​亚利桑那州立大学与NASA合作，在太空中制造微电子产品

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自asu漂浮在太空中的半导体工厂听起来像是科幻小说，但它可能并不遥远。

Ying-Chen “Daphne” Chen是美国亚利桑那州立大学Ira A. Fulton 工程学院的电气工程助理教授，她作为NASA研究的联合首席研究员，与学术界和行业合作者一起制定了太空中的半导体器件建筑蓝图。

在太空中制造微电子产品有可能消除半导体制造过程中冗长且昂贵的关键步骤，特别是对于地球上使用的基于 3D 氧化物的电阻式随机存取存储器(RRAM) 设备，这些 3D 器件与传统 2D RRAM 器件的不同之处在于，它们是垂直堆叠的存储器存储单元层，而不是传统的平面排列，从而可以在单个器件中实现更小的占位面积和更多的存储空间。

该团队的研究由CHIPS 和科学法案以及 NASA 太空生产应用程序项目的资金资助。该项目由首席研究员、美国宇航局高级材料工程师柯蒂斯·希尔(Curtis Hill) 领导，旨在利用太空微重力环境产生的减压来消除蚀刻的需要，蚀刻是在芯片表面加深沟槽，为芯片导电金属触点留出足够的空间。

由于需要较厚的半导体晶圆薄膜材料层来补偿重力压力，因此，在地球半导体制造工艺中需要进行蚀刻。研究人员假设，由于缺乏重力，可以在太空中使用更薄的薄膜层，从而在制造过程中已经形成了足够深的沟槽，无需进行蚀刻。上图所示为助理教授 Ying-Chen “Daphne” Chen 站在显示月球图像的屏幕前，手里拿着反映地球模型的半导体材料。她正与美国宇航局以及工业界和学术界的合作者合作，开发一种微重力环境下的微电子制造方法，以减少制造设备所需的资源。

“为了制造芯片，晶圆厂通常需要在地球上的洁净室中进行许多步骤，”富尔顿学院电气、计算机和能源工程学院的教员陈说：“该项目的目标是使用能够制造 3D 堆叠结构、活性层和金属的打印机来实现一体式打印。”

使用这些半导体印刷设备（其占地面积比地球上的制造设施小得多）将减少制造 3D RRAM 设备所需的时间，并消除对大量个人防护设备的需求。许多行业合作者都对该方法感兴趣，包括 Tokyo Electron America、Axiom Space、英特尔和富士胶片，这些公司都参与了这项研究。

“对于未来的商业化制造，更多的运输公司将加入太空运输的行列，从而降低成本并提高竞争力，”陈说：“我看到许多这样的技术，或者它们的高速自动化版本，最终可以在小型、近地轨道工厂中建立一个用于芯片制造和表征的半导体生态系统。”

来自商业空间站的半导体产品

该研究团队的学术成员包括爱荷华州立大学材料科学与工程系副教授 Shan Jiang 和威斯康星大学麦迪逊分校工业与系统工程系助理教授 Hantangqin，他们将首次测试他们的半导体制造理论。由零重力航空公司进行的抛物线飞行将提供20秒的零重力条件。

下图所示为陈和她的合作者打算试验太空建筑的设备类型。已经经过蚀刻工艺的测试设备将在其蚀刻沟槽中注入特殊墨水，以确定墨水在制造过程中的有效性。飞机起飞前将安装一台微电子制造打印机，并在达到零重力条件后启动，然后它将在这 20 秒内打印出半导体器件。这些航班计划于今年10月起飞。

如果这项研究成功，它将为在国际空间站以及未来的商业空间站（例如 Axiom Space 计划的空间站）上安装半导体印刷设备打开一扇大门。连接到轨道上较大空间站的浮动工厂也是一种可能性。

希尔表示，该研究旨在开发制造方法，使美国电子工业重新获得全球工业的主导地位。

“我们坚信，低地球轨道和微重力环境的利用是一项改变游戏规则的技术，将使美国在半导体制造领域占据领先地位，”他说。“我们希望最终推动美国半导体制造能力的进步，并为其发展太空经济。”

希尔选择陈参与该项目是因为她在下一代存储器件方面的专业知识，她正在领导该项目的制造方法。作为首次与亚利桑那州立大学合作，希尔表示迄今为止的经历给他留下了深刻的印象，并希望在未来的项目上继续与该大学合作。

“我真的很喜欢和陈博士一起工作，”他说：“她充满热情并带来积极的态度，像她这样乐观、总是寻找优势和能够帮助团队的事情的研究人员是一笔巨大的财富。”

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