特稿丨从“差三代”到“全覆盖”！国产芯片制造核心装备实现新突破

科技日报记者 付毅飞

提起离子注入机，熟悉集成电路的人都知道，该设备与光刻机、刻蚀机、镀膜机并称为芯片制造的“四大核心装备”，其高端市场长期被国外垄断。

20多年前，为突破集成电路装备自主创新的堵点卡点，中国电科所属中电科电子装备集团（以下简称“电科装备”）第四十八研究所组建研发团队，走上离子注入机科研攻关之路。

“当时，我国离子注入机工艺精度只有0.5微米，相比国际先进的90纳米，在技术指标上差了三代。”电科装备党委书记、董事长景璀日前告诉科技日报记者，“研发团队奋起直追，先后攻克千余项关键技术，实现了国产离子注入机‘从无到有’、再到‘多点开花’的跨越。”

今年年初，“中国电科实现国产离子注入机28纳米工艺全覆盖”入选“2023年度央企十大国之重器”。

离子注入机调试现场。烁科中科信供图

“孤勇出征” 造出首台样机

制造芯片时，由于纯净硅不具备导电性，需要掺入不同种类的元素改变其结构与电导率。

这一过程要靠离子注入机来完成——通过电磁场控制高速运动的离子，按照工艺要求将其精准注入硅基材料，从而控制材料的导电性能，进而形成PN结等集成电路器件的基本单元。

2003年，研发团队开启了高端离子注入机的攻关历程。 国内经验匮乏，国外技术封锁，团队成员将当时的情景形容为“孤勇出征”。

电科装备旗下北京烁科中科信电子装备有限公司（以下简称“烁科中科信”）技术总设计师彭立波回忆，他们挤在小公寓里研究设计图纸，在租借的小厂房里做实验。团队里刚毕业的小伙、刚成家生子的青壮年，以及快退休的老同志，大家一起工作、一起生活，隔3个月才能回一次家。

为尽快打造出具有市场竞争力的装备，研发团队选择了一款100纳米机型作为参考机器。“为什么这样设计？跟应用有什么对应关系？都要逐一认知、消化吸收。”彭立波说。

离子注入机调试现场。烁科中科信供图

那时缺乏计算机辅助设计工具，面对内部结构精密而复杂的离子注入机，几位经验丰富的老师傅绞尽脑汁，整天围着设备苦苦钻研，全凭二维设计和空间构思去理解这些构造，用了几个星期才把它搞明白。

“离子注入机采用光纤通信系统进行控制，我们必须弄清楚光纤通信模块的底层控制逻辑。”彭立波告诉记者。由于从样机中只能获得二进制代码，研发人员被逼反向破解，逐行逐字推敲，摸索控制指令及其对应的功能，反复琢磨这些指令对产品工艺精度和技术指标的影响。

历时近两年，研发团队在吃透机器构造原理、控制设计思路等基础上，完成了自主样机的设计方案，并突破关键部件研制难题，最终造出首台样机。

“破釜沉舟” 完成工艺验证

从样机到市场，其间路途漫漫。

“功能和指标只是进入市场的第一道门槛。要得到用户认可，严苛的工艺验证才是真正的考验。” 彭立波说。

回忆起考验的艰辛，烁科中科信研发工程中心总监陈辉至今仍“心有余悸”。

2012年底，研发团队成功研制出28纳米中束流离子注入机，陈辉带着设备进驻用户单位。按规定，要在两年内完成产线工艺验证。实际上，除去大规模量产前的稳定性验证和试投产，真正留给工艺验证的时间只有一年左右。

离子注入机完成一轮验证就需要近3个月，而且其过程像“开盲盒”。只有把所有工序走完，对成品进行电性测量后，才知道离子注入质量如何。一旦验证结果不合格，就要调出整个注入过程中所有的参数，逐一检查比对，找到问题，然后修正。

此前，研发团队已成功交付90至65纳米离子注入机，在回溯调查、工艺处理方面积累了丰富经验。但28纳米工艺对注入剂量、角度、能量等技术参数更敏感，对精度要求更高，由此带来许多新问题，需要一点点摸索。

