（原标题：芯片新材料，需求繁盛！）
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开发格式斡旋了新旧工夫，但将任何新材料干预巨额量坐褥齐是一个复杂的过程。
材料供应商正在交代改善功率、性能、扩展和成本问题的开阔压力，这需要经过从合成到开发再到工场巨额量坐褥的漫万古刻线。机器学习的超越有助于提供平方的候选界限，然后工程师将其消弱到潜在用途。
在构建圭臬逻辑半导体芯转眼，主要材料了然于目——硅、氮化硅和氧化物以及金属。它们被装入由树脂和金属片制成的封装中。但这一节略的详细严重低估了制酿制品开采所需的其他相沿材料的数目。尽管芯片行业多年来一直悉力于此，但鼓舞晶圆和封装工艺所需的新材料数目似乎源源束缚。
其中一些材料是临时的，将在加工过程中被去除。其他材料则为氮化硅或二氧化硅提供替代品，以竣事更好的蚀刻遴荐性。还有一些材料充任硬掩模、粘合剂大致多其他庸俗的扮装。统统这些齐至关进军，但字据新材料的指标，它们可能需要数年才能开发出来。瞻望翌日关于确保新硅或封装工艺开发得手进行到坐褥至关进军。
当新材料成为新工艺或工艺变体的基础时，对新材料的需求可能变得了然于目，但需要不同材料的原因还有好多。“咱们曾与一位客户合作，他需要断然一种新的光刻胶，因为本来的光刻胶依然不再可用，” Tignis营销副总裁 David Park 说说念。不管动机如何，新材料的开发可能是一个漫长的过程。
用于先进封装 3D 堆叠的薄化晶圆。来源：Brewer Science
Brewer Science 等公司主要提供半导体行业所需的材料。晶圆厂和半导体开采制造商依靠这些公司来竣事需要不同干预的新工艺。尽管不同材料的用途可能大不通常，但它们的开发却具有许多共同点。
材料的广义界说
谋划不同的材料供应商什么是新材料，你会得到各式万般的谜底。最显著的谜底是合成以前不存在的材料。这本色上相对不常见。更常见的是找到使用更有用或更高效的工艺来创造现存物资的新格式。
正在开发的一些材料是对现存材料的翻新，以恰当新的要求。其他材料可能代表一种新的元素组合，而不是一种新分子。谈判的范围依然大大扩展。“二十年前，咱们只谈判在芯片中使用元素周期表中的 7 到 10 种元素，”德国默克集团达姆施塔特分公司在好意思国和加拿大的电子业务部门 EMD Electronics 的首席商务官 Anand Nambiar 说。“如今，至少有 70 或 75 种元素正在巨额量坐褥或以某种时局进行开发。”
从历史上看，这些材料中的大多数（前体、光刻胶、掩模）齐是有机的。但金属氧化物运行在图案化和蚀刻中阐扬更大的作用。“传统上，Brewer 想象了有机材料，并在往时 20 年中为硬掩模利用添加了硅材料，” Brewer Science公司规划员 James Lamb 发挥说。“但咱们也添加了金属硬掩模，是以咱们现在正在进入无机界限。”
由于许多材料依然存在，因此对新物成自己请求专利并不常见。进军的是制造它们的格式，而工艺专利更为常见。但配方、材料过甚利用表情组成一个举座，必须通盘谈判。在某些情况下，通常的分子可能用于不同的地方或层，但厚度不同。谈判到配方，有些东说念主也觉得它们是不同的材料。
进军的材料特色始于其在利用中的性能，但并不啻于此。获取、千里积、副响应和许多其他谈判因素齐会影响物资是否符合用于巨额量坐褥。
热点新工艺的热点材料
与材料公司的对话揭示了现在正在规划的材料种类。举例，Brewer Science 一直在翻新封装底部填充材料——在构建封装芯转眼提供物理踏实性的材料。它们必须是电惰性的。“咱们的指标是制造不需要短路的材料，”Brewer Science 首席工夫官 Rama Puligadda 说。“它们不成导电。它们必须是导热的。”
旋涂碳材料在使用薄光刻胶时能够改善图案化。这里的要道要求是它们必须在高温下保握踏实，举例千里积过程中的高温。“这些东西不成放气，因为它会使化学气相千里积 (CVD) 材料或原子层千里积 (ALD) 材料在高温下爆裂和冲破，”Lamb 发挥说念。
简直从界说上讲，新电板化学需要新材料。西门子数字工业软件公司电板世界专揽、高档总监普尼特·辛哈 (Puneet Sinha) 暗示：“汽车续航里程或快速充电的某种表情、体式或时局齐取决于材料。”
