磨砥刻厲，擎“皇冠明珠”國(guó)產(chǎn)化大旗

劉榮+曹麗娟

學(xué)必窮日夜磨砥刻厲，久而后有得焉。

——明·李東陽(yáng)

“中國(guó)式尷尬”

2016年3月28日17時(shí)20分，俄羅斯空橋貨運(yùn)航空公司一架全貨機(jī)在大連國(guó)際機(jī)場(chǎng)降落，貨機(jī)上是英特爾公司用以追加大連IC產(chǎn)線投資的高端設(shè)備——光刻機(jī)。為保障這批設(shè)備的運(yùn)輸，英特爾公司動(dòng)用了6架包機(jī)，貨運(yùn)公司調(diào)用了6臺(tái)減震車和數(shù)控溫床，操作時(shí)的小心謹(jǐn)慎不亞于對(duì)待一級(jí)文物。

你或許要問(wèn)，光刻機(jī)是何方神物竟要如此“厚待”？這要從第一只晶體管說(shuō)起……

1947年，世界上第一只晶體管在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生，人類自此進(jìn)入電子時(shí)代。此后，芯片被喻為這個(gè)信息時(shí)代的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，而光刻機(jī)就是制造“發(fā)動(dòng)機(jī)”最核心的裝備，每顆芯片的誕生，都要經(jīng)過(guò)光刻技術(shù)的精雕細(xì)琢。

光刻機(jī)的用途非常廣泛，除了有用于芯片封裝的后道光刻機(jī)，還有用于LED制造領(lǐng)域的投影光刻機(jī)，以及高端大氣上檔次的芯片制造前道光刻機(jī)。

光刻機(jī)被冠以諸多美名——世界上最精密的儀器、現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花、超精密技術(shù)皇冠上的明珠……毫無(wú)疑問(wèn)，它是當(dāng)之無(wú)愧的“尖兒貨”，正因如此，它的研發(fā)技術(shù)、資金門檻都極高，世界上從事光刻機(jī)研發(fā)的企業(yè)屈指可數(shù)。

目前，世界上80%的光刻機(jī)市場(chǎng)被荷蘭ASML公司占據(jù)，高端光刻機(jī)也被其壟斷。在這家“巨鱷”面前，曾有人用“寒磣”形容中國(guó)光刻機(jī)企業(yè)，盡管用詞略嚴(yán)重，但不得不承認(rèn)，中國(guó)芯片一直以來(lái)呈現(xiàn)的尷尬境遇，很大程度與中國(guó)光刻機(jī)技術(shù)水平欠佳有關(guān)。

早在八年前，我國(guó)有企業(yè)制造出了100nm光刻機(jī)，這在當(dāng)時(shí)已經(jīng)相當(dāng)給力，美中不足的是核心部件全部是進(jìn)口的，這成了國(guó)外企業(yè)鉗制中國(guó)光刻機(jī)發(fā)展的缺口，技術(shù)和核心零部件上的受制于人，讓中國(guó)光刻機(jī)的發(fā)展也很尷尬。

可喜的是，現(xiàn)在，光刻機(jī)這一尖端技術(shù)壁壘終于被逐漸打破了！2016年4月28日，國(guó)家科技重大專項(xiàng)“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目（以下稱“雙工件臺(tái)項(xiàng)目”）在清華大學(xué)成功通過(guò)驗(yàn)收，這是清華大學(xué)面向國(guó)家戰(zhàn)略需求、解決重大科技問(wèn)題、踐行重大科研責(zé)任的一次標(biāo)志性成果。

一直以來(lái)，世界上只有極少數(shù)國(guó)家掌握研制這一尖端系統(tǒng)的技術(shù)?，F(xiàn)在，這個(gè)舞臺(tái)上終于多了中國(guó)的身影。更重要的是，“雙工件臺(tái)項(xiàng)目”的完成將極大地推進(jìn)我國(guó)高端光刻機(jī)的研制與產(chǎn)品化進(jìn)程。

五年攻堅(jiān)

