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从“差三代”到“全覆盖”!国产芯片制造核心装备实现新突破

来源:科技日报 时间:2024-03-19 17:12

  提起离子注入机,熟悉集成电路的人都知道,该设备与光刻机、刻蚀机、镀膜机并称为芯片制造的“四大核心装备”,其高端市场长期被国外垄断。

  20多年前,为突破集成电路装备自主创新的堵点卡点,中国电科所属中电科电子装备集团(以下简称“电科装备”)第四十八研究所组建研发团队,走上离子注入机科研攻关之路。

  “当时,我国离子注入机工艺精度只有0.5微米,相比国际先进的90纳米,在技术指标上差了三代。”电科装备党委书记、董事长景璀日前告诉科技日报记者,“研发团队奋起直追,先后攻克千余项关键技术,实现了国产离子注入机‘从无到有’、再到‘多点开花’的跨越。”

  今年年初,“中国电科实现国产离子注入机28纳米工艺全覆盖”入选“2023年度央企十大国之重器”。

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离子注入机调试现场。烁科中科信供图

  “孤勇出征” 造出首台样机

  制造芯片时,由于纯净硅不具备导电性,需要掺入不同种类的元素改变其结构与电导率。

  这一过程要靠离子注入机来完成——通过电磁场控制高速运动的离子,按照工艺要求将其精准注入硅基材料,从而控制材料的导电性能,进而形成PN结等集成电路器件的基本单元。

  2003年,研发团队开启了高端离子注入机的攻关历程。国内经验匮乏,国外技术封锁,团队成员将当时的情景形容为“孤勇出征”。

  电科装备旗下北京烁科中科信电子装备有限公司(以下简称“烁科中科信”)技术总设计师彭立波回忆,他们挤在小公寓里研究设计图纸,在租借的小厂房里做实验。团队里刚毕业的小伙、刚成家生子的青壮年,以及快退休的老同志,大家一起工作、一起生活,隔3个月才能回一次家。

  为尽快打造出具有市场竞争力的装备,研发团队选择了一款100纳米机型作为参考机器。“为什么这样设计?跟应用有什么对应关系?都要逐一认知、消化吸收。”彭立波说。

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离子注入机调试现场。烁科中科信供图

  那时缺乏计算机辅助设计工具,面对内部结构精密而复杂的离子注入机,几位经验丰富的老师傅绞尽脑汁,整天围着设备苦苦钻研,全凭二维设计和空间构思去理解这些构造,用了几个星期才把它搞明白。

  “离子注入机采用光纤通信系统进行控制,我们必须弄清楚光纤通信模块的底层控制逻辑。”彭立波告诉记者。由于从样机中只能获得二进制代码,研发人员被逼反向破解,逐行逐字推敲,摸索控制指令及其对应的功能,反复琢磨这些指令对产品工艺精度和技术指标的影响。

  历时近两年,研发团队在吃透机器构造原理、控制设计思路等基础上,完成了自主样机的设计方案,并突破关键部件研制难题,最终造出首台样机。

  “破釜沉舟” 完成工艺验证

  从样机到市场,其间路途漫漫。

  “功能和指标只是进入市场的第一道门槛。要得到用户认可,严苛的工艺验证才是真正的考验。”彭立波说。

  回忆起考验的艰辛,烁科中科信研发工程中心总监陈辉至今仍“心有余悸”。

  2012年底,研发团队成功研制出28纳米中束流离子注入机,陈辉带着设备进驻用户单位。按规定,要在两年内完成产线工艺验证。实际上,除去大规模量产前的稳定性验证和试投产,真正留给工艺验证的时间只有一年左右。

  离子注入机完成一轮验证就需要近3个月,而且其过程像“开盲盒”。只有把所有工序走完,对成品进行电性测量后,才知道离子注入质量如何。一旦验证结果不合格,就要调出整个注入过程中所有的参数,逐一检查比对,找到问题,然后修正。

  此前,研发团队已成功交付90至65纳米离子注入机,在回溯调查、工艺处理方面积累了丰富经验。但28纳米工艺对注入剂量、角度、能量等技术参数更敏感,对精度要求更高,由此带来许多新问题,需要一点点摸索。

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离子注入机调试现场。烁科中科信供图

  “第一轮验证,没有完全成功。”陈辉说。他和同事回溯、修正,线上、线下试验,再等3个月出产品,又测一轮,仍未成功。

  对于2013年的夏天,陈辉迄今难以忘怀。除了40摄氏度的持续高温,连续失败更令他备受煎熬。用户也承受了巨大压力,乃至发出最后通牒:“再不行就把设备搬走!”

  第三轮验证被陈辉形容为“破釜沉舟”。他们对设备进行软硬件升级,把此前出过问题的环节全部重试一遍,确保无误之后才开始验证。

  这一轮验证虽然花费了更多时间,但终于达到了用户的要求,同时也获得了他们的信任。全部验证流程完成后,用户如约采购了这台设备,并对此后采购的同类设备简化了验证流程。

  “多点开花” 打造国之重器

  完成28纳米中束流离子注入机工艺验证后,研发团队于2017年全面铺开大束流离子注入机研发。他们要在产品谱系上“多点开花”。

  中束流与大束流离子注入机,分别应用在芯片制造的不同环节,适用于不同工艺需求。二者各有所长,缺一不可。

  “简单说,芯片核心计算部位的‘精细活’由中束流机型做;芯片外围引脚之类的‘粗活’由大束流机型做。”彭立波打比方道,这样的配合既能提高效率,又能降低成本。

  有了中束流设备的研制经验,大束流设备研制一路“高歌猛进”——2018年实现样机设计,2019年完成样机装配及调试,2020年交付用户,2021年底开始工艺验证。

  但验证过程并没有想象中顺利,研发团队经历了又一次刻骨铭心的爬坡过坎。

  “几乎所有指标都达到了期望值,就在我们以为胜利在望时,某一元素的离子注入剂量被检测出偏差过大。”陈辉说。

  为了找出问题的原因,研发团队不得不从设计源头重溯——这相当于从头再来。他们每天24小时守在实验室里,开展大量仿真实验和工艺验证。就这样连续奋战了两个多月,终于使剂量偏差精度达到国际先进水平。

  随着时间的推移,器件研制能力持续增强,软件系统不断迭代升级,工艺精度稳步提升……2023年,研发团队成功实现全系列离子注入机28纳米工艺全覆盖。

  20多年来,研发团队先后研制出中束流、大束流、高能、特种等全系列国产离子注入机产品,超百台设备广泛应用于各集成电路制造企业90纳米、55纳米、40纳米、28纳米工艺生产线,为我国集成电路产业链供应链安全与稳定提供了坚实保障。

  “习近平总书记在考察中国电科产业基础研究院时指出,必须瞄准国家战略需求,系统布局关键创新资源,发挥产学研深度融合优势,不断在关键核心技术上取得新突破。”景璀向记者表示,“下一步,我们将一以贯之、久久为功,继续推动离子注入机的创新迭代和量产应用,全力打造高端装备制造中国名片!”(付毅飞

责任编辑:沈馨蕊