成果背景
集成电路芯片被喻为国家的“工业粮食”，是所有整机设备的“心脏”，普遍应用于计算机、消费类电子、网络通信、汽车电子等领域。集成电路芯片的发热问题一直是制约其性能的一大关键瓶颈。这主要体现在两个方面：第一，因为发热，使得芯片无法处于最佳的工作温度，因而其最佳性能无法实现；第二，因为无法以最佳的性能工作，这使得功耗和发热也比最佳状态时更高更多，这加剧了发热问题的严重性。如果芯片发热问题能够有效解决，不仅芯片本身性能会极大幅度地得到提升，使用该芯片的整机设备的性能也将得到极大幅度的提升。传统的制冷技术主要分为两类：扩散制冷，半导体制冷，存在着制冷方法复杂，制冷效率低，制冷耗能量大等问题。
激光固体制冷技术操作精确简单，只需让微纳米制冷单元与集成电路中的显著发热源在微纳米尺度下物理接触。然后激光通过集成电路中的立体制冷通道打到制冷单元上，即可实现微纳米尺度的精准制冷。同时该方法带走热量无需受到热扩散物理因素的影响，具备不受空间限制的特点，是解决三维器件散热制冷的当前首选方案。然而，激光固体制冷技术的制冷机理的研究长期以来陷入“提高材料声子和光子的耦合强度，以提高反斯托克斯光子的发射几率”的停滞状态， 国内外皆是如此，并且根本无法应用于集成电路的精准降温。
成果简介
团队研究了激光固体制冷技术与集成电路制造技术在材料，制造工艺等方面融合。采用激光制造的方法，根据激光制造特别是三维激光制造的要求和特点，开发出（1）可以采用激光直写，包括飞秒激光直写等方法制造出三维微纳结构的光 刻胶材料。固化后的光刻胶在500-800 纳米波长范围内的平均透过率不低于 95%；同时，（2）搭建了一套双光束超分辨光刻装置，在该装置上实现三维微纳制冷单元的制造。通过该装置优化和修正三维微纳制冷单元在集成电路上的集成工艺，使得该集成工艺兼容半导体光刻工艺，并且不影响集成电路本身的性能；（3）建立三维微纳结构调控拉曼发光实现激光固体制冷的理论模型；（4）搭建三维微纳制冷单元制冷效果测量装置，该装置与双光束超分辨光刻装置共同组成集成电路激光精准立体制冷技术关键原型样机系统。利用样机系统实现制冷单元在集成电路上的集成，并且制冷单元实现在激光辐照下的温度降低以及制冷目标温度的降低，降低值不小于5摄氏度。
双光束超分辨光刻装置示意图
成果意义
本成果针对激光固体制冷技术的当前困境，以及其在集成电路领域的应用前景，通过研发革命性和颠覆性的激光精准立体制冷技术，解决集成电路热控制领域面临的关键问题和挑战，提升集成电路芯片的性能表现，降低芯片的运行成本，整体提升芯片价值。
负责人简介
甘棕松， 研究员， 激光超精密制造技术实验室主任，武汉光电国家研究中心教授、博士生导师。长期研究超衍射极限光学精密技术，重点研究激光微纳制造新技术的开发及其在新一代信息技术中的应用。涉及的具体研究领域有：超越荷兰阿斯麦公司第五代极深紫外光刻机的第六代双光束超分辨光刻机技术；三维微纳功能器件的光刻制造及其应用；装备开发集成软件技术等。相关研究成果在三维芯片制造，光子芯片，大数据存储，3D纳米打印，仿生学等领域具有较强的国际影响力，并受到国际学术界、产业界和大众媒体的多方关注。近年来，甘棕松教授以第一作者或通讯作者在Nature Communication、Science Advances等国际权威期刊共发表学术论文10余篇，其中ESI高被引用论文1篇。合著书籍章节2章，专著1部。研究成果被Nature Nanotechnology、Nature Materials等世界顶级期刊专题评论，评论为“该方法使得（激光制造）的特征尺寸和分辨率突破了光的衍射极限”。2014-2016年主持澳大利亚科学及工业基金（SIEF）项目1项（共41.1万澳元），现主持和参与国家自然科学基金面上项目各1项，横向合作课题1项（247万元），依托于 的深圳市科委项目1项（200万元）。获得2014年澳大利亚维多利亚州Victoria fellowship称号，2019年武汉市“3551”短期创新人才称号。
主要研究方向：
（1）高密度微纳电子器件的激光致冷技术
（2）激光3D微纳打印
（3）三维半导体微纳结构的激光制造及其应用
