?亞利桑那州立大學(xué)與NASA合作，在太空中制造微電子產(chǎn)品

Ying-Chen「Daphne」Chen 是美國(guó)亞利桑那州立大學(xué) Ira A. Fulton 工程學(xué)院的電氣工程助理教授 ，她作為 NASA 研究的聯(lián)合首席研究員，與學(xué)術(shù)界和行業(yè)合作者一起制定了太空中的半導(dǎo)體器件建筑藍(lán)圖。

在太空中制造微電子產(chǎn)品有可能消除半導(dǎo)體制造過(guò)程中冗長(zhǎng)且昂貴的關(guān)鍵步驟，特別是對(duì)于地球上使用的基于 3D 氧化物的電阻式 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RRAM) 設(shè)備，這些 3D 器件與傳統(tǒng) 2D RRAM 器件的不同之處在于，它們是垂直堆疊的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元層，而不是傳統(tǒng)的平面排列，從而可以在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)更小的占位面積和更多的存儲(chǔ)空間。

該團(tuán)隊(duì)的研究由 CHIPS 和科學(xué)法案 以及 NASA 太空生產(chǎn)應(yīng)用程序項(xiàng)目的資金資助。該項(xiàng)目由首席研究員 、美國(guó)宇航局高級(jí)材料工程師柯蒂斯·希爾 (Curtis Hill) 領(lǐng)導(dǎo)，旨在利用太空微重力環(huán)境產(chǎn)生的減壓來(lái)消除蝕刻的需要，蝕刻是在芯片表面加深溝槽，為芯片導(dǎo)電金屬觸點(diǎn)留出足夠的空間。

由于需要較厚的半導(dǎo)體晶圓薄膜材料層來(lái)補(bǔ)償重力壓力，因此，在地球半導(dǎo)體制造工藝中需要進(jìn)行蝕刻。研究人員假設(shè)，由于缺乏重力，可以在太空中使用更薄的薄膜層，從而在制造過(guò)程中已經(jīng)形成了足夠深的溝槽，無(wú)需進(jìn)行蝕刻。

上圖所示為助理教授 Ying-Chen「Daphne」Chen 站在顯示月球圖像的屏幕前，手里拿著反映地球模型的半導(dǎo)體材料。她正與美國(guó)宇航局以及工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的合作者合作，開(kāi)發(fā)一種微重力環(huán)境下的微電子制造方法，以減少制造設(shè)備所需的資源。

「為了制造芯片，晶圓廠通常需要在地球上的潔凈室中進(jìn)行許多步驟，」富爾頓學(xué)院電氣、計(jì)算機(jī)和能源工程學(xué)院的教員陳說(shuō)：「該項(xiàng)目的目標(biāo)是使用能夠制造 3D 堆疊結(jié)構(gòu)、活性層和金屬的打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)一體式打印?！?/span>

使用這些半導(dǎo)體印刷設(shè)備（其占地面積比地球上的制造設(shè)施小得多）將減少制造 3D RRAM 設(shè)備所需的時(shí)間，并消除對(duì)大量個(gè)人防護(hù)設(shè)備的需求。許多行業(yè)合作者都對(duì)該方法感興趣，包括 Tokyo Electron America、Axiom Space、英特爾和富士膠片，這些公司都參與了這項(xiàng)研究。

「對(duì)于未來(lái)的商業(yè)化制造，更多的運(yùn)輸公司將加入太空運(yùn)輸?shù)男辛校瑥亩档统杀静⑻岣吒?jìng)爭(zhēng)力，」陳說(shuō)：「我看到許多這樣的技術(shù)，或者它們的高速自動(dòng)化版本，最終可以在小型、近地軌道工廠中建立一個(gè)用于芯片制造和表征的半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)。」

來(lái)自商業(yè)空間站的半導(dǎo)體產(chǎn)品

該研究團(tuán)隊(duì)的學(xué)術(shù)成員包括愛(ài)荷華州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授 Shan Jiang 和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校工業(yè)與系統(tǒng)工程系助理教授 Hantangqin，他們將首次測(cè)試他們的半導(dǎo)體制造理論。由零重力航空公司進(jìn)行的拋物線飛行將提供 20 秒的零重力條件。

下圖所示為陳和她的合作者打算試驗(yàn)太空建筑的設(shè)備類(lèi)型。已經(jīng)經(jīng)過(guò)蝕刻工藝的測(cè)試設(shè)備將在其蝕刻溝槽中注入特殊墨水，以確定墨水在制造過(guò)程中的有效性。

飛機(jī)起飛前將安裝一臺(tái)微電子制造打印機(jī)，并在達(dá)到零重力條件后啟動(dòng)，然后它將在這 20 秒內(nèi)打印出半導(dǎo)體器件。這些航班計(jì)劃于今年 10 月起飛。

如果這項(xiàng)研究成功，它將為在國(guó)際空間站以及未來(lái)的商業(yè)空間站（例如 Axiom Space 計(jì)劃的空間站）上安裝半導(dǎo)體印刷設(shè)備打開(kāi)一扇大門(mén)。連接到軌道上較大空間站的浮動(dòng)工廠也是一種可能性。

希爾表示，該研究旨在開(kāi)發(fā)制造方法，使美國(guó)電子工業(yè)重新獲得全球工業(yè)的主導(dǎo)地位。

「我們堅(jiān)信，低地球軌道和微重力環(huán)境的利用是一項(xiàng)改變游戲規(guī)則的技術(shù)，將使美國(guó)在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，」他說(shuō)?！肝覀兿Ｍ罱K推動(dòng)美國(guó)半導(dǎo)體制造能力的進(jìn)步，并為其發(fā)展太空經(jīng)濟(jì)?！?/span>

希爾選擇陳參與該項(xiàng)目是因?yàn)樗谙乱淮鎯?chǔ)器件方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，她正在領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的制造方法。作為首次與亞利桑那州立大學(xué)合作，希爾表示迄今為止的經(jīng)歷給他留下了深刻的印象，并希望在未來(lái)的項(xiàng)目上繼續(xù)與該大學(xué)合作。

「我真的很喜歡和陳博士一起工作，」他說(shuō)：「她充滿(mǎn)熱情并帶來(lái)積極的態(tài)度，像她這樣樂(lè)觀、總是尋找優(yōu)勢(shì)和能夠幫助團(tuán)隊(duì)的事情的研究人員是一筆巨大的財(cái)富?！?/span>