晶片越來越小，性能越來越強，但半導體製造也正在接近物理極限。隨著電晶體和內部線路不斷縮小，傳統材料逐漸難以滿足下一代晶片對低功耗、高性能和穩定性的需求。
近日，新加坡國立大學（NUS）設計與工程學院（College of Design and Engineering, CDE）研究團隊在先進半導體材料領域取得突破，開發出一種原子級厚度的非晶碳材料，可同時實現低介電絕緣和銅擴散阻擋功能。相關研究成果發表於國際學術期刊《Nature Electronics》，為未來晶片進一步微縮提供了新的材料方案。
晶片越來越小，傳統材料面臨新挑戰
現代晶片內部包含大量電晶體，而連接這些電晶體的金屬線路同樣決定著晶片運行效率。隨著晶片製造工藝不斷縮小，線路之間的距離越來越近，也帶來了新的技術難題。
一方面，線路距離縮短後，容易產生信號之間的相互干擾；另一方面，銅線路中的金屬離子可能向周圍材料擴散，影響晶片長期穩定運行。
因此，晶片製造需要一種更加先進的絕緣材料，既能夠降低線路之間的寄生電容，又能夠有效阻擋金屬離子遷移。但傳統低介電材料在極薄尺寸下往往難以保持穩定性能，這成為先進晶片繼續微縮的重要瓶頸。
國大團隊研發原子級碳材料，實現雙重突破
針對這一挑戰，新加坡國立大學設計與工程學院（CDE）材料科學與工程系 Barbaros Özyilmaz教授團隊提出了新的材料設計方案。
NUS CDE研究團隊成員檢查用於製備超低介電常數非晶碳薄膜的UV雷射輔助CVD設備。圖中從左至右為Dr Artem Grebenko、Dr Alena Alekseeva和Barbaros Özyilmaz教授。圖片來源：NUS College of Design and Engineering。 Özyilmaz教授長期從事先進材料、二維材料以及納米電子器件相關研究，致力於探索新型材料在未來電子技術和半導體領域中的應用。該團隊此次研發的新型非晶碳材料，厚度最低可達到約0.8納米，同時具備超低介電常數和良好的絕緣性能。
NUS研究團隊開發的原子級厚度非晶碳薄膜，可同時作為晶片超低介電絕緣層和銅擴散阻擋層，為先進半導體製造提供新的材料方案。
圖片來源：NUS College of Design and Engineering。 研究顯示，這種原子級厚度的非晶碳材料能夠有效減少晶片內部線路之間的不必要信號干擾，同時阻擋銅離子擴散，使其能夠同時承擔絕緣層和保護層的功能。
相比傳統需要多種材料分別完成不同任務的晶片結構設計，這種超薄碳材料有望幫助未來晶片製造進一步縮小尺寸，並提升電子器件的性能表現。
論文發表於《Nature Electronics》，探索下一代晶片製造未來
該研究由新加坡國立大學（NUS）設計與工程學院（College of Design and Engineering, CDE）材料科學與工程系 Barbaros Özyilmaz教授團隊完成。
新加坡國立大學設計與工程學院材料科學與工程系Barbaros Özyilmaz教授，長期從事先進材料、二維材料以及納米電子器件研究。
圖片來源：National University of Singapore。 研究成果發表於國際學術期刊 《Nature Electronics》。
論文題目為：
Atomically thin amorphous carbon with an ultralow dielectric constant
論文圍繞原子級厚度非晶碳材料展開研究。團隊開發出的超薄碳膜厚度最低達到約0.8納米，介電常數低至1.35，同時具備較強介電性能和金屬離子阻擋能力，可滿足未來先進半導體製造對於超薄絕緣材料的需求。
論文作者包括來自NUS設計與工程學院（CDE）、先進二維材料中心（Centre for Advanced 2D Materials, CA2DM）等研究機構的科研人員。其中，Dr Chee Tat Toh和Dr Artem Grebenko為共同第一作者。該成果展示了原子級材料在下一代晶片製造中的應用潛力，也為高性能、低功耗電子設備的發展提供了新的研究方向。
未來，研究團隊將繼續探索該材料的大規模製備能力以及與實際晶片製造流程的兼容性，推動實驗室研究向實際應用方向發展。
📌 要點總結
✦NUS設計與工程學院Barbaros Özyilmaz教授團隊開發原子級厚度非晶碳材料，為晶片微縮提供新的材料方案。
✦該材料兼具超低介電性能和銅擴散阻擋能力，有望幫助提升先進晶片結構性能。
✦研究成果發表於國際期刊《Nature Electronics》，為下一代半導體製造探索新的技術方向。
前沿科技，就在國大校園。