Atomera 使用一种稀薄常见的材料——氧气。其新颖之处在于其利用和使用表情。举例，在外延硅助长过程中，晶圆会表示在氧气中。氧气不及以形成 SiO 2，因为每个硅原子需要两个氧原子。相悖，名义的硅原子具有不错勾引到单个氧原子上的悬空键。
Atomera 首席实施官 Scott Bibaud 暗示：“咱们取氧原子，并将它们掺杂在单层上。但它不是氧化物。它是部分单层氧。因此，底下有一个圆善的硅晶格，中间有一个误解的场，哪里有氧原子。但在那上头，你不错不竭助长圆善的硅。”
这种堆叠有多种用途。由于键具有一定的机械旋转解放度，它不错充任两种具有不同热扩张所有这个词 (CTE) 的材料之间的过渡层，有助于贯注开裂或其他可靠性问题。举例，氮化镓 (GaN) 是在硅上助长的，在冷却时容易开裂。Atomera 暗示，其氧层不错缓解 GaN 和硅之间应力和 CTE 不匹配酿成的应力。在晶体管栅极中，一些氧气不错浮起以断根栅极氧化物过渡。它还不错充任杂质摄取剂。它不错裁减晶体管的变异性。
另一项要道材料开发波及 EUV 薄膜（保护极紫外光罩的材料）和镜头涂层的制造。Canatu（以碳纳米管或 CNT 定名）制造基于 CNT 的薄膜。一些用作极紫外 ( EUV ) 光刻的薄膜。其他用作镜头加热器，在相机或激光雷达镜头上形成薄膜。鉴于材料名义积大，该公司还在评估它们在智慧传感器中的实用性。
在 EUV 薄膜中，该工艺是主要的发展场地。碳纳米管并非极新事物，但要将其大界限坐褥出来却很贫困。Canatu 暗示，它依然开发出一种浮动催化剂 CVD 工艺，该工艺只需两步即可制造碳纳米管。该公司暗示，比较之下，竞争敌手的工艺需要 9 步，这会产生大宗碳纳米管粉末，然后必须进行过滤。咫尺用于 EUV 薄膜的传统金属硅化物需要 100 多个门径。
“咱们有两种不同类型的响应器，”Canatu 首席实施官 Juha Kokkonen 暗示。“咱们针对半导体界限优化了一种响应器，其中最进军的元素是清洁工艺和均匀的疏淡网罗。需要长久性（因为扫描仪出动时薄膜会受到高重力）、高紫外线透射率和高达 1500°C 的温度耐受性。镜头加热器需要一组不同的功能。“关于录像头和激光雷达传感器，咱们正在优化电气性能，举例高导电性和稍大的体积。”
Entegris 制造了一种材料，处分了详情纳米片全栅晶体管功函数的挑战。“在晶体管层面，你通过退换高 k 电介质顶部金属的厚度来退换功函数，而该厚度最高可达 150?，”Entegris 先进工夫技俩高档总监 Paul Besser 发挥说念。“但纳米片之间的间距只消 100?。”相悖，Entegris 制造了偶极子移位器（窜改能带结构的掺杂剂）来实施此功能。
Entegris 正在规划的另一种材料是蚀刻罢手层，用于在晶圆后头构建电力输送。晶圆必须从 700 毫米减薄到 50 毫米及以下，但化学机械抛光 (CMP) 耗时太长。大部分去除材料齐通过研磨进行，临了使用 CMP 和等离子/湿法蚀刻进行算帐。为了贯注蚀刻勾引整个晶圆，必须使用透明蚀刻罢手层。Entegris 正在规划晶圆内的 SiGe 层，以提供蚀刻罢手层。
Entegris 的工艺挑战是采用固体前体，而不是更常见的液体前体。固体升华——径直从固体变成气体——气体必须一齐到达晶圆，中间不成发生任何副响应。“若是你在某个温度下蒸发——比如 150 度——若是通往晶圆的旅途上任何地方的温度低于 150 度，它就会千里积下来，”Besser 说。
走最短的路
创造一种新材料——或者为现存材料开发一种新利用或新工艺——有几种遴荐。假定没特地外问题出现，退换现存材料是最快的阶梯。若是这不可能，那么就必须发现一种全新的合成阶梯，可能（但频繁不是）导致一种新材料。“若是[所需属性]在修改范围内，那么咱们不错这么作念，”Resonac 电子业求实施董事 Hidenori Abe 发挥说。“但若是它们需要两倍、三倍或五倍的性能翻新，那么咱们就需要从新运行想象。”
所遴荐的旅途可能取决于材料或工艺的巩固进度。“在千里积前体中，你要束缚尝试寻找更新的分子，”Nambiar 说。“这与光刻胶比较，光刻胶是一种配方材料。你不会窜改主要因素，但你会尝试退换一些小添加剂，使其略有改善。”
