国产光刻机屡获创新,但为何仍解决不了“缺魂少芯” ?

2019年04月29日 作者:satoll

者不看好非传统半导体材料或是工艺的进步能够改变目前我国“缺芯少魂”的现状。同时,发展这些新材料和新工艺做一些特殊领域的芯片也还是有相当的前途的,不能一概否定。

者不看好非传统半导体材料或是工艺的进步能够改变目前我国“缺芯少魂”的现状。同时,发展这些新材料和新工艺做一些特殊领域的芯片也还是有相当的前途的,不能一概否定。

(甘棕松团队研制的9nm线宽双光束超衍射极限光刻试验样机)

该样机实现了材料,软件和零部件等三个方面的国产化,实现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。同时通过合作实现了样机系统关键零部件包括飞秒激光器、聚焦物镜等的国产化,在整机设备上验证了国产零部件具有甚至超越国外同类产品的性能。甘棕松说,最关键的是,我们打破了三维微纳光制造的国外技术垄断,在这个领域,从材料、软件到光机电零部件,我们都将不再受制于人。

9nm、光刻试验样机、国产化、超越国外产品性能、打破国外技术垄断等字眼很难不让人联想到到一直对中国大陆封锁的光刻机。距离去年4月美国商务部激活对中兴通讯的拒绝令已经过去整整一年了,中国缺少高端通用芯片及基础软件产品的问题却越来越受到广泛的关注。

光刻机作为半导体生产制造环节最重要的核心部件,其关键技术一直被荷兰ASML公司垄断,并被西方限制向中国大陆出口。不能获得最先进的光刻机是境内半导体工艺制程始终比境外落后1-2代甚至3代的主要原因。

归根结底,人们要问这台商业化、国产化都很充分的光刻试验样机短时间内用于高等级集成电路生产的可能吗?有可能替代进口的光刻机吗?能解决中国计算机产业现在面临“缺芯少魂”的尴尬吗?

很遗憾,几乎所有媒体报道国产光刻试验样机问世时都会提到光刻机和芯片制造。但所有官方消息都会指出这是超衍射极限光刻试验样机,主要解决的是微纳三维器件结构设计和制造的问题。

也就是说这台样机不是一般意义上的光刻机,短时间内也无法用于高等级集成电路芯片的生产。

事实上这并不是一个特例,每年国内外都会涌现一批生产芯片的新材料、新工艺。这些新材料、新工艺如果不能与现有的材料和工艺紧密的结合一般最终都不能用于生产通用性强的高等级半导体芯片。对中国而言,尽管这些进步都将在各自领域中发挥重要作用,但对于解决“缺芯”问题帮助不大。

新材料、新工艺局部具有突出优势,但局限也很大

从原理角度讲,能够支持纳米级别加工的材料、工艺数量着实不少,而且还在不断地增加。其中又有为数不少的材料和工艺能够用于加工电路。在旧有工艺的局限性不断暴露,集成电路制程更新乏力的大背景下,只要提出或者改进一下这些工艺或者材料,就会被认为具有替代现有的工艺可能或者重大技术突破而被广泛关注。

在过去的一年中,比较有名的就有美国国防高级研究计划局投资石墨烯3D芯片以及国产“超分辨光刻装备项目”等报道。

这些新材料、新工艺相比目前的硅半导体和光刻而言,在某些方面具有突出的优势,但是总得来说还是局限更大,只能用于生产特殊芯片而非通用的高等级集成电路芯片。

去年美国国防高级研究计划局给麻省理工学院Max Shulaker团队资助了6100万美元用于利用石墨烯材料制作碳纳米晶体管,并构造出3D芯片来。Max教授早在斯坦福大学就读博士时就开发出了世界上第一台基于碳纳米晶体管技术的计算机,并将成果公布在著名的《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计算和存储模型,也是在这篇文章中产生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一概念。

(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,并且能够支持快速开关,因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料”。但是经过数年的研究,到2017年Max教授不再谋求通过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、储存、缓存都是由硅晶体管构成的。只有负责实验样品蒸汽数据采集、传输和处理的部分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普通芯片,只是集成度稍高而已。

目前碳纳米管具有硅晶体管所不具备的更优良的力学、化学和电学性能,但是另一方面产量、良率、电路的抗干扰能力、速度都存在很大的劣势。与造成的麻烦相比,石墨烯带来的优势不止一提。很可能只能继续用于为处理芯片集成各种各样的集成传感器。

过去一年中一个关于半导体制造新工艺的是去年12月1日,《解放军报》报道了中科院光电所可加工22nm芯片的“‘超分辨光刻装备项目’通过国家验收”。

此次自主光刻设备由于采用了表面等离子体技术,使得光源的波长与线宽之比大大提高。由激光直写、激光干涉等技术的2-4:1提升至现有的17:1。这意味着用该自主光刻设备生产半导体的光源成本将大大降低,同时还将绕过西方发达国家在半导体领域经营数十年的专利壁垒,并且新技术还有较大的潜力可以挖掘。

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