科學家加速下一代微電子技術的發展

由洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）領導的一個新中心有望加速微芯片的下次革命，這些微小的硅組件在智能手機、智能音響、救生醫療設備和電動車等各種產品中得到廣泛應用。

這個新中心名為CHiPPS——即高精度圖案科學中心（Center for High Precision Patterning Science），由伯克利實驗室微電子專家Ricardo Ruiz領導。他同時也是伯克利實驗室納米科學使用設施分子工廠（Molecular Foundry）的工作科學家。

“先進的計算機芯片對現代生活至關重要。保持在這一技術的最前沿——並隨著摩爾定律的進展而持續跟上步伐——對我們的經濟安全和國防至關重要，”Ruiz說。

在接下來的四年裡，Ruiz和他的研究夥伴將把多樣化的科學專業知識聚焦於一個共同目標：深入了解極紫外光刻（EUVL）的科學。這是一項革命性技術，使世界領先的半導體製造商能夠將超過1000億個晶體管——幫助計算機儲存和處理數據的微小組件——壓縮進入一個指甲大小的芯片中。

該團隊包括來自分子工廠、先進光源、X射線光學中心、化學科學部和能源儲存與分佈資源部的伯克利實驗室科學家，以及來自阿貢國家實驗室、聖荷西州立大學、斯坦福大學、加州大學聖塔芭拉分校和康奈爾大學的合作夥伴。

研究人員的工作可能幫助芯片製造商生產更小且更強大的芯片，並支持《創造有用激勵来生產半導體和科學法案》（CHIPS and Science Act）的目標，該法案旨在通過幫助美國在國內設計和生產世界上最先進的芯片來減輕供應鏈中斷的問題。（該法案於去年夏天由喬·拜登總統簽署成為法律。）

去年，美國能源部通過能源前沿研究中心計劃向CHiPPS研究中心提供了為期四年的總計1150萬美元資助，以追求極紫外光刻（EUVL）的基礎研究，這包括新材料及其與EUV光的相互作用。CHiPPS中心的工作由四個研究“重點”組成，專注於光材料合成、新的“分層”自組裝材料、理論和建模，以及用原子精度特徵化EUV光刻材料的新技術。

Ruiz表示，CHiPPS研究中心的目標不僅是推進EUVL研究，還非常重視人才培養，以培養下一代科學家和工程師。通過與聖荷西州立大學的合作，CHiPPS中心每年夏天提供一個沉浸式的工作培訓計劃，該計劃招募四名學生，包括兩名本科生和兩名碩士生。（首屆計劃於6月啟動。）

這項計劃不僅為學生提供了寶貴的實踐經驗，還為未來的科學和技術人才儲備打下基礎，促進了半導體行業的持續創新。通過培養新一代的專業人才，CHiPPS中心將對美國在全球微電子技術和量子計算的競爭力產生積極影響。

在加入伯克利實驗室之前，Ruiz在2019年之前曾在微電子和數據存儲行業擔任研究科學家，專注於聚合物基光刻技術，用於在日立全球存儲技術公司（Hitachi Global Storage Technologies）進行磁數據存儲，並從事西部數字公司（Western Digital）的非易失性記憶體的替代納米製造技術。他於2003年在范德比爾特大學獲得物理學博士學位，並在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擔任博士後研究員。

他在這次問答中分享了他的觀點。

問：在微電子技術方面，CHiPPS能源前沿研究中心將如何進展？

Ricardo Ruiz：CHiPPS研究中心的使命是創造對圖案材料和過程的基本理解和控制，達到原子級精度。目標是實現下一代微電子產品的大規模製造。

進一步說明，這意味著我們的重點在於對一種被稱為極紫外光刻（EUV光刻）的先進方法進行科學探索。

EUV光刻對於在材料上創建納米級的集成電路圖案至關重要，這些圖案在微芯片的製造中運用。這是光刻技術的最新進展，這一技術利用光在硅中打印微小圖案，以大規模生產微芯片。

在過去的五十年中，光刻技術已經逐步演變，從可見光範圍的光（波長小至400納米）發展到最新的進展：極紫外光範圍，其波長為13.5納米，大約是可見光波長的40倍小。這些光刻技術的進步使得使用更小的波長來製造更小、更密集的微芯片成為可能。

