欧洲计量研究计划对中国微电子计量技术发展的借鉴

李 雷 张 慧 张 红 沙长涛

(中国电子技术标准化研究院，北京 100176)

1 引 言

21世纪以来，随着以纳米、新材料、信息通信为代表的科技革命迅猛发展，全球进入了空前的产业革新时代[1,2]。计量作为推动科技创新、加快经济发展、保障国家安全的重要技术基础，成为各国争先发展的科技战略前沿。在这种趋势推动下，欧美等发达国家相继制定计量战略规划，加大计量科研投入，以抢占新一轮科技经济制高点[3]。

作为集政治和经济于一身的区域一体化组织，欧盟在区域协作方面引领世界方向[4]。2009年，欧盟开启了一项由20多个国家参与的计量合作研究——欧洲计量研究计划(European Metrology Research Programme，EMRP)，针对与国家经济、科技、军事休戚相关的量子基准、能源、环境、纳米、健康等计量新领域开展研究。这不仅保证了欧盟能够在全世界保持经济与科技上的先进性，也推动了欧盟各国计量保障能力的快速提升。

现阶段，我国微电子计量在建设能力、规划水平等方面已经不能满足微电子日新月异的发展需求[5]。在信息化条件下，只有大力学习和借鉴欧盟各国微电子计量建设的先进经验，开展EMRP中微电子计量研究计划的跟踪及研究，转变我国微电子计量建设的发展思路，才能促进我国微电子计量产生跨越式发展[6]。

2 EMRP中的微电子计量技术研究

2002年，一项高端计量创新模式研究在多个欧洲国家计量院之间开展，他们在泛欧洲区域内提出了“欧洲计量研究项目(MERA)”，随后又开展了接续的研究项目“实施MERA项目(iMERA)”，为开展更大范围内的计量联合研究奠定了坚实的基础。

在欧盟框架计划的支持下，欧盟开展了更为广泛和深入的计量合作研究工作，该研究工作分别经历了iMERA-PLUS和EMRP两个阶段。

在100余项EMRP项目中，与微电子计量相关的联合研究项目见表1。

表1 EMRP中的微电子计量项目

2.1 薄膜制造计量

薄膜材料具备体材料所不具有的新颖特性，从而广泛应用于半导体、光电子等领域。电子薄膜产业是全球产业的核心之一，为了保持欧洲在全球电子薄膜产业中的领导地位，必须提高薄膜的生产质量、降低成本并缩短新品上市时间。对于薄膜材料而言，制造的挑战是控制薄膜生产的一致性，由于对薄膜材料的组成和结构变化如何影响热导率等特性缺乏精确了解，因而限制了薄膜材料的生产。工艺漂移、局部缺陷引起的薄膜材料变化需要严格的质量控制方法来检测，给薄膜材料计量带来了巨大的挑战，此外，当前薄膜测量方法是独立发展的，没有考虑薄膜性能之间的相互关系。

该研究通过优化现有技术，并开发新的计量技术来控制薄膜材料生产的一致性和均匀性，通过改善薄膜产品的性能来开发新型薄膜光电技术。建立了泛欧洲的计量能力，为薄膜材料的特性、组成和结构提供有效的可追溯计量，提升薄膜大面积的均匀性和特性一致性。

该研究开展的研究工作包括如下六方面。

1)材料和薄膜特性(热传输特性，载流子迁移率，薄膜表征参数)的可追溯性和测量结果的验证；

2)准确、可追溯的测量通过阻挡层的水蒸气透过率；

3)通过非破坏性和非接触式测量来表征薄膜形态；

4)表征和开发与生产有关的参考材料和转移标准；

5)开发在生产中应用的测量薄膜厚度和光电特性的新技术；

6)开发用于不均匀薄膜的可追踪光学测量。

2.2 传感器、材料和结构的热设计和随时间变化的尺寸漂移行为

在电子、半导体和纳米材料等行业领域，精密加工对欧洲公司的国际竞争力至关重要。随着精密加工向高端生产发展和测量设备更高精度的要求，几乎所有高精度测量和生产装置(包括光刻机、高分辨率显微镜、电气测量装置)会受到环境参数(例如温度、湿度、气压和仪器的时间稳定性)变化的影响，温度变化和随时间变化的漂移已严重限制了精密加工中传感器，材料和结构性能。

该研究主要通过开发更稳定、更耐高温的材料和测量装置，提高欧洲相关行业的生产效率和国际竞争力，支持日益稳定的精密加工产业的发展。总体目标是优化精密加工制造和测量装置的热稳定性，提高装置精度，提高产品质量，进而节省原材料并减少零件的加工时间。

