科學(xué)家如何加速下一代微電子技術(shù)的發(fā)展

來(lái)源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志

作者：特蕾莎·杜克(Theresa Duque),伯克利實(shí)驗(yàn)室科學(xué)作家

由伯克利實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的多機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)致力于幫助芯片制造商領(lǐng)先于摩爾定律

微芯片是用于從智能手機(jī)到智能揚(yáng)聲器、救生醫(yī)療設(shè)備和電動(dòng)汽車等幾乎任何用途的微小硅組件，而一個(gè)由勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）領(lǐng)導(dǎo)的新中心可以加速微芯片的下一次革命。

△Beihang Yu準(zhǔn)備硅晶圓，以便在分子工廠的納米制造設(shè)施進(jìn)行檢查。（圖片來(lái)源：Marilyn Sargent/伯克利實(shí)驗(yàn)室）。

這個(gè)名為CHiPPS（The Center for High Precision Patterning Science，高精度圖案科學(xué)中心）的新中心由伯克利實(shí)驗(yàn)室微電子專家Ricardo Ruiz領(lǐng)導(dǎo)。他還是伯克利實(shí)驗(yàn)室納米科學(xué)用戶設(shè)施分子工廠（Molecular Foundry）的科學(xué)家?！跋冗M(jìn)的計(jì)算機(jī)芯片對(duì)現(xiàn)代生活至關(guān)重要。保持在這項(xiàng)技術(shù)的最前沿，并與摩爾定律保持同步，對(duì)我們的經(jīng)濟(jì)安全和國(guó)防至關(guān)重要，“Ruiz說(shuō)。在四年的時(shí)間里，Ruiz和他的研究伙伴將把他們多樣化的科學(xué)專業(yè)知識(shí)用于一個(gè)共同的目標(biāo)：深入研究極紫外光刻（EUVL）科學(xué)，EUVL是一種革命性的技術(shù)，使世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造商能夠?qū)⒊^(guò)1000億個(gè)晶體管（幫助計(jì)算機(jī)保存和處理數(shù)據(jù)的微小組件），封裝到指甲大小的芯片中。

該團(tuán)隊(duì)包括來(lái)自分子工廠、先進(jìn)光源、X射線光學(xué)中心、化學(xué)科學(xué)部和儲(chǔ)能與分布式資源部的伯克利實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家，以及來(lái)自阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、圣何塞州立大學(xué)、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)圣巴巴拉分校和康奈爾大學(xué)的合作者。

研究人員的工作可以幫助芯片制造商制造更小、更強(qiáng)大的芯片，并通過(guò)幫助美國(guó)在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)世界上最先進(jìn)的芯片來(lái)緩解供應(yīng)鏈中斷。

2022年，美國(guó)能源部通過(guò)能源前沿研究中心計(jì)劃，在四年內(nèi)向CHiPPS研究中心提供總計(jì)1150萬(wàn)美元的資金，用于開(kāi)展EUV光刻的基礎(chǔ)研究，包括新材料及其與EUV光的相互作用。CHiPPS中心的工作包括四個(gè)研究“課題”，重點(diǎn)是光材料合成、新的“分層”自組裝材料、理論和建模，以及以原子精度表征EUV光刻材料的新技術(shù)。

Ruiz說(shuō)，CHiPPS研究中心不僅旨在推進(jìn)EUVL研究，而且還非常重視勞動(dòng)力發(fā)展，以培養(yǎng)下一代科學(xué)家和工程師。通過(guò)與圣何塞州立大學(xué)的合作，CHiPPS中心每年夏天為四名學(xué)生提供沉浸式工作培訓(xùn)計(jì)劃，其中包括兩名本科生和兩名碩士生。（首批學(xué)生于2023年6月份開(kāi)始。）

