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芯片制造新方向:原子級(jí)制造

3分鐘前
原子級(jí)制造將從根本上改變集成電路產(chǎn)業(yè)的格局。

目前,芯片制造已經(jīng)進(jìn)入3納米制程階段,這相當(dāng)于把100個(gè)原子緊密排成一行。然而,傳統(tǒng)光刻機(jī)就像用大刷子粉刷墻面,精度越來(lái)越難以滿足芯片性能不斷提升的需求。在這種情況下,原子級(jí)制造技術(shù)出現(xiàn)了,它就像是給工程師配備了高倍顯微鏡和精準(zhǔn)鑷子,能夠操控和搭建單個(gè)原子,給芯片制造帶來(lái)了革命性的突破。


在電子領(lǐng)域,原子級(jí)制造正在引發(fā)一場(chǎng)深刻的變革。以集成電路制造為例,隨著電子產(chǎn)品朝著小型化、高性能化快速發(fā)展,對(duì)芯片性能的要求也越來(lái)越高。原子級(jí)制造技術(shù)可以精準(zhǔn)控制芯片內(nèi)原子的排列,有效減少雜質(zhì)和缺陷,大幅提升芯片性能。據(jù)行業(yè)測(cè)算,如果能實(shí)現(xiàn)單原子特征芯片的量產(chǎn),其尺寸和功耗將降低到當(dāng)前指標(biāo)的千分之一以下,而計(jì)算能力有望提升千倍以上,這將從根本上重塑集成電路產(chǎn)業(yè)格局。


什么是原子級(jí)制造?


原子級(jí)制造被認(rèn)為是制造業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向,和傳統(tǒng)制造技術(shù)相比,它不僅在尺寸上實(shí)現(xiàn)了微縮突破,在精度上也達(dá)到了前所未有的高度,被稱(chēng)為制造技術(shù)的“終極形態(tài)”。


作為一項(xiàng)具有變革意義的制造技術(shù),原子級(jí)制造的核心目標(biāo)是通過(guò)規(guī)?;?、高精度的原子操控,把制造過(guò)程的可控維度精確推進(jìn)到原子及原子基元層級(jí)。在這個(gè)過(guò)程中,制造精度不斷向原子尺度靠近,逐步實(shí)現(xiàn)原子級(jí)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)建,最終達(dá)到“按需逐原子創(chuàng)制”的理想狀態(tài)。借助這項(xiàng)技術(shù),產(chǎn)品性能能夠突破現(xiàn)有的瓶頸,無(wú)限接近理論極限值。


從制造要素革新的角度深入分析,原子級(jí)制造將全面重塑傳統(tǒng)制造的三大關(guān)鍵要素:


加工對(duì)象:從連續(xù)宏觀材料轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散原子。這一轉(zhuǎn)變讓制造過(guò)程可以從微觀層面精準(zhǔn)構(gòu)建材料基礎(chǔ)單元,為材料性能的定制化開(kāi)發(fā)提供了可能,比如可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)特定原子排列的新型功能材料。


加工精度:從傳統(tǒng)尺度范疇提升到原子尺度。這意味著制造過(guò)程能夠精準(zhǔn)調(diào)控原子的排列方式、組合結(jié)構(gòu)等,大大提高了制造精度和產(chǎn)品質(zhì)量的可控性,使產(chǎn)品在微觀結(jié)構(gòu)上的誤差控制在原子級(jí)別。


性能決定模式:打破傳統(tǒng)“材料 + 結(jié)構(gòu)”決定產(chǎn)品性能的固有模式,建立“原子調(diào)控直接決定產(chǎn)品性能”的全新范式。這一突破為研發(fā)高性能、多功能的新型材料和產(chǎn)品開(kāi)辟了新路徑,例如通過(guò)調(diào)整原子組成和排列,開(kāi)發(fā)出具有超強(qiáng)導(dǎo)電性、超高強(qiáng)度的特殊材料。


原子級(jí)制造的關(guān)鍵技術(shù)


原子級(jí)制造因其顛覆性潛力,被中國(guó)工業(yè)和信息化部列為六大核心未來(lái)發(fā)展方向之一。其技術(shù)核心是對(duì)構(gòu)成物質(zhì)世界的基本單元——原子,進(jìn)行前所未有的高精度操控。通過(guò)原子層面的精確去除、沉積、位移和組配等復(fù)雜操作,可以打造出具有特定原子排列結(jié)構(gòu)的高性能產(chǎn)品。


從技術(shù)演進(jìn)的角度看,原子級(jí)制造不是簡(jiǎn)單的“制造尺度納米化”,而是標(biāo)志著人類(lèi)制造活動(dòng)從傳統(tǒng)工業(yè)時(shí)代的“塑造物質(zhì)形態(tài)”,向量子科技時(shí)代的“揭示物質(zhì)本質(zhì)、重塑物質(zhì)結(jié)構(gòu)”的深刻跨越,是人類(lèi)在微觀世界探索和創(chuàng)造能力的巨大飛躍。其主要涉及以下技術(shù):


