作者 | 张双虎
IBM研发出2纳米制程芯片的消息尚未传开，台积电和合作伙伴就宣布取得了1纳米以下制程芯片技术突破。业内普遍认为，芯片技术日新月异的同时，也一步步逼近其物理理论的极限。
近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）教授Tobias Kippenberg团队开发出一种采用氮化硅衬底制造集成光子电路（光子芯片）的技术，得到了创纪录的低光学损耗，且芯片尺寸小。相关研究发表在《自然—通讯》上。
光子芯片奋起直追，也许能帮助人们突破摩尔定律的“天花板”，开辟新的“赛道”。
“硅家族”与大马士革工艺
光子芯片通常由硅制成，硅在地壳中含量丰富且具有良好的光学特性，但难以满足集成光子芯片所需的一切条件，因此出现了诸多新材料加以替代，如氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、碳化硅等。
Tobias Kippenberg团队采用一种氮化硅光子大马士革工艺（光子镶嵌工艺）技术。大马士革工艺是一种非常古老的工艺，最早可以追溯到阿拉伯人在他们的武器和装饰上面做颜色的镶嵌和绘图。这个工艺要先做出图形轮廓，然后把颜色材料镶嵌到轮廓中再进行抛光，这样就得到一个色彩艳丽的图案。
“大马士革工艺思路曾被用在早期以铜为材料的电子电路制造上。研究当中，我们把氮化硅大马士革工艺用到集成光路制造上，得到了极低的光损耗。”论文第一作者、EPFL微纳技术中心博士刘骏秋告诉《中国科学报》，“利用这一技术，我们制造了光损耗仅为1dB/m的集成光路，创下了所有非线性光子集成材料的纪录。”
使用这项新技术，研究人员在5平方毫米的芯片上制备了高品质因数的微谐振器和超过一米长的波导。他们还报告了九成的制造良品率，这对于将来扩大工业生产规模至关重要。
“超低损耗的氮化硅集成光子芯片对未来通信、计算和6G技术都至关重要。这种类型的光子芯片可以将信息编码进光，再通过光纤传输，并成为光通信的一个核心组成部分。”刘骏秋说。
光子集成后发先至
“电子芯片工作时，可以理解为电信号输入芯片进行处理，比如存储、读取、进行运算等，之后再输出。与之类似，光子芯片是将光信号输入芯片，进行数据传输、存储、计算和输出的芯片。”刘骏秋表示，“相对于电子芯片，光子芯片虽然起步较晚，但有自己独特的优势。”
科学家认为，光具有天然的并行处理能力及成熟的波分复用技术，从而使光子芯片的数据处理能力、容量及带宽均大幅度提升。光波的波长、频率、偏振态和相位等信息可以代表不同的数据，用来作为非常高效的通信种子源。
“光子芯片具有高运算速度、低功耗、低时延等特点，且不易受到温度、电磁场和噪声变化的影响。”中科创星董事总经理张思申说，“光子芯片不必追求工艺尺寸的极限缩小，就能有更多的性能用以提升空间。”
“与电芯片相比，光芯片在诸多领域，比如通信、激光雷达、传感、图像分析方面有独一无二的优势。”刘骏秋解释说，光芯片速率可以达到100G，比电芯片快很多，这样可以在光的通道上面做更多信息的编码，承载更多的信息，同时功耗比电芯片更小。因为光在传播中不会产生任何热效应，这和电子不一样，还有光和光之间不会有相互作用，不会受到背景电磁场干扰。
刘骏秋所在团队曾利用氮化硅光芯片架构光神经网络，使用一个卷积神经网络去求解矩阵，然后应用在浮雕过滤器上。相关成果发表在今年1月的《自然》上。
“我们把一个图像信号输入系统中，经过浮雕过滤器，它会强化高频信号、弱化低频信号，即实现强化图像边缘的目的。比如一辆小 汽车 的，它原来的车灯内部结构你可能看不到。经过浮雕过滤器处理的新图像中，车灯内部结构被强化了。”刘骏秋说，“这证明了氮化硅光子芯片在光神经网络、深度学习方面有很好的应用。”
