何金江：材料創新為集成電路奠定超越基石

龐貝+楊進平

何金江：1979年7月出生，教授級高級工程師、碩士生導師。何金江博士從事電子信息用金屬電子材料研究與產業化技術工作近十年，作為主要帶頭人，在高純金屬制備、高性能濺射靶材開發等方面具備扎實的理論基礎和突出的技術創新能力，主持和參與國家科技重大專項、863、國家科技支撐計劃、國防軍工和北京市重大科技項目等研究課題20多項，率領公司科研團隊先后突破了多項高超/超高純金屬靶材研制與產業化生產關鍵技術。

他在國內外學術期刊和會議上發表論文30余篇，申請專利61項（含1項國際PCT專利），已授權專利28項（其中發明專利15項）；主導和參與制定國家/行業標準12項，已頒布標準6項，3項獲技術標準優秀獎；獲得省部級一、二、三等獎各1項；2015年入選北京市科技新星計劃。個人先后榮獲2013年全國有色金屬標準化技術委員會“標準化先進工作者”、第二十二屆北京市“優秀青年工程師”、第七批北京市“優秀青年人才”等稱號，2015年榮獲第十八屆中國科協杰出青年成果轉化獎。

2013年，我國集成電路產業實現銷售收入2508億元，進口額高達2313億美元，首次超過石油成為我國第一大進口商品。2014年，集成電路產業銷售收入為2672億元，進口額仍達到2176億美元。在產業可觀增長的背后，卻是集成電路產品的巨大逆差和對進口產品的嚴重依賴。

問題如此明顯，又是如此嚴竣，呼喚著業內人士的作為，考驗著他們的智慧與勇氣。

而這些挑戰當中，對于技術的挑戰又集中在哪里？材料，在集成電路的國際博弈中占有什么分量？要追趕的路程還有多遠？北京有色金屬研究總院有研億金新材料有限公司副總工程師、北京市高純金屬濺射靶材工程技術研究中心副主任何金江為我們解疑釋惑。

何金江，2015年因在高性能濺射靶材開發等方面突出的創新能力，榮獲第十八屆中國科協杰出青年成果轉化獎。

材料，分量幾何？

集成電路產業作為電子信息產業的核心，是關系國民經濟和社會發展全局的基礎性、先導性和戰略性產業，一直都受到國家高度重視。

目前，我國集成電路產業規模列位居世界前列，已經形成了芯片設計、制造、封裝測試及支撐配套業共同發展的較為完善的產業鏈格局。自2008年以來相繼啟動的“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品”“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”等國家科技重大專項的實施，奠定了集成電路產業的技術基礎，同時也使我國在關鍵裝備、材料產業領域實現突破。2014年是我國集成電路產業發展具有里程碑意義的一年，國務院發布了《國家集成電路產業發展推進綱要》，并設立國家集成電路產業投資基金，扶植力度空前。在可預見的未來，集成電路產業必將成為支撐信息產業的核心力量和推動兩化深度融合的重要基礎。

然而，我們必須認清的現實是，到目前為止，與國際龍頭企業相比，我國集成電路制造業在先進工藝方面的距離至少差1～2代，設備制造被美國、日本、荷蘭等幾家企業壟斷，材料供應被美國、日本等掌握著控制權，這些集成電路巨頭紛紛加速資源整合、重組步伐，不斷擴大產能，強化產業鏈核心環節控制力和上下游整合能力，急欲拉大與競爭對手的差距。

起步晚，資源和創新要素積累不足，國內集成電路企業面臨嚴峻挑戰。

何金江指出，目前普遍認為，集成電路技術的發展無論是延續摩爾定律，還是超越摩爾定律，芯片集成度和性能的不斷提升將更多地依賴多種技術創新應用，特別是新型器件結構設計和新材料技術的突破。

工藝、裝備和材料是集成電路制造的三大組成部分，我國的集成電路技術主要是引進國外相對較落后的工藝，相關關鍵裝備和材料也最初都是全套引入。客觀地說，國內公司開發的產品相對低端，在基礎器件的原理和工藝開發等方面缺乏積累，較少原創性東西，目前集成電路制造中關鍵技術比如銅互連、高k金屬柵、FinFET等技術都是美國創新出來的，而這些技術都和新材料的應用密不可分。

目前我國在集成電路材料的制約主要在體現在：第一，高端芯片/器件開發的滯后：國外領先的集成電路企業有很強的新材料開發、工藝原理開發團隊，能夠整合相關資源，共同推進，引領行業發展。而國內集成電路企業缺乏對于新材料的探索，無法深入進行基礎性、革命性創新，目前主要做跟進研發；再者國內大部分科研院所和高校進行的研發通常難以與實際工藝接軌，離日益復雜的工藝條件相差較遠，整體力量相對薄弱，且難以持續進行探索研究。因此，產業發展相對低端。第二，生產制造成本的增加：通過估算，材料成本在集成電路芯片成本中占30%～50%。進口材料價格比較貴，對企業的成本壓力很大，同時由于采購周期長，增加原材料庫存成本，還可能造成產品的生產制造時間延后，供貨能力、規模化生產能力不足。

