【求是芯星】杭州纳境科技有限公司创始人林宏焘、马耀光

原创求是缘半导体联盟 2024-04-30 20:22

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嘉宾简介

（图为被访嘉宾林宏焘、马耀光）

本期被访嘉宾是来自求是缘半导体联盟会员单位：杭州纳境科技有限公司创始人林宏焘和马耀光。

林宏焘是杭州纳境科技有限公司创始人，浙江大学博导、麻省理工学院博士后。至今在包括《Nature Photonics》等光电子领域重要期刊发表文章90余篇。所做工作曾分别入选美国光学学会所评2014年及2018年光学领域年度重要进展。

马耀光是杭州纳境科技有限公司创始人，浙江大学博导、北京大学、加州大学、科罗拉多大学博士后。近年来在《Science》等国际顶级期刊发表40余篇高影响力论文，超材料制冷薄膜工作入选英国《Physics World》杂志评选的“Breakthrough of the Year 2017”

求是缘：Metasurface（超表面）作为2016年的十大科技新突破之一，让世人眼前一亮。能否请您为我们科普一下什么是Metasurface（超表面）？超表面光学的本质or原理是什么？

马耀光：metasurface的出现源于人类更细致地操纵光、改造自然的天性。在学术产业界，光跟物质的相互作用是一个永恒的话题。我们控制光，一般是通过“控制物质”开始。比如，我们把玻璃打磨成某种形状，在光栅上刻出结构，通过“产生或形成物质结构”的方式来达到控制光波的目的。过去，我们习惯于运用传统方式：使用棱镜、透镜来操控光。但传统的打磨方式工序复杂。于是，科学家后来通过对微纳结构的改造来实现高效控光。

超表面光学技术，是对纳米级的物质结构进行精密加工。这也进一步拓展了光跟物质相互作用的方式（途径），开辟了新的领域，让我们可以实现对光更细致的控制。超表面对光的控制方向是多维度的，包括对振幅、相位、偏振等物理量进行同时控制。基于微纳结构制造工艺和应用超表面技术，能够达到“材料总量变少”、“结构变轻”、“相应的器件变薄”等，因此Metasurface在2016年被誉为十大科技新突破，吸引了世人的注意。

我们再来了解Metasurface原理。本质上来讲，不同的材料、不同的形貌会对光产生不同的作用：散射、吸收等各种物理量的细微变化。我们通过对微纳结构的材料、几何形貌进行设计，实现对光的调控，形成崭新的、前所未有的对光的精细操纵能力。

因此，我们只要对不同的微纳结构进行设计排布，就可以让这个平面产生复杂的调控能力。这种复杂能力，其实也就是超表面光学的魅力所在。

林宏焘：我们认为超表面是变革性的“第三代光学器件制造技术”。从光学器件制造技术角度来看，“磨抛切割”属于第一代、“注塑”等是第二代，“超表面”是第三代。

求是缘：您能否为我们进一步剖析：算力、算法和半导体制造工艺等能力的提升，将会如何影响超表面微观结构的单元排布设计来提升性能？

马耀光：我们做的微纳结构虽然比较小（纳米级），但宏观的器件相对比较大（厘米级）。器件内包含的微纳结构数目比较多，多达几十亿、上百亿个单元结构。这些单元结构在排列组合时还会产生“耦合效应”，比如“A+B”产生一个效应，“B+C”产生另外一个效应，而“A+C”则是产生不同于前两者的效应，排列组合的数量是一个天文数字。计算的过程既需要精确的算法也需要消耗大量的算力，如果没有算法和算力的支持，我们就无法实现精确细致的超表面的微观结构设计排布的目标。就如AI领域目前受制于算力，我们也深受算力制约。传统服务器（1TB内存，128 core）也只能完成计算几百个微米的尺度。

1个Die（管芯）上对应1颗器件，不同于电路设计，基于同一套的基础单元可以直接平移。我们器件的每个Die内的每个微观结构单元的排列组合效应都不一样，差别很大。为了确保每个器件的性能，我们需要针对每个器件（管芯）单独仿真。此外，我们需要在第三方通用工具软件的基础上自己写代码来对Raw data进行处理。