在2019年加入伯克利實(shí)驗(yàn)室之前，Ruiz曾在微電子和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)行業(yè)擔(dān)任研究科學(xué)家，在日立全球存儲(chǔ)科技公司專門研究基于聚合物用于磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的光刻技術(shù)，以及在西部數(shù)據(jù)公司研究非易失性存儲(chǔ)器的替代納米制造技術(shù)。他于2003年在范德比爾特大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位，在2006年加入日立全球存儲(chǔ)技術(shù)公司之前，曾在康奈爾大學(xué)和IBM擔(dān)任博士后研究員。

關(guān)于CHiPPS研究中心如何推動(dòng)微電子發(fā)展，Ricardo Ruiz分享了他的觀點(diǎn)。

問(wèn)：新的CHiPPS能源前沿研究中心將如何推動(dòng)微電子的發(fā)展呢？

Ricardo Ruiz：

CHiPPS中心的使命是以原子精度對(duì)圖案化材料和工藝進(jìn)行新的基本理解和控制。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)下一代微電子的大規(guī)模制造。具體來(lái)說(shuō)，我們的重點(diǎn)是對(duì)于極紫外（EUV）光刻的先進(jìn)方法進(jìn)行科學(xué)探索。

EUV光刻技術(shù)是在用于制造先進(jìn)微芯片的材料中創(chuàng)建十億分之一米尺寸的集成電路圖案的關(guān)鍵。光刻技術(shù)利用光在硅中打印微小圖案以大規(guī)模生產(chǎn)微芯片，而EUV光刻是光刻技術(shù)的最新進(jìn)展。

在過(guò)去的五十年中，光刻技術(shù)逐漸從使用波長(zhǎng)短至400納米的可見(jiàn)光范圍，發(fā)展到最新的短波長(zhǎng)為13.5納米的極紫外范圍，比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)小約40倍。光刻技術(shù)的這種進(jìn)步使得使用越來(lái)越短的波長(zhǎng)來(lái)制造更小、更密集的微芯片成為可能。

EUV光刻技術(shù)剛剛在2019年被引入到微芯片的生產(chǎn)中，它仍然面臨多重挑戰(zhàn)，特別是在開(kāi)發(fā)適用于使用EUV輻射形式的光的高分辨率和高通量制造工藝的先進(jìn)圖案化材料方面。目前用于微芯片生產(chǎn)的稱為光刻膠或“光阻”的光敏化學(xué)薄膜不能有效地吸收EUV輻射，并且人們對(duì)這些光刻膠如何與EUV光相互作用知之甚少。

而這正好就是我們的切入點(diǎn)。

在CHiPPS，我們正在借此機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)專門用于EUV輻射的新型光刻膠材料。我們的目標(biāo)是解決基本的科學(xué)挑戰(zhàn)，以更好地理解和控制EUV輻射和光刻膠材料之間相互作用產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。光刻膠內(nèi)部的這些微小但局部的化學(xué)變化，使得制造更小的圖案能夠打印出更小的晶體管，從而促進(jìn)更快、更密集的微芯片的生產(chǎn)。

問(wèn)：微電子行業(yè)在光刻領(lǐng)域已經(jīng)擁有50年的豐富經(jīng)驗(yàn)。那么CHiPPS EFRC的光刻方法有何不同呢？

Ricardo Ruiz：

EUV輻射從根本上說(shuō)是一種與芯片行業(yè)過(guò)去50年使用的前幾代光截然不同的光。

晶體管是芯片生產(chǎn)的關(guān)鍵部件，不久前，芯片行業(yè)還在使用深紫外光（193納米）在硅上打印晶體管圖案。

EUV光刻使用的光波長(zhǎng)僅為13.5納米。這比上一代小了10倍，這使得EUV光子的能量提高了10倍。

不幸的是，傳統(tǒng)的深紫外光刻膠在EUV波長(zhǎng)下的吸收率非常差。此外，當(dāng)EUV光被吸收時(shí)，其高能光子會(huì)將電子從光刻膠和襯底材料上撞擊出去。這反過(guò)來(lái)又會(huì)在級(jí)聯(lián)事件中導(dǎo)致產(chǎn)生其他“次級(jí)”電子。這就是當(dāng)今使用的光刻膠材料的問(wèn)題：二次低能電子在光刻膠中產(chǎn)生的化學(xué)變化。人們對(duì)此知之甚少，并且控制不力，因?yàn)槿藗儗?duì)材料與EUV光相互作用時(shí)在原子水平上的行為知之甚少。

