歐洲計量研究計劃對中國微電子計量技術(shù)發(fā)展的借鑒

李 雷 張 慧 張 紅 沙長濤

(中國電子技術(shù)標準化研究院，北京 100176)

1 引 言

21世紀以來，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，全球進入了空前的產(chǎn)業(yè)革新時代[1,2]。計量作為推動科技創(chuàng)新、加快經(jīng)濟發(fā)展、保障國家安全的重要技術(shù)基礎(chǔ)，成為各國爭先發(fā)展的科技戰(zhàn)略前沿。在這種趨勢推動下，歐美等發(fā)達國家相繼制定計量戰(zhàn)略規(guī)劃，加大計量科研投入，以搶占新一輪科技經(jīng)濟制高點[3]。

作為集政治和經(jīng)濟于一身的區(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，歐盟開啟了一項由20多個國家參與的計量合作研究——歐洲計量研究計劃(European Metrology Research Programme，EMRP)，針對與國家經(jīng)濟、科技、軍事休戚相關(guān)的量子基準、能源、環(huán)境、納米、健康等計量新領(lǐng)域開展研究。這不僅保證了歐盟能夠在全世界保持經(jīng)濟與科技上的先進性，也推動了歐盟各國計量保障能力的快速提升。

現(xiàn)階段，我國微電子計量在建設(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量建設(shè)的先進經(jīng)驗，開展EMRP中微電子計量研究計劃的跟蹤及研究，轉(zhuǎn)變我國微電子計量建設(shè)的發(fā)展思路，才能促進我國微電子計量產(chǎn)生跨越式發(fā)展[6]。

2 EMRP中的微電子計量技術(shù)研究

2002年，一項高端計量創(chuàng)新模式研究在多個歐洲國家計量院之間開展，他們在泛歐洲區(qū)域內(nèi)提出了“歐洲計量研究項目(MERA)”，隨后又開展了接續(xù)的研究項目“實施MERA項目(iMERA)”，為開展更大范圍內(nèi)的計量聯(lián)合研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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

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

表1 EMRP中的微電子計量項目

2.1 薄膜制造計量

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間。對于薄膜材料而言，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格的質(zhì)量控制方法來檢測，給薄膜材料計量帶來了巨大的挑戰(zhàn)，此外，當(dāng)前薄膜測量方法是獨立發(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))的可追溯性和測量結(jié)果的驗證；

2)準確、可追溯的測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)移標準；

5)開發(fā)在生產(chǎn)中應(yīng)用的測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)測量。

2.2 傳感器、材料和結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計和隨時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，精密加工對歐洲公司的國際競爭力至關(guān)重要。隨著精密加工向高端生產(chǎn)發(fā)展和測量設(shè)備更高精度的要求，幾乎所有高精度測量和生產(chǎn)裝置(包括光刻機、高分辨率顯微鏡、電氣測量裝置)會受到環(huán)境參數(shù)(例如溫度、濕度、氣壓和儀器的時間穩(wěn)定性)變化的影響，溫度變化和隨時間變化的漂移已嚴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量裝置，提高歐洲相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)效率和國際競爭力，支持日益穩(wěn)定的精密加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。總體目標是優(yōu)化精密加工制造和測量裝置的熱穩(wěn)定性，提高裝置精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，進而節(jié)省原材料并減少零件的加工時間。

該研究開展的研究工作包括如下七方面。

1)開發(fā)了一種用于測量材料尺寸變化的儀器；

2)開發(fā)了用于測量溫度對材料長期物理性能影響的方法；

3)評估了一系列工業(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溫度測量系統(tǒng)；

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

6)為最終用戶建立了項目結(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踐指南。

2.3 電子和光學(xué)器件制造的小結(jié)構(gòu)計量

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)小型化以及特征細節(jié)對結(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)，需要改進測量該尺寸的測量工具和方法。

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量工具，也沒有一種公認的標準適用于這些測量方法，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)前和將來的計量要求，該研究開展的研究工作包括如下五方面。

1)改進散射法的準確性、可追溯性和3D能力；

2)將散射法擴展到更短的波長，極化法和傅立葉散射法；

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

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

5)散射測量標準的設(shè)計，開發(fā)，測試和校準。

2.4 基于納米級應(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)正在提高歐洲競爭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)縮放趨勢預(yù)計在未來十年內(nèi)出現(xiàn)物理尺寸極限，歐洲電子產(chǎn)業(yè)必須進行創(chuàng)新，以保持競爭力。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)精確控制納米級應(yīng)變的，它有可能取代傳統(tǒng)的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)。由于壓電材料具有獨特的性能，使其成為未來納米級電子開關(guān)的理想選擇。