林宏焘：制造工艺是会直接影响器件产品的性能。超表面光学器件与传统的半导体工艺生产的平面器件不同，超表面器件需要做超深宽比的微观结构。

首先，我们需要光刻工艺能力的配合来完成图案化的过程。根据不同的波长来选择适配的工艺，近红外波段需要90nm制程工艺，可见光需求匹配55nm-28nm节点。

其次，我们要借助刻蚀设备来完成深宽比的刻蚀工作。我们器件需要完成的柱子结构的深宽比要达到1:10，有些消色差设计的深宽比甚至达到1:50，非常考验Fab的工艺能力。我们一方面需要想办法通过工艺调试达到深宽比要求。另一方面，我们也会考虑改变工艺路径，比如，我们可以“先刻孔+再回填”的方式来完成1:50深宽比的形貌刻蚀。就底层制造工艺而言，需要根据我们的结构需求来进行更换。而我们的结构需求也是基于产品需求。因此相对于普通的CMOS工艺，我们超表面器件的制造工艺是“非标”工艺，需要跟Fab深度联动、共同开发。

当我们和Fab共同打通并搭建起完整的制造工艺后，我们又面临下一个挑战：如何实现“所设计的”（器件）=“所做的”（器件产品），消除设计和制造之间的偏差，对所有半导体产业人而言也是一个巨大挑战。芯片设计版图→光刻(投影-显影)→刻蚀，在不同的工艺条件下，ADI和AEI数值存在变差，我们必须确保最终的AEI结果和我们设计的结果尽量一致。实现过程其实就是“设计+制造”联动的过程。器件产品设计是一个垂直的结构，但制造的时候无法做到完全垂直。这时就需要设计来进行修正，然后互相迭代，最终把产品的性能提升上来。

批量生产时，每个Die之间的偏差也需要对制造工艺不断地迭代优化来消除。同时，我们还需要根据客户对产品性能的需求、结合我们的成本，来匹配合适的制造工艺能力，尽可能确保产品性能品质和成本之间的平衡。

（图为纳境团队第一次完成Fab流片的晶圆）

求是缘：Metasuraface新技术的未来应用领域看起来前景广阔，您能否为我们具体介绍一下它可落地的应用场景包括哪些？

林宏焘：超表面是一个“平台型”技术，工作波段范围涵盖：可见光-近红外-中红外。

超表面的落地场景首先也是围绕这些波段而开展。面向中红外，我们的超表面光学器件在热成像领域已经有成功的商业化应用案例，比如用于公共场合的人体测温等。面向近红外，在1500nm的通讯波段，超表面技术可应用于光通讯和激光雷达等领域；在940-850nm的近红外波段，超表面技术可在3D传感、眼球追踪等应用场景有比较快的落地机会。

可见光是面向未来的应用场景，超表面技术的应用还需要面向诸多挑战。比如怎么把手机镜头做得更薄？这还需要光学专家攻关解决色差等技术问题。

马耀光：我再从器件的角度来介绍应用场景。超表面光学器件可落地的场景比较多，如成像（镜头）、照明（光线调控）、探测器（帮助探测器提升吸收率和提升量子效率）、显示器（有效提升光利用率）……正是因为Metasurface技术的多功能性，使得它能够在传统器件无法发挥作用的应用场景大放异彩。

求是缘：作为国内较早一批围绕超表面光学领域创业的专家团队，您认为超表面技术实现商业化应用过程中还存在哪些挑战？您如何看待这些挑战？

林宏焘：创业过程本身就是一件不容易的事情，而在一个新技术领域做“从无到有”的事情则是难上加难。超表面技术是新的领域，所面临的技术和商业化挑战不少，需要团队沉下心来花时间一点一点地去解决。全球最早围绕Metasurface技术创业公司Metalenz于 2016年成立，但直到2021年才联合ST对外发布新产品，据说苹果公司也将引入超表面技术来开发3D人脸识别应用等。

即便有Metalenz这样的领头羊在前面趟路，我们在国内围绕超表面技术创业所面临的挑战也很多。

首先，国内缺乏成熟的跨学科的超表面人才资源；其次，国内也没有完整的产业供应链，甚至国内的Fab都没有匹配的制造工艺体系。

我们决定从头开始，先从培养人才能力的方向着手。在2019年底我们得到种子轮的校友投资，于2020年3月份在杭州创立纳境。我们利用学校资源进行产学研合作，完成小样的打样尝试。通过小样的打样过程，我们先把技术复现出来，同时也把人员的能力培养起来，然后逐步地完成一个基本的DEMO。后来，在天使轮的融资支持下，然后我们才有能力、有机会找Fab谈合作。去年完成Pre-A轮融资，今年目标实现量产出货。我们光学器件制造过程中使用的很多材料和半导体CMOS制造工艺中的材料不兼容。我们要么找新材料，要么是多找不同的Fab线上合作，要么就是选择兼容半导体的材料来降低成本。

