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      宋健民博士:科研產業化需要專利策略思維

      關鍵詞 專利策略 , 宋健民|2022-07-14 08:47:37|專訪專區|來源 Carbontech
      摘要 “中國需要終極半導體!在芯片領域我國如果要大幅超越美國就必須搶先發展鉆石晶圓?!彼谓∶癫┦吭谘葜v報告中這樣說。目前,宋健民博士憑借其數十年的鉆石經驗帶領團隊研發,朝著鉆石芯片工業...

             “中國需要終極半導體!在芯片領域我國如果要大幅超越美國就必須搶先發展鉆石晶圓?!?a href='/news/search/key/%25E5%25AE%258B%25E5%2581%25A5%25E6%25B0%2591.html' target='_blank'>宋健民博士曾在演講報告中這樣說。目前,宋健民博士憑借其數十年的鉆石經驗帶領團隊研發,朝著鉆石芯片工業化生產這一目標而奮斗?!禖arbontech Magazine》特邀宋健民博士就我國金剛石行業現狀、鉆石晶圓關鍵技術及專利策略等問題展開深度探討。

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             宋健民,1976 年美國麻省理工學院(MIT)博士。1976-1984 負責通用電氣公司(GE)美國及歐洲工業鉆石的生產技術。全球的制造技術1984-1990 負責美國 Norton 的研發并成立當年世界最大的鉆石膜公司(Norton Diamond Film)。1990-1994 全廠技術轉移韓國日進(ILJIN)使其成為亞洲最大鉆石生產公司。1994-2019 轉型中國臺灣的中國砂輪公司使其成為世界最大的鉆世碟生產公司。宋博士中請過上千項國際專利,授權美國 3M,日本東名,韓國 EHWA,中國黃河集團,臺灣錸德科技…等十幾家公司。

             請您給我們介紹下目前金剛石產業發展狀況如何?

             “大材小用”是目前金剛石行業的現狀?,F在充分利用到的只是將其作為超硬材料的物理機械性能,例如做成超級磨料、切削工具、石油鉆頭、抽線眼模等。但相比于其他材料,金剛石有著獨特的魅力和非凡的能力,幾乎在每個領域都能看到它的身影,尤其軍工方面。傳統材料不能勝任解決問題,金剛石都占有一席之地,例如終極半導體,生物基因晶片,超級量子電腦等。舉一個普通的例子。海水淡化技術。目前主流應用是反滲透法,但這個方法必須重復過濾,每次出水濾不到三成。也有用電解法的,出水濾超過九成,但電解電壓小,出水量反而太小。若以熱絲氣相法生長超過一米的含硼金剛石電極,也就是我們常說的 BDD 電極,就可以完美解決這一問題。BDD 電極,被認為是最好的電極材料,具有非常寬的電化學電勢窗口和較小的背景電流,加上金剛石良好的化學惰性等特點,具有強耐腐蝕性,它可以用在廢水處理、海水淡化等等場景。這僅僅是電學應用,目前金剛石的熱學,光學,生物科技……等性能的產業應用都還沒起步。

             目前,如果說現代信息時代的科技原動力是建立在“摩爾定律”的基礎上,也就是硅基時代,那么延續或重塑未來科技輝煌的就是鉆石時代。在元素周期表中,硅和碳是同一主族元素,只是原子大小之差,硅原子和碳原子在性質上有很多相似性,硅能做的事,鉆石都可以做,甚至超越原有性能的 10 倍以上。換個角度,硅可以看作大原子或松散的鉆石。鉆石時代的到來,也就是人類文明的巔峰時期?,F在,只是在萌芽階段,有零零星星的個案,像培育鉆石等應用,但是真正的令人稱贊的產品還沒開始??傊?,人造金剛石作為珠寶的發展空間可以預見。然而,它的科技應用發展無限且需求可觀。從長遠眼光看,人造金剛石行業要想穩定發展,必須開發成為一種生活、生產的必需品,最終應用在傳統工業及高科技領域。只有盡力開發它的使用價值才能最大范圍的發揮它的各項優異性能。