该研究开展的研究工作包括如下七方面。

1)开发了一种用于测量材料尺寸变化的仪器；

2)开发了用于测量温度对材料长期物理性能影响的方法；

3)评估了一系列工业材料和不同接头类型长期性能的变化；

4)开发了用于室温的自校准温度测量系统；

5)开发了改进的热模型，以更好地理解和预测通过精密加工装置的热流；

6)为最终用户建立了项目结果数据库；

7)为开发耐高温精密加工装置制定了良好实践指南。

2.3 电子和光学器件制造的小结构计量

在半导体和光学行业等领域中，纳米电子器件结构尺寸，即临界尺寸(CD)的精确可靠测量，是必不可少的。国际半导体技术发展路线图(ITRS)指出，小结构尺寸的测量能力是半导体行业未来发展的关键组成部分。由于结构小型化以及特征细节对结构表面功能的影响越来越大，亚微米范围内小结构的三维(3D)表征和表征速度成为全球挑战性主题。随着结构尺寸的不断缩小以及纳米电子器件更加复杂的3D结构，需要改进测量该尺寸的测量工具和方法。

在半导体工业中，有两种类型的方法来表征和控制关键结构尺寸：高分辨率的显微方法，例如原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)；以及分析基于结构化表面上散射光的光学方法，即散射测定法。但是，尚未开发出一种系统的、连贯的方法来组合这些不同的测量工具，也没有一种公认的标准适用于这些测量方法，以匹配从不同仪器获得的结果。

为了克服光散射法的局限性，并满足当前和将来的计量要求，该研究开展的研究工作包括如下五方面。

1)改进散射法的准确性、可追溯性和3D能力；

2)将散射法扩展到更短的波长，极化法和傅立叶散射法；

3)开发超高分辨率显微镜(AFM，SEM)以支持散射测量，并实现与散射测量的比较；

4)开发高效可靠的方法以对不同计量方法进行组合数据分析；

5)散射测量标准的设计，开发，测试和校准。

2.4 基于纳米级应变控制的新型电子器件

在欧洲制造业中，电子行业占整个制造业附加值的13%(2010数据)，随着信息通信技术的发展，这一份额正在逐渐增大，纳米技术正在提高欧洲竞争力并改善欧洲公民的生活。伴随摩尔定律中晶体管微型化的传统缩放趋势预计在未来十年内出现物理尺寸极限，欧洲电子产业必须进行创新，以保持竞争力。在一系列新技术中，有一种新的器件概念是基于压电效应精确控制纳米级应变的，它有可能取代传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)。由于压电材料具有独特的性能，使其成为未来纳米级电子开关的理想选择。

在高应力、高场强和纳米尺寸条件下，准确可靠地追踪新功能材料中的应变，对新材料开发、有效设计、表征和测试新器件的可靠性至关重要。但目前尚无对压电材料中的机电耦合进行可追踪测量的计量框架或设施。该项目主要是开发欧洲范围内的计量基础和设施，以用于半导体行业中压电材料应变的可追溯测量。通过开发先进的基于纳米级应变控制的新型电子器件分析技术，精确测量应变引入原子结构的变化，以支持新一代电子学纳米级压电材料的研究。

该研究开展的研究工作包括如下五方面。

1)通过原位干涉测量和同步加速器X射线衍射建立可追溯应变计量学与晶体学应变之间的联系；

2)使用IR-SNOM开发超高空间分辨率的光学应变测量方法；

3)用破坏性方法开发宏观应变计量学的可追溯验证，以绘制残余应变和活动应变；

4)开发多物理场材料建模；

5)将数字图像处理应用扩展到纳米级AFM、SEM和其他应变映射图像。

2.5 纳米结构器件的可追溯表征

微纳电子世界正在经历一场革命，以应对微型化、功耗、功率密度和处理速度方面的新挑战。特征尺寸小于30nm的新型无机半导体材料(Ge，InGaAs，GaN，SiC和高k介电材料)和新型3D架构(多栅极FET，纳米线T-FET等)正在取代传统的硅器件，迫切需要对具有复杂结构、有埋入式界面和纳米深度分辨率的新型无机电子材料进行可追溯的测量，以实现此类器件的有效设计和制造。此外，基于有机半导体的电子产品(由有机小分子以有序组合排列的导电聚合物制成)的出现，迫切需要研究3D纳米级化学和电成像的方法。

该研究使用新颖的3D架构，开发可追溯测量和表征下一代集成纳米结构器件物理和化学特性的技术，满足微纳电子行业对高级测量的需求。

该研究开展的研究工作包括如下三方面。

1)通过对纳米层进行化学深度剖析，改进表征无机纳米层和埋入式界面的非破坏性方法；

2)通过二次离子质谱与新型大规模氩气团簇溅射，对有机电子材料进行3D纳米化学成像；

3)开发有机电子材料3D纳米级电表征的新方法，研究纳米结构自组装的标准物质。

2.6 NEMS计量学/使用NEMS进行计量

随着工业需求复杂性的提升，微机电系统(MEMS)速度和性能的提高正在推动其尺寸缩小到纳机电系统(NEMS)。作为一项新的关键性技术，NEMS可以为信息通信技术等领域的工业需求和各种技术壁垒提供解决方案。随着设备和结构的尺寸减小，需要新的技术和方法来实现(或需要)创新计量，以满足NEMS开发中的计量需求。