除人工智能外，光子芯片广泛用于激光雷达、微波滤波器、毫米波生成、天体光谱仪校准、低噪声微波生成，也可以用作中红外双梳光谱，测量气体当中的成分。若应用到光学相关断层扫描，则可以看生物组织的结构。它还能用作数据中心开关，进行数据调控。
两条赛道的竞争与合作
刘骏秋说，通俗地理解，信息在手机或者电脑里进行处理主要使用电子芯片，但信息的传递是需要光纤的。所以，到这一步就需要进行电光转换。“目前，光和电是在两个‘赛道’上，各有自己的应用场景。”
“现在英特尔数据中心用的集成半导体激光器，就是将电信号转换成光信号，然后进行数据处理、编码和传输。英特尔每年向全世界输送数千万个这样的集成半导体激光器芯片。”刘骏秋说，“光子集成电路相对于传统分立的‘光—电—光’处理方式降低了复杂度，提高了可靠性，能够以更低的成本构建一个具有更多节点的全新网络结构。虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。”
“在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成的结合，还需要很长一段时间，才能实现全光计算。”张思申说，“总体来说，目前只在个别计算和传输领域，光子芯片可以替代电子芯片。”
刘骏秋认为，从架构上可以看出，光子芯片系统整体非常复杂。光子芯片系统里有光源、处理器、探测器，也需要各种材料之间集成的协同，很少有单个研究单位能够对整个系统进行架构和制备。在制造工艺上，两者虽然流程和复杂程度相似，但光子芯片对结构的要求不像电芯片那样严苛，一般是百纳米级。因此，光子芯片不会像电子芯片那样必须使用极紫外光刻机（EUV）。
“光的波长在百纳米到一微米量级，因此限制了光子器件的集成密度。但这同时也意味着，光芯片达到最理想的工作条件并不依赖最先进的半导体工艺制程，比如极紫外光刻机。”刘骏秋说，“这大大降低了对先进工艺的依赖，一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题。”
此外，光子芯片提供了全新的芯片设计架构思路，彻底颠覆原有的设计理念，有更多的设计创意空间。
“光有光的优势，电有电的优势。光的优势是稳定，不容易受外界影响。同时这也是光的劣势，意味着人们想操控光，改变它的状态，手段非常有限。”刘骏秋说，“在某些应用场景中，两者也有竞争，比如神经网络。但更多的时候，二者是合作关系。光芯片技术目前还没有电芯片成熟，所以未知的因素很多，两者未来应该很好地衔接起来。”
对此，中国科学院微电子研究所研究员、集成电路先导工艺研发中心副主任罗军持同样观点。
“电子集成电路和光子集成电路之间是互补的关系。”罗军对《中国科学报》说，“未来可以充分利用光子集成电路高速率传输和电子集成电路多功能、智能化的优点，在新的‘赛道’上跑出更好成绩。”
相关论文信息：https://doiorg/101038/s41467-021-21973-z
https://doiorg/101038/s41586-020-03070-1
用于大规模集成电路化学机械抛光的新材料制备及应用
集成电路无尘车间是为了满足半导du体制造工艺需求的洁净室，该无尘车间对环境洁净度、温湿度、振动、ESD、AMC控制等都有一定的要求。相对于其他工业洁净室，集成电路制造无尘车间有面积大、洁净等级高、温湿度控制精度高等特点。
远程在线式遥测激光尘埃粒子计数器是几乎每个精密电子车间必不可少的设备，如果在我们的半导体车间中有这样一种监测颗粒浓度的仪器，那么我们在办公室时就可以轻松了解车间中尘埃粒子情况，实现产品生产与监督智造的智能体验。例如，当我们检测到车间内的颗粒浓度过高时，我们可以及时通知相应车间的负责人，并采取针对性的措施降低颗粒浓度，以达到安全可靠的标准，这非常有利于产品的安全生产，为客户提供可靠的高质量产品。
