（原标题：芯片新材料，需求茂盛！）
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开发方法结合了新旧时期，但将任何新材料插足巨额量分娩都是一个复杂的过程。
材料供应商正在应付改善功率、性能、扩展和成本问题的强大压力，这需要经过从合成到开发再到工场巨额量分娩的漫永劫期线。机器学习的越过有助于提供闲居的候选规模，然后工程师将其松开到潜在用途。
在构建门径逻辑半导体芯倏得，主要材料可想而知——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。但这一直率的玄虚严重低估了制变制品设备所需的其他守旧材料的数目。尽管芯片行业多年来一直竭力于于此，但鼓励晶圆和封装工艺所需的新材料数目似乎用之握住。
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，以终了更好的蚀刻采纳性。还有一些材料充任硬掩模、粘合剂概况多其他平庸的变装。统统这些都至关紧迫，但凭据新材料的辩论，它们可能需要数年才气开发出来。预测改日关于确保新硅或封装工艺开发胜仗进行到分娩至关紧迫。
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可想而知，但需要不同材料的原因还有好多。“咱们曾与一位客户合作，他需要决然一种新的光刻胶，因为本来的光刻胶仍是不再可用，” Tignis营销副总裁 David Park 说谈。不管动机若何，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。开端：Brewer Science
Brewer Science 等公司主要提供半导体行业所需的材料。晶圆厂和半导体设备制造商依靠这些公司来终了需要不同插足的新工艺。尽管不同材料的用途可能大不疏通，但它们的开发却具有许多共同点。
材料的广义界说
盘考不同的材料供应商什么是新材料，你会得到各式千般的谜底。最明显的谜底是合成以前不存在的材料。这骨子上相对不常见。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方法。
正在开发的一些材料是对现存材料的窜改，以适应新的要求。其他材料可能代表一种新的元素组合，而不是一种新分子。筹商的范围仍是大大扩展。“二十年前，咱们只筹商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 种元素正在巨额量分娩或以某种步地进行开发。”
从历史上看，这些材料中的大多数（前体、光刻胶、掩模）都是有机的。但金属氧化物运转在图案化和蚀刻中清晰更大的作用。“传统上，Brewer 想象了有机材料，并在曩昔 20 年中为硬掩模应用添加了硅材料，” Brewer Science公司连接员 James Lamb 评释说。“但咱们也添加了金属硬掩模，是以咱们现在正在进入无机规模。”
由于许多材料仍是存在，因此对新物成自己肯求专利并不常见。紧迫的是制造它们的方法，而工艺专利更为常见。但配方、材料过火应用形式组成一个合座，必须一都筹商。在某些情况下，疏通的分子可能用于不同的方位或层，但厚度不同。筹商到配方，有些东谈主也以为它们是不同的材料。
紧迫的材料特色始于其在应用中的性能，但并不啻于此。获取、千里积、副响应和许多其他筹商因素都会影响物资是否恰当用于巨额量分娩。
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连接的材料种类。举例，Brewer Science 一直在窜改封装底部填充材料——在构建封装芯倏得提供物理稳当性的材料。它们必须是电惰性的。“咱们的辩论是制造不需要短路的材料，”Brewer Science 首席时期官 Rama Puligadda 说。“它们不行导电。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捏稳当，举例千里积过程中的高温。“这些东西不行放气，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打破，”Lamb 评释谈。
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大众利用、高档总监普尼特·辛哈 (Puneet Sinha) 暗意：“汽车续航里程或快速充电的某种形式、体式或步地都取决于材料。”
Atomera 使用一种至极常见的材料——氧气。其新颖之处在于其应用和使用形式。举例，在外延硅孕育过程中，晶圆会显现在氧气中。氧气不及以形成 SiO 2，因为每个硅原子需要两个氧原子。违犯，名义的硅原子具有不错迎阿到单个氧原子上的悬空键。
Atomera 首席本质官 Scott Bibaud 暗意：“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，底下有一个竣工的硅晶格，中间有一个歪曲的场，那处有氧原子。但在那上头，你不错接续孕育竣工的硅。”
这种堆叠有多种用途。由于键具有一定的机械旋转目田度，它不错充任两种具有不同热延迟统共 (CTE) 的材料之间的过渡层，有助于退守开裂或其他可靠性问题。举例，氮化镓 (GaN) 是在硅上孕育的，在冷却时容易开裂。Atomera 暗意，其氧层不错缓解 GaN 和硅之间应力和 CTE 不匹配变成的应力。在晶体管栅极中，一些氧气不错浮起以撤废栅极氧化物过渡。它还不错充任杂质摄取剂。它不错缩短晶体管的变异性。
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颖悟传感器中的实用性。
