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宋健民博士:科研产业化需要专利策略思维

关键词 专利策略 , 宋健民|2022-07-14 08:47:37|专访专区|来源 Carbontech
摘要 “中国需要终极半导体!在芯片领域我国如果要大幅超越美国就必须抢先发展钻石晶圆。”宋健民博士曾在演讲报告中这样说。目前,宋健民博士凭借其数十年的钻石经验带领团队研发,朝着钻石芯片工业...

       “中国需要终极半导体!在芯片领域我国如果要大幅超越美国就必须抢先发展钻石晶圆。”宋健民博士曾在演讲报告中这样说。目前,宋健民博士凭借其数十年的钻石经验带领团队研发,朝着钻石芯片工业化生产这一目标而奋斗。《Carbontech Magazine》特邀宋健民博士就我国金刚石行业现状、钻石晶圆关键技术及专利策略等问题展开深度探讨。

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       宋健民,1976 年美国麻省理工学院(MIT)博士。1976-1984 负责通用电气公司(GE)美国及欧洲工业钻石的生产技术。全球的制造技术1984-1990 负责美国 Norton 的研发并成立当年世界最大的钻石膜公司(Norton Diamond Film)。1990-1994 全厂技术转移韩国日进(ILJIN)使其成为亚洲最大钻石生产公司。1994-2019 转型中国台湾的中国砂轮公司使其成为世界最大的钻世碟生产公司。宋博士中请过上千项国际专利,授权美国 3M,日本东名,韩国 EHWA,中国黄河集团,台湾铼德科技…等十几家公司。

       请您给我们介绍下目前金刚石产业发展状况如何?

       “大材小用”是目前金刚石行业的现状。现在充分利用到的只是将其作为超硬材料的物理机械性能,例如做成超级磨料、切削工具、石油钻头、抽线眼模等。但相比于其他材料,金刚石有着独特的魅力和非凡的能力,几乎在每个领域都能看到它的身影,尤其军工方面。传统材料不能胜任解决问题,金刚石都占有一席之地,例如终极半导体,生物基因晶片,超级量子电脑等。举一个普通的例子。海水淡化技术。目前主流应用是反渗透法,但这个方法必须重复过滤,每次出水滤不到三成。也有用电解法的,出水滤超过九成,但电解电压小,出水量反而太小。若以热丝气相法生长超过一米的含硼金刚石电极,也就是我们常说的 BDD 电极,就可以完美解决这一问题。BDD 电极,被认为是最好的电极材料,具有非常宽的电化学电势窗口和较小的背景电流,加上金刚石良好的化学惰性等特点,具有强耐腐蚀性,它可以用在废水处理、海水淡化等等场景。这仅仅是电学应用,目前金刚石的热学,光学,生物科技……等性能的产业应用都还没起步。

       目前,如果说现代信息时代的科技原动力是建立在“摩尔定律”的基础上,也就是硅基时代,那么延续或重塑未来科技辉煌的就是钻石时代。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质上有很多相似性,硅能做的事,钻石都可以做,甚至超越原有性能的 10 倍以上。换个角度,硅可以看作大原子或松散的钻石。钻石时代的到来,也就是人类文明的巅峰时期。现在,只是在萌芽阶段,有零零星星的个案,像培育钻石等应用,但是真正的令人称赞的产品还没开始。总之,人造金刚石作为珠宝的发展空间可以预见。然而,它的科技应用发展无限且需求可观。从长远眼光看,人造金刚石行业要想稳定发展,必须开发成为一种生活、生产的必需品,最终应用在传统工业及高科技领域。只有尽力开发它的使用价值才能最大范围的发挥它的各项优异性能。

