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嘉宾介绍
庄黎伟，博士，华东理工大学化工学院副教授，上海“浦江人才”计划获得者(集成电路方向)，美国约翰霍普金斯大学访问学者，美国能源部项目（ALD技术，2020-2023）研究员。研究方向包括：原子层沉积(ALD)，计算流体力学(CFD)，膜分离与膜组件，化工反应器，钙钛矿太阳能电池等。近年来已在AIChE Journal(封面)等期刊发表学术论文20余篇，主持国家自然科学基金面上、青年项目，工业ALD机台、ALD供气系统、ALD固体前驱体容器仿真设计，各类ALD工艺开发等企业项目。
本期话题：
00:30 ALD—集成电路制造的关键薄膜沉积技术
05:24 ALD多尺度模型如何赋能ALD薄膜沉积过程?
11:20 面对ALD未来的交叉发展，科研人还需要具备这些能力
ALD—集成电路制造的关键薄膜沉积技术
幻实（主播）：大家好，这里是幻实，今天我们对话的这位专家是来自华东理工大学化工学院的庄黎伟教授，他在原子层沉积工艺中进行了非常多的探索，今天我们就请庄教授和我们一起来聊聊他所从事的事情，请庄教授和大家打个招呼。
庄黎伟（嘉宾）:谢谢曹院长的介绍，各位听众朋友，各位企业高校的朋友，大家好，我是华东理工大学化工学院的庄黎伟。我最开始从事的是采用计算流体力学研究不同的化工装备和膜分离组件，后期留学于美国约翰霍普金斯大学，我在那里参与了ALD的过程与装备的模拟仿真，开展了一些系统性研究。
芯片揭秘主播 幻实（右）对话，华东理工大学 庄黎伟教授（左）
回国之后，在美国能源部、中国国家自然科学基金委，以及浦江人才计划项目等资助下，我和我的合作导师联合开展了相关的气体分离膜设备过程中ALD过程装备的研究，采用的方法主要是计算流体力学。目前，我在ALD前驱体、半导体零部件、ALD供气系统、ALD机台以及终端运用方面，与一些芯片制造、光伏企业保持着深度的合作。
幻实（主播）:庄教授的履历可以说是金光闪闪，而且您刚刚提到的两个学校都非常知名，包括现在您就职的华工理工大学的化工学院，也是全国数一数二的学科领军单位。您刚刚提到现在选的方向是和半导体比较相关的前驱体材料，涉及到的是ALD原子层沉积这块工艺，您能和大家解释一下ALD，并聊一聊您现在从事的方向在整个产业中的价值吗？
庄黎伟（嘉宾）:原子层沉积这个名词可能很多朋友不是特别熟悉，它属于半导体制备过程中八大制备方法之一——薄膜沉积技术，而薄膜沉积又分为很多种，如PVD、CVD，当然也包括ALD。它基于表面化学反应，以及一些前驱体的停留控制来实现薄膜沉积，具有非常高的精度，一般而言，我们评判ALD的沉积速率都是每个循环沉积多少纳米。
在半导体领域，随着摩尔定律不断往前推进，特征尺寸逐渐变小，ALD作为一种先进镀膜技术，我们常常开玩笑称之为和“刮大白”有着差不多的工作性质，只不过“刮大白”可能是在墙上涂油漆，ALD是在半导体器件上涂“油漆”。ALD的优点有两个方面，第一个是均匀性特别好，不会出现有的地方涂得很多，有的地方没涂到的情况；第二个是非常薄，所以在镀完膜之后，它还是原来的形状。
幻实（主播）:您刚刚提到的“油漆”是指什么呢？
庄黎伟（嘉宾）:这里的“油漆”其实是指特殊的薄膜，比如氧化硅、氧化铝、氧化锌、氮化硅等，而整个涂抹过程其实比较麻烦，尤其是针对一些先进制程里的器件，比如3D NAND、DRAM等存储器件，在制造芯片的过程中，晶圆上有非常细微的纳米孔道，而且孔道很深，直径很小。如果我们再用“刮大白”这个比喻，想要在这样的孔道里镀膜，且不说刷子能否伸得进去，就这样一个高深宽比的孔，镀膜要求也会高很多，因此，想要涂抹非常均匀的话，难度就非常大。所以，ALD在很多薄膜沉积工艺里是唯一能完成以上镀膜工艺的方法。
幻实（主播）:传统的PVD、CVD都做不到这么精准的定位吗？
庄黎伟（嘉宾）:是的，传统的PVD、CVD在半导体领域有着非常广泛的应用，但是针对某些特定的场合，尤其是特征尺寸特别小的时候，孔道内的镀膜只能采用ALD这项技术。所以在整个集成电路的先进制程里，ALD在布局中占据了非常重要的地位。
ALD多尺度模型如何赋能ALD薄膜沉积过程?