CW-RPC系列远程遥测激光尘埃粒子计数器是深圳赛纳威研发的智能多点净化检测系统的终端设备，不仅可以为用户提供实时准确地远程测量所监控环境的微粒数量和净化等级，根据不同需要增加或减少控制终端，还可以实现724实时远程自动监测，通过RJ45网络接口、WiFi、485（moudbus）等，将数据送给PC终端，显示当前监测环境的洁净状况。该粒子计数器按照国际标准ISO14644-1,GMP和日本工业标准（JIS）要求标定，专业应用于电子行业、制药车间、半导体、光学或精密机械加工等洁净室环境自动监测系统。
中国集成电路产业的差距在哪儿
杨华明 宋晓岚 邱冠周
（中南大学无机材料系，湖南长沙 410083）
本项目是科技部国际合作重点项目。
一、内容简介
（一）目的与意义
世界半导体产业进入大尺寸晶圆时代后，要求IC元件有最优的表面平整度，以满足微米及亚微米集成电路的制造工艺。化学机械抛光（CMP）是目前全局平坦化中最好的技术，也是解决多层绝缘介质层和多层金属布线全程平坦化的唯一有效的办法，加工工艺简单、成本低。
CMPA光液和微米级磨料全球仅有少数供货商，国内半导体厂之需求皆仰赖进口，相对于国外进口的CMPA光液产品，国产的CMPA光液产品除新鲜外，还有价格适宜、送货迅速、配套服务与专业的技术支持及时等优点。
（二）关键技术
1锆英砂-Al2O3体系的高温熔盐相平衡规律及颗粒分级技术的研究
锆英砂-Al2O3体系的高温熔盐相平衡的测定，利用XRD技术研究平衡物种的组成，确定形成高性能的ZrSiO4-α-Al2O3磨料的条件；研究超细粉碎与控制分级技术，确定得到粒度分布均匀、分散性良好且具有一定规律棱角的研磨料的工艺条件；开发出一种天然资源的高价值利用的途径，利用天然的锆英砂生产高附加值的电子器件研磨料。
2复合纳米颗粒的制备与稳定分散技术
研究内容包括：通过纳米SiO2-Al2O3、SiO2-CeO2、Al2O3-CeO2的控制生长基础研究，确定球状纳米复合颗粒的形成条件，以及Na＋的脱除工艺条件；研究纳米复合粉体的表面化学性质和溶液化学性质；研究复合颗粒体系的悬浮液在不同离子强度、pH值及溶液性质条件下的颗粒表面电荷变化规律；研究浆料体系的动力性质、电学性质以及浆料聚沉作用机理和聚沉动力学，确定抛光液的稳定化工艺条件。在SiO2系、SiO2-Al2O3系、SiO2-CeO2系纳米粗抛和精抛液理论的基础上，开发具有国际先进水平的多种用途的CMP抛光浆料产品。
3分子模拟技术研究抛光液的配方
以计算化学为基础，利用cerius20和gaussian 98等软件在SGI工作站上进行模拟抛光液中各组分和硅晶圆表面的相互作用，指导抛光液配方的设计。
二、推广应用
在国内外首次由天然锆英砂制备微米级研磨料及纳米颗粒的均一稳定化技术，其技术关键为均一的ZrSiO4-α-Al2O3相形成及合适的破碎分级技术和纳米颗粒的制备及均一稳定化技术和工艺。在高温熔盐相图方面，成功地采用神经网络技术预测多元熔盐体系的相图，并在KBr-MnSO4-CsCl体系中得到应用；在细粒分级技术研究方面，能在实验室得到平均粒径为721μm且粒径分布集中的ZrSiO4-α-Al2O3颗粒，说明以锆英砂为原料完全可以制备高档次的研磨料，但是该产品的核心技术还在于相图的控制以得到组分均匀的产品。其思路是先通过实验得到二元相图，然后通过神经网络技术模拟锆英砂中的主要杂质Fe2O3、MgO、CaO、TiO2的影响及熔化类型进行预测，确定平衡固相物种及组成，从而达到分离杂质得到均一的ZrSiO4-α-Al2O3产品的目的。
