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杨银堂: 40年筑梦“中国芯”
时间:2023-10-15 16:21:18来源:中国科学报点击:

半导体集成电路,是目前全社会广泛关注的芯片技术领域的内容之一。半导体集成电路是电子信息工业的“食粮”,更是大国博弈的战略焦点。

1977年,15岁的杨银堂作为一名恢复高考后的首批大学生,以优异成绩考入西北电讯工程学院(今西安电子科技大学)半导体专业学习。四年后,品学兼优的他又成功考上了本校的研究生,于1984年8月获得硕士学位并留校任教,从此开始了近40年的集成电路教学和研究生涯。

西安电子科技大学杨银堂教授在实验室

甘坐“冷板凳”,从“0”开始的科研创新之路

与当前国家已把发展集成电路产业上升为国家战略的高度关注形势不同,在上世纪八十年代,当杨银堂叩响这一领域的大门时,我国半导体集成电路研究领域还是一个相对基础性和寂寞的专业,远没有现在的“红火”。

“国家的需求,就是我们努力的方向。那时候没有工艺设备,我们就从基础部件做起,一点点突破。” 西安电子科技大学教授杨银堂说。

那时候国内的集成电路技术水平还比较低,能参考的资料也很少,很多工作都需要从零开始。面对这样艰苦的形势,杨银堂和同事们坚定不移地选择了从原始创新技术做起,毫不犹豫地将个人科研理想与党和国家需要结合起来、将个人奋斗融入国家建设需求当中。这也是作为曾经“西军电”的红色基因大学的使命与学风传统。

薄膜材料生长和微细图形刻蚀是集成电路生产的关键工艺。但这又是西方国家长期对我们进行技术封锁的领域。1997年,杨银堂带领团队承担了国家重点工程微波ECRCVD设备研制任务,这是采用微波电子回旋共振等离子体方法进行集成电路薄膜制备和微细加工的新技术。这在当时,属于国家重大工程急需技术,但受制于当时国内技术设备的匮乏,研制难度非常大。

考虑到设备核心是电子回旋共振等离子体源,杨银堂带领团队从微波、电磁场、等离子体等理论的学习梳理入手,深入研究产生机理和维持条件,科学构建气体放电等离子体模型,系统分析国际上相关技术的特点和局限性,历经一次次实验探索,终于啃下了这块“硬骨头”!

杨银堂从当时渐趋成熟的新型磁性材料入手,带领团队打开思路,大胆提出摒弃国际已有的同轴线圈磁场结构,发明出了基于稀土永磁材料磁场的分布式ECR源,使等离子体源的结构产生了革命性的变化,在使其成本、体积、重量显著减小的同时,还大幅提高了等离子体的面积、密度和均匀性。不仅如此,他们团队还攻克了大腔体气流场、衬底基座控制、等离子体诊断、气路系统、真空系统等系列关键技术,破解了一个个在当时看来不可能实现的难题。

为保证进度,寒冬时节,杨银堂和同事在加工设备工艺系统的东北外协工厂旁的旅馆一住就是一个多月,每天冒着零下20多度的严寒,来到车间与工人一起工作、解决加工生产中的难题,经过多方协作,攻坚克难,终于如期完成设备加工。

待整个设备装配完成后,等离子体放电实验一次成功,各项指标完全达到设计要求,实现了优质介质薄膜的室温淀积与微细加工,主要工艺性能指标达到国际先进水平,成功应用于国家重大工程,并入选国家重点新产品,为我国超大规模集成电路工艺技术的发展做出重要贡献。

筑梦“中国芯”, 架起通往数字世界的桥梁

如何快速准确地将人类感知的自然界连续变换的模拟信号转换为数字信号,这是电子信息领域的一大技术难题,而完成这一任务的核心就是数据转换器——它不仅是雷达、通信、仪器仪表、物联网系统的关键器件,更直接决定着这些装备的性能,一直以来都是美国和西方对我国重点管控的卡脖子技术。

