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幾十年來(lái)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一直遵循摩爾定律高速發(fā)展，半導(dǎo)體制程節(jié)點(diǎn)正在逐漸向3納米演進(jìn)。但是，受技術(shù)瓶頸和研制成本劇增等因素的影響，摩爾定律正在逼近物理極限。在后摩爾時(shí)代，什么樣的技術(shù)會(huì)起到關(guān)鍵性作用?我國(guó)又存在哪些技術(shù)壁壘亟待突破?中國(guó)工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長(zhǎng)吳漢明在接受記者專訪時(shí)，分享了他的觀點(diǎn)與思考。

記者：當(dāng)前，人們不太可能僅通過(guò)CMOS晶體管微縮推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展。隨著后摩爾時(shí)代的到來(lái)，您認(rèn)為延續(xù)摩爾定律的技術(shù)主要有哪些？

吳漢明：摩爾定律是平面特征尺寸縮微發(fā)展技術(shù)的節(jié)奏，隨著這個(gè)節(jié)奏趨于緩慢，呈現(xiàn)泛摩爾（More than Moore）技術(shù)路線的后摩爾時(shí)代就來(lái)臨了。后摩爾時(shí)代具備以下五個(gè)特點(diǎn)：一是技術(shù)方向依然還在探索；二是不僅僅刻意追求特征線寬；三是應(yīng)用范圍寬，可上天可入地；四是市場(chǎng)碎片化，沒有明顯壟斷；五是研發(fā)經(jīng)費(fèi)相對(duì)低廉。

基于這五個(gè)特點(diǎn)，便產(chǎn)生了五個(gè)與之對(duì)應(yīng)的泛摩爾機(jī)遇：一是寬廣的技術(shù)創(chuàng)新空間；二是設(shè)備價(jià)格低，技術(shù)發(fā)展條件不苛刻；三是市場(chǎng)空間極大，投入收回的難度低；四是有利于創(chuàng)新型中小企業(yè)的成長(zhǎng)，在科創(chuàng)板支持下容易在市場(chǎng)中生存下來(lái)；五是產(chǎn)品研發(fā)容易啟動(dòng)，對(duì)于研發(fā)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)水平和科研經(jīng)費(fèi)方面的要求不高。這些機(jī)遇如果把握得好，就可以有效縮小與世界產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的差距。

在與許居衍院士討論過(guò)后，商討出了后摩爾時(shí)代四個(gè)技術(shù)的主要發(fā)展方向：一是“硅-馮”范式。具體為二進(jìn)制基礎(chǔ)的MOSFET、CMOS(平面)和泛CMOS（立體柵FinFET、納米線環(huán)柵NWFET、碳納米管CNTFET等技術(shù)），這是目前產(chǎn)業(yè)主流技術(shù)的方向。二是類硅模式?，F(xiàn)行架構(gòu)下NC FET(負(fù)電容)、TFET(隧穿)、相變FET、SET(單電子)等電荷變換的非CMOS技術(shù)。這是延續(xù)摩爾定律的主要技術(shù)路線。三是類腦模式。3D封裝模擬神經(jīng)元特性、存算一體等計(jì)算，具有并行性、低功耗的特點(diǎn)，這將是人工智能的主要途徑，有很好的產(chǎn)業(yè)前景。四是新興范式。具體為狀態(tài)變換(信息強(qiáng)相關(guān)電子態(tài)/自旋取向)、新器件技術(shù)(自旋器件/量子)和新興架構(gòu)(量子計(jì)算/神經(jīng)形態(tài)計(jì)算)。這項(xiàng)技術(shù)屬于基礎(chǔ)研究范疇，規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用應(yīng)該在至少十年之后。

記者：隨著后摩爾時(shí)代的到來(lái)，刻蝕工藝有哪些新的技術(shù)趨勢(shì)？在半導(dǎo)體工藝技術(shù)演進(jìn)中發(fā)揮了怎樣的作用？

吳漢明：等離子體刻蝕是整個(gè)工藝流程最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)之一。這是因?yàn)榭涛g工藝中涉及的問(wèn)題是多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，包括力學(xué)、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、材料和系統(tǒng)控制等。

目前的等離子體刻蝕技術(shù)朝兩個(gè)大方向發(fā)展，首先是軟刻蝕（Soft Etch），追求高選擇率、各向同性刻蝕、低損傷等，主要針對(duì)邏輯器件；另一種是硬刻蝕（HardEtch），追求高深寬比的刻蝕能力和刻蝕形貌，主要針對(duì)存儲(chǔ)器。原子層刻蝕（ALE）技術(shù)是軟刻蝕有前景的技術(shù)選項(xiàng)之一，基本可以達(dá)到刻蝕工藝中的無(wú)損傷要求，但主要存在的問(wèn)題是工藝產(chǎn)出率較慢，該技術(shù)目前正處于商業(yè)化的前期，值得關(guān)注。