             另外,隨著金剛石合成技術的進一步發展,其重要性已經被一些媒體上升到了“國家戰略”的高度。在天然鉆石日益稀缺、大小及性質受限的今天,人造金剛石行業或將扛起這面戰略大旗。其中“如何快速生長優質大顆粒金剛石”是關鍵問題?,F在,國內擁有幾千臺六面頂壓機,當然也很多人做 CVD 的生長技術。在此,我想提出一個思考問題:理論上,如果在平衡狀態下生產鉆石,也就是高溫高壓法,它的生長速率是每小時一毫米。如果用 CVD 法,也就是介穩態生長,從石墨變成金剛石,需要大量解離的氫原子,在這種情況下速率大概是每小時 10 微米左右。所以兩種方式的差距是 100 倍!但是,不管哪種方法,理論上都可以長八英寸大的晶圓。舉個例子,按照一小時一毫米來算,長四寸晶圓,一公分高的鉆石只需要十小時。單純看這個數據沒啥概念,換成克拉,那就是 1400 克拉!但現實卻差距很大,目前大概只能長到一兩百克拉,而且不是單晶,只是粉末,然后燒結成 PCD?,F實條件為什么長不出晶圓級大單晶?這主要是源于國內受到六面頂結構的這種思想框架的影響,在生長金剛石時的時候,壓力降低的時候,頂錘會隨之進入,壓縮密封圈,密封圈被壓死,所以生產金剛石的量并不是受限于腔體的大小,而是受限于葉臘石的密封圈的可壓縮率。以前我在 GE 采用的是兩面頂設備,兩面頂的頂錘角度小很多,密封圈可以厚很多,合成棒的長度比直徑大三倍,而六面頂合成棒的長度卻比直徑小。當然,我國金剛石行業占全世界的 90% 多的這個超級規模的量,這是非常成功的,但是未來技術方面仍需要不斷改進。

             所以我有個計劃,想多方合作生長鉆石晶圓,目標是一天內要長出超過 1000 克拉的高品質材料,可以制造鉆石圓餅或多片鉆石晶圓。目前來看,CVD 法會受到物理規律的限制,是不可能實現這種突破的。這是我的一個設想,拋磚引玉,提出來大家一起思考。所以,國內生長金剛石的技術上還有非常大的成長空間。

             請您分析下我國金剛石行業在國際上的優勢與差距。

             優勢就是量。我國每年生產的金剛石有四五千公噸,一公噸 500 萬克拉,這么龐大的量,以前是不敢想象。但是主要用在了傳統的機械用途,例如,修橋鋪路、鉆洞、研磨玻璃等,毛利極其低。而超過機械范圍以外的其他用途無人問津。舉個例子,金剛石半導體領域,國外一直都在研究且方向明確,未來就是朝取代硅這個方向走,De Beers 和歐洲幾個國家都在做。所以說,目前鉆石時代蓄勢待發,預計人類文明巔峰將發生在21 世紀的下半場,2050 年以后,上半場是摸索階段?,F在國內在非機械領域即高精尖的領域的科學研究還是做的非常出色的,但是應用開發工程化做的卻非常少,幾乎沒看到。

