一項(xiàng)多尺度模擬技術(shù)，打通ALD的材料—過(guò)程—裝備？

幻實(shí)（主播）:傳統(tǒng)的PVD、CVD都做不到這么精準(zhǔn)的定位嗎？

莊黎偉（嘉賓）:是的，傳統(tǒng)的PVD、CVD在半導(dǎo)體領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，但是針對(duì)某些特定的場(chǎng)合，尤其是特征尺寸特別小的時(shí)候，孔道內(nèi)的鍍膜只能采用ALD這項(xiàng)技術(shù)。所以在整個(gè)集成電路的先進(jìn)制程里，ALD在布局中占據(jù)了非常重要的地位。

ALD多尺度模型如何賦能ALD薄膜沉積過(guò)程?

幻實(shí)（主播）:所以您剛剛其實(shí)給我們很清晰地解答了為什么ALD很重要，尤其是先進(jìn)制程需要用到原子級(jí)的工具。我知道您還做了一些多尺度仿真維度的課題，為什么ALD的研究要用這些相對(duì)的工具和方法去做開(kāi)發(fā)呢？

莊黎偉（嘉賓）:首先我談一下多尺度， ALD的鍍膜過(guò)程是在特定的容器里面發(fā)生的，而這個(gè)容器里的過(guò)程由一種物理定律所主導(dǎo)；而剛剛講到ALD需要在納米孔道里鍍膜，它是由另一種物理定律所主導(dǎo)的；在兩種特征尺寸下，它由不同的物理定律所主導(dǎo)，因此，它是一個(gè)多尺度的過(guò)程；

當(dāng)然，剛剛只是說(shuō)到空間尺度，還有時(shí)間尺度，比如ALD閥門的尺度可能在毫秒，有些反應(yīng)可能在皮秒，還有一些如流體過(guò)程可能在秒。所以，從空間和時(shí)間上來(lái)講都是一個(gè)多尺度的過(guò)程。

幻實(shí)（主播）:所以這個(gè)尺度不是指一個(gè)維度，又有時(shí)間又有空間，還有不同的材料。

莊黎偉（嘉賓）:沒(méi)錯(cuò)。剛剛講到多尺度問(wèn)題，半導(dǎo)體領(lǐng)域里了解這樣過(guò)程，可以采用實(shí)驗(yàn)的方法去表征，比如我們把晶圓切開(kāi)看它的剖面，膜是否鍍好。這種方法針對(duì)單個(gè)孔道去看非常簡(jiǎn)單，但對(duì)于一片晶圓，它上面的納米孔可能高達(dá)上億個(gè)，這樣一來(lái)，去做相關(guān)的實(shí)驗(yàn)就非常耗時(shí)耗錢。所以很多半導(dǎo)體公司都傾向于采用計(jì)算模擬的方法去研究ALD在晶圓里的鍍膜過(guò)程，這就是所謂的多尺度模擬。

幻實(shí)（主播）:這種模擬是基于其本身的化學(xué)反應(yīng)做機(jī)理的推理，還是只是做一些形象的物理到計(jì)算機(jī)里的映射，也就是說(shuō)它是否帶機(jī)理呢？

莊黎偉（嘉賓）:帶機(jī)理，因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)本身物理化學(xué)過(guò)程的一些控制方程，通過(guò)數(shù)值模擬的方法去求解這些方程，得到整個(gè)ALD機(jī)臺(tái)里不同晶圓的參數(shù)，以及晶圓不同位置的一些薄膜沉積分布及其信息。

幻實(shí)（主播）:如果借用了這套多尺度仿真工具，可以應(yīng)用在哪個(gè)環(huán)節(jié)呢？

莊黎偉（嘉賓）:可以說(shuō)是在研發(fā)階段，我們采用ALD這樣的方法去發(fā)現(xiàn)一些特殊的現(xiàn)象和規(guī)律，這是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室經(jīng)常做的事情。此外，我們的研究和企業(yè)方也結(jié)合得非常緊密，我們所提出的一些課題也是企業(yè)所遇到的一些難題和痛點(diǎn)。所以ALD多尺度模擬技術(shù)其實(shí)既應(yīng)用在基礎(chǔ)研究這一塊，如中美合作，也應(yīng)用在面向產(chǎn)業(yè)這塊，如校企合作等。