這是一個(gè)迫切需要解決的具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，但幸運(yùn)的是，我們擁有一支龐大的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)。我們特別注意在圖案化科學(xué)的各個(gè)方面選擇最聰明的頭腦，這些人才在協(xié)作和團(tuán)隊(duì)科學(xué)方面有著良好的記錄。

我們的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)由13名主要研究人員組成，涵蓋從合成化學(xué)到納米材料，從物理學(xué)到計(jì)算機(jī)建模的科學(xué)學(xué)科。我們的科學(xué)家來(lái)自美國(guó)一些領(lǐng)先的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)，包括伯克利實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)、圣何塞州立大學(xué)、加州大學(xué)圣巴巴拉分校、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和康奈爾大學(xué)。

團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人都非常興奮能夠一起工作。我們正在探索新的物理學(xué)和新的化學(xué)，我們都有一個(gè)共同的目標(biāo)：突破圖案化材料的界限，這樣我們就可以幫助微芯片行業(yè)保持領(lǐng)先于摩爾定律。（摩爾定律以英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）的名字命名，他在1965年宣布，芯片上的晶體管數(shù)量將每?jī)赡攴环?，直到該技術(shù)達(dá)到其在小型化和性能方面的極限。）

問(wèn)：CHiPPS和伯克利實(shí)驗(yàn)室在推動(dòng)微芯片行業(yè)的EUV光刻方面具有何種獨(dú)特優(yōu)勢(shì)呢？

Ricardo Ruiz：

作為一個(gè)多學(xué)科的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，伯克利實(shí)驗(yàn)室提供了一系列的研究設(shè)施，并且可以使用大型的科學(xué)儀器；并且具有化學(xué)、材料科學(xué)、物理、工程和計(jì)算機(jī)方面的專業(yè)知識(shí)——以及靠近工業(yè)和大學(xué)——這是其他任何地方都找不到的。

伯克利實(shí)驗(yàn)室也是X射線光學(xué)中心（Center for X-Ray Optics,CXRO）和先進(jìn)光源（Advanced Light Source,ALS）兩個(gè)設(shè)施的所在地。先進(jìn)光源（ALS）是一種同步加速器用戶設(shè)施，可產(chǎn)生非常明亮的 X射線，包括軟X射線和極紫外光，這對(duì)于表征光刻膠材料至關(guān)重要。X射線光學(xué)中心（CXRO）非?？拷麬LS，該中心致力于通過(guò)使用短波長(zhǎng)光學(xué)系統(tǒng)和技術(shù)來(lái)推動(dòng)科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，特別關(guān)注于EUV技術(shù)。

CXRO擁有一個(gè)獨(dú)特的光刻平臺(tái)，稱為“高數(shù)值孔徑EUV曝光工具”，其分辨率能力明顯優(yōu)于目前最先進(jìn)的EUV平臺(tái)。CXRO是目前世界上唯一的一個(gè)行業(yè)合作伙伴可以使用該工具測(cè)試新圖案材料的研究機(jī)構(gòu)。

世界上只有少數(shù)幾個(gè)地方可以讓人們對(duì)EUV光進(jìn)行研究，因?yàn)橹圃霦UV光和EUV光學(xué)器件非常昂貴且非常困難。例如，第一代EUV光刻工具的成本超過(guò)1億美元。如果只是為了研究，這不是研究實(shí)驗(yàn)室甚至微芯片行業(yè)能夠負(fù)擔(dān)得起的成本。