             目前,金剛石生長主要有高溫高壓 (HPHT) 法和化學氣相沉淀 (CVD) 法,請您簡單的為我們分析下這兩種方法的區別。

             高 溫 高 壓 法(High Temperature High Pressure,HPHT),屬于熱力學平衡生長。根據碳相圖,可以看到在高壓下的穩定相是金剛石,通過利用外界施加壓力和溫度,將石墨轉變成鉆石。在生長過程中的碳,來源通常是石墨,通過觸媒液壓裝置,在金屬熔液的催化作用下,保持恒定的超高溫、高壓條件(通常壓力約為 5.4 GPa,溫度約為 1400 ℃),碳源經金屬觸媒向處于低溫區的晶種表面輸送并不斷沉積長大成為培育鉆石。由于過程是可逆的,長得不好的原子還可以退回去,但是 CVD 法不行。另外使用六面頂生長金剛石,最大好處是生長的快,但是目前用的多的是溫差法,時間長達一周,主要原因在于頂錘進不去,沒辦法保壓而無法一次生長成上百克拉。目前采用高溫高壓法可以長到 20 克拉以上,因“夜長夢多”,良率不高。

             化 學 氣 相 沉 積 法(Chemical Vapor Deposition,CVD),利用氣相前驅體在特定條件和基底上發生化學反應,沉積形成所需的薄膜材料。在單晶金剛石材料的制備中,通常采用甲烷和氫氣作為前驅體,在高溫(約 1000 ℃)、半真空的低壓條件下,單晶金剛石作為基底,以氣相外延的方式生長。由于常壓下碳的穩定相是石墨相,所以在 CVD 法生長金剛石的過程中需要源源不斷的等離子體氫原子,來環繞包圍 sp3 結構的甲烷(CH4 )及分解物,并通過控制沉積生長條件促使活性碳原子連結在鉆石籽晶上。需要注意的是,這個過程中的氫不能是氫分子,而且完全靠動力學去生長,不是靠熱力學,所以生長速度不能過快,平均生產速度大概就是 10 微米每小時。CVD 方法的優點在于生長的面積可以較大。但是目前國內的 CVD 設備的功率很小,通常不超過 10 KW,生長出的鉆石最多是兩英寸到四英寸。這和采用 HPHT 法生長出的鉆石尺寸差不多。我過去經鄭州臺鉆轉移給三磨所的 60 KW CVD 機臺,使用 915 MHz 的微波則可以生長八英寸單晶圓。

             綜上所述,我建議用恒溫法直接長成鉆石柱單晶,1000 克拉以上,可以切割成培育鉆石或同時生長多片鉆石晶圓。這個想法完全是思維上的轉變。我現在也在和一兩個公司開始合作這項研究。

             金剛石作為超硬材料應用于各種工具中,對于傳統應用,業界如何推陳出新,產生革命性創新應用?

             金剛石在傳統應用中使用量最大的是配合國內基建鋸切用。改革開放以來,金剛石對于我國的建設做出了很大貢獻。80 年代,修橋鋪路、切混凝土用的都是用的金剛石,這里有個簡單的改進,將金剛石的顆粒在工具里有序排列,保持最佳距離,將會使金剛石工具的壽命大大延長,切速提高,效率也大大增加。但目前鋸齒采用的大多是混拌混合,極不均勻,導致金剛石顆粒很容易因太密而刺不透工件或太松而被拔出來,因此效率不高。對于砂輪方面,國內比較欠缺的是陶瓷結合劑。陶瓷結合劑的氣孔,可以起到排泄冷卻等作用,這個優勢是樹脂結合劑沒有的,目前這一領域,日本做的比較多。另外,我國微粉產量比較大,但是精度不好。所謂的精度,也就是顆粒尺寸分布的均勻性,顆粒粗,容易造成刮傷,顆粒太細,拋光力度不夠。目前,傳統的金剛石用在半導體行業,國內奮起直追,例如線鋸切割硅片,十年前國內幾乎沒有,現在有好幾家做的非常好而且量蠻大的。所以說,按量來算,我國世界第一當之無愧,但技術上仍需共同努力,不斷改進。

             金剛石被譽為“終極半導體”您方便給我們介紹下金剛石半導體材料與器件的科研、產業進展情況以及應用前景嗎?

