星島日報

【創科廣場】港開發原位沉積技術 低生產成本製作晶片

2020-11-03 08:29
中國每年進口3000多億美元晶片,自給率只約二成,高端晶片全靠進口。中美角力,高端晶片無法進口和生產,中國無法製作尖端晶片,設計軟件和光刻技術,都是中國「軟肋」。

華為屬下的海思,不乏尖端晶片設計能力。設計後生產晶片的晶圓(Fab),全球收入最高為台積電(TSMC),掌握關鍵光刻技術( Lithography);光刻基本原理以光致抗蝕劑(或稱光刻膠)感光後,光化學反應形成耐蝕性特點,再掩模板上圖形,刻蝕加工表面上,形成了電路。

生產最尖端的晶片,迄今只有荷蘭ASML極紫外光EUV(Extreme UltraViolet)光刻機。美國向中國實施科技管制,中國無法進口EUV,只有另闢蹊徑。中芯國際(981)推出N+1工藝,仍不能取代EUV。製作7nm(納米)或以下晶片,唯一生產設備供應商,就只有ASML。

ASML取得領導地位,主要是台積電研發副總林本堅博士發明浸潤式蝕刻,一舉打破光波長限制,ASML台積電合作,發展浸潤式蝕刻,短短數年壟斷市場,傳統的日本乾式光刻機廠,佳能和尼康等無法跟上,逐漸邊緣化。

即使中國取得ASML的EUV光刻機,也不一定能生產尖端晶片,關鍵要控制良率(Yield rate)。產品不良比率高,晶片無法量產;英特爾良率上無法突破,故此7nm晶片無法應市。

挑戰光刻工藝

尖端晶片另一關鍵,就是須掌握精準工藝,製作微米及納米等級金屬結構。台積電在光刻工藝獨步天下,技術之高超,克服成本、製程、高良率的門檻,壟斷尖端晶片製作。

中文大學研究團隊一項研究,長遠有望取代傳統光刻技術,製作尖端晶片,或者港建立小型的晶圓。雖然有關的工藝,短時期無法打破EUV光刻壟斷,但假以時日,有望成為挑戰光刻的工藝技術。

中大物理系助理教授楊森、德國斯圖加特大學物理系夏慷蔚博士率領的團隊,研發出「萬能墨水」,配合單步激光,直接寫入技術,只需簡單儀器,便可掌握精準工藝,製作高性能晶片,大大減低成本。相關論文已發表在《自然通訊》期刊,中大已申請了專利技術。

迄今,只有基於光子才能達到高解析度和準確性,複雜性和苛刻製作條件,限制進一步的發展,甚至有人懷疑,光刻是否已到盡頭。目前最關鍵找到機制,首先可對材料進行原位沉積同時,並進行構圖。不過直接圖案化無機材料,尤其是蝕刻金屬仍然困難,中大團隊卻似乎找到答案。

基本物理變萬能墨水

中大團隊從物理學原理,找出了嶄新方法;以高精度原位沉積(Materials in situ)圖案化材料技術,不同金屬鹽溶液,加入半導體納米顆粒溶膠,製成「萬能墨水」,運用光鑷技術和半導體光電子效應,透過激光引發化學還原反應,合成金屬納米顆粒。金屬納米顆粒像「膠水」一樣互相黏附,沉積晶片基底。改變激光聚焦點,便可選擇金屬納米顆粒沉積位置;墨水中金屬成分可隨意調整,以配合不同晶片。

研究團隊經篩選嘗試,發現中國傳統書法和水墨畫,鋼筆中所用碳素墨水,當中碳納米顆粒,具很好光還原性和微小尺寸,變成「萬能墨水」理想半導體納米顆粒。測試製作的顆粒結構,精確度達納米(Nanometre,nm)級,也就是納米級晶片的精度,力學性質適合製作柔性器材,導電及絕緣性能,媲美現時物料。此項技術設備簡單,意味晶圓廠規模可縮小;碳素墨水製成「萬能墨水」成本低,可回收再用,減低環境污染。

發展晶片打印機

目前,香港科技大學有小型晶圓設備,科技園擬在元朗工業邨建立小型的晶圓,技術對振興本港微電子業,有積極意義。楊森說,原位沉積技術短期內,不取代EUV光刻,需要尋找適當的「墨水」,才能生產50nm以下晶片,追上EUV光刻。不過,此項技術毋須建昂貴無塵室,可用於建立小型晶圓,以供原型製作(Prototype)及特訂晶片,供醫療及其他使用,甚至設計完後作電路測試,未來可發展晶片打印機。

他說,沉積技術亦可用於矽的以外材料,本港有團隊研究2維材料;包括了石墨烯,成為新一代電子材料,以取代矽作為晶片,沉積技術發展前景甚佳。

楊森教授表示:「這項技術有兩大優勢。首先,可用多種材料製作複雜圖案,增加晶片應用範圍;第二,配合光學測量/量度儀器,監控金屬結構在沉積過程精確度和質量,促進未來晶片工業,尤其生產量子科技晶片。」

其他應用包括了修復電極、製作3D的電路等。技術通用性令材料選擇多元化,應用在更多工業領域,甚至精密醫療器材。

研究團隊的夏慷蔚博士、中大物理系本科生盧穎琪同學、四位研究生陳一帆、洪兆輝、陳暘和瀋陽,陳一帆和洪兆輝為共同第一作者;夏慷蔚博士曾任中大物理系研究助理教授,現任職德國斯圖加特大學物理系。

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