自2019年底开始，我们逐步搭建起了完整的人力团队框架：科学家+专业的经营管理团队+产品量产化经验团队。在团队能力搭建上，我们“加强长板”和“补上短板”并重。自此开始，纳境公司的战略也从原来“围绕技术突破”往“商业化应用”方向发展。

创业4年来，基于下游客户的意见反馈和自身资源配置，我们逐渐收敛产品布局，战略聚焦于目标应用市场。我们围绕主要产品的工艺方向来进行工艺摸索、联合开发，快速达到量产，在终端实现应商业化应用交付。

马耀光：超表面光学器件宏观看起来非常好，但从细节来看，全是问题。作为先行者，我们经历了各种痛苦，在这几年克服了非常多的挑战。比如对宽带光的应用还存在较大的束缚，也许可以在设计环节通过新的结构、“多片多层”的设计来消除束缚，但从设计环节如何落实到制造工艺上，则又是一个挑战。不同于电学器件制造对细微的制造误差容忍度较高，光学器件则不同：细微结构的变化或者错位就会改变光学的参数，就会产生问题。

作为“科学家创业者”群体中的一员，我们深知自己的优势和劣势。管理公司和在高校里做研究是完全不同的，如何实现身份和理念的转变，对科学家创业人群来讲也是必修课。

作为科学家创业，我们勇于做“探路者”，完成从0→1的原始创新；虽然很难，但我们有自信能把产品做出来。但作为创业人，我们还是要回归企业的本质：平衡好“原始创新”和“商业化”之间的节奏，快速实现产品的商业化量产交付。

我们从不纠结产品是否真正达到100%完美，因为这个世界上并不存在完美无缺的产品。我们更关注的是如何匹配应用场景需求，满足客户对性价比的综合诉求。这就好比我们做的超表面光学器件产品，在这个场景下可能不合适；但是换到另外一个场景，它却变得既好用又便宜。

求是缘：相较于传统的光学元件，新型的Metasurface超表面光学元件具有哪些特色优势？

马耀光：首先，大家之所以对超表面光学应用感兴趣，最重要的一点就是：超表面技术可以让光学器件模组更轻薄且具有多功能集成。

基于传统的透镜原理，镜头因为透镜本身结构的物理限制，如果想要实现口径大，就需要把透镜中间部分做得特别厚、特别大。而超表面技术本身就是一个平面，不需要通过厚度积累相位，则避开了这个物理限制，我们就可以把镜头做得很轻、很薄。相应的成本也会随之降低。

传统的光学模组器件包含滤光片、透镜、DOE等，多片组合在一起才能实现某种功能应用。而超表面只需要一片即可，我们通过微纳结构设计、制造，将这些功能、振幅、相变调控结合到一起。多功能性的集成方案既降低了成本，也省去了传统透镜的组装、装配等后续工序。

超表面光学器件是在微纳结构设计层面，在更精细的程度上来对光波进行操控，我们因此可以做到极限的参数，获得更高的指标。但是对于传统的透镜、器件则很难实现。

求是缘：纳境是围绕超表面光学器件的设计和制造的创业团队，目前的产品矩阵系列构成包括哪些？覆盖下游哪些应用场景？

马耀光：我们的超表面光学器件产品目前已经成功落地多个应用场景，根据应用类型大致可分为成像类（接收端和发射端）、光谱类。

首先是成像类的应用。面向手机上的应用场景，如三维感知ToF器件等，基于我们的超表面光学器件产品替代传统方案。面向安防领域夜视等独特的应用场景，我们的产品方案也在发挥不可替代的作用。面向Micro LED领域，我们与客户深度开发合作，借助于Metasurface技术，对其光场进行调控。面向新能源汽车领域，基于我们超表面光学器件的近红外镜头，对车内司乘人员进行清晰的感知观察等等。

林宏焘：针对AGV机器人赛道，我们的超表面光学器件可以配合其3D感知应用场景来完成更准确的运输路径规划。未来的人形机器人需要感知的东西更多，超表面光学器件产品也将会更多地被应用于人形机器人。

其次，是在光谱类领域应用。针对光谱测量的应用场景，也可以基于我们超表面光学器件对颜色灵敏感知，来取得更精确的测量数值。

求是缘：相较于国内外几家围绕Metasurface领域创业的友商，纳境团队的特色和优势体现在哪些方面？

林宏焘：作为国内较早一批围绕超表面光学器件创业的公司，我们走得比较快，也形成了纳境团队的特色优势。

首先，打通工艺搭建完整的国产工艺体系。纳境这几年培养了一批横跨光学、微纳工艺制造的综合型团队。同时，我们基于国内的芯片制造工艺能力，打通并搭建起一条相对完整的国产供应链体系。专业的人才资源和安全的供应链无论是对于纳境还是对于我们的下游客户而言都尤为重要。

