芯片制造商在硅片上蚀刻复杂的图案，制造出驱动我们周围大多数电子设备和技术的半导体，正是如此。随着我们要求更小的设备拥有更高的功率和速度，以极高的精度雕刻这些图案的需求变得越来越迫切，也越来越具有挑战性。
为了满足半导体生产日益增长的精度标准，一个研究团队最近推出了一项名为 DirectDrive 的突破性技术，该技术为制造计算机芯片的等离子蚀刻工艺带来了前所未有的精度。这项创新有望支持下一代电子产品的开发，尤其是用于人工智能系统、需要高度紧凑和超高速电路的电子产品。
从厨房到实验室
DirectDrive 并非一周或一个月研究的成果，而是耗时 20 年才成型。早在 2006 年，加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 工程师 Patrick Pribyl 就提出了一个想法，即在芯片制造蚀刻过程中更好地控制等离子体。
Pribyl 设计了一种装置，可以快速切换驱动等离子体的射频 (RF) 能量，从而实现更精细的蚀刻控制。为了测试他的想法，他还在自家厨房里搭建了一个射频切换系统的早期版本，虽然粗糙，但可以正常工作。
然而，尽管这种方法前景光明，但企业尚未准备好采用。其背后的科学原理尚不成熟，将厨房实验转化为可靠的工业技术需要多年的努力。但普里比尔并不打算放弃。他与另一位加州大学洛杉矶分校的物理学家沃尔特·格克尔曼（Walter Gekelman）合作。
两人共同筹集了资金，并安排了足够的设备，继续研究射频开关系统。与此同时，其他几位科学家也加入了这项耗时十年的研究。
最初的厨房原型
2015年，他们共同获得了美国国家科学基金会（NSF）的“全球等离子激光成像”（GOALI）项目资助，用于开展这项研究。
Pribyl 和他的团队在接下来的十年里，一直致力于研究激光和定制装置。他们测量了离子在等离子体脉冲下的行为，并注意到其各种特性（与运动和密度有关）的变化。他们使用与Wi-Fi和手机等设备相同的射频能量，但功率更高，来控制等离子体。
“我们很早就意识到了这一点对于工业界的重要性，” Gekelman表示，他们相信这种新方法一旦推向市场就能取得巨大成功。
制造更先进芯片的限制因素是纳米级电子元件能够可靠蚀刻到何种最小尺寸才能正常工作。更快、更强大的芯片需要更微小、更复杂的结构。
Pribyl 方法的关键在于一种简化的流程，即快速切换（或“脉冲”）射频电能，从而在半导体蚀刻机内产生并驱动等离子体。在相对较低的功率下，射频能量（通常称为“RF”能量）可以无线传输短信和流媒体电影等数据。在更高的功率下，它可以产生带电物质，即等离子体。RF 能量通常用于部分电离蚀刻机内的化学混合物，使其从气态转变为等离子体。等离子体中的带电粒子随后降落到硅片上，侵蚀芯片上那些精心设计的未被遮蔽的区域，留下复杂而微小的电路。
为了理解射频能量切换在半导体蚀刻中的作用，想象一下一位雕塑家在雕刻一块大理石时，需要在不同形状和尺寸的凿子之间切换。雕塑家可能会用某种凿子凿掉大块大理石，然后换用另一种凿子雕刻出精致的细节。同样，用于在蚀刻机内产生等离子体的射频能量必须定期停止、启动和切换，以控制等离子体的功率和蚀刻深度。
与雕塑家在想要切换工具时只需停止敲凿即可完成不同，等离子体会持续“凿”硅几秒钟，同时射频能量会机械地切换到不同的功率水平。然而，快速切换方法可以在 50 微秒内打开或关闭电源——不到之前所需时间的万分之一。
以前，等离子工艺中不同功率等级之间的切换耗时过长，导致结果不精确。Pribyl 的方法（现称为 DirectDrive）可以在短短 50 微秒内完成这些切换，比以前快了数万倍。
具体而言，DirectDrive 技术每秒快速脉冲射频能量数千次，从而可以更精确地控制等离子体，从而可靠地蚀刻更小的电子元件。实际上，在采用脉冲等离子体技术后，他们的蚀刻工艺得到了显著改进。
他们最终的成果遭到了质疑。“他们说‘这不可能’，”Pribyl 回忆起业内其他人最初的反应。“这简直让整个半导体界都震惊了，这竟然真的可以做到。”
从实验室到工厂车间
然而，这一突破并非一蹴而就。与许多科学项目一样，它耗费了数年艰苦的实验和实验室的精确测量。“本质上，我们所做的就是设计实验并进行测量，”格克尔曼说。
Pribyl 还补充道：“我们能做的比工厂车间更好。”
格克尔曼和Pribyl 等人在加州大学洛杉矶分校的实验室里花了近 10 年时间，使用激光和定制的探测器观察脉冲等离子体中离子的复杂 3D 运动，以及密度、温度、电场和磁场等特性。
“我们还测量了离子的运动速度，”格克尔曼说，“它们是垂直向下移动，还是稍微向侧面移动，以及它们撞击晶圆的角度在晶圆上各处是否一致。”
他们详尽的测量使人们对等离子体的基本性质有了更全面的了解，并为将脉冲等离子体工艺规模化到工业水平提供了严谨的科学基础。Gekelman 和 Pribyl 在密歇根大学的合作者们进一步做出了贡献，他们利用计算机建模模拟了等离子体在加州大学洛杉矶分校实验室无法直接观察到的机器区域的行为。
“除了这些成果和突破能让我们重新认识自然、奠定新技术的基础之外，这类实验室还能吸引和培养能够用自己的创意推动美国产业发展的科学家和工程师，”美国国家科学基金会等离子体物理项目主任维亚切斯拉夫·卢金（Slava Lukin）说道。“这些实验室的学生往往在开始撰写博士论文之前就被产业界录用了。”
据介绍，这项技术目前超越了现有技术，能够以埃级精度蚀刻更小、更密集和 3D 的半导体器件（从角度来看，单个氢原子的宽度约为一埃）。而基于这个技术的最新等离子刻蚀设备，用于在芯片制造厂一尘不染的洁净室中快速生产先进的电路。
作为业界首款固态等离子源，该技术的等离子体响应速度比以前的等离子体源快 100 倍，从而减少了 EUV 图案缺陷。也正是得益于这项技术的加持，能支持环栅 (GAA) 晶体管、6F 2 DRAM 和 3D NAND 器件的微缩，并可扩展至 4F 2 DRAM、互补场效应晶体管和 3D DRAM。这些器件需要极具挑战性的关键蚀刻步骤和精确的极紫外 (EUV) 光刻图案，才能形成复杂的 3D 结构。为了创建具有更高纵横比的微小特征，需要达到埃级精度，这超出了目前主流等离子蚀刻技术的能力。
正如一位研究者所说，半导体技术的每一次变革背后都有多年的发展和多年的科学研究作为后盾。