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国产光刻机的创新为何还解不了“缺魂少芯”

宣布时间:2019年04月29日 11:04    宣布者:小编
要害词: 光刻机
泉源:不雅不雅察者网专栏作者 余鹏鲲

凭证科技日报的新闻,4月10日志者从武汉光电国家研究中央得知,该中央甘棕松团队接纳二束激光在自研的光刻胶上突破了光束衍射极限的限制,接纳远场光学的措施,光刻出最小9纳米线宽的线段,完成了从超分辨成像到超衍射极限光刻制造的严严重年夜创新。

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(甘棕松团队研制的9nm线宽双光束超衍射极限光刻实验样机)

该样机完成了质料,软件和零部件等三个方面的国产化,完成了微纳三维器件结构设计和制造软件一体化,可无人值守智能制造。同时经由历程协作完成了样机系统要害零部件网罗飞秒激光器、聚焦物镜等的国产化,在零件装备上验证了国产零部件具有以致超出海内同类产物的性能。甘棕松说,最要害的是,我们打破了三维微纳光制造的海内手艺垄断,在这个领域,从质料、软件到光电机零部件,我们都将不再受制于人。

9nm、光刻实验样机、国产化、超出海内产物性能、打破海内手艺垄断等字眼很难不让人遐想到到一直对中国年夜陆关闭的光刻机。距离去年4月美国商务部激活对中兴通讯的拒绝令曾经之前整整一年了,中国缺乏高端通用芯片及基础软件产物的效果却愈来愈遭到普遍的关注。

光刻机作为半导体临盆制造环节最主要的焦点部件,其要害手艺一直被荷兰ASML公司垄断,并被西方限制向中国年夜陆出口。不克不及取得最早辈的光刻机是境内半导体工艺制程一直比境外落伍1-2代以致3代的主要启事。

归根结底,人们要问这台商业化、国产化都很充实的光刻实验样机短时间内用于高品级集成电路临盆的能够吗?有能够替换出口的光刻机吗?能处置赏罚赏罚中国盘算机家当现在面临“缺芯少魂”的尴尬吗?

很遗憾,简直一切媒体报导国产光刻实验样机问世时都邑提到光刻机和芯片制造。但一切官方新闻都邑指出这是超衍射极限光刻实验样机,主要处置赏罚赏罚的是微纳三维器件结构设计和制造的效果。

也就是说这台样机不是浅易意义上的光刻机,短时间内也没法用于高品级集成电路芯片的临盆。

现实上这着实不是一个特例,每年国内外都邑泛起一批临盆芯片的新质料、新工艺。这些新质料、新工艺假定不克不及与现有的质料和工艺慎密的联络浅易事实都不克不及用于临盆通用性强的高品级半导体芯片。对中国而言,虽然这些前进都将在各自领域中施展主要作用,但关于处置赏罚赏罚“缺芯”效果赞助不年夜。

新质料、新工艺部门具有凹陷优势,但局限也很年夜

从原理角度讲,能够支持纳米级别加工的质料、工艺数目着实许多,而且还在赓续地增添。其中又有为数许多的质料和工艺能够用于加工电路。在旧有工艺的局限性赓续裸露,集成电路制程更新乏力的年夜配景下,只需提出或许刷新一下这些工艺或许质料,就会被以为具有替换现有的工艺能够或许严严重年夜手艺突破而被普遍关注。

在之前的一年中,较量著名的就有美国国防高等研究妄图局投资石墨烯3D芯片和国产“超分辨光刻装备项目”等报导。

这些新质料、新工艺相好比今的硅半导体和光刻而言,在某些方面具有凹陷的优势,然则总得来讲照样局限更年夜,只能用于临盆特殊芯片而非通用的高品级集成电路芯片。

去年美国国防高等研究妄图局给麻省理工学院Max Shulaker团队赞助了6100万美元用于应用石墨烯质料制造碳纳米晶体管,并结构出3D芯片来。Max教授早在斯坦福年夜学就读博士时就开发出了天下上第一台基于碳纳米晶体管手艺的盘算机,并将效果宣布在著名的《自然》杂志上。

2017年Max教授再次于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的盘算和存储模子,也是在这篇文章中发生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一看法。

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(2017年论文中的碳纳米管3D芯片原理图和显微镜剖面图)

用Max教授的话说:“与传统晶体管相比,碳纳米管体积更小,传导性也更强,而且能够支持快速开关,是以其性能和能耗体现也远远好过传统硅质料”。然则经由数年的研究,到2017年Max教授不再追求经由历程碳纳米管直接取代硅晶体管。

2017年的研究中所谓的碳纳米管3D芯片中计算、贮存、缓存都是由硅晶体管组成的。只需担负实验样品蒸汽数据搜集、传输和处置赏罚赏罚的部门是碳纳米晶体管构建的。换言之,碳纳米管3D芯片更像是集成了碳纳米管气体传感器的浅易芯片,只是集成度稍高而已。

