上海微系统所迈开SOI技术产业化大步

SOI是“Silicon-on-insulator”的简称,中文译为“绝缘体上的硅”。国际上公认,SOI是21世纪的微电子新技术之一和新一代的硅基材料,无论在低压、低功耗电路、耐高温电路、微机械传感器、光电集成等方面,都具有重要应用。上世纪90年代末,IBM大规模开展SOI技术的民用化,SOI被广泛用于超速计算机服务器中,同时带动国际上一批著名的跨国公司进入这项技术的开发。上海微系统所早在20世纪80年代初就已经开始SOI技术研究,这里的基础研究水平始终处于世界先进地位。90年代中后期,所里就有了一些这方面的专利,但研究重点主要针对航天、军工等,所以SOI技术也始终停留在论文水平。加上实验室条件比较差,10多年的研究成果被束之高阁,中国始终没有制备出可以真正投入使用的SOI产品。中国的战略科学家们看到:此时加大我国SOI技术的应用研究力度进而实现产业化和商业化的任务迫在眉睫。1998年12月,上海微系统所首批进入中国科学院知识创新工程试点序列,明确了以国家需求为导向,从尊重知识,善用人才开始,揭开了调整,改革的序幕。经过3年的努力,于2002年开始商业化生产SOI晶圆片,迈开SOI技术产业化大步。

改革迫在眉睫

中国科学院上海微系统与信息技术研究所原名中国科学院上海冶金研究所。是一家历史悠久,成果累累的著名研究机构。其前身是1929年成立的原中央研究院工学研究所。在1949年改名为中国科学院工学实验馆,1953年改称中国科学院冶金陶瓷研究所,1970年起改名中国科学院上海冶金研究所。2001年8月,根据研究所近年来科研领域的变迁和科技发展战略目标的调整,将所名更改为中国科学院上海微系统与信息技术研究所(简称上海微系统所)。该所自新中国成立以来累计已获得部级奖励50余项、部委省市级奖励330余项。该所于50年代在国内率先研制成功球墨铸铁,并成功解决了包头高含氟铁矿的冶炼和稀土元素回收问题;60年代初研制成功用于浓缩铀235的关键部件“甲种分离膜”,该项目负责人吴自良院士为此被评为“两弹一星”功臣之一;60年代以后,本所又在国内率先建立了超纯金属和III-V族化合物半导体材料研究基地,发展了微电子和集成电路制造技术,与工业部门合作研制出PN结隔离集成电路、ECL高速电路、8位、16位微处理器等微电子器件;80年代中期利用微电子技术基础开展了微电子机械系统(MEMS)和SOI材料的研究;90年代末和20世纪初开展了低轨卫星通信技术、无线传感器网络和新一代移动通信技术的研究,在科学研究方面可以说是成果累累。但是限于体制,和条件,大多数成果保持在论文的水品,即使有少数产品出现,也未能实现产业化。

以SOI项目为例,上海微系统所早在20世纪80年代初就已经开始SOI技术研究,这里的基础研究水平始终处于世界先进地位。90年代中后期,所里在这方面就有了一批专利,但研究重点主要针对航天、军工。总体说来, SOI技术仍然停留在论文水平。加上实验室条件比较差,始终没有制备出产业化,商品化的SOI产品。此时加大我国SOI技术的应用研究力度,进而实现工业化和商业化的任务可以说是迫在眉睫。1998年,时任中科院上海冶金所所长的高瞻远瞩,慧眼识人才,看好了回国不久的王曦,任命他担任离子束重点实验室主任,并同时担任SOI项目的负责人。

知人善用

王曦江苏南通人,出生在上海。1983年从江苏南通考入清华大学,用4年的时间完成了5年才能完成的学业,1987年被保送到中科院上海冶金所(上海微系统所前身)读研。先后获得硕士,博士学位。王曦的主攻方向是离子注入,从大学时期开始至今,他始终在离子注入领域耕耘不辍。1996年作为洪堡学者,王曦在德国罗森多夫研究中心接触到了世界上最先进的离子注入技术。1998年,作为“洪堡学者”的王曦,结束了在欧洲最大的离子束材料研究基地的工作回国。在“高端硅基SOI材料”制备中,离子注入是制备SOI材料的主要工具和手段。因此,王曦能够得心应手地把它应用在SOI的材料制备上。