幻实（主播）:所以您刚刚其实给我们很清晰地解答了为什么ALD很重要，尤其是先进制程需要用到原子级的工具。我知道您还做了一些多尺度仿真维度的课题，为什么ALD的研究要用这些相对的工具和方法去做开发呢？
庄黎伟（嘉宾）:首先我谈一下多尺度， ALD的镀膜过程是在特定的容器里面发生的，而这个容器里的过程由一种物理定律所主导；而刚刚讲到ALD需要在纳米孔道里镀膜，它是由另一种物理定律所主导的；在两种特征尺寸下，它由不同的物理定律所主导，因此，它是一个多尺度的过程；
当然，刚刚只是说到空间尺度，还有时间尺度，比如ALD阀门的尺度可能在毫秒，有些反应可能在皮秒，还有一些如流体过程可能在秒。所以，从空间和时间上来讲都是一个多尺度的过程。
幻实（主播）:所以这个尺度不是指一个维度，又有时间又有空间，还有不同的材料。
庄黎伟（嘉宾）:没错。刚刚讲到多尺度问题，半导体领域里了解这样过程，可以采用实验的方法去表征，比如我们把晶圆切开看它的剖面，膜是否镀好。这种方法针对单个孔道去看非常简单，但对于一片晶圆，它上面的纳米孔可能高达上亿个，这样一来，去做相关的实验就非常耗时耗钱。所以很多半导体公司都倾向于采用计算模拟的方法去研究ALD在晶圆里的镀膜过程，这就是所谓的多尺度模拟。
幻实（主播）:这种模拟是基于其本身的化学反应做机理的推理，还是只是做一些形象的物理到计算机里的映射，也就是说它是否带机理呢？
庄黎伟（嘉宾）:带机理，因为它是通过本身物理化学过程的一些控制方程，通过数值模拟的方法去求解这些方程，得到整个ALD机台里不同晶圆的参数，以及晶圆不同位置的一些薄膜沉积分布及其信息。
幻实（主播）:如果借用了这套多尺度仿真工具，可以应用在哪个环节呢？
庄黎伟（嘉宾）:可以说是在研发阶段，我们采用ALD这样的方法去发现一些特殊的现象和规律，这是我们在实验室经常做的事情。此外，我们的研究和企业方也结合得非常紧密，我们所提出的一些课题也是企业所遇到的一些难题和痛点。所以ALD多尺度模拟技术其实既应用在基础研究这一块，如中美合作，也应用在面向产业这块，如校企合作等。
幻实（主播）:其实这里我为什么要问怎么和产业做结合，因为市场上大部分做ALD的公司都在芯片揭秘栏目上做过交流，所以我们认识市场上绝大多数做ALD的公司。在这里也给庄教授一个打个广告的机会，您想找什么样的企业做什么样的合作，或者您能给企业带来怎样的赋能，不妨借助我们平台讲一讲。
庄黎伟（嘉宾）:谢谢芯片揭秘栏目，我们其实已经和ALD产业链中的很多企业都开展了相关的合作，也希望把合作继续往前推进。比如我们与前驱体公司合作时，就会去指导他们设计怎样的前驱体，因为不同的前驱体，最终芯片制造出来的效果就不一样，同时，我们还和ALD零部件商进行合作，比如采用不同的ALD阀门，不同的输送系统等，那么，使用相同的前驱体可能得到不同的效果。同时，我们还和ALD设备商进行合作，比如他们要把设备生产出来以满足芯片制造单位的镀膜要求，那么设备的形状就不一样，我们可以通过一个数值模拟去指导他们设计怎么样的装备。
最后就是最关键的芯片应用端，这也是我们ALD技术服务的终端用户。比如芯片制造公司买来了ALD装备，不同的操作，它的设备所能完成芯片镀膜的功能也就不一样，所以要指导他们如何使用这样的ALD装备，如何操控ALD阀门、如何装填前驱体、如何操控里面的构件，或者是分布器、气体吹扫装置等等，这些都会影响芯片制造的良品率及效率。
幻实（主播）:所以你们可以从好几个维度出发去解决问题，这也恰恰说明了它是一个非常综合性的工具。
庄黎伟（嘉宾）:是的，我们非常主张ALD系统工程的概念，因为我们和ALD全产业链的一些公司有过接触，发现他们整个产业链上下游的消息相对来说比较闭塞，比如前驱体合成供应商可能并不熟悉终端用户需要怎样的前驱体，他们提出的指标可能就是纯度、热稳定性等，但这些其实远远无法满足芯片制造的要求。同样前驱体怎么输送进去，怎么在不同的晶元件分布，以及怎么去操控，其实整体都是相关的，上游影响下游，而下游芯片镀膜的指标又会反馈到上游，反向地让他们去设计更合适的前驱体和装备。
