高端装备亮相世界智能大会,通往超精密抛光工

首台12英寸化学机械抛光机交付

来源:人民日报 8-5 余荣华

  集成电路领域的高端装备国产化进程又进一步。记者今天从清华控股有限公司获悉:由清华大学科技成果成功转化的国内首台12英寸化学机械抛光机近日交付使用。

  化学机械抛光是通过使用化学腐蚀和机械作用对加工过程中的晶圆进行平坦化处理,以便获得纳米级别的平整表面,是集成电路制造工艺中的五大关键技术之一。在国家科技重大专项“极大规模集成电路平坦化工艺与材料”的支持下,清华大学研制出了国内首台12英寸“干进干出”铜制程抛光机,主要技术指标达到或者超过国外最先进产品的水平。

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事实上,人类对“绝对光滑”的追求也已经从科学幻想转变为实践,比如推动“集成电路变身革命”的超精密抛光技术。当前最为先进的化学机械抛光技术也已进入原子尺寸级。而当电子工业强国争相攀登或到达这一工艺巅峰之时,我们却还只能仰望。

2019年5月16日至19日,以“智能新时代:演进、方略与机遇”为主题的第三届世界智能大会在天津梅江会展中心成功举办,作为国内唯一一家具备生产和研发12英寸商业化高端化学机械抛光设备的企业,天津华海清科机电科技有限公司在津南展台惊艳亮相,展示了津南区高端制造企业的风采。

在茫茫宇宙中,一个类金属合金宇宙探测器以超光速掠过,它由被强互作用力锁死的质子与中子构成,因表面绝对光滑而可以反射一切电磁波,并且无坚不摧……这是刘慈欣在科幻小说《三体》中提到的一种名叫“水滴”的宇宙飞行器。

现代电子工业,超精密抛光是灵魂

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事实上,人类对“绝对光滑”的追求也已经从科学幻想转变为实践,比如推动“集成电路变身革命”的超精密抛光技术。像《三体》中描述的一样,当前最为先进的化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)技术也已进入原子尺寸级。而当电子工业强国争相攀登或到达这一工艺巅峰之时,我们却还只能仰望。

物理抛光是上世纪80年代之前最为常用的抛光技术,但是电子工业的高速发展对材料器件的尺寸、平整度提出越来越严苛的要求。当一块毫米厚度的基片需要被制成几十万层的集成电路时,传统老旧的抛光工艺已经远远不能达到要求。

名校团队赋能科技创新

现代电子工业,超精密抛光是灵魂

“以晶片制造为例,抛光是整个工艺的最后一环,目的是改善晶片加工前一道工艺所留下的微小缺陷以获得最佳的平行度。”中科院国家纳米科学中心研究院王奇博士向科技日报记者介绍。

精工匠心打造大国重器

物理抛光是上世纪80年代之前最为常用的抛光技术,但是电子工业的高速发展对材料器件的尺寸、平整度提出越来越严苛的要求。当一块毫米厚度的基片需要被制成几十万层的集成电路时,传统老旧的抛光工艺已经远远不能达到要求。

今天的光电子信息产业水平,对作为光电子基片材料的蓝宝石、单晶硅等材料的平行度要求越来越精密,已经达到了纳米级。这就意味着,抛光工艺也已随之进入纳米级的超精密程度。

天津华海清科机电科技有限公司坐落在天津海河高端装备研发基地,是天津市政府与清华大学践行“京津冀一体化”国家战略,为推动我国化学机械抛光技术和设备产业化成立的高科技企业。华海清科主要从事化学机械抛光设备和工艺及配套耗材的研发、生产、销售与服务,核心团队成员来自清华大学摩擦学国家重点实验室及业内专业人才,产品广泛应用于极大规模集成电路制造、封装、微机电系统制造、晶圆平坦化、基片制造等领域。

“以晶片制造为例,抛光是整个工艺的最后一环,目的是改善晶片加工前一道工艺所留下的微小缺陷以获得最佳的平行度。”中科院国家纳米科学中心研究员王奇博士向科技日报记者介绍。

超精密抛光工艺在现代制造业中有多重要,其应用的领域能够直接说明问题:集成电路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天。

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今天的光电子信息产业水平,对作为光电子基片材料的蓝宝石、单晶硅等材料的平行度要求越来越精密,已经达到了纳米级。这就意味着,抛光工艺也已随之进入纳米级的超精密程度。

王奇说:“超精密抛光技术在现代电子工业中所要完成的使命,不仅仅是平坦化不同的材料,而且要平坦化多层材料,使得几毫米见方的硅片通过这种‘全局平坦化’形成上万至百万晶体管组成的超大规模集成电路。例如人类发明的计算机从几十吨变身为现在的几百克,没有超精密抛光不行,它是技术灵魂。”