面对国外垄断,杨银堂坚持自主创新,矢志打破这一技术壁垒。他带领团队经潜心钻研基础理论,基于深耕实践的优势,最终提出了新型可重构数据转换器的系统架构和转换方法,发展了模拟集成电路数字化设计的思想,从而突破了模拟采样、数字校准的关键技术,并基于国内自主工艺,研制出系列高性能数据转换器芯片。

“该芯片可重构的CMOS模数转换器IP核精度达到6-14位,基于时间域转换的新型模数转换器速度、精度、效率得到大幅提升,处于当时国际先进水平。” 杨银堂满怀自信的讲,“满足了雷达、对抗、超声成像等系统对高速高精度数据转换技术的急需,提升了关键芯片的自主可控能力,成功应用于重点工程。”

在2019年度国家科学技术奖评选中,由杨银堂牵头完成的“高效模数转换器和模拟前端芯片关键技术及应用”项目荣获国家技术发明二等奖。

开辟新途径为集成电路“节能减排”

如今,电子信息技术的广泛应用使得集成电路耗能问题日益凸显,集成密度的不断提高更推动集成电路进入功耗限制时代。功耗直接决定了集成电路能否实现和性能优劣,成为了整个行业亟待解决的重大问题。

杨银堂较早关注到了集成电路能耗巨大这一难题。为降低能耗,在国家自然科学基金杰出青年基金支持下,杨银堂带领团队,从芯片的器件、电路、系统等逐层攻关,提出了多层次能耗理论,建立了片上网络架构模型和全局异步局部同步技术,突破了模拟集成电路低压低功耗技术,使单元器件功耗达到纳瓦级的超低水平,完成了用于系统集成和功率管理的多层次系统芯片低功耗设计技术。

历经长期研发探索,这项技术目前已广泛应用于集成电路骨干企业,在移动终端、空间电源、交换芯片、传感器系统等芯片功耗方面取得了显著成效,对我国电子领域节能减排起到重要作用。该项成果也荣获2016年度国家科技进步二等奖。

实现三维异构集成,芯片微观世界“起高楼”

近年来,随着微细加工水平的不断提高,超大规模集成电路工艺正式进入纳米阶段,传统集成电路研制面临着量子力学物理和加工工艺的双重极限瓶颈难题。与此同时,光刻机等我国集成电路工业关键技术和设备受到美国和西方禁运,许多国家重大工程急需的芯片供应面临问题,急需寻找解决之道。

面对这种严峻局面,杨银堂与团队选择了迎难而上、埋头攻关。他们是从国内具体情况出发,经过长期研究和实验,提出了多芯片组件的路线,以低温共烧陶瓷材料为多层布线基板,将多个裸芯片组装于陶瓷基板上,实现集成规模的提升和多种芯片的集成,研制成功了微型雷达、光电导引前端等重点装备部件。

随着研究的不断深入,杨银堂又在国内率先开展了硅片通孔互连和三维集成技术的研究,发明了同轴通孔、双环、差分屏蔽等多种通孔结构,以硅片通孔和硅基转接板片为基础,实现了集成电路的异质异构三维集成,将集成电路由单片平面拓展到多片三维,建立了基于自主工艺的三维异构集成设计方法和设计平台,在有限工艺条件下实现了大规模异质异构集成,促进了我国自主可控集成技术的发展和应用,应用于国内军用三维集成生产线,有力保障了国家重大工程。

潜心育人四十载,桃李满天下

作为一名高校教师,杨银堂始终不忘立德树人的初心,坚持为党育人、为国育才的使命。他常对青年教师说,“教师是高等教育的主体,对高校教师提出的,便是教学能力和科研水平的双重要求”。