在 EUV 薄膜中，该工艺是主要的发展想法。碳纳米管并非极新事物，但要将其大限度分娩出来却很贫苦。Canatu 暗意，它仍是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。该公司暗意，比拟之下，竞争敌手的工艺需要 9 步，这会产生巨额碳纳米管粉末，然后必须进行过滤。面前用于 EUV 薄膜的传统金属硅化物需要 100 多个法子。
“咱们有两种不同类型的响应器，”Canatu 首席本质官 Juha Kokkonen 暗意。“咱们针对半导体规模优化了一种响应器，其中最紧迫的元素是清洁工艺和均匀的孤独收罗。需要经久性（因为扫描仪迁移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，处分了细目纳米片全栅晶体管功函数的挑战。“在晶体管层面，你通过诊疗高 k 电介质顶部金属的厚度来诊疗功函数，而该厚度最高可达 150?，”Entegris 先进时期花样高档总监 Paul Besser 评释谈。“但纳米片之间的间距只须 100?。”违犯，Entegris 制造了偶极子移位器（改变能带结构的掺杂剂）来本质此功能。
Entegris 正在连接的另一种材料是蚀刻住手层，用于在晶圆后面构建电力输送。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。大部分去除材料都通过研磨进行，终末使用 CMP 和等离子/湿法蚀刻进行计帐。为了退守蚀刻同一统统这个词晶圆，必须使用透明蚀刻住手层。Entegris 正在连接晶圆内的 SiGe 层，以提供蚀刻住手层。
Entegris 的工艺挑战是选用固体前体，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，中间不行发生任何副响应。“要是你在某个温度下蒸发——比如 150 度——要是通往晶圆的旅途上任何方位的温度低于 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应用或新工艺——有几种采纳。假定没挑升外问题出现，诊疗现存材料是最快的道路。要是这不可能，那么就必须发现一种全新的合成道路，可能（但常常不是）导致一种新材料。“要是[所需属性]在修改范围内，那么咱们不错这么作念，”Resonac 电子业求本质董事 Hidenori Abe 评释说。“但要是它们需要两倍、三倍或五倍的性能窜改，那么咱们就需要从新运转想象。”
所采纳的旅途可能取决于材料或工艺的牢固进度。“在千里积前体中，你要继续尝试寻找更新的分子，”Nambiar 说。“这与光刻胶比拟，光刻胶是一种配方材料。你不会改变主要身分，但你会尝试诊疗一些小添加剂，使其略有改善。”
Brewer Science 的 Lamb 暗意：“咱们简直老是从咱们已知的运转。这是最快的盘曲。但在咱们的过程中，咱们常常不会这么作念。咱们也会寻找替代平台/化学品，除非有东谈主想要现存材料的更厚或更薄版块。”
更典型的是诊疗特定的材料属性，如耐热性或粘度。气体略有不同，因为它们是单个分子，假定这些分子仍是存在，开发职责东要处分将均匀、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谈他们想要什么。“偶而他们会来找咱们，说‘咱们想要这种带有配体的材料。你们能分娩吗？’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，配资平台而无需径直指定材料。
合作必不可少
开发常常是一种配合。材料并不是孤苦孤身一人存在的。违犯，它们与用于应用它们的设备互相作用。新工艺常常波及设备变更和新材料。芯片制造商传统上与设备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设备集成常常最终导致需要从新加工材料。
“咱们曩昔常常自带材料，但偶而产量不高，”Entegris 的 Besser 评释谈。“咱们不得不回到设备供应商那处，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设备。”
现在更常见的情况是，晶圆厂客户将径直与设备供应商合作，而设备制造商将与材料公司合作，以便设备/材料组合清晰邃密作用。“因此，Lam 或 Applied Materials 将与咱们一都开发材料，然后他们都会将其先容给客户，”Nambiar 说。然后，客户在设备/材料选项之间进行采纳。
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期开发，致使可能要数年时期才气推出，”Nambiar 说谈。Canatu 的 EUV 驻守膜开发耗时七年。“咱们听取了 [客户] 可能在五年或十年后想要作念什么，然后咱们一都合作进行想法考据，”Abe 说谈。
任何新花样都必须包括透顶的初步连接，以了解可能仍是存在的专利。尽管材料公司可能但愿艰苦创业，但他们可能会遭遇已接受专利保护的材料需求。要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。要是这不可能或不切骨子，那么它可能需要与其他公司合作，赢得该工艺的许可或从其那处获取前体。
通过实验进行想象
材料开发过程波及实验和模拟的结合。大多数材料不是径直想象的，而是通过测量和数据得出的。“我仍然以为[材料开发]更多的是造就性的，”Lamb千里念念谈。
举例，Atomera 使用从新模拟法开发了其时期，从第一旨趣运转。其他花样则依靠造就数据和全心想象的实验来细目最好配方。Merck/EMD 不错分割晶圆，并在晶圆的不同部分遗弃不同的薄膜堆栈，以缩短成本并加速学习周期。