三、鉴定、获奖、专利情况
本项目已申请国家发明专利4项，相关产品已在国内一些单位进行了试用，效果较为理想，在半导体领域具有重大的推广价值。
纳米技术有哪些特征？
信息技术、生物技术、新能源技术、新材料技术等交叉融合正在引发新一轮科技革命和产业变革，将给世界范围内的制造业带来深刻影响。这一变革与中国加快转变经济发展方式、建设制造强国形成历史性交汇，对中国制造业的发展带来了极大的挑战和机遇。
集成电路是制造产业，尤其是信息技术安全的基础。前瞻产业研究院《中国集成电路行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》指出：我国集成电路产业起步晚，存在诸如集成电路设计、制造企业持续创新能力薄弱，核心技术缺失仍然大量依赖进口，与国际先进水平有显着差异。从国家安全角度来看，只有实现了底层集成电路的国产化，我国的信息安全才能得以有效保证。因此在国务院印发《中国制造2025》中将集成电路放在发展新一代信息技术产业的首位。随着中国半导体产业的发展黄金时期的到来，重点企业规模保持快速增长。
在电子行业的众多新兴子行业中，集成电路、北斗产业、传感器、智能家居、LED等有望在本轮升级转型中脱颖而出。从之前的千亿扶持计划，到近期的中国制造2025，中国半导体产业面临着前所未有的发展机遇，只有抓住这个时间窗口才能重新定义全球市场格局。
集成电路技术和产业对中国制造的重要意义
集成电路是工业的“粮食”，其技术水平和发展规模已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一，是实现中国制造的重要技术和产业支撑。国际金融危机后，发达国家加紧经济结构战略性调整，集成电路产业的战略性、基础性、先导性地位进一步凸显，美国更将其视为未来20年从根本上改造制造业的四大技术领域之首。
发展集成电路产业既是信息技术产业乃至工业转型升级的内部动力，也是市场激烈竞争的外部压力。中国信息技术产业规模多年位居世界第一，2014年产业规模达到14万亿元，生产了163亿部手机、35亿台计算机、14亿台彩电，占全球产量的比重均超过50%，但主要以整机制造为主。由于以集成电路和软件为核心的价值链核心环节缺失，电子信息制造业平均利润率仅为49%，低于工业平均水平1个百分点。目前中国集成电路产业还十分弱小，远不能支撑国民经济和社会发展以及国家信息安全、国防安全建设。2014年中国集成电路进口2176亿美元，多年来与石油一起位列最大宗进口商品。加快发展集成电路产业，对加快工业转型升级，实现“中国制造2025”的战略目标，具有重要的战略意义。
当前中国集成电路产业发展现状
经过改革开放以来30多年的发展，特别是2000年《国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》发布以来，中国集成电路市场和产业规模都实现了快速增长。市场规模方面，2014年中国集成电路市场规模首次突破万亿级大关，达到10393亿元，同比增长134%，约占全球市场份额的
50%。产业规模方面，2014年中国集成电路产业销售额为30154亿元，2001-2014年年均增长率达到238%。
技术实力显着增强。系统级芯片设计能力与国际先进水平的差距逐步缩小。建成了7条12英寸生产线，本土企业量产工艺最高水平达40纳米，28纳米工艺实现试生产。集成电路封装技术接近国际先进水平。部分关键装备和材料实现从无到有，被国内外生产线采用，离子注入机、刻蚀机、溅射靶材等进入8英寸或12英寸生产线。
涌现出一批具备国际竞争力的骨干企业。2014年海思半导体已进入全球设计企业前十名的门槛，数据显示，我国设计企业在2014
