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那么早研发国产光刻机,为何最终落后ASML超过20年

  原标题:【芯历史】起了个大早的国产光刻机研发,是如何与行业脱节的?

  文/乐川

  集微网消息,福建晋华事件,开启了美国制裁中国半导体的序幕,中国半导体产业逐渐成为普通群众也争相探讨的话题,中芯国际一台迟迟不能“到账”的当下最先进的 EUV 光刻机,更是成为全民关心的大事。几个月前朋友圈疯转的一则新闻旧话,掀起更大的波澜:原来中国这么早就开始光刻机研发了,那为何现在还是沦落到受制于人的局面?

  三次全国大规模集成电路会议,引发国产光刻机成果大爆发

  光刻机是大系统、高精尖技术与工程极限高度融合的结晶,被誉为集成电路产业链“皇冠上的明珠”。20 世纪 50 年代,美国研制出接触式光刻机,70 年代,美国 Perkin-Elmer 公司研制成功1:1 投影式光刻机,随后美国 GCA 公司推出“分步重复精缩投影光刻机”,将投影光刻的比例发展到1:5 或1:10。分步式光刻机的概念提出之后,光学光刻机的技术路线就基本上稳定下来了,后续的光刻机基本上都属于这种类型。差异只在于光源的变化。

  日本的尼康和佳能于 20 世纪 60 年代末开始进入光刻机领域。中国利用光刻技术制造集成电路,大致也开始于同一时期。

  1965 年,我国第一块集成电路在北京、石家庄和上海等地相继问世。上文中提到,1974 年 9 月,第一次全国大规模集成电路工业会议召开,国家计委在北京召开《全国大规模集成电路及基础材料攻关大会战会议》,拟定的目标是【1974~1976 年期间,突破大规模集成电路的工艺、装备、基础材料等方面关键技术】四机部组织京沪电子工业会战,进行大规模集成电路及材料、装备研发,突破超微粒干板、光刻胶、超纯净试剂、高纯度气体,磁场偏转电子束镀膜机等材料、装备。

  1975 年 12 月,第二次全国大规模集成电路会议在上海召开;1977 年 1 月,第三次全国大规模集成电路会议在贵州召开。这三次会议,可以说直接导致了上世纪 80 年代前后,中科院系统、电子部系统、地方各研发单位光刻机成果的第一次大爆发。

  根据现存最早的国产光刻机的纪录,是 1445 所在 1974 年开始研制,到 1977 年研制成功的 GK-3 型半自动光刻机(吴先升.φ75 毫米圆片半自动光刻机[J].半导体设备,1979(04):24-28.),这是一台接触式光刻机。1978 年,1445 所在 GK-3 的基础上开发了 GK-4,把加工圆片直径从 50 毫米提高到 75 毫米,自动化程度有所提高,但仍然是接触式光刻机。

  GK-3 光刻机(刘仲华 .GK—3 型半自动光刻机工作原理及性能分析[J].半导体设备,1978(03)

  1980 年左右,中科院半导体所开始研制 JK-1 型半自动接近式光刻机,于 1981 年研制成功两台样机,完成第二阶段工艺试验,并进行模拟 4K 和 16K 动态随机贮器器件的工艺考核试验。同年,上海光学机械厂的研制的 JKG—3 型光刻机通过鉴定与设计定型,该机型是我国第一代半自动接近式光刻机。

  图:JK-1 型光刻机整机照片

  由于美国在 50 年代就已经拥有了接触式光刻机,相比之下中国落后了近二十年。同时国外从 1978 年开始转向分步重复投影光刻,此时中国科学界也已认识到,分步投影光刻技术的优越性,但限于国内工艺基础差,难以实现。

  但是根据八五、九五期间我国微电子技术发展的要求,迫切需要相当数量的分步光刻机,而当时国际上一台i线分步光刻机的售价是 160 万美元,一台准分子激光 DSW 光刻机的售价是 210 万美元,一套g线 DSW 光刻机也要 120 万美元,如果全部采用进口设备,当时的国家财力也难以支持。

  在此背景下,1978 年世界上第一台 DSW 光刻机问世不久,机电部第 45 所就开始跟踪研究分步式光刻机,对标美国的 4800DSW。1985 年,研制出了 BG-101 分步光刻机样机并通过电子部技术鉴定,认为达到 4800DSW 的水平。如果资料没有错误,这应当是中国第一台分步投影式光刻机,采用的是 436 纳米G线光源。