未來(lái)，等離子體刻蝕技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)鑒于成本的因素，主要是減少關(guān)鍵尺寸（CD）和刻蝕率主導(dǎo)的薄膜厚度不均勻性。另外、硅基新材料的引進(jìn)給刻蝕工藝技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，如應(yīng)變硅材料、前段的高k 金屬柵(HKMG)和后段的超低k介質(zhì)刻蝕都需要基于系統(tǒng)研發(fā)工作，推進(jìn)整體芯片工藝發(fā)展。其他后摩爾時(shí)代推出的新材料也正在不斷地被應(yīng)用到芯片制造中，相應(yīng)的刻蝕工藝技術(shù)都需要同步或先行發(fā)展，例如III-V 族材料、磁性材料和存儲(chǔ)功能刻蝕，都需要研究其相應(yīng)的物理和化學(xué)特點(diǎn)，開發(fā)適合于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的刻蝕工藝技術(shù)。

目前，產(chǎn)業(yè)期待能建立一個(gè)適用的工藝模型，來(lái)指導(dǎo)當(dāng)下的工藝研發(fā)，這樣就可以大大加速研發(fā)進(jìn)程，并且降低研發(fā)費(fèi)用，縮短研發(fā)周期。未來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，等離子體刻蝕技術(shù)必將是刻蝕技術(shù)發(fā)展的核心。為此，必須開發(fā)可靠的等離子體刻蝕模型和先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)。

記 者：您曾在2021數(shù)博會(huì)上公開表示，讓一個(gè)國(guó)家或者一個(gè)地區(qū)做一個(gè)光刻機(jī)是不現(xiàn)實(shí)的。光刻機(jī)的制作難度之大，可能是很多國(guó)家在很多年內(nèi)都無(wú)法突破的，我國(guó)也同樣受限于此，您覺得我國(guó)該如何擺脫這層枷鎖？

吳漢明：眾所周知，光刻機(jī)只是芯片制造的眾多必要基礎(chǔ)條件之一。有了先進(jìn)光刻機(jī)也不一定做出先進(jìn)芯片。擁有先進(jìn)光刻機(jī)的美國(guó)、歐洲和日本在先進(jìn)芯片制造工藝上落后中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)和韓國(guó)，我們20年芯片制造工藝發(fā)展史都間接證明了這一點(diǎn)。

目前全球最高端的EUV光刻機(jī)是由各國(guó)5000多家頂尖的零部件材料供應(yīng)商支持，是全世界高精尖技術(shù)的結(jié)晶。其中荷蘭本國(guó)的技術(shù)成分只有小部分，大部分技術(shù)來(lái)源于其他國(guó)家。我們可能不必沿著現(xiàn)有的技術(shù)路線去拼命追趕最高端的EUV光刻機(jī)。要用創(chuàng)新思維開展光刻機(jī)技術(shù)中的原始創(chuàng)新探索，用開放的容納百川的心態(tài)從國(guó)內(nèi)外物色招聘世界級(jí)的領(lǐng)軍人物，努力發(fā)現(xiàn)新的原理性的技術(shù)，從而支持企業(yè)制造具有自己核心技術(shù)的國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)。

如果按照已有的技術(shù)路線以追隨模式攻關(guān)，恐怕難以趕上世界領(lǐng)先國(guó)家的先進(jìn)光刻技術(shù)。因此可以認(rèn)為，短期內(nèi)完全依靠一個(gè)國(guó)家和地區(qū)用閉門造車的方法做成可產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的先進(jìn)光刻機(jī)不現(xiàn)實(shí)，更不可能依靠一個(gè)國(guó)家和地區(qū)來(lái)支撐先進(jìn)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

因此我們必須要有清醒的頭腦，在堅(jiān)持自立自強(qiáng)的技術(shù)路線同時(shí)，要保持開放心態(tài)，積極設(shè)法與擁有全球化理念和先進(jìn)技術(shù)的公司開展合作。走出去、請(qǐng)進(jìn)來(lái)，推動(dòng)國(guó)際企業(yè)本土化、本土企業(yè)國(guó)際化。充分發(fā)揮我們巨大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，積極開展雙循環(huán)發(fā)展路線。遵循經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律，將我們商業(yè)界的朋友發(fā)展起來(lái)，一定要有可以實(shí)施外循環(huán)的通道。那些違反經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律，用意識(shí)形態(tài)劃分的商業(yè)聯(lián)盟的企圖是注定要失敗的。

需要堅(jiān)持企業(yè)為創(chuàng)新主體。制定各種優(yōu)惠政策支持光刻機(jī)整機(jī)企業(yè)和芯片制造企業(yè)，在國(guó)家重大專項(xiàng)技術(shù)成果（193nm ArF光刻機(jī)）基礎(chǔ)上，聯(lián)合推動(dòng)光刻機(jī)研發(fā)。力爭(zhēng)在“十四五”期間，由整機(jī)企業(yè)牽頭將國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)的產(chǎn)能提升到滿足我國(guó)建設(shè)新芯片制造生產(chǎn)線的部分需求。

