中间产物 之一。作者考虑以 Au 3 SnP 7 来诱导黑磷成核，主要是注意到两点：一是 Au 3 SnP 7 在黑磷生长过程中可以非常稳定地存在；二是 其（ 010 ）面 的磷原子排布 与 黑磷 （ 100 ）面具有 匹配的原子结构 。基于此， 作者 通过在衬底上 生 成 Au 3 SnP 7 来控制 黑磷 的成核和生长 。其中 Au 3 SnP 7 的形成是 将沉积了 Au 薄膜的 硅 衬底与 红磷、 Sn 、 SnI 4 前驱体一起在 真空 封管中 加热 获得，其形貌 通常 为分散在硅衬底上的 规则形状晶体 ， 尺寸数百纳米 。在随后 的 保温过程中，发生 P 4 相向黑磷相的转变并在 Au 3 SnP 7 缓冲层上外延成核。这一假定可以 从高分辨截面 TEM 图像 得到应证， 可以清晰看 到 黑磷与 Au 3 SnP 7 有序共存 以及 它们之间原子级 平滑 的界面 。随后，在持续的磷源供给及降温过程中，会观察到过渡态黑磷 纳米片 产物及其 在 硅衬底上的生长、融合，最终获得 表面 平整洁净 的 连续黑磷薄膜。 在生长过程中， P 4 蒸气的过快输运不利于 黑磷薄膜形貌、厚度的控制。 为了实现 可控的黑磷薄膜生长 ， 作者 设计了几种方法来减少参与 相变转化 的 P 4 源。 其一 ，将 红磷 置于低温侧， 而黑磷薄膜的生长置于远端的高温侧。由此，升华而成的 P 4 分子需经历 逆温度梯度 的热动力学 输运 到生长的衬底端，其输运速度及参与反应的量得以有效控制。 此外，将 多片镀有 Au 膜的硅 衬底叠放 ，利用 衬底之间 非常狭小的间隙来 限制扩散 进入衬底间、在 Au 3 SnP 7 缓冲层上实际参与生长的 P 4 分子 的量 。 通过这些策略，可以在硅衬底上生长出 厚度从几纳米到几百纳米 可调 的 黑磷 薄膜。 随着厚度的增加 ， 可获得的 薄膜尺寸 也相应 越大 。 当厚度约为 100 nm 或 以上 时，很容易生长出几百微米至亚毫米大小的 黑磷 薄膜。 硅衬底上高结晶性黑磷薄膜成核与生长过程示意图及相应形貌、结构表征 所生长的黑磷 薄膜具有 良好的结晶性及 优异的电学 性质 ，室温 下 的场效应迁移率和霍尔迁移率分别超过 1200 cm 2 V -1 s -1 和 1400 cm 2 V -1 s -1 ， 开关比 高达 10 6 ， 与从 黑磷 晶体中 机械 剥离的 纳米片 相当。 此外，比较有趣的是， 生长的 黑磷 薄膜还 显示出 独特的层状微观结构，由几纳米厚（ ~5-10 nm ）的 黑磷 层作为单元 有序堆叠构成 ，单元之间 保持大致等量纳米级的微小 间隙。 这样特异的微结构 ， 使得生长的黑磷薄膜相比于常规层间 致密 堆叠结构黑磷薄膜 还表现出优异的光学性能，在红外波段具有增强的红外吸收和光致发光 等 特性。 这项工作 为大面积、高质量 黑磷 薄膜的可控制备提供了新途径， 也进一步推进了黑磷在高通量器件集成以及新型光电子器件开发等方面的广泛应用。相关研究成果发表在 Nature Communications 期刊上（ DOI :10.1038/s41467-020-14902-z ）。该工作获得国家相关人才计划（ 61922082 ）等项目的经费支持，以及中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（ Nano-X ）在表征测试上的大力帮助。
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  • 《中国新建“明星”晶圆厂的最新进展》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：shenxiang
    • 发布时间：2019-02-20