Brewer Science 的 Lamb 暗示：“咱们简直老是从咱们已知的运行。这是最快的转换。但在咱们的过程中，咱们频繁不会这么作念。咱们也会寻找替代平台/化学品，除非有东说念主想要现存材料的更厚或更薄版块。”
更典型的是退换特定的材料属性，如耐热性或粘度。气体略有不同，因为它们是单个分子，假定这些分子依然存在，开发责任东要处分将均匀、可预测数目的气体输送到所需名义的后勤挑战。
客户推动开发，但他们并不老是确切地知说念他们想要什么。“巧合他们会来找咱们，说‘咱们想要这种带有配体的材料。你们能坐褥吗？’或者，他们有一个规格，”阿部说。规格中的属性组成了对新材料的要求，而无需径直指定材料。
合作必不可少
开发频繁是一种合作。材料并不是孤苦存在的。相悖，它们与用于利用它们的开采相互作用。新工艺频繁波及开采变更和新材料。芯片制造商传统上与开采公司和材料供应商分开合作，但他们发现，在工艺后期将材料与开采集成时时最终导致需要再行加工材料。
“咱们往时时时自带材料，但巧合产量不高，”Entegris 的 Besser 发挥说念。“咱们不得不回到开采供应商哪里，问他们‘你们能达到这个产量吗？’这导致咱们一度莫得可用的开采。”
现在更常见的情况是，晶圆厂客户将径直与开采供应商合作，而开采制造商将与材料公司合作，以便开采/材料组合阐扬精采作用。“因此，Lam 或 Applied Materials 将与咱们通盘开发材料，然后他们齐会将其先容给客户，”Nambiar 说。然后，客户在开采/材料选项之间进行遴荐。
材料开发并不是一个快速的过程。“大多数新材料需要数年时刻开发，以致可能要数年时刻才能推出，”Nambiar 说说念。Canatu 的 EUV 驻扎膜开发耗时七年。“咱们听取了 [客户] 可能在五年或十年后想要作念什么，然后咱们通盘合作进行宗旨考证，”Abe 说说念。
任何新技俩齐必须包括透澈的初步规划，以了解可能依然存在的专利。尽管材料公司可能但愿勤勤俭俭，但他们可能会际遇已领受专利保护的材料需求。若是一家公司能找到一种绕过现存专利的合成配方，它就不错自行开发。若是这不可能或不切本色，那么它可能需要与其他公司合作，取得该工艺的许可或从其哪里获取前体。
通过本质进行想象
材料开发过程波及本质和模拟的斡旋。大多数材料不是径直想象的，而是通过测量和数据得出的。“我仍然觉得[材料开发]更多的是陶冶性的，”Lamb千里念念说念。
举例，Atomera 使用从新模拟法开发了其工夫，从第一旨趣运行。其他技俩则依靠陶冶数据和全心想象的本质来详情最好配方。Merck/EMD 不错分割晶圆，并在晶圆的不同部分抛弃不同的薄膜堆栈，以裁减成本并加速学习周期。
机器学习 (ML) 有助于构建和运行本质。“咱们使用许多不同的模子来为运行 DoE [本质想象] 的 ML 算法提供数据，”Nambiar 说。“ML 引擎为咱们提供了成百上千种可能性，其中有几种是着实的可能性。当化学家看到它时，他们会说那些是瞎掰八说念，而这些是着实的可能性。而咱们可能需要 100 年的时刻才能想出这些遴荐。”
自动化也有匡助。“通过一语气流动，你不错在一两个小时内运行 100 种不同的响应，通过在线分析，它会将统统这些反馈回系统中，”Lamb 说。东说念主们不错自动使用遣散来调换进一步的探索。
关于领有悠久开发历史的公司来说，数据挖掘尤其有价值。在规划新需求时，获取所稀有据（即使是来自未得手的技俩）也很有用。一些被罢手的技俩可能会重获更生。“咱们确乎对咱们的制造和锤真金不怕火线进行了当代化改良，以便更好地记载响应过程中发生的情况，”Lamb 说。该公司有一个数据挖掘器具“……咱们不错从统统批量责任、测试和评估中获取统统生成的信息，并从中挖掘出咱们现时材料集的场地。”
一些公司开采禁区
并非统统公司齐中意使用统统物资。颠倒要谈判两个因素：安全性和可握续性。
制造半导体老是波及一些危急化学品。几十年前，大学课堂上就陶冶过危急，举例，在东说念主类用手在责任站之间出动晶圆和盒式磁带的时间，用作蚀刻剂的氢氟酸。
