一項多尺度模擬技術(shù)，打通ALD的材料—過程—裝備？

幻實（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，但是針對某些特定的場合，尤其是特征尺寸特別小的時候，孔道內(nèi)的鍍膜只能采用ALD這項技術(shù)。所以在整個集成電路的先進制程里，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薄膜沉積過程?

幻實（主播）:所以您剛剛其實給我們很清晰地解答了為什么ALD很重要，尤其是先進制程需要用到原子級的工具。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的工具和方法去做開發(fā)呢？

莊黎偉（嘉賓）:首先我談一下多尺度， ALD的鍍膜過程是在特定的容器里面發(fā)生的，而這個容器里的過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，它是一個多尺度的過程；

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

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

莊黎偉（嘉賓）:沒錯。剛剛講到多尺度問題，半導(dǎo)體領(lǐng)域里了解這樣過程，可以采用實驗的方法去表征，比如我們把晶圓切開看它的剖面，膜是否鍍好。這種方法針對單個孔道去看非常簡單，但對于一片晶圓，它上面的納米孔可能高達(dá)上億個，這樣一來，去做相關(guān)的實驗就非常耗時耗錢。所以很多半導(dǎo)體公司都傾向于采用計算模擬的方法去研究ALD在晶圓里的鍍膜過程，這就是所謂的多尺度模擬。

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

莊黎偉（嘉賓）:帶機理，因為它是通過本身物理化學(xué)過程的一些控制方程，通過數(shù)值模擬的方法去求解這些方程，得到整個ALD機臺里不同晶圓的參數(shù)，以及晶圓不同位置的一些薄膜沉積分布及其信息。

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

莊黎偉（嘉賓）:可以說是在研發(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，這是我們在實驗室經(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。所以ALD多尺度模擬技術(shù)其實既應(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（主播）:其實這里我為什么要問怎么和產(chǎn)業(yè)做結(jié)合，因為市場上大部分做ALD的公司都在芯片揭秘欄目上做過交流，所以我們認(rèn)識市場上絕大多數(shù)做ALD的公司。在這里也給莊教授一個打個廣告的機會，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)帶來怎樣的賦能，不妨借助我們平臺講一講。

莊黎偉（嘉賓）:謝謝芯片揭秘欄目，我們其實已經(jīng)和ALD產(chǎn)業(yè)鏈中的很多企業(yè)都開展了相關(guān)的合作，也希望把合作繼續(xù)往前推進。比如我們與前驅(qū)體公司合作時，就會去指導(dǎo)他們設(shè)計怎樣的前驅(qū)體，因為不同的前驅(qū)體，最終芯片制造出來的效果就不一樣，同時，我們還和ALD零部件商進行合作，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，我們還和ALD設(shè)備商進行合作，比如他們要把設(shè)備生產(chǎn)出來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，我們可以通過一個數(shù)值模擬去指導(dǎo)他們設(shè)計怎么樣的裝備。

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，這些都會影響芯片制造的良品率及效率。

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

莊黎偉（嘉賓）:是的，我們非常主張ALD系統(tǒng)工程的概念，因為我們和ALD全產(chǎn)業(yè)鏈的一些公司有過接觸，發(fā)現(xiàn)他們整個產(chǎn)業(yè)鏈上下游的消息相對來說比較閉塞，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，但這些其實遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足芯片制造的要求。同樣前驅(qū)體怎么輸送進去，怎么在不同的晶元件分布，以及怎么去操控，其實整體都是相關(guān)的，上游影響下游，而下游芯片鍍膜的指標(biāo)又會反饋到上游，反向地讓他們?nèi)ピO(shè)計更合適的前驅(qū)體和裝備。

面對ALD未來的交叉發(fā)展，科研人還需要具備這些能力

幻實（主播）:所以在產(chǎn)業(yè)鏈中大家都處在一個協(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，我想問問您，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，是否會對交叉學(xué)科有一些額外的理解呢？同時，也請您給同行業(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，其實我也還在不斷學(xué)習(xí)和進步的過程中，所以，我就淺談一下自己的想法。從多學(xué)科交叉這一點而言，首先它其實是一個協(xié)同的組合，舉例來講，比如不同音符組成的歌曲可能很好聽，但也有可能很難聽，不同的磚塊堆砌起來的房子可能非常牢固，但也有可能是斷壁殘垣，所以，如何組合協(xié)同非常關(guān)鍵。而交叉學(xué)科其實就是這樣一個問題，不同的學(xué)科交叉在一起，可能會有一些創(chuàng)新點。我們國家自然科學(xué)基金委員會在2020年成立了一個交叉科學(xué)部，專門針對這樣的交叉問題提供自然科學(xué)類的資助，以此幫助相關(guān)的研究者開展交叉合作。

