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《微-纳米流芯片制造的多层模式技术》

  • 来源专题：超级电容器
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2017-11-17

  • 聚合物微-纳米流体晶片对医学和生物应用越来越重要。然而，由于聚合物的回流和流动不足，很难将微-纳米通道整合成聚合物基板。在本论文中，微-纳米通道分别由微米和纳米级的热压印入多层衬底。为了在不破坏制备微通道的情况下复制高复制精度的纳米通道，通过Taguchi和层次分析法对压印参数进行了优化。根据芯片的粘接速度，对制备的微纳米通道和纳米通道进行了充分密封。荧光图像显示在整个微和纳米通道上没有阻塞或泄漏。采用先进的制备方法，可以制备低成本的聚合物微-纳米结构，使微纳米流体芯片的商业化生产得以实现。

    ——文章发布于2017年12月

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  • 《精准制造：从微纳米迈向原子尺度》
    • 来源专题：能源情报网监测服务平台
    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2025-01-10
    • 空天海地的网络建设，信息世界感知力、通信力以及智算力的建设，迫切需要高端、新型的硅基芯片。然而‘自上而下’的光刻技术制造方式已经接近物理极限。”在日前举行的香山科学会议上，中国科学院院士许宁生说，全球精准制造的竞争已从微纳米尺度迈向原子尺度，未来硅基芯片的发展水平将取决于大规模原子制造技术水平。 此次香山科学会议聚焦原子制造前沿科学问题。1纳米技术节点被视为硅基芯片制造加工技术的物理极限。晶体中相邻原子的距离大约几个埃（0.1纳米），如果能通过直接操控原子来制造芯片，将颠覆以现有光刻技术为基础的制造规则。 从石器时代走来，人类的制造技艺不断精进，正在走进能精准操控物质最基本单元——原子的时代。与会专家认为，在这个过程中，人类不仅将突破诸多制造极限，也将刷新对基础理论的认知。 有望突破芯片制造极限 当前的芯片制造采用“自上而下”的制造方式。这指的是一种从整块材料开始，通过逐层添加、移除或改变材料性质来构建复杂结构的方法，包括薄膜沉积、光刻胶涂敷、光刻显影、刻蚀、量测、清洗、离子注入等多个环节。 为了在单位面积内实现更多晶体管的布局，2011年，研究人员采用鳍式场效应晶体管技术，改变集成电路结构，突破芯片22纳米制程工艺。进入5纳米技术节点后，电子隧穿问题又催生了环绕式结构、垂直传输场效应晶体管等新的结构设计。 然而，随着加工精度不断提升，宏观方式的制造极限随之而来，仅通过结构的巧妙设计将难以满足人们对芯片计算能力日益增长的需求。尤其是随着生成式人工智能的发展，及其在各行各业的垂直落地，算力不足、计算成本过高等问题逐渐凸显。 “硅基芯片大规模原子制造技术的发展可能带来计算和智能技术的基础性变革。”许宁生认为，应在关键材料研制、微纳结构集成、核心加工制造检测等领域开展关键技术研究，推动实现硅基芯片的原子制造。 那么，什么样的材料适用于芯片等元器件的原子制造？复旦大学物理学系教授张远波介绍，国际上认为二维半导体是1纳米及以下节点的重要材料体系，也是唯一公认能够延续摩尔定律的材料。 二维材料具有独特的单分子层晶体结构，例如石墨烯是由碳原子组成的二维材料。“二维材料及器件有高载流子迁移率、丰富电学性能等特点，在1纳米的条件下仍能正常工作，有望突破传统半导体器件的极限。”张远波介绍，近年来，在二维材料的缺陷调控、应力调控、电荷调控、转角堆叠调控等方面，学界取得了巨大进步。例如，晶圆级的二维材料生长已经实现，基于二维半导体集成工艺也已经能够实现大部分硅基电路功能。 关键在于精准可控组装 尽管不少二维材料实现了较大规模的实验室生产，但二维材料仍难以根据需要“随心”构筑。