上海千人计划|下一代光刻技术“达人”熊诗圣学术资讯

无心插柳柳成荫

见到熊诗圣时，他刚从上海赶到北京，正值高考结束，他为我们讲述了当年自己参加高考前后的情景：

“我是1995年参加高考的。在高中时代，我在文科科目上面更为擅长。上高二的时候，文科排名全班第一，理科大概在班上的前十名，只是我的班主任他要带理科班，就把我报到理科班了。那时候挺懵懂的，很多东西并非出于自己的选择，但现在回头看，即使重来一次，也不会有大的改观，毕竟那是一个信息闭塞的时代。”熊诗圣说道。

后来，熊诗圣以优异的成绩被武汉大学录取。选择专业的时候也充满了偶然：

“上大学的时候学的是化学工程，全称叫化学与环境工程。我当时填报志愿，也是看见这个专业比别的专业招的人稍微多了一点，就报了这个专业。”多年以后，他本科的专业背景还是对半导体光刻方面的学术研究多有裨益。

学生时代的熊诗圣（右一）

1999年本科毕业后,熊诗圣考上了武汉大学电力系统自动化专业的研究生。

“当时选择这个专业有两个理由，一是对物理和电学兴趣浓厚，二是看重这个专业的就业前景。” 熊诗圣说道。

熊诗圣读研的时候，曾经的同学陆陆续续准备联系出国留学，许多人上新东方，准备托福、雅思考试等等。熊诗圣却把所有时间都献给了课题实验研究。直到研究生毕业后，在导师的推荐下，他来到中科院上海光机所担任助理研究员，在工作之余也提交了出国申请。

熊诗圣说：“三年的研究生生涯有利有弊。由于国内研究生学历不被国外承认，攻读博士生的时候在年龄方面有些劣势。但另一方面，国外高校特别喜欢中科院出来的学生。像上海光机所这样的研究机构，国内外都很有知名度。我当时选择申请了一些美国在光学领域比较靠前的学校和研究组。不过，由于经济原因，我申请的学校数目很少，很多申请费用昂贵的名校都没有接触。”

2003年8月，熊诗圣坐上飞往美国的飞机，前往新墨西哥大学、美国桑迪亚国家实验室攻读博士学位。

“桑迪亚实验室在美国的西南部，完全不符合我对美国的认知，这里是沙漠性气候，非常干燥，华人也很少。我既要上课，还要协助导师做研究，尤其在英语口语方面有些困难，需要适应。”熊诗圣告诉我们。

在美国读博时的熊诗圣

生活中的困难只是一个方面，最重要的还是改换专业影响了学术积累方面的厚度。从高中时代，熊诗圣就面临着各种“跨专业”：从文科到理科，从化学工程到电学，从光学到微纳系统，跨度都很大。陡峭的学习曲线，对博士初期的熊诗圣何尝不是一种艰苦磨炼。那时候，熊诗圣常常与三五好友出外登山、远足，领略大自然的壮美，而后重整旗鼓，继续攀登科研的高峰。真正让熊诗圣产生浓郁科研兴趣的，是在美国工程院院士C. Jeffrey Brinker的带领下，走进“自组装”的研究领域。

“Brinker教授的研究背景也很丰富多彩，他是凝胶溶胶领域的大师，作为有机硅介孔材料方向的先驱，曾被评为世界十大纳米科学家之一。当我去桑迪亚的时候，他已经离开了溶胶凝胶的领域。导师给了我两个研究方向，一个是分子自组装用于微纳制造，另一个是有机硅材料在生物医学方面的应用。几年的言传身教，我从老师身上学到了很多东西。Brinker教授在自己擅长的领域之外，还能开辟出一个全新的方向，并且产生巨大的影响力，展示了他深厚的学术素养。”熊诗圣说道。

自下而上的自组装用于微纳制造，让分子自己排列成型，听上去是一件很玄妙的事情。熊诗圣的毕业论文选题包括物理，化学，材料等学科的知识，应用又涉及到光学的内容，终于使过去所学串成了一条线。取得博士学位之时，熊诗圣已在美国化学学会会刊，纳米学报，SMALL，美国光学学会会刊等顶级期刊上发表多篇论文。

