初步分析,问题极可能出在芯片本身的质量,而芯片的良品率与长期可靠性,追根溯源,与其基础材料——高性能硅衬底的质量密切相关。
该项目部分采用了进口芯片,但核心飞控芯片为体现自主可控,指定使用国内某骨干器件厂(“华微电子”)基于国产材料流片的产品。
华微反馈,其芯片制造工艺已尽全力优化,问题根源直指上游的硅材料性能瓶颈——特别是在载流子迁移率、氧含量控制、缺陷密度等方面,与国外顶尖产品存在差距,导致制造出的芯片在复杂苛刻的航空环境下性能衰减过快、软错误率升高。
公函最后,是航空部门领导的亲笔签名和殷切期望:“陆向真同志并新材料研究所:‘鹏程-20’事关国家航空工业崛起与国防安全,芯片乃其‘大脑’,材料乃芯片之基。望你所发挥引领作用,集中力量,限期攻关,务必解决此‘卡脖子’难题,为我大飞机翱翔蓝天提供最坚实的‘中国芯’支撑!时间紧迫,盼复!”
陆向真握着这薄薄几页纸,却感觉重逾千钧。
她立刻召集何沁、王世钧、江晓等核心骨干紧急会议。
会议室气氛凝重。
陆向真将公函内容通报后,直接切入技术核心:“航空级芯片,不同于普通商用芯片。它对材料的要求几乎是苛刻的:极高的可靠性、长时间寿命、应对极端温度变化和剧烈机械振动的稳定性。任何微小的材料缺陷——位错、氧沉淀、金属杂质、电阻率不均匀——在平时或许无关紧要,但在万米高空、极端环境下,都可能被放大,导致芯片功能失效,酿成灾难性后果!”
她目光扫过在场每一位专家:“我们之前的4英寸硅片,满足了普通民用和部分军用的需求,但距离航空航天的顶尖要求,还有距离。尤其是载流子迁移率、缺陷控制水平、以及材料在各种应力下的长期稳定性。”
“所长,问题是,航空芯片的要求指标,很多已经接近甚至超出了我们目前检测设备的极限。”何沁眉头紧锁,拿出了一叠数据,“这是华微提供的失效芯片分析报告和我们自家硅片的对比数据。很多失效模式很隐蔽,是长期老化或应力累积后才显现。”
“设备不够,就想办法改造。精度不够,就靠经验和理论弥补。”王世钧道,“当年搞锆合金管、搞单晶炉,哪次条件够?不都闯过来了?洋人能搞出来,我们肯定也行!”
“王总工说得对,但不能蛮干。”江晓如今已是独当一面的技术中坚,她冷静地分析,“航空芯片材料的关键,在于‘极致均匀’和‘极致纯净’,以及对抗热疲劳和机械疲劳的‘极致稳定’。这要求我们从多晶硅原料提纯、晶体生长热场设计、冷却过程控制、以及后续的晶圆加工每一个环节,都必须有质的提升。特别是……”
她顿了顿,看向陆向真,“氧含量的精确控制及其在后道热处理中的行为。”
陆向真赞许地点头:“江晓抓住了要害。氧在硅中是一把双刃剑。过少,硅片机械强度不够,易翘曲;过多或在后续工艺中形成不当氧沉淀,会成为载流子复合中心,导致漏电增加,器件性能退化。航空芯片要求在整个硅片内部,氧含量及其分布形态必须高度均匀和稳定。”
她站起身,走到黑板前,拿起粉笔:“这不是一次简单的工艺优化,这是一次需要多学科、多技术领域协同的系统性突破。我初步判断,我们需要在以下几个方向同时发力:
第一,原料端:高纯多晶硅的纯度必须再上一个数量级,特别是某些特定金属杂质,如铜、铁、金,必须控制在ppt级别以下。王世钧,你负责,联合化工部门,必须攻克超高纯精馏和还原技术。
第二,晶体生长端:热场设计必须再次革新!我们需要更精密、更稳定的温度控制,更优化的磁场应用策略,以抑制熔体对流,减少杂质分凝,获得氧含量和电阻率空前均匀的单晶。江晓,你牵头,林翰民林老顾问的理论支持至关重要,成立热场模拟优化小组。
第三,晶圆加工端:切割、研磨、抛光、清洗……每一步都可能引入损伤和污染。我们需要开发超低损伤的切割技术、更高效的清洗配方和工艺,确保晶圆表面和亚表面完美无瑕。何沁,你负责,成立加工工艺攻关组。
第四,表征检测端:必须建立能够评估航空级硅材料长期可靠性和极端环境性能的检测方法与标准。这是我们的眼睛,眼睛不亮,一切白费。我亲自抓,成立检测方法开发组。
第五,与下游协同:我们必须与‘华微电子’深度绑定,从材料研制之初就引入芯片制造的需求和失效模型,实现‘材料-设计-制造’一体化协同优化。我会亲自与‘华微’对接。”
任务分解下去,整个研究所再