CXRO的戰(zhàn)略定位是幫助英特爾和三星等芯片制造商進(jìn)行EUV光刻研究，而無(wú)需購(gòu)買價(jià)值1億美元的EUV光刻工具。此外，CXRO及其近鄰的ALS提供了獨(dú)特的能力和科學(xué)專業(yè)知識(shí)，這對(duì)于理解EUV光如何與光刻膠材料相互作用至關(guān)重要。但是，微芯片圖形化科學(xué)需要的不僅僅是EUV曝光和表征能力。我們還需要專業(yè)的儀器和世界一流的材料合成專家。

為此，我們將嚴(yán)重依賴伯克利實(shí)驗(yàn)室的分子工廠。其有機(jī)和生物納米結(jié)構(gòu)設(shè)施有助于制造對(duì)EUV光更敏感的新型納米結(jié)構(gòu)圖案材料。

分子工廠還擁有4,850平方英尺的潔凈室設(shè)施，專門用于圖案化、納米加工和分子自組裝。該設(shè)施對(duì)于開(kāi)發(fā)新型EUV材料的原子精確圖案轉(zhuǎn)移技術(shù)至關(guān)重要。

在我們追求對(duì)所有化學(xué)和物理現(xiàn)象的全面了解的過(guò)程中，圍繞EUV圖案的建模和仿真研究是關(guān)鍵。這項(xiàng)工作得到了伯克利實(shí)驗(yàn)室化學(xué)科學(xué)和儲(chǔ)能與分布式資源部門的計(jì)算能力和專業(yè)知識(shí)的支持，以及能源部國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（National Energy Research Scientific Computing Center，NERSC）的計(jì)算資源，該中心也位于伯克利實(shí)驗(yàn)室。

問(wèn)：突破摩爾定律的界限一度被認(rèn)為是不可想象的。CHiPPS團(tuán)隊(duì)如何推進(jìn)EUV光刻研究，以保持領(lǐng)先于摩爾定律呢？

Ricardo Ruiz：

開(kāi)發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)高EUV光吸收和通過(guò)受控原子級(jí)化學(xué)反應(yīng)形成的精確光刻圖案的高性能材料是我們成功推進(jìn)摩爾定律極限的兩個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，我們的CHiPPS研究人員正在確保我們?cè)谝粋€(gè)大于其各部分之和的團(tuán)隊(duì)中一起工作。

Brett Helms（伯克利實(shí)驗(yàn)室）、Chris Ober（康奈爾大學(xué)）、Rachel Segalman（加州大學(xué)圣巴巴拉分校）和Stacey Bent（斯坦福大學(xué)）正在開(kāi)發(fā)新的光刻膠材料，目的是經(jīng)過(guò)調(diào)整，可與EUV輻射配合使用。在跨機(jī)構(gòu)的多管齊下合作中，Brett領(lǐng)導(dǎo)了在一類稱為有機(jī)金屬鹵化物的新型材料上的開(kāi)發(fā)。

Chris和Rachel正在推進(jìn)仿生、序列特異性聚合物的發(fā)展。Stacey正在追求由層狀有機(jī)金屬材料合成的“干”式光刻膠。

“

導(dǎo)師制如何推動(dòng)下一代科學(xué)家和工程師的發(fā)展？

作為CHiPPS主任，Ricardo Ruiz認(rèn)為，指導(dǎo)下一代科學(xué)家和工程師與推進(jìn)下一代微電子的EUV光刻研究同樣重要，甚至更重要。因?yàn)樗救擞H身了解，導(dǎo)師制如何激發(fā)和轉(zhuǎn)化對(duì)STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）萌生興趣的人，將其興趣轉(zhuǎn)化為蓬勃發(fā)展和有益的職業(yè)。