与会专家认为，操纵二维材料和结构，进而构筑异质结构和器件，实现其性质与功能的人工设计与调控，仍是原子制造的核心科学问题。 “通过学习自然，开发先进制造技术，可以实现原子团簇或分子的精准可控组装与制造。”中国科学院院士刘云圻认为，信息技术微型化发展要求原子制造领域在结构、序列、取向、堆叠方式等方面从简单、无序、经验型向复杂、有序、智能型方向发展。 “更为神奇的是，在微观层面，如果将原子或分子按照我们想要的方式排列，就会获得千变万化的性能。”刘云圻说，这些性能是宏观制造难以获得的。需要深入认识微观分子的反应和组装规律，掌握材料的基本物理性质，进而构筑新型柔性微纳器件，以满足未来对人造智慧体制备的需要。 此外，二维材料制造时的实时在线检测，对其生长的严格控制也十分关键。国家纳米科学中心研究员谢黎明介绍，为了揭示相关二维材料的生长机制，团队研发了高温原位光学成像技术，可在化学气相沉积系统内植入高温显微成像镜头，实现950℃下1微米空间分辨率的二维材料生长实时成像，从而揭示二维材料的生长动力学与生长机制，获得其生长速率、扩散速率等关键参数。 工欲善其事，必先利其器。基于高分辨率的在线观测，以及离线的扫描透射电子显微镜成像数据，团队发展出液相边缘外延生长方法和设备，实现了二硫化钼的全单层生长。 中国科学院物理研究所研究员张广宇团队则基于高质量二维二硫化钼晶圆生长的基础，通过界面缓冲层控制的新策略，在工业兼容的C面蓝宝石衬底上成功外延生长出2英寸的单层二硫化钼单晶薄膜。相较于硅，二硫化钼具有更强的电子控制能力，被认为是制造下一代芯片的理想材料。 瞄准功能“定制”目标 如何使用大规模集成二维材料制备的晶体管，制备运算速度更快、更省电的芯片？这样的芯片究竟长什么样？ 张广宇说，从操控原子出发形成最终产品，使其具备结构上的原子精准和功能上的“定制”，是继微纳制造之后的下一代制造技术。当前，原子尺度的相关产品处于萌芽阶段，更多技术路线正在不断研发中。 “后摩尔时代的计算机芯片需要在工艺和架构方面突破经典架构，其中兼容半导体工艺的固态量子计算芯片是一种有竞争力的技术路线。”西安交通大学材料学院自旋电子材料与量子器件研究中心教授潘毅介绍，由高度相干的全同量子点构成的量子比特是构成固态量子芯片的基本单元。 为了制造全同的人工量子点，潘毅团队与德国PDI研究所合作，利用扫描隧道显微镜进行原子操纵，在砷化铟表面构筑了多个全同性良好的人工量子点。这种方法有望成为未来固态量子计算所需的大规模耦合量子点阵列的重要制造方式。 与会专家表示，以定向自组装诱导图形化工艺技术、冷阴极并行电子束直写刻蚀装备技术、大规模扫描探针装备技术、X光光刻装备技术等为代表的加工技术也在不断完善和发展，为工业级别的大规模原子制造提供支撑。
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  • 《中兴通讯7纳米芯片规模量产，高端芯片赛道追赶仍需时日》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-10-14
    • 10月11日，一则中兴通讯自研7 纳米芯片实现市场商用的消息引发外界关注。 据媒体报道，中兴通讯副总裁李晖在第三届数字中国峰会上透露，在 5G 无线基站、交换机等设备的主控芯片上，中兴自研的 7 纳米芯片已实现市场商用，5 纳米还在实验阶段。 而在今年年中的股东大会上，中兴通讯曾透露5纳米芯片将在明年推出。 招商电子曾在一份研报中指出，单芯片方案进一步提升了基站芯片的门槛，使得国产厂商更加难以切入，而基站芯片的自给率几乎为零，成为了此前中兴通讯禁运事件里最为棘手的问题。近两年，中兴通讯在芯片领域，尤其是在基站芯片的研发上，开始做出更大力度的投入。 中兴5G芯片迭代至第三代 芯片犹如心脏，是很多电子设备最关键的零部件，尤其是在外部环境不断变化下，芯片的自给率以及能力成为备受业内外关注的话题。 在过去，中兴通讯主攻的三大应用领域里，芯片门槛最高的板块是基站领域，这一领域要想实现国产化，需要较长时间。光通信和手机产业链门槛相对较低，一些细分领域的国产芯片方案甚至于成为了国际龙头，但整体来看，还是偏低端应用。