從零開始走到世界前沿，一家國產(chǎn)MEMS制造企業(yè)的10年發(fā)展歷程

“MEMS-Casting技術(shù)的發(fā)明有點像在黑暗中摸索出來的，并不是一開始就設(shè)想好的?！碑?dāng)被問到技術(shù)發(fā)明過程，邁鑄半導(dǎo)體的CEO顧杰斌博士跟記者講述了MEMS-Casting是如何一點點被“發(fā)明”的。

“這項技術(shù)本質(zhì)是鑄造，通俗的講就是將金屬熔化灌注到模具中再冷卻固化。但是我們通過一些微納原理，將原來只能用于宏觀尺寸的鑄造縮小了近一百萬倍，這樣，在晶圓上實現(xiàn)復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)的微鑄造也就成為可能了。這應(yīng)該是一項原創(chuàng)性的技術(shù)，從大腦中的一個模糊概念到如今的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，如果從我博士研究就算起話，研發(fā)過程有10多年了?！痹谖⒂^尺度液態(tài)金屬行為領(lǐng)域，顧杰斌已經(jīng)走到了世界前沿的位置。

2018年，顧杰斌成立了上海邁鑄半導(dǎo)體科技有限公司，致力于晶圓級微機電鑄造(MEMS-Casting)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前已經(jīng)完成了MEMS-Casting專用填充設(shè)備的研制和相關(guān)工藝的開發(fā)，最大已經(jīng)可以實現(xiàn)8寸晶圓的工藝加工。這項技術(shù)目前在大尺寸TSV（硅過孔互連）、芯片線圈等領(lǐng)域正與多家客戶在進行驗證。從浙江大學(xué)的理論物理學(xué)本科和電子信息工程(第二學(xué)位)，到英國南安普頓大學(xué)的微電子專業(yè)，再到英國帝國理工大學(xué)的MEMS專業(yè)，到如今的中科院的這項用于微電子的微機電鑄造技術(shù)，顧杰斌一直在物理與電子行業(yè)穿梭。MEMS-Casting技術(shù)就是物理和電子的一個結(jié)合。

▲邁鑄半導(dǎo)體CEO顧杰斌博士

遺憾、靈感與三年的驗證

“我要發(fā)明一項可以真正能用起來的技術(shù)?！?/p>

2012年2月29號，帶著這個想法，顧杰斌踏上回國的飛機。2010年，他從英國帝國理工大學(xué)電子電氣工程專業(yè)博士畢業(yè)，又留校工作了一年。博士期間，顧杰斌研究了一項利用Gibbs–Thomson現(xiàn)象用于TSV金屬化填充的技術(shù)。

Gibbs–Thomson現(xiàn)象是指微觀尺度的液體在表面張力驅(qū)使下自主流動并形成最小表面能的一種行為。TSV（Through Silicon Via，硅通孔技術(shù)）是一種穿透硅基板的垂直電互連技術(shù)，它不僅可以減小互聯(lián)長度、減小信號延遲，降低電容/電感等，最重要的是它可以實現(xiàn)芯片的三維堆疊封裝，是半導(dǎo)體先進封裝中最重要的電互連技術(shù)。這是一項典型的將物理原理用于電子行業(yè)應(yīng)用的研究。

顧杰斌研究的這項技術(shù)受到了帝國理工技術(shù)轉(zhuǎn)化中心Imperial Innovation的認(rèn)可并申請了專利?！斑@是我人生中第一次申請專利，當(dāng)時申請得特別認(rèn)真，那段時間整個人感覺也特別有干勁?！边@項研究在這個領(lǐng)域最核心的期刊都發(fā)了論文，也參加過許多重要的學(xué)術(shù)會議。但因多方原因，專利最終沒能成功轉(zhuǎn)化。顧杰斌認(rèn)為，如果實驗室研究的技術(shù)只是停留在論文上，整個研究就沒這么太大的意義。能發(fā)明一項技術(shù)并在產(chǎn)業(yè)界能真正用起來才是有挑戰(zhàn)的一件事。

2012年3月1日顧杰斌的飛機在上海落地。在傳感技術(shù)國家重點實驗室李昕欣主任的建議下，他來到在中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所工作，并開始琢磨一個全新的TSV合金填充的方法。顧杰斌說，“回國的時候我就在想，如果可以避免使用微錫球，而是直接從一個合金池里實現(xiàn)TSV填充才會更實用。”這個方法只有一個模糊的概念，“一開始連我自己也不太清楚這個方法的具體原理是什么，只是直覺告訴我應(yīng)該是可以這樣做?！?/p>