年全球前五十设计企业中占据了9个席位。中芯国际为全球第五大芯片制造企业，连续三年保持盈利。长电科技位列全球第六大封装测试企业，在完成对星科金朋的并购后，有望进入全球前三名。
制约产业发展的问题和瓶颈仍然突出
主要表现在：
一是产业创新要素积累不足。领军人才匮乏，企业技术和管理团队不稳定;企业小散弱，500多家集成电路设计企业收入仅约是美国高通公司的60-70%，全行业研发投入不足英特尔一家公司。产业核心专利少，知识产权布局结构问题突出。
二是内需市场优势发挥不足。芯片设计与快速变化的市场需求结合不紧密，难以进入整机领域中高端市场。跨国公司间构建垂直一体化的产业生态体系，国内企业只能采取被动跟随策略。
三是“芯片-软件-整机-系统-信息服务”产业链协同格局尚未形成。芯片设计企业的高端产品大部分在境外制造，没有与国内集成电路制造企业形成协作发展模式。制造企业量产技术落后国际主流两代，关键装备、材料基本依赖进口。
中国集成电路产业发展面临的机遇与挑战
当前，全球集成电路产业已进入深度调整变革期，既带来挑战的同时，也为实现赶超提供了难得机遇。从外部挑战看，国际领先集成电路企业加快先进技术和工艺研发，推进产业链整合重组，强化核心环节控制力。不少领域已形成2-3家企业垄断局面。
从发展机遇看，市场格局加快调整，移动智能终端爆发式增长，成为拉动集成电路产业发展的新动力。产业格局面临重塑，云计算、物联网、大数据等新业态引发的产业变革刚刚兴起，以集成电路和软件为基础的产业规则、发展路径、国际格局尚未最终形成。
集成电路技术演进呈现新趋势，制造工艺不断逼近物理极限，新结构、新材料、新器件孕育重大突破。此外，随着信息消费市场持续升级，4G网络等信息基础设施加快建设，中国作为全球最大、增长最快的集成电路市场继续保持旺盛活力，预计2015年市场规模将达12万亿元，这些都为中国集成电路产业实现“弯道超车”提供了有利条件。
晶圆的几寸线与几纳米的工艺有什么关系吗？
纳米技术的基本特征是以精确完美的控制和准确入微的离散方式，快速排布分子或原子结构，按照人的意向操纵原子、分子或原子团、分子团，制造出具有特定功能的微型设备，从而使物质加工处理技术提高到前所未有的水平。
纳米卫星采用微型机电一体化系统中的多重集成技术，利用大规模集成电路的设计思想和制造工艺，不仅把机械部件像电子电路一样集成起来，而且把传感器、执行器、微处理器以及其他电学和光学系统都集成于一个极小的几何空间内，形成机电一体化的、具有特定功能的卫星部件或分系统，使装置轻小、坚固，可靠性提高，从而具有更多优势。
芯片的纳米数是指什么
有的。
一、几寸指的晶圆大小（直径），几纳米指的晶体管之间的距离。它描述了该工艺代下加工尺度的精确度。
二、它并非指半导体器件中某一具体结构的特征尺寸，而是一类可以反映出加工精度的尺寸的平均值。
三、晶圆直径越大，且晶体管之间的距离越小，那么单片晶圆上集成的晶粒（芯片）数也越多，也就是集成度越高。所以尺寸越做越大，间距（纳米）越做越小，技术也越来越复杂。
扩展资料：
硅是由石英砂所精练出来的，晶圆便是硅元素加以纯化（99999%），接着是将这些纯硅制成硅晶棒，成为制造集成电路的石英半导体的材料，经过照相制版，研磨，抛光，切片等程序，将多晶硅融解拉出单晶硅晶棒，然后切割成一片一片薄薄的晶圆。
硅片广泛用于集成电路（IC）基板、半导体封装衬底材料，硅片划切质量直接影响芯片的良品率及制造成本。
硅片划片方法主要有金刚石砂轮划片、激光划片。
激光划片是利用高能激光束聚焦产生的高温使照射局部范围内的硅材料瞬间气化，完成硅片分离，但高温会使切缝周围产生热应力，导致硅片边缘崩裂，且只适合薄晶圆的划片。
