以光为刃,镌刻中国产业的“光刻指纹”

2014-01-04 09:54:04来源: 科技日报
     贺荣明清楚地记得,11年前,当大部分专家、领导问他,中国自主研发光刻机有决心吗?“有!”当时的回答并无一丝犹豫。“如今回想此事真有些后怕,那时候勇气胜过理智。”

    下决心创新,有时靠的是一种气魄,而完成创新的过程则需要更多的冷静和执着。

    光阴荏苒,刻铸创新。在光刻机领域,中国几乎从零出发,经过十年砥砺,到现在已成为世界上少数掌握高端光刻机系统设计与系统集成测试技术的国家,并成功切入IC先进封装、新型显示等新技术产业领域。那么,在创新实践中,政府和企业究竟应该扮演怎样的角色?光刻机重大专项实施带给我们什么启示?

    艰难决策:干还是不干,怎么干?

    时光回溯到11年前,上海举行的“十五”863计划科技部重大专项讨论会现场,来自全国各科研院所的专家正为一个项目争论不休:技术方案有七八种之多,难度要跨好几个台阶,投入以亿元计算,风险之大难以评估……

    这个让大家劳神的项目就是光刻机。其实,在此之前,争论的焦点是干不干?!

    每颗芯片诞生之初,都要经过光刻技术的锻造。光刻机就像个以光为刃的铸剑高手,将硅片从一粒顽石变为智慧之脑,一闪之间,母版上复杂的电路设计图形即转化为硅片上细微繁密的沟壑纹理。谁掌握了这种利刃,就拥有了集成电路产业发展水平的技术掌控权。各发达国家政府一直对相关战略产业持续投入,争取战略竞争优势,在此领域,荷兰、美国、日本早已虎踞龙盘。

    早在1996年,我国意识到集成电路的重要性,部署了908工程、909工程,但对于光刻机,却一直未敢触碰,就如一张白纸,从何落笔?随着国内集成电路产业的发展,科技部决定将此设立为“十五”科技重大专项。

    科技部副部长曹健林清楚地记得,“当时上海市加上科技部的投入,如果拿到国际上,也许仅仅够建一个超净间”。

    除了投入捉襟见肘,关键是我国从未有光刻机的实践生产经验。如何研究制定切实可行的技术路线图?经过专家论证,国家从多条技术方案中选择了193纳米激光投影式光刻机,10年后的结果证明,选择这条相对成熟的技术路线是正确的。

    “对未来有带动性的战略产业,政府一定要有决心、耐心和恒心,不能急于求成。决策不仅仅限于专家层面的技术论证,更是一种战略判断和眼光,需要拍板的勇气,成败皆有可能。”上海市科委主任寿子琪说,政府需要考察的是有没有一个好的领头人带领创新团队真心干事业,能不能围绕核心技术形成产业技术体系。

   项目落户上海后,让谁牵头?这又是个尖锐的问题。国家02科技重大专项技术总师叶甜春是当时参与这场论证的专家之一,也全程参与和见证了光刻机攻关历程。他回忆说:“科技部的思路很明确,研发和产业化结合!一定要探索企业化的运作模式。”

    此前,尚无先例。我国虽也有科研院所承担过相关项目,但仅止于实验室的理论和技术,并未面向工业化大生产需求;之前部署都是单点研发,各单位自成体系,缺乏系统网络的构建。因缺乏应用市场的锤炼,最终都不了了之。现在再搞光刻机,一定要以企业为主体构建产业链和创新链。

    2002年3月,上海微电子装备有限公司(以下简称“上微”)成立,贺荣明任总经理。该公司作为一个综合集成平台承接项目,把产学研用资源汇聚起来。国家863计划中,光刻机成为首个以企业为主导开展研究的项目。

    2009年,光刻机是国家设立的16个科技重大专项之一—— “极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”的核心内容。按照国家部署,上海作为光刻技术研发与设备研制的重要基地,承担了推进实施02科技重大专项的具体工作。政府从光刻机、刻蚀机到高端设备、高端材料、先进制造工艺等关键领域和技术进行全面布局,并建立配套的产业化平台。

    “十年来,我面临的最大困惑不是技术难题,解决它们只是时间问题。最难的是让别人理解这个行业发展特征,技术风险,对此,企业和政府都有压力。”50出头的贺荣明头上已布满银丝,“这种项目不是立竿见影,考验的是政府的战略眼光。政府不是锦上添花,而是要敢啃硬骨头。”

