何金江：材料创新为集成电路奠定超越基石

庞贝+杨进平

何金江：1979年7月出生，教授级高级工程师、硕士生导师。何金江博士从事电子信息用金属电子材料研究与产业化技术工作近十年，作为主要带头人，在高纯金属制备、高性能溅射靶材开发等方面具备扎实的理论基础和突出的技术创新能力，主持和参与国家科技重大专项、863、国家科技支撑计划、国防军工和北京市重大科技项目等研究课题20多项，率领公司科研团队先后突破了多项高超/超高纯金属靶材研制与产业化生产关键技术。

他在国内外学术期刊和会议上发表论文30余篇，申请专利61项（含1项国际PCT专利），已授权专利28项（其中发明专利15项）；主导和参与制定国家/行业标准12项，已颁布标准6项，3项获技术标准优秀奖；获得省部级一、二、三等奖各1项；2015年入选北京市科技新星计划。个人先后荣获2013年全国有色金属标准化技术委员会“标准化先进工作者”、第二十二届北京市“优秀青年工程师”、第七批北京市“优秀青年人才”等称号，2015年荣获第十八届中国科协杰出青年成果转化奖。

2013年，我国集成电路产业实现销售收入2508亿元，进口额高达2313亿美元，首次超过石油成为我国第一大进口商品。2014年，集成电路产业销售收入为2672亿元，进口额仍达到2176亿美元。在产业可观增长的背后，却是集成电路产品的巨大逆差和对进口产品的严重依赖。

问题如此明显，又是如此严竣，呼唤着业内人士的作为，考验着他们的智慧与勇气。

而这些挑战当中，对于技术的挑战又集中在哪里？材料，在集成电路的国际博弈中占有什么分量？要追赶的路程还有多远？北京有色金属研究总院有研亿金新材料有限公司副总工程师、北京市高纯金属溅射靶材工程技术研究中心副主任何金江为我们解疑释惑。

何金江，2015年因在高性能溅射靶材开发等方面突出的创新能力，荣获第十八届中国科协杰出青年成果转化奖。

材料，分量几何？

集成电路产业作为电子信息产业的核心，是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，一直都受到国家高度重视。

目前，我国集成电路产业规模列位居世界前列，已经形成了芯片设计、制造、封装测试及支撑配套业共同发展的较为完善的产业链格局。自2008年以来相继启动的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”等国家科技重大专项的实施，奠定了集成电路产业的技术基础，同时也使我国在关键装备、材料产业领域实现突破。2014年是我国集成电路产业发展具有里程碑意义的一年，国务院发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》，并设立国家集成电路产业投资基金，扶植力度空前。在可预见的未来，集成电路产业必将成为支撑信息产业的核心力量和推动两化深度融合的重要基础。

然而，我们必须认清的现实是，到目前为止，与国际龙头企业相比，我国集成电路制造业在先进工艺方面的距离至少差1～2代，设备制造被美国、日本、荷兰等几家企业垄断，材料供应被美国、日本等掌握着控制权，这些集成电路巨头纷纷加速资源整合、重组步伐，不断扩大产能，强化产业链核心环节控制力和上下游整合能力，急欲拉大与竞争对手的差距。

起步晚，资源和创新要素积累不足，国内集成电路企业面临严峻挑战。

何金江指出，目前普遍认为，集成电路技术的发展无论是延续摩尔定律，还是超越摩尔定律，芯片集成度和性能的不断提升将更多地依赖多种技术创新应用，特别是新型器件结构设计和新材料技术的突破。

工艺、装备和材料是集成电路制造的三大组成部分，我国的集成电路技术主要是引进国外相对较落后的工艺，相关关键装备和材料也最初都是全套引入。客观地说，国内公司开发的产品相对低端，在基础器件的原理和工艺开发等方面缺乏积累，较少原创性东西，目前集成电路制造中关键技术比如铜互连、高k金属栅、FinFET等技术都是美国创新出来的，而这些技术都和新材料的应用密不可分。

目前我国在集成电路材料的制约主要在体现在：第一，高端芯片/器件开发的滞后：国外领先的集成电路企业有很强的新材料开发、工艺原理开发团队，能够整合相关资源，共同推进，引领行业发展。而国内集成电路企业缺乏对于新材料的探索，无法深入进行基础性、革命性创新，目前主要做跟进研发；再者国内大部分科研院所和高校进行的研发通常难以与实际工艺接轨，离日益复杂的工艺条件相差较远，整体力量相对薄弱，且难以持续进行探索研究。因此，产业发展相对低端。第二，生产制造成本的增加：通过估算，材料成本在集成电路芯片成本中占30%～50%。进口材料价格比较贵，对企业的成本压力很大，同时由于采购周期长，增加原材料库存成本，还可能造成产品的生产制造时间延后，供货能力、规模化生产能力不足。

