一項多尺度模擬技術，打通ALD的材料—過程—裝備？

嘉賓介紹

莊黎偉，博士，華東理工大學化工學院副教授，上?！捌纸瞬拧庇媱潾@得者(集成電路方向)，美國約翰霍普金斯大學訪問學者，美國能源部項目（ALD技術，2020-2023）研究員。研究方向包括：原子層沉積(ALD)，計算流體力學(CFD)，膜分離與膜組件，化工反應器，鈣鈦礦太陽能電池等。近年來已在AIChE Journal(封面)等期刊發(fā)表學術論文20余篇，主持國家自然科學基金面上、青年項目，工業(yè)ALD機臺、ALD供氣系統(tǒng)、ALD固體前驅體容器仿真設計，各類ALD工藝開發(fā)等企業(yè)項目。

本期話題：

00:30??ALD—集成電路制造的關鍵薄膜沉積技術

05:24? ALD多尺度模型如何賦能ALD薄膜沉積過程?

11:20? 面對ALD未來的交叉發(fā)展，科研人還需要具備這些能力

ALD—集成電路制造的關鍵薄膜沉積技術

幻實（主播）：大家好，這里是幻實，今天我們對話的這位專家是來自華東理工大學化工學院的莊黎偉教授，他在原子層沉積工藝中進行了非常多的探索，今天我們就請莊教授和我們一起來聊聊他所從事的事情，請莊教授和大家打個招呼。

莊黎偉（嘉賓）:謝謝曹院長的介紹，各位聽眾朋友，各位企業(yè)高校的朋友，大家好，我是華東理工大學化工學院的莊黎偉。我最開始從事的是采用計算流體力學研究不同的化工裝備和膜分離組件，后期留學于美國約翰霍普金斯大學，我在那里參與了ALD的過程與裝備的模擬仿真，開展了一些系統(tǒng)性研究。

芯片揭秘主播 幻實（右）對話，華東理工大學 莊黎偉教授（左）

回國之后，在美國能源部、中國國家自然科學基金委，以及浦江人才計劃項目等資助下，我和我的合作導師聯(lián)合開展了相關的氣體分離膜設備過程中ALD過程裝備的研究，采用的方法主要是計算流體力學。目前，我在ALD前驅體、半導體零部件、ALD供氣系統(tǒng)、ALD機臺以及終端運用方面，與一些芯片制造、光伏企業(yè)保持著深度的合作。

幻實（主播）:莊教授的履歷可以說是金光閃閃，而且您剛剛提到的兩個學校都非常知名，包括現(xiàn)在您就職的華工理工大學的化工學院，也是全國數(shù)一數(shù)二的學科領軍單位。您剛剛提到現(xiàn)在選的方向是和半導體比較相關的前驅體材料，涉及到的是ALD原子層沉積這塊工藝，您能和大家解釋一下ALD，并聊一聊您現(xiàn)在從事的方向在整個產(chǎn)業(yè)中的價值嗎？

莊黎偉（嘉賓）:原子層沉積這個名詞可能很多朋友不是特別熟悉，它屬于半導體制備過程中八大制備方法之一——薄膜沉積技術，而薄膜沉積又分為很多種，如PVD、CVD，當然也包括ALD。它基于表面化學反應，以及一些前驅體的停留控制來實現(xiàn)薄膜沉積，具有非常高的精度，一般而言，我們評判ALD的沉積速率都是每個循環(huán)沉積多少納米。

在半導體領域，隨著摩爾定律不斷往前推進，特征尺寸逐漸變小，ALD作為一種先進鍍膜技術，我們常常開玩笑稱之為和“刮大白”有著差不多的工作性質，只不過“刮大白”可能是在墻上涂油漆，ALD是在半導體器件上涂“油漆”。ALD的優(yōu)點有兩個方面，第一個是均勻性特別好，不會出現(xiàn)有的地方涂得很多，有的地方?jīng)]涂到的情況；第二個是非常薄，所以在鍍完膜之后，它還是原來的形狀。

幻實（主播）:您剛剛提到的“油漆”是指什么呢？

莊黎偉（嘉賓）:這里的“油漆”其實是指特殊的薄膜，比如氧化硅、氧化鋁、氧化鋅、氮化硅等，而整個涂抹過程其實比較麻煩，尤其是針對一些先進制程里的器件，比如3D NAND、DRAM等存儲器件，在制造芯片的過程中，晶圓上有非常細微的納米孔道，而且孔道很深，直徑很小。如果我們再用“刮大白”這個比喻，想要在這樣的孔道里鍍膜，且不說刷子能否伸得進去，就這樣一個高深寬比的孔，鍍膜要求也會高很多，因此，想要涂抹非常均勻的話，難度就非常大。所以，ALD在很多薄膜沉積工藝里是唯一能完成以上鍍膜工藝的方法。

幻實（主播）:傳統(tǒng)的PVD、CVD都做不到這么精準的定位嗎？

莊黎偉（嘉賓）:是的，傳統(tǒng)的PVD、CVD在半導體領域有著非常廣泛的應用，但是針對某些特定的場合，尤其是特征尺寸特別小的時候，孔道內的鍍膜只能采用ALD這項技術。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；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的；在兩種特征尺寸下，它由不同的物理定律所主導，因此，它是一個多尺度的過程；

當然，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，半導體領域里了解這樣過程，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上億個，這樣一來，去做相關的實驗就非常耗時耗錢。所以很多半導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反應做機理的推理，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多尺度模擬技術其實既應用在基礎研究這一塊，如中美合作，也應用在面向產(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)都開展了相關的合作，也希望把合作繼續(xù)往前推進。比如我們與前驅體公司合作時，就會去指導他們設計怎樣的前驅體，因為不同的前驅體，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，使用相同的前驅體可能得到不同的效果。同時，我們還和ALD設備商進行合作，比如他們要把設備生產(chǎn)出來以滿足芯片制造單位的鍍膜要求，那么設備的形狀就不一樣，我們可以通過一個數(shù)值模擬去指導他們設計怎么樣的裝備。