    一方面,国家根据阶段需求,以重大专项的方式支持装备整机及分系统的研发项目,加强顶层设计和系统部署;另一方面,由企业主导提出创新需求,创新资源配置和创新活动围绕企业目标开展。

    集成创新:抢占产业生态链的高端

    2002年春,在浦东张江春晓路一栋租来的3层小楼里,工号为001的贺荣明带着9位来报到的“战友”开始了艰难的创业之路。

    犹如世界上没有两片相同的叶子,同样,也没有两台一模一样的光刻机。每台光刻机,都有自己独一无二的“光刻指纹”。贺荣明和他的战友就是要生产中国自己的光刻机。

    光刻机就像一台精密复杂的特殊照相机,是芯片制造中“定义图形”中最为重要的一种机器。高端光刻机集精密光学、机械、控制、材料等先进科技和工程技术于一体,是集成电路装备中技术难度最高、价格最昂贵的关键设备,被称为人类技术发展的制高点和制造工业“皇冠上的明珠”。

    “光刻机的水平决定着集成电路的发展水平,它在IC制造设备的价值链中占30%—40%。”上微总经理办公室主任贺跃进介绍,光刻机的主要难点聚焦在准分子光源、光学系统和超精密运动高速工作台。

    一台光刻机有上万个零部件要在电脑程序的控制下进行复杂协调的联动,其运动精准程度的误差不得超过一根头发丝的千分之一,这无异于在头发上“绣花”!打个通俗的比喻,就如同坐在一架超音速飞行的飞机上,拿着线头穿进另一架飞行飞机上的针孔。

    企业成立之初,贺荣明到国外谈合作,有人把他当成皮包公司,因为当时连厂房都没有。有次,贺荣明去德国谈技术合作。对方倒是彬彬有礼,但对合作毫无兴趣。眼光里投射出来的是:“疯了,中国人也要做光刻机?”日耳曼工程师一脸严肃地撂下一句话:“就是给全套图纸,你们也做不出来!”

    十年过去了。样机试验成功,研发项目验收,关键技术辐射的商用机型下线,实现国内外销售,中国人一步一个脚印又一次把天方夜谭变成了现实。

    奥妙何在?

    在上微,没有“装配”二字,只有“集成”。对此,贺荣明颇有心得:“集成创新,就是由我设计,然后利用全球技术为我所用,最后还由我调控。在技术基础薄弱和国外封锁的情况下,用好的管理和组织方式,照样可以掌握复杂的技术系统。”

    “光刻机是逼出来的。”寿子琪说,“从光刻机重大专项的实施,我们的体会是,要有开放的姿态,同时要有客观认识自我的心态。” 上海当时承接此项目,既有结构转型、创新驱动的内在动力,同时在实施过程中也秉承着开放创新和实事求是的原则。

    同时,“集成”在微观层面也极具操作难度。

    上微有个集成工程部,它的职责就是把关设备,把一个个小的系统集成成光刻机。“我们既是前锋又是守门员。前锋是要把产品性能调到最佳提供给客户,守门员就是堵住这样那样的问题。”上微集成工程部毛方林经理说,“我们面临最大的困难就是没有任何集成的经验借鉴,只能靠经验积累和摸索。”

    光刻机就好像一个人,一个个子系统就如同人体的各种器官。首先,要有总体框架,每个“器官”大小尺寸必须系统设计,否则五花八门,大小不一,不合规范。其次,即使各个单位制造的“器官”都符合指标要求,但一装到系统就常常出现问题,这里还存在很多复杂因素。其中的集成经验要通过大量的工程演练才能形成。就如同人经常会发烧生病,有先天体质原因,这就是光刻机的性能指标;也有后天因素,这就要靠“医生”也就是集成部门去诊断,技术人员不仅要“验血检查”,还要告诉供应商真正的病根。
 比如说,今天天气和温度变了,空气压力变了,设备的对焦就不准确了。“这需要我们仿真模拟,研究空气对哪些部件有影响”,毛方林说,“以前我们曾遇到一个问题,百思不得其解,花费一个月才解决。任何集成都是创新,在这个过程中我们经常遇到死胡同,往往是绝地反击,起死回生。”

