歐洲計(jì)量研究計(jì)劃對(duì)中國微電子計(jì)量技術(shù)發(fā)展的借鑒

李 雷 張 慧 張 紅 沙長濤

(中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100176)

1 引 言

21世紀(jì)以來，隨著以納米、新材料、信息通信為代表的科技革命迅猛發(fā)展，全球進(jìn)入了空前的產(chǎn)業(yè)革新時(shí)代[1,2]。計(jì)量作為推動(dòng)科技創(chuàng)新、加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障國家安全的重要技術(shù)基礎(chǔ)，成為各國爭(zhēng)先發(fā)展的科技戰(zhàn)略前沿。在這種趨勢(shì)推動(dòng)下，歐美等發(fā)達(dá)國家相繼制定計(jì)量戰(zhàn)略規(guī)劃，加大計(jì)量科研投入，以搶占新一輪科技經(jīng)濟(jì)制高點(diǎn)[3]。

作為集政治和經(jīng)濟(jì)于一身的區(qū)域一體化組織，歐盟在區(qū)域協(xié)作方面引領(lǐng)世界方向[4]。2009年，歐盟開啟了一項(xiàng)由20多個(gè)國家參與的計(jì)量合作研究——?dú)W洲計(jì)量研究計(jì)劃(European Metrology Research Programme，EMRP)，針對(duì)與國家經(jīng)濟(jì)、科技、軍事休戚相關(guān)的量子基準(zhǔn)、能源、環(huán)境、納米、健康等計(jì)量新領(lǐng)域開展研究。這不僅保證了歐盟能夠在全世界保持經(jīng)濟(jì)與科技上的先進(jìn)性，也推動(dòng)了歐盟各國計(jì)量保障能力的快速提升。

現(xiàn)階段，我國微電子計(jì)量在建設(shè)能力、規(guī)劃水平等方面已經(jīng)不能滿足微電子日新月異的發(fā)展需求[5]。在信息化條件下，只有大力學(xué)習(xí)和借鑒歐盟各國微電子計(jì)量建設(shè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，開展EMRP中微電子計(jì)量研究計(jì)劃的跟蹤及研究，轉(zhuǎn)變我國微電子計(jì)量建設(shè)的發(fā)展思路，才能促進(jìn)我國微電子計(jì)量產(chǎn)生跨越式發(fā)展[6]。

2 EMRP中的微電子計(jì)量技術(shù)研究

2002年，一項(xiàng)高端計(jì)量創(chuàng)新模式研究在多個(gè)歐洲國家計(jì)量院之間開展，他們?cè)诜簹W洲區(qū)域內(nèi)提出了“歐洲計(jì)量研究項(xiàng)目(MERA)”，隨后又開展了接續(xù)的研究項(xiàng)目“實(shí)施MERA項(xiàng)目(iMERA)”，為開展更大范圍內(nèi)的計(jì)量聯(lián)合研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在歐盟框架計(jì)劃的支持下，歐盟開展了更為廣泛和深入的計(jì)量合作研究工作，該研究工作分別經(jīng)歷了iMERA-PLUS和EMRP兩個(gè)階段。

在100余項(xiàng)EMRP項(xiàng)目中，與微電子計(jì)量相關(guān)的聯(lián)合研究項(xiàng)目見表1。

表1 EMRP中的微電子計(jì)量項(xiàng)目

2.1 薄膜制造計(jì)量

薄膜材料具備體材料所不具有的新穎特性，從而廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、光電子等領(lǐng)域。電子薄膜產(chǎn)業(yè)是全球產(chǎn)業(yè)的核心之一，為了保持歐洲在全球電子薄膜產(chǎn)業(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)地位，必須提高薄膜的生產(chǎn)質(zhì)量、降低成本并縮短新品上市時(shí)間。對(duì)于薄膜材料而言，制造的挑戰(zhàn)是控制薄膜生產(chǎn)的一致性，由于對(duì)薄膜材料的組成和結(jié)構(gòu)變化如何影響熱導(dǎo)率等特性缺乏精確了解，因而限制了薄膜材料的生產(chǎn)。工藝漂移、局部缺陷引起的薄膜材料變化需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制方法來檢測(cè)，給薄膜材料計(jì)量帶來了巨大的挑戰(zhàn)，此外，當(dāng)前薄膜測(cè)量方法是獨(dú)立發(fā)展的，沒有考慮薄膜性能之間的相互關(guān)系。