华海清科是天津市唯一承担国家科技重大专项02专项任务的高技术企业,研发出国内首台12英寸晶圆抛光设备,打破美国和日本的垄断,在所有国产集成电路制造装备企业中,华海清科实现最快上线,是集成电路制造装备领域由高校完成整机装备技术产业化成功的唯一案例。

超精密抛光工艺在现代制造业中有多重要,其应用的领域能够直接说明问题:集成电路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天。

核心技术被雪藏,国内需求受制于人

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王奇说:“超精密抛光技术在现代电子工业中所要完成的使命,不仅仅是平坦化不同的材料,而且要平坦化多层材料,使得几毫米见方的硅片通过这种‘全局平坦化’形成上万至百万晶体管组成的超大规模集成电路。例如人类发明的计算机从几十吨变身为现在的几百克,没有超精密抛光不行,它是技术灵魂。”

浙江晶盛机电股份有限公司是我国电子制造业追逐“全局平坦化”的开路先锋之一,公司多年从事抛光工艺研发的技术主管孙明告诉记者:“如果把抛光工艺比作做煎饼,卡我们脖子的就是锅,别人的锅不粘锅底,而我们做不到。”

这些专业名词听起来复杂,其实与我们的生活息息相关,你我身边就有“津南制造”。我们使用的手机、电脑、电视机等电路板上应用的芯片,就是由华海清科生产的化学机械抛光设备参与制造的。芯片的制造是在晶圆上不停地进行层次的堆叠完成的,每一层堆叠都需要通过抛光设备把晶圆进行抛光、抛平,然后再堆叠下一层。化学机械抛光通过化学和机械的协同作用,可以实现纳米级的材料去除与表面洁净,避免了单一的机械或化学抛光造成的表面损伤、平整度和一致性差等问题,是唯一兼顾局部和全局平坦化的纳米表面加工技术。

核心技术被雪藏,国内需求受制于人

孙明所说的“锅”就是抛光机的核心器件——“磨盘”。超精密抛光对抛光机中磨盘的材料构成和技术要求近乎苛刻,这种由特殊材料合成的钢盘,不仅要满足自动化操作的纳米级精密度,更要具备精确的热膨胀系数。

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浙江晶盛机电股份有限公司是我国电子制造业追逐“全局平坦化”的开路先锋之一,公司多年从事抛光工艺研发的技术主管孙明告诉记者:“如果把抛光工艺比作做煎饼,卡我们脖子的就是锅,别人的锅不粘锅底,而我们做不到。”

当抛光机处在高速运转状态时,如果热膨胀作用导致磨盘的热变形,基片的平面度和平行度就无法保证。而这种不能被允许发生的热变形误差不是几毫米或几微米,而是几纳米。

国内唯一!

孙明所说的“锅”就是抛光机的核心器件——“磨盘”。超精密抛光对抛光机中磨盘的材料构成和技术要求近乎苛刻,这种由特殊材料合成的钢盘,不仅要满足自动化操作的纳米级精密度,更要具备精确的热膨胀系数。

目前,美国日本等国际顶级的抛光工艺已经可以满足60英寸基片原材料的精密抛光要求,他们据此掌控着超精密抛光工艺的核心技术,牢牢把握了全球市场的主动权。而事实上,把握住这项技术,也就在很大程度上掌控了电子制造业的发展。

津南高端装备亮相世界智能大会

当抛光机处在高速运转状态时,如果热膨胀作用导致磨盘的热变形,基片的平面度和平行度就无法保证。而这种不能被允许发生的热变形误差不是几毫米或几微米,而是几纳米。

孙明介绍,日本产抛光机的研磨盘均为定制,不进行批量生产,直接限制了他国仿制;王奇也告诉记者,美国的抛光设备销往中国,价格一般都在1000万元以上,而且销售订单已经排至2019年年底,此前不接受任何订单。

华海清科依靠国际化的经营理念和先进的工艺实力,提供了先进的CMP设备及工艺解决方案。早在2015年,华海清科就完成了国内12英寸商用化学机械抛光机型Universal-300的研发、装配和测试,并在次年开发出第二代机型Universal-300 Plus,完成了硅、氧化硅、钨、铜等CMP关健制程的验证。2018年,华海清科研制出的第三代机型Universal-300 Dual,继承了此前产品的成熟技术,配有四个抛光盘和双套清洗,集成多种重点检测技术,可以满足各种工艺需求。

目前,美国日本等国际顶级的抛光工艺已经可以满足60英寸基片原材料的精密抛光要求(属超大尺寸),他们据此掌控着超精密抛光工艺的核心技术,牢牢把握了全球市场的主动权。而事实上,把握住这项技术,也就在很大程度上掌控了电子制造业的发展。