    从零出发,10年后,上微成为世界上继欧洲和日本3家公司之后的少数掌握了高端光刻机的系统设计与系统集成测试技术的高科技公司。90nm光刻机产品的研制和开发还在潜心前行。

    “到现在,我们考虑的不是能否装一台光刻机,而是在于用多长时间装出来,关注的是集成的数量和效率,关注用户的需求、可操作性和可维护性等等。”毛方林说,以前一台先进封装光刻机设备要几年集成,后来是几个月集成,现在批量设备是一个月集成。

    “从制造型国家到创新型国家转型,就必须实现能级的跃迁,抢占产业生态链的高端。”贺荣明说。

    产业辐射:沿途下蛋与自我造血

    2013年8月,在充分进行工艺测试的基础上,上微首台用于2.5代生产线的新型显示光刻机正式上线昆山的一家企业。

    光刻机之所以被称为战略产品,除了技术难度高,还在于对相关核心高端制造领域有强大的产业辐射能力。上微就在新型显示产业开拓了一片新的疆土。

    2008年底,上微敏锐地注意到,光刻机技术在OLED产业中将大有作为,决定啃下这块硬骨头。然而,开发新型OLED TFT光刻机单打独斗不可行。通过了解,上海大学“新型显示技术与应用集成教育部重点实验室”在新型OLED器件工艺研究方面做了很多探索,他们希望拥有先进设备进一步提升新工艺研发水平。

    于是,双方一拍即合,迅速展开联合技术攻关。2009年,200×200新型显示光刻机的研制立为上海市科技攻关的重点项目。

    2010年,SSB200/10 OLED研发光刻机生产出自主知识产权的1.6英寸OLED显示屏,将国产光刻设备用于平板显示领域,在国内实现零的突破。

    同时这唯一的国产设备,也串起了上海大学已有的工艺生产线,使之为更多的国内企业提供OLED产线流片的工艺测试。更重要的是,在合作中,上微还收获了友谊和信任——国内4家新型显示领域的老大,都与上微开展了合作。

    在重大专项的实施过程中,还成立了产业技术联盟,加强协同创新。“由企业提出创新目标,然后分解任务、配置资源,最后集成并修正任务。不仅体现了企业技术创新的主体地位,更能提高企业创新的管理能力。”寿子琪说。

上微将IC制造的光刻机技术衍生到其他领域,开发了如激光封装、激光退火等设备。公司将此类产品比喻为“类光刻机”,即将光刻技术用于其他新兴产业领域的工艺、开发相关设备,具有极大的产业应用价值。

    研制光刻机过程中有个奇特的现象,那就是企业在完成国家战略任务的同时,基于市场需求和自身发展,通过自主创新,及时把关键技术辐射到相关领域,将阶段性成果转化为市场应用性项目,实现企业的自我造血。大家形象地称作这一产业化的过程为“沿途下蛋”。

    除了新型显示领域,上微早在2004年开始探索先进封装光刻机的产业化发展之路。2012年,上微的封装光刻机走进了先进封装的重镇——台湾,更引起同行业竞争者的重视,逼着他们降低售价并效法改进设备性能。目前,上微已占据国内先进封装光刻机市场的80%,并迫使竞争对手降低产品价格1/3,动了国际先进封装设备市场的奶酪。

    贺荣明将曾经崛起的我国女排战术——“高举高打,平拉开”应用于企业战略:技术高端切入,逼近世界水平,追高度;市场中端介入,形成产业规模,求宽度;拓展应用领域,伴随客户成长,筑厚度。

    以光刻机为抓手,部件服从整机牵引,通过产品工程牵起责任链,并围绕产业链串联起工艺、材料、软件等创新链。这就是上微的成功之道。

    以国家战略需求为导向,政府大胆决策,稳定支持,以企业为纽带,聚合产学研用创新资源,让市场成为配置科技资源的决定性力量,让企业成为技术创新的“主角”。这就是重大专项在光刻机研制中的创新实践。

    “光刻机在国外有30多年的历史,我们抢跑用了10年,2002年我国与国际光刻机先进水平相差20年,现在差距已大为缩小。我们渐渐找到了感觉与方法,相信我们的加速度是越来越高的。”贺荣明有自己的中国梦,一是做出中国自己的光刻机,让全世界尊重中国的科技;二是为中国打造优秀创新团队。现在,梦想正照进现实。


关键字:光刻指纹

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/0104/article_29321.html
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