从零开始走到世界前沿，一家国产MEMS制造企业的10年发展历程
“MEMS-Casting技术的发明有点像在黑暗中摸索出来的，并不是一开始就设想好的。”当被问到技术发明过程，迈铸半导体的CEO顾杰斌博士跟记者讲述了MEMS-Casting是如何一点点被“发明”的。
“这项技术本质是铸造，通俗的讲就是将金属熔化灌注到模具中再冷却固化。但是我们通过一些微纳原理，将原来只能用于宏观尺寸的铸造缩小了近一百万倍，这样，在晶圆上实现复杂金属结构的微铸造也就成为可能了。这应该是一项原创性的技术，从大脑中的一个模糊概念到如今的产业化应用，如果从我博士研究就算起话，研发过程有10多年了。”在微观尺度液态金属行为领域，顾杰斌已经走到了世界前沿的位置。
2018年，顾杰斌成立了上海迈铸半导体科技有限公司，致力于晶圆级微机电铸造(MEMS-Casting)技术的产业化应用。目前已经完成了MEMS-Casting专用填充设备的研制和相关工艺的开发，最大已经可以实现8寸晶圆的工艺加工。这项技术目前在大尺寸TSV（硅过孔互连）、芯片线圈等领域正与多家客户在进行验证。从浙江大学的理论物理学本科和电子信息工程(第二学位)，到英国南安普顿大学的微电子专业，再到英国帝国理工大学的MEMS专业，到如今的中科院的这项用于微电子的微机电铸造技术，顾杰斌一直在物理与电子行业穿梭。MEMS-Casting技术就是物理和电子的一个结合。
▲迈铸半导体CEO顾杰斌博士
遗憾、灵感与三年的验证
“我要发明一项可以真正能用起来的技术。”
2012年2月29号，带着这个想法，顾杰斌踏上回国的飞机。2010年，他从英国帝国理工大学电子电气工程专业博士毕业，又留校工作了一年。博士期间，顾杰斌研究了一项利用Gibbs–Thomson现象用于TSV金属化填充的技术。
Gibbs–Thomson现象是指微观尺度的液体在表面张力驱使下自主流动并形成最小表面能的一种行为。TSV（Through Silicon Via，硅通孔技术）是一种穿透硅基板的垂直电互连技术，它不仅可以减小互联长度、减小信号延迟，降低电容/电感等，最重要的是它可以实现芯片的三维堆叠封装，是半导体先进封装中最重要的电互连技术。这是一项典型的将物理原理用于电子行业应用的研究。
顾杰斌研究的这项技术受到了帝国理工技术转化中心Imperial Innovation的认可并申请了专利。“这是我人生中第一次申请专利，当时申请得特别认真，那段时间整个人感觉也特别有干劲。”这项研究在这个领域最核心的期刊都发了论文，也参加过许多重要的学术会议。但因多方原因，专利最终没能成功转化。顾杰斌认为，如果实验室研究的技术只是停留在论文上，整个研究就没这么太大的意义。能发明一项技术并在产业界能真正用起来才是有挑战的一件事。
2012年3月1日顾杰斌的飞机在上海落地。在传感技术国家重点实验室李昕欣主任的建议下，他来到在中国科学院上海微系统与信息技术研究所工作，并开始琢磨一个全新的TSV合金填充的方法。顾杰斌说，“回国的时候我就在想，如果可以避免使用微锡球，而是直接从一个合金池里实现TSV填充才会更实用。”这个方法只有一个模糊的概念，“一开始连我自己也不太清楚这个方法的具体原理是什么，只是直觉告诉我应该是可以这样做。”
1年后，顾杰斌在一篇文献上看到“Liquid Bridge”时，突然意识到这个想法的本质是用液桥来实现液态合金切割。“然后就是求解拉普拉斯方程来计算切割的条件。这个偏微分方程我还是找数学很好的一个大学同学帮忙解的。当计算结果与有限元仿真的曲线完全能对上，我才知道这个原理部分是弄对了。水银体温计其实用是一样的原理。”
此后两年，顾杰斌开始自研设备将这个原理用于实现从一个合金池的表面实现TSV的填充。其难度远超他读博士时研究的技术。
▲顾杰斌博士在实验室
“第一台设备太简陋了，只有微波炉大小，并且全部步骤需要手动操作。大概试了半年后发现结构设计有问题就放弃了，开始做第二台设备。第二代设备的体积要大很多，并且开始加入了PLC作自动控制。在研制设备的过程中，其实也学到了许多机械设计加工，各种阀门种类和应用以及PLC等知识。”
直到2015年年中，顾杰斌终于在自制的第二代设备上实现了基于Liquid bridge的切割的TSV填充，“只记得当时不停地修改设备的结构和实验，已经记不清改了多少次了。到后来连设备的PLC程序都是自己改的。”此时距他回国已经有3年。
▲8年迭代的微机电铸造专用填充设备
从TSV到微机电铸造
“2015年这个利用液桥切割的TSV技术做出来后，我感觉再在实验室里做研发有点像是闭门造车了。”顾杰斌说。正好在2015年的年底中国半导体协会有个关于先进封装的论坛，他就去讲了他刚做出不久的这项新的TSV技术。“结果没有人找我做TSV，但中车却找上来了。”
原来中车的一个团队在研发下一代的磁通门传感器，需要用到芯化式的螺线线圈。而TSV是芯片式螺线线圈主要结构。“在与中车讨论了几个月，完全明白了他们的意图后，我说与其上下再布线形成完整的线圈，不如整个线圈一次成型怎么样？”这个提议一下子得到中车的认可。顾杰斌本计划几个月完成数百颗线圈芯片，结果整整花了1年，才做出第一颗。
