芯片是微電子科技和產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的核心要素，小到手機(jī)，大到計(jì)算機(jī)，都是由集成電路上的芯片驅(qū)動(dòng)的。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，芯片集成的功能越來(lái)越多，一塊指甲蓋大小的芯片上有上百億個(gè)元器件在運(yùn)轉(zhuǎn)。而目前世界95%以上的芯片是由硅材料制作的。可以這么說(shuō)，沒(méi)有好的硅片，就沒(méi)有好的芯片。
“如果把芯片比作一件家具的話，硅材料就是做家具的木頭。木頭的好壞直接決定了家具的好壞。硅材料是芯片研制的基礎(chǔ)，也是我國(guó)趕超國(guó)際先進(jìn)水平的重要領(lǐng)域?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、浙江大學(xué)硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任楊德仁這樣打了一個(gè)比方。他認(rèn)為，目前硅材料很“熱”，但研究需要“冷”思考，要找準(zhǔn)要點(diǎn)、難點(diǎn)、痛點(diǎn)，在原始創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展兩方面科學(xué)布局，集中攻關(guān)，促進(jìn)中國(guó)芯片的快速發(fā)展。
一代材料決定一代器件 如何產(chǎn)業(yè)化是瓶頸
硅，雖然沒(méi)有純?cè)卮嬖谟诘厍?，但卻含量豐富。硅材料，無(wú)毒、對(duì)環(huán)境友好，相對(duì)制備成本低?！拔㈦娮有袠I(yè)的技術(shù)進(jìn)步，如果沒(méi)有好的硅片是無(wú)法推動(dòng)的。”
當(dāng)前，隨著芯片要求的不斷提升，硅片的研發(fā)制造越發(fā)體現(xiàn)出高精尖的特點(diǎn)，而且，為了減少耗材、降低成本，硅片也越做越大，更大尺寸的硅片一直是行業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。
楊德仁說(shuō)，對(duì)于芯片領(lǐng)域的硅材料，我國(guó)在基礎(chǔ)研究上已經(jīng)能夠與世界先進(jìn)水平平等對(duì)話，但是在產(chǎn)業(yè)化上與國(guó)外還是有很大的距離。雖然在8英寸這個(gè)級(jí)別上，國(guó)產(chǎn)硅片已經(jīng)占到了15%左右的市場(chǎng)份額，但是在目前代表行業(yè)領(lǐng)先水平的12英寸硅片上，還是依賴進(jìn)口。
其實(shí)，楊德仁帶領(lǐng)的浙江大學(xué)硅材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)早在2003年，在國(guó)家“863”項(xiàng)目的支持下，和企業(yè)（浙江金瑞泓）合作就已經(jīng)研制出12英寸的硅片樣品，然而直到今天，依靠自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的12英寸硅片還沒(méi)有正式進(jìn)入國(guó)內(nèi)外芯片市場(chǎng)。
產(chǎn)業(yè)化的難度在哪里？
楊德仁表示，一是行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)大。縱觀微電子發(fā)展的60年，數(shù)百個(gè)的硅片制造企業(yè)被淘汰、兼并，目前世界上五家最大的硅片企業(yè)控制著全球98%的12英寸硅片的市場(chǎng)份額，可以說(shuō)“蛋糕已經(jīng)分好”，新的企業(yè)投資巨大又要從零追趕，困難極大。二是另起爐灶難。硅芯片制造周期在三四個(gè)月左右，一旦出現(xiàn)失誤，不僅是成本的浪費(fèi)，更是產(chǎn)品制造周期的延長(zhǎng)，芯片企業(yè)往往不會(huì)輕易選擇一家陌生的硅片制造商來(lái)作為新的合作伙伴。三是技術(shù)門(mén)檻高。作為高技術(shù)難度的行業(yè)，每一次芯片技術(shù)迭代都是精細(xì)化的一次超越，需要投入上百億元的資金，而且對(duì)硅片提出了更高的技術(shù)要求。