幻實(shí)（主播）:其實(shí)這里我為什么要問(wèn)怎么和產(chǎn)業(yè)做結(jié)合，因?yàn)槭袌?chǎng)上大部分做ALD的公司都在芯片揭秘欄目上做過(guò)交流，所以我們認(rèn)識(shí)市場(chǎng)上絕大多數(shù)做ALD的公司。在這里也給莊教授一個(gè)打個(gè)廣告的機(jī)會(huì)，您想找什么樣的企業(yè)做什么樣的合作，或者您能給企業(yè)帶來(lái)怎樣的賦能，不妨借助我們平臺(tái)講一講。

莊黎偉（嘉賓）:謝謝芯片揭秘欄目，我們其實(shí)已經(jīng)和ALD產(chǎn)業(yè)鏈中的很多企業(yè)都開(kāi)展了相關(guān)的合作，也希望把合作繼續(xù)往前推進(jìn)。比如我們與前驅(qū)體公司合作時(shí)，就會(huì)去指導(dǎo)他們?cè)O(shè)計(jì)怎樣的前驅(qū)體，因?yàn)椴煌那膀?qū)體，最終芯片制造出來(lái)的效果就不一樣，同時(shí)，我們還和ALD零部件商進(jìn)行合作，比如采用不同的ALD閥門，不同的輸送系統(tǒng)等，那么，使用相同的前驅(qū)體可能得到不同的效果。同時(shí)，我們還和ALD設(shè)備商進(jìn)行合作，比如他們要把設(shè)備生產(chǎn)出來(lái)以滿足芯片制造單位的鍍膜要求，那么設(shè)備的形狀就不一樣，我們可以通過(guò)一個(gè)數(shù)值模擬去指導(dǎo)他們?cè)O(shè)計(jì)怎么樣的裝備。

最后就是最關(guān)鍵的芯片應(yīng)用端，這也是我們ALD技術(shù)服務(wù)的終端用戶。比如芯片制造公司買來(lái)了ALD裝備，不同的操作，它的設(shè)備所能完成芯片鍍膜的功能也就不一樣，所以要指導(dǎo)他們?nèi)绾问褂眠@樣的ALD裝備，如何操控ALD閥門、如何裝填前驅(qū)體、如何操控里面的構(gòu)件，或者是分布器、氣體吹掃裝置等等，這些都會(huì)影響芯片制造的良品率及效率。

幻實(shí)（主播）:所以你們可以從好幾個(gè)維度出發(fā)去解決問(wèn)題，這也恰恰說(shuō)明了它是一個(gè)非常綜合性的工具。

莊黎偉（嘉賓）:是的，我們非常主張ALD系統(tǒng)工程的概念，因?yàn)槲覀兒虯LD全產(chǎn)業(yè)鏈的一些公司有過(guò)接觸，發(fā)現(xiàn)他們整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的消息相對(duì)來(lái)說(shuō)比較閉塞，比如前驅(qū)體合成供應(yīng)商可能并不熟悉終端用戶需要怎樣的前驅(qū)體，他們提出的指標(biāo)可能就是純度、熱穩(wěn)定性等，但這些其實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足芯片制造的要求。同樣前驅(qū)體怎么輸送進(jìn)去，怎么在不同的晶元件分布，以及怎么去操控，其實(shí)整體都是相關(guān)的，上游影響下游，而下游芯片鍍膜的指標(biāo)又會(huì)反饋到上游，反向地讓他們?nèi)ピO(shè)計(jì)更合適的前驅(qū)體和裝備。