該研究通過優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)，并開發(fā)新的計(jì)量技術(shù)來控制薄膜材料生產(chǎn)的一致性和均勻性，通過改善薄膜產(chǎn)品的性能來開發(fā)新型薄膜光電技術(shù)。建立了泛歐洲的計(jì)量能力，為薄膜材料的特性、組成和結(jié)構(gòu)提供有效的可追溯計(jì)量，提升薄膜大面積的均勻性和特性一致性。

該研究開展的研究工作包括如下六方面。

1)材料和薄膜特性(熱傳輸特性，載流子遷移率，薄膜表征參數(shù))的可追溯性和測(cè)量結(jié)果的驗(yàn)證；

2)準(zhǔn)確、可追溯的測(cè)量通過阻擋層的水蒸氣透過率；

3)通過非破壞性和非接觸式測(cè)量來表征薄膜形態(tài)；

4)表征和開發(fā)與生產(chǎn)有關(guān)的參考材料和轉(zhuǎn)移標(biāo)準(zhǔn)；

5)開發(fā)在生產(chǎn)中應(yīng)用的測(cè)量薄膜厚度和光電特性的新技術(shù)；

6)開發(fā)用于不均勻薄膜的可追蹤光學(xué)測(cè)量。

2.2 傳感器、材料和結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)和隨時(shí)間變化的尺寸漂移行為

在電子、半導(dǎo)體和納米材料等行業(yè)領(lǐng)域，精密加工對(duì)歐洲公司的國際競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。隨著精密加工向高端生產(chǎn)發(fā)展和測(cè)量設(shè)備更高精度的要求，幾乎所有高精度測(cè)量和生產(chǎn)裝置(包括光刻機(jī)、高分辨率顯微鏡、電氣測(cè)量裝置)會(huì)受到環(huán)境參數(shù)(例如溫度、濕度、氣壓和儀器的時(shí)間穩(wěn)定性)變化的影響，溫度變化和隨時(shí)間變化的漂移已嚴(yán)重限制了精密加工中傳感器，材料和結(jié)構(gòu)性能。

該研究主要通過開發(fā)更穩(wěn)定、更耐高溫的材料和測(cè)量裝置，提高歐洲相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)效率和國際競(jìng)爭(zhēng)力，支持日益穩(wěn)定的精密加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？傮w目標(biāo)是優(yōu)化精密加工制造和測(cè)量裝置的熱穩(wěn)定性，提高裝置精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而節(jié)省原材料并減少零件的加工時(shí)間。

該研究開展的研究工作包括如下七方面。

1)開發(fā)了一種用于測(cè)量材料尺寸變化的儀器；

2)開發(fā)了用于測(cè)量溫度對(duì)材料長期物理性能影響的方法；

3)評(píng)估了一系列工業(yè)材料和不同接頭類型長期性能的變化；

4)開發(fā)了用于室溫的自校準(zhǔn)溫度測(cè)量系統(tǒng)；

5)開發(fā)了改進(jìn)的熱模型，以更好地理解和預(yù)測(cè)通過精密加工裝置的熱流；

6)為最終用戶建立了項(xiàng)目結(jié)果數(shù)據(jù)庫；

7)為開發(fā)耐高溫精密加工裝置制定了良好實(shí)踐指南。

2.3 電子和光學(xué)器件制造的小結(jié)構(gòu)計(jì)量

在半導(dǎo)體和光學(xué)行業(yè)等領(lǐng)域中，納米電子器件結(jié)構(gòu)尺寸，即臨界尺寸(CD)的精確可靠測(cè)量，是必不可少的。國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS)指出，小結(jié)構(gòu)尺寸的測(cè)量能力是半導(dǎo)體行業(yè)未來發(fā)展的關(guān)鍵組成部分。由于結(jié)構(gòu)小型化以及特征細(xì)節(jié)對(duì)結(jié)構(gòu)表面功能的影響越來越大，亞微米范圍內(nèi)小結(jié)構(gòu)的三維(3D)表征和表征速度成為全球挑戰(zhàn)性主題。隨著結(jié)構(gòu)尺寸的不斷縮小以及納米電子器件更加復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，需要改進(jìn)測(cè)量該尺寸的測(cè)量工具和方法。

在半導(dǎo)體工業(yè)中，有兩種類型的方法來表征和控制關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸：高分辨率的顯微方法，例如原子力顯微鏡(AFM)和掃描電子顯微鏡(SEM)；以及分析基于結(jié)構(gòu)化表面上散射光的光學(xué)方法，即散射測(cè)定法。但是，尚未開發(fā)出一種系統(tǒng)的、連貫的方法來組合這些不同的測(cè)量工具，也沒有一種公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)適用于這些測(cè)量方法，以匹配從不同儀器獲得的結(jié)果。

