科学家如何加速下一代微电子技术的发展

来源：《半导体芯科技》杂志

作者：特蕾莎·杜克(Theresa Duque),伯克利实验室科学作家

由伯克利实验室领导的多机构团队致力于帮助芯片制造商领先于摩尔定律

微芯片是用于从智能手机到智能扬声器、救生医疗设备和电动汽车等几乎任何用途的微小硅组件，而一个由劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导的新中心可以加速微芯片的下一次革命。

△Beihang Yu准备硅晶圆，以便在分子工厂的纳米制造设施进行检查。（图片来源：Marilyn Sargent/伯克利实验室）。

这个名为CHiPPS（The Center for High Precision Patterning Science，高精度图案科学中心）的新中心由伯克利实验室微电子专家Ricardo Ruiz领导。他还是伯克利实验室纳米科学用户设施分子工厂（Molecular Foundry）的科学家。“先进的计算机芯片对现代生活至关重要。保持在这项技术的最前沿，并与摩尔定律保持同步，对我们的经济安全和国防至关重要，“Ruiz说。在四年的时间里，Ruiz和他的研究伙伴将把他们多样化的科学专业知识用于一个共同的目标：深入研究极紫外光刻（EUVL）科学，EUVL是一种革命性的技术，使世界领先的半导体制造商能够将超过1000亿个晶体管（帮助计算机保存和处理数据的微小组件），封装到指甲大小的芯片中。

该团队包括来自分子工厂、先进光源、X射线光学中心、化学科学部和储能与分布式资源部的伯克利实验室科学家，以及来自阿贡国家实验室、圣何塞州立大学、斯坦福大学、加州大学圣巴巴拉分校和康奈尔大学的合作者。

研究人员的工作可以帮助芯片制造商制造更小、更强大的芯片，并通过帮助美国在国内设计和生产世界上最先进的芯片来缓解供应链中断。

2022年，美国能源部通过能源前沿研究中心计划，在四年内向CHiPPS研究中心提供总计1150万美元的资金，用于开展EUV光刻的基础研究，包括新材料及其与EUV光的相互作用。CHiPPS中心的工作包括四个研究“课题”，重点是光材料合成、新的“分层”自组装材料、理论和建模，以及以原子精度表征EUV光刻材料的新技术。

Ruiz说，CHiPPS研究中心不仅旨在推进EUVL研究，而且还非常重视劳动力发展，以培养下一代科学家和工程师。通过与圣何塞州立大学的合作，CHiPPS中心每年夏天为四名学生提供沉浸式工作培训计划，其中包括两名本科生和两名硕士生。（首批学生于2023年6月份开始。）

在2019年加入伯克利实验室之前，Ruiz曾在微电子和数据存储行业担任研究科学家，在日立全球存储科技公司专门研究基于聚合物用于磁数据存储的光刻技术，以及在西部数据公司研究非易失性存储器的替代纳米制造技术。他于2003年在范德比尔特大学获得物理学博士学位，在2006年加入日立全球存储技术公司之前，曾在康奈尔大学和IBM担任博士后研究员。

关于CHiPPS研究中心如何推动微电子发展，Ricardo Ruiz分享了他的观点。

问：新的CHiPPS能源前沿研究中心将如何推动微电子的发展呢？

Ricardo Ruiz：

CHiPPS中心的使命是以原子精度对图案化材料和工艺进行新的基本理解和控制。目标是实现下一代微电子的大规模制造。具体来说，我们的重点是对于极紫外（EUV）光刻的先进方法进行科学探索。

EUV光刻技术是在用于制造先进微芯片的材料中创建十亿分之一米尺寸的集成电路图案的关键。光刻技术利用光在硅中打印微小图案以大规模生产微芯片，而EUV光刻是光刻技术的最新进展。

在过去的五十年中，光刻技术逐渐从使用波长短至400纳米的可见光范围，发展到最新的短波长为13.5纳米的极紫外范围，比可见光的波长小约40倍。光刻技术的这种进步使得使用越来越短的波长来制造更小、更密集的微芯片成为可能。