創新，志在超越！

材料創新在集成電路博弈中占有基礎性地位，材料創新的關鍵點又在哪里？答案之一便是高純金屬濺射靶材。

高純金屬濺射靶材作為電子材料的重要組成部分，已滲透到電子信息科技的各個領域，是芯片制造和封裝中物理氣相沉積（PVD）工藝所需關鍵支撐材料，應用于各種功能薄膜的制備。

提到高純金屬濺射靶材，則不得不提在這一領域擁有國內主導權的有研億金新材料公司（以下簡稱有研億金）。有研億金由北京有色金屬研究總院稀貴金屬材料研究所轉制成立，自2005年開始進行集成電路高純金屬靶材的研究，是國內規模最大、材料種類最齊全、綜合實力最強的高端電子信息用高純金屬材料研發制造基地，也是全球第三家、中國唯一一家具備從超高純原材料到濺射靶材、蒸發膜材垂直一體化研發、生產能力的產業化平臺。

有研億金在靶材領域擁有專業的研發技術人員50多名，其中博士9名，碩士23名，教授級高工8人。在高純金屬提純制備、微觀組織控制、異質材料連接、精密成型加工以及分析檢測等技術領域申報專利100余件，授權51件；作為獨立或負責起草單位頒布標準21項，并新申請立項11項，幾乎涵蓋了我國電子薄膜領域所有的高純金屬材料國家或行業標準，建立了高純材料性能評價方法和檢測標準，填補了國內空白，其中5次榮獲優秀技術獎；通過自主創新研發的集成電路用高端靶材產品先后三次獲得“中國半導體創新產品和技術獎”，獲國際新材料產業博覽會金獎1項，獲北京市自主創新產品及新產品、新技術認定6項，并榮獲省部級科學技術獎3項，是我國半導體材料領域技術創新領先企業。

有研億金產品涵蓋銅、鈦、鈷、鋁、鎳、金、銀、鉑、釕及合金等電子信息行業用全系列高純金屬材料，累計創造經濟效益超過20億人民幣。其中蒸發材料全球市場占有率第一，4～6英寸靶材國內市場占有率第一，8英寸線以上規模日益擴大，先進封裝靶材市場國內占有率第一。

2012年，有研億金被認定為國家技術創新示范企業；靶材部門榮獲“2013年度中央企業青年文明號”稱號；2014年“高純金屬濺射靶材工程技術研究中心”獲得北京市認定；2014年公司同時榮獲國家火炬計劃重點高新技術企業。

作為我國高端電子信息用金屬材料領域的領跑者，有研億金先后承擔了北京市重大科技計劃項目、國家863重點項目、國家02科技重大專項、國家科技支撐計劃等重大項目，在材料物理化學冶金和加工制備領域具有非常堅實的技術基礎，是目前繼美日公司之后，第三家能夠實現從超高純原材料到高性能靶材垂直一體化研制、生產的微電子光電子材料公司。

在有研億金，電子信息用有色金屬材料的高純化制備及規模化生產成為可能；高性能濺射靶材的制備技術從無到有，成功開發應用。而這，離不開何金江及他所在團隊的擔當和作為。

據何金江介紹，集成電路所用有色金屬材料包括鋁、銅、鈦、鉭、鎳及貴金屬等。這些金屬及其合金因在電學、磁學、熱學、光學、化學等方面的特性，被廣泛應用于高性能功能薄膜的制備。化學純度是影響薄膜材料性能的關鍵，隨著單位面積集成器件數的急劇增長，薄膜材料的純度因素影響越來越大，如納米互連工藝中銅及其合金純度要求最高，達到6N以上。而能否制備高純金屬原材料成為靶材生產制造的基礎。同時，高純金屬產業的發展，對于高純金屬規模化制備工藝的成熟度、經濟性和可靠性等方面提出了非常高的要求。

美國和日本公司在高純材料的純化方面居于世界領先地位，能夠提純制備出各種高純金屬材料。我國在上世紀較早時期就能夠在實驗室實現部分金屬試劑級別的純化制備，但是極少能夠實現批量生產。有研億金是世界第三家能夠掌握多種高純金屬提純并實現量產的公司。

自2005年以來，有研億金何金江所在團隊通過開展濕法及熔鹽電解精煉、溶劑萃取、離子交換等除雜過程中雜質元素遷移規律的研究，采取控制雜質元素含量、提高工藝穩定性及產品質量的措施，實現高純金屬材料的國產化，保證材料的電子級純度。其中超高純銅純度>6N，鈦純度>4N5，鎳純度>4N5，鈷純度>5N，銀、金、鉑、釕等貴金屬純度達到5N的水平；同時，他們開展了大尺寸高純金屬鑄錠成型技術研究，采用真空感應熔煉、電子束熔煉等技術制備出直徑φ≥200mm的低缺陷高純金屬原材料，用于高純金屬靶材的制備。