從集成電路產(chǎn)業(yè)上來看，其實也是這樣的問題。比如從芯片的設(shè)計到制造再到最終的封測，其實也涉及了很多學(xué)科，包括微電子領(lǐng)域的專業(yè)，以ALD來講，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。此外，還包括一些真空物理學(xué)專業(yè)知識，甚至可能還涉及到材料力學(xué)的知識，比如鍍完膜之后，它在不同的溫度下會有怎樣的應(yīng)力分布，其實這些都會影響到整個芯片的制造。因此，從集成電路這個角度來講，它本身就是一個學(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，后來改名華東理工大學(xué)。華東理工大學(xué)在成立的時候，中國處于一個非常困難的時期，華東理工大學(xué)也承接了非常多這樣的項目，為什么從交叉談到我們?nèi)A東理工大學(xué)，因為交叉其實是不同領(lǐng)域的對象，憑借自身的特長然后進行交叉，而華東理工大學(xué)是以化工特色作為特長。在新時期，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，我們在上海市委市政府、上海集成電路行業(yè)協(xié)會，以及兄弟單位，像華誼集團、華虹，還有集財院的幫助下，成立了上海電子化學(xué)品創(chuàng)新研究院。通過華東理工大學(xué)的一些一流學(xué)科，如化學(xué)工程、材料、化學(xué)等，利用我們的長處為整個集成電路學(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、機械研磨拋光液，還有一些如封裝方面的封裝膠等等，可以說有非常多的技術(shù)積累。所以從學(xué)校層面來看待學(xué)科交叉，其實就是不同的單位，不同的個人，利用自己的長處為整個交叉領(lǐng)域貢獻(xiàn)力量。當(dāng)然，反映到個人層面，其實也是這樣子，作為科研工作者，最好能把業(yè)務(wù)能力提升起來，在合適的時間和不同領(lǐng)域的人多溝通、多交流，最后實現(xiàn)交叉。

幻實（主播）:最后，我想問問您，隨著未來線寬尺寸越來越小，會有新的技術(shù)路線來替代ALD嗎？還是說目前大家共識的方向 ALD就是最好的解決方案呢？

莊黎偉（嘉賓）:針對ALD這項技術(shù)，我想談一下自己的看法，從國內(nèi)的ALD技術(shù)來講，包括材料、裝備，我們現(xiàn)在有對象可以模仿、借鑒，但可以預(yù)見的是，到未來的某個時期，我們的技術(shù)水平可能和國外并駕齊驅(qū)，那個時候，我們可能就沒有對象去模仿和借鑒。因此，我認(rèn)為我們需要考慮ALD技術(shù)的進一步創(chuàng)新，這同樣適用于我們國家其他領(lǐng)域的高新技術(shù)。

從ALD技術(shù)的發(fā)展而言，我覺得可能有幾個層次，第一個層次就是ALD的技術(shù)的整合或交叉。未來ALD可能會和很多其他的加工制造技術(shù)進行耦合，這可以說是發(fā)揮兩者長處。比如，ALD可能和ALE進行結(jié)合，沉積與刻蝕組合起來去解決芯片制造過程中，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，這些可能都是未來非常重要的發(fā)展方向，這是第一個層次；

第二個可能是ALD的目標(biāo)需要改掉，因為芯片架構(gòu)從二維向三維轉(zhuǎn)變，三維其實就類似于農(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程中，樓高不是無限制的增長，我們不可能建一座通向太空的高樓。在集成電路中，其實也是這樣的道理。我們在評估ALD性能的時候會發(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。舉例來講，比如一個孔道直徑為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。那么這個時候就帶來了一個新的問題，芯片到后期，我們到底是追求它的密度，還是要通過一些方法，去優(yōu)化它的過程，設(shè)計新型的裝備，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，這時候我們需要考慮問題就是ALD該怎么往前推進。很可能在未來的角逐中，我們和國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更低，所以，我認(rèn)為在未來，ALD的過程和裝備的優(yōu)化是一個非常重要的方向。

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

幻實（主播）:莊教授講得太精彩了，確實ALD還有很長的路要走。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，作為一個科研工作者，我認(rèn)為ALD這項技術(shù)非常具有前景，同時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，作為一個教育工作者，我希望為ALD這項技術(shù)培養(yǎng)更多的人才，同時，我想把華東理工大學(xué)的校訓(xùn)送給大家，“勤奮求實 勵志明德”，雖然這八個字聽上去不是特別高大上，但在大家未來的路上，一定會發(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在基底表面的方法。該方法對基材不設(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（無針孔）、高保形性及大面積均勻性等優(yōu)異性能，這對薄膜的應(yīng)用具有重要的實際意義。作為集成電路先進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ALD反應(yīng)器尺度高真空流體流動、傳熱、傳質(zhì)過程；同時，該模型也可以預(yù)測基底納米孔道內(nèi)薄膜沉積過程，用于描述2-5納米孔道內(nèi)前驅(qū)體擴散、吸附、脫附、沉積反應(yīng)以及孔道收縮直至堵塞的動態(tài)過程。相關(guān)研究為基于ALD技術(shù)的各類材料、器件制備過程的優(yōu)化和放大問題奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)；同時，相關(guān)模型和模擬方法，對芯片、光伏、燃料電池、分離膜、催化劑等基于ALD技術(shù)的制備過程有普遍化應(yīng)用價值，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)器的開發(fā)。

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