执教四十年,杨银堂把教育教学作为自己的第一职责,始终坚守教学科研一线,坚持主讲《半导体集成电路》等本科主干课程,出版了《现代半导体集成电路》等多部教材。从1997年担任西电微电子研究所所长起,他狠抓本科和研究生教学工作,推进课堂教学、实验教学和科研实践相结合,助力学校微电子学科水平得以快速提升, 2003年获准建设首批国家集成电路人才培养基地,从而跻身国内前列。在此基础上,国内第一个独立设置的微电子学院建设成功,成为我国微电子和集成电路人才培养的重要基地,并陆续获批了首批国家示范性微电子学院、国家集成电路学院。

杨银堂与“三好三有”导学团队。图片均由西电提供

在教好专业知识的同时,还十分重视学生思想政治教育。他主持开展了学校“三好三有”研究生导学团队的培育建设,建成了70多支优秀研究生导学团队,营造了浓郁的研究生导学文化氛围,形成了特色鲜明的育人品牌,“三好三有导学团队育人模式”获得了陕西省教学成果特等奖。他牵头完成的“研究生‘三好三有’导学思政育人体系的创新与实践”项目还荣获了2022年国家级教学成果二等奖。

桃李不言,下自成蹊。多年来,杨银堂精心培养了博士生64人、硕士生216人,其所带团队入选了国家自然科学基金优秀创新群体、科技部重点领域创新团队,所指导的学生毕业后在各行各业表现突出,有的成长为国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者,有的成为行业主流公司创始人,大批学生成长为科研院所和企事业单位的骨干,成为我国集成电路技术创新和行业发展的一支重要力量。

40年筑梦“中国芯”,杨银堂先后主持完成了国家自然科学基金重大项目、国家杰出青年基金、国家重点研发计划、装备型号研制等科研任务30余项,在国际重要学术刊物发表论文500余篇,出版学术专著8部,授权国家发明专利78项,以第一完成人获得国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、三等奖1项,省部级科技成果一等奖4项。荣获“全国模范教师”“中国青年科技奖”“陕西省有突出贡献专家”“陕西最美科技工作者”“中国电子学会十佳优秀科技工作者”等多项奖励称号,入选国家“百千万人才工程”。(作者:史倩云 张行勇)

来源:科学网2023年10月13日

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杨银堂: 40年筑梦“中国芯”
发布时间:2023-10-15 16:21:18来源:中国科学报点击:我要评论: 0

半导体集成电路,是目前全社会广泛关注的芯片技术领域的内容之一。半导体集成电路是电子信息工业的“食粮”,更是大国博弈的战略焦点。

1977年,15岁的杨银堂作为一名恢复高考后的首批大学生,以优异成绩考入西北电讯工程学院(今西安电子科技大学)半导体专业学习。四年后,品学兼优的他又成功考上了本校的研究生,于1984年8月获得硕士学位并留校任教,从此开始了近40年的集成电路教学和研究生涯。

西安电子科技大学杨银堂教授在实验室

甘坐“冷板凳”,从“0”开始的科研创新之路

与当前国家已把发展集成电路产业上升为国家战略的高度关注形势不同,在上世纪八十年代,当杨银堂叩响这一领域的大门时,我国半导体集成电路研究领域还是一个相对基础性和寂寞的专业,远没有现在的“红火”。

“国家的需求,就是我们努力的方向。那时候没有工艺设备,我们就从基础部件做起,一点点突破。” 西安电子科技大学教授杨银堂说。

那时候国内的集成电路技术水平还比较低,能参考的资料也很少,很多工作都需要从零开始。面对这样艰苦的形势,杨银堂和同事们坚定不移地选择了从原始创新技术做起,毫不犹豫地将个人科研理想与党和国家需要结合起来、将个人奋斗融入国家建设需求当中。这也是作为曾经“西军电”的红色基因大学的使命与学风传统。

薄膜材料生长和微细图形刻蚀是集成电路生产的关键工艺。但这又是西方国家长期对我们进行技术封锁的领域。1997年,杨银堂带领团队承担了国家重点工程微波ECRCVD设备研制任务,这是采用微波电子回旋共振等离子体方法进行集成电路薄膜制备和微细加工的新技术。这在当时,属于国家重大工程急需技术,但受制于当时国内技术设备的匮乏,研制难度非常大。

考虑到设备核心是电子回旋共振等离子体源,杨银堂带领团队从微波、电磁场、等离子体等理论的学习梳理入手,深入研究产生机理和维持条件,科学构建气体放电等离子体模型,系统分析国际上相关技术的特点和局限性,历经一次次实验探索,终于啃下了这块“硬骨头”!