             目前,半導體產業的主流還是硅基時代。遵循的摩爾定律,已經發展到了 7 納米、5 納米量產,3 納米也進入試產的階段,逼近摩爾定律的極限值。如果繼續沿著摩爾定律的道路發展,大家都認為 1 納米也是有可能實現的。但是 1 納米相當于 3 列原子,很多電子信號、電子的波函數,都不一定能約束在 1 納米里面,0 和 1 將越來越模糊,電子隧道效應產生的漏電流會越來越大,從這個角度來看,摩爾定律不管走到哪一代,都必將走向終結,這是基本的物理規律。目前業界不斷探索摩爾定律最終將走向何方,三維集成、柵極延長,鰭片式,GAA 晶體管等方式都在嘗試。如今,英特爾、三星和臺積電正在開發探索 3 nm 工藝,但這是一項昂貴的研究,而且路會越走越窄。

             首先,我們要弄清楚摩爾定律究竟有什么含義?除了晶體管數量成長速度以外,還有經濟成本的含義。主頻提高及晶體管價格降低。但是半導體進入 7 nm 節點后,其制程將面臨更嚴峻的挑戰,不僅要克服晶圓刻蝕方面問題,熱點、靜電放電和電磁干擾等物理效應也是困難重重,同時還要讓電子通過狹小的線也會產出更多的熱點,這讓芯片設計、檢查和測試更加困難。

             其次,如果要從根本上突破摩爾定律,就必須找合適的新材料取代硅。目前,行業比較火的是碳化硅、氮化鎵等第三代半導體,但我認為這并不能取代硅基材料。前面我也提到,硅和碳屬于同一族元素,性能相似,是最合適的候選者。但是碳化硅是六方晶系,對稱性不高,只能單軸對稱,會產生壓電效應,不適合制造納米級的晶體管。另外碳化硅和氮化鎵的原子大小差別較大,所以碳化硅等材料并不是取代硅基的最佳選擇。我的最終目標是做鉆石晶圓,目前有做鉆石的基礎技術,需要找人合作,順利的話,預計明年會有雛形。

             您如何看待“超寬禁帶半導體金剛石熱度大增”這一線現象,其中,阻礙其產業發展的關鍵技術難題在哪?

             這個難題的關鍵在于沒有金剛石晶圓。半導體晶圓需要一個平坦的面,尺寸至少是兩英寸。目前硅基是 12 英寸。前陣子日本安達滿納米奇精密寶石有限公司(Adamant Namiki Precision Jewel Co. Ltd.)宣布成功開發了超高純度 2 英寸金剛石晶圓的量產方法,雖然晶圓缺陷較多,但這意味著鉆石晶圓時代的開始。我也是朝著鉆石晶圓量產的方向走,目標不止2英寸,鉆石晶圓做出來后,會快速打開下游應用端,現在硅能做的器件,金剛石都能替代,而且金剛石本身散熱能力極強,就不會出現熱點、頻率降低等問題。所以實現鉆石晶圓工業化量產就需要解決 2 項關鍵技術,一是生長高品質大面積金剛石單晶,解決尺寸問題,第二,研磨拋光技術,晶圓需要一個非常平整的面,幾個原子凸起都會極大影響半導體性能。而金剛石在直接生長時,表面并不平滑,需要后續加工處理,只有將一塊單晶金剛石晶圓片打磨至接近原子級的平滑度,才能取代電子設備中的一些硅元件。目前,我國部分高校的研究做的都挺好,但科研成果離工程化應用和實際賺錢還需要很長一段路要走。