    • SEMI在今年年初公布的“2018 China Semiconductor Silicon Wafer Outlook”报告中指出，在致力打造一个强大且自给自足半导体供应链的决心驱使下，中国在2017~2020年间计划新建的晶圆厂数量居全球之冠，加上无论中资或外资企业在中国境内皆有新建晶圆代工或内存厂的计划，这就使得中国的整体晶圆厂产能扩张更为迅速。 按照SEMI的报告，预计到2020年，中国大陆晶圆厂装机产能将达到每月400万片(WPM)8英寸晶圆，和2015年的230万片相比，年复合成长率(CAGR)为12%，成长速度远高过所有其他地区。 国内这几年新增的晶圆厂比较多，当中包括Intel、三星这些存储项目，另外还有很多国内的新建工厂或者声称建工厂的，另外去年下半年还爆发了一批第三代半导体产线。为了让大家了解对国内新建晶圆厂的进展有进一步了解，半导体行业观察网站调研了几个国内近年的新建“明星”晶圆厂（本文说的是新成立的与老公司的新厂）的最新进展。 厦门联芯 在2014年，台湾联华电子与厦门市人民政府及福建省电子信息集团合资成立专注晶圆代工的，于福建省厦门市从事集成电路制造，提供12吋晶圆专工服务。联芯集成电路制造公司于2014年底开始筹建，2015年3月26日奠基动工，2016年第4季起进入量产，已可提供 40nm及28nm 的晶圆专工服务，规划月产能为 5 万片 12 吋晶圆，预计总投资金额达62 亿美元。 据半导体行业观察了解，厦门联芯第一期的规划产能是25000片，现在已经做到了20000片的真实产能，主要集中在28nm工艺，40nm和80nm的产品。他们在今年也会扩充到25000片的真实产能。联芯后续还会规划另一个25000片的产能，但不会再往28nm上面走，而是聚焦在一些特色工艺。 台积电（南京）有限公司 2015年年底，台积电宣布，已向台湾“投审会”递件申请赴大陆设立12英寸晶圆厂与设计服务中心，设立地点确定为江苏省南京市。据悉，该厂设在南京市浦口区，投资金额大约在30亿美元，其中包括来自台湾现有晶圆厂的机台设备的价值、以及内地政府在集成电路业上的政策优惠，最终台积电的净投资金额会低于30亿美元。新厂采用16纳米技术，产能规划为2万片，2018年量产，后续产能将会扩到4万片。 2018年11月，台积电正式对外宣布了这南京厂的量产。但据半导体行业观察的了解，他们在对外公布之前，已经在去年5月实现了量产，比计划早了6个月。南京厂将提供12寸、16nm FinFET晶圆代工业务。而台积电刘德音在南京厂量产典礼上表示。南京厂月产能为10,000片，预计今年年底前将提升为15,000片，预计将在2020年Q1达到20,000片的规模。 格芯（成都）集成电路制造有限公司 2017年年初，GlobalFoundries在成都宣布，将在成都设立子公司格芯半导体，计划投资90亿美元建设一条12寸晶圆代工线，FDSOI终于落户中国，至此，全球TOP3晶圆代工厂均在中国布局完成。 据当时报道，格芯12寸晶圆代工厂分两期建设，第一期0.18um和0.13um，技术转移来自GF新加坡，2018底预计产能约2万每月；第二期为重头戏22nm SOI工艺，2018年开始从德国FAB转移，计划2019年投产，预计2019年下半年产能达到约6.5万每月。根据之前报道。GF出设备，占据51%的股份，地方政府出土地和厂房，占49%的股份，双方按股权比例出资。 据去年10月格芯的披露，基于市场条件变化、格芯于近期宣布的重新专注于差异化解决方案，以及与潜在客户的商议，将取消对成熟工艺技术（180nm/130nm）的原项目一期投资。同时，将修订项目时间表，以更好地调整产能，满足基于中国的对差异化产品的需求包括格芯业界领先的22FDX技术。 广州粤芯半导体技术有限公司 2017年年底，粤芯半导体技术有限公司在广州开发区中新知识城设立，这是国内第一座以虚拟IDM (Virtual IDM) 为营运策略的12英寸芯片厂，也是广州第一条12英寸芯片生产线。 据介绍粤芯半导体项目投资70亿元，新建厂房及配套设施共占地14万平方米。建成达产后，粤芯半导体将实现月产40,000片12英寸晶圆的生产能力，产品包括微处理器、电源管理芯片、模拟芯片、功率分立器件等，满足物联网、汽车电子、人工智能、5G等创新应用的模拟芯片需求。 据半导体行业观察了解，粤芯的土建已经在去年10月封顶，今年三月设备将要进场，今年Q4将进行小批量量产。