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为集成电路材料而创新——上海集成电路材料研究院
日期:2022-07-27 09:05:05    来源:

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        集成电路是信息技术产业的核心,是支撑经济社会发展、保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。所谓“一代材料、一代技术、一代产业”,处于制造业上游的集成电路材料,是推动制造技术进步的关键环节,在集成电路产业链的发展中居于战略核心位置。
       据统计,2021年全球集成电路材料市场总体规模再创历史新高,达到642.7亿美元,其中,中国大陆集成电路材料整体市场规模达119.3亿美元,继续稳居全球第二大材料消费地区。随着我国新建芯片生产线的产能释放,我国集成电路材料的市场需求还将持续增长。
       当今,集成电路制造技术升级越来越依赖于材料技术的底层突破,材料的每一次创新都是在为集成电路新结构、新器件的开发创造新的空间。与此同时,日韩贸易摩擦、瓦森纳协议扩大管制范围等事件也为我国集成电路产业敲响了警钟。作为集成电路产业的基石,如果材料不能自主可控,那么集成电路产业就无法实现高质量发展。
为加快集成电路材料创新,更好地发展我国集成电路材料产业,2020年6月,中国科学院上海微系统与信息技术研究所(以下简称“上海微系统所”)、上海硅产业集团股份有限公司(以下简称“硅产业集团”)共同发起成立上海集成电路材料研究院(以下简称“集材院”),致力于集成电路衬底材料、工艺材料的研发与产业化。集材院以产业需求为导向,通过企业联合研发、自主立项研发等模式探索可持续发展的技术研发新模式,为加快推动集成电路材料研发及产业化打造创新策源。
       答好企业提出的“真问题
       习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话中指出:“要发挥企业出题者作用,推进重点项目协同和研发活动一体化,加快构建龙头企业牵头、高校院所支撑、各创新主体相互协同的创新联合体,发展高效强大的共性技术供给体系,提高科技成果转移转化成效。”
上海集成电路材料研究院一直坚持以集成电路材料关键核心技术研发需求为导向,“研究真问题,形成真榜、实榜”。目前,已有不少“企业出题者”向集材院提出了“真问题”,集材院针对这些“真问题”积极开展研发与攻关。
例如研究300mm大硅片拉晶难点,联合中科院上海微系统所优化硅单晶生长设备的热场设计,改善晶体生长质量,提高晶体生长速度,缩短生产周期,降低生产成本;探究抛光垫、抛光液的材料性能以及抛光压力、抛光温度、抛光液流速等抛光工艺对大硅片平整度的影响,形成一整套集材料-工艺-设备于一体的大硅片抛光解决方案;利用研发新范式来提高材料研发效率,建立光刻材料基因组,以高通量材料制备平台、短流程器件工艺平台、高通量材料表征平台、材料性能数据库平台与材料模拟计算平台为支撑,与协作单位共同开展提升光刻材料研发、筛选、优化与应用效率的研究工作。
集材院“企业出题者”的运营模式使技术需求方、供应方围绕实际问题走到了一起,共同发力、协同攻关。在与企业合作过程中,集材院充分发挥平台功能,协同各创新主体,为集成电路材料产业解决真问题。
       努力解决产业共性需求
       当前,我国在集成电路材料研发中主要存在两方面的问题。一是行业标准缺失。集成电路芯片先进制造工艺有上千道工序,使用百余种基础通用材料。由于缺乏全面的评价体系,国产材料必须经过下游芯片厂商的严格测试和反复验证;二是缺乏测试应用认证。集成电路材料研发需要经历原材料研发、产品研发、应用研究、应用认证,研发周期至少3-5年。国内企业对集成电路材料性能和关联工艺研究缺乏,没有能够提供全面比测和数据分析的集成电路材料平台为企业服务。
       面对集成电路材料企业在研发标准与测试认证等方面的共性诉求,集材院已从三个方面入手开展相应工作。
       一是建设集成电路材料应用研发平台,为研发机构和企业提供材料表征测试解决方案,将工艺流程和材料研发结合解决集成电路材料产品应用场景缺失的问题,为材料企业加速材料开发提供技术支持。
       二是构建集成电路材料相关行业标准和评价体系。发挥集成电路材料应用研发平台优势,根据国内下游龙头芯片厂商的实际使用需求,依托集成电路材料行业现有的标准化产品,由平台通过大通量比对测试和分析,研究并确定材料关键性能的控制指标、分析测试指标、测试操作规范以及制备工艺标准,建立完整的评价体系。
       三是组建集成电路材料基因组技术创新平台。通过集成电路材料行业数据库,分析企业研发数据,构建材料机理和组分、工艺和集成条件、材料和芯片性能之间关系数据库和模型,设计并筛选新材料。通过共享资源降低研发成本,提高研发效率、缩短产品研发周期,加速国产集成电路材料创新和企业发展。 
       在成立的两年时间里,集材院围绕集成电路材料产业需求,逐步建立起集成电路材料应用研发平台与材料基因组技术创新平台,形成研发支撑能力,为行业解决共性问题。
       积极践行创新联合体路径
       在集材院成立之前,上海微系统所与硅产业集团在集成电路材料领域已取得一系列重要成果,并将集成电路材料作为未来重要的战略发展方向。
       中国科学院上海微系统与信息技术研究所是我国最早开展集成电路研究的科研机构之一,在国内率先开展300mm大硅片、SOI材料研究,并成功实现产业化。
       上海硅产业集团股份有限公司是由上海微系统所发起成立的,于2020年4月成功登陆科创板。自成立以来,上海硅产业集团承担多个国家科技重大专项,实现300mm大硅片从“0”到“1”的巨大突破,发展成为我国硅材料领域领军企业。
       为深化300mm大硅片的研发与创新,集材院成立后与上海微系统所、硅产业集团共同组建创新联合体,支撑大硅片的可持续发展,并先行开展平坦化项目。