  同样在 1985 年,中国科学院上海光学精密机械研究所研制的”扫描式投影光刻机”通过鉴定,为我国大规模集成电路专用设备填补了一项空白。按照这个时间节点算,中国在分步光刻机上与国外的差距拉近到 7 年左右(美国是 1978 年)。

  可以看出,国产光刻机研发在上世纪 70 年代后期起步,直到 80 年代后期,技术一直在推进,并且取得了一定的代表性成果。

  “贸工技”风潮盛行,国产光刻机研发开始脱节?

  20 世纪 50 至 80 年代初期,中国半导体产业蓬勃发展,几乎与世界同时起步,这也是国产光刻机研发的关键产业背景。但是进入 80 年代中期后,中国却“掉队”了。

  此时的日本半导体产业已经发展成为令美国也忌惮的霸主,到了 1984 年,在光刻机领域尼康和 GCA 平起平坐,各享三成市占率,Ultratech 占约一成,Eaton、P&E、佳能、日立等每家都不到5%。同一年,ASML 诞生。

  在整个行业积极探索新技术的时候,由于价格高昂和“巴统限制”,“巴统”不批准向我国出口先进设备,国外工艺线已用 0.5µm的设备时,却只对我国出口 1.5µm的设备,整整差了三代。此外,在 80 年代,“巴统”规定对我国出口的 DSW 光刻机,镜头 NA 必须小于 0.17,即只能有2µm以上的分辨率。

  也是在这个时期,国内“造不如买”的思想开始盛行,”贸工技”风潮一时盛行,在集成电路等产业也渐渐与国外脱节。产业抛弃了独立自主,自力更生的指导方针,盲目对外开放,中国独立的科研和产业体系被摧毁,研发方面是单打独斗,科研成果转化成商业化产品的微乎其微。

  国产光刻机研发的脚步大大减缓。到 1990 年 3 月,中科院光电所研制的 IOE1010G 直接分步重复投影光刻机样机通过评议,工作分辨率 1.25 微米,主要技术指标接受美国 GCA8000 型的水平,仅相当于国外 80 年代中期水平。

  这个时期国外光刻光源被卡在 193 纳米无法更进一步已经长达 20 年,科学家和产业界一直在探讨超越 193 纳米的方案,台积电在 2002 年提出了浸入式 193nm 技术方案成功解决了这一难题,使得光刻机技术进入到新的阶段。而这时国家科技部才组织实施“十五”863 计划“100 纳米分辨率 193 纳米 ArF 准分子激光器步进扫描投影光刻机”重大项目的研制与攻关,计划在 2005 年完成试生产样机,2007 年小批量生产。

  2002 年国家在上海组建上海微电子装备有限公司(SMEE)承担“十五”光刻机攻关项目时,中电科 45 所将从事分步投影光刻机研发任务的团队整体迁至上海参与其中。2008 年国家又启动了“02”科技重大专项予以衔接持续攻关。至 2016 年,上海微电子已经量产 90 纳米、110 纳米和 280 纳米三种光刻机。

  但是,走在世界前沿的 ASML 已经开始 EUV 光刻机研发,并于 2010 年研发出第一台 EUV 原型机,由于成本过于高昂由三星、台积电、英特尔等公司共同入股推动研发,若干年后,ASML 成为 7 纳米以下制程光刻机的唯一供应商。国产光刻机至此落后 ASML 超过 20 年。

  (校对/零叁)

  文/新智元 编辑:梦佳、小匀   来源:新智元(ID:AI_era)   来源:路透社   【新智元导读】外媒报道,两位知情人士指出,中国准备对谷歌发起反垄断调查,调查有关谷歌利用安卓操作系统的优势妨碍竞争之指控。谷歌被反垄断调查,在世界各国都有发生。此前欧盟更是开出过 51 亿美元的罚单。   据路透社报道,两位知情人士指出,中国准备对 Alphabet 旗下谷歌发起反垄断调查,调查有关谷歌利用安卓移动操作系统的优势妨碍竞争之指控。   其中一名消息人士表示,关于是否要展开正式调查,最快可能于 10 月做出决定,决定可能受到中国和美国关系的影响。   另一名知情人士说,还将调查......Next article READ