公司覆盖了90nm到180nm的工艺，聚焦的产品放在电源管理、电机驱动和单片机、分立器件等方面。按照规划，他们第一期的总产能是四万片/月（投资是100亿人民币）将分为两个阶段完成，今年年底力争做到两万片。公司也预计从2021年开始，投入第二期的建设，主要是以40nm到65nm的模拟芯片为目标。 芯恩集成公司 2018年五月，总投资额约150亿元的国内首个协同式集成电路制造（CIDM）项目——芯恩（青岛）集成电路项目正式开工，此项目正是由中国“半导体之父”张汝京博士及其团队联手打造。 据悉，该项目一、二期总投资约150亿元，其中一期总投资约78亿元，由青岛西海岸新区管委、青岛国际经济合作区管委、青岛澳柯玛控股集团有限公司、芯恩半导体科技有限公司合作设立。项目建成后可以实现8英寸芯片、12英寸芯片、光掩模版等集成电路产品的量产。计划2019年底一期整线投产，2022年满产。 芯恩（青岛）集成电路有限公司董事长张汝京博士表示，CIDM集成电路项目经济、社会效益显著。预计2019年第三季度进行功率器件的生产，2022年满产。 据了解，芯恩将会在今年年底试运行。其中200nm（第一期）的工艺为90-28nm，产能最初规划是每月生产3万片，后续会根据市场的需求逐渐增加到每月6万片。设计方面是0.35-0.11um，预计要生产MEMS/MOSFET/IGBT/RF/Wire less ICPower Device、电源管理IC、嵌入式逻辑IC、MCU (8～32 bit)和模拟IC；300nm（第一期），月产量从最初的3,000片逐渐增加到1万片，根据市场需求，计划增加到月产4万片。第一期的制程预生产MCU(32 ～64 bit)/MPU/CPU/MOSFET/嵌入式逻辑IC。 关于第二期工程，预计要建两栋月生产能力为5万片的Fab，而且是针对14nm以下的细微制程。 中芯国际上海、深圳、天津三条线开工 2016年10月，国内领先晶圆厂中芯国际在上海厂区举行新12寸集成电路生产线厂房奠基仪式。根据他们的介绍，这个新的工厂是应对中芯上海将来成长的需要。这条产线的规划产能是7万片/月，主要集中在14nm及以下工艺的生产。这条产线也已经完成了封顶工作， 在2018年的半年年报上，中芯国际表示，在14纳米FinFET技术开发上获得重大进展。第一代FinFET技术研发已进入客户导入阶段。在第三季的财务会议上，中芯国际表示，虽然行业进入季节性调整，但将持续进行先进工艺平台(14nm)的客户导入与验证工作，为未来成长储备力量。上海市长应勇在日前的政府工作报告中披露，将在今年实现集成电路14纳米生产工艺量产。 另外，在深圳方面，中芯国际也规划了一条月产能为四万片/月的12寸产线，聚焦在0.11微米到55纳米这些工艺的生产， 目前还处于建设阶段 ；天津工厂则做了一条月产能为10万片的八寸线，主要瞄准0.35微米到90纳米的工艺。 据半导体行业观察了解，中芯国际的天津新产线马上就要投产了。 华虹半导体（无锡）有限公司 2017年八月初，华虹宏力与无锡市政府及国家集成电路产业投资基金（简称大基金）签订了一份投资协议，三方将在无锡投资建设一座12英寸晶圆厂。据介绍，该工厂采用90-55nm工艺，面向物联网应用芯片领域。华虹无锡300mm生产线一期工程，规划投资25亿美元，按计划将于2019年Q4建成投产，规划至2022年底逐步把起初的月产能1万片增加到4万片。而嵌入式非易失性存储、射频、电源管理芯片及相关IP，将会是首批转移到12寸晶圆上的产品线。 据华虹那边的最新消息透露，无锡一期的生产厂房结构已经全面封顶，并完成了华夫板浇筑。更多消息期待今年更新。 另外，华润微电子在去年11月宣布，将投资约100亿元在重庆西永微电园建设12英寸晶圆生产线，主要生产MOSFET、IGBT、电源管理芯片等功率半导体产品，这也将是国内晶圆厂的另一股势力。 其他还有如英诺赛科、士兰微、北京双仪微电子等一批聚焦在第三半导体生产的产线以及国内的存储产线也在推动中，在未来，这些都会是中国晶圆厂的有生力量。其中更多的信息，我们有待后续更新。
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