來源：《半導體芯科技》雜志

作者：特蕾莎·杜克(Theresa Duque),伯克利實驗室科學作家

由伯克利實驗室領導的多機構團隊致力于幫助芯片制造商領先于摩爾定律

微芯片是用于從智能手機到智能揚聲器、救生醫療設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）領導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，高精度圖案科學中心）的新中心由伯克利實驗室微電子專家Ricardo Ruiz領導。他還是伯克利實驗室納米科學用戶設施分子工廠（Molecular Foundry）的科學家。“先進的計算機芯片對現代生活至關重要。保持在這項技術的最前沿，并與摩爾定律保持同步，對我們的經濟安全和國防至關重要，“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專業知識用于一個共同的目標：深入研究極紫外光刻（EUVL）科學，EUVL是一種革命性的技術，使世界領先的半導體制造商能夠將超過1000億個晶體管（幫助計算機保存和處理數據的微小組件），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射線光學中心、化學科學部和儲能與分布式資源部的伯克利實驗室科學家，以及來自阿貢國家實驗室、圣何塞州立大學、斯坦福大學、加州大學圣巴巴拉分校和康奈爾大學的合作者。

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設計和生產世界上最先進的芯片來緩解供應鏈中斷。

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。

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展，以培養下一代科學家和工程師。通過與圣何塞州立大學的合作，CHiPPS中心每年夏天為四名學生提供沉浸式工作培訓計劃，其中包括兩名本科生和兩名碩士生。（首批學生于2023年6月份開始。）

在2019年加入伯克利實驗室之前，Ruiz曾在微電子和數據存儲行業擔任研究科學家，在日立全球存儲科技公司專門研究基于聚合物用于磁數據存儲的光刻技術，以及在西部數據公司研究非易失性存儲器的替代納米制造技術。他于2003年在范德比爾特大學獲得物理學博士學位，在2006年加入日立全球存儲技術公司之前，曾在康奈爾大學和IBM擔任博士后研究員。

關于CHiPPS研究中心如何推動微電子發展，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。目標是實現下一代微電子的大規模制造。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探索。

EUV光刻技術是在用于制造先進微芯片的材料中創建十億分之一米尺寸的集成電路圖案的關鍵。光刻技術利用光在硅中打印微小圖案以大規模生產微芯片，而EUV光刻是光刻技術的最新進展。

在過去的五十年中，光刻技術逐漸從使用波長短至400納米的可見光范圍，發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光刻技術剛剛在2019年被引入到微芯片的生產中，它仍然面臨多重挑戰，特別是在開發適用于使用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的稱為光刻膠或“光阻”的光敏化學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挑戰，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生的化學反應。光刻膠內部的這些微小但局部的化學變化，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。

問：微電子行業在光刻領域已經擁有50年的豐富經驗。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。

晶體管是芯片生產的關鍵部件，不久前，芯片行業還在使用深紫外光（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事件中導致產生其他“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生的化學變化。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性的問題，但幸運的是，我們擁有一支龐大的跨學科團隊。我們特別注意在圖案化科學的各個方面選擇最聰明的頭腦，這些人才在協作和團隊科學方面有著良好的記錄。

我們的跨學科團隊由13名主要研究人員組成，涵蓋從合成化學到納米材料，從物理學到計算機建模的科學學科。我們的科學家來自美國一些領先的國家實驗室和大學，包括伯克利實驗室、斯坦福大學、圣何塞州立大學、加州大學圣巴巴拉分校、阿貢國家實驗室和康奈爾大學。

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和新的化學，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保持領先于摩爾定律。（摩爾定律以英特爾聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）的名字命名，他在1965年宣布，芯片上的晶體管數量將每兩年翻一番，直到該技術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的EUV光刻方面具有何種獨特優勢呢？

Ricardo Ruiz：

作為一個多學科的國家實驗室，伯克利實驗室提供了一系列的研究設施，并且可以使用大型的科學儀器；并且具有化學、材料科學、物理、工程和計算機方面的專業知識——以及靠近工業和大學——這是其他任何地方都找不到的。

伯克利實驗室也是X射線光學中心（Center for X-Ray Optics,CXRO）和先進光源（Advanced Light Source,ALS）兩個設施的所在地。先進光源（ALS）是一種同步加速器用戶設施，可產生非常明亮的 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重要。X射線光學中心（CXRO）非常靠近ALS，該中心致力于通過使用短波長光學系統和技術來推動科學和技術的發展，特別關注于EUV技術。