楊德仁說(shuō)，根據(jù)估算，一條月產(chǎn)量10萬(wàn)片的硅片生產(chǎn)線，需要投入大約25億元，而且最初的5年可能都難以盈利，正因如此，民營(yíng)企業(yè)不太愿意涉足這個(gè)領(lǐng)域，“不過(guò)自從中興事件后，芯片行業(yè)變得熱門(mén)起來(lái)，而且硅片也曾出現(xiàn)了暫時(shí)的短缺現(xiàn)象，很多地方都在投資建設(shè)?！痹谒磥?lái)，國(guó)內(nèi)在硅片領(lǐng)域的投資已經(jīng)出現(xiàn)了過(guò)度趨向，“很多地方分散做，資金、技術(shù)和人才都分散了，不如集中力量辦大事。我建議要充分發(fā)揮國(guó)家體制優(yōu)勢(shì)，從頂層來(lái)規(guī)劃戰(zhàn)略發(fā)展方向，設(shè)立一個(gè)研究院來(lái)解決共性的技術(shù)問(wèn)題，企業(yè)再跟上進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?！?/span>
硅材料制備難 背后的人才問(wèn)題更關(guān)鍵
硅材料的生產(chǎn)過(guò)程究竟高精尖到了何種程度呢？楊德仁表示，這一路都是重重險(xiǎn)關(guān)。舉個(gè)具體的例子，“比如，硅片原料的純度要求，是在一千億個(gè)硅原子里只能有1個(gè)其他原子；硅片表面的加工高差要求小于200納米，也就是數(shù)百個(gè)硅原子的‘高度’?！睏畹氯收f(shuō)，這不僅要求技術(shù)本身過(guò)硬，也對(duì)制造加工的設(shè)備提出了高要求。
那是不是我們有了先進(jìn)的設(shè)備，就能制造出好的硅片呢？“也未必，這背后其實(shí)是人才的問(wèn)題。而人才問(wèn)題的根本解決之道是要我們自己培養(yǎng)出一流的人才。”
在一代代科研人員的共同努力下，浙江大學(xué)硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在硅材料領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。
已故的闕端麟院士是我國(guó)半導(dǎo)體材料研究的先行者之一，在上世紀(jì)50年代初就開(kāi)始在浙江大學(xué)從事半導(dǎo)體材料的研究，50年代末期他集中做硅材料研究，并且十分注重人才的培養(yǎng)。浙江大學(xué)是我國(guó)第一批半導(dǎo)體材料工學(xué)的碩士點(diǎn)、第一個(gè)半導(dǎo)體材料工學(xué)博士點(diǎn)、第一個(gè)半導(dǎo)體材料博士后流動(dòng)站，也是我國(guó)最早的半導(dǎo)體材料重點(diǎn)學(xué)科。楊德仁本人就是我國(guó)第一位自行培養(yǎng)的半導(dǎo)體硅材料博士。
利用氮保護(hù)氣生長(zhǎng)直拉硅單晶，應(yīng)用在電子產(chǎn)業(yè)，是闕端麟院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在上世紀(jì)80年代在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)的突破，并且在1989年獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。但是，氮原子進(jìn)入硅晶體，是否影響了硅晶體、硅芯片的性能？楊德仁帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在闕院士的支持下，長(zhǎng)期從事硅晶體中氮相關(guān)缺陷的性質(zhì)，解決了它在硅芯片中應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)、技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)硅晶體研制中摻入氮元素、“以毒攻毒”的方式制備更好質(zhì)量的硅晶體，目前，摻氮硅晶體已經(jīng)在全球主要硅片企業(yè)（占硅片市場(chǎng)95%以上）大規(guī)模生產(chǎn)。2005年，“摻氮直拉硅單晶氮及相關(guān)缺陷的研究”項(xiàng)目獲得了國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。為了研究硅材料在將來(lái)芯片中的應(yīng)用，2000年，楊德仁團(tuán)隊(duì)又開(kāi)始了以硅為核心的納米半導(dǎo)體材料的研究，在國(guó)際上首先制備出了納米硅管和納米硒管，并提出了兩種新的制備氧化物和硫化物一維納米半導(dǎo)體材料的普適方法及其機(jī)理，項(xiàng)目獲得了2013年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
