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【科技日報】頭版:從“差三代”到“全覆蓋”
來源:新聞中心
發布時間:2024年03月20日 編輯:新聞中心

  編者按:3月19日,《科技日報》頭版刊發文章《從“差三代”到“全覆蓋”》,講述了中國電科自主研制國產離子注入機的科研攻關之路。

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  提起離子注入機,熟悉集成電路的人都知道,該設備與光刻機、刻蝕機、鍍膜機并稱為芯片制造的“四大核心裝備”,其高端市場長期被國外壟斷。

  20多年前,為突破集成電路裝備自主創新的堵點卡點,中國電科所屬中電科電子裝備集團(以下簡稱“電科裝備”)第四十八研究所組建研發團隊,走上離子注入機科研攻關之路。

  “當時,我國離子注入機工藝精度只有0.5微米,相比國際先進的90納米,在技術指標上差了三代。”電科裝備黨委書記、董事長景璀日前告訴科技日報記者,“研發團隊奮起直追,先后攻克千余項關鍵技術,實現了國產離子注入機‘從無到有’、再到‘多點開花’的跨越。”

  今年年初,“中國電科實現國產離子注入機28納米工藝全覆蓋”入選“2023年度央企十大國之重器”。

“孤勇出征” 造出首臺樣機

  制造芯片時,由于純凈硅不具備導電性,需要摻入不同種類的元素改變其結構與電導率。

  這一過程要靠離子注入機來完成——通過電磁場控制高速運動的離子,按照工藝要求將其精準注入硅基材料,從而控制材料的導電性能,進而形成PN結等集成電路器件的基本單元。

  2003年,研發團隊開啟了高端離子注入機的攻關歷程。國內經驗匱乏,國外技術封鎖,團隊成員將當時的情景形容為“孤勇出征”。

  電科裝備旗下北京爍科中科信電子裝備有限公司(以下簡稱“爍科中科信”)技術總設計師彭立波回憶,他們擠在小公寓里研究設計圖紙,在租借的小廠房里做實驗。團隊里剛畢業的小伙、剛成家生子的青壯年,以及快退休的老同志,大家一起工作、一起生活,隔3個月才能回一次家。

  為盡快打造出具有市場競爭力的裝備,研發團隊選擇了一款100納米機型作為參考機器。“為什么這樣設計?跟應用有什么對應關系?都要逐一認知、消化吸收。”彭立波說。

  那時缺乏計算機輔助設計工具,面對內部結構精密而復雜的離子注入機,幾位經驗豐富的老師傅絞盡腦汁,整天圍著設備苦苦鉆研,全憑二維設計和空間構思去理解這些構造,用了幾個星期才把它搞明白。

  “離子注入機采用光纖通信系統進行控制,我們必須弄清楚光纖通信模塊的底層控制邏輯。”彭立波告訴記者。由于從樣機中只能獲得二進制代碼,研發人員被逼反向破解,逐行逐字推敲,摸索控制指令及其對應的功能,反復琢磨這些指令對產品工藝精度和技術指標的影響。

  歷時近兩年,研發團隊在吃透機器構造原理、控制設計思路等基礎上,完成了自主樣機的設計方案,并突破關鍵部件研制難題,最終造出首臺樣機。

“破釜沉舟” 完成工藝驗證

  從樣機到市場,其間路途漫漫。

  “功能和指標只是進入市場的第一道門檻。要得到用戶認可,嚴苛的工藝驗證才是真正的考驗。”彭立波說。

  回憶起考驗的艱辛,爍科中科信研發工程中心總監陳輝至今仍“心有余悸”。

  2012年底,研發團隊成功研制出28納米中束流離子注入機,陳輝帶著設備進駐用戶單位。按規定,要在兩年內完成產線工藝驗證。實際上,除去大規模量產前的穩定性驗證和試投產,真正留給工藝驗證的時間只有一年左右。

  離子注入機完成一輪驗證就需要近3個月,而且其過程像“開盲盒”。只有把所有工序走完,對成品進行電性測量后,才知道離子注入質量如何。一旦驗證結果不合格,就要調出整個注入過程中所有的參數,逐一檢查比對,找到問題,然后修正。

  此前,研發團隊已成功交付90至65納米離子注入機,在回溯調查、工藝處理方面積累了豐富經驗。但28納米工藝對注入劑量、角度、能量等技術參數更敏感,對精度要求更高,由此帶來許多新問題,需要一點點摸索。

  “第一輪驗證,沒有完全成功。”陳輝說。他和同事回溯、修正,線上、線下試驗,再等3個月出產品,又測一輪,仍未成功。

  對于2013年的夏天,陳輝迄今難以忘懷。除了40攝氏度的持續高溫,連續失敗更令他備受煎熬。用戶也承受了巨大壓力,乃至發出最后通牒:“再不行就把設備搬走!”

  第三輪驗證被陳輝形容為“破釜沉舟”。他們對設備進行軟硬件升級,把此前出過問題的環節全部重試一遍,確保無誤之后才開始驗證。

  這一輪驗證雖然花費了更多時間,但終于達到了用戶的要求,同時也獲得了他們的信任。全部驗證流程完成后,用戶如約采購了這臺設備,并對此后采購的同類設備簡化了驗證流程。

“多點開花” 打造國之重器

  完成28納米中束流離子注入機工藝驗證后,研發團隊于2017年全面鋪開大束流離子注入機研發。他們要在產品譜系上“多點開花”。

  中束流與大束流離子注入機,分別應用在芯片制造的不同環節,適用于不同工藝需求。二者各有所長,缺一不可。

  “簡單說,芯片核心計算部位的‘精細活’由中束流機型做;芯片外圍引腳之類的‘粗活’由大束流機型做。”彭立波打比方道,這樣的配合既能提高效率,又能降低成本。

  有了中束流設備的研制經驗,大束流設備研制一路“高歌猛進”——2018年實現樣機設計,2019年完成樣機裝配及調試,2020年交付用戶,2021年底開始工藝驗證。

  但驗證過程并沒有想象中順利,研發團隊經歷了又一次刻骨銘心的爬坡過坎。

  “幾乎所有指標都達到了期望值,就在我們以為勝利在望時,某一元素的離子注入劑量被檢測出偏差過大。”陳輝說。

  為了找出問題的原因,研發團隊不得不從設計源頭重溯——這相當于從頭再來。他們每天24小時守在實驗室里,開展大量仿真實驗和工藝驗證。就這樣連續奮戰了兩個多月,終于使劑量偏差精度達到國際先進水平。

  隨著時間的推移,器件研制能力持續增強,軟件系統不斷迭代升級,工藝精度穩步提升……2023年,研發團隊成功實現全系列離子注入機28納米工藝全覆蓋。

  20多年來,研發團隊先后研制出中束流、大束流、高能、特種等全系列國產離子注入機產品,超百臺設備廣泛應用于各集成電路制造企業90納米、55納米、40納米、28納米工藝生產線,為我國集成電路產業鏈供應鏈安全與穩定提供了堅實保障。

  “習近平總書記在考察中國電科產業基礎研究院時指出,必須瞄準國家戰略需求,系統布局關鍵創新資源,發揮產學研深度融合優勢,不斷在關鍵核心技術上取得新突破。”景璀向記者表示,“下一步,我們將一以貫之、久久為功,繼續推動離子注入機的創新迭代和量產應用,全力打造高端裝備制造中國名片!”

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