国际上公认,SOI是21世纪的微电子新技术之一和新一代的硅基材料,无论在高速电路,低压、低功耗电路、耐高温电路、微机械传感器、光电集成等方面,都具有重要的应用潜力。普遍认为SOI技术与应变硅技术,是纳米技术时代取代现有单晶硅材料的两大解决方案,是维持Moore定律继续发展的重要手段。随着高端微处理器、游戏机芯片制程对SOI技术需求愈来愈迫切,SOI已成各大晶圆代工厂赢得核心客户青睐的武器。其中绝大多数用户为尖端微电子技术的引导者,如IBM,AMD等。开始时其主要驱动力来自于高速、低功耗SOI电路,特别是微处理器(CPU)应用,技术含量高,附加值大。随后,SOI材料在民用设备中的应用越来越多,任天堂Wii、索尼计算机娱乐PS3、美国微软Xbox360等3款最新游戏机全部配备了采用SOI材料的处理器。现SOI材料约占全部LSI半导体材料的10%。主要供应商为法国Soitec、日本信越(SEH)、日本SUMCO,其中前两家供应了约90%的产品。预计,SOI还有望应用于数码相机、平板电视和汽车等使用的处理器和SoC上。早期SOI就曾经应用在航空航天和军事领域.现在更拓展到功率和灵巧器件以及MEMS应用,特别是在汽车电子、显示、无线通信等方面发展迅速。由于电源的控制与转换、汽车电子以及消费性功率器件方面对恶劣环境、高温、大电流、高功耗方面的要求,使得其在可靠性方面的严格要求不得不采用SOI器件。

为了满足SOI的特殊应用的要求,近些年来还研发了多种SOI新材料,其中包括高阻SOI、混合取向SOI和超薄埋层和非SiO2埋层SOI。

高阻SOI。射频SoC器件要求高阻SOI衬底。高阻SOI技术可提供完全的氧化物隔离,切断衬底注入噪声的直接通道。高电阻率衬底可降低电容耦合,进一步减小与衬底相关的各种射频损耗。与体硅晶圆相比,闭锁效应就不再成为问题。高阻(HR)衬底将极大地改善无源元件的性能。高阻SOI衬底在与射频电路、压控振荡器(VCO)和低噪声放大器(LNA)等合成时还可进一步突出模拟/数字混合电路的这些优势,使它们在工作期间具有更高、更稳的性能以适应各种工艺的变化和扰动效应。

混合取向SOI。(110)衬底上的空穴迁移率大约是(100)衬底上的两倍,在混合取向的复合型SOI中,制造复合衬底时分别将(110)和(100)晶体取向区作为p沟和n沟。衬底制作采用了将(110)硅层转移到(100)加工晶圆上的方法。在(110)上生长(100)膜是混合衬底的另一个应用。

非SiO2埋层SOI。SiO2埋层(BOX)的热导率约比硅低100倍之多。因此,SOI中的局部自热就成为设计的一个重要问题。一种简便的办法就是对BOX的厚度进行等比缩小。同时,也提出用高热导率材料作埋层的方案。目前已证实,氮化物/氧化物复合埋层是提高衬底热导率的一种有效方法。中科院上海微系统所已成功研制了多种新埋层SOI结构,其埋层材料包括AlN、Al2O3、DLC等,计算机模拟结果表明这些材料可以有效克服器件的自热效应。

1998年12月,上海微系统所首批进入中国科学院知识创新工程试点序列,明确了以国家需求为导向,围绕“电子科学与技术”、“信息与通信工程”两大学科发展。于是,加速了SOI技术产业化的进程。

从出论文到出产品,三年扭转局面

早在20世纪80年代初上海冶金研究所的SOI技术研究,就已经处于先进地位。王曦说,他本科毕业刚进研究所时,所里就有了一些这方面的专利,但研究重点主要针对航天、军工,加上实验室条件比较差,SOI技术长期停留在论文水平,始终没有制备出可以大批量投入使用的产品。

1998年到2001年,是SOI研究一步一步跨出以论文为最终目标、走出实验室的攻关阶段。这段路程,王曦他们走得异常艰辛。从这年起,王曦带领着自己新组建的团队开始攻关。回忆起那段日子,他笑着说那时年轻气盛“胆子比较大”,没有太多顾虑,加上中科院知识创新工程的支持,他马上就着手买设备、改造实验室。因为工艺时间比较长,为了尽快出成果,完全采用了工程化管理,每个阶段都设定了指标,那段时间王曦和同事们经常通宵在实验室加班。