EUV光刻於2019年在微芯片生產中剛剛引入，並且仍然面臨多個挑戰，特別是在開發適合高解析度和高產量製造過程的先進圖案材料方面，這些過程使用的是以EUV輻射形式的光。

目前用於微芯片生產的光敏化學薄膜稱為光刻膠（photoresists）或“膠”，但這些光刻膠對EUV輻射的吸收效率不高，且對這些光刻膠如何與EUV光互動知之甚少。

而這正是我們的工作領域。

在CHiPPS，我們利用這一機會來設計專門為EUV輻射而設的新型光刻膠。 我們的目標是解決基本的科學挑戰，以便更好地理解和控制EUV輻射與光刻材料之間的相互作用所產生的化學反應。這些微小但局部的化學變化使得能夠製作更小的圖案，例如更小的晶體管，從而促進更快和更密集的微芯片的生產。

問：微電子行業在光刻技術方面已有50年的豐富經驗。CHiPPS EFRC的光刻方法有何不同？

Ruiz：極紫外光（EUV）輻射本質上與過去50年芯片行業所使用的光源有很大的不同。

不久前，芯片行業仍使用深紫外光（193納米）在硅上打印電晶體圖案，這是芯片生產中的關鍵組件。

EUV光刻使用的光波長僅為13.5納米，比前一代小10倍，這使得EUV光子的能量提高了10倍。

然而，傳統的深紫外光光刻膠在EUV波長下的吸收效率極低。此外，當EUV光線被吸收後，其高能光子會將電子從光刻膠和基板材料中踢出，進而驅使其他“次級”電子發生連鎖效應。

這正是當前使用的光刻膠材料面臨的問題：是這些次級低能電子在光刻膠中造成化學變化。這一過程尚未得到良好的理解和控制，因為對於材料在與EUV光互動時在原子層面上的行為知識非常有限。

這是一個挑戰性問題，但幸運的是，我們擁有一個龐大的跨學科團隊。 我們特別注重挑選各個圖案科學方面最優秀的頭腦，這些人都有卓越的合作和團隊科學記錄。

我們的跨學科團隊由13位主要研究者組成，涵蓋從合成化學、納米材料到物理學和計算建模等科學領域。我們的科學家來自全國頂尖的國家實驗室和大學，包括伯克利實驗室、斯坦福大學、聖荷西州立大學、加州大學聖塔芭拉分校、阿貢國家實驗室和康奈爾大學。

團隊中的每個成員都非常期待一起合作。我們在探索新的物理和化學原理，而我們都有著共同的目標：推進圖案材料的邊界，以幫助微芯片行業保持在摩爾定律的前沿。（摩爾定律是以Intel聯合創始人戈登·摩爾的名字命名的，他在1965年聲明，芯片上放置的晶體管數量每兩年會翻一番，直到該技術在微型化和性能方面達到限制。）

問：CHiPPS和伯克利實驗室如何獨特地推進微芯片行業的EUV光刻技術？

Ruiz：作為一個多學科的國家實驗室，伯克利實驗室提供了研究設施的組合、對大型科學儀器的訪問，以及在化學、材料科學、物理學、工程和計算等領域的專業知識，還有與產業和大學的緊密聯繫，這些都是其他地方無法比擬的。

伯克利實驗室還擁有X射線光學中心和先進光源（ALS）。

先進光源（ALS）是一個同步輻射使用設施，能夠產生非常明亮的X射線，包括軟X射線和極紫外光，這對於表徵光刻膠材料至關重要。

與ALS非常接近的X射線光學中心（CXRO）致力於通過使用短波長光學系統和技術，特別強調EUV技術，來推進科學和技術。

CXRO擁有一個名為“高數值孔徑EUV曝光工具”的獨特光刻平台，這提供的解析度能力顯著優於當前最先進的EUV平台。CXRO目前是全球唯一一個研究設施，供業界合作夥伴使用此工具來測試新的圖案材料。

全世界只有少數幾個地方可以進行EUV光研究，因為製造EUV光和EUV光學非常昂貴且困難。例如，第一代EUV光刻工具的成本超過1億美元。這不是研究實驗室甚至微芯片行業能夠僅為研究而負擔的設備。

