《中国两条路径破解7纳米和5纳米技术难题,芯片制造瓶颈有望打破》

  • 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:2023-02-27
  • 中国已经可以量产14纳米,7纳米、5纳米先进工艺受限于EUV光刻机的供应一直备受阻碍,不过近期的诸多消息显示中国已找到解决阻碍先进工艺的途径,或许不久中国就能实现先进工艺的国产化。

    一条是国内一家芯片企业公布的SAQP技术,可以利用现有的DUV光刻机开发7纳米工艺,并且已以该技术研发成功10纳米工艺,证明了以这种技术实现7纳米的可行性。

    SAQP技术其实就是多重曝光技术,以现有的DUV光刻机通过多重曝光最终量产7纳米,这个技术其实早已由台积电验证过。台积电当时为了确保7纳米工艺的量产,因此延续了此前的芯片制造技术,采用DUV光刻机量产了第一代7纳米工艺,在第一代7纳米工艺量产后再引入EUV光刻机,开发出第二代7纳米EUV工艺。

    这种技术对于中国的先进制造工艺来说无疑是最现实的办法,随着国内芯片制造企业将SAQP技术应用于10纳米,中国可望加速7纳米工艺的量产,当然这种技术也存着一些弊端,那就是可能导致7纳米工艺的成本过高,不过能解决7纳米工艺对中国芯片更具意义。

    另一个途径则是解决中国芯片制造的瓶颈问题,量产国产化的光刻机,这个是最根本的办法,这方面中国也已取得重要进展,近期哈尔滨工业大学公布了一项“高速超精密激光干涉仪”研发成果,并获得了首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜金奖,这就打破了中国在先进光刻机方面的瓶颈。

    中国在先进工艺方面的瓶颈就是光刻机,中国已解决了芯片制造的七大环节,刻蚀机和光刻胶都一达到5纳米,芯片封装更是达到4纳米,其他环节也已突破到14纳米,而光刻机一直都在努力打破28纳米。

    光刻机的难度如此之大,在于它本身就是一条很长的产业链,据了解ASML的EUV光刻机零件高达10万个,需要全球5000家企业配合才能生产出来,证明了先进光刻机的技术难度多么大,正是由于光刻机的难度太大,中国在研发光刻机方面一直面临困难。

    不过中国其实在光刻机方面也有不小的积累,中国是全球唯一一个在光刻机方面拥有更完整产业链的经济体,这在于中国受到众所周知因素的影响而难以获得光刻机的配件供应,无奈之下只能自己重新打造一条光刻机产业链,在中国的努力下,中国已逐步解决了双工作台、激光光源、物镜系统等,哈尔滨工业大学公布的技术可以实现将这些配件进行高精度整合,完成光科技的最后步骤,可以预期国产先进光刻机很快就能量产。

    中国在芯片制造方面的进展,在于中国长久以下打下的制造业基础,正是这种基础,让中国得以率先在更先进的光子芯片、量子芯片等方面取得突破,筹建了全球第一条光子芯片、量子芯片生产线,在更先进的芯片技术方面都能突破,那么在硅基芯片技术上逐步取得进展应该是无需质疑的。

    中国拥有全球最多的技术人员,自从2010年中国成为全球最大制造国后,中国就开始异常重视科技研发,随着中国对科技研发的力度不断加大,中国连续11年成为全球专利申请量第一名,有如此雄厚的基础,也就不奇怪中国能同时在诸多芯片技术方面同时推进了,相信光刻机这个难关必然将被解决。