為了克服光散射法的局限性，并滿足當(dāng)前和將來的計(jì)量要求，該研究開展的研究工作包括如下五方面。

1)改進(jìn)散射法的準(zhǔn)確性、可追溯性和3D能力；

2)將散射法擴(kuò)展到更短的波長，極化法和傅立葉散射法；

3)開發(fā)超高分辨率顯微鏡(AFM，SEM)以支持散射測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)與散射測(cè)量的比較；

4)開發(fā)高效可靠的方法以對(duì)不同計(jì)量方法進(jìn)行組合數(shù)據(jù)分析；

5)散射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，開發(fā)，測(cè)試和校準(zhǔn)。

2.4 基于納米級(jí)應(yīng)變控制的新型電子器件

在歐洲制造業(yè)中，電子行業(yè)占整個(gè)制造業(yè)附加值的13%(2010數(shù)據(jù))，隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展，這一份額正在逐漸增大，納米技術(shù)正在提高歐洲競(jìng)爭(zhēng)力并改善歐洲公民的生活。伴隨摩爾定律中晶體管微型化的傳統(tǒng)縮放趨勢(shì)預(yù)計(jì)在未來十年內(nèi)出現(xiàn)物理尺寸極限，歐洲電子產(chǎn)業(yè)必須進(jìn)行創(chuàng)新，以保持競(jìng)爭(zhēng)力。在一系列新技術(shù)中，有一種新的器件概念是基于壓電效應(yīng)精確控制納米級(jí)應(yīng)變的，它有可能取代傳統(tǒng)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)。由于壓電材料具有獨(dú)特的性能，使其成為未來納米級(jí)電子開關(guān)的理想選擇。

在高應(yīng)力、高場(chǎng)強(qiáng)和納米尺寸條件下，準(zhǔn)確可靠地追蹤新功能材料中的應(yīng)變，對(duì)新材料開發(fā)、有效設(shè)計(jì)、表征和測(cè)試新器件的可靠性至關(guān)重要。但目前尚無對(duì)壓電材料中的機(jī)電耦合進(jìn)行可追蹤測(cè)量的計(jì)量框架或設(shè)施。該項(xiàng)目主要是開發(fā)歐洲范圍內(nèi)的計(jì)量基礎(chǔ)和設(shè)施，以用于半導(dǎo)體行業(yè)中壓電材料應(yīng)變的可追溯測(cè)量。通過開發(fā)先進(jìn)的基于納米級(jí)應(yīng)變控制的新型電子器件分析技術(shù)，精確測(cè)量應(yīng)變引入原子結(jié)構(gòu)的變化，以支持新一代電子學(xué)納米級(jí)壓電材料的研究。

該研究開展的研究工作包括如下五方面。

1)通過原位干涉測(cè)量和同步加速器X射線衍射建立可追溯應(yīng)變計(jì)量學(xué)與晶體學(xué)應(yīng)變之間的聯(lián)系；

2)使用IR-SNOM開發(fā)超高空間分辨率的光學(xué)應(yīng)變測(cè)量方法；

3)用破壞性方法開發(fā)宏觀應(yīng)變計(jì)量學(xué)的可追溯驗(yàn)證，以繪制殘余應(yīng)變和活動(dòng)應(yīng)變；

4)開發(fā)多物理場(chǎng)材料建模；

5)將數(shù)字圖像處理應(yīng)用擴(kuò)展到納米級(jí)AFM、SEM和其他應(yīng)變映射圖像。

2.5 納米結(jié)構(gòu)器件的可追溯表征

微納電子世界正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命，以應(yīng)對(duì)微型化、功耗、功率密度和處理速度方面的新挑戰(zhàn)。特征尺寸小于30nm的新型無機(jī)半導(dǎo)體材料(Ge，InGaAs，GaN，SiC和高k介電材料)和新型3D架構(gòu)(多柵極FET，納米線T-FET等)正在取代傳統(tǒng)的硅器件，迫切需要對(duì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、有埋入式界面和納米深度分辨率的新型無機(jī)電子材料進(jìn)行可追溯的測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)此類器件的有效設(shè)計(jì)和制造。此外，基于有機(jī)半導(dǎo)體的電子產(chǎn)品(由有機(jī)小分子以有序組合排列的導(dǎo)電聚合物制成)的出現(xiàn)，迫切需要研究3D納米級(jí)化學(xué)和電成像的方法。