原子層沉積:原子層沉積技術(shù)(atomic layer deposition, ALD)是一種原子級(jí)逐層生長(zhǎng)的薄膜制備技術(shù)。它的核心優(yōu)勢(shì)是沉積薄膜厚度的高度可控性、優(yōu)異的均勻性和三維保形性,使其在半導(dǎo)體先進(jìn)制程領(lǐng)域表現(xiàn)出色,成為功能薄膜沉積的關(guān)鍵核心技術(shù)。隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)擴(kuò)張,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,半導(dǎo)體設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)正面臨新一輪技術(shù)變革,以ALD設(shè)備為代表的原子級(jí)制造技術(shù)有望成為行業(yè)焦點(diǎn)賽道。據(jù)SEMI行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)前ALD在半導(dǎo)體鍍膜板塊的市場(chǎng)份額約為11% - 13%,預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將保持高速增長(zhǎng),復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)26.3%。


原子層刻蝕:原子層刻蝕(ALE)是一種基于“自限性反應(yīng)”的納米加工技術(shù),其特點(diǎn)是以單原子層為單位,逐步去除材料表面,從而實(shí)現(xiàn)高精度、均勻的刻蝕過(guò)程。它和ALD(原子層沉積)相對(duì),一個(gè)是逐層沉積材料,一個(gè)是逐層去除材料。作為原子級(jí)制造的重要環(huán)節(jié),原子層刻蝕技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)材料的原子級(jí)精準(zhǔn)去除,確保芯片制造過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的精度控制,為先進(jìn)制程芯片的生產(chǎn)提供關(guān)鍵支撐。



原子級(jí)精密定位技術(shù):傳統(tǒng)測(cè)量手段在多自由度(DOF)測(cè)量能力、抗干擾性能和結(jié)構(gòu)緊湊性方面存在明顯不足,難以滿足原子級(jí)制造對(duì)高精度定位的迫切需求。在這種情況下,光柵干涉儀憑借其優(yōu)異的多自由度測(cè)量能力、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的強(qiáng)魯棒性以及小型化可集成優(yōu)勢(shì),逐漸成為支撐精密制造和納米計(jì)量的核心技術(shù),對(duì)其進(jìn)行深入研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的緊迫性和必要性日益凸顯。


原子級(jí)拋光技術(shù):該技術(shù)的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)晶圓表面原子尺度的平整度和超低表面粗糙度,確保晶圓達(dá)到小于0.1nm的局部甚至全局平整度,同時(shí)最大程度抑制亞表層損傷和表面沾污。目前,主流的原子級(jí)拋光方法主要有化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)、等離子拋光和離子束拋光。盡管這些技術(shù)在理論上都有實(shí)現(xiàn)原子級(jí)平整的潛力,且在特定材料和應(yīng)用場(chǎng)景中已經(jīng)表現(xiàn)出良好性能,但受限于拋光液配方優(yōu)化、核心裝備研發(fā)、工藝參數(shù)調(diào)試等諸多難題,國(guó)內(nèi)原子級(jí)拋光技術(shù)的規(guī)?;a(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),急需突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。


政策頻出:為原子級(jí)制造發(fā)展保駕護(hù)航


原子級(jí)制造是一項(xiàng)具有技術(shù)挑戰(zhàn)性、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新性、國(guó)際戰(zhàn)略性和經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)性的未來(lái)產(chǎn)業(yè),目前正處于從理論創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)突破向產(chǎn)業(yè)化落地邁進(jìn)的關(guān)鍵階段。祝世寧、楊華勇、汪衛(wèi)華、譚久彬、謝素原等多位院士共同呼吁,要抓住戰(zhàn)略機(jī)遇,打造原子級(jí)制造未來(lái)產(chǎn)業(yè)新賽道。院士們建議,我國(guó)要充分把握未來(lái)產(chǎn)業(yè)、終極制造和基礎(chǔ)交叉的核心特點(diǎn),加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新頂層設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)政策支持,強(qiáng)化宏觀指導(dǎo)、產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新和生態(tài)體系建設(shè),以原子級(jí)制造科技創(chuàng)新開(kāi)辟未來(lái)制造新賽道,加速技術(shù)規(guī)?;a(chǎn)業(yè)進(jìn)程,推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合,打造高價(jià)值、高可控、具有國(guó)際引領(lǐng)力的原子級(jí)制造未來(lái)產(chǎn)業(yè)。


從政策實(shí)踐來(lái)看,我國(guó)對(duì)原子級(jí)制造的支持力度不斷加大,政策體系逐漸完善:


