跳过光刻工序，也能生产芯片？

电子工程世界

2024-12-19 08:00发布于云南电子工程世界官方账号

在科技革新的浪潮中，科学家们借助液态金属实现了重大突破，成功研发出一种制造自组装电子产品的全新方法。研究团队以涵盖纳米级至微米级晶体管和二极管的原型成果为依托，有力地表明该项研究有望大幅简化电子产品的生产流程，为行业发展开辟崭新路径。
北卡罗来纳州立大学材料科学与工程学教授马丁·索（Martin Thuo）指出，当下现有的芯片制造技术工序繁杂，极度依赖高精尖复杂技术体系，这直接导致制造成本居高不下，且生产周期漫长。为此，数十年来科学界始终不懈探寻开发自组装电子产品的可行之道。“自组装乃是自然界的固有模式，就像大脑的形成便是自组装的生动例证。” 索教授阐释道，“规避使用先进制造工具的自组装方式，能够削减制造环节所需的巨额资金投入以及对专业技术人力的高度依赖。” 以场效应晶体管的制造为例，传统多步骤流程在自组装模式下可一步到位。


自组装征程：攻克关键难题



过往研究针对自组装路径进行了多方探索，尝试运用分子构建计算机，或是借助 DNA 及其他化合物来拼凑组件。然而，索教授表示，这些尝试遭遇了两大关键阻碍：一是要严防污染物混入最终产品，二是需构建不同规模的组件。为化解这些难题，索教授及其团队组建起一支跨学科攻坚队伍，融合化学、材料科学、流体动力学以及电气工程等多元专业知识，形成独特优势。
他们开创的技术以液态金属颗粒为起点，例如菲尔德金属这种铟、铋、锡合金，在 62 摄氏度的温和条件下即呈液态，约 2 微米宽的颗粒被精准放置于硅橡胶模具一侧，研究人员可依据需求将模具塑造为任意图案与尺寸。
随后，科学家们倒入醋溶液，用以收集颗粒表面的金属离子。在模具内部，含离子的配体分子自发组装成三维结构，与此同时，溶液中的液体逐渐蒸发，促使三维结构愈发紧密地堆砌排列。待液体完全干涸，模具助力这些结构整合成可精准预判的对称阵列。紧接着，研究人员移除模具，将阵列加热至 600 摄氏度，配体分子受热分解，释放出碳和氧原子，氧与金属离子发生反应生成半导体金属氧化物，碳原子则转化为石墨烯片。
凭借此项新技术，科学家们成功制备出宽度介于 44 纳米至 1 微米的导线，以及纳米级至微米级的晶体管和二极管。晶体管是以硅衬底作为器件栅极，并将金电极与半导体导线相连而成；二极管则利用导线天然的不对称电导特性制成。最终，他们能够生成毫米至厘米级宽度的图案，正如索教授所言：“可扩展性已不再是难题。” 研究人员还能通过调控溶液所用液体类别、模具尺寸以及溶液蒸发速率，精准把控半导体结构的各项特性。此外，液态金属颗粒中的铋元素使所得阵列具备光响应能力，为制造光电设备提供了技术支撑。


自组装应用展望：机遇与挑战并存



荷兰特温特大学光电子混合材料教授克里斯·尼杰伊斯（Chris Nijhuis）评价道：“自组装电子产品一直是业界的长期追求，因其有望削减制造流程及成本，契合日益增长的复杂电子产品需求。如今目睹这一概念从超冷液态金属起步，实现电子及光学活性设备的自组装，着实令人惊叹。”
索教授透露，这项新技术的首要应用领域预计聚焦于微机电系统（MEMS）及其关联传感器。“我们计划运用该方法打造一些理论可行但尚未商业化的晶体管架构，诸如 BiSFET（双层伪自旋场效应晶体管），其中界面与二维材料发挥关键作用，探究这些概念能否在自适应电路、多功能乃至三维电子产品领域取得进阶突破，颇具探索价值。”
尼杰伊斯教授也指出：“这种能精准把控导线制造的新策略，对于那些互连形成难度较大的应用场景意义非凡。” 不过，他也警示称，现阶段利用该新技术制造结构所需的高温条件，或许会限制其潜在应用范畴，但他同时强调“仍存在改进提升的余地”。
当下，科学家们正全力筹备创立一家初创公司，助推此项技术成果落地转化，推动科研工作持续进阶。索教授补充提到，他与团队成员参与了美国国家科学基金会创新团项目，借此契机与工业界紧密互动。“自组装流程可塑性强，但需契合特定行业需求。” 索教授解释道，“这便是我们与半导体公司深入交流洽谈的初衷，旨在让技术与实际需求精准对接，实现更大的产业价值。” 展望未来，这一液态金属赋能的自组装电子产品制造技术，有望在科技产业的舞台上大放异彩，重塑电子产品制造的新格局。


参考文献

https://spectrum.ieee.org/self-assembly


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