机器学习 (ML) 有助于构建和运行实验。“咱们使用许多不同的模子来为运行 DoE [实验想象] 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，其中有几种是果真的可能性。当化学家看到它时，他们会说那些是瞎掰八谈，而这些是果真的可能性。而咱们可能需要 100 年的时期才气想出这些采纳。”
自动化也有匡助。“通过连气儿流动，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。东谈主们不错自动使用收尾来携带进一步的探索。
关于领有悠久开发历史的公司来说，数据挖掘尤其有价值。在连接新需求时，获取所稀疏据（即使是来自未得胜的花样）也很有用。一些被住手的花样可能会重获重生。“咱们照实对咱们的制造和辅导线进行了当代化窜改，以便更好地纪录响应过程中发生的情况，”Lamb 说。该公司有一个数据挖掘器用“……咱们不错从统统批量职责、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想法。”
一些公司开荒禁区
并非统统公司都兴奋使用统统物资。异常要筹商两个因素：安全性和可捏续性。
制造半导体老是波及一些危机化学品。几十年前，大学课堂上就申饬过危机，举例，在东谈主类用手在职责站之间迁移晶圆和盒式磁带的时期，用作蚀刻剂的氢氟酸。
从其时起，一些材料可能仍是发生了变化，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。“凭据你批驳的氧化锡类型，毒性可能会有所不同。”尽管公司常常会尽可能专注于无毒材料的插足和产出，但这并不老是可行的。
硅烷等自燃物资是危机物资的另一种例子——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构兵时会自燃。这带来了一系列的后勤挑战，因为安全筹商必须波及材料在现场和存放过程中，以及统统这个词运输和储存过程中。
因此，一些公司试图幸免将具有这些危机特色的某些物资运往物流。“咱们不处理自燃物，”贝瑟说。他评释说，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。”
可捏续性还波及环境、地缘政事和东谈主权方面的筹商。一些原材料的开采可能会遭遇其中任何或统统挑战。举例，锂和钴的开采就存在矿工职责条目的问题。中国截止着许多稀土资源，这使其在政事上的风险更大。
“咱们压根莫得冲突矿物，”贝瑟说。“咱们逃匿地缘政事地区。咱们统统的供应商都签署了一份买卖条约，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，咱们阻隔了任何买卖契机。”
出于环保筹商，其他材料正在渐渐淘汰。“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。”
扩大限度并非理所天然
一朝一种新材料或合成道路准备好插足分娩，就需要选用一些措施将实验室限度支撑为买卖限度。“连接是一趟事，扩大限度并以合适的成本安全寄托又是另一趟事，”Nambiar 说谈。
其他东谈主也容许这一不雅点。“从烧瓶到分娩的扩大是你濒临的最大风险因素之一，”Lamb 指出。“你不错在实验室里作念大部分事情，何况成本不会太高。但一朝你运转扩大辅导线的限度，咱们就必须确立一条新的管谈和制造才气来守旧它。”
这种扩大限度的过程可能并不简便。分娩小批量的响应器和其他基础设施在巨额量分娩中可能后果欠安。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袖珍响应器中更难，因为响应器的中心可能更难保捏一定温度。一朝巨额量分娩某种材料，可能还需要新的分析方法来确保其质料。
在花样运转时可能无法策动扩大限度，因为可能还不知谈必要的历程和设备。但跟确切验运转细目处分决策，必须尽快筹商全面分娩，因为这可能需要新设备或与其他供应商确立干系。实验室设备和分娩设备常常由不同的公司分娩，新设备必须经过透顶审查。“咱们必须交叉查抄建筑材料，因为咱们老是要处理离子遏抑，”Lamb 说。
原材料的可用性也可能是一个筹商因素。“这些原材料可能接近也可能不接近半导体级，”Lamb 指出。“要是你需要它们提供的特色，它们可能需要经过严格的净化。这需要破耗巨额时期并加多成本。”
扩大限度的需求标明开发新材料取得非常胜。一些花样可能永久无法走得那么远，这是因为市集的变化而不是材料自己的失败。在 EUV 光刻时期插足分娩之前，曾有东谈主奋力开发 157nm 的临时光刻波长。该时期最终让位于 EUV，而 157nm 从未插足分娩。即使是最终得胜的 EUV 的开发也波及了许多替代方法，其中大多数都莫得得胜。继续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谈主类提供携带、学问和专科学问的过程。这个规模充满了连接微妙想法的博士，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 [众人]，”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。你不错赢得好多想法的交叉授粉，这真的很有匡助。”
这个过程也受益于所谓的“部落学问”。这些实验数据库必不可少，但团队挖掘这些数据的造就也相同紧迫。多年的材料开发会形成对潜在有用想法的直观和直观，而更活泼的方法可能会错过这些直观和直观。
筹商到后登纳德缩放时期濒临的捏续挑战，为了保捏半导体成本、性能和功耗方面的越过，越来越需要奥妙的创意。由于许多创意都探索了未知规模，因此不错信服的是，新材料将是将它们插足分娩的必要条目。对具有材料技巧的公司和工程师的需求应该会捏续很永劫期。
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