创新，志在超越！

材料创新在集成电路博弈中占有基础性地位，材料创新的关键点又在哪里？答案之一便是高纯金属溅射靶材。

高纯金属溅射靶材作为电子材料的重要组成部分，已渗透到电子信息科技的各个领域，是芯片制造和封装中物理气相沉积（PVD）工艺所需关键支撑材料，应用于各种功能薄膜的制备。

提到高纯金属溅射靶材，则不得不提在这一领域拥有国内主导权的有研亿金新材料公司（以下简称有研亿金）。有研亿金由北京有色金属研究总院稀贵金属材料研究所转制成立，自2005年开始进行集成电路高纯金属靶材的研究，是国内规模最大、材料种类最齐全、综合实力最强的高端电子信息用高纯金属材料研发制造基地，也是全球第三家、中国唯一一家具备从超高纯原材料到溅射靶材、蒸发膜材垂直一体化研发、生产能力的产业化平台。

有研亿金在靶材领域拥有专业的研发技术人员50多名，其中博士9名，硕士23名，教授级高工8人。在高纯金属提纯制备、微观组织控制、异质材料连接、精密成型加工以及分析检测等技术领域申报专利100余件，授权51件；作为独立或负责起草单位颁布标准21项，并新申请立项11项，几乎涵盖了我国电子薄膜领域所有的高纯金属材料国家或行业标准，建立了高纯材料性能评价方法和检测标准，填补了国内空白，其中5次荣获优秀技术奖；通过自主创新研发的集成电路用高端靶材产品先后三次获得“中国半导体创新产品和技术奖”，获国际新材料产业博览会金奖1项，获北京市自主创新产品及新产品、新技术认定6项，并荣获省部级科学技术奖3项，是我国半导体材料领域技术创新领先企业。

有研亿金产品涵盖铜、钛、钴、铝、镍、金、银、铂、钌及合金等电子信息行业用全系列高纯金属材料，累计创造经济效益超过20亿人民币。其中蒸发材料全球市场占有率第一，4～6英寸靶材国内市场占有率第一，8英寸线以上规模日益扩大，先进封装靶材市场国内占有率第一。

2012年，有研亿金被认定为国家技术创新示范企业；靶材部门荣获“2013年度中央企业青年文明号”称号；2014年“高纯金属溅射靶材工程技术研究中心”获得北京市认定；2014年公司同时荣获国家火炬计划重点高新技术企业。

作为我国高端电子信息用金属材料领域的领跑者，有研亿金先后承担了北京市重大科技计划项目、国家863重点项目、国家02科技重大专项、国家科技支撑计划等重大项目，在材料物理化学冶金和加工制备领域具有非常坚实的技术基础，是目前继美日公司之后，第三家能够实现从超高纯原材料到高性能靶材垂直一体化研制、生产的微电子光电子材料公司。

在有研亿金，电子信息用有色金属材料的高纯化制备及规模化生产成为可能；高性能溅射靶材的制备技术从无到有，成功开发应用。而这，离不开何金江及他所在团队的担当和作为。

据何金江介绍，集成电路所用有色金属材料包括铝、铜、钛、钽、镍及贵金属等。这些金属及其合金因在电学、磁学、热学、光学、化学等方面的特性，被广泛应用于高性能功能薄膜的制备。化学纯度是影响薄膜材料性能的关键，随着单位面积集成器件数的急剧增长，薄膜材料的纯度因素影响越来越大，如纳米互连工艺中铜及其合金纯度要求最高，达到6N以上。而能否制备高纯金属原材料成为靶材生产制造的基础。同时，高纯金属产业的发展，对于高纯金属规模化制备工艺的成熟度、经济性和可靠性等方面提出了非常高的要求。

美国和日本公司在高纯材料的纯化方面居于世界领先地位，能够提纯制备出各种高纯金属材料。我国在上世纪较早时期就能够在实验室实现部分金属试剂级别的纯化制备，但是极少能够实现批量生产。有研亿金是世界第三家能够掌握多种高纯金属提纯并实现量产的公司。

自2005年以来，有研亿金何金江所在团队通过开展湿法及熔盐电解精炼、溶剂萃取、离子交换等除杂过程中杂质元素迁移规律的研究，采取控制杂质元素含量、提高工艺稳定性及产品质量的措施，实现高纯金属材料的国产化，保证材料的电子级纯度。其中超高纯铜纯度>6N，钛纯度>4N5，镍纯度>4N5，钴纯度>5N，银、金、铂、钌等贵金属纯度达到5N的水平；同时，他们开展了大尺寸高纯金属铸锭成型技术研究，采用真空感应熔炼、电子束熔炼等技术制备出直径φ≥200mm的低缺陷高纯金属原材料，用于高纯金属靶材的制备。

为了提高薄膜材料的综合性能，他们致力于开发微观组织均匀可控、高强度、高稳定性和长寿命的高效能高纯溅射靶材，材料的强塑性变形技术、高强度焊接和靶材结构的优化设计等成为重要的研发方向。何金江与他的团队开发出集大尺寸高纯锭坯成型+微观组织精细调控+高可靠性连接+精密成型加工+高纯材料分析检测等在内的全套自主知识产权的高性能靶材制备技术。