面對(duì)ALD未來(lái)的交叉發(fā)展，科研人還需要具備這些能力

幻實(shí)（主播）:所以在產(chǎn)業(yè)鏈中大家都處在一個(gè)協(xié)同的狀態(tài)，材料設(shè)備以及工藝彼此不可分割。您之前在約翰霍普金斯的留學(xué)經(jīng)歷，最開(kāi)始的研發(fā)方向就涉及到了流體力學(xué)，后面又跨界到ALD前驅(qū)體的研究方向。所以，我想問(wèn)問(wèn)您，在交叉學(xué)科參與了這么多年，您有什么樣的感悟？尤其是作為一位科研人員，是否會(huì)對(duì)交叉學(xué)科有一些額外的理解呢？同時(shí)，也請(qǐng)您給同行業(yè)內(nèi)正在做科研的后輩們提一些建議。

莊黎偉（嘉賓）:謝謝幻實(shí)，其實(shí)我也還在不斷學(xué)習(xí)和進(jìn)步的過(guò)程中，所以，我就淺談一下自己的想法。從多學(xué)科交叉這一點(diǎn)而言，首先它其實(shí)是一個(gè)協(xié)同的組合，舉例來(lái)講，比如不同音符組成的歌曲可能很好聽(tīng)，但也有可能很難聽(tīng)，不同的磚塊堆砌起來(lái)的房子可能非常牢固，但也有可能是斷壁殘?jiān)?，所以，如何組合協(xié)同非常關(guān)鍵。而交叉學(xué)科其實(shí)就是這樣一個(gè)問(wèn)題，不同的學(xué)科交叉在一起，可能會(huì)有一些創(chuàng)新點(diǎn)。我們國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)在2020年成立了一個(gè)交叉科學(xué)部，專門針對(duì)這樣的交叉問(wèn)題提供自然科學(xué)類的資助，以此幫助相關(guān)的研究者開(kāi)展交叉合作。

從集成電路產(chǎn)業(yè)上來(lái)看，其實(shí)也是這樣的問(wèn)題。比如從芯片的設(shè)計(jì)到制造再到最終的封測(cè)，其實(shí)也涉及了很多學(xué)科，包括微電子領(lǐng)域的專業(yè)，以ALD來(lái)講，可能還涉及到流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)、反應(yīng)等一些化學(xué)工程方面的知識(shí)。此外，還包括一些真空物理學(xué)專業(yè)知識(shí)，甚至可能還涉及到材料力學(xué)的知識(shí)，比如鍍完膜之后，它在不同的溫度下會(huì)有怎樣的應(yīng)力分布，其實(shí)這些都會(huì)影響到整個(gè)芯片的制造。因此，從集成電路這個(gè)角度來(lái)講，它本身就是一個(gè)學(xué)科交叉的重要領(lǐng)域，剛剛也講到ALD這塊，它里面同樣涉及到了很多化學(xué)工程的原理。

說(shuō)到化學(xué)工程，就不得不提華東理工大學(xué)以及我們的化工學(xué)院，華東理工大學(xué)是中國(guó)成立的第一所以化工為特色的高校，其原名叫華東化工學(xué)院，它由幾所大學(xué)的化工系合并成立，后來(lái)改名華東理工大學(xué)。華東理工大學(xué)在成立的時(shí)候，中國(guó)處于一個(gè)非常困難的時(shí)期，華東理工大學(xué)也承接了非常多這樣的項(xiàng)目，為什么從交叉談到我們?nèi)A東理工大學(xué)，因?yàn)榻徊嫫鋵?shí)是不同領(lǐng)域的對(duì)象，憑借自身的特長(zhǎng)然后進(jìn)行交叉，而華東理工大學(xué)是以化工特色作為特長(zhǎng)。在新時(shí)期，我們?nèi)A東理工大學(xué)也有新的布局，比如我們成立了集成電路材料系。同時(shí)，我們?cè)谏虾Ｊ形姓?、上海集成電路行業(yè)協(xié)會(huì)，以及兄弟單位，像華誼集團(tuán)、華虹，還有集財(cái)院的幫助下，成立了上海電子化學(xué)品創(chuàng)新研究院。通過(guò)華東理工大學(xué)的一些一流學(xué)科，如化學(xué)工程、材料、化學(xué)等，利用我們的長(zhǎng)處為整個(gè)集成電路學(xué)科交叉貢獻(xiàn)自己的一份力量。