該研究使用新穎的3D架構(gòu)，開發(fā)可追溯測(cè)量和表征下一代集成納米結(jié)構(gòu)器件物理和化學(xué)特性的技術(shù)，滿足微納電子行業(yè)對(duì)高級(jí)測(cè)量的需求。

該研究開展的研究工作包括如下三方面。

1)通過對(duì)納米層進(jìn)行化學(xué)深度剖析，改進(jìn)表征無機(jī)納米層和埋入式界面的非破壞性方法；

2)通過二次離子質(zhì)譜與新型大規(guī)模氬氣團(tuán)簇濺射，對(duì)有機(jī)電子材料進(jìn)行3D納米化學(xué)成像；

3)開發(fā)有機(jī)電子材料3D納米級(jí)電表征的新方法，研究納米結(jié)構(gòu)自組裝的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

2.6 NEMS計(jì)量學(xué)/使用NEMS進(jìn)行計(jì)量

隨著工業(yè)需求復(fù)雜性的提升，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)速度和性能的提高正在推動(dòng)其尺寸縮小到納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)。作為一項(xiàng)新的關(guān)鍵性技術(shù)，NEMS可以為信息通信技術(shù)等領(lǐng)域的工業(yè)需求和各種技術(shù)壁壘提供解決方案。隨著設(shè)備和結(jié)構(gòu)的尺寸減小，需要新的技術(shù)和方法來實(shí)現(xiàn)(或需要)創(chuàng)新計(jì)量，以滿足NEMS開發(fā)中的計(jì)量需求。

NEMS的發(fā)展既可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新計(jì)量，也可以影響多個(gè)行業(yè)發(fā)展。該研究開發(fā)的NEMS諧振器和執(zhí)行器解決了“超越經(jīng)典計(jì)量”、納米技術(shù)、超低損耗新材料、單個(gè)實(shí)體的計(jì)量等問題，促進(jìn)了生物、安全、電信和傳感等領(lǐng)域可追溯的測(cè)量要求的提出。

該研究開展的研究工作包括如下五方面。

1)優(yōu)化用于高性能NEMS的新型材料；

2)開發(fā)新的近場(chǎng)微波諧振器激發(fā)和讀出技術(shù)；

3)開發(fā)可追溯計(jì)量的NEMS傳感器和檢測(cè)器陣列；

4)開發(fā)實(shí)現(xiàn)“超出傳統(tǒng)”熱極限測(cè)量的動(dòng)態(tài)冷卻方法；

5)制造和優(yōu)化在接近熱平衡量子極限條件下運(yùn)行的低溫SQUID-NEMS組合。

3 中國微電子計(jì)量技術(shù)展望

3.1 前沿技術(shù)引領(lǐng)

EMRP務(wù)實(shí)開放地征集項(xiàng)目建議，牢固立足于服務(wù)歐盟經(jīng)濟(jì)增長和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，切實(shí)踐行了計(jì)量超前于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的定位。通過計(jì)量前沿探索，開拓國際計(jì)量合作的新模式，促進(jìn)了歐洲科技資源的融合和互補(bǔ)，催生出更強(qiáng)的研究能力[7]。

基于歐盟在EMRP的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)立針對(duì)微電子計(jì)量技術(shù)發(fā)展的前沿技術(shù)研究機(jī)構(gòu)。通過分析研究現(xiàn)有微電子技術(shù)，并結(jié)合國外前沿技術(shù)研究機(jī)構(gòu)相關(guān)的先進(jìn)微電子計(jì)量技術(shù)，創(chuàng)新提出未來我國微電子計(jì)量領(lǐng)域?qū)⒁l(fā)展和應(yīng)用的新材料、方法和技術(shù)。依托科研院所、高等院校、產(chǎn)業(yè)集團(tuán)對(duì)微電子技術(shù)的需求，以科技專項(xiàng)、重大工程為牽引，深入產(chǎn)業(yè)一線，深入科研現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合薄膜材料、納米器件、NEMS等在我國微電子發(fā)展中的應(yīng)用，確定一批微電子計(jì)量前沿關(guān)鍵技術(shù)。推進(jìn)計(jì)量引領(lǐng)科技發(fā)展的前瞻性和基礎(chǔ)性，引導(dǎo)資源融合和互補(bǔ)，共同提高新技術(shù)方向的科研能力和水平。