离子注入机调试现场。烁科中科信供图

“第一轮验证，没有完全成功。”陈辉说。他和同事回溯、修正，线上、线下试验，再等3个月出产品，又测一轮，仍未成功。

对于2013年的夏天，陈辉迄今难以忘怀。除了40摄氏度的持续高温，连续失败更令他备受煎熬。用户也承受了巨大压力，乃至发出最后通牒：“再不行就把设备搬走！”

第三轮验证被陈辉形容为“破釜沉舟”。他们对设备进行软硬件升级，把此前出过问题的环节全部重试一遍，确保无误之后才开始验证。

这一轮验证虽然花费了更多时间，但终于达到了用户的要求，同时也获得了他们的信任。全部验证流程完成后，用户如约采购了这台设备，并对此后采购的同类设备简化了验证流程。

“多点开花” 打造国之重器

完成28纳米中束流离子注入机工艺验证后，研发团队于2017年全面铺开大束流离子注入机研发。 他们要在产品谱系上“多点开花”。

中束流与大束流离子注入机，分别应用在芯片制造的不同环节，适用于不同工艺需求。二者各有所长，缺一不可。

“简单说，芯片核心计算部位的‘精细活’由中束流机型做；芯片外围引脚之类的‘粗活’由大束流机型做。”彭立波打比方道，这样的配合既能提高效率，又能降低成本。

有了中束流设备的研制经验，大束流设备研制一路“高歌猛进” ——2018年实现样机设计，2019年完成样机装配及调试，2020年交付用户，2021年底开始工艺验证。

但验证过程并没有想象中顺利，研发团队经历了又一次刻骨铭心的爬坡过坎。

“几乎所有指标都达到了期望值，就在我们以为胜利在望时，某一元素的离子注入剂量被检测出偏差过大。”陈辉说。

为了找出问题的原因，研发团队不得不从设计源头重溯——这相当于从头再来。他们每天24小时守在实验室里，开展大量仿真实验和工艺验证。就这样连续奋战了两个多月，终于使剂量偏差精度达到国际先进水平。

随着时间的推移，器件研制能力持续增强，软件系统不断迭代升级，工艺精度稳步提升……2023年，研发团队成功实现全系列离子注入机28纳米工艺全覆盖。

20多年来，研发团队先后研制出中束流、大束流、高能、特种等全系列国产离子注入机产品，超百台设备广泛应用于各集成电路制造企业90纳米、55纳米、40纳米、28纳米工艺生产线，为我国集成电路产业链供应链安全与稳定提供了坚实保障。

“习近平总书记在考察中国电科产业基础研究院时指出，必须瞄准国家战略需求，系统布局关键创新资源，发挥产学研深度融合优势，不断在关键核心技术上取得新突破。”景璀向记者表示，“下一步，我们将一以贯之、久久为功，继续推动离子注入机的创新迭代和量产应用，全力打造高端装备制造中国名片！”

编辑：王宇

审核：朱丽

中国硬核科技是怎么突破的

先说行情。深成指这里跌了40个交易日，从9805点跌到8573点，共跌了1232点，日跌30.80点。这个速度还是太快。上证指数连续7周收阴，沪深300亦是如此。历史上，沪深300连续7周收阴的，只有3次，这是第4次。这两个因素一起考虑的话，下周收阳概率比较大。原因就在于深成指没有办法以这么个速率下行，下面的空间不够，时空显得不协调。所以指数在这一带比较容易有反弹，以便调整过陡的斜率。

我几个月前就讲了，今年上半年是大震荡，下半年有双底或三底的大机会。这次探底，目的就是双底。既然是双底，那就有空间；既然有空间，那就有斜率；既然有斜率，那就要回过头去以暗合时间。空间太快了，时间跟不上，那就要折腾折腾，消耗下时间。

总体而言，深成指这里是小形态服从大形态。

再讲一下中美科技战，中国的硬核科技一般都是怎么突破的。

前期我一直在讲，中美科技战，中国是产业向上突破，产品向上突破，成本向下突破，这是中国科技战战胜美国的法宝。关于这个，思想源头就在《特朗普怎么跟中国打金融战》系列文章中，只是没有讲得这么明白，也没有将成本和产业、产品集中到一句话里来讲。集中到一句话中来讲，始于那篇黄奇帆谈中国出口结构变化的文章，我以那篇文章为引子谈中国产品的成本，然后将这些集中到一起来讲。那句话一讲，局面瞬间就清晰。