       另外,随着金刚石合成技术的进一步发展,其重要性已经被一些媒体上升到了“国家战略”的高度。在天然钻石日益稀缺、大小及性质受限的今天,人造金刚石行业或将扛起这面战略大旗。其中“如何快速生长优质大颗粒金刚石”是关键问题。现在,国内拥有几千台六面顶压机,当然也很多人做 CVD 的生长技术。在此,我想提出一个思考问题:理论上,如果在平衡状态下生产钻石,也就是高温高压法,它的生长速率是每小时一毫米。如果用 CVD 法,也就是介稳态生长,从石墨变成金刚石,需要大量解离的氢原子,在这种情况下速率大概是每小时 10 微米左右。所以两种方式的差距是 100 倍!但是,不管哪种方法,理论上都可以长八英寸大的晶圆。举个例子,按照一小时一毫米来算,长四寸晶圆,一公分高的钻石只需要十小时。单纯看这个数据没啥概念,换成克拉,那就是 1400 克拉!但现实却差距很大,目前大概只能长到一两百克拉,而且不是单晶,只是粉末,然后烧结成 PCD。现实条件为什么长不出晶圆级大单晶?这主要是源于国内受到六面顶结构的这种思想框架的影响,在生长金刚石时的时候,压力降低的时候,顶锤会随之进入,压缩密封圈,密封圈被压死,所以生产金刚石的量并不是受限于腔体的大小,而是受限于叶腊石的密封圈的可压缩率。以前我在 GE 采用的是两面顶设备,两面顶的顶锤角度小很多,密封圈可以厚很多,合成棒的长度比直径大三倍,而六面顶合成棒的长度却比直径小。当然,我国金刚石行业占全世界的 90% 多的这个超级规模的量,这是非常成功的,但是未来技术方面仍需要不断改进。

       所以我有个计划,想多方合作生长钻石晶圆,目标是一天内要长出超过 1000 克拉的高品质材料,可以制造钻石圆饼或多片钻石晶圆。目前来看,CVD 法会受到物理规律的限制,是不可能实现这种突破的。这是我的一个设想,抛砖引玉,提出来大家一起思考。所以,国内生长金刚石的技术上还有非常大的成长空间。

       请您分析下我国金刚石行业在国际上的优势与差距。

       优势就是量。我国每年生产的金刚石有四五千公吨,一公吨 500 万克拉,这么庞大的量,以前是不敢想象。但是主要用在了传统的机械用途,例如,修桥铺路、钻洞、研磨玻璃等,毛利极其低。而超过机械范围以外的其他用途无人问津。举个例子,金刚石半导体领域,国外一直都在研究且方向明确,未来就是朝取代硅这个方向走,De Beers 和欧洲几个国家都在做。所以说,目前钻石时代蓄势待发,预计人类文明巅峰将发生在21 世纪的下半场,2050 年以后,上半场是摸索阶段。现在国内在非机械领域即高精尖的领域的科学研究还是做的非常出色的,但是应用开发工程化做的却非常少,几乎没看到。

       目前,金刚石生长主要有高温高压 (HPHT) 法和化学气相沉淀 (CVD) 法,请您简单的为我们分析下这两种方法的区别。

       高 温 高 压 法(High Temperature High Pressure,HPHT),属于热力学平衡生长。根据碳相图,可以看到在高压下的稳定相是金刚石,通过利用外界施加压力和温度,将石墨转变成钻石。在生长过程中的碳,来源通常是石墨,通过触媒液压装置,在金属熔液的催化作用下,保持恒定的超高温、高压条件(通常压力约为 5.4 GPa,温度约为 1400 ℃),碳源经金属触媒向处于低温区的晶种表面输送并不断沉积长大成为培育钻石。由于过程是可逆的,长得不好的原子还可以退回去,但是 CVD 法不行。另外使用六面顶生长金刚石,最大好处是生长的快,但是目前用的多的是温差法,时间长达一周,主要原因在于顶锤进不去,没办法保压而无法一次生长成上百克拉。目前采用高温高压法可以长到 20 克拉以上,因“夜长梦多”,良率不高。

       化 学 气 相 沉 积 法(Chemical Vapor Deposition,CVD),利用气相前驱体在特定条件和基底上发生化学反应,沉积形成所需的薄膜材料。在单晶金刚石材料的制备中,通常采用甲烷和氢气作为前驱体,在高温(约 1000 ℃)、半真空的低压条件下,单晶金刚石作为基底,以气相外延的方式生长。由于常压下碳的稳定相是石墨相,所以在 CVD 法生长金刚石的过程中需要源源不断的等离子体氢原子,来环绕包围 sp3 结构的甲烷(CH4 )及分解物,并通过控制沉积生长条件促使活性碳原子连结在钻石籽晶上。需要注意的是,这个过程中的氢不能是氢分子,而且完全靠动力学去生长,不是靠热力学,所以生长速度不能过快,平均生产速度大概就是 10 微米每小时。CVD 方法的优点在于生长的面积可以较大。但是目前国内的 CVD 设备的功率很小,通常不超过 10 KW,生长出的钻石最多是两英寸到四英寸。这和采用 HPHT 法生长出的钻石尺寸差不多。我过去经郑州台钻转移给三磨所的 60 KW CVD 机台,使用 915 MHz 的微波则可以生长八英寸单晶圆。

       综上所述,我建议用恒温法直接长成钻石柱单晶,1000 克拉以上,可以切割成培育钻石或同时生长多片钻石晶圆。这个想法完全是思维上的转变。我现在也在和一两个公司开始合作这项研究。

       金刚石作为超硬材料应用于各种工具中,对于传统应用,业界如何推陈出新,产生革命性创新应用?