3.2 共享合作模式探索

EMRP在執(zhí)行過程中，通過統(tǒng)籌資源和優(yōu)化配置，充實(shí)和完善創(chuàng)新鏈，積極吸引社會(huì)各界廣泛參與，成功建立了公-公伙伴關(guān)系，和牢固的公-私伙伴關(guān)系。通過與科技、工業(yè)的最終用戶分享項(xiàng)目成果產(chǎn)出，將研究成果共享給國際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，公開測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試樣品供“大眾共享”，編制實(shí)踐指南對(duì)各企業(yè)公司進(jìn)行“指導(dǎo)”等方式，擴(kuò)大EMRP的影響力和參與度。

在微電子、高端裝備制造等領(lǐng)域，有眾多處于產(chǎn)業(yè)鏈下游的中小企業(yè)，他們思想活躍、富有活力，是技術(shù)創(chuàng)新的重要力量。推動(dòng)中小企業(yè)優(yōu)勢(shì)科技資源的集聚和融合，是實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必由之路。目前，我國的參與機(jī)制體制還不夠健全，合作模式還不夠完善，嚴(yán)重制約了企業(yè)、高校、民間機(jī)構(gòu)參與計(jì)量科研攻關(guān)建設(shè)的積極性。可以開展合作模式改革試點(diǎn)，引導(dǎo)優(yōu)勢(shì)計(jì)量機(jī)構(gòu)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出的企業(yè)、高校、機(jī)構(gòu)合作，在全社會(huì)、全行業(yè)有針對(duì)性的推進(jìn)計(jì)量工作。通過探索引導(dǎo)，創(chuàng)新合作方式，構(gòu)建科技資源共享互動(dòng)平臺(tái)、資源信息服務(wù)平臺(tái)、成果服務(wù)轉(zhuǎn)化平臺(tái)、決策咨詢服務(wù)平臺(tái)，甄別和吸引有資質(zhì)的企業(yè)、高校、機(jī)構(gòu)參與微電子計(jì)量研究，促進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)、項(xiàng)目、成果等方面的交流，實(shí)現(xiàn)計(jì)量產(chǎn)業(yè)的集群發(fā)展。

3.3 協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展

協(xié)同創(chuàng)新極大可能創(chuàng)造出具有革命性轉(zhuǎn)型的技術(shù)，給國家安全和經(jīng)濟(jì)帶來巨大效益。但由于其領(lǐng)先于當(dāng)下技術(shù)，還可能與現(xiàn)存技術(shù)斷代，失敗風(fēng)險(xiǎn)巨大，且軍事和商業(yè)用途前景均不明確，難以依靠某一方獨(dú)立完成。EMRP中很多項(xiàng)目通過鼓勵(lì)國際計(jì)量學(xué)界參與，探索實(shí)行由3個(gè)以上國家的5～15個(gè)計(jì)量機(jī)構(gòu)，以及一些高校、工業(yè)界的合作單位或?qū)＜衣?lián)合承擔(dān)，促進(jìn)掌握創(chuàng)新技術(shù)的機(jī)構(gòu)、企業(yè)、高校等共同研發(fā)，形成更廣泛、更具競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)造力的科技工業(yè)基礎(chǔ)。

就計(jì)量而言，很多人才、技術(shù)、大型設(shè)備及數(shù)據(jù)資料等，都兼?zhèn)浞?wù)國防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的功能，在微電子等戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域開展廣泛的協(xié)同創(chuàng)新和合作，有效整合軍民科研力量和資源，開展關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)，拓展優(yōu)勢(shì)技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化運(yùn)用范圍，充分尊重價(jià)值規(guī)律和市場(chǎng)規(guī)律，尊重參與主體的利益實(shí)現(xiàn)，對(duì)開發(fā)共用計(jì)量技術(shù)、防止重復(fù)建設(shè)，促進(jìn)我國微電子計(jì)量保障水平的提升，具有現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義[8,9]。

4 結(jié)束語

EMRP加強(qiáng)了歐洲科學(xué)基礎(chǔ)的卓越性，發(fā)展了歐洲的計(jì)量能力，使歐洲研究和創(chuàng)新體系在全球范圍內(nèi)更具競(jìng)爭(zhēng)力。通過借鑒他們的研究經(jīng)驗(yàn)和成果，在開放融合的背景下，結(jié)合中國微電子計(jì)量發(fā)展的實(shí)際，探索擴(kuò)大合作、共享資源、協(xié)同創(chuàng)新，對(duì)中國微電子計(jì)量健康有序發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。