“自從加入伯克利實(shí)驗(yàn)室以來(lái)，除了我小組的博士后外，我還指導(dǎo)了很多實(shí)習(xí)生。導(dǎo)師制對(duì)我來(lái)說(shuō)一直很重要。多年來(lái)，我很幸運(yùn)能與塑造我職業(yè)生涯的鼓舞人心的導(dǎo)師一起工作，現(xiàn)在我盡我所能，為下一代科學(xué)家提供類似的體驗(yàn)，他們?yōu)橥苿?dòng)科學(xué)進(jìn)步帶來(lái)了新的視角和能量。在伯克利實(shí)驗(yàn)室與他們一起工作是一次有益而充實(shí)的經(jīng)歷。導(dǎo)師制是我認(rèn)真對(duì)待的一項(xiàng)責(zé)任，因?yàn)樗龠M(jìn)了合作和知識(shí)的良性循環(huán)，同時(shí)塑造了未來(lái)的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)者，“他說(shuō)。

以下是我們與Ruiz就STEM中導(dǎo)師制重要性所進(jìn)行討論的摘錄。

問(wèn)：您擁有物理學(xué)博士學(xué)位，并且是微電子納米圖案化的領(lǐng)先專家。微電子研究是你小時(shí)候夢(mèng)想追求的東西嗎？

Ricardo Ruiz：

一點(diǎn)也不。當(dāng)我在高中時(shí)，我以為我想成為一名天文學(xué)家，但后來(lái)在大學(xué)和研究生院期間，我通過(guò)一個(gè)關(guān)于有機(jī)電子材料的項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)了我對(duì)物理學(xué)、材料科學(xué)和軟物質(zhì)的熱情。這些是一類令人興奮的電子材料，可以沉積在柔性或軟的基板上，從而實(shí)現(xiàn)柔性電子和可穿戴技術(shù)。

在范德比爾特大學(xué)獲得博士學(xué)位后，我繼續(xù)作為博士后研究人員在康奈爾大學(xué)專注于研究有機(jī)電子材料。之后，我在私營(yíng)部門工作了15年，先后在IBM研究院、日立全球存儲(chǔ)技術(shù)公司工作，最近則是在西部數(shù)據(jù)公司工作，在那里我研究了半導(dǎo)體、磁存儲(chǔ)和存儲(chǔ)器技術(shù)的各種納米加工和自組裝技術(shù)，直到我于2019年底加入伯克利實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)我回首往事時(shí)，很容易認(rèn)識(shí)到，我的大部分職業(yè)軌跡都是由有影響力和深思熟慮的導(dǎo)師塑造的，他們幫助我建立了職業(yè)生涯并取得了今天的成就。導(dǎo)師可以發(fā)揮最大的作用，激勵(lì)人們留在STEM職業(yè)中，并從事高質(zhì)量的科學(xué)研究，這不僅對(duì)個(gè)人利益很重要，而且對(duì)社會(huì)的利益也很重要。我很幸運(yùn)。在我的整個(gè)職業(yè)生涯中，我都擁有優(yōu)秀的導(dǎo)師，他們?yōu)槲覙?shù)立了榜樣。

在CHiPPS，我們都重視導(dǎo)師制的重要性，這就是為什么我們特別注意為在中心工作的博士后和學(xué)生創(chuàng)造機(jī)會(huì)和公平的經(jīng)驗(yàn)。我們也對(duì)與圣何塞州立大學(xué)共同推出的學(xué)生培訓(xùn)計(jì)劃感到興奮。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，四名學(xué)生有機(jī)會(huì)在暑假期間與伯克利實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家一起學(xué)習(xí)和互動(dòng)。

問(wèn)：你在私營(yíng)部門的經(jīng)歷是如何影響你在伯克利實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究和領(lǐng)導(dǎo)方法的？