在高應(yīng)力、高場強和納米尺寸條件下，準確可靠地追蹤新功能材料中的應(yīng)變，對新材料開發(fā)、有效設(shè)計、表征和測試新器件的可靠性至關(guān)重要。但目前尚無對壓電材料中的機電耦合進行可追蹤測量的計量框架或設(shè)施。該項目主要是開發(fā)歐洲范圍內(nèi)的計量基礎(chǔ)和設(shè)施，以用于半導(dǎo)體行業(yè)中壓電材料應(yīng)變的可追溯測量。通過開發(fā)先進的基于納米級應(yīng)變控制的新型電子器件分析技術(shù)，精確測量應(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)通過原位干涉測量和同步加速器X射線衍射建立可追溯應(yīng)變計量學(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)變測量方法；

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

4)開發(fā)多物理場材料建模；

5)將數(shù)字圖像處理應(yīng)用擴展到納米級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)歷一場革命，以應(yīng)對微型化、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電子材料進行可追溯的測量，以實現(xiàn)此類器件的有效設(shè)計和制造。此外，基于有機半導(dǎo)體的電子產(chǎn)品(由有機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)對高級測量的需求。

該研究開展的研究工作包括如下三方面。

1)通過對納米層進行化學(xué)深度剖析，改進表征無機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)模氬氣團簇濺射，對有機電子材料進行3D納米化學(xué)成像；

3)開發(fā)有機電子材料3D納米級電表征的新方法，研究納米結(jié)構(gòu)自組裝的標準物質(zhì)。

2.6 NEMS計量學(xué)/使用NEMS進行計量

隨著工業(yè)需求復(fù)雜性的提升，微機電系統(tǒng)(MEMS)速度和性能的提高正在推動其尺寸縮小到納機電系統(tǒng)(NEMS)。作為一項新的關(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)和方法來實現(xiàn)(或需要)創(chuàng)新計量，以滿足NEMS開發(fā)中的計量需求。

NEMS的發(fā)展既可以實現(xiàn)創(chuàng)新計量，也可以影響多個行業(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)典計量”、納米技術(shù)、超低損耗新材料、單個實體的計量等問題，促進了生物、安全、電信和傳感等領(lǐng)域可追溯的測量要求的提出。

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)新的近場微波諧振器激發(fā)和讀出技術(shù)；

3)開發(fā)可追溯計量的NEMS傳感器和檢測器陣列；

4)開發(fā)實現(xiàn)“超出傳統(tǒng)”熱極限測量的動態(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行的低溫SQUID-NEMS組合。

3 中國微電子計量技術(shù)展望

3.1 前沿技術(shù)引領(lǐng)

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

基于歐盟在EMRP的先進經(jīng)驗，設(shè)立針對微電子計量技術(shù)發(fā)展的前沿技術(shù)研究機構(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)研究機構(gòu)相關(guān)的先進微電子計量技術(shù)，創(chuàng)新提出未來我國微電子計量領(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)集團對微電子技術(shù)的需求，以科技專項、重大工程為牽引，深入產(chǎn)業(yè)一線，深入科研現(xiàn)場，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，確定一批微電子計量前沿關(guān)鍵技術(shù)。推進計量引領(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，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，充實和完善創(chuàng)新鏈，積極吸引社會各界廣泛參與，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)的最終用戶分享項目成果產(chǎn)出，將研究成果共享給國際標準化機構(gòu)，公開測試數(shù)據(jù)和測試樣品供“大眾共享”，編制實踐指南對各企業(yè)公司進行“指導(dǎo)”等方式，擴大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。推動中小企業(yè)優(yōu)勢科技資源的集聚和融合，是實現(xiàn)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必由之路。目前，我國的參與機制體制還不夠健全，合作模式還不夠完善，嚴重制約了企業(yè)、高校、民間機構(gòu)參與計量科研攻關(guān)建設(shè)的積極性。可以開展合作模式改革試點，引導(dǎo)優(yōu)勢計量機構(gòu)與技術(shù)優(yōu)勢突出的企業(yè)、高校、機構(gòu)合作，在全社會、全行業(yè)有針對性的推進計量工作。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平臺、資源信息服務(wù)平臺、成果服務(wù)轉(zhuǎn)化平臺、決策咨詢服務(wù)平臺，甄別和吸引有資質(zhì)的企業(yè)、高校、機構(gòu)參與微電子計量研究，促進關(guān)鍵技術(shù)、項目、成果等方面的交流，實現(xiàn)計量產(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，難以依靠某一方獨立完成。EMRP中很多項目通過鼓勵國際計量學(xué)界參與，探索實行由3個以上國家的5～15個計量機構(gòu)，以及一些高校、工業(yè)界的合作單位或?qū)＜衣?lián)合承擔(dān)，促進掌握創(chuàng)新技術(shù)的機構(gòu)、企業(yè)、高校等共同研發(fā)，形成更廣泛、更具競爭力和創(chuàng)造力的科技工業(yè)基礎(chǔ)。

就計量而言，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)勢技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化運用范圍，充分尊重價值規(guī)律和市場規(guī)律，尊重參與主體的利益實現(xiàn)，對開發(fā)共用計量技術(shù)、防止重復(fù)建設(shè)，促進我國微電子計量保障水平的提升，具有現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義[8,9]。

4 結(jié)束語

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