面对ALD未来的交叉发展，科研人还需要具备这些能力
幻实（主播）:所以在产业链中大家都处在一个协同的状态，材料设备以及工艺彼此不可分割。您之前在约翰霍普金斯的留学经历，最开始的研发方向就涉及到了流体力学，后面又跨界到ALD前驱体的研究方向。所以，我想问问您，在交叉学科参与了这么多年，您有什么样的感悟？尤其是作为一位科研人员，是否会对交叉学科有一些额外的理解呢？同时，也请您给同行业内正在做科研的后辈们提一些建议。
庄黎伟（嘉宾）:谢谢幻实，其实我也还在不断学习和进步的过程中，所以，我就浅谈一下自己的想法。从多学科交叉这一点而言，首先它其实是一个协同的组合，举例来讲，比如不同音符组成的歌曲可能很好听，但也有可能很难听，不同的砖块堆砌起来的房子可能非常牢固，但也有可能是断壁残垣，所以，如何组合协同非常关键。而交叉学科其实就是这样一个问题，不同的学科交叉在一起，可能会有一些创新点。我们国家自然科学基金委员会在2020年成立了一个交叉科学部，专门针对这样的交叉问题提供自然科学类的资助，以此帮助相关的研究者开展交叉合作。
从集成电路产业上来看，其实也是这样的问题。比如从芯片的设计到制造再到最终的封测，其实也涉及了很多学科，包括微电子领域的专业，以ALD来讲，可能还涉及到流体力学、传热传质、反应等一些化学工程方面的知识。此外，还包括一些真空物理学专业知识，甚至可能还涉及到材料力学的知识，比如镀完膜之后，它在不同的温度下会有怎样的应力分布，其实这些都会影响到整个芯片的制造。因此，从集成电路这个角度来讲，它本身就是一个学科交叉的重要领域，刚刚也讲到ALD这块，它里面同样涉及到了很多化学工程的原理。
说到化学工程，就不得不提华东理工大学以及我们的化工学院，华东理工大学是中国成立的第一所以化工为特色的高校，其原名叫华东化工学院，它由几所大学的化工系合并成立，后来改名华东理工大学。华东理工大学在成立的时候，中国处于一个非常困难的时期，华东理工大学也承接了非常多这样的项目，为什么从交叉谈到我们华东理工大学，因为交叉其实是不同领域的对象，凭借自身的特长然后进行交叉，而华东理工大学是以化工特色作为特长。在新时期，我们华东理工大学也有新的布局，比如我们成立了集成电路材料系。同时，我们在上海市委市政府、上海集成电路行业协会，以及兄弟单位，像华谊集团、华虹，还有集财院的帮助下，成立了上海电子化学品创新研究院。通过华东理工大学的一些一流学科，如化学工程、材料、化学等，利用我们的长处为整个集成电路学科交叉贡献自己的一份力量。
因此，我们的电子化学品创新研究院有很多与集成电路相关的技术，如电子化学品提纯、光刻胶、机械研磨抛光液，还有一些如封装方面的封装胶等等，可以说有非常多的技术积累。所以从学校层面来看待学科交叉，其实就是不同的单位，不同的个人，利用自己的长处为整个交叉领域贡献力量。当然，反映到个人层面，其实也是这样子，作为科研工作者，最好能把业务能力提升起来，在合适的时间和不同领域的人多沟通、多交流，最后实现交叉。
幻实（主播）:最后，我想问问您，随着未来线宽尺寸越来越小，会有新的技术路线来替代ALD吗？还是说目前大家共识的方向 ALD就是最好的解决方案呢？
庄黎伟（嘉宾）:针对ALD这项技术，我想谈一下自己的看法，从国内的ALD技术来讲，包括材料、装备，我们现在有对象可以模仿、借鉴，但可以预见的是，到未来的某个时期，我们的技术水平可能和国外并驾齐驱，那个时候，我们可能就没有对象去模仿和借鉴。因此，我认为我们需要考虑ALD技术的进一步创新，这同样适用于我们国家其他领域的高新技术。
