來源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志

作者：特蕾莎·杜克(Theresa Duque),伯克利實驗室科學(xué)作家

由伯克利實驗室領(lǐng)導(dǎo)的多機構(gòu)團隊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到智能揚聲器、救生醫(yī)療設(shè)備和電動汽車等幾乎任何用途的微小硅組件，而一個由勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）領(lǐng)導(dǎo)的新中心可以加速微芯片的下一次革命。

△Beihang Yu準備硅晶圓，以便在分子工廠的納米制造設(shè)施進行檢查。（圖片來源：Marilyn Sargent/伯克利實驗室）。

這個名為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驗室微電子專家Ricardo Ruiz領(lǐng)導(dǎo)。他還是伯克利實驗室納米科學(xué)用戶設(shè)施分子工廠（Molecular Foundry）的科學(xué)家?！跋冗M的計算機芯片對現(xiàn)代生活至關(guān)重要。保持在這項技術(shù)的最前沿，并與摩爾定律保持同步，對我們的經(jīng)濟安全和國防至關(guān)重要，“Ruiz說。在四年的時間里，Ruiz和他的研究伙伴將把他們多樣化的科學(xué)專業(yè)知識用于一個共同的目標：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^1000億個晶體管（幫助計算機保存和處理數(shù)據(jù)的微小組件），封裝到指甲大小的芯片中。

該團隊包括來自分子工廠、先進光源、X射線光學(xué)中心、化學(xué)科學(xué)部和儲能與分布式資源部的伯克利實驗室科學(xué)家，以及來自阿貢國家實驗室、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、更強大的芯片，并通過幫助美國在國內(nèi)設(shè)計和生產(chǎn)世界上最先進的芯片來緩解供應(yīng)鏈中斷。

2022年，美國能源部通過能源前沿研究中心計劃，在四年內(nèi)向CHiPPS研究中心提供總計1150萬美元的資金，用于開展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研究“課題”，重點是光材料合成、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，CHiPPS研究中心不僅旨在推進EUVL研究，而且還非常重視勞動力發(fā)展，以培養(yǎng)下一代科學(xué)家和工程師。通過與圣何塞州立大學(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月份開始。）

在2019年加入伯克利實驗室之前，Ruiz曾在微電子和數(shù)據(jù)存儲行業(yè)擔任研究科學(xué)家，在日立全球存儲科技公司專門研究基于聚合物用于磁數(shù)據(jù)存儲的光刻技術(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技術(shù)公司之前，曾在康奈爾大學(xué)和IBM擔任博士后研究員。

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

問：新的CHiPPS能源前沿研究中心將如何推動微電子的發(fā)展呢？

Ricardo Ruiz：

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

EUV光刻技術(shù)是在用于制造先進微芯片的材料中創(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)的最新進展。

在過去的五十年中，光刻技術(shù)逐漸從使用波長短至400納米的可見光范圍，發(fā)展到最新的短波長為13.5納米的極紫外范圍，比可見光的波長小約40倍。光刻技術(shù)的這種進步使得使用越來越短的波長來制造更小、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。

在CHiPPS，我們正在借此機會設(shè)計專門用于EUV輻射的新型光刻膠材料。我們的目標是解決基本的科學(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，從而促進更快、更密集的微芯片的生產(chǎn)。

問：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。那么CHiPPS EFRC的光刻方法有何不同呢？

Ricardo Ruiz：

EUV輻射從根本上說是一種與芯片行業(yè)過去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波長下的吸收率非常差。此外，當EUV光被吸收時，其高能光子會將電子從光刻膠和襯底材料上撞擊出去。這反過來又會在級聯(lián)事件中導(dǎo)致產(chǎn)生其他“次級”電子。這就是當今使用的光刻膠材料的問題：二次低能電子在光刻膠中產(chǎn)生的化學(xué)變化。人們對此知之甚少，并且控制不力，因為人們對材料與EUV光相互作用時在原子水平上的行為知之甚少。

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

我們的跨學(xué)科團隊由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)到計算機建模的科學(xué)學(xué)科。我們的科學(xué)家來自美國一些領(lǐng)先的國家實驗室和大學(xué)，包括伯克利實驗室、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、阿貢國家實驗室和康奈爾大學(xué)。

團隊中的每個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)，我們都有一個共同的目標：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)量將每兩年翻一番，直到該技術(shù)達到其在小型化和性能方面的極限。）

問：CHiPPS和伯克利實驗室在推動微芯片行業(yè)的EUV光刻方面具有何種獨特優(yōu)勢呢？

Ricardo Ruiz：

作為一個多學(xué)科的國家實驗室，伯克利實驗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、工程和計算機方面的專業(yè)知識——以及靠近工業(yè)和大學(xué)——這是其他任何地方都找不到的。

伯克利實驗室也是X射線光學(xué)中心（Center for X-Ray Optics,CXRO）和先進光源（Advanced Light Source,ALS）兩個設(shè)施的所在地。先進光源（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，這對于表征光刻膠材料至關(guān)重要。X射線光學(xué)中心（CXRO）非常靠近ALS，該中心致力于通過使用短波長光學(xué)系統(tǒng)和技術(shù)來推動科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，特別關(guān)注于EUV技術(shù)。