现在碳纳米管具有硅晶体管所不具有的更优良的力学、化学和电学性能,然则此外一方面产量、良率、电路的抗滋扰才干、速率都存在很年夜的优势。与组成的费事相比,石墨烯带来的优势不止一提。很能够只能一连用于为处置赏罚赏罚芯片集成种种各样的集成传感器。

之前一年中一个关于半导系统体例造新工艺的是去年12月1日,《约束军报》报导了中科院光电所可加工22nm芯片的“‘超分辨光刻装备项目’经由历程国家验收”。

此次自主光刻装备由于接纳了外面等离子体手艺,使得光源的波长与线宽之近年夜年夜前进。由激光直写、激光干预干与干与等手艺的2-4:1提升至现有的17:1。这意味着用该自主光刻装备临盆半导体的光源资源将年夜年夜降低,同时还将绕过西方蓬勃国家在半导体领域运营数十年的专利壁垒,而且新手艺尚有较年夜的潜力可以掘客。

该光刻装备的面世,填补了相关手艺的空缺,取得了一定的应用,到达了相当的水平。同时也应当看到,现在这类工艺存在手艺应用还不太成熟,还没法加工像主流PC电脑CPU和显卡一样的严重年夜部件。

该项目的副总设计师胡松在吸收央视13频道的《午夜宵息栏目》采访时说到该装备可以加工十毫米乘十毫米规模的芯片。这曾经网罗了简直一切手机SoC(例如麒麟970、苹果A11芯片)能到达的年夜小。曾经是异常不错的效果,不外显着尚有前进的空间。

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(该项目副总设计师吐露的装备性能情形)

总之,应用新质料、新工艺经常能够取得某些凹陷的优势,但同时也存在着种种各样的局限。

新形式下非传统半导体质料和工艺逆袭的难度愈来愈年夜

除新质料和新工艺存在的局限以外,现在围绕现有工艺修建的成熟生态也限制了新质料、新工艺逆袭的能够性。

试想一下,假定假定武汉光电国家研究中央此次研究得是真的可以用于制造高端通用芯片的新工艺光刻机。就真的能很快临盆出这样的芯片吗?

随着半导体芯片制造的制程愈来愈小,人类遇到了愈来愈多的新效果,半导体工艺与设计之间的关系也愈来愈慎密。现在半导系统体例造中换个工艺或许制程,芯片的电路部门很能够就要重新设计。假定新制程工艺优化得欠好或是芯片没有凭证新工艺做足够的调剂,新工艺流片的芯片性能和稳固性不如老工艺是完全有能够的。

英特尔在2007年宣布了著名的“嘀嗒”(Tick-Tock)战略形式,“Tick-Tock”的称谓源于时钟秒针行走时所收回的声响。浅易一次“Tick-Tock”的周期为两年,“Tick”占一年,“Tock”占一年。Tick年(工艺年)更新制造工艺,Tock年(架构年)更新微架构。

然则2016年,英特尔打破了自己定下的这一战略,将这一战略修改成“制程-架构-优化”(PAO)的三步走战略。

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(英特尔原来的“两步走”战略放缓到“三步走”)

英特尔之以是做出这样的改变,启事是多种多样的,既有公正化10nm难产、追求更高利润率的启事。此外一方面,现有工艺与设计的耦合性愈来愈强生怕也是很主要的启事。

要保证随着制程的前进性能一代更比一代强,生怕确切须要多一年的时间来阻拦这样的优化。

关于现在的芯片设计而言,半导体临盆企业必须要把足够多的参数和数据延迟供应并赓续更新才干保证设计的正常阻拦,这一历程当中须要做年夜量的实验,破费巨额的资金,关于新工艺而言尚有完全掉落败的能够性。

同时随着半导系统体例造企业出于掩护手艺神秘,降低设计企业开发资源等因素,经常还会供应给设计企业封装好的工艺库和工具箱,以致于连设计用的IDE都必须由半导系统体例造企业定制。新工艺假定没有足够多的优点和可靠的财力支持很有能够倒在倾覆半导系统体例造要领的征程上。

是以,笔者不看好非传统半导体质料或是工艺的前进能够改变现在我国“缺芯少魂”的现状。同时,生长这些新质料和新工艺做一些特殊领域的芯片也照样有相当的前途的,不克不及一概否认。

或许有些人会为我们没能“弯道超车”在半导系统体例造工艺上追逐上海内而以为遗憾。不外年夜国造重器原来就没有太多的投契取巧,既不克不及放弃对先进手艺偏向的探索,也要在传统偏向上一步一个萍踪的追逐。
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