CXRO在幫助像Intel和Samsung這樣的芯片製造商進行EUV光刻研究方面具有戰略性位置，無需他們購買一台價值1億美元的EUV光刻工具。此外，CXRO與其近鄰ALS一起，提供了對於理解EUV光如何與光刻膠材料相互作用至關重要的獨特能力和科學專業知識。

然而，微芯片圖案科學需要的不僅僅是EUV曝光和特徵化能力。我們還需要專門的儀器和世界級的材料合成專家。為此，我們將大力依賴伯克利實驗室的分子工廠（Molecular Foundry）。其有機和生物納米結構設施對於製造對EUV光更敏感的新型納米結構圖案材料至關重要。

分子工廠還擁有一個4,850平方英尺的無塵室，專門用於圖案設計、納米製造和分子自組裝。這一設施對於開發用於新EUV材料的原子級精確圖案轉移技術至關重要。

在全面理解所有化學和物理現象的追求中，圍繞EUV圖案化的建模和模擬研究是關鍵。這項工作得到了伯克利實驗室化學科學與能源儲存與分佈資源部門的計算能力和專業知識的支持，以及位於伯克利實驗室的美國能源部國家能源研究科學計算中心（NERSC）的計算資源。

問：推動摩爾定律的邊界曾被認為是不可想像的。CHiPPS團隊如何計劃推進EUV光刻研究，以保持在摩爾定律的前沿？

Ruiz：開發具有高性能的材料，能夠高效吸收EUV光並通過控制的原子級化學反應形成精確的光刻圖案，這兩個目標對於我們成功推進摩爾定律的極限至關重要。

為了實現這些目標，我們的CHiPPS研究團隊確保充分利用團隊合作的力量，這個團隊的效果超過各部分的簡單總和。

Brett Helms（伯克利實驗室）、Chris Ober（康奈爾大學）、Rachel Segalman（加州大學聖塔芭拉分校）和Stacey Bent（斯坦福大學）正在開發特別針對EUV輻射的光刻膠新材料。在跨機構的多方合作中，Brett領導了一種稱為有機金屬鹵化物的新材料的研究。Chris和Rachel正在推進生物模仿的、序列特異性的聚合物。Stacey則在合成由層狀有機金屬材料製成的“干式”光刻膠。

在CHiPPS，我們還在探索“自下而上”的分層材料和工藝，這可能是克服光刻膠材料限制的潛在解決方案。例如，阿貢國家實驗室的Paul Nealey專注於開發高度可定制的嵌段共聚物材料，用於小至4納米的光刻特徵。（為了讓這個數字更具可比性，一張紙的厚度大約是100,000納米。）Paul、Stacey和我正在合作，利用各種自組裝和圖案轉移方法。

我們的團隊還在合作，以了解在“嘈雜”或有缺陷的EUV圖案上自組裝聚合物的熱力學。此外，我們還與Paul Nealey以及CXRO主任Patrick Naulleau合作，以識別和最小化光刻膠圖案中的缺陷。與我在伯克利實驗室的團隊和Paul Nealey在阿貢的團隊共同推動的一項聯合努力集中於一種表面選擇性沉積過程，精確地將電路圖案從光刻膠轉移到硅晶圓上。

在CHiPPS，計算建模和模擬是理解EUV輻射與圖案形成背後的化學和物理現象的基石。來自伯克利實驗室的Sam Blau和Frances Houle正在領導計算建模和模擬實驗，旨在理解圖案材料如何對EUV光和低能電子作出反應。他們的工作還將幫助我們更好地理解光曝光後發生的化學和物理過程。

他們與伯克利實驗室的Cheng Wang、Oleg Kostko和Patrick Naulleau，以及聖荷西州立大學的Dahyun Oh緊密合作，利用相關的實驗數據來支持他們的建模。該團隊還將為Brett Helms、Chris Ober、Rachel Segalman和Stacey Bent的合成工作提供意見。

為了有效監測和驗證我們的材料和工藝，CHiPPS將依賴於Cheng Wang、Oleg Kostko、Patrick Naulleau、Weilun Chau（也是伯克利實驗室的成員）和Dahyun Oh開發的全面特徵化工具。這一工具使我們能夠成像光刻材料中的埋藏特徵，評估EUV曝光的影響，研究次級電子的行為，測量界面粗糙度，並理解界面在圖案形成過程中的作用。