EUV光刻技术刚刚在2019年被引入到微芯片的生产中，它仍然面临多重挑战，特别是在开发适用于使用EUV辐射形式的光的高分辨率和高通量制造工艺的先进图案化材料方面。目前用于微芯片生产的称为光刻胶或“光阻”的光敏化学薄膜不能有效地吸收EUV辐射，并且人们对这些光刻胶如何与EUV光相互作用知之甚少。

而这正好就是我们的切入点。

在CHiPPS，我们正在借此机会设计专门用于EUV辐射的新型光刻胶材料。我们的目标是解决基本的科学挑战，以更好地理解和控制EUV辐射和光刻胶材料之间相互作用产生的化学反应。光刻胶内部的这些微小但局部的化学变化，使得制造更小的图案能够打印出更小的晶体管，从而促进更快、更密集的微芯片的生产。

问：微电子行业在光刻领域已经拥有50年的丰富经验。那么CHiPPS EFRC的光刻方法有何不同呢？

Ricardo Ruiz：

EUV辐射从根本上说是一种与芯片行业过去50年使用的前几代光截然不同的光。

晶体管是芯片生产的关键部件，不久前，芯片行业还在使用深紫外光（193纳米）在硅上打印晶体管图案。

EUV光刻使用的光波长仅为13.5纳米。这比上一代小了10倍，这使得EUV光子的能量提高了10倍。

不幸的是，传统的深紫外光刻胶在EUV波长下的吸收率非常差。此外，当EUV光被吸收时，其高能光子会将电子从光刻胶和衬底材料上撞击出去。这反过来又会在级联事件中导致产生其他“次级”电子。这就是当今使用的光刻胶材料的问题：二次低能电子在光刻胶中产生的化学变化。人们对此知之甚少，并且控制不力，因为人们对材料与EUV光相互作用时在原子水平上的行为知之甚少。

这是一个迫切需要解决的具有挑战性的问题，但幸运的是，我们拥有一支庞大的跨学科团队。我们特别注意在图案化科学的各个方面选择最聪明的头脑，这些人才在协作和团队科学方面有着良好的记录。

我们的跨学科团队由13名主要研究人员组成，涵盖从合成化学到纳米材料，从物理学到计算机建模的科学学科。我们的科学家来自美国一些领先的国家实验室和大学，包括伯克利实验室、斯坦福大学、圣何塞州立大学、加州大学圣巴巴拉分校、阿贡国家实验室和康奈尔大学。

团队中的每个人都非常兴奋能够一起工作。我们正在探索新的物理学和新的化学，我们都有一个共同的目标：突破图案化材料的界限，这样我们就可以帮助微芯片行业保持领先于摩尔定律。（摩尔定律以英特尔联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）的名字命名，他在1965年宣布，芯片上的晶体管数量将每两年翻一番，直到该技术达到其在小型化和性能方面的极限。）

问：CHiPPS和伯克利实验室在推动微芯片行业的EUV光刻方面具有何种独特优势呢？

Ricardo Ruiz：

作为一个多学科的国家实验室，伯克利实验室提供了一系列的研究设施，并且可以使用大型的科学仪器；并且具有化学、材料科学、物理、工程和计算机方面的专业知识——以及靠近工业和大学——这是其他任何地方都找不到的。

伯克利实验室也是X射线光学中心（Center for X-Ray Optics,CXRO）和先进光源（Advanced Light Source,ALS）两个设施的所在地。先进光源（ALS）是一种同步加速器用户设施，可产生非常明亮的 X射线，包括软X射线和极紫外光，这对于表征光刻胶材料至关重要。X射线光学中心（CXRO）非常靠近ALS，该中心致力于通过使用短波长光学系统和技术来推动科学和技术的发展，特别关注于EUV技术。

CXRO拥有一个独特的光刻平台，称为“高数值孔径EUV曝光工具”，其分辨率能力明显优于目前最先进的EUV平台。CXRO是目前世界上唯一的一个行业合作伙伴可以使用该工具测试新图案材料的研究机构。