从ALD技术的发展而言，我觉得可能有几个层次，第一个层次就是ALD的技术的整合或交叉。未来ALD可能会和很多其他的加工制造技术进行耦合，这可以说是发挥两者长处。比如，ALD可能和ALE进行结合，沉积与刻蚀组合起来去解决芯片制造过程中，线宽特别小或特征尺寸特别小的情况下的一些镀膜要求。此外，ALD可能还会和纳米压印、光刻等技术耦合，或者是ALD本身的演化，如选择性ALD，这些可能都是未来非常重要的发展方向，这是第一个层次；
第二个可能是ALD的目标需要改掉，因为芯片架构从二维向三维转变，三维其实就类似于农村的房子，可能是一层或两层，而大城市是高楼大厦，从平面向三维演化的过程中，楼高不是无限制的增长，我们不可能建一座通向太空的高楼。在集成电路中，其实也是这样的道理。我们在评估ALD性能的时候会发现相同的尺寸，不同深度的架构，所要付出的成本不是线性的。举例来讲，比如一个孔道直径为100纳米，深度为10微米，如果把它的深度改成20微米，就类似于我们又增加了百分之百的晶体管密度。在这样的状态下，我们所要付出的镀膜成本可能增加不只两倍。那么这个时候就带来了一个新的问题，芯片到后期，我们到底是追求它的密度，还是要通过一些方法，去优化它的过程，设计新型的装备，所以目标已经转变了。
我认为我们的目标，原来可能是追求ALD的保型性、均匀性等等，但根据我们的研究，就像刚才提到的，相同的尺寸，不同深度的架构，所要付出的成本不是线性的，这时候我们需要考虑问题就是ALD该怎么往前推进。很可能在未来的角逐中，我们和国外的一些单位能够产出相同性能的芯片，但我们需要付出的成本可能会更低，所以，我认为在未来，ALD的过程和装备的优化是一个非常重要的方向。
第三个层次，ALD作为一个多尺度过程，其实还有很多知识盲区，需要借助一些特殊的研究方法，比如和一些先进的表征技术结合起来，来发掘其中的信息，或是和人工智能结合起来，根据现有信息，预测ALD的极限在哪里，其应用范围有多广等等，这些都是未来ALD可能发展的方向。
幻实（主播）:庄教授讲得太精彩了，确实ALD还有很长的路要走。感谢您做客我们芯片揭秘，并且和大家分享了这么多，也欢迎您后续有更好的研究话题再和我们分享，最后，您有什么想在我们栏目上呼吁的呢？
庄黎伟（嘉宾）:从职业角度出发，首先，作为一个科研工作者，我认为ALD这项技术非常具有前景，同时它目前的研究也不够充分。在我往后的科研生涯中，ALD至少还能再研究10年，包括ALD本身的一些原理以及应用；其次，作为一个教育工作者，我希望为ALD这项技术培养更多的人才，同时，我想把华东理工大学的校训送给大家，“勤奋求实 励志明德”，虽然这八个字听上去不是特别高大上，但在大家未来的路上，一定会发挥出重要的作用。
原子层沉积（Atomic layer deposition)是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。该方法对基材不设限，尤其适用于具有高深宽比或复杂三维结构的基底。采用ALD制备的薄膜具有高致密性（无针孔）、高保形性及大面积均匀性等优异性能，这对薄膜的应用具有重要的实际意义。作为集成电路先进制程中薄膜沉积的核心工艺，ALD可以在大尺寸（8-12英寸）晶圆纳米孔道内沉积埃米级精度的功能薄膜。
华东理工大学化工学院庄黎伟博士，与美国约翰霍普金斯大学、普林斯顿大学、北卡罗莱纳州立大学等单位合作，开发了一套原子层沉积（ALD）反应器多尺度模型，可用于预测ALD反应器尺度高真空流体流动、传热、传质过程；同时，该模型也可以预测基底纳米孔道内薄膜沉积过程，用于描述2-5纳米孔道内前驱体扩散、吸附、脱附、沉积反应以及孔道收缩直至堵塞的动态过程。相关研究为基于ALD技术的各类材料、器件制备过程的优化和放大问题奠定了理论和技术基础；同时，相关模型和模拟方法，对芯片、光伏、燃料电池、分离膜、催化剂等基于ALD技术的制备过程有普遍化应用价值，可直接用于各类商业化ALD反应器的优化和新型ALD反应器的开发。
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