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    • 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:2023-02-20
    • 光刻机已是当下中国芯片制造的最大瓶颈,为此中国芯片产业链一直都在共同努力,力求打破这一难关,而哈工大公布的光刻机技术将有助于打破这个环节,国产芯片的先进工艺问题将因此得以解决。 光刻机的研发难度非常大,虽然全球仅有ASML可以生产出先进光刻机,然而ASML自身也无法完全搞定整个光刻机元件,它自己仅能完成其中10%的零部件,其他零部件需要全球20多个国家的5000多家企业配合,由此可见光刻机这条产业链多么长。 中国的光刻机研发进展落后于其他环节,恰恰就在于产业链需要逐步完善,由于众所周知的原因,中国不仅难以买到先进光刻机,连先进光刻机的元件都难以买到,迫使我们建设自己的光刻机产业链。 此前在国内产业链的支持下,已逐步解决了双工作台、物镜系统、激光光源等诸多光刻机零部件,这次哈工大研发的“高速超精密激光干涉仪”,这项技术是14纳米光刻机的重要技术,可以确保掩膜工作台、双工作台和物镜系统之间复杂的相对位置,实现光刻机的整体套刻精度,可以确保诸多元件整合成系统后的芯片工艺精度,已是光刻机的最后技术之一,也意味着国产先进光刻机即将完成最后的步骤。 对于芯片制造工艺来说,14纳米光刻机并不仅限于生产14纳米工艺,通过多重曝光技术可以实现接近7纳米的工艺,其实此前台积电和三星都并非是从14纳米一步迈进到7纳米,还研发了10纳米、8纳米等工艺,甚至在7纳米工艺上也有7纳米和7纳米EUV之分,故以14纳米光刻机生产接近7纳米工艺的芯片是有可能的。 国产芯片除了在芯片制造工艺方面努力之外,还积极开发小芯片技术,通过将两块芯片堆叠可以大幅提升性能;将不同工艺、不同功能的芯片封装在一起也能大幅提升性能,这些技术台积电、Intel都在尝试,因为当前的硅基芯片达到3纳米之后已接近极限,开发芯片封装技术已成为芯片行业发展的一个方向。 国产芯片制造工艺如果能达到7纳米,加上小芯片技术,那么国产芯片的性能可望进一步提升至接近5纳米,到那个时候,困扰国产芯片的最大障碍将被彻底解决,美国意图以先进芯片技术阻碍中国科技体系发展的图谋将破产。 其实国产芯片如今在多条途径上发展先进芯片,上述这些都是基于现有的硅基芯片技术,而欧美发展硅基芯片技术已有近百年历史,这让他们在硅基芯片方面保持着领先优势,中国除了在硅基芯片上加快追赶之外,还在开发更先进的芯片技术,如量子芯片、光子芯片、碳基芯片技术等,这将是中国芯片弯道超车的机会。 在这些先进芯片技术方面,中国已取得一些优势,2022年底至今,中国已先后筹建了全球第一条量子芯片生产线、光子芯片生产线,凸显出中国在先进芯片技术方面的突破,这些先进芯片技术在加速推进量产,一旦实现商用就将具有赶超欧美的实力。 总的来说美国阻碍中国芯片产业发展的计划已不可能,反而是激发了中国芯片行业的潜力,短短数年时间在诸多芯片技术方面都取得突破,中国芯片或许在不久的将来打破美国在芯片技术方面的领先优势,正是有见及此,美国才会在诸多技术方面施加限制,反过来恰恰说明了中国芯片确实取得了巨大的进展,让它深感威胁。
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    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2019-02-25
    • 纳米制造技术涉及信息、材料、环境、能源、生物医学、农业、航空航天和国防安全等众多领域核心产品的制造,对未来国家战略新兴产业的发展起到重要的支撑作用。纳米制造已成为世界发达国家技术竞争的制高点。 为提升我国纳米制造领域的源头创新能力,国家自然科学基金委员会(以下简称“自然科学基金委”)于2009年正式启动了“纳米制造的基础研究”重大研究计划,以解决国家重大需求为导向,发展原创的纳米制造新原理与新方法,致力于解决我国纳米制造的瓶颈问题与“卡脖子”技术难题。 经过8年的通力协作与奋斗,纳米制造过程的尺度、精度与批量制造相关的若干关键科学问题与技术难题得到解决,纳米制造工艺与装备的理论体系与技术基础初步建立,为纳米制造的一致性和批量化提供了理论基础和技术装备支持——中国制造开启了纳米精度时代! 本期自然科学基金版将总结该重大研究计划取得的研究进展,展示该计划取得的研究成果。 “精度”上的创新 “明确我国科技创新主攻方向和突破口,努力实现优势领域、关键技术重大突破,主要创新指标进入世界前列。”2018年5月,习近平总书记在两院院士大会上对“创新”提出了新要求。这也是半年来科学家在为自然科学基金委重大研究计划“纳米制造的基础研究”梳理总结成果时,不断对照的标准。 “什么是创新?创新,就是把好的点子做出来。”2019年1月,该重大研究计划画上圆满句号时,中国工程院院士、该重大研究计划专家指导组组长、西安交通大学教授卢秉恒对《中国科学报》这样阐述他心中的“创新”。 时间回溯至20世纪初,美国国家纳米技术计划(NNI)的启动,掀起了纳米科学和技术的热潮。随后,包括生物分子马达、纳米机器人、纳米传感器、纳米智能器件等在内的一系列纳米科学研究成果不断在实验室涌现。 