       金刚石在传统应用中使用量最大的是配合国内基建锯切用。改革开放以来,金刚石对于我国的建设做出了很大贡献。80 年代,修桥铺路、切混凝土用的都是用的金刚石,这里有个简单的改进,将金刚石的颗粒在工具里有序排列,保持最佳距离,将会使金刚石工具的寿命大大延长,切速提高,效率也大大增加。但目前锯齿采用的大多是混拌混合,极不均匀,导致金刚石颗粒很容易因太密而刺不透工件或太松而被拔出来,因此效率不高。对于砂轮方面,国内比较欠缺的是陶瓷结合剂。陶瓷结合剂的气孔,可以起到排泄冷却等作用,这个优势是树脂结合剂没有的,目前这一领域,日本做的比较多。另外,我国微粉产量比较大,但是精度不好。所谓的精度,也就是颗粒尺寸分布的均匀性,颗粒粗,容易造成刮伤,颗粒太细,抛光力度不够。目前,传统的金刚石用在半导体行业,国内奋起直追,例如线锯切割硅片,十年前国内几乎没有,现在有好几家做的非常好而且量蛮大的。所以说,按量来算,我国世界第一当之无愧,但技术上仍需共同努力,不断改进。

       金刚石被誉为“终极半导体”您方便给我们介绍下金刚石半导体材料与器件的科研、产业进展情况以及应用前景吗?

       目前,半导体产业的主流还是硅基时代。遵循的摩尔定律,已经发展到了 7 纳米、5 纳米量产,3 纳米也进入试产的阶段,逼近摩尔定律的极限值。如果继续沿着摩尔定律的道路发展,大家都认为 1 纳米也是有可能实现的。但是 1 纳米相当于 3 列原子,很多电子信号、电子的波函数,都不一定能约束在 1 纳米里面,0 和 1 将越来越模糊,电子隧道效应产生的漏电流会越来越大,从这个角度来看,摩尔定律不管走到哪一代,都必将走向终结,这是基本的物理规律。目前业界不断探索摩尔定律最终将走向何方,三维集成、栅极延长,鳍片式,GAA 晶体管等方式都在尝试。如今,英特尔、三星和台积电正在开发探索 3 nm 工艺,但这是一项昂贵的研究,而且路会越走越窄。

       首先,我们要弄清楚摩尔定律究竟有什么含义?除了晶体管数量成长速度以外,还有经济成本的含义。主频提高及晶体管价格降低。但是半导体进入 7 nm 节点后,其制程将面临更严峻的挑战,不仅要克服晶圆刻蚀方面问题,热点、静电放电和电磁干扰等物理效应也是困难重重,同时还要让电子通过狭小的线也会产出更多的热点,这让芯片设计、检查和测试更加困难。

       其次,如果要从根本上突破摩尔定律,就必须找合适的新材料取代硅。目前,行业比较火的是碳化硅、氮化镓等第三代半导体,但我认为这并不能取代硅基材料。前面我也提到,硅和碳属于同一族元素,性能相似,是最合适的候选者。但是碳化硅是六方晶系,对称性不高,只能单轴对称,会产生压电效应,不适合制造纳米级的晶体管。另外碳化硅和氮化镓的原子大小差别较大,所以碳化硅等材料并不是取代硅基的最佳选择。我的最终目标是做钻石晶圆,目前有做钻石的基础技术,需要找人合作,顺利的话,预计明年会有雏形。

       您如何看待“超宽禁带半导体金刚石热度大增”这一线现象,其中,阻碍其产业发展的关键技术难题在哪?

