港產創新研發❶/中大研量產3D芯片 突破歐美「卡脖子」

編者按

InnoHK創新香港研發平台是特區政府的重點創科項目，旨在匯聚全球頂尖科研機構，推動科研成果從實驗室走向市場。繼專注醫療科技的Health@InnoHK、專注人工智能及機械人技術的AIR@InnoHK後，創新科技署又於今年三月推出SEAM@InnoHK平台，聚焦可持續發展、能源、先進製造及材料，緊密對接國家「十五五」規劃對新能源、新材料、智能製造及太空科技的重點方向。

據悉，SEAM@InnoHK平台涉及的八大中心，將會在明年上半年陸續入駐科學園。《大公報》推出「港產創新研發」系列，採訪各相關中心負責人，向讀者介紹相關進展和故事，展示香港創新發展新風采。

我們手機、電腦裏的芯片，過去一直是「平躺」的，所有電路和器件都密密麻麻地鋪在一片薄薄的矽片表面。為了讓芯片技術實現革命性突破，半導體科學家已開始研發「立起來」的芯片，即三維芯片。而剛納入SEAM@InnoHK平台的香港中文大學「異質集成與製造中心」（簡稱CHIP），肩負着更重要的任務：不但要設計出三維芯片，還要實現量產，融入國家半導體發展大局，突破歐美技術「卡脖子」。

作為CHIP負責人之一，中大機械與自動化工程學系教授陳世祈日前接受《大公報》專訪時表示，中心的目標是完成從實驗室到中試的完整驗證，推動科研成果的轉化落地。「有關項目預計將在今年9月份正式啟動，希望用五年時間，完成與產業界合作及融資，推向商業化。」\大公報記者　湯嘉平（文） 林少權（圖）

與二維芯片相比，三維芯片的好處在於器件之間的距離變短了，信號跑得更快，芯片自然算得也更快，而且耗電還更少。陳世祈說：「將來用在可穿戴設備上，耗電量可能只有現在的十分之一。」

然而，批量生產三維芯片需面對幾個難題：晶片的可靠堆疊離不開成熟的鍵合技術和更高精度的對準技術，散熱效能也需要優化；另外，傳統芯片材料──矽在某些性能（如發光、彎曲、極薄）上已接近極限，科學家們也在尋找更好的新材料。將不同材料的元件組合封裝成新芯片，便稱為「異質集成」，這也是CHIP中心名稱的由來。

自主開發關鍵設備

三維異質集成技術已成為提升現代電子產品效能和功能的關鍵。為推動該技術的發展、在全球研發競賽中搶佔一席之地，CHIP將協同發展以下三個領域的研究項目：（一）專注於開發關鍵的半導體精密製造和計量設備，包括晶圓鍵合系統、二維光刻平台和激光刻蝕機，旨在為三維和光子集成電路的速度、精度和可擴展性樹立新標杆。（二）專注於基礎材料工程和先進封裝解決方案，包括鍵合技術、芯片界面熱管理和二維材料製備，以實現工業規模的異質集成。（三）致力於開發基於異質集成的新型元件和系統，包括電子─光子集成電路、後端製程（BEOL）兼容器件、二維材料─矽混合光電芯片和柔性傳感器模組。其中第一項主要由陳世祈負責，第二和第三項由電子工程學系教授趙鈮負責。

「現在國家在先進半導體設備上被歐美『卡脖子』，有些設備買不到，未來需要的部分設備市場上也不存在。我們中心的特色就是要自主研發這些關鍵設備。」陳世祈表示，要實現三維半導體芯片，需要新的鍵合設備、對準技術及適配矽光的光刻系統。傳統半導體研究中心通常不涉足設備研發，多從美國的「應材」（AMAT）與「科磊」（KLA，KLAC）等大公司購買。惟引進設備始終受制於人，自己研發設備、實現從設備研發、工藝優化、到器件開發的閉環才最穩妥。

關於第二項，趙鈮解釋，主要是把不同材料製成的芯片像漢堡夾層一樣垂直堆疊在一起，要疊得牢固、精準，還能在工廠裏大批量生產。第三項則是在此基礎上研發更強大的終端產品，其中提到的「電子─光子集成電路」，便是在同一個芯片上，同時整合處理電子和光子的電路。電子負責邏輯運算，光子則負責高速傳輸數據。

藉灣區製造優勢實現突破

陳世祈表示，以上技術在全球工業界尚未完全實現量產，從實驗室研究成果到大規模產業應用存在顯著鴻溝。「工業生產要求極高良率，不能出現大量不合格產品；而實驗室在研發階段專注技術驗證，通常不需要過多考慮量產的精度和穩定性。」

CHIP的使命，正是在研發階段提前攻克這些核心難題，讓實驗室研究成果導入工業界後能快速優化並實現量產。

趙鈮表示，半導體產業需要龐大的產業鏈支撐。CHIP的定位是融入國家半導體發展大局，攻克關鍵核心技術，補充產業鏈的短板。「CHIP中心在單項技術上有信心達到全球領先水準，但成果要嵌入國家產業鏈，借助大灣區製造優勢，方能實現整體突破。」