為了提高薄膜材料的綜合性能，他們致力于開發微觀組織均勻可控、高強度、高穩定性和長壽命的高效能高純濺射靶材，材料的強塑性變形技術、高強度焊接和靶材結構的優化設計等成為重要的研發方向。何金江與他的團隊開發出集大尺寸高純錠坯成型+微觀組織精細調控+高可靠性連接+精密成型加工+高純材料分析檢測等在內的全套自主知識產權的高性能靶材制備技術。

目前，有研億金公司研制的集成電路靶材涵蓋4英寸線以上主流濺射機臺所用產品，掌握不同晶體結構高純金屬的變形加工及再結晶行為特征，制定高純金屬靶材微觀組織控制方法，采用多步可控的熱機械處理工藝，實現高純金屬靶材晶粒細化、取向可控；同時全面掌握各種復合連接技術，并設計制備出高利用率的長壽命鋁、銅、銀等靶材，提高靶材的性價比。目前已建有高純鋁、鈦、銅、鈷、鎳釩、鎢鈦和貴金屬等多條靶材生產線，產品性能達到國外同類水平，在國內所有半導體企業均有應用，多項產品完全替代進口，特別是封裝靶材領域，占領國內80%市場份額。

何金江介紹，有研億金還積極與國內外先進的設備制造商和集成電路制造企業合作，進行靶材新品開發應用方面的聯合研發，從靶材設計、制備到薄膜性能測試評價，通過不斷優化，研制出高性能的靶材，真正實現從濺射設備到配套靶材的全面國產化，同時為我國PVD領域的技術進步作出貢獻。

有研億金擁有一支具有開拓精神的優秀管理團隊，在公司總經理王興權的帶領下，目前公司的超高純銅、鎳、鈷及各種貴金屬材料均實現產業化，鋁、鈦、銅、鈷等十余種材料的靶材也均實現了產業化。

在多年研究基礎上，有研億金根據靶材產品的生產經驗和使用要求制定的多項國家/行業高純金屬及靶材系列標準，規范了該類產品的生產、流通和質量，提升了行業發展水平，為我國高端金屬材料的發展作出了貢獻。公司建立的北京市高純金屬濺射靶材技術工程技術研究中心服務于集成電路行業，有效提升高純金屬提純及先進制備、加工與成型新技術的應用開發和集成創新能力，加快靶材產業新技術開發和產業化步伐，實現電子核心基礎產業配套材料的批量穩定供應，保障電子信息產業鏈的安全發展。

回首來路，可以見證他們快速追趕的步伐：

2010年，4～8英寸集成電路制造用超高純鋁合金及鈦靶材獲“北京市自主創新產品”；“集成電路及分離器件用超高純貴金屬靶材”榮獲第五屆中國半導體創新產品和技術獎；

2011年，“集成電路用超高純銅原材料及200mm銅濺射靶材”榮獲第六屆中國半導體創新產品和技術獎，有研億金成為我國最大的集成電路制造企業中芯國際的合格供應商；

2012年，“半導體用蒸發料及靶材系列標準” 項目獲中國有色金屬工業科學技術三等獎；

2013年，“集成電路高密度封裝用超高純鋁合金濺射靶材” 榮獲第八屆中國半導體創新產品和技術獎；“微電子用高純貴金屬靶材關鍵技術及產品開發”項目獲中國有色金屬工業科學技術二等獎；同年成為全球最大、最先進的集成電路制造服務企業臺積電（TSMC）的合格供應商；并與國內先進的微電子設備制造商北方微電子建立了戰略合作關系，聯合開發以實現我國高端濺射設備和材料完全國產化；同時成為高端手機指紋識別技術用鋁合金靶材唯一全球材料供應商。

2014年，集成電路先進封裝用高純金屬及合金濺射靶材產業化項目獲2014年北京市高新技術成果轉化項目認定；北京市高純金屬濺射靶材工程技術研發中心獲得北京市認定；“超高純銅靶材”獲第三屆中國國際新材料產業博覽會金獎；“極大規模集成電路300mm 硅片工藝用濺射靶材研發與產業化” 獲得2014年度中國有色金屬工業科學技術獎一等獎；超高純銅靶材獲中關村國家自主創新示范區新產品新技術認定。

2015年，超高純鋁、鈦、鎢鈦等靶材獲北京市新產品、新技術認定……

高純有色金屬材料因其優良的理化性能，廣泛用于集成電路制造工藝中，成為保證集成電路器件性能和發展集成電路技術必不可少及不可替代的材料。隨著技術的不斷進步和升級，對金屬材料的需求量將越來越大。特別是近年來，以物聯網和可穿戴設備等為代表的電子產品市場需求巨大，同時汽車電子、醫療電子、安防電子等行業應用的持續深入，以及新材料、新技術等應用領域的技術突破，使我國成為全世界集成電路產業增長速度最快、市場需求最為旺盛的國家。我國以及全球集成電路產業對高端材料和產品的持續、巨大需求為材料企業的自主創新和超越發展提供了寬廣的舞臺。

著眼于未來，何金江與他的團隊正致力于在新一代器件用新材料開發方面進行前沿研發，利用有研億金的良好平臺，積極配合國內外先進企業的研發，開發各種新材料產品，滿足新技術的應用需求，推動國內集成電路產業的騰飛。