世界上只有少数几个地方可以让人们对EUV光进行研究，因为制造EUV光和EUV光学器件非常昂贵且非常困难。例如，第一代EUV光刻工具的成本超过1亿美元。如果只是为了研究，这不是研究实验室甚至微芯片行业能够负担得起的成本。

CXRO的战略定位是帮助英特尔和三星等芯片制造商进行EUV光刻研究，而无需购买价值1亿美元的EUV光刻工具。此外，CXRO及其近邻的ALS提供了独特的能力和科学专业知识，这对于理解EUV光如何与光刻胶材料相互作用至关重要。但是，微芯片图形化科学需要的不仅仅是EUV曝光和表征能力。我们还需要专业的仪器和世界一流的材料合成专家。

为此，我们将严重依赖伯克利实验室的分子工厂。其有机和生物纳米结构设施有助于制造对EUV光更敏感的新型纳米结构图案材料。

分子工厂还拥有4,850平方英尺的洁净室设施，专门用于图案化、纳米加工和分子自组装。该设施对于开发新型EUV材料的原子精确图案转移技术至关重要。

在我们追求对所有化学和物理现象的全面了解的过程中，围绕EUV图案的建模和仿真研究是关键。这项工作得到了伯克利实验室化学科学和储能与分布式资源部门的计算能力和专业知识的支持，以及能源部国家能源研究科学计算中心（National Energy Research Scientific Computing Center，NERSC）的计算资源，该中心也位于伯克利实验室。

问：突破摩尔定律的界限一度被认为是不可想象的。CHiPPS团队如何推进EUV光刻研究，以保持领先于摩尔定律呢？

Ricardo Ruiz：

开发能够实现高EUV光吸收和通过受控原子级化学反应形成的精确光刻图案的高性能材料是我们成功推进摩尔定律极限的两个关键目标。

为了实现这些目标，我们的CHiPPS研究人员正在确保我们在一个大于其各部分之和的团队中一起工作。

Brett Helms（伯克利实验室）、Chris Ober（康奈尔大学）、Rachel Segalman（加州大学圣巴巴拉分校）和Stacey Bent（斯坦福大学）正在开发新的光刻胶材料，目的是经过调整，可与EUV辐射配合使用。在跨机构的多管齐下合作中，Brett领导了在一类称为有机金属卤化物的新型材料上的开发。

Chris和Rachel正在推进仿生、序列特异性聚合物的发展。Stacey正在追求由层状有机金属材料合成的“干”式光刻胶。

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导师制如何推动下一代科学家和工程师的发展？

作为CHiPPS主任，Ricardo Ruiz认为，指导下一代科学家和工程师与推进下一代微电子的EUV光刻研究同样重要，甚至更重要。因为他本人亲身了解，导师制如何激发和转化对STEM（科学、技术、工程和数学）萌生兴趣的人，将其兴趣转化为蓬勃发展和有益的职业。

“自从加入伯克利实验室以来，除了我小组的博士后外，我还指导了很多实习生。导师制对我来说一直很重要。多年来，我很幸运能与塑造我职业生涯的鼓舞人心的导师一起工作，现在我尽我所能，为下一代科学家提供类似的体验，他们为推动科学进步带来了新的视角和能量。在伯克利实验室与他们一起工作是一次有益而充实的经历。导师制是我认真对待的一项责任，因为它促进了合作和知识的良性循环，同时塑造了未来的科学领导者，“他说。

以下是我们与Ruiz就STEM中导师制重要性所进行讨论的摘录。

问：您拥有物理学博士学位，并且是微电子纳米图案化的领先专家。微电子研究是你小时候梦想追求的东西吗？

Ricardo Ruiz：

一点也不。当我在高中时，我以为我想成为一名天文学家，但后来在大学和研究生院期间，我通过一个关于有机电子材料的项目发现了我对物理学、材料科学和软物质的热情。这些是一类令人兴奋的电子材料，可以沉积在柔性或软的基板上，从而实现柔性电子和可穿戴技术。