当时,我国机械制造领域的专家敏锐地意识到,作为纳米科学走向纳米技术的桥梁,纳米制造将成为世界发达国家技术竞争的制高点。2009年,该重大研究计划的资助下,中国制造领域的专家联合相关领域的科学家开始探讨如何布局中国纳米制造未来发展。 “纳米制造的基础研究”重大研究计划亦在彼时启动酝酿。专家们将“纳米制造”定义为“通过纳米精度制造、纳米尺度制造、跨尺度制造为产品和器件提供一定功能的过程”。 卢秉恒和现任清华大学机械学院院长、中国科学院院士雒建斌分别出任该重大研究计划专家组正副组长。“我们的考虑是,通过这个重大研究计划,面向我国重大战略需求,引领中国制造精度水平的提升”——他们提出了这样的目标。 2019年1月,该重大研究计划顺利通过评估。8年来,在该重大研究计划支持下,科学家们取得的多项成果带动制造学科取得跨越发展。评估会上,专家组自豪地评价:“中国制造开启了纳米精度时代!” 把论文写在生产线上 近年来,有关“卡脖子”技术的议题在国内备受关注。科学家们认识到,只有突破关键领域的核心技术,才能彻底消除“卡脖子”的隐忧。而要实现关键领域核心技术的突破,首先要有好的点子——要从中国自己的基础研究做起。 “中国在芯片制造装备方面起步很晚,初始阶段主要是电子学专家研究集成电路,几乎没有装备领域的大团队从事芯片装备的研发。”雒建斌坦言。直到2000年,我国高校和研究院所才逐步形成了相关的研究团队,陆续开展芯片制造理论、工艺和装备研发。 庆幸的是,作为我国资助基础研究的主渠道,自然科学基金委在2009年启动该重大研究计划时,布局了突破芯片制造相关核心技术的基础研究。 8年里,科学家们从基础理论的“好点子”开始,揭示了纳米尺度与纳米精度下加工、成形、改性和跨尺度制造中的尺度效应、表面/界面效应等规律,建立了纳米制造理论基础及工艺与装备原理,为实现纳米制造的一致性与批量化提供了理论基础。 例如,清华大学的纳米制造团队提出了化学机械去除理论,实现了单晶硅原子层的可控去除,相关结果发表在《自然—通讯》上。美国科学促进会曾评价:“该发现开创了在原子精度实现电子材料加工的新方法,这将是未来电路元器件加工精度进一步提升至原子尺度控制水平的关键。”关于抛光颗粒的研究作为成果“摩擦过程的微粒行为和作用机制”的主要内容获得2018年度国家自然科学奖二等奖。 随后,科学家将基础研究成果拓展至工程应用。2015年10月,国产首台12英寸抛光设备进入芯片制造大生产线,其主要技术指标达到或优于国际先进水平,有效实现了关键装备国产化。 没有该重大研究计划支持下的基础研究原理创新,就没有生产线上的高端机器。不过,在科学家看来,该重大研究计划形成的新原理依然有许多未实现工业应用,对“卡脖子”技术的贡献还有待进一步提升。 学科交叉共融 回顾8年来的研发经历,雒建斌对学科交叉共融感触颇深。“装备本身是个大型机械,各个机构的设计离不开机械原理学科,运动系统的控制离不开自动化学科,而抛光过程则需要物理和化学知识。”他告诉《中国科学报》。 据了解,在强调学科交叉共融方面,该重大研究计划突破传统的一级学科交叉,实现跨学部交叉。统计数据显示,8年来,在该重大研究计划资助的项目中,交叉项目资助金额占比18.5%,资助项目论文成果涉及28个学科。 难能可贵的是,这些交叉学科又在主要的科学问题上得到共融。例如,不同学科的科学问题都具有明显的“制造”属性,即如何保证纳米制造过程的高精度、批量化和一致性。 西安交通大学纳米制造研究团队自2001年起从事纳米压印方面的研究,如今已将压印工艺的精度提高到纳米量级。压印工艺采用机械制造领域模板复形的概念制造纳米结构,可以形象地理解为用“月饼印”在月饼表面印出花纹。 据该团队青年科学家邵金友介绍,在传统压印技术难以走向工程应用的现实情况下,2008年后,团队发明了界面电荷调控的纳米压印技术,突破了尺度效应,使压印力和脱模力都得到大幅降低,这一技术就是制造学科与物理学科交叉融合的结果。 另外,在该重大研究计划集成项目支持下,制造专家也与化学家的思想碰撞出火花。将电化学反应原理与模板约束成形技术相结合,厦门大学田中群院士研究团队发明了以约束刻蚀剂层技术(CELT)为支撑的纳米结构模板调制成形新方法,以接触电势诱导腐蚀的去除方式实现了半导体材料的电化学直接压印成形,缩短了半导体材料成形的工艺链。业内专家认为,这种化学腐蚀和压印相结合的方法,扩大了压印材料的种类。 凝聚人才队伍 在卢秉恒看来,凝聚全国范围内的微纳制造人才,是该重大研究计划重要贡献之一。“8年前,我国制造行业以传统制造为主,大家着重于研究讨论锻造、焊接、冲压等传统方法。”他回忆。 该重大研究计划实施的8年,逐渐形成了我国微纳制造领域的“国家队”。许多年轻科研人员的科研生涯深受该重大研究计划的影响,从参与者逐渐成为科研骨干人才。 “自然科学基金委组织的重大研究计划提供了一个平台,把人才聚集起来。”一名重大研究计划科学家告诉《中国科学报》,“在参与重大研究计划的过程中,我认识了许多同行,在各类交流中互相启发和帮助。” 据统计,该重大研究计划实施期间,8位科研人员当选中国科学院或中国工程院院士,18位科研人员获得国家相关人才计划资助,另培养了974名博士后、硕士、博士。在科学家们看来,这都是该重大研究计划在人才凝聚方面交出的优异成绩单。 面向未来,卢秉恒指出,科学家们正在争取新一期重大研究计划的支持。“希望能将精度从原子层级做到原子级,为发展人工智能、生命科学等科学前沿应用,制造三维芯片提供支持。”他憧憬着。