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

世界上只有少數(shù)幾個地方可以讓人們對EUV光進行研究，因為制造EUV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1億美元。如果只是為了研究，這不是研究實驗室甚至微芯片行業(yè)能夠負擔得起的成本。

CXRO的戰(zhàn)略定位是幫助英特爾和三星等芯片制造商進行EUV光刻研究，而無需購買價值1億美元的EUV光刻工具。此外，CXRO及其近鄰的ALS提供了獨特的能力和科學(xué)專業(yè)知識，這對于理解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，我們將嚴重依賴伯克利實驗室的分子工廠。其有機和生物納米結(jié)構(gòu)設(shè)施有助于制造對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)施對于開發(fā)新型EUV材料的原子精確圖案轉(zhuǎn)移技術(shù)至關(guān)重要。

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

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

Ricardo Ruiz：

開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)高EUV光吸收和通過受控原子級化學(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摩爾定律極限的兩個關(guān)鍵目標。

為了實現(xiàn)這些目標，我們的CHiPPS研究人員正在確保我們在一個大于其各部分之和的團隊中一起工作。

Brett Helms（伯克利實驗室）、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)）正在開發(fā)新的光刻膠材料，目的是經(jīng)過調(diào)整，可與EUV輻射配合使用。在跨機構(gòu)的多管齊下合作中，Brett領(lǐng)導(dǎo)了在一類稱為有機金屬鹵化物的新型材料上的開發(fā)。

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

“

導(dǎo)師制如何推動下一代科學(xué)家和工程師的發(fā)展？

作為CHiPPS主任，Ricardo Ruiz認為，指導(dǎo)下一代科學(xué)家和工程師與推進下一代微電子的EUV光刻研究同樣重要，甚至更重要。因為他本人親身了解，導(dǎo)師制如何激發(fā)和轉(zhuǎn)化對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)。

“自從加入伯克利實驗室以來，除了我小組的博士后外，我還指導(dǎo)了很多實習(xí)生。導(dǎo)師制對我來說一直很重要。多年來，我很幸運能與塑造我職業(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，他們?yōu)橥苿涌茖W(xué)進步帶來了新的視角和能量。在伯克利實驗室與他們一起工作是一次有益而充實的經(jīng)歷。導(dǎo)師制是我認真對待的一項責(zé)任，因為它促進了合作和知識的良性循環(huán)，同時塑造了未來的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)者，“他說。

以下是我們與Ruiz就STEM中導(dǎo)師制重要性所進行討論的摘錄。

問：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候夢想追求的東西嗎？

Ricardo Ruiz：

一點也不。當我在高中時，我以為我想成為一名天文學(xué)家，但后來在大學(xué)和研究生院期間，我通過一個關(guān)于有機電子材料的項目發(fā)現(xiàn)了我對物理學(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)專注于研究有機電子材料。之后，我在私營部門工作了15年，先后在IBM研究院、日立全球存儲技術(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、磁存儲和存儲器技術(shù)的各種納米加工和自組裝技術(shù)，直到我于2019年底加入伯克利實驗室。當我回首往事時，很容易認識到，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，這不僅對個人利益很重要，而且對社會的利益也很重要。我很幸運。在我的整個職業(yè)生涯中，我都擁有優(yōu)秀的導(dǎo)師，他們?yōu)槲覙淞⒘税駱印?/p>

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)造機會和公平的經(jīng)驗。我們也對與圣何塞州立大學(xué)共同推出的學(xué)生培訓(xùn)計劃感到興奮。通過這個項目，四名學(xué)生有機會在暑假期間與伯克利實驗室的科學(xué)家一起學(xué)習(xí)和互動。

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

Ricardo Ruiz：

事實證明，我在私營部門的經(jīng)歷與我在伯克利實驗室的工作相得益彰。

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

在私營部門另一個對我的職業(yè)生涯有很大影響的經(jīng)歷，是對團隊合作的關(guān)注。伯克利實驗室是多學(xué)科團隊科學(xué)的發(fā)源地，因此對它來說非常適用。

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，阿貢實驗室的Paul Nealey專注于開發(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。

我們的團隊還在合作，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、我在伯克利實驗室的小組和阿貢的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，計算機建模和仿真是理解EUV輻射形成圖案背后的化學(xué)和物理現(xiàn)象的基石。伯克利實驗室的Sam Blau和Frances Houle正在領(lǐng)導(dǎo)計算機建模和仿真實驗，旨在了解圖案化材料如何對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)和物理過程。

他們正在與伯克利實驗室的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)的實驗數(shù)據(jù)。該團隊還將為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（同樣來自伯克利實驗室）和Dahyun Oh開發(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行成像，評估EUV曝光的影響，研究二次電子行為，測量界面粗糙度，并了解界面在圖案化過程中的作用。

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

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

審核編輯 黃宇