1年后，顧杰斌在一篇文獻上看到“Liquid Bridge”時，突然意識到這個想法的本質(zhì)是用液橋來實現(xiàn)液態(tài)合金切割?！叭缓缶褪乔蠼饫绽狗匠虂碛嬎闱懈畹臈l件。這個偏微分方程我還是找數(shù)學(xué)很好的一個大學(xué)同學(xué)幫忙解的。當(dāng)計算結(jié)果與有限元仿真的曲線完全能對上，我才知道這個原理部分是弄對了。水銀體溫計其實用是一樣的原理?！?/p>

此后兩年，顧杰斌開始自研設(shè)備將這個原理用于實現(xiàn)從一個合金池的表面實現(xiàn)TSV的填充。其難度遠(yuǎn)超他讀博士時研究的技術(shù)。

▲顧杰斌博士在實驗室

“第一臺設(shè)備太簡陋了，只有微波爐大小，并且全部步驟需要手動操作。大概試了半年后發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計有問題就放棄了，開始做第二臺設(shè)備。第二代設(shè)備的體積要大很多，并且開始加入了PLC作自動控制。在研制設(shè)備的過程中，其實也學(xué)到了許多機械設(shè)計加工，各種閥門種類和應(yīng)用以及PLC等知識?！?/p>

直到2015年年中，顧杰斌終于在自制的第二代設(shè)備上實現(xiàn)了基于Liquid bridge的切割的TSV填充，“只記得當(dāng)時不停地修改設(shè)備的結(jié)構(gòu)和實驗，已經(jīng)記不清改了多少次了。到后來連設(shè)備的PLC程序都是自己改的。”此時距他回國已經(jīng)有3年。

▲8年迭代的微機電鑄造專用填充設(shè)備

從TSV到微機電鑄造

“2015年這個利用液橋切割的TSV技術(shù)做出來后，我感覺再在實驗室里做研發(fā)有點像是閉門造車了?！鳖櫧鼙笳f。正好在2015年的年底中國半導(dǎo)體協(xié)會有個關(guān)于先進封裝的論壇，他就去講了他剛做出不久的這項新的TSV技術(shù)?！敖Y(jié)果沒有人找我做TSV，但中車卻找上來了?！?/p>

原來中車的一個團隊在研發(fā)下一代的磁通門傳感器，需要用到芯化式的螺線線圈。而TSV是芯片式螺線線圈主要結(jié)構(gòu)?！霸谂c中車討論了幾個月，完全明白了他們的意圖后，我說與其上下再布線形成完整的線圈，不如整個線圈一次成型怎么樣？”這個提議一下子得到中車的認(rèn)可。顧杰斌本計劃幾個月完成數(shù)百顆線圈芯片，結(jié)果整整花了1年，才做出第一顆。

“這里碰到的最大問題是合金固化收縮，”顧杰斌說，“合金固化時體積有3%左右的收縮，這對于體積很小的TSV不是太大的問題，但對于展開有近一米長的線圈來說就是個大問題?！睘榱私鉀Q這個問題，顧杰斌一方面請教金屬方面的專業(yè)人士探討可行的解決方案，另一方面也看了大量的資料。

“中間其實走了不少彎路。2017年有段時間我一直泡在上海圖書館。一開始還是想用宏觀鑄造中解決固化收縮的思路，就是通過補償方式來解決。但漸漸明白補償在我做的這種微尺度的鑄造中是沒法實現(xiàn)的。補償需要的溫度梯度，而我們不可能在只有幾十微米的尺度下實現(xiàn)幾十度的溫度差?！彼珠_始大量看資料和思考，時間又過去了半年。

“有天早晨起來，我腦子里突然有了個解決方法。”顧杰斌回想起來依然有點激動，“這個收縮問題最后我是用化整為零的方法解決了，固化收縮還在，只是你看不到了。”

顧杰斌還總結(jié)出兩個感觸：“第一，一個問題，如果你不能打敗它，就要學(xué)會與它和平相處。我們沒法消滅收縮，但可以與之和平相處。第二，一個物理問題的解決需要從更底層的原理去思考。這有點像馬斯克第一性原理?！?/p>

2017年12月底，顧杰斌終于做出第一顆滿足中車要求的線圈芯片。此時距離他回國已經(jīng)差不多6年了。

而今邁步從頭越，向前鑄就新征程

2016至2017年，顧杰斌參加了中科創(chuàng)星的硬科技創(chuàng)業(yè)營。

在此期間，中科創(chuàng)星決定給顧杰斌博士的技術(shù)做種子輪投資。2018年3月，顧杰斌成立了上海邁鑄半導(dǎo)體科技有限公司做這項技術(shù)的轉(zhuǎn)化。公司剛成立時，這項技術(shù)甚至還沒有一個名字。直到2018年底，顧杰斌才給這項技術(shù)起了MEMS-Casting?！斑~鑄”源于“MEMS-Casting”的音譯和意譯，即是基于微機電系統(tǒng)技術(shù)的鑄造之意。