最后就是最關鍵的芯片應用端，這也是我們ALD技術服務的終端用戶。比如芯片制造公司買來了ALD裝備，不同的操作，它的設備所能完成芯片鍍膜的功能也就不一樣，所以要指導他們如何使用這樣的ALD裝備，如何操控ALD閥門、如何裝填前驅體、如何操控里面的構件，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，比如前驅體合成供應商可能并不熟悉終端用戶需要怎樣的前驅體，他們提出的指標可能就是純度、熱穩(wěn)定性等，但這些其實遠遠無法滿足芯片制造的要求。同樣前驅體怎么輸送進去，怎么在不同的晶元件分布，以及怎么去操控，其實整體都是相關的，上游影響下游，而下游芯片鍍膜的指標又會反饋到上游，反向地讓他們去設計更合適的前驅體和裝備。

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)，材料設備以及工藝彼此不可分割。您之前在約翰霍普金斯的留學經(jīng)歷，最開始的研發(fā)方向就涉及到了流體力學，后面又跨界到ALD前驅體的研究方向。所以，我想問問您，在交叉學科參與了這么多年，您有什么樣的感悟？尤其是作為一位科研人員，是否會對交叉學科有一些額外的理解呢？同時，也請您給同行業(yè)內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習和進步的過程中，所以，我就淺談一下自己的想法。從多學科交叉這一點而言，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)同非常關鍵。而交叉學科其實就是這樣一個問題，不同的學科交叉在一起，可能會有一些創(chuàng)新點。我們國家自然科學基金委員會在2020年成立了一個交叉科學部，專門針對這樣的交叉問題提供自然科學類的資助，以此幫助相關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。比如從芯片的設計到制造再到最終的封測，其實也涉及了很多學科，包括微電子領域的專業(yè)，以ALD來講，可能還涉及到流體力學、傳熱傳質、反應等一些化學工程方面的知識。此外，還包括一些真空物理學專業(yè)知識，甚至可能還涉及到材料力學的知識，比如鍍完膜之后，它在不同的溫度下會有怎樣的應力分布，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，它本身就是一個學科交叉的重要領域，剛剛也講到ALD這塊，它里面同樣涉及到了很多化學工程的原理。

說到化學工程，就不得不提華東理工大學以及我們的化工學院，華東理工大學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院，它由幾所大學的化工系合并成立，后來改名華東理工大學。華東理工大學在成立的時候，中國處于一個非常困難的時期，華東理工大學也承接了非常多這樣的項目，為什么從交叉談到我們華東理工大學，因為交叉其實是不同領域的對象，憑借自身的特長然后進行交叉，而華東理工大學是以化工特色作為特長。在新時期，我們華東理工大學也有新的布局，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品創(chuàng)新研究院。通過華東理工大學的一些一流學科，如化學工程、材料、化學等，利用我們的長處為整個集成電路學科交叉貢獻自己的一份力量。

因此，我們的電子化學品創(chuàng)新研究院有很多與集成電路相關的技術，如電子化學品提純、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積累。所以從學校層面來看待學科交叉，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域貢獻力量。當然，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)務能力提升起來，在合適的時間和不同領域的人多溝通、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，我想談一下自己的看法，從國內的ALD技術來講，包括材料、裝備，我們現(xiàn)在有對象可以模仿、借鑒，但可以預見的是，到未來的某個時期，我們的技術水平可能和國外并駕齊驅，那個時候，我們可能就沒有對象去模仿和借鑒。因此，我認為我們需要考慮ALD技術的進一步創(chuàng)新，這同樣適用于我們國家其他領域的高新技術。

從ALD技術的發(fā)展而言，我覺得可能有幾個層次，第一個層次就是ALD的技術的整合或交叉。未來ALD可能會和很多其他的加工制造技術進行耦合，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的目標需要改掉，因為芯片架構從二維向三維轉變，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，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，設計新型的裝備，所以目標已經(jīng)轉變了。

我認為我們的目標，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，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結合起來，來發(fā)掘其中的信息，或是和人工智能結合起來，根據(jù)現(xiàn)有信息，預測ALD的極限在哪里，其應用范圍有多廣等等，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，我認為ALD這項技術非常具有前景，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用；其次，作為一個教育工作者，我希望為ALD這項技術培養(yǎng)更多的人才，同時，我想把華東理工大學的校訓送給大家，“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。該方法對基材不設限，尤其適用于具有高深寬比或復雜三維結構的基底。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）晶圓納米孔道內沉積埃米級精度的功能薄膜。

華東理工大學化工學院莊黎偉博士，與美國約翰霍普金斯大學、普林斯頓大學、北卡羅萊納州立大學等單位合作，開發(fā)了一套原子層沉積（ALD）反應器多尺度模型，可用于預測ALD反應器尺度高真空流體流動、傳熱、傳質過程；同時，該模型也可以預測基底納米孔道內薄膜沉積過程，用于描述2-5納米孔道內前驅體擴散、吸附、脫附、沉積反應以及孔道收縮直至堵塞的動態(tài)過程。相關研究為基于ALD技術的各類材料、器件制備過程的優(yōu)化和放大問題奠定了理論和技術基礎；同時，相關模型和模擬方法，對芯片、光伏、燃料電池、分離膜、催化劑等基于ALD技術的制備過程有普遍化應用價值，可直接用于各類商業(yè)化ALD反應器的優(yōu)化和新型ALD反應器的開發(fā)。

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