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

世界上只有少數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能夠負擔得起的成本。

CXRO的戰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專業知識，這對于理解EUV光如何與光刻膠材料相互作用至關重要。但是，微芯片圖形化科學需要的不僅僅是EUV曝光和表征能力。我們還需要專業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構設施有助于制造對EUV光更敏感的新型納米結構圖案材料。

分子工廠還擁有4,850平方英尺的潔凈室設施，專門用于圖案化、納米加工和分子自組裝。該設施對于開發新型EUV材料的原子精確圖案轉移技術至關重要。

在我們追求對所有化學和物理現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鍵。這項工作得到了伯克利實驗室化學科學和儲能與分布式資源部門的計算能力和專業知識的支持，以及能源部國家能源研究科學計算中心（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，以保持領先于摩爾定律呢？

Ricardo Ruiz：

開發能夠實現高EUV光吸收和通過受控原子級化學反應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鍵目標。

為了實現這些目標，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）、Rachel Segalman（加州大學圣巴巴拉分校）和Stacey Bent（斯坦福大學）正在開發新的光刻膠材料，目的是經過調整，可與EUV輻射配合使用。在跨機構的多管齊下合作中，Brett領導了在一類稱為有機金屬鹵化物的新型材料上的開發。

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

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導師制如何推動下一代科學家和工程師的發展？

作為CHiPPS主任，Ricardo Ruiz認為，指導下一代科學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，導師制如何激發和轉化對STEM（科學、技術、工程和數學）萌生興趣的人，將其興趣轉化為蓬勃發展和有益的職業。

“自從加入伯克利實驗室以來，除了我小組的博士后外，我還指導了很多實習生。導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生涯的鼓舞人心的導師一起工作，現在我盡我所能，為下一代科學家提供類似的體驗，他們為推動科學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歷。導師制是我認真對待的一項責任，因為它促進了合作和知識的良性循環，同時塑造了未來的科學領導者，“他說。

以下是我們與Ruiz就STEM中導師制重要性所進行討論的摘錄。

問：您擁有物理學博士學位，并且是微電子納米圖案化的領先專家。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家，但后來在大學和研究生院期間，我通過一個關于有機電子材料的項目發現了我對物理學、材料科學和軟物質的熱情。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，從而實現柔性電子和可穿戴技術。

在范德比爾特大學獲得博士學位后，我繼續作為博士后研究人員在康奈爾大學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、日立全球存儲技術公司工作，最近則是在西部數據公司工作，在那里我研究了半導體、磁存儲和存儲器技術的各種納米加工和自組裝技術，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，我的大部分職業軌跡都是由有影響力和深思熟慮的導師塑造的，他們幫助我建立了職業生涯并取得了今天的成就。導師可以發揮最大的作用，激勵人們留在STEM職業中，并從事高質量的科學研究，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。在我的整個職業生涯中，我都擁有優秀的導師，他們為我樹立了榜樣。

在CHiPPS，我們都重視導師制的重要性，這就是為什么我們特別注意為在中心工作的博士后和學生創造機會和公平的經驗。我們也對與圣何塞州立大學共同推出的學生培訓計劃感到興奮。通過這個項目，四名學生有機會在暑假期間與伯克利實驗室的科學家一起學習和互動。

問：你在私營部門的經歷是如何影響你在伯克利實驗室的科學研究和領導方法的？

Ricardo Ruiz：

事實證明，我在私營部門的經歷與我在伯克利實驗室的工作相得益彰。

在私營部門，研究人員非常關注應用。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可以推進應用的方法，即使它是基礎科學。

在私營部門另一個對我的職業生涯有很大影響的經歷，是對團隊合作的關注。伯克利實驗室是多學科團隊科學的發源地，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圖案上的熱力學特性。此外，我們正在與Paul Nealey和CXRO總監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和物理現象的基石。伯克利實驗室的Sam Blau和Frances Houle正在領導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。他們的工作還將幫助我們更好地了解光照后發生的化學和物理過程。

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的Dahyun Oh密切合作，在建模中使用相關的實驗數據。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開發的綜合表征套件。該套件使我們能夠對光刻膠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，我們高度整合的協作團隊是我們最大的資產。我們都受到圖案科學令人興奮的發展的激勵。我們深知，擺在我們面前的挑戰只有通過團隊科學才能克服。

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

審核編輯 黃宇