             為保證芯片工作的可靠性和穩定性,發展新型高效的散熱技術成為迫切需求,請您給我們介紹下金剛石在熱管理領域有哪些應用。

             散熱管理已經成為 5G 時代電子器件的“硬需求”。目前熱管理的芯片封裝技術非常成熟,有許多技術途徑相繼出現,持續演進。例如導熱硅脂、導熱凝膠、石墨導熱片、熱管和均熱板(VC)等技術,但很多技術都是表面解決,治標不治本。真正發熱的地方是芯片,芯片里的溫度可達到 600-800 ℃,這不是簡單移除熱量就能解決的事。采用金剛石作為散熱片需要把金剛石貼近硅晶體管,這就要求硅片和金剛石散熱片的距離非常近,與金剛石散熱片幾乎沒有空隙。如果硬碰硬的貼合(Wafer Bonding),除了需要真空條件、平坦的要求以外,還要求硅片非常薄,目前硅片的厚度大概 50 微米左右。所以,只要材料能夠貼近芯片,主頻就會大幅度提高,可以提高 1/3 以上?,F在摩爾定律的主頻沒辦法提高的主要原因就是受到熱點疲勞的限制。

             所以我打算用 DLC 的技術做芯片散熱。有個好處是 DLC 是原子級可以幾乎無縫貼合,而且可以有效調整。同時,我們也在做散熱膏項目,取代現在的芯片散熱模組,實驗結果表明主頻可以提高很多。另外一項工作是做以觸媒生長大面積的石墨烯單晶,取代現在的散熱膏。

             您方便給我們介紹下化學機械平坦化(CMP)技術嗎,與傳統半導體晶圓拋光平坦化工藝相比,優勢在哪,目前研究進展與產業發展情況?

             化 學 機 械 平 坦 化 技 術,(Chemical Mechanical Polishing,簡稱 CMP),是集成電路芯片制造、半導體分立器件、電子元器件加工,以及薄膜存儲磁盤、陶瓷表面加工等的重要步驟。是半導體制造中使晶圓平滑的關鍵工藝,是唯一可實現宏觀及微觀同時平坦的工藝技術。我們都知道光刻機是我國半導體行業短板,假如沒有 CMP 技術,晶圓平坦化實現不了,光刻不能聚焦,這依舊是個卡脖子的問題。目前耗材基本上都是國外進口,其中需要用到一個關鍵的耗材,就是鉆石碟。

             鉆石碟是制造集成電路不可或缺的耗材,是 CMP 的催生者,控制晶圓與拋光墊的接觸面積及其分布,使拋光墊表面產生大小適中及分布均勻的絨毛。不同于其他拋光技術,CMP 是間接拋光,因為晶圓上電路結構是非常微小的,金剛石過于硬,不能直接用于拋光,容易將晶圓盤刮傷。通常采用金剛石修整器將拋光墊進行修整,修整的過程中,除了移除廢物外,最重要的是精準控制刻紋條數、深度等。這是一個非常精密的技術,國內 CMP 技術有幾家公司在做,同時也受到國家大力補助,但鉆石碟目前基本上被國外廠商壟斷。目前我們也在做這項工作。我是鉆石碟領域專利的授權者,包括美國 3M、臺積電和中國臺灣的中國砂輪企業都只用我授權的鉆石碟。

             大尺寸金剛石晶圓是電子器件的基礎,目前主流的制備方法有哪些,其中需要解決的關鍵技術難題有哪些 ?

             電子級金剛石晶圓的制備的關鍵技術難題,主要有幾個因素:1、純度,雜質濃度要小于 10 ppd;2、缺陷密度控制到104/cm2 以下,目前硅晶圓的缺陷密度可以控制在每平方公分 1萬個缺陷以內;3、尺寸大小,2 英寸只是起點,晶圓尺寸越大,芯片在較長時間的穩性和耐久性以及經濟性就會提高很多。目前主要是用 CVD 法來做電子級晶圓。

             在寬禁帶半導體領域,有哪些是面向未來的材料?從“產學研用金”角度,請您分析下當前我國(超)寬禁帶半導體產業發展優勢以及存在的問題?延伸摩爾定律,業界主要從哪幾條路著手做?