2010年博士毕业后，熊诗圣作为博士后学者来到威斯康辛大学麦迪逊分校，加入美国工程院院士Paul F. Nealey的课题组，又走进了“自组装”的细分领域——“导向自组装”。

十年磨一剑

自从接触自组装这个方向，熊诗圣的科学研究再没有偏离过主线。之后几年，他又先后到西部数据公司和芝加哥大学分子工程研究院做技术研发。

“从博士后开始我一直做DSA的研究方向。DSA就是导向自组装，相当于博士课题‘自组装’的一个子集。导向自组装技术，又属于新一代光刻技术的其中一个重要流派。”

光刻技术是指在光照作用下，借助光致抗蚀剂（又名光刻胶）将掩膜版上的图形转移到基片上的技术。芯片制造有几个环节，包括设计、制作、封装等，光刻技术是芯片制造中一个很核心的环节，光刻工艺也是其中最关键的步骤。

“知名的芯片厂商，比如台积电、英特尔、三星等，经常提到14纳米甚至10纳米工艺（14纳米工艺的芯片是指芯片内部电路与电路之间的距离是14纳米；或指晶体管门电路的尺寸，单位为纳米），多少纳米就是指光刻工艺的分辨率，我们称之为技术节点。这个数字越小，芯片上面的晶体管数目就会越多，计算力就会更强。”熊诗圣说道。

Intel创始人之一Gordon Moore提出的摩尔定律，是说当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18至24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，而且能耗降低一半。摩尔定律这四个字推动了人们的生活发生日新月异的变化，从我们每天用到的手机、电脑、汽车可以看出，整个电子行业更新速度很快。随着消费电子产品对于处理器速度要求的不断提高，缩小晶体管尺寸就显得尤为重要。目前，国际最先进投产工艺技术节点是14纳米，国内最先进投产工艺技术节点是28纳米。但在早些年的时候，熊诗圣就利用导向自组装技术把晶体管尺寸缩小到10纳米以内：

“我在2014年的时候率先攻克了8纳米的工艺，2015年申请了发明专利，相关文章2016年发表在本领域顶级期刊ACS NANO上。”

熊诗圣目前的主要研究领域就是下一代光刻技术。由于光学波长的限制，10纳米以下的节点无法沿用传统的激光曝光工艺。根据国际半导体技术路线图，下一代光刻技术包括三到四种候选解决方案。通过导向自组装技术，熊诗圣及其团队将技术节点推进到5纳米以内，为人工智能和5G通信时代打下坚实基础。

左图是石墨烯和锗交替的线条图形，用于嵌段共聚物定向自组装形成有序图形（见右图）。上面是原理图，下面是扫描电镜图形。图中线条宽度为200nm。

熊诗圣还开发了一种特殊的定向自组装工艺，利用嵌段共聚物，在锗晶圆上涂覆一个原子层厚度的几乎纯净的石墨烯，实现了一种简单、可重复制造、成本低廉的芯片制造图形化方法。随着晶体管尺寸缩小至原子级别，电路图形的刻蚀已逼近物理极限，这种技术能够用于制造复杂、完美有序的嵌段共聚物电路图形，有助于未来实现更微小尺寸的半导体电路。

“信息时代的核心电子器件，如处理器，内存和硬盘，无不依赖光刻技术进行制造。传统光刻技术利用激光束或者电子束来刻写电路，而我们提供的解决方案是采用由下而上的自组装技术。前者可称为‘精雕细刻’，后者则是‘撒豆成兵’。”熊诗圣告诉我们。

2017年9月底，熊诗圣入选第七批上海千人计划，回国在复旦大学担任教授、博士生导师，将导向自组装技术应用于半导体光刻和高精度光学制造等领域，同时也着力于忆阻器及神经形态计算方面的研究。选择复旦大学信息科学与工程学院，是深深地喜欢这所大学的气质，以及学院的研究氛围。正如复旦校训之一所阐述的“自由而无用的灵魂”。

多年的研究生涯，虽卓有建树，但熊诗圣有了新的目标，他说：“可能我以后做的东西会越来越基础，渴望挖掘事物的本质。比如我天天在想大脑到底是怎样工作的，记忆到底是一种什么原理，等等。”

为此，熊诗圣还将自主开发的导向自组装工艺流程引入超高密度忆阻器件阵列的制造中，展示了极大规模存算一体化系统在降低计算能耗方面的巨大潜力。