       项目工作组平日里与合作企业通过邮件和电话保持沟通,常常半夜还在讨论技术难点,每周还要驱车往返数小时进行现场项目汇报。通过努力,集材院工作组收集大批量CMP来料片的数据,结合机器学习技术对其进行大数据处理,得到一套针对径向厚度变化的测试处理模型,目前已实现大硅片量测系统的部分核心功能,为CMP工艺各影响条件的精细化调整提供理论依据;并通过流场和抛光液研磨颗粒分布的分析仿真,为大硅片抛光材料的设计方案提供参考建议。
       成立两年来,集材院坚持以三位一体协同创新模式为基础,同时积极与企业、高校院所等各类创新机构沟通合作,力求通过开拓性的联合创新,破除技术孤岛,将科研成果应用至产业中去,打通科技成果转化的梗阻,使创新成果更快转化为现实生产力。
统筹兼顾产、学、研多元化创新
       高质量发展,很重要的一点就是创新驱动。对于较短时间内需要落地的跟随型国际先进技术,需要“产学研”模式,但原创技术,则更多地需要“学研产”,从源头基础做起。因此集材院在合作模式上也力求多元化创新,既有“产学研”,也有“学研产”,用“两条腿”稳步走路。
       面向企业研发需求,集材院与之合作开展共性技术或定制技术研发,并在合作企业推进产业化。例如共同解决300mm大硅片基础问题、加快光刻材料研发进程、联合开发应用于慢病检测生物芯片的纳米材料等。
       面向前沿材料技术,集材院与高校院所合作,以应用为导向开展研发,并加速转化实现产业化。在过去两年中,集材院联合中科院上海微系统所,启动了氮化铝薄膜材料基因组项目推动5G滤波器压电材料研发,开发了具有内嵌空腔的SOI衬底(VESOI)并成功应用于全包围环形栅(GAA)器件的制备。

       面向优质研发项目,集材院立项培育,产品技术研发成熟后孵化产品企业。例如,为了打破国内CMP抛光垫严重依赖进口的限制,集材院于2021年1月支持成立上海芯谦集成电路有限公司,生产集成电路各节点所需的各种晶圆制造抛光垫,用于集成电路晶圆的纳米级抛光。成立后,芯谦在厂房建设、团队组建、技术研发等各方面快速推进,目前首片CMP抛光垫已正式出样,计划今年年底在业务上取得突破,为我国CMP材料行业新增发展动力。