NEMS的发展既可以实现创新计量，也可以影响多个行业发展。该研究开发的NEMS谐振器和执行器解决了“超越经典计量”、纳米技术、超低损耗新材料、单个实体的计量等问题，促进了生物、安全、电信和传感等领域可追溯的测量要求的提出。

该研究开展的研究工作包括如下五方面。

1)优化用于高性能NEMS的新型材料；

2)开发新的近场微波谐振器激发和读出技术；

3)开发可追溯计量的NEMS传感器和检测器阵列；

4)开发实现“超出传统”热极限测量的动态冷却方法；

5)制造和优化在接近热平衡量子极限条件下运行的低温SQUID-NEMS组合。

3 中国微电子计量技术展望

3.1 前沿技术引领

EMRP务实开放地征集项目建议，牢固立足于服务欧盟经济增长和社会可持续发展，切实践行了计量超前于经济社会发展、支撑经济社会发展的定位。通过计量前沿探索，开拓国际计量合作的新模式，促进了欧洲科技资源的融合和互补，催生出更强的研究能力[7]。

基于欧盟在EMRP的先进经验，设立针对微电子计量技术发展的前沿技术研究机构。通过分析研究现有微电子技术，并结合国外前沿技术研究机构相关的先进微电子计量技术，创新提出未来我国微电子计量领域将要发展和应用的新材料、方法和技术。依托科研院所、高等院校、产业集团对微电子技术的需求，以科技专项、重大工程为牵引，深入产业一线，深入科研现场，结合薄膜材料、纳米器件、NEMS等在我国微电子发展中的应用，确定一批微电子计量前沿关键技术。推进计量引领科技发展的前瞻性和基础性，引导资源融合和互补，共同提高新技术方向的科研能力和水平。

3.2 共享合作模式探索

EMRP在执行过程中，通过统筹资源和优化配置，充实和完善创新链，积极吸引社会各界广泛参与，成功建立了公-公伙伴关系，和牢固的公-私伙伴关系。通过与科技、工业的最终用户分享项目成果产出，将研究成果共享给国际标准化机构，公开测试数据和测试样品供“大众共享”，编制实践指南对各企业公司进行“指导”等方式，扩大EMRP的影响力和参与度。

在微电子、高端装备制造等领域，有众多处于产业链下游的中小企业，他们思想活跃、富有活力，是技术创新的重要力量。推动中小企业优势科技资源的集聚和融合，是实现科技创新和产业化发展的必由之路。目前，我国的参与机制体制还不够健全，合作模式还不够完善，严重制约了企业、高校、民间机构参与计量科研攻关建设的积极性。可以开展合作模式改革试点，引导优势计量机构与技术优势突出的企业、高校、机构合作，在全社会、全行业有针对性的推进计量工作。通过探索引导，创新合作方式，构建科技资源共享互动平台、资源信息服务平台、成果服务转化平台、决策咨询服务平台，甄别和吸引有资质的企业、高校、机构参与微电子计量研究，促进关键技术、项目、成果等方面的交流，实现计量产业的集群发展。

3.3 协同创新发展

协同创新极大可能创造出具有革命性转型的技术，给国家安全和经济带来巨大效益。但由于其领先于当下技术，还可能与现存技术断代，失败风险巨大，且军事和商业用途前景均不明确，难以依靠某一方独立完成。EMRP中很多项目通过鼓励国际计量学界参与，探索实行由3个以上国家的5～15个计量机构，以及一些高校、工业界的合作单位或专家联合承担，促进掌握创新技术的机构、企业、高校等共同研发，形成更广泛、更具竞争力和创造力的科技工业基础。

就计量而言，很多人才、技术、大型设备及数据资料等，都兼备服务国防建设和经济建设的功能，在微电子等战略性新兴领域开展广泛的协同创新和合作，有效整合军民科研力量和资源，开展关键技术联合攻关，拓展优势技术成果的转化运用范围，充分尊重价值规律和市场规律，尊重参与主体的利益实现，对开发共用计量技术、防止重复建设，促进我国微电子计量保障水平的提升，具有现实意义和深远的历史意义[8,9]。

4 结束语

EMRP加强了欧洲科学基础的卓越性，发展了欧洲的计量能力，使欧洲研究和创新体系在全球范围内更具竞争力。通过借鉴他们的研究经验和成果，在开放融合的背景下，结合中国微电子计量发展的实际，探索扩大合作、共享资源、协同创新，对中国微电子计量健康有序发展具有重要的指导意义。