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    国内的半导体芯片对进口依赖非常高,特别是高端的内存、闪存、处理器等芯片,国内的技术落后,还不能完全国产替代。国内半导体在制造领域是落后最多的,很多人都知道光刻机在芯片生产中的的重要性,荷兰ASML公司目前垄断了高端光刻机的研发、生产。昨天中科院发布消息,中国科学院光电技术研究所承担的国家重大科研装备——超分辨光刻装备项目通过验收,这个项目最主要的成果就是中国科学家研发成功世界首台分辨力最高的紫外超分辨光刻机,365nm波长即可生产22nm工艺芯片,通过多重曝光等手段可以实现10nm以下的芯片生产。

    来自中科院官方的消息报道,中科院光电所所长、超分辨光刻装备项目首席科学家罗先刚研究员介绍说,2012年,该所承担了超分辨光刻装备这一国家重大科研装备项目研制任务,经过近7年艰苦攻关,在无国外成熟经验可借鉴的情况下,项目组突破了高均匀性照明、超分辨光刻镜头、纳米级分辨力检焦及间隙测量和超精密、多自由度工件台及控制等关键技术,完成国际上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备研制,其采用365纳米波长光源,单次曝光最高线宽分辨力达到22纳米(约1/17曝光波长)。在此基础上,项目组还结合超分辨光刻装备项目开发的高深宽比刻蚀、多重图形等配套工艺,实现了10纳米以下特征尺寸图形的加工。

    这一世界首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备是基于表面等离子体超衍射研制而成,它打破了传统光学光刻分辨力受限于光源波长及镜头数值孔径的传统路线格局,形成了一条全新的超衍射纳米光刻从原理、装备到工艺的技术路线,具有完全自主知识产权,为超材料/超表面、第三代光学器件、广义芯片等变革性战略领域的跨越式发展提供了制造工具。

    验收专家认为,中科光电所研制成功的超分辨光刻装备所有技术指标均达到或优于实施方案规定的考核指标要求,关键技术指标达到超分辨成像光刻领域的国际领先水平。该项目在原理上突破分辨力衍射极限,建立一条高分辨、大面积的纳米光刻装备研发新路线,绕过了国外高分辨光刻装备技术知识产权壁垒,实现中国技术源头创新,研制出拥有自主知识产权、技术自主可控的超分辨光刻装备,也是世界上首台分辨力最高紫外超分辨光刻装备。

    同时,利用研制成功的超分辨光刻装备已制备出一系列纳米功能器件,包括大口径薄膜镜、超导纳米线单光子探测器、切伦科夫辐射器件、生化传感芯片、超表面成像器件等,验证了该装备纳米功能器件加工能力,已达到实用化水平。

    中科光电所超分辨光刻装备项目已发表论文68篇,目前已获授权国家发明专利47项,授权国际专利4项,并培养出一支超分辨光刻技术和装备研发团队。罗先刚表示,中科院光电所后续将进一步加大超分辨光刻装备的功能多样化研发和推广应用力度,推动国家相关领域发展。

    PS:这则新闻里技术名词很多,这款光刻机的核心之处在于“打破了传统光学光刻分辨力受限于光源波长及镜头数值孔径的传统路线格局”,要明白这个突破的意义需要了解下现在的ASML光刻机原理,我们之前在超能课堂单价1.2亿美元的光刻机,全球只有一家公司生产一文里介绍过光刻机的分辨率决定了芯片的工艺水平,而光刻机分辨率光刻机的精度跟光源的波长、物镜的数值孔径是有关系的,有公式可以计算:

    光刻机分辨率=k1*λ/NA

    k1是常数,不同的光刻机k1不同,λ指的是光源波长,NA是物镜的数值孔径,所以光刻机的分辨率就取决于光源波长及物镜的数值孔径,波长越短越好,NA越大越好,这样光刻机分辨率就越高,制程工艺越先进。

    现在中科院研发的光刻机虽然也叫光刻机,但它之所以能打破光刻机分辨率依赖于波长、数值孔径的限制是因为它的原理并不同,文章中也说了这套光刻机系统是基于表面等离子体超衍射,绕过了国外高分辨光刻装备技术知识产权壁垒,实现中国技术源头创新。

    这套光刻机也不是中科院系统首次在光刻工艺上作出创新了,在光刻机研发方面,中科院下面至少有两个团队,一个是长春光学精密机械与物理研究所,他们承担了国内的02专项32-22nm装备技术前瞻性研究,专注于EUV/X射线成像技术研究,着重开展了EUV光源、超光滑抛光技术、EUV多层膜及相关EUV成像技术研究,这个技术路线跟ASML的EUV光刻技术是一个方向的。

    这次出成就的是中科院光电所,走的是表面等离子体超衍射光学光刻路线,实际上现在曝光的这套22nm工艺光刻机也不是新闻了,因为2017年的时候就有过相关报道了,之前报道中它被称为SP光刻机,号称是世界第一个单次成像就能达到22nm水平的光刻机(光刻工艺中多重曝光可以累积提高精度),现在是这个项目正式通过验收。

    中科院这套光刻机使用的365nm光源就能制造出22nm工艺的芯片,未来通过多重曝光等手段可以制造出10nm以下的芯片,技术上很牛,但是对于它的期望不要太高,这种光刻机跟现在的ASML体系的光刻机不一样,用于大规模生产的话需要改变工艺流程,所以真正用于商业生产的话还很遥远,它如何商业化还是个问题,商业化了有没有半导体制造公司去采用这种新型光刻机还是个问题。

    总之,中科院现在研发成功的光刻机技术意义很重要,可以开辟新的光刻路线,但是国内半导体工艺水平并不是靠光刻机先进与否就能解决的。

    更新:找了更详细的报道,这种光刻机技术原理很不错,但是目前商业量产的实用性可能没有,加工速度太慢了,远不如ASML光刻机,而且处理的是4英寸晶圆。

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