中国完成这些硬核科技突破的基础，先是要有相关机构和人才，这个不假。但真正完成突破，往往跟相关重大科技专项有关。也即国家层面先科技立项，重大科技专项背后，往往是有倚仗的，那就是建有国家重点实验室。这些实验室，从上世纪80年代中期开始建第一批，到80年代后期，第一批就基本建成了，然后开展全方位理论和实践研究，包括进行重大科技专项研究，以此为根，就开始形成理论突破，并进入某些尖端科技产品领域。当然，最初的产品是比较低端的，是入门级的产品，跟国外先进水平相比，有比较大的差距。但某个领域中国只要插足进去了，就不愁不会结出果实。一般经过10年20年的发展，最终中国就能赶上国际先进水平，并最终实现超越。

所以，那些能够率先造出突破性产品的公司背后，往往有国家重点实验室的支撑，然后有国家重大科技专项支撑，再就是有钱的投入。国家重大科技专项背后，也意味着国家科研资金的支持。当入门级的产品研发出来之后，只要能进行商业化生产，就可以从小到大，从不成熟到成熟，通过不断地迭代，不断地改进，最终就能一点点地撵上别人。

而我们团队研究的这家公司（见《公司分析（十二）：对美日两大垄断霸主的强势国产替代+芯片设备硬核科技+高成长=未来大牛》 ），它的背后恰恰有一个国家重点实验室，而且是上世纪80年代中期咱们国家建立的第一批重点实验室，是中国高等学府里的第一批。这个实验室支撑了相关理论和实验研发，并且，该实验室先后多次承担国家重大科技专项课题，公司的第一代产品，正是02国家重大科技专项课题成果，以数十项专利技术的知识产权来作为出资成立的公司。这一点是很牛的。即公司成立的时候，它的根基就是专利技术，以专利技术出资占大头儿。公司成立后，又承担了三项国家重大科技专项课题，完成了相关研究，有了相关研究产品。这些非常不容易，不多见，而且是比很多科技企业要牛的地方。

公司第三牛的地方在于研发投入。下表是公司的研发投入（单位，万元）：

2019年接近4500万，2023年3.04亿,4年增长6.76倍,年复合增速61.24%。这是一个非常高的增速。

当年我研究比亚迪的时候，发现一个不同寻常的地方就是公司的研发。一是投入研发的钱很多，二是申请的专利多。比亚迪比上汽等销售额要小很多的时候，投入研发的钱就非常多，所以现在比亚迪新能源汽车获得国家科技进步二等奖，这是不无原因的。比亚迪的产品现在全球都认为牛，不是没有原因的。

其背后正是多年研发的高投入。

这家公司的研发之所以能4年增长6.76倍,能这么高投入，缘于公司收入的高增长，公司4年收入增长了11.89倍,从2亿多点增长到超过25亿,年复合增速85.69%,比研发投入的增速更高。

于是我们就可以看到一个很有意思的现象，就是公司以高投入研发，保证了公司产品能够处在技术水平的前沿，能够不断地推出适应时代要求的新产品，并且不断向前突破，迭代，这即是产品向上突破，推动产业向上突破。同时，新产品的不断推出，保证了公司业务收入的高增长，从而为公司带来更多的收入；也即研发的高投入为收入的高增长打下了一个很好的产品基础。这样就会形成一个结果，研发高投入支撑了收入高增长，收入高增长，反过来支撑了研发的高投入，这就能为彼此形成一种支撑，就形成了一种非常良性的双支撑结构。对科技型企业来讲，这种双支撑结构是企业成功的法宝，它是非常重要的，是一种大家都很想要达到的健康的彼此帮扶的双支撑结构。

有些企业，因为收入和利润不行，然后硬性高投入进行产品研发，最后就把企业给拖死了，这样的科技企业不少，有少数支撑了下来，但多数都被淘汰了。

所以，一家科技企业健康不健康，我们要看它是否有这种双支撑结构。因为科技企业需要不断投入资金进行产品研发，所以，就需要这种双支撑结构。没有这种双支撑结构的科技企业，你一定要小心点。

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