超薄金刚石砂轮划片，由于划切产生的切削力小，且划切成本低，是应用最广泛的划片工艺。由于硅片的脆硬特性，划片过程容易产生崩边、微裂纹、分层等缺陷，直接影响硅片的机械性能。
同时，由于硅片硬度高、韧性低、导热系数低，划片过程产生的摩擦热难于快速传导出去，易造成刀片中的金刚石颗粒碳化及热破裂，使刀具磨损严重，严重影响划切质量
——晶圆
指甲盖般大小的苹果A14处理器，为何能集成118亿个晶体管？
芯片的纳米数是指芯片的制造工艺，或者晶体管电路的大小，单位是纳米(nm)。它是纳米长度单位。在处理器中，意味着晶体管之间的距离就是间距。距离越小，在同样大小的面积上可以集成的晶体管就越多。芯片越复杂，性能越好，功耗越低。
晶体管发明并量产后，二极管、晶体管等各种固态半导体元件被广泛使用，取代了真空管在电路中的功能和作用。20世纪中后期，半导体制造技术的进步使集成电路成为可能。相对于用单个分立的电子元件手工组装电路，集成电路可以将大量的微型晶体管集成到一个小芯片上，这是一个很大的进步。集成电路的规模生产能力、可靠性和电路设计的模块化方法确保了标准化集成电路代替分立晶体管的快速采用。与分立晶体管相比，集成电路有两个主要优势:成本和性能。低成本是由于芯片的所有组件通过光刻技术作为一个单元印刷，而不是一次只制造一个晶体管。高性能是因为元件的快速切换，消耗的能量更低，因为元件很小并且彼此靠近。2006年芯片面积从几平方毫米到350 mm？，每mm？多达一百万个晶体管。
iphone12搭载了5纳米工艺的手机处理器苹果A14，这款处理器集成了118亿个晶体管。而一款手机处理器芯片的大小，比大拇指的指甲盖大不了多少。
那么小的芯片，真的能装下上百亿个晶体管吗？
纳米（nm）是长度单位，一纳米等于10的负9次方米，是一个非常小的长度单位。珠穆朗玛峰高8848米，它的百万分之一，仅相当于一本书的厚度。而1纳米相当于一毫米的百万分之一。单个细菌人肉眼是看不见的，因为它的直径在微米级别，而1纳米是1微米的千分之一。
氢原子是原子中最小的，它的半径大约是0037纳米，13个氢原子排成一条线的长度大约等于1纳米。现在的手机cpu是硅基芯片，而硅原子的直径为0234nm，4个硅原子排排坐就有1纳米的长度。
1纳米这么小，那么在一款小小的手机芯片上集成100亿个晶体管，就很好理解了，是可以做到的。
世界上第1台电脑埃尼阿克出现的时候，体积比一个房间还大。1958年杰克·基尔比发明了基于锗的集成电路，后面罗伯特·诺伊思发明了基于硅的集成电路。工程师们直接将晶体管制作在一片硅晶片上，微电路（芯片）随之诞生。为了降低功耗和提高性能，集成电路的晶体管数量越来越多，元器件也被做的越来越小。
现在芯片制造工艺早已从微米时代进入了纳米时代。手机和电脑的cpu就是集成度最高的芯片。现在一块手机cpu的面积大约在100平方毫米左右，而一平方毫米至少可以集成1000万个晶体管。
随着微电子技术的提高，仅仅几年的时间，硅基芯片制造工艺就从几十纳米进入了几纳米时代。目前集成电路的制造工艺已经达到了5纳米水平，苹果A14处理器就使用了台积电的5纳米制造工艺。不过元器件的尺度已经快接近极限了，要想提高芯片的性能，就只能另寻它法，比如碳基半导体。
纳米技术是研究结构尺寸在1~100纳米范围内材料的性质和应用，是上世纪90年代初迅速发展起来的，距今不过30年。纳米技术的概念最早是物理学家理查德·费曼于1959年提出来的。直到1981年，科学家们发明了扫描隧道显微镜，才拥有了目睹纳米尺度下原子、分子的能力，后面还拥有了操控单个原子的能力。
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