在范德比尔特大学获得博士学位后，我继续作为博士后研究人员在康奈尔大学专注于研究有机电子材料。之后，我在私营部门工作了15年，先后在IBM研究院、日立全球存储技术公司工作，最近则是在西部数据公司工作，在那里我研究了半导体、磁存储和存储器技术的各种纳米加工和自组装技术，直到我于2019年底加入伯克利实验室。当我回首往事时，很容易认识到，我的大部分职业轨迹都是由有影响力和深思熟虑的导师塑造的，他们帮助我建立了职业生涯并取得了今天的成就。导师可以发挥最大的作用，激励人们留在STEM职业中，并从事高质量的科学研究，这不仅对个人利益很重要，而且对社会的利益也很重要。我很幸运。在我的整个职业生涯中，我都拥有优秀的导师，他们为我树立了榜样。

在CHiPPS，我们都重视导师制的重要性，这就是为什么我们特别注意为在中心工作的博士后和学生创造机会和公平的经验。我们也对与圣何塞州立大学共同推出的学生培训计划感到兴奋。通过这个项目，四名学生有机会在暑假期间与伯克利实验室的科学家一起学习和互动。

问：你在私营部门的经历是如何影响你在伯克利实验室的科学研究和领导方法的？

Ricardo Ruiz：

事实证明，我在私营部门的经历与我在伯克利实验室的工作相得益彰。

在私营部门，研究人员非常关注应用。而当我在伯克利实验室的分子工厂工作时，我们一直在努力寻找科学可以推进应用的方法，即使它是基础科学。

在私营部门另一个对我的职业生涯有很大影响的经历，是对团队合作的关注。伯克利实验室是多学科团队科学的发源地，因此对它来说非常适用。

在CHiPPS，我们还在探索“自下而上”的分层材料和工艺，作为克服光刻胶材料局限性的潜在解决方案。例如，阿贡实验室的Paul Nealey专注于开发高度可定制的嵌段共聚物材料，用于小至4纳米的光刻特征尺寸。而Paul、Stacey和我正在合作采用各种自组装和图案转移方法。

我们的团队还在合作，以了解自组装聚合物在“嘈杂”或有缺陷的EUV图案上的热力学特性。此外，我们正在与Paul Nealey和CXRO总监Patrick Naulleau合作，以识别和减少光刻胶图案中的缺陷。在斯坦福大学的Stacey Bent小组、我在伯克利实验室的小组和阿贡的Paul Nealey小组的共同努力下，我们专注于一种区域选择性沉积工艺，该工艺可以精确地将电路图案从光刻胶转移到硅晶圆上。

在CHiPPS，计算机建模和仿真是理解EUV辐射形成图案背后的化学和物理现象的基石。伯克利实验室的Sam Blau和Frances Houle正在领导计算机建模和仿真实验，旨在了解图案化材料如何对EUV光子和低能电子做出反应。他们的工作还将帮助我们更好地了解光照后发生的化学和物理过程。

他们正在与伯克利实验室的Cheng Wang、Oleg Kostko和Patrick Naulleau以及圣何塞州立大学的Dahyun Oh密切合作，在建模中使用相关的实验数据。该团队还将为Brett Helms、Chris Ober、Rachel Segalman和Stacey Bent的合成工作提供输入。

为了有效地监控和验证我们的材料和工艺，CHiPPS将依靠由Cheng Wang、Oleg Kostko、Patrick Naulleau、Weilun Chau（同样来自伯克利实验室）和Dahyun Oh开发的综合表征套件。该套件使我们能够对光刻胶材料中的埋藏特征进行成像，评估EUV曝光的影响，研究二次电子行为，测量界面粗糙度，并了解界面在图案化过程中的作用。

正如你所看到的，我们高度整合的协作团队是我们最大的资产。我们都受到图案科学令人兴奋的发展的激励。我们深知，摆在我们面前的挑战只有通过团队科学才能克服。

注：先进光源（Advanced Light Source）、分子工厂（Molecular Foundry）和NERSC是美国能源部科学办公室在伯克利实验室的用户设施。

审核编辑 黄宇