             國內第三代半導體風起云涌,至少 100 家公司做,主要就是做碳化硅半導體。目前,碳化硅方向主要做的是動力源器件,IGBT 等功率器件取代硅基半導體,另外,就是將碳化硅作為籽晶去生長氮化鎵材料。氮化鎵主要是用來做的高頻、射頻器件及功率放大器(如 HEMT),取代砷化鎵。但這些材料,因為原子晶格的對稱性不夠,不能延伸摩爾定律。目前來看,金剛石材料是延伸摩爾定律最有希望的材料,也是終極半導體?;蛘邔⑻蓟韬偷壐某闪⒎骄?,這也是我們的另一個計劃項目。

             金剛石作為功能材料,其未來應用的發展重點集中在哪些方向?您方便結合您公司的研究領域與未來戰略布局給我們詳細闡述下嗎?

             我們基本上不做機械用途的金剛石,主要是布局電子器件方面用的金剛石。目前市面上所能看到的電子元件,理論上,未來都會被金剛石晶圓取代。按照目前的進度,我們大概需要五年將鉆石晶圓產業化。另外,我想提一點,我國石墨烯產業有 1 萬多家,但大多都以低端應用為主,把石墨烯當作添加劑使用,很多高端產品目前都是噱頭。市場上的石墨烯材料其實并不是真正意義上的石墨烯。制備大面積缺陷少的石墨烯單晶,需要先長鉆石晶圓,然后石墨化,這個表面的才是真正缺陷極少的石墨烯單晶。將鉆石晶圓石墨化后變成特大單晶的石墨烯,才會出現獲諾貝爾獎的文章中提到的超高強度等優異性能,例如導電率是銅的 100 倍。目前 5G,6G 通訊天線都是銅箔做的,改成單晶石墨烯的話,那么它的射頻功放效率將會大幅度提高,重要的是通訊內容可以更加豐富,這類似于二維碼與條形碼的區別。另外鉆石底石墨烯(Graphene On Diamond,簡稱GOD)也是量子電腦的終極材料,我在國內外主講過,請參考《Cabontech Magazine》2022 年一月份所刊出的文章“鉆石常溫量子電腦的掌心運算”。

             您不僅作為一名優秀的科學家,同時工程化應用做的也十分出色,您認為一項實驗室成果在轉化為市場技術、產品的過程中需要解決哪些問題?請您分享下您在科研與產業化道路上的寶貴經驗。

             我的經驗非常獨特,可以給大家可以參考一下。我是一個人做一個公司的事情,例如技術移轉等。將技術授權給商業公司,讓他們去做產業化的事。專利技術是核心,即使公司再大也會被專利制約。我國是全世界專利數量最多的國家,但目前專利頻似學術發表,真正實用于工業生產制備并不多。例如中國投資專利能獲取回報的不到 1%。我收取專利授權金是申請專利時所花費用的百倍。另外,一般的技術開發講究保密,以免競爭者抄襲。但在技術變化快速的年代,閉門造車很可能跟不上市場變化。我認為,這時要先掛號一個發明的優先日期。在美國這稱為 Provisional Application。這時只要揭露發明的內容,不需要圈好申請范圍。這種發明不但不需要保密,反而要積極鼓勵競爭者抄襲。在一年內自己完善先前的初期申請,并同時申請專利國家協議(PCT)。PCT 的內容在十八個月內不公開。在這期間,市場產品的變化都可用來豐富申請的范圍,最后將專利在競爭者的國度申請。這樣不但保全了最早的優先日期,而且可以讓競爭者的研發成果包含在自己的專利范圍內。這種專利可以不斷延伸到以前沒想到的范圍,在美國稱為 ClP(或稱譖艦專利)。我即用此策略以小博大,以個人的專利打敗了國際聞名的創新公司 3M,并迫使對方支付權利金。

             所以專利要有策略的思維,需要從大賽道去做。這就需要非常扎實的技術支持,同時產業適用范圍要大,而不能僅僅局限于使用在某個小方向上。當然,專利策略本身是個非常復雜的事情,這一點我國還需要不斷的努力。

       

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