杨银堂从当时渐趋成熟的新型磁性材料入手,带领团队打开思路,大胆提出摒弃国际已有的同轴线圈磁场结构,发明出了基于稀土永磁材料磁场的分布式ECR源,使等离子体源的结构产生了革命性的变化,在使其成本、体积、重量显著减小的同时,还大幅提高了等离子体的面积、密度和均匀性。不仅如此,他们团队还攻克了大腔体气流场、衬底基座控制、等离子体诊断、气路系统、真空系统等系列关键技术,破解了一个个在当时看来不可能实现的难题。

为保证进度,寒冬时节,杨银堂和同事在加工设备工艺系统的东北外协工厂旁的旅馆一住就是一个多月,每天冒着零下20多度的严寒,来到车间与工人一起工作、解决加工生产中的难题,经过多方协作,攻坚克难,终于如期完成设备加工。

待整个设备装配完成后,等离子体放电实验一次成功,各项指标完全达到设计要求,实现了优质介质薄膜的室温淀积与微细加工,主要工艺性能指标达到国际先进水平,成功应用于国家重大工程,并入选国家重点新产品,为我国超大规模集成电路工艺技术的发展做出重要贡献。

筑梦“中国芯”, 架起通往数字世界的桥梁

如何快速准确地将人类感知的自然界连续变换的模拟信号转换为数字信号,这是电子信息领域的一大技术难题,而完成这一任务的核心就是数据转换器——它不仅是雷达、通信、仪器仪表、物联网系统的关键器件,更直接决定着这些装备的性能,一直以来都是美国和西方对我国重点管控的卡脖子技术。

面对国外垄断,杨银堂坚持自主创新,矢志打破这一技术壁垒。他带领团队经潜心钻研基础理论,基于深耕实践的优势,最终提出了新型可重构数据转换器的系统架构和转换方法,发展了模拟集成电路数字化设计的思想,从而突破了模拟采样、数字校准的关键技术,并基于国内自主工艺,研制出系列高性能数据转换器芯片。

“该芯片可重构的CMOS模数转换器IP核精度达到6-14位,基于时间域转换的新型模数转换器速度、精度、效率得到大幅提升,处于当时国际先进水平。” 杨银堂满怀自信的讲,“满足了雷达、对抗、超声成像等系统对高速高精度数据转换技术的急需,提升了关键芯片的自主可控能力,成功应用于重点工程。”

在2019年度国家科学技术奖评选中,由杨银堂牵头完成的“高效模数转换器和模拟前端芯片关键技术及应用”项目荣获国家技术发明二等奖。

开辟新途径为集成电路“节能减排”

如今,电子信息技术的广泛应用使得集成电路耗能问题日益凸显,集成密度的不断提高更推动集成电路进入功耗限制时代。功耗直接决定了集成电路能否实现和性能优劣,成为了整个行业亟待解决的重大问题。

杨银堂较早关注到了集成电路能耗巨大这一难题。为降低能耗,在国家自然科学基金杰出青年基金支持下,杨银堂带领团队,从芯片的器件、电路、系统等逐层攻关,提出了多层次能耗理论,建立了片上网络架构模型和全局异步局部同步技术,突破了模拟集成电路低压低功耗技术,使单元器件功耗达到纳瓦级的超低水平,完成了用于系统集成和功率管理的多层次系统芯片低功耗设计技术。

历经长期研发探索,这项技术目前已广泛应用于集成电路骨干企业,在移动终端、空间电源、交换芯片、传感器系统等芯片功耗方面取得了显著成效,对我国电子领域节能减排起到重要作用。该项成果也荣获2016年度国家科技进步二等奖。