王曦回忆说,刚开始所里虽有一些技术,但并不完全成熟。最初做出来的SOI硅片,上面有许多如麻点一般的瑕疵。在3年的时间里,他们完成了SOI材料技术的工程化研究,麻点不见了,取而代之的是一个个光润无瑕、晶莹透剔的圆片。王曦把它叫做“三明治”:第一层就是硅,第二层是二氧化硅,第三层还是硅。“通俗来说,我们的技术就是把二氧化硅嵌入在里面。”王曦介绍说,“就像三明治一样把‘馅’嵌进去,但是‘嵌馅’是非常困难的一件事情,这是个纳米尺度下的原子组装过程。”

在“863”、“973”等计划支持下,王曦运用他专长的“离子注入技术”,在对离子注入SOI合成过程中的物理和化学过程研究基础上,自主开发了一系列将SOI材料技术产业化的关键技术,建立了我国SOI材料研发和生产基地。在载能离子束与固体相互作用以及离子束辅助薄膜沉积技术研究方面,揭示了载能离子作用下薄膜表面微结构、相组分、电子学、光学、生物学特性,实现了载能离子束薄膜生长的可控制性。在关键技术上取得一系列重大创新,申请国家发明专利32项,并已获授权16项。

这样一个硅晶圆片卖价是250美金,而他们的原材料价格仅为20美金。高技术创造了高附加值,实现了十几倍的利润。2002年中国第一批商业化生产的SOI圆片问世,使美国硅谷微电子产业界感到惊奇。

从“技术为上”到“市场为先”

2001年7月25日,上海微系统所又再度迈出改革步伐,领衔发起成立企业化公司。他们联合北京盈富泰克投资发展有限公司和上海中科高科技工业园发展有限公司等,成立了上海新傲科技有限公司。微系统所除了将自己近20年积累的具有自主知识产权的SOI专有技术投入以外,研究所SOI课题组主要技术骨干全部进入该公司。王曦,俞跃辉,张苗,张峰,陈猛,李炜等青年博士决心集体创业,坚决走产业化的艰辛道路。

从科学家到企业家,要从“技术为上”转换为“市场为先”,王曦经历的“蜕变”,验证了这个说法。“当时只是朦胧地感觉到,我们的产品会有市场,却不知道市场究竟如何,也不知道具体市场在哪里。”王曦说,“很多科研院所人员办企业,最终就栽在市场判断上。”1998年IBM突破了SOI技术的民用大门,许多人觉得好像整个市场应该很好了。实际上,全世界市场很好,不等于中国市场很好;中国市场很好,不等于中国公司拥有的市场很好,这里面有着巨大差别。”王曦说。

王曦的“蜕变”过程是相对短暂的。他只用了最初的一年多,就“缓过劲来”。这得益于现在是中科院副院长的,当初他对王曦彻底的“洗脑”――上海方言是“打脑子”。

刚回国时,王曦还没有摆脱浓重的“基础研究情结”,晓之以理动之以情。他耐心地教导说:“根据中科院在国家创新体系中的定位,以及研究所未来发展的定位,首先是要做满足国家战略需求的事情;现在开展SOI基础研究工作,必须考虑到今后的工程化和产业化,所以,仅仅爱好SOI的纯基础研究还不行。如果你个人的爱好仅仅是作自由探索的基础研究,可能去高校当教授更合适”。

“这句话让我印象很深刻,后来确实不断地在按照他的思路走。”王曦后来回忆说,“现在我们所里流传着他的一句话,叫做‘顶天立地’:‘顶天’就是在基础研究方面非常杰出,‘立地’就是能够把产品的产业化做得好。这句话我受用终身。”

回想创业初期,王曦不仅承担技术研发的重任,还挑起企业运作的担子。从资金、设备到经营、管理,一切从头开始、白手起家。除了对市场缺乏全面的认识,企业还遇到了很多意想不到的困难:大型设备一时难以到位,资金难以维持企业正常运行……“当时去找银行谈都没有人愿意谈。”