Ricardo Ruiz：

事實(shí)證明，我在私營(yíng)部門的經(jīng)歷與我在伯克利實(shí)驗(yàn)室的工作相得益彰。

在私營(yíng)部門，研究人員非常關(guān)注應(yīng)用。而當(dāng)我在伯克利實(shí)驗(yàn)室的分子工廠工作時(shí)，我們一直在努力尋找科學(xué)可以推進(jìn)應(yīng)用的方法，即使它是基礎(chǔ)科學(xué)。

在私營(yíng)部門另一個(gè)對(duì)我的職業(yè)生涯有很大影響的經(jīng)歷，是對(duì)團(tuán)隊(duì)合作的關(guān)注。伯克利實(shí)驗(yàn)室是多學(xué)科團(tuán)隊(duì)科學(xué)的發(fā)源地，因此對(duì)它來(lái)說(shuō)非常適用。

在CHiPPS，我們還在探索“自下而上”的分層材料和工藝，作為克服光刻膠材料局限性的潛在解決方案。例如，阿貢實(shí)驗(yàn)室的Paul Nealey專注于開(kāi)發(fā)高度可定制的嵌段共聚物材料，用于小至4納米的光刻特征尺寸。而Paul、Stacey和我正在合作采用各種自組裝和圖案轉(zhuǎn)移方法。

我們的團(tuán)隊(duì)還在合作，以了解自組裝聚合物在“嘈雜”或有缺陷的EUV圖案上的熱力學(xué)特性。此外，我們正在與Paul Nealey和CXRO總監(jiān)Patrick Naulleau合作，以識(shí)別和減少光刻膠圖案中的缺陷。在斯坦福大學(xué)的Stacey Bent小組、我在伯克利實(shí)驗(yàn)室的小組和阿貢的Paul Nealey小組的共同努力下，我們專注于一種區(qū)域選擇性沉積工藝，該工藝可以精確地將電路圖案從光刻膠轉(zhuǎn)移到硅晶圓上。

在CHiPPS，計(jì)算機(jī)建模和仿真是理解EUV輻射形成圖案背后的化學(xué)和物理現(xiàn)象的基石。伯克利實(shí)驗(yàn)室的Sam Blau和Frances Houle正在領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算機(jī)建模和仿真實(shí)驗(yàn)，旨在了解圖案化材料如何對(duì)EUV光子和低能電子做出反應(yīng)。他們的工作還將幫助我們更好地了解光照后發(fā)生的化學(xué)和物理過(guò)程。

他們正在與伯克利實(shí)驗(yàn)室的Cheng Wang、Oleg Kostko和Patrick Naulleau以及圣何塞州立大學(xué)的Dahyun Oh密切合作，在建模中使用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該團(tuán)隊(duì)還將為Brett Helms、Chris Ober、Rachel Segalman和Stacey Bent的合成工作提供輸入。

為了有效地監(jiān)控和驗(yàn)證我們的材料和工藝，CHiPPS將依靠由Cheng Wang、Oleg Kostko、Patrick Naulleau、Weilun Chau（同樣來(lái)自伯克利實(shí)驗(yàn)室）和Dahyun Oh開(kāi)發(fā)的綜合表征套件。該套件使我們能夠?qū)饪棠z材料中的埋藏特征進(jìn)行成像，評(píng)估EUV曝光的影響，研究二次電子行為，測(cè)量界面粗糙度，并了解界面在圖案化過(guò)程中的作用。

正如你所看到的，我們高度整合的協(xié)作團(tuán)隊(duì)是我們最大的資產(chǎn)。我們都受到圖案科學(xué)令人興奮的發(fā)展的激勵(lì)。我們深知，擺在我們面前的挑戰(zhàn)只有通過(guò)團(tuán)隊(duì)科學(xué)才能克服。

注：先進(jìn)光源（Advanced Light Source）、分子工廠（Molecular Foundry）和NERSC是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室在伯克利實(shí)驗(yàn)室的用戶設(shè)施。

審核編輯 黃宇