实现三维异构集成,芯片微观世界“起高楼”

近年来,随着微细加工水平的不断提高,超大规模集成电路工艺正式进入纳米阶段,传统集成电路研制面临着量子力学物理和加工工艺的双重极限瓶颈难题。与此同时,光刻机等我国集成电路工业关键技术和设备受到美国和西方禁运,许多国家重大工程急需的芯片供应面临问题,急需寻找解决之道。

面对这种严峻局面,杨银堂与团队选择了迎难而上、埋头攻关。他们是从国内具体情况出发,经过长期研究和实验,提出了多芯片组件的路线,以低温共烧陶瓷材料为多层布线基板,将多个裸芯片组装于陶瓷基板上,实现集成规模的提升和多种芯片的集成,研制成功了微型雷达、光电导引前端等重点装备部件。

随着研究的不断深入,杨银堂又在国内率先开展了硅片通孔互连和三维集成技术的研究,发明了同轴通孔、双环、差分屏蔽等多种通孔结构,以硅片通孔和硅基转接板片为基础,实现了集成电路的异质异构三维集成,将集成电路由单片平面拓展到多片三维,建立了基于自主工艺的三维异构集成设计方法和设计平台,在有限工艺条件下实现了大规模异质异构集成,促进了我国自主可控集成技术的发展和应用,应用于国内军用三维集成生产线,有力保障了国家重大工程。

潜心育人四十载,桃李满天下

作为一名高校教师,杨银堂始终不忘立德树人的初心,坚持为党育人、为国育才的使命。他常对青年教师说,“教师是高等教育的主体,对高校教师提出的,便是教学能力和科研水平的双重要求”。

执教四十年,杨银堂把教育教学作为自己的第一职责,始终坚守教学科研一线,坚持主讲《半导体集成电路》等本科主干课程,出版了《现代半导体集成电路》等多部教材。从1997年担任西电微电子研究所所长起,他狠抓本科和研究生教学工作,推进课堂教学、实验教学和科研实践相结合,助力学校微电子学科水平得以快速提升, 2003年获准建设首批国家集成电路人才培养基地,从而跻身国内前列。在此基础上,国内第一个独立设置的微电子学院建设成功,成为我国微电子和集成电路人才培养的重要基地,并陆续获批了首批国家示范性微电子学院、国家集成电路学院。

杨银堂与“三好三有”导学团队。图片均由西电提供

在教好专业知识的同时,还十分重视学生思想政治教育。他主持开展了学校“三好三有”研究生导学团队的培育建设,建成了70多支优秀研究生导学团队,营造了浓郁的研究生导学文化氛围,形成了特色鲜明的育人品牌,“三好三有导学团队育人模式”获得了陕西省教学成果特等奖。他牵头完成的“研究生‘三好三有’导学思政育人体系的创新与实践”项目还荣获了2022年国家级教学成果二等奖。

桃李不言,下自成蹊。多年来,杨银堂精心培养了博士生64人、硕士生216人,其所带团队入选了国家自然科学基金优秀创新群体、科技部重点领域创新团队,所指导的学生毕业后在各行各业表现突出,有的成长为国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者,有的成为行业主流公司创始人,大批学生成长为科研院所和企事业单位的骨干,成为我国集成电路技术创新和行业发展的一支重要力量。

40年筑梦“中国芯”,杨银堂先后主持完成了国家自然科学基金重大项目、国家杰出青年基金、国家重点研发计划、装备型号研制等科研任务30余项,在国际重要学术刊物发表论文500余篇,出版学术专著8部,授权国家发明专利78项,以第一完成人获得国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、三等奖1项,省部级科技成果一等奖4项。荣获“全国模范教师”“中国青年科技奖”“陕西省有突出贡献专家”“陕西最美科技工作者”“中国电子学会十佳优秀科技工作者”等多项奖励称号,入选国家“百千万人才工程”。(作者:史倩云 张行勇)

来源:科学网2023年10月13日

责任编辑:冯毓璇
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