       这个难题的关键在于没有金刚石晶圆。半导体晶圆需要一个平坦的面,尺寸至少是两英寸。目前硅基是 12 英寸。前阵子日本安达满纳米奇精密宝石有限公司(Adamant Namiki Precision Jewel Co. Ltd.)宣布成功开发了超高纯度 2 英寸金刚石晶圆的量产方法,虽然晶圆缺陷较多,但这意味着钻石晶圆时代的开始。我也是朝着钻石晶圆量产的方向走,目标不止2英寸,钻石晶圆做出来后,会快速打开下游应用端,现在硅能做的器件,金刚石都能替代,而且金刚石本身散热能力极强,就不会出现热点、频率降低等问题。所以实现钻石晶圆工业化量产就需要解决 2 项关键技术,一是生长高品质大面积金刚石单晶,解决尺寸问题,第二,研磨抛光技术,晶圆需要一个非常平整的面,几个原子凸起都会极大影响半导体性能。而金刚石在直接生长时,表面并不平滑,需要后续加工处理,只有将一块单晶金刚石晶圆片打磨至接近原子级的平滑度,才能取代电子设备中的一些硅元件。目前,我国部分高校的研究做的都挺好,但科研成果离工程化应用和实际赚钱还需要很长一段路要走。

       为保证芯片工作的可靠性和稳定性,发展新型高效的散热技术成为迫切需求,请您给我们介绍下金刚石在热管理领域有哪些应用。

       散热管理已经成为 5G 时代电子器件的“硬需求”。目前热管理的芯片封装技术非常成熟,有许多技术途径相继出现,持续演进。例如导热硅脂、导热凝胶、石墨导热片、热管和均热板(VC)等技术,但很多技术都是表面解决,治标不治本。真正发热的地方是芯片,芯片里的温度可达到 600-800 ℃,这不是简单移除热量就能解决的事。采用金刚石作为散热片需要把金刚石贴近硅晶体管,这就要求硅片和金刚石散热片的距离非常近,与金刚石散热片几乎没有空隙。如果硬碰硬的贴合(Wafer Bonding),除了需要真空条件、平坦的要求以外,还要求硅片非常薄,目前硅片的厚度大概 50 微米左右。所以,只要材料能够贴近芯片,主频就会大幅度提高,可以提高 1/3 以上。现在摩尔定律的主频没办法提高的主要原因就是受到热点疲劳的限制。

       所以我打算用 DLC 的技术做芯片散热。有个好处是 DLC 是原子级可以几乎无缝贴合,而且可以有效调整。同时,我们也在做散热膏项目,取代现在的芯片散热模组,实验结果表明主频可以提高很多。另外一项工作是做以触媒生长大面积的石墨烯单晶,取代现在的散热膏。

       您方便给我们介绍下化学机械平坦化(CMP)技术吗,与传统半导体晶圆抛光平坦化工艺相比,优势在哪,目前研究进展与产业发展情况?

       化 学 机 械 平 坦 化 技 术,(Chemical Mechanical Polishing,简称 CMP),是集成电路芯片制造、半导体分立器件、电子元器件加工,以及薄膜存储磁盘、陶瓷表面加工等的重要步骤。是半导体制造中使晶圆平滑的关键工艺,是唯一可实现宏观及微观同时平坦的工艺技术。我们都知道光刻机是我国半导体行业短板,假如没有 CMP 技术,晶圆平坦化实现不了,光刻不能聚焦,这依旧是个卡脖子的问题。目前耗材基本上都是国外进口,其中需要用到一个关键的耗材,就是钻石碟。

       钻石碟是制造集成电路不可或缺的耗材,是 CMP 的催生者,控制晶圆与抛光垫的接触面积及其分布,使抛光垫表面产生大小适中及分布均匀的绒毛。不同于其他抛光技术,CMP 是间接抛光,因为晶圆上电路结构是非常微小的,金刚石过于硬,不能直接用于抛光,容易将晶圆盘刮伤。通常采用金刚石修整器将抛光垫进行修整,修整的过程中,除了移除废物外,最重要的是精准控制刻纹条数、深度等。这是一个非常精密的技术,国内 CMP 技术有几家公司在做,同时也受到国家大力补助,但钻石碟目前基本上被国外厂商垄断。目前我们也在做这项工作。我是钻石碟领域专利的授权者,包括美国 3M、台积电和中国台湾的中国砂轮企业都只用我授权的钻石碟。

       大尺寸金刚石晶圆是电子器件的基础,目前主流的制备方法有哪些,其中需要解决的关键技术难题有哪些 ?