如今,经过 7年的努力,名不见经传的新傲公司已经发展成为目前国际屈指可数的SOI生产基地之一,不仅拥有国内唯一的SOI生产线,而且总资产也由7年前的1300万元,发展到已经超过3亿元。

美国硅谷的《半导体商业新闻》对上海新傲公司的出现表示惊讶,它报道说:“像在一夜间,中国就“突然”冒出了一个现代化的高端集成电路硅基片企业”。

谁说SOI的产业化离我们还很遥远?中科院微系统研究所开展科研目标凝练,实施知识创新工程10年,现实证明了决策者当年选择SOI的远见和卓识。王曦负责并领衔的“高端硅基SOI材料研发和产业化”项目,2006年获国家科技进步奖一等奖。

王曦认为自己有两件事情非常关键:一件是10年前选择了回国,另一件是7年前选择了创业新傲。王曦由于长期致力于载能离子束与固体相互作用物理现象研究,并将研究成果应用于电子材料SOI(Silicon-on-insulator)的开发。曾获得何梁何利基金科学与技术进步奖。

2009年,刚过不惑之年的王曦,以“一次性评选过关”成为“本届最年轻的院士”。很多人眼中,科学家和企业家之间似乎不搭界,而王曦却能在二者之间游弋自如。在王曦看来,产业化也是科学家必须为之奋斗的事。他认为:“实验室里的成功,和一项技术的圆满完成之间不能画等号。真正的高科技项目要实现产业化,没有科学家参与是不行的。”

从“居危思危”到“居安思危”

2008年新傲公司再次作出一个重要决定:新购置87亩地,用以建设两家工厂。2009年1月3日,新傲公司北区产业园已举行了开工仪式。王曦表示,公司的目标是建成亚洲除日本以外的第一大外延加工厂,同时为承接国家中长期科技发展规划中的集成电路重大专项SOI项目作好准备。通过这个“为凤凰筑巢”的动作,以及下一步的上市募集资金,将公司发展成为在亚太地区具有竞争力的高端集成电路材料供应商。

王曦深深地感到任务的艰巨和责任的重大。“居危思危、居安思危”,这是王曦谈到行业前景时常常说的一句话。他总想提醒大家,中国跟世界顶尖水平还有差距――实现零的突破只是第一步,世界顶级才是应该瞄准的理想境界。

2007年1月,王曦出任中科院上海微系统所党委书记,兼新傲公司董事长,他的主要精力也转到了研究所的未来发展上。王曦对记者说:“我们研究所面向国家战略需求,面向世界科学前沿,就是要培植出更多像新傲这样的高技术公司!”

目前全所共有6个研究室:传感技术联合国家重点实验室/微系统技术部级重点实验室、信息功能材料国家重点实验室、半导体功能薄膜工程研发中心/纳米技术实验室、微系统信息网研发中心、能源科学与技术研究室、宽带无线移动通信研究室;六个与地方共建的中心:上海微小卫星工程中心、上海无线通信研究中心、中国科学院嘉兴无线传感网工程中心、中国科学院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心、中国科学院南京宽带无线移动通信研究中心、中科院杭州射频识别技术研发中心。上海微系统所拥有硅MEMS加工和封装、化合物半导体材料MBE生长和半导体器件研制、微系统网络设计和测试等技术平台、以及微系统、微结构器件、半导体微结构材料的研究设备和研究能力。全所现有在职职工716名,其中科研、管理和支撑技术人员581名,有中国科学院院士2名,中国工程院院士1名,美国国家科学院外籍院士1名,正副研究员133名。此外,全所有370名在读研究生和27名博士后。封松林研究员任。王曦研究员任党委书记、常务副所长。

2010年7月22日在中国科学院副院长教授的带领下,由所长封松林、党委书记、常务副所长王曦等组成的中国代表团一行五人访问了德国Juelich研究中心。双方签署了建立联合研究实验室的谅解备忘录。备忘录中明确了该实验室将侧重于从事超导研究和生物电子学的研究。随着Juelich研究中心生物和纳米系统研究所与上海微系统所可持续合作的推进,将带动合作双方更多的联合研究项目。作为一项载体,双方将以实验室为平台,建立两个共同研究的课题和研究人员互访及学生交流的机制。这不过是所里紧张开展着的各项工作中的一项。预期上海微系统所将在调整,改革,创新的大道上继续做贡献。 (沪生综合报道)