“面对如此严密的技术封锁,我们很急,春秋时期,鲁班为人类发明石磨助力了农耕文明,如今我们的电子工业进步却再次被一种磨盘卡住了脖子。但是再急,目前我们还得等,要么等进口,要么自主研发。”王奇说。

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孙明介绍,日本产抛光机的研磨盘均为定制,不进行批量生产,直接限制了他国仿制;王奇也告诉记者,美国的抛光设备销往中国,价格一般都在1000万元以上,而且销售订单已经排至2019年年底,此前不接受任何订单。

登顶技术巅峰,求人不如求己

华海清科是国内唯一一家具备生产和研发12英寸商业化高端化学机械抛光设备的企业,是津南高端装备制造领域的高技术企业,也是津南绿色高质量发展的名片。本次世界智能大会,华海清科展出的是Universal-300 Plus新型12英寸化学机械抛光设备。这款产品在2019世界半导体大会上,被评选为2018年度中国半导体创新产品。

“面对如此严密的技术封锁,我们很急,春秋时期,鲁班为人类发明石磨助力了农耕文明,如今我们的电子工业进步却再次被一种磨盘卡住了脖子。但是再急,目前我们还得等,要么等进口,要么自主研发。”王奇说。

其实在超精密抛光领域内,中国并非毫无建树。作为一套技术要求极高的合成工艺,超精密化学机械抛光工艺精必须由设备和材料组成,二者缺一不可。

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登顶技术巅峰,求人不如求己

2011年,王奇博士团队研发的“二氧化铈微球粒度标准物质及其制备技术”获得中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖,相关纳米级粒度标准物质获得国家计量器具许可和国家一级标准物质证书。二氧化铈新材料的超精密抛光生产试验效果一举赶超了国外传统材料,填补了该领域空白。

华海清科产品各项性能指标满足客户生产需求,各项重要指标不亚于国外同类产品,部分关键性能指标优于国外同类产品,具有较大的技术优势和成本优势。在国家加大对集成电路产业政策扶持力度的背景下,华海清科将以国家02专项为依托,加快推进CMP国产化进程,向世界展示“津南制造”的风采。

其实在超精密抛光领域内,中国并非毫无建树。作为一套技术要求极高的合成工艺,超精密化学机械抛光工艺精必须由设备和材料(抛光液)组成,二者缺一不可。

但是王奇说:“这并不意味着我们已经攀登到了这一领域的顶峰,对于整体工艺来说,只有抛光液而没有超精密抛光机,我们最多还只是卖材料的。”

2011年,王奇博士团队研发的“二氧化铈微球粒度标准物质及其制备技术”获得中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖,相关纳米级粒度标准物质获得国家计量器具许可和国家一级标准物质证书。二氧化铈新材料的超精密抛光生产试验效果一举赶超了国外传统材料,填补了该领域空白。

孙明认为,明确现代电子工业生产制造的具体要求,才能找准攻克超精密抛光工艺的方向:“抛光工艺需要满足目前电子工业制造的要求,可以概括为超精密、大尺寸。有了顶级的抛光材料仅仅是基础,以此为基础,我们还需要分两步走,首先解决磨盘问题,其次解决抛光面积扩大问题。”

但是王奇说:“这并不意味着我们已经攀登到了这一领域的顶峰,对于整体工艺来说,只有抛光液而没有超精密抛光机,我们最多还只是卖材料的。”

孙明介绍,美国、日本抛光机磨盘的材料构成和制作工艺一直是个谜。换言之,购买和使用他们的产品,并不代表可以仿制甚至复制他们的产品,这是两回事。

孙明认为,明确现代电子工业生产制造的具体要求,才能找准攻克超精密抛光工艺的方向:“抛光工艺需要满足目前电子工业制造的要求,可以概括为超精密、大尺寸。有了顶级的抛光材料仅仅是基础,以此为基础,我们还需要分两步走,首先解决磨盘问题,其次解决抛光面积扩大问题。”

“用什么材料和工艺才能合成这种热膨胀率低、耐磨度高、研磨面超精密的磨盘,是我们首先需要集中力量攻克的技术难题,这个问题一旦解决,60英寸抛光作业面也将不再是梦想。而这样的核心技术,永远不能指望从别人手中获得,除了依靠自己,我们别无选择。”孙明说。

孙明介绍,美国、日本抛光机磨盘的材料构成和制作工艺一直是个谜。换言之,购买和使用他们的产品,并不代表可以仿制甚至复制他们的产品,这是两回事。

“用什么材料和工艺才能合成这种热膨胀率低、耐磨度高、研磨面超精密的磨盘,是我们首先需要集中力量攻克的技术难题,这个问题一旦解决,60英寸抛光作业面也将不再是梦想。而这样的核心技术,永远不能指望从别人手中获得,除了依靠自己,我们别无选择。”孙明说。(记者 张景阳)

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