【媒体专访】来自青岛!中国首台产业级晶圆磁光克尔测量仪上市

为研制“中国芯”炼就一双“火眼金睛”——青岛研制中国首台产业级晶圆磁光克尔测量仪并上市,为磁性芯片量产提供自主可控的检测设备支撑

青岛日报社/观海新闻3月17日讯 指甲盖大小的一块芯片,却有成百上千道制作工序,任何一个环节出了问题都会导致“前功尽弃”。贯穿于芯片制造全流程的过程检测,是保障芯片制造工艺稳定、产品合格的关键。长期以来,我国芯片研发和制造相关的设备高度依赖进口,高端检测设备更是遭到“禁运”。但是如今,这种“卡脖子”的情况正在一点点得到扭转。

最近,致真精密仪器(青岛)有限公司(以下简称致真精密仪器)研制出的中国首台产业级晶圆磁光克尔测量仪正式上市,打破了美国企业在该领域的垄断,这意味着,磁性芯片量产所需的光学检测设备从此实现自主可控。

查找纳米级缺陷,组建自己的科研团队

芯片种类繁多、功能多样,磁性芯片便是其中的一种。说到“磁”,早在两千多年前,我们的祖先就发明了世界上最早的磁性指南工具–司南。如今人们打开手机导航软件,会看到一个指示方向的小箭头,其信号识别便是依靠磁性传感芯片来完成的。另外还有一种磁性存储芯片,被应用于飞机、卫星的控制系统,在系统遭遇雷击、太阳风等情况而出现断电时,它可以确保信息存储不受影响。正是由于磁性传感芯片的高灵敏性和磁性存储芯片的高可靠性,磁性芯片在芯片“家族”中有着不可替代的重要作用。据统计,磁性芯片在全球的市场规模已达到25亿美元/年。

然而,摆在眼前的一个不争的事实是,我国的高端磁性芯片95%以上来源于海外。制约芯片自主研制的因素之一,就是国外对高端检测设备的垄断和“禁运”。致真精密仪器董事长兼首席技术官张学莹告诉记者,芯片上的很多元件都是纳米级的,直径只有头发丝的万分之一,人用肉眼看不到,而精密的检测仪器相当于“火眼金睛”,可以精确而直观地识别某些环节是否存在缺陷,但这类高端检测设备长期被美国、欧洲、日本等垄断。

身兼高校集成电路专业教师职务的张学莹,在自己的科研生涯中也曾多次感受到精密仪器“受制于人”的“切肤之痛”。曾经,他所在的科研团队想购买一台磁光克尔显微镜,这是观测磁性芯片相关材料器件中磁化状态的重要设备,但当时世界上能造这种显微镜的商用公司只有德国一家、日本一家,单台售价达到两三百万人民币,而且对方态度傲慢,因为他们认为中国除了进口别无他选,当研发团队提出能否针对特定需求做一些改造时,也被对方拒绝了。“不买了,自己造。”下定决心的张学莹由此开始磁性芯片高端检测设备的攻关。

带着多年的科研积累,张学莹于2019年成立了公司,建立了一支涵盖光学、电子、机械、软件和控制等专业、具有前沿科技问题解决能力的工程团队,同时与高校建立集成电路装备联合实验室,实现理论与工程实践能力优势互补。这支团队目前有40多人,平均年龄只有30多岁。在张学莹看来,欧美研发起步早、经验足,但他们的工程师平均年龄也大,缺乏活力,有些产品脱离了当前的市场需求;反观自身,年轻团队成长性很高,拼劲儿足,思维活泛,接受新知识也快。“其实很多科技问题并不能靠以往经验来解决的,很多时候,创造力比经验更重要。”他说。

清华、中科院用上物美价廉“国产货”

做科研,既离不开乐观主义精神和必胜的信念,也离不开艰苦奋斗、攻坚克难的韧劲。研发磁性芯片高端检测设备有多难?张学莹打比方说,就像眼前有一道大菜的照片,看不出里面具体有哪些食材,不知道这道菜是啥味道,也不晓得这道菜是怎么做出来的、火候掌握到啥程度……只知道这道菜很好吃。由于缺乏现成的参照样版,张学莹只能带领团队广泛调研,读很多文章,找很多材料,拼拼凑凑,反复做实验去验证,一点点摸索设备的工作原理。5+2,白+黑,整个团队都拼上了。

依托产学研协同合作优势,致真精密仪器在2020年研制出中国首款商用磁光克尔显微镜,分辨率达到300纳米。不同于只能看样品表面形貌的普通显微镜,磁光克尔显微镜可以清晰直观呈现样品内的磁化状态空间分布和时间演化,可用于检测磁性材质质量、辨识缺陷位置等,适用于磁性芯片等磁性材料器件的测试和产品研发。“以前没有磁光克尔显微镜的时候,芯片哪里出了问题只能‘盲猜’,利用物理学相关知识去一点点排查原因,有了这种显微镜就‘一目了然’了。”张学莹说。

张学莹团队研发的磁光克尔显微镜不仅打破了国外垄断,还做出了自身优势。以前的进口设备改装难,如今这种国产设备将光学、电学、磁学等技术集成在一台设备上,功能更加灵活多样,用户使用或改装起来更加方便。而且这种设备的售价只有进口设备的一半,真正做到了“物美价廉”。目前,该设备已经在清华大学、中国科学院物理所等几十家科研单位和企业装机使用。

测量仪商业样机上市,检测速度、精度实现反超

在攻克了主要用于磁性芯片研发环节的磁光克尔显微镜之后,致真精密仪器又向量产环节发力。2021年夏天,该公司研发出中国首台产业级晶圆磁光克尔测量仪的原理样机,打破了美国企业在该领域的垄断,为磁性芯片的批量快速检测提供了自主可控的设备支撑。

据介绍,磁性芯片在生产过程中,有一个非常难的环节就是把纳米尺度的磁性材料均匀地镀在8英寸或12英寸的硅片晶圆上,其难度就像在青岛的大地上均匀地铺满5层小米粒,一旦某个部位不平整,就会导致这块芯片无法使用。而产业级晶圆磁光克尔测量仪就是用于检测纳米磁性薄膜性质均匀性是否达标的高精度仪器,经第三方测评,这种仪器的检测速度和精度均优于国际水平。如今,产业级晶圆磁光克尔测量仪的商业样机已经推出,甫一上市,便有3家企业前来接洽。

在科研工作之外,张学莹还有一项重要工作是培养磁性芯片测试方面的人才。“这个领域的人才缺口太大了,我们自己团队的人都不够用。”他说,做芯片测试的硕士生还未毕业就会被相关高科技公司抢光。他希望培养更多的人才,这样才能在将来把磁性芯片研制全流程所需的各类检测设备都研发出来,真正完成芯片检测设备的国产化替代,实现国产化创造。(青岛日报/观海新闻记者 王沐源)

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