在全球半導體競逐邁入原子級尺度之際，二維材料被視為延續摩爾定律的關鍵解方。面對學界探索新材料物性與元件研究，以及業界對晶圓級製程穩定、量產可行性和設備自主化的需求，國家實驗研究院國家儀器科技研究中心 (國研院國儀中心) 建立「大面積二維材料製程設備與檢測技術」，並攜手國立陽明交通大學、日本東京大學及國家實驗研究院台灣半導體研究中心 (國研院半導體中心)，共同突破傳統二維半導體製程的限制，建立晶圓級二維材料製程與設備研發平台，成功實現 6 吋晶圓單層材料二硫化鎢 (WS₂) 100% 全覆蓋連續膜的高均勻成長。

目前全世界除國研院國儀中心外，僅有由比利時微電子研究中心 (imec)、艾司摩爾 (ASML) 與台積電合作之團隊曾經發表過大面積單層二維材料 100% 全覆蓋的連續膜晶圓。

現有以矽為基底所製造半導體積體電路 (IC) 中的電流通道越來越狹窄，容易產生「短通道效應」與「穿隧漏電」^[1]，即電子不受控制地任意流過電流通道，或往其他方向移動，使得元件效能及散熱都變差。科學家發現，若在矽上面鍍一層特殊的單層原子平面結構 (即二維材料)，例如二硫化鎢 (WS2) 或二硫化鉬 (MoS2) 等過渡金屬硫化物 (transition metal dichalcogenides, TMDs)，就像貼上一張超薄的貼紙，這樣就可以避免電子亂跑，而能完美控制電子在電流通道內流動，提高元件效能並降低功耗。因此二維材料被視為突破摩爾定律極限的關鍵之一。

除此之外，由於二維材料是單層原子平面結構，具備極佳的透光性與機械柔軟度，可應用於可撓式顯示器、穿戴式裝置及感測器，因而受到產業界高度關注。然而目前的研究，從實驗室小尺度示範到產業大面積穩定量產，仍存在技術鴻溝，包括精準生長、層數控制、缺陷管理及晶圓級檢測等挑戰。

國研院國儀中心成功開發晶圓級二維材料製程技術

國研院國儀中心長期投入真空科技領域，建構了真空鍍膜的關鍵設備與製程技術，並自 2020 年起執行國科會多項計畫^[2]，自行設計組裝二維材料真空沉積系統^[3]，進行前瞻性二維材料製程開發與物性研究，成功開發出 8 至 12 吋等級之二維材料製程設備平台，並已向下相容完成 6 吋晶圓規模之單層二維材料成長，達成 100% 全覆蓋率 (full coverage)，且成功克服二維材料在大面積成長中常見之材料不均與缺陷問題，展現高度均勻性之連續膜與製程穩定性。

同時，國研院國儀中心將鍍上二維材料連續膜之 6 吋晶圓，交由國研院半導體中心製作出元件並進行測試，成功驗證所製造出來的二維材料薄膜應用於實際元件之可行性，建立「設備→製程→檢測→元件」之完整技術鏈。

國研院國儀中心亦攜手臺日頂尖學研團隊在此平台上建立完整技術驗證體系：由國立陽明交通大學張文豪教授透過此平台進行二維材料製程驗證，確立其磊晶品質與均勻性；並進行二維材料特性分析與驗證，相關成果獲得國際頂尖期刊《自然電子》(Nature Electronics) 刊登，顯示國儀中心所建立之二維材料檢測平台已具備支援國際級前瞻研究之能力與價值。

而日本東京大學童俊智教授則以國研院國儀中心的材料檢測平台驗證新穎二維硼碳氮材料之厚度、晶體結構、導電度等物性，符合二維材料所具備之特性，其相關成果亦獲得國際頂尖期刊《自然》(Nature) 刊登。

國研院國儀中心開發的「大面積二維材料製程設備與檢測技術」，不僅代表臺灣在二維材料關鍵設備與製程技術上的重大突破，更透過臺日合作，深化檢測與驗證能量，可協助產業界提升整體國際競爭力，並強化晶片自主化發展與友善供應鏈的安全與韌性。國儀中心於設備開發過程中，已促成多項國科會產學合作計畫，未來更將推動相關設備技術轉移，加速科研成果落地應用；並持續進行 8 吋與 12 吋設備平台優化，結合資料驅動與智慧製造技術，加速二維材料於先進邏輯元件、光電元件及感測應用之產業化發展，打造我國次世代半導體技術之關鍵基石。

(左起) 日本東京大學童俊智教授、國立陽明交通大學張文豪教授、國研院蔡宏營院長、國研院國儀中心潘正堂主任、林郁洧副主任、陳維鈞組長合照。

[1] 電晶體的基本原理是由閘極扮演水龍頭開關，控制電子 (以水來比喻電子) 是否可由源極 (水源) 流向汲極 (排水口)。當 IC 不斷微縮，源極到汲極之間的距離越來越短，即使閘極處於關閉狀態，電子仍可能從源極漏到汲極，即「短通道效應」。「穿隧漏電」則是電子會因量子效應直接穿透到電流通道以外的絕緣層，導致漏電。

[2] 包括「A 世代前瞻半導體專案計畫」、前瞻基礎建設計畫「突破半導體物理極限與鏈結 AI 世代計畫」、晶片驅動臺灣產業創新方案「全台半導體相關軟硬體建置與資源共享計畫」。

[3] 國研院國儀中心自行設計組裝的二維材料真空沉積系統包括「全氣態有機金屬化學氣相沉積」(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 系統架構，整合高純度硫化氫/硒化氫 (H₂S/H₂Se) 氣體供應，以及大面積均溫載台，與優化的反應腔體流場設計，為 6 吋以上晶圓規模量產奠定關鍵基礎。