“这里碰到的最大问题是合金固化收缩，”顾杰斌说，“合金固化时体积有3%左右的收缩，这对于体积很小的TSV不是太大的问题，但对于展开有近一米长的线圈来说就是个大问题。”为了解决这个问题，顾杰斌一方面请教金属方面的专业人士探讨可行的解决方案，另一方面也看了大量的资料。
“中间其实走了不少弯路。2017年有段时间我一直泡在上海图书馆。一开始还是想用宏观铸造中解决固化收缩的思路，就是通过补偿方式来解决。但渐渐明白补偿在我做的这种微尺度的铸造中是没法实现的。补偿需要的温度梯度，而我们不可能在只有几十微米的尺度下实现几十度的温度差。”他又开始大量看资料和思考，时间又过去了半年。
“有天早晨起来，我脑子里突然有了个解决方法。”顾杰斌回想起来依然有点激动，“这个收缩问题最后我是用化整为零的方法解决了，固化收缩还在，只是你看不到了。”
顾杰斌还总结出两个感触：“第一，一个问题，如果你不能打败它，就要学会与它和平相处。我们没法消灭收缩，但可以与之和平相处。第二，一个物理问题的解决需要从更底层的原理去思考。这有点像马斯克第一性原理。”
2017年12月底，顾杰斌终于做出第一颗满足中车要求的线圈芯片。此时距离他回国已经差不多6年了。
而今迈步从头越，向前铸就新征程
2016至2017年，顾杰斌参加了中科创星的硬科技创业营。
在此期间，中科创星决定给顾杰斌博士的技术做种子轮投资。2018年3月，顾杰斌成立了上海迈铸半导体科技有限公司做这项技术的转化。公司刚成立时，这项技术甚至还没有一个名字。直到2018年底，顾杰斌才给这项技术起了MEMS-Casting。“迈铸”源于“MEMS-Casting”的音译和意译，即是基于微机电系统技术的铸造之意。
“公司成立后，我们其实在技术上又有许多突破，其中最重要的是三个项，一是解决了从小片到晶圆级的填充，即解决了这项技术用于晶圆加工的一致性问题，晶圆级填充是这项技术能否真正实现产业化应用的关键；二是彻底解决了填充过程中气泡造成的缺陷问题，而且填充的饱满度有大幅的提升；三是完成了更高熔点更好导电率的锌铝合金的填充工艺开发。”顾杰斌之前的研究中合金材料用的都是锡合金，这种材料熔点低，导电性能也相对较差。只有200多度的熔点限制了许多应用。而锌铝合金的熔点近400度并且导电性能较锡合金提高了近一倍。
“锌铝合金的填充工艺开发也充满了戏剧性，”顾杰斌说，“这种材料刚开始试验时一塌糊涂，我们发现这种合金材料居然会溶解硅材料。中间有段时间有点一筹莫展。但做工艺开发的同事无意中发现了一个方法，所有的问题竟然一下子全解决了。”
▲µCasting Solenoid线圈
“给中车做的这个线圈的电阻值，最开始是30欧，后来降到了20欧，再后来通过材料降到了12欧，现在只有6欧了。”顾杰斌自豪地说。“我们现在也在和有色金属研究院合作开发导电性能更好的铝金材料，到时候电阻还能进一步下降。”
▲150匝线圈X–ray图
这项技术相关的研究在重要的学术期刊和会议已发表有20多篇论文，例如顶级的电子器件期刊Electron Device Letters (EDL)，连续2年被顶级国际学术会议IEEE MEMS录取为口头报告。2021年，获IEEE EDTM会议唯一的一等奖。目前迈铸半导体已经完成了8寸晶圆MEMS-Casting专用设备的研发。2021年迈铸半导体新建设的研发中心已正式启用。除了四台自行研制的微机电铸造专用设备外，新研发中心还将陆续增添打线设备、研磨设备、热氧设备以及深硅刻蚀设备等，以满足后续日益增加应用需求。
▲迈铸半导体研发中心
目前公司已授权专利达18项，服务客户近10家。在线圈芯片方面，从最开始给中车做的线圈中又引申出多种线圈结构，在军工、工业、消费类电子等领域不断地扩展应用，潜在的市场规模有近百亿。其广泛的产业渗透前景颇得资本市场青睐，近日，迈铸半导体已完成千万级Pre A轮融资，本轮融资将用于公司新合金材料工艺的研发、新研发中心建设、市场推广和人才建设等。
顾杰斌对这项技术以及未来的发展有着清晰的思路。在微机电铸造技术之前，半导体行业厚金属沉积几乎只有电镀这一种方法，但是电镀有着工艺复杂、高污染以及不适合用于复杂三维结构的缺点。微机电铸造技术相当于给业界提供了一个新的厚金属沉积的工具。“我们公司的愿景是：基于独创的微机电铸造技术，为行业提供一种清洁高效的厚金属沉积解决方案，并实现这项技术在半导体先进封装和MEMS电磁器件中的广泛应用。”
从脑海中模糊的概念到商业化，顾杰斌走了10年的“铸芯”路。“从某种程度上说，我是幸运的，从物理原理到商业应用，这条道路充满未知和重重阻碍，但是也充满了乐趣，无论是前期在实验室的研发，还是后面产业化的应用，都是一个探索的过程。我很享受这个过程。所有的探索都面临着未知，但最吸引人的，也是未知。”作为一项底层的平台性技术，它还有许多潜应用的想像空间，相信顾杰斌博士的“铸芯”之路会越走越宽广。
审核编辑 黄昊宇
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