从其时起，一些材料可能依然发生了变化，但风险仍然存在。“该行业正在引入金属有机抗蚀剂，它是一种锡基分子，”EMD 的 Nambiar 指出了另一个例子。“字据你辩驳的氧化锡类型，毒性可能会有所不同。”尽管公司频繁会尽可能专注于无毒材料的干预和产出，但这并不老是可行的。
硅烷等自燃物资是危急物资的另一种例子——不是因为它们自己有毒（诚然它们可能有毒），而是因为当它们与空气或水战役时会自燃。这带来了一系列的后勤挑战，因为安全谈判必须波及材料在现场和存放过程中，以及整个输送和储存过程中。
因此，一些公司试图幸免将具有这些危急特色的某些物资运往物流。“咱们不处理自燃物，”贝瑟说。他发挥说，举例，在使用铝时，“……你不错用 TMA [三甲基铝] 来处理，这是一种自燃物，咱们不想处理它们，因为有健康风险。”
可握续性还波及环境、地缘政事和东说念主权方面的谈判。一些原材料的开采可能会际遇其中任何或统统挑战。举例，锂和钴的开采就存在矿工责任条款的问题。中国收尾着许多稀土资源，这使其在政事上的风险更大。
“咱们根底莫得冲突矿物，”贝瑟说。“咱们闪避地缘政事地区。咱们统统的供应商齐签署了一份生意条约，承诺在向咱们供货时不会使用任何冲突矿物。为了职工和供应链的安全，咱们拒却了任何生意契机。”
出于环保谈判，其他材料正在悠闲淘汰。“咱们还在某些材料中使用 PFAS [全氟和多氟烷基物资]，”Nambiar 说。“咱们的客户要求咱们去除这些 PFAS。”
扩大界限并非理所天然
一朝一种新材料或合成阶梯准备好干预坐褥，就需要采用一些依次将本质室界限飘荡为生意界限。“规划是一趟事，扩大界限并以合适的成本安全请托又是另一趟事，”Nambiar 说说念。
其他东说念主也快活这一不雅点。“从烧瓶到坐褥的扩大是你靠近的最大风险因素之一，”Lamb 指出。“你不错在本质室里作念大部分事情，并且成本不会太高。但一朝你运行扩大锤真金不怕火线的界限，咱们就必须设立一条新的管说念和制造才智来相沿它。”
这种扩大界限的过程可能并不简便。坐褥小批量的响应器和其他基础设施在巨额量坐褥中可能遣散欠安。举例，在带有外部加热元件的大型响应器中，将一定体积的气体加热到均匀的温度可能比在微型响应器中更难，因为响应器的中心可能更难保握一定温度。一朝巨额量坐褥某种材料，可能还需要新的分析格式来确保其质料。
在技俩运行时可能无法策画扩大界限，因为可能还不知说念必要的经由和开采。但跟着本质运行详情处分决议，必须尽快谈判全面坐褥，因为这可能需要新开采或与其他供应商设立关系。本质室开采和坐褥开采频繁由不同的公司坐褥，新开采必须经过透澈审查。“咱们必须交叉检查建筑材料，因为咱们老是要处理离子稠浊，”Lamb 说。
原材料的可用性也可能是一个谈判因素。“这些原材料可能接近也可能不接近半导体级，”Lamb 指出。“若是你需要它们提供的特色，它们可能需要经过严格的净化。这需要破耗大宗时刻并增多成本。”
扩大界限的需求标明开发新材料取得特开头。一些技俩可能永恒无法走得那么远，这是因为阛阓的变化而不是材料自己的失败。在 EUV 光刻工夫干预坐褥之前，曾有东说念主勤恳开发 157nm 的临时光刻波长。该工夫最终让位于 EUV，而 157nm 从未干预坐褥。即使是最终得手的 EUV 的开发也波及了许多替代格式，其中大多数齐莫得得手。束缚的变化对那些正在开发的材料来说是一个挑战。
结语
归根结底，材料开发是一个依靠东说念主类提供调换、常识和专科常识的过程。这个界限充满了规划微妙宗旨的博士，但只是领有博士学位是不够的。“咱们试图雇佣好多领有博士学位的化学家，并确保他们不全是光刻 [行家]，”兰姆说。“是以咱们有无机化学家、金属有机化学家、纯合成化学家和材料科学家。你不错取得好多主张的交叉授粉，这确凿很有匡助。”
这个过程也受益于所谓的“部落常识”。这些本质数据库必不可少，但团队挖掘这些数据的陶冶也同样进军。多年的材料开发会形成对潜在有用场地的直观和直观，而更生动的格式可能会错过这些直观和直观。
谈判到后登纳德缩放时间靠近的握续挑战，为了保握半导体成本、性能和功耗方面的超越，越来越需要阴私的创意。由于许多创意齐探索了未知界限，因此不错服气的是，新材料将是将它们干预坐褥的必要条款。对具有材料妙技的公司和工程师的需求应该会握续很万古刻。
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