其次，再从DOE产品的性能视角来看，我们DOE的性能比纳米压印还要好。当我们的DOE产品量产后，我们批量制造的产品性能更能接近客户需求。

最后，我们的器件产品的角度更宽。因为超表面光学器件的可调控能力更强，经过我们设计团队的努力，使得我们的DOE产品的场角、接收角度更宽，满足下游客户更高性能的需求。

马耀光：相对而言，纳境的技术团队组合更有特色。我们的光学设计和微纳制造工艺主要是由来自两个领域的资深专家带队完成。我们所看到的前沿产业视野更开阔，我们对技术的理解更深刻。跨学科的组合使得我们的团队具备耦合效应、沟通的效率更高。

林宏焘：我们的经营管理团队也颇具特色。我们的经营管理团队拥有成熟的公司经营经验，种子轮投资者原来自己创业的公司被上市公司收购，并顺利推动原公司成功整合融入上市公司体系。他后来和我们一起创业，补上了科学家创业团队缺乏经营管理经验的短板。

求是缘：能否为我们讲一讲：是怎样的因缘际会让几位核心成员走到一起来创业，分享创立纳境背后的故事？

林宏焘：我和马老师2017年在北京散步聊天时，通过进一步的交流，发现理念思想一致、彼此特别投缘。作为海外回来的科研人员，我们的研究都是面向应用。我们回国不仅仅希望只是做学术研究，更希望我们的研究成果能够被应用，转变为产品，改变人们的生活。

2018年秋天，我们就开始思考探讨可合作的方向。马老师研究超材料，我在海外也有开展超表面方向的研究，我们决定围绕超表面光学器件共同研究突破。

接下来，我们带着团队一起走完做设计的基本流程，并进入初步的微纳加工阶段，验证了基本的工艺。

在2019年的夏天，我们偶遇了种子轮浙大信电学院校友投资人，我们一致认为超表面是第三代的光学制造技术，属于变革型的新应用领域；空白的领域意味着风险和机会都很大。我们联合种子轮投资人于2020年3月在杭州完成纳境公司的设立。

作为科研人员创业，我们负责的两个技术方向团队：光学设计和微纳工艺加工处理互为基底，强强联合。但我们也有短板：我们没有运营管理公司的经验。种子轮投资人又帮我们找来了有经营管理能力的团队。

马耀光：作为科学家，我们为何要去做企业？这是源于我们对自己的要求、心底有一份责任感。我们还是希望能做引领型的企业，用自己的标准定义更好的、更有意义的产品。这也正是驱动我们创业的深层源动力。

求是缘：作为求是缘半导体联盟的创业会员单位，您如何看待产业会员单位与联盟之间的关系？您认为求是缘半导体联盟应该在哪些方面继续迭代优化，便于更好地服务产业会员？

马耀光：求是缘半导体联盟作为一个横跨多个细分行业的产业型的组织，更像是一个桥梁，为会员单位之间提供互动交流的机会。建议联盟经常多组织围绕细分技术领域的会议、沙龙论坛，基于深度的技术沙龙讨论，为我们在探索的方向上提供一些思路和参考，提升我们的效率，对我们的工作更有价值。

采访者后记

正如两位创始人坦言：作为面向应用领域研究的科学家，更希望将纸面的研究成果再往前推进一步，转变为产品，进入并改善人们的生活。

创业很难，而在超表面光学器件这个空白技术领域创业则是难上加难。但两位创始人勇于做探路者，坚持从0→1的原始创新起步，有自信亦有能力把产品做出来。

正如硬币的正反面，科学家创业有其优势亦有其劣势。管理公司和在高校里做研究不同，如何实现身份和理念的转变对科学家创业人来讲是必修课。

可喜的是，我们在创业团队纳境看到可借鉴的参考模板：科学家+成熟的经营管理团队，二者互为基底、背靠背互补，推动纳境一步一步地完成0→1→N的过渡。

采访人：刘红

编辑：马丹凤

摄影：朱爱林（志愿者）

审阅：常亮、徐若松

感谢会员单位代表祁有丽博士参与采访。

感谢杭州纳境团队对本次采访的支持和协助。

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