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让国产靶材"溅射"全球 他做的"饼"一块价值几万美元

发布时间:2021/5/10
    宁波江丰电子的工人正在加工半导体材料
    一项打破国外公司垄断的关键技术,一块价值几万美元的“金属饼”,一件出厂便能影响到1000万辆汽车、1000万台手机的产品,一个关乎国家安全的战略产业,一段扎根甬城12年的创业传奇……这些都是资料中关于宁波企业江丰电子的关键描述。江丰电子董事长、国家“千人计划”专家姚力军笑称“自己是个做饼的人”,他做的饼名叫“超大规模集成电路制造用溅射靶材”。
一项打破国外公司垄断的技术
    最近两年,姚力军常常要接待从世界各地前来学习取经的年轻人。因为,市场上所销售的手机、平板电脑等电子产品都会用到江丰电子的产品——“超大规模集成电路制造用溅射靶材”。
在江丰电子的展示厅里,记者见到了高纯度溅射靶材,从外观上看,像是一块直径20厘米~60厘米的“大饼”,而其原料则是铝、铜、钛等金属材料。
“这就是一块超高纯钛的靶材。”江丰电子技术中心总监袁海军指着一块“金属饼”说,“它由两部分组成,上面这个灰色的就是高纯钛晶体,其下部的托盘是一块超强的铝合金。在芯片的生产过程中,不同的靶材在一起交互作用,金属原子被一层一层溅射到芯片上,再利用特殊的工艺,把它们切割成纳米级的金属导线。芯片的信息传输就全靠这些金属导线,因此没有金属靶材,就没有芯片。”
    目前,世界上只有少数几家企业能够生产高纯度溅射靶材,而江丰电子是唯一的中国企业。姚力军归国之前,这项技术一直被日本、美国的公司垄断。直到2005年年底,江丰电子成功制造出第一块国产靶材,改变了世界靶材制造业的格局,就此结束了我国在高纯度溅射靶材领域完全依赖进口的历史。
如今,江丰电子的产品已经打入了世界主流市场,目前,产品的销售已经覆盖了包括北美、欧洲、日本、韩国、新加坡等国家和地区的客户。全球有超过百余家芯片厂正在使用江丰电子的靶材。截至目前,公司拥有授权专利210项,其中发明专利162项。产品荣获“十一五”国家科技重大专项突出贡献奖、“十一五”国家科技计划执行突出贡献奖、国家战略性创新产品、“中国半导体创新产品和技术奖”等荣誉。
尽管如此,江丰电子在高纯溅射靶材行业中的国际市场占有率目前仅为0.44%;国内市场占有率为1.87%,国内半导体领域的市场占有率为6.98%。公司的主营业务收入2014-2016年年均复合增长率达34.01%。靶材英文叫作Target,意为目标。江丰的目标是,早日成为世界前三强的靶材制造商。
一块人类所能得到的最纯金属
    为何全中国只有江丰电子能生产这种产品?它的制造难度究竟在哪里?
    答案是纯度!在用于切割芯片的晶圆上,有许多闪光的东西。这些闪光物在高倍放大镜下就会“现出原形”——密密麻麻的金属导线。在一块指甲大小的晶圆上能切出上千个芯片,每一个芯片当中有上万米长的金属导线,导线的直径比头发的千分之一还要细,其对金属靶材的纯度要求之高可想而知。
    普通的金属纯度通常只能达99.8%,而溅射靶材的纯度通常高达99.999%以上。“这是人类所能得到的最纯的金属。”姚力军说,“正因为太纯了,金属变得非常软。在某些条件下,甚至可以用纸就能把它切开。”
因此,生产靶材的一个重要步骤就是“压延”。这并不是简单的把厚饼变成薄饼的过程,而是通过反复多次特定方向的形变来对金属内部的微观组织结构进行控制,决定着靶材工艺的可靠性和稳定性。每次压延的压力值与温度是姚力军团队经过上千次试验计算得出的。
    在将金属靶材焊接到金属底座托盘时,会用到江丰电子最贵的单体设备——热等静压机,该设备造价达几千万元。
在热等静压机里,钽、钛、铜等不同金属将经受几百摄氏度高温和1000个大气压以上的压力“洗礼”,从而现实大面积焊接,整个过程耗时近24个小时。
“这是目前世界上最顶级的金属焊接技术,它利用高温高压,使金属接触面上的原子进行‘无缝连接’,不需要任何焊料。以前这种高端焊接需要送到日本公司去代工,每加工一炉加工费需四五万元。”袁海军介绍,他们花了四年时间和国内设备厂家一同设计开发出了这个高端装备。仅这道工序,每年可以节省几百万元以上,同时加工周期也从一个月缩短到三天。在江丰,从溅射靶材的整体制造工艺到类似热等静压机等关键设备都是自主研发设计的。
    姚力军说:“芯片导线是纳米级,导线和导线之间的距离也非常细小。一颗我们肉眼看不到的灰尘如果落到芯片当中,就如同一座大山落到高铁轨道上,使十几条导线连成一块,从而让整个芯片报废。”
    同时,一个靶材,能够溅射出8000到10000个晶圆,而8000到10000个晶圆,而每个晶圆又能切出超过1000个芯片。因此,任何一块靶材有瑕疵,就可能影响到1000万辆汽车,或者1000万台手机。
    因此,任何一块不合格的靶材都将会给企业造成毁灭性的打击。“这就是为什么全球仅有少数几家公司能够生产溅射靶材的原因。”姚力军说。
    一段扎根甬城12年的创业传奇
    今天,江丰电子已经成为宁波市最具代表性的高新技术企业,并于今年6月15日登陆深交所。

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