目前，有研亿金公司研制的集成电路靶材涵盖4英寸线以上主流溅射机台所用产品，掌握不同晶体结构高纯金属的变形加工及再结晶行为特征，制定高纯金属靶材微观组织控制方法，采用多步可控的热机械处理工艺，实现高纯金属靶材晶粒细化、取向可控；同时全面掌握各种复合连接技术，并设计制备出高利用率的长寿命铝、铜、银等靶材，提高靶材的性价比。目前已建有高纯铝、钛、铜、钴、镍钒、钨钛和贵金属等多条靶材生产线，产品性能达到国外同类水平，在国内所有半导体企业均有应用，多项产品完全替代进口，特别是封装靶材领域，占领国内80%市场份额。

何金江介绍，有研亿金还积极与国内外先进的设备制造商和集成电路制造企业合作，进行靶材新品开发应用方面的联合研发，从靶材设计、制备到薄膜性能测试评价，通过不断优化，研制出高性能的靶材，真正实现从溅射设备到配套靶材的全面国产化，同时为我国PVD领域的技术进步作出贡献。

有研亿金拥有一支具有开拓精神的优秀管理团队，在公司总经理王兴权的带领下，目前公司的超高纯铜、镍、钴及各种贵金属材料均实现产业化，铝、钛、铜、钴等十余种材料的靶材也均实现了产业化。

在多年研究基础上，有研亿金根据靶材产品的生产经验和使用要求制定的多项国家/行业高纯金属及靶材系列标准，规范了该类产品的生产、流通和质量，提升了行业发展水平，为我国高端金属材料的发展作出了贡献。公司建立的北京市高纯金属溅射靶材技术工程技术研究中心服务于集成电路行业，有效提升高纯金属提纯及先进制备、加工与成型新技术的应用开发和集成创新能力，加快靶材产业新技术开发和产业化步伐，实现电子核心基础产业配套材料的批量稳定供应，保障电子信息产业链的安全发展。

回首来路，可以见证他们快速追赶的步伐：

2010年，4～8英寸集成电路制造用超高纯铝合金及钛靶材获“北京市自主创新产品”；“集成电路及分离器件用超高纯贵金属靶材”荣获第五届中国半导体创新产品和技术奖；

2011年，“集成电路用超高纯铜原材料及200mm铜溅射靶材”荣获第六届中国半导体创新产品和技术奖，有研亿金成为我国最大的集成电路制造企业中芯国际的合格供应商；

2012年，“半导体用蒸发料及靶材系列标准” 项目获中国有色金属工业科学技术三等奖；

2013年，“集成电路高密度封装用超高纯铝合金溅射靶材” 荣获第八届中国半导体创新产品和技术奖；“微电子用高纯贵金属靶材关键技术及产品开发”项目获中国有色金属工业科学技术二等奖；同年成为全球最大、最先进的集成电路制造服务企业台积电（TSMC）的合格供应商；并与国内先进的微电子设备制造商北方微电子建立了战略合作关系，联合开发以实现我国高端溅射设备和材料完全国产化；同时成为高端手机指纹识别技术用铝合金靶材唯一全球材料供应商。

2014年，集成电路先进封装用高纯金属及合金溅射靶材产业化项目获2014年北京市高新技术成果转化项目认定；北京市高纯金属溅射靶材工程技术研发中心获得北京市认定；“超高纯铜靶材”获第三届中国国际新材料产业博览会金奖；“极大规模集成电路300mm 硅片工艺用溅射靶材研发与产业化” 获得2014年度中国有色金属工业科学技术奖一等奖；超高纯铜靶材获中关村国家自主创新示范区新产品新技术认定。

2015年，超高纯铝、钛、钨钛等靶材获北京市新产品、新技术认定……

高纯有色金属材料因其优良的理化性能，广泛用于集成电路制造工艺中，成为保证集成电路器件性能和发展集成电路技术必不可少及不可替代的材料。随着技术的不断进步和升级，对金属材料的需求量将越来越大。特别是近年来，以物联网和可穿戴设备等为代表的电子产品市场需求巨大，同时汽车电子、医疗电子、安防电子等行业应用的持续深入，以及新材料、新技术等应用领域的技术突破，使我国成为全世界集成电路产业增长速度最快、市场需求最为旺盛的国家。我国以及全球集成电路产业对高端材料和产品的持续、巨大需求为材料企业的自主创新和超越发展提供了宽广的舞台。

着眼于未来，何金江与他的团队正致力于在新一代器件用新材料开发方面进行前沿研发，利用有研亿金的良好平台，积极配合国内外先进企业的研发，开发各种新材料产品，满足新技术的应用需求，推动国内集成电路产业的腾飞。