因此，我們的電子化學(xué)品創(chuàng)新研究院有很多與集成電路相關(guān)的技術(shù)，如電子化學(xué)品提純、光刻膠、機(jī)械研磨拋光液，還有一些如封裝方面的封裝膠等等，可以說(shuō)有非常多的技術(shù)積累。所以從學(xué)校層面來(lái)看待學(xué)科交叉，其實(shí)就是不同的單位，不同的個(gè)人，利用自己的長(zhǎng)處為整個(gè)交叉領(lǐng)域貢獻(xiàn)力量。當(dāng)然，反映到個(gè)人層面，其實(shí)也是這樣子，作為科研工作者，最好能把業(yè)務(wù)能力提升起來(lái)，在合適的時(shí)間和不同領(lǐng)域的人多溝通、多交流，最后實(shí)現(xiàn)交叉。

幻實(shí)（主播）:最后，我想問(wèn)問(wèn)您，隨著未來(lái)線寬尺寸越來(lái)越小，會(huì)有新的技術(shù)路線來(lái)替代ALD嗎？還是說(shuō)目前大家共識(shí)的方向 ALD就是最好的解決方案呢？

莊黎偉（嘉賓）:針對(duì)ALD這項(xiàng)技術(shù)，我想談一下自己的看法，從國(guó)內(nèi)的ALD技術(shù)來(lái)講，包括材料、裝備，我們現(xiàn)在有對(duì)象可以模仿、借鑒，但可以預(yù)見(jiàn)的是，到未來(lái)的某個(gè)時(shí)期，我們的技術(shù)水平可能和國(guó)外并駕齊驅(qū)，那個(gè)時(shí)候，我們可能就沒(méi)有對(duì)象去模仿和借鑒。因此，我認(rèn)為我們需要考慮ALD技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新，這同樣適用于我們國(guó)家其他領(lǐng)域的高新技術(shù)。

從ALD技術(shù)的發(fā)展而言，我覺(jué)得可能有幾個(gè)層次，第一個(gè)層次就是ALD的技術(shù)的整合或交叉。未來(lái)ALD可能會(huì)和很多其他的加工制造技術(shù)進(jìn)行耦合，這可以說(shuō)是發(fā)揮兩者長(zhǎng)處。比如，ALD可能和ALE進(jìn)行結(jié)合，沉積與刻蝕組合起來(lái)去解決芯片制造過(guò)程中，線寬特別小或特征尺寸特別小的情況下的一些鍍膜要求。此外，ALD可能還會(huì)和納米壓印、光刻等技術(shù)耦合，或者是ALD本身的演化，如選擇性ALD，這些可能都是未來(lái)非常重要的發(fā)展方向，這是第一個(gè)層次；

第二個(gè)可能是ALD的目標(biāo)需要改掉，因?yàn)樾酒軜?gòu)從二維向三維轉(zhuǎn)變，三維其實(shí)就類似于農(nóng)村的房子，可能是一層或兩層，而大城市是高樓大廈，從平面向三維演化的過(guò)程中，樓高不是無(wú)限制的增長(zhǎng)，我們不可能建一座通向太空的高樓。在集成電路中，其實(shí)也是這樣的道理。我們?cè)谠u(píng)估ALD性能的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)相同的尺寸，不同深度的架構(gòu)，所要付出的成本不是線性的。舉例來(lái)講，比如一個(gè)孔道直徑為100納米，深度為10微米，如果把它的深度改成20微米，就類似于我們又增加了百分之百的晶體管密度。在這樣的狀態(tài)下，我們所要付出的鍍膜成本可能增加不只兩倍。那么這個(gè)時(shí)候就帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題，芯片到后期，我們到底是追求它的密度，還是要通過(guò)一些方法，去優(yōu)化它的過(guò)程，設(shè)計(jì)新型的裝備，所以目標(biāo)已經(jīng)轉(zhuǎn)變了。