“我的導(dǎo)師闕端麟院士和同事們創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)室之初，就想著研究一定要對(duì)國(guó)家的半導(dǎo)體硅材料產(chǎn)業(yè)以及信息產(chǎn)業(yè)有促進(jìn)作用，這個(gè)信念一直沒(méi)變。我也希望自己的研究能部分地解決國(guó)家的重大需求。”
楊德仁說(shuō)，浙大硅材料領(lǐng)域取得的成績(jī)是屬于團(tuán)隊(duì)集體的成績(jī)，正所謂一個(gè)好漢三個(gè)幫。目前團(tuán)隊(duì)擁有10多位教師、五六十名學(xué)生，獲批國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體，同時(shí)也是科技部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。
積累原始創(chuàng)新 在前沿領(lǐng)域與國(guó)際同行一較高下
浙江大學(xué)硅材料的主攻方向有4個(gè)，即微電子、太陽(yáng)能光伏、硅基光電子和納米硅。
楊德仁介紹，硅材料除了用作芯片外，還有一個(gè)重要應(yīng)用就是太陽(yáng)能光伏。“目前，我國(guó)在太陽(yáng)能光伏領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研已經(jīng)走到了國(guó)際領(lǐng)先水平?！睏畹氯收f(shuō)，這樣的好態(tài)勢(shì)也是通過(guò)不斷研發(fā)新技術(shù)、推動(dòng)技術(shù)轉(zhuǎn)化而得來(lái)的。
這個(gè)經(jīng)歷，讓楊德仁對(duì)于我國(guó)芯片領(lǐng)域硅材料趕超世界先進(jìn)水平有了更大的信心。目前他與團(tuán)隊(duì)正在集中精力做兩件大事。一個(gè)是與產(chǎn)學(xué)研基地金瑞泓微電子（衢州）有限公司共同合作研究，加快推進(jìn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的12英寸硅片產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)研制摻氮、摻鍺等特色硅片。另一個(gè)則是基礎(chǔ)研究，希望在硅基光電子有原始創(chuàng)新突破。
硅基光電子顧名思義就是光子取代電子在硅材料上奔跑。那為什么要從電子轉(zhuǎn)向光子呢？
這不僅僅是因?yàn)樵诠杈w中光子的傳輸速度是電子的1000倍以上。隨著性能要求的提升，芯片特征線寬的的距離在不斷縮小。目前國(guó)際領(lǐng)先的芯片特征線寬是7個(gè)納米，而正在開(kāi)發(fā)的是2個(gè)納米，也就是大約7個(gè)硅原子的距離。距離小，新的問(wèn)題就冒出來(lái)了。一是指甲這么大的芯片有100億個(gè)元器件，高耗能的直接后果就是溫度高，影響質(zhì)量。二是距離太小后，原本絕緣的“墻壁”薄如紙片，電子很容易“穿墻而過(guò)”，產(chǎn)生量子隧穿效應(yīng)，讓器件失效。
為此科研人員就想讓光子先跑一段，再讓電子跑。在這個(gè)研究方面，楊德仁帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外同行一起攻關(guān)，他本人就是兩個(gè)973項(xiàng)目的首席專(zhuān)家。
這幾天，楊德仁和團(tuán)隊(duì)成員正在編制一個(gè)關(guān)于硅基光電子的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的實(shí)施方案，計(jì)劃不久后正式啟動(dòng)，“如果在這一前沿領(lǐng)域有所突破，就有望讓全新的硅基光電子芯片成為現(xiàn)實(shí)。這是一個(gè)全世界都在競(jìng)爭(zhēng)的前沿領(lǐng)域，相信我和團(tuán)隊(duì)成員能夠在理論研究上做出更多貢獻(xiàn)?！?/p>
不過(guò)，高新技術(shù)的研究不是努力一下就能上去，需要長(zhǎng)時(shí)間的原始積累。楊德仁希望國(guó)家能加大基礎(chǔ)研究，多為20年以后的發(fā)展做考慮，同時(shí)發(fā)揮體制優(yōu)勢(shì)加強(qiáng)人才培養(yǎng)?！昂芏唷ú弊印夹g(shù)問(wèn)題，都跟對(duì)相關(guān)材料研究的滯后有關(guān)，要解決這些問(wèn)題，需要我們秉持久久為功、利在長(zhǎng)遠(yuǎn)的耐心和耐力。”
（文 盧軍霞 吳雅蘭 柯溢能/攝影 盧紹慶 ）