       着力创造材料不凡价值
       2014年,习近平总书记在考察上海时曾提出:“创新是引领发展的第一动力。抓创新就是抓发展,谋创新就是谋未来”。总书记的要求,为上海乃至全国创新指明了方向,更为集材院的发展指明了道路。
       从成立之初,集材院就积极响应创新的时代主旋律,紧跟上海加快向具有全球影响力的科技创新中心进军的步伐,确定了“为集成电路材料而创新”的企业使命和“建设成为具有全球影响力的集成电路材料创新平台”的企业愿景。
       集材院所坚持的创新,并非驰于空想,骛于虚声,而是以市场为导向,紧贴行业技术需求,做到求真求实。同时,创新要打开边界,打开思维,去除自我设限,勇于成为难题的终结者。因此,集材院提出了“解放思想,实事求是”、“与研发为伍,与创新同行”的价值观。
       除此之外,集材院还有这样一条特殊的价值观,即“不与高校争名,不与企业争利”,这与集材院的特殊定位息息相关。集材院既有别于高校和科研院所,也有别于企业的研发机构,它位于两者之间,致力于融通技术与市场两大板块,解决我国现存的科技与经济“两张皮”问题,为我国集成电路材料产业创新打造核心竞争力。
       无论是目标定位还是科研布局,集材院都做了规划,但如何更好地履行使命、实现愿景,最重要的还是人才。近些年,集材院一边积极招贤纳士,一边自主培养新生力量。对于年轻一代科研工作者,集材院希望在向着目标前进的过程中,这批年轻人可以作为主力军去完成对集成电路材料创新的追求,把创新的意识带给整个产业。
       2022年6月是上海集成电路材料研究院成立两周年之际,站在新起点,面向新发展,集材院对未来也有着更为长远的规划。首先是要继续把集材院的建设工作做好,提高研发和产业化能力;其次以市场化方式与企业合作研发,增强自我造血能力;再次是培养一批人才,打造一支创新能力强、业务精湛的科研团队。
       为集成电路材料而创新,前路很长,责任很重,但任重而道远者,不择地而息,这是集材院的选择,也是集材院的精神。
       集材院简介:
       上海集成电路材料研究院有限公司(以下简称“集材院”)成立于2020年6月8日,股东为上海新微科技集团有限公司、上海硅产业集团股份有限公司、上海嘉定工业区开发(集团)有限公司、上海国盛(集团)有限公司。
       集材院聚焦集成电路材料的研发与产业化,研发布局覆盖衬底材料及工艺材料,主攻300mm大硅片、新型SOI衬底、高端光刻胶、先进掩模版、先进抛光材料、高纯工艺化学品、高纯电子气体等方向,并以集成电路材料应用研发平台及集成电路材料基因组创新体系为支撑,加速集成电路材料研发和应用。
       成立两年来,集材院面向集成电路材料分析检测需求,联合行业优势企业、高校院所,共同建设开放性集成电路材料应用研发平台,努力打造成为材料研发至制造应用的直通车,加速集成电路材料应用。
       其中,集材院建设的集成电路材料应用实验室主要负责设计短流程工艺,对集成电路工艺材料提供应用研发环境;将工艺流程和材料研发结合,为材料企业加速材料开发提供技术支持;对特定的集成电路工艺材料,形成集材料-工艺-设备-测试于一体的整体解决方案。集成电路材料性能实验室主要负责提供全面、系统性的集成电路材料测试表征分析;针对集成电路材料的测试表征技术进行研究并确定关键性能的控制指标;建立集成电路材料分析测试及操作规范的行业标准。集成电路材料合成实验室主要负责开发合成技术和工艺,制备指定化学和拓扑结构材料;研发提纯工艺,建设提纯装置,进行化学品及材料的电子级提纯;开展高通量合成技术研究,为材料基因组研究提供实验数据。
       除此之外,集材院还搭建集成电路材料基因组创新体系,充分利用集成电路材料基因组研发手段,加速各种工艺材料与衬底材料的研发。集材院研制的高通量材料制备平台可快速制备多种材料试样,有效降低研究过程中的原材料消耗;短流程器件工艺平台可完成高通量材料工艺和集成,将材料的工艺和性质与器件的集成和性能关联;高通量材料表征平台可快速批量化表征,为建立材料性能图谱提供高通量数据;材料性能数据库平台可研究不同数据类型材料的采集、标注、入库及智能检索技术,形成集成电路材料数据库;材料模拟计算平台已经开发第一性原理、分子动力学及跨尺度计算等计算方法,并融入机器学习技术,形成了材料高通量计算能力。
       在专注于集成电路材料研发的同时,集材院还积极与企业、高校院所等各类创新机构沟通合作,加强跨地域、跨机构、全产业链协同创新,并坚持科技创新与机制创新双轮驱动,加快推动技术创新及产业化,为集成电路材料发展提供坚实的创新策源。
       目前,集材院已发展至80多人,团队由高水平专家领导,青年科研工作者为骨干,形成了一支青春洋溢却实力雄厚的科研队伍。



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