如你所見，我們高度整合的合作團隊是我們最大的資產。大家都受到了圖案科學令人興奮的發展的激勵。我們非常清楚，面前的挑戰只有通過團隊合作才能克服。

如何指導可以推進下一代科學家和工程師的發展

如果你問CHiPPS主任Ricardo Ruiz，指導下一代科學家和工程師的重要性不亞於推進下一代微電子的EUV光刻研究。這句話來自一位深知指導如何啟發和改變對STEM（科學、技術、工程和數學）領域萌芽興趣的專業人士，並將其轉變為一個繁榮和獲得回報的職業的人。

“自從加入伯克利實驗室以來，我除了指導我小組的博士後研究員外，還指導了許多學生實習生。指導對我來說一直很重要。多年來，我有幸與啟發性的導師合作，他們塑造了我的職業生涯，而現在我盡所能地為下一代科學家提供類似的經歷，他們帶著新鮮的視角和推動科學進步的熱情。在伯克利實驗室與他們合作一直是一種獎勵和充實的經歷。指導是我非常重視的一項責任，因為它促進了合作和知識的良性循環，同時塑造未來的科學領導者，”他表示。

Ruiz的經歷強調了在科學界培養導師的重要性，這不僅有助於建立支持與合作的社區，還為科學研究帶來新的活力。通過這種指導，未來的科學家和工程師將能夠更好地應對未來的挑戰，並對科學和技術的發展作出積極貢獻。

以下是我們與Ruiz關於在STEM領域中指導重要性的討論摘錄。

問：您擁有物理學博士學位，是微電子領域納米圖案技術的領軍專家。微電子研究是您童年時期夢想追求的領域嗎？

Ruiz：根本不是。在我上高中的時候，我一直以為自己想當天文學家，但在上大學和研究生階段，我通過一個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，可以沉積到柔性或軟基材上，使得柔性電子產品和可穿戴技術變得可能。

在我完成范德比爾特大學的博士學位後，我作為博士後學者在康奈爾大學繼續專精於有機電子材料。隨後，我在IBM研究所、日立全球存儲技術公司，以及最近的西部數字公司工作了15年，專注於各種納米製造和自組裝技術的研究，這些技術應用於半導體、磁存儲和記憶體技術，直到2019年底我加入了伯克利實驗室。回首往事，我很容易識別出，我的職業軌跡在旅程中受到了許多影響深遠且思考周到的導師的塑造，使我能夠建立我的職業生涯並達到今天的成就。

導師對於激勵人們留在STEM職業並進行有意義的高質量科學研究可以產生最大的影響，這些研究不僅對個人有利，還對社會的福祉有益。我真的很幸運，在我的整個職業生涯中，我受益於出色的導師，他們一直是我的榜樣。

在CHiPPS，我們都重視指導的重要性，因此我們特別關注為在中心工作的博士後和學生創造機會和公平的經歷。我們也對與聖荷西州立大學一起啟動的學生培訓項目感到興奮。通過此項目，四名學生在夏季有機會與伯克利實驗室的科學家們學習和互動。

問：您在私營部門的經歷如何塑造您在伯克利實驗室的科學研究和領導方式？

Ruiz：我在私營部門的經驗對我在伯克利實驗室的工作形成了良好的補充。

在私營部門，研究人員非常關注應用。而在伯克利實驗室的分子工廠（Molecular Foundry）工作時，我們總是尋找科學能如何推進應用的方式，即使這是基礎科學。

另一個在私營部門對我職業影響很大的經歷是對團隊合作的重視。伯克利實驗室是多學科團隊科學的搖籃，因此這裡與我的背景非常契合。

這種強調應用導向和團隊合作的背景，讓我在伯克利實驗室的科學研究和領導中，能夠更有效地促進創新和推動項目進展，並啟發下一代科學家和工程師。

---

📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

Forestzone Tech 提供： ✅ 最新產業趨勢報告與技術分析 ✅ 合作機會 ✅ 專家諮詢與技術轉介/材料媒合 📩 每月限額制，立即預約諮詢！