2016年,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動(dòng)“納米科技”專(zhuān)項(xiàng),將原子尺度的材料設(shè)計(jì)與操控納入重點(diǎn)研究范圍,為原子級(jí)制造技術(shù)研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。


2018年,南京市和南京大學(xué)合作共建國(guó)內(nèi)首個(gè)原子制造研究中心,搭建了產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)。期間,宋鳳麒教授擔(dān)任某國(guó)家級(jí)課題組負(fù)責(zé)人,帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻克了多個(gè)技術(shù)難關(guān),多次改進(jìn)原子級(jí)制造裝備,并于2019年大幅提高了加工效率,實(shí)現(xiàn)了幾分鐘內(nèi)完成1英寸硅晶圓的原子簇顆粒制備(可用于傳感器制造),該裝備成功入選國(guó)家“十三五”科技創(chuàng)新成就展。


2024年,原子級(jí)制造政策推進(jìn)速度加快:9月20日,2024原子級(jí)制造創(chuàng)新發(fā)展座談會(huì)召開(kāi),重點(diǎn)圍繞《原子級(jí)制造創(chuàng)新發(fā)展實(shí)施意見(jiàn)(2025 - 2030年)》的內(nèi)容科學(xué)性和可實(shí)施性進(jìn)行了深入研討;11月23日,第一屆原子級(jí)制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇舉辦,由工業(yè)和信息化部指導(dǎo),近百家高校、科研院所和企業(yè)共同發(fā)起組建的“原子級(jí)制造創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)盟”正式揭牌,標(biāo)志著產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新體系初步形成;12月4日,在2024裝備制造業(yè)發(fā)展大會(huì)上,工信部相關(guān)負(fù)責(zé)人明確表示,將推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合,加快培育發(fā)展原子級(jí)制造產(chǎn)業(yè);12月26日 - 27日,全國(guó)工業(yè)和信息化工作會(huì)議提出,將制定出臺(tái)原子級(jí)制造等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展政策,進(jìn)一步完善政策保障體系。


2025年,政策支持力度進(jìn)一步加大。9月2日,工信部、國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局聯(lián)合印發(fā)《電子信息制造業(yè)2025 - 2030年穩(wěn)增長(zhǎng)行動(dòng)方案》,首次將“原子級(jí)制造”寫(xiě)入國(guó)家部委級(jí)正式行動(dòng)方案,明確提出“支持全固態(tài)電池、原子級(jí)制造等前沿技術(shù)方向基礎(chǔ)研究”,標(biāo)志著原子級(jí)制造的戰(zhàn)略地位得到了極大提升。


一系列政策和措施表明,我國(guó)正通過(guò)頂層設(shè)計(jì)和政策引導(dǎo),系統(tǒng)地推動(dòng)原子級(jí)制造技術(shù)發(fā)展,加強(qiáng)國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè),旨在提高我國(guó)制造業(yè)的整體水平和國(guó)際核心競(jìng)爭(zhēng)力。


中國(guó)企業(yè)加速布局,挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存


在政策支持和市場(chǎng)需求的雙重推動(dòng)下,國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始積極布局原子級(jí)制造領(lǐng)域,部分企業(yè)在核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面取得了突破。


作為ALD技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的核心推動(dòng)者,微導(dǎo)納米專(zhuān)注于ALD技術(shù)在半導(dǎo)體、泛半導(dǎo)體、新能源、新材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。目前,該公司已經(jīng)推出iTomic HiK、iTomic MW、iTomic PE等多個(gè)以ALD技術(shù)為核心的系列產(chǎn)品,產(chǎn)品覆蓋邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片、先進(jìn)封裝、化合物半導(dǎo)體等多個(gè)細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域,并與國(guó)內(nèi)多家主流廠商建立了深度合作關(guān)系。經(jīng)行業(yè)驗(yàn)證,其多項(xiàng)設(shè)備關(guān)鍵指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。


清華大學(xué)路新春教授專(zhuān)注于原子級(jí)制造產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐,現(xiàn)任華海清科股份有限公司董事長(zhǎng)兼首席科學(xué)家。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的國(guó)產(chǎn)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)設(shè)備,已經(jīng)成功應(yīng)用于高端芯片制造,拋光精度達(dá)到0.1納米,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高端拋光裝備的技術(shù)空白。


盡管我國(guó)在原子級(jí)制造領(lǐng)域已經(jīng)取得了階段性成果,但仍然面臨著很多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。未來(lái)需要重點(diǎn)攻克原子級(jí)設(shè)計(jì)軟件、自組裝工藝、原位檢測(cè)技術(shù)等共性難題,并建立覆蓋材料、裝備、產(chǎn)品的全鏈條標(biāo)準(zhǔn)。


本文來(lái)自微信公眾號(hào) “半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫”(ID:ICViews),作者:鵬程,36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。


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