“公司成立后，我們其實在技術(shù)上又有許多突破，其中最重要的是三個項，一是解決了從小片到晶圓級的填充，即解決了這項技術(shù)用于晶圓加工的一致性問題，晶圓級填充是這項技術(shù)能否真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵；二是徹底解決了填充過程中氣泡造成的缺陷問題，而且填充的飽滿度有大幅的提升；三是完成了更高熔點更好導(dǎo)電率的鋅鋁合金的填充工藝開發(fā)?！鳖櫧鼙笾暗难芯恐泻辖鸩牧嫌玫亩际清a合金，這種材料熔點低，導(dǎo)電性能也相對較差。只有200多度的熔點限制了許多應(yīng)用。而鋅鋁合金的熔點近400度并且導(dǎo)電性能較錫合金提高了近一倍。

“鋅鋁合金的填充工藝開發(fā)也充滿了戲劇性，”顧杰斌說，“這種材料剛開始試驗時一塌糊涂，我們發(fā)現(xiàn)這種合金材料居然會溶解硅材料。中間有段時間有點一籌莫展。但做工藝開發(fā)的同事無意中發(fā)現(xiàn)了一個方法，所有的問題竟然一下子全解決了。”

▲μCasting Solenoid線圈

“給中車做的這個線圈的電阻值，最開始是30歐，后來降到了20歐，再后來通過材料降到了12歐，現(xiàn)在只有6歐了。”顧杰斌自豪地說?！拔覀儸F(xiàn)在也在和有色金屬研究院合作開發(fā)導(dǎo)電性能更好的鋁金材料，到時候電阻還能進一步下降?！?/p>

▲150匝線圈X–ray圖

這項技術(shù)相關(guān)的研究在重要的學(xué)術(shù)期刊和會議已發(fā)表有20多篇論文，例如頂級的電子器件期刊Electron Device Letters (EDL)，連續(xù)2年被頂級國際學(xué)術(shù)會議IEEE MEMS錄取為口頭報告。2021年，獲IEEE EDTM會議唯一的一等獎。目前邁鑄半導(dǎo)體已經(jīng)完成了8寸晶圓MEMS-Casting專用設(shè)備的研發(fā)。2021年邁鑄半導(dǎo)體新建設(shè)的研發(fā)中心已正式啟用。除了四臺自行研制的微機電鑄造專用設(shè)備外，新研發(fā)中心還將陸續(xù)增添打線設(shè)備、研磨設(shè)備、熱氧設(shè)備以及深硅刻蝕設(shè)備等，以滿足后續(xù)日益增加應(yīng)用需求。

▲邁鑄半導(dǎo)體研發(fā)中心

目前公司已授權(quán)專利達18項，服務(wù)客戶近10家。在線圈芯片方面，從最開始給中車做的線圈中又引申出多種線圈結(jié)構(gòu)，在軍工、工業(yè)、消費類電子等領(lǐng)域不斷地擴展應(yīng)用，潛在的市場規(guī)模有近百億。其廣泛的產(chǎn)業(yè)滲透前景頗得資本市場青睞，近日，邁鑄半導(dǎo)體已完成千萬級Pre A輪融資，本輪融資將用于公司新合金材料工藝的研發(fā)、新研發(fā)中心建設(shè)、市場推廣和人才建設(shè)等。

顧杰斌對這項技術(shù)以及未來的發(fā)展有著清晰的思路。在微機電鑄造技術(shù)之前，半導(dǎo)體行業(yè)厚金屬沉積幾乎只有電鍍這一種方法，但是電鍍有著工藝復(fù)雜、高污染以及不適合用于復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的缺點。微機電鑄造技術(shù)相當(dāng)于給業(yè)界提供了一個新的厚金屬沉積的工具?！拔覀児镜脑妇笆牵夯讵殑?chuàng)的微機電鑄造技術(shù)，為行業(yè)提供一種清潔高效的厚金屬沉積解決方案，并實現(xiàn)這項技術(shù)在半導(dǎo)體先進封裝和MEMS電磁器件中的廣泛應(yīng)用?！?/p>

從腦海中模糊的概念到商業(yè)化，顧杰斌走了10年的“鑄芯”路?！皬哪撤N程度上說，我是幸運的，從物理原理到商業(yè)應(yīng)用，這條道路充滿未知和重重阻礙，但是也充滿了樂趣，無論是前期在實驗室的研發(fā)，還是后面產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，都是一個探索的過程。我很享受這個過程。所有的探索都面臨著未知，但最吸引人的，也是未知?！弊鳛橐豁椀讓拥钠脚_性技術(shù)，它還有許多潛應(yīng)用的想像空間，相信顧杰斌博士的“鑄芯”之路會越走越寬廣。

審核編輯 黃昊宇