記者：石墨烯芯片這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景怎樣？石墨烯技術(shù)對(duì)于推動(dòng)集成電路的發(fā)展有何助力？

吳漢明：石墨烯芯片的優(yōu)異性能的確非常吸引人，未來(lái)應(yīng)用前景可期。因?yàn)樾虏牧系娜挛锢頇C(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)全新的邏輯、存儲(chǔ)及互聯(lián)概念，推動(dòng)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革新。然而現(xiàn)實(shí)很骨感，現(xiàn)有的主流硅基技術(shù)由于成本和完備的生態(tài)鏈，在產(chǎn)業(yè)上的地位在未來(lái)幾十年應(yīng)該是不可撼動(dòng)的。也許在某些應(yīng)用場(chǎng)景石墨烯芯片有較大的優(yōu)勢(shì)，但是大規(guī)模的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管替代硅基在短期內(nèi)并沒有機(jī)會(huì)?？茖W(xué)家們下一步需要繼續(xù)研究其性能，包括研究哪些金屬及制備工藝不會(huì)對(duì)石墨烯的導(dǎo)電性造成損害。

制造芯片所需的高純度的石墨烯獲取難度很大，石墨烯晶圓的制造也十分困難，雖然已經(jīng)做出了原型，證實(shí)了技術(shù)上的可行性，但是產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。即便生產(chǎn)制造技術(shù)取得突破，在與主流硅基競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，成本問(wèn)題仍是必須邁過(guò)的坎。還需建設(shè)相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，如設(shè)計(jì)工具和制造裝備等，這將是一項(xiàng)極大規(guī)模的系統(tǒng)工程。

記 者：對(duì)于我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，您還有哪些建議？

吳漢明：目前我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的困難很多。因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)鏈特別長(zhǎng)，想在每個(gè)環(huán)節(jié)上都做到面面俱到非常難。面對(duì)當(dāng)前錯(cuò)綜復(fù)雜的國(guó)際形勢(shì)，我們要有自己的發(fā)展定力，全力練就自身內(nèi)功。堅(jiān)持內(nèi)循環(huán)為主的雙循環(huán)發(fā)展思路。保持開放心態(tài)，支持全球化發(fā)展。

在芯片制造領(lǐng)域有以下四個(gè)方面的建議：一是充分利用國(guó)家重大專項(xiàng)取得的成果，繼續(xù)支持先進(jìn)工藝研發(fā)工作的同時(shí)，大力支持特色工藝和相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)發(fā)展。后摩爾時(shí)代的產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨緩，市場(chǎng)和技術(shù)創(chuàng)新空間大，也是我們作為追趕者的機(jī)會(huì)。

二是堅(jiān)持產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)技術(shù)路線。我國(guó)集成電路技術(shù)研發(fā)起點(diǎn)不晚（1958年自制硅單晶，1965年研發(fā)IC芯片，2014年出臺(tái)了《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，經(jīng)歷了7年多的發(fā)展，我國(guó)進(jìn)口半導(dǎo)體總值占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的比例從64.8%增加至82.2%），但投入的資金太散太少，龍頭企業(yè)發(fā)展過(guò)緩，產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才奇缺，遠(yuǎn)跟不上全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐。我們的科技創(chuàng)新一定要有產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)才有機(jī)會(huì)。

三是保持戰(zhàn)略定力，堅(jiān)持自立自強(qiáng)對(duì)外開放的發(fā)展道路。以開放心態(tài)與全球企業(yè)合作。雖然全球化途徑不暢，我們依然需要努力推動(dòng)本土企業(yè)國(guó)際化、外企本土化進(jìn)程。其中世界IP龍頭企業(yè)ARM公司和其他一些國(guó)際大公司的本土化也許是值得研究和參考的例子。

四是建立具有成套工藝能力的設(shè)計(jì)、制造一體化，科教產(chǎn)教融合的公共技術(shù)平臺(tái)。成套工藝是芯片產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的唯一標(biāo)志。在具備成套工藝基礎(chǔ)上，這個(gè)平臺(tái)需要具備以下四大功能：一是孵化創(chuàng)新型中小設(shè)計(jì)企業(yè)，縮短研發(fā)周期；二是為裝備和材料企業(yè)等提供成套工藝驗(yàn)證流片；三是構(gòu)建科教產(chǎn)教融合的產(chǎn)業(yè)新人才培養(yǎng)模式，提供產(chǎn)教融合實(shí)習(xí)場(chǎng)景；四是成套工藝支持企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)芯片制造的共性技術(shù)（例如產(chǎn)品良率提升、芯片生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度、虛擬生產(chǎn)線建設(shè)等）。平臺(tái)建設(shè)須保持開放心態(tài)，與全球企業(yè)開展交流。針對(duì)性地培養(yǎng)具有前瞻性，能夠引領(lǐng)未來(lái)發(fā)展的復(fù)合型、工程型人才和科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。

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