在业内看来，基站芯片的成熟度和高可靠性和消费级芯片有所不同，从开始试用到批量使用起码需要两年以上的时间。 在今年的6月6日，也就是5G发牌一周年之际，中兴通讯虚拟化产品首席科学家屠嘉顺首次对外披露了芯片上的最新进展。他表示，目前中兴通讯已经发布了基于7纳米技术3.0版本的多模基带芯片和数字中频芯片，这些产品可以实现相比上一代产品超过4倍的算力提升和超过30%的AAU功耗的降低。同时，他表示，明年发布的基于5纳米的芯片将会带来更高的性能和更低的能耗。 这也意味着，中兴通讯在基站芯片上对海外厂商的依赖性逐步降低。 中兴对芯片研发可以追溯到24年前，1996年，中兴成立了IC设计部专门从事芯片研发。2003年，中兴微电子正式成立，2019年，中兴微电子的业绩收入约76到77亿元人民币，中国半导体设计公司排名第五名，主要产品包括用于手机基带芯片，多媒体芯片、通信基站及有线产品用芯片。 中金公司曾在一份研报中指出，中兴微电子净利率约15%~20%（根据中兴微电子2014~2017年净利率推测），公司供货芯片占中兴通讯总采购额11%以上（根据中兴微电子2017年情况推测），而7纳米芯片主要用于5G基站。 中兴通讯副总裁，TDD&5G产品总经理柏燕民曾对第一财经记者表示，基于7纳米工艺，中兴的5G芯片已经发展到了第三代产品，自研芯片最关键的还是考虑业务可持续性，考虑的是整个供应链的安全，同时追求更大的性价比。“现在在系统产品5G芯片关键领域都是采取的是自研产品，如基带处理、数据中频等。”柏燕民说。 7纳米芯片制造仍依赖外部厂商 中金公司表示，长期看，中兴通讯有望在全球5G建设浪潮下获得更多市场份额。2020年上半年，中兴通讯在国内5G招标中份额仅次于华为且有所提升。 在9月8日全球市场研究公司Dell'Oro Group公布的2020年上半年全球TOP电信设备制造商的市场份额中，中兴通讯排名第四，市场份额为11%，比2019年（9%）上升了2个百分点。 对于中兴自研芯片的能力，中兴执行副总裁、首席运营官谢峻石曾表示，中兴芯片是全流程覆盖的。最早架构设计、仿真、前端设计、后端物理实现、封测设计、封装测试和相应芯片未来失效分析等，全生命周期都可以实现研发设计。 记者从中兴内部了解到，5纳米芯片将主要用于中兴通讯新一代5G无线系列芯片和承载交换网芯片，未来将内置AI算法，主要为的是提高性能以及降低能耗。 经过多轮的发酵，中兴通讯在芯片上的进展一度被外界解读为中国芯片制造能力进入了7纳米甚至是5纳米时代，但事实上，中兴自主研发的7纳米芯片仍主要由台积电的工艺制造，日月光投控的2.5D/interposer技术进行封测，而中兴所擅长的为芯片的设计端，本身并不具备芯片生产制造能力。 从行业来看，芯片是全球最硬核的高科技产业，以纳米来计量的制造过程极为复杂，包括芯片设计、芯片制造、芯片封测、芯片材料、芯片设备几大领域，产业链涉及50多个行业，目前中国的半导体产业在设计、封装上达到了较高水平，但底层的高端装备、EDA软件、材料，还是以西方为主。而在制造芯片环节，以中芯国际为代表的本土厂商目前所占据的份额不到5%，与第一名的台积电54%的份额相比，差距依然比较大。 而从设计端来看，全球7纳米的设计工艺已经较为成熟，而目前也已有多家厂商开始了5纳米工艺的芯片量产。 在原来的计划中，搭载5纳米工艺的芯片将在Mate 40系列手机中首发，而在国际厂商中，高通在今年2月份发布了其第三代5G调制解调器骁龙X60，采用的也是5纳米工艺。不过这两款芯片主要用于手机领域，在基站芯片方面，目前鲜有公开的设计工艺数据。 不过对于中兴通讯来说，7纳米设计工艺的量产也标志着我国厂商在芯片赛道上做出了巨大努力，该工艺的量产对于厂商在5G市场的扩张起着积极作用。中兴通讯副总裁崔丽则表示，在5G份额方面，希望未来中兴国内5G的市场份额达到35%以上，在4G份额上进一步得到提升。    
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