我認(rèn)為我們的目標(biāo)，原來(lái)可能是追求ALD的保型性、均勻性等等，但根據(jù)我們的研究，就像剛才提到的，相同的尺寸，不同深度的架構(gòu)，所要付出的成本不是線性的，這時(shí)候我們需要考慮問(wèn)題就是ALD該怎么往前推進(jìn)。很可能在未來(lái)的角逐中，我們和國(guó)外的一些單位能夠產(chǎn)出相同性能的芯片，但我們需要付出的成本可能會(huì)更低，所以，我認(rèn)為在未來(lái)，ALD的過(guò)程和裝備的優(yōu)化是一個(gè)非常重要的方向。

第三個(gè)層次，ALD作為一個(gè)多尺度過(guò)程，其實(shí)還有很多知識(shí)盲區(qū)，需要借助一些特殊的研究方法，比如和一些先進(jìn)的表征技術(shù)結(jié)合起來(lái)，來(lái)發(fā)掘其中的信息，或是和人工智能結(jié)合起來(lái)，根據(jù)現(xiàn)有信息，預(yù)測(cè)ALD的極限在哪里，其應(yīng)用范圍有多廣等等，這些都是未來(lái)ALD可能發(fā)展的方向。

幻實(shí)（主播）:莊教授講得太精彩了，確實(shí)ALD還有很長(zhǎng)的路要走。感謝您做客我們芯片揭秘，并且和大家分享了這么多，也歡迎您后續(xù)有更好的研究話題再和我們分享，最后，您有什么想在我們欄目上呼吁的呢？

莊黎偉（嘉賓）:從職業(yè)角度出發(fā)，首先，作為一個(gè)科研工作者，我認(rèn)為ALD這項(xiàng)技術(shù)非常具有前景，同時(shí)它目前的研究也不夠充分。在我往后的科研生涯中，ALD至少還能再研究10年，包括ALD本身的一些原理以及應(yīng)用；其次，作為一個(gè)教育工作者，我希望為ALD這項(xiàng)技術(shù)培養(yǎng)更多的人才，同時(shí)，我想把華東理工大學(xué)的校訓(xùn)送給大家，“勤奮求實(shí) 勵(lì)志明德”，雖然這八個(gè)字聽(tīng)上去不是特別高大上，但在大家未來(lái)的路上，一定會(huì)發(fā)揮出重要的作用。

原子層沉積（Atomic layer deposition)是一種可以將物質(zhì)以單原子膜形式一層一層的鍍?cè)诨妆砻娴姆椒?。該方法?duì)基材不設(shè)限，尤其適用于具有高深寬比或復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的基底。采用ALD制備的薄膜具有高致密性（無(wú)針孔）、高保形性及大面積均勻性等優(yōu)異性能，這對(duì)薄膜的應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義。作為集成電路先進(jìn)制程中薄膜沉積的核心工藝，ALD可以在大尺寸（8-12英寸）晶圓納米孔道內(nèi)沉積埃米級(jí)精度的功能薄膜。

華東理工大學(xué)化工學(xué)院莊黎偉博士，與美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、北卡羅萊納州立大學(xué)等單位合作，開(kāi)發(fā)了一套原子層沉積（ALD）反應(yīng)器多尺度模型，可用于預(yù)測(cè)ALD反應(yīng)器尺度高真空流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)過(guò)程；同時(shí)，該模型也可以預(yù)測(cè)基底納米孔道內(nèi)薄膜沉積過(guò)程，用于描述2-5納米孔道內(nèi)前驅(qū)體擴(kuò)散、吸附、脫附、沉積反應(yīng)以及孔道收縮直至堵塞的動(dòng)態(tài)過(guò)程。相關(guān)研究為基于ALD技術(shù)的各類材料、器件制備過(guò)程的優(yōu)化和放大問(wèn)題奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)；同時(shí)，相關(guān)模型和模擬方法，對(duì)芯片、光伏、燃料電池、分離膜、催化劑等基于ALD技術(shù)的制備過(guò)程有普遍化應(yīng)用價(jià)值，可直接用于各類商業(yè)化ALD反應(yīng)器的優(yōu)化和新型ALD反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)。

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