       电子级金刚石晶圆的制备的关键技术难题,主要有几个因素:1、纯度,杂质浓度要小于 10 ppd;2、缺陷密度控制到104/cm2 以下,目前硅晶圆的缺陷密度可以控制在每平方公分 1万个缺陷以内;3、尺寸大小,2 英寸只是起点,晶圆尺寸越大,芯片在较长时间的稳性和耐久性以及经济性就会提高很多。目前主要是用 CVD 法来做电子级晶圆。

       在宽禁带半导体领域,有哪些是面向未来的材料?从“产学研用金”角度,请您分析下当前我国(超)宽禁带半导体产业发展优势以及存在的问题?延伸摩尔定律,业界主要从哪几条路着手做?

       国内第三代半导体风起云涌,至少 100 家公司做,主要就是做碳化硅半导体。目前,碳化硅方向主要做的是动力源器件,IGBT 等功率器件取代硅基半导体,另外,就是将碳化硅作为籽晶去生长氮化镓材料。氮化镓主要是用来做的高频、射频器件及功率放大器(如 HEMT),取代砷化镓。但这些材料,因为原子晶格的对称性不够,不能延伸摩尔定律。目前来看,金刚石材料是延伸摩尔定律最有希望的材料,也是终极半导体。或者将碳化硅和氮化镓改成立方晶系,这也是我们的另一个计划项目。

       金刚石作为功能材料,其未来应用的发展重点集中在哪些方向?您方便结合您公司的研究领域与未来战略布局给我们详细阐述下吗?

       我们基本上不做机械用途的金刚石,主要是布局电子器件方面用的金刚石。目前市面上所能看到的电子元件,理论上,未来都会被金刚石晶圆取代。按照目前的进度,我们大概需要五年将钻石晶圆产业化。另外,我想提一点,我国石墨烯产业有 1 万多家,但大多都以低端应用为主,把石墨烯当作添加剂使用,很多高端产品目前都是噱头。市场上的石墨烯材料其实并不是真正意义上的石墨烯。制备大面积缺陷少的石墨烯单晶,需要先长钻石晶圆,然后石墨化,这个表面的才是真正缺陷极少的石墨烯单晶。将钻石晶圆石墨化后变成特大单晶的石墨烯,才会出现获诺贝尔奖的文章中提到的超高强度等优异性能,例如导电率是铜的 100 倍。目前 5G,6G 通讯天线都是铜箔做的,改成单晶石墨烯的话,那么它的射频功放效率将会大幅度提高,重要的是通讯内容可以更加丰富,这类似于二维码与条形码的区别。另外钻石底石墨烯(Graphene On Diamond,简称GOD)也是量子电脑的终极材料,我在国内外主讲过,请参考《Cabontech Magazine》2022 年一月份所刊出的文章“钻石常温量子电脑的掌心运算”。

       您不仅作为一名优秀的科学家,同时工程化应用做的也十分出色,您认为一项实验室成果在转化为市场技术、产品的过程中需要解决哪些问题?请您分享下您在科研与产业化道路上的宝贵经验。

       我的经验非常独特,可以给大家可以参考一下。我是一个人做一个公司的事情,例如技术移转等。将技术授权给商业公司,让他们去做产业化的事。专利技术是核心,即使公司再大也会被专利制约。我国是全世界专利数量最多的国家,但目前专利频似学术发表,真正实用于工业生产制备并不多。例如中国投资专利能获取回报的不到 1%。我收取专利授权金是申请专利时所花费用的百倍。另外,一般的技术开发讲究保密,以免竞争者抄袭。但在技术变化快速的年代,闭门造车很可能跟不上市场变化。我认为,这时要先挂号一个发明的优先日期。在美国这称为 Provisional Application。这时只要揭露发明的内容,不需要圈好申请范围。这种发明不但不需要保密,反而要积极鼓励竞争者抄袭。在一年内自己完善先前的初期申请,并同时申请专利国家协议(PCT)。PCT 的内容在十八个月内不公开。在这期间,市场产品的变化都可用来丰富申请的范围,最后将专利在竞争者的国度申请。这样不但保全了最早的优先日期,而且可以让竞争者的研发成果包含在自己的专利范围内。这种专利可以不断延伸到以前没想到的范围,在美国称为 ClP(或称谮舰专利)。我即用此策略以小博大,以个人的专利打败了国际闻名的创新公司 3M,并迫使对方支付权利金。

       所以专利要有策略的思维,需要从大赛道去做。这就需要非常扎实的技术支持,同时产业适用范围要大,而不能仅仅局限于使用在某个小方向上。当然,专利策略本身是个非常复杂的事情,这一点我国还需要不断的努力。

 

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