“超精密工件臺(tái)是光刻機(jī)中最核心的兩大部件之一，不管光學(xué)系統(tǒng)怎么變，都需要工件臺(tái)為基礎(chǔ)?！毖兄乒饪虣C(jī)超精密工件臺(tái)系統(tǒng)成為02專項(xiàng)光刻機(jī)項(xiàng)目群的核心任務(wù)之一，這場(chǎng)關(guān)乎光刻機(jī)國(guó)產(chǎn)化的戰(zhàn)役，于七年前正式吹響號(hào)角。

清華大學(xué)聯(lián)合華中科技大學(xué)、上海微電子裝備有限公司、成都工具所等3家單位組成了攻堅(jiān)生力軍，清華大學(xué)機(jī)械工程系教授朱煜擔(dān)任“雙工件臺(tái)項(xiàng)目”負(fù)責(zé)人，他的團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了樣機(jī)集成研發(fā)等核心任務(wù)。

據(jù)朱煜介紹，為將設(shè)計(jì)圖形制作到硅片上，并能在2～3cm2的方寸之地集成數(shù)十億只晶體管，光刻機(jī)需要達(dá)到幾十納米甚至更高的圖像分辨率。而光刻機(jī)核心部件之一的工件臺(tái)，在高速運(yùn)動(dòng)下需達(dá)到2nm（相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的三萬(wàn)分之一）的運(yùn)動(dòng)精度，在超精密機(jī)械制造與控制領(lǐng)域處于最尖端的地位，光刻機(jī)才會(huì)因此被喻為“超精密技術(shù)皇冠上的明珠”。

工件臺(tái)系統(tǒng)是光刻機(jī)的核心子系統(tǒng)，它的運(yùn)行速度、加速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和定位建立時(shí)間等，關(guān)系著光刻機(jī)的精度和生產(chǎn)效率。過(guò)去，光刻機(jī)只有一個(gè)工作臺(tái)，所有流程都在其中完成。雙工件臺(tái)系統(tǒng)的誕生，讓光刻機(jī)能在不改變步進(jìn)掃描速度和加速度的狀態(tài)下，同時(shí)完成曝光和測(cè)量，提高約35%的工作效率。

但是，多了一個(gè)工作臺(tái)，技術(shù)難度也增加了幾個(gè)等級(jí)。以換臺(tái)速度和精度為例，換臺(tái)速度慢了，光刻機(jī)工作效率會(huì)受影響；換臺(tái)精度不夠，后續(xù)掃描光刻等步驟的正常進(jìn)行可能都會(huì)受影響。

此次“雙工件臺(tái)項(xiàng)目”是為研制光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)，同時(shí)也是為我國(guó)自主研發(fā)65～28nm雙工件臺(tái)干式及浸沒(méi)式光刻機(jī)，提供具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心子系統(tǒng)。

所以，“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目對(duì)朱煜和團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，是一場(chǎng)難打的仗，卻也是一場(chǎng)必須拿下的仗。清華大學(xué)為此成立了專項(xiàng)管理辦公室，在資金、設(shè)備、人員等方面提供全力保障。朱煜和團(tuán)隊(duì)也集中精力，全力以赴，艱苦攻關(guān)。經(jīng)歷了五年的攻關(guān)，兩年前他們交出了一張漂亮的答卷。

研究團(tuán)隊(duì)出色地完成了全部研制任務(wù)，突破了平面電機(jī)、微動(dòng)臺(tái)、超精密測(cè)量、超精密運(yùn)動(dòng)控制、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析、先進(jìn)工程材料制備及應(yīng)用等若干項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，攻克了光刻機(jī)工件臺(tái)設(shè)計(jì)和集成等核心技術(shù)，成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的2套光刻機(jī)雙工件臺(tái)掩模臺(tái)系統(tǒng)α樣機(jī)。樣機(jī)通過(guò)了整機(jī)的多輪嚴(yán)格測(cè)試，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到當(dāng)前國(guó)際同類光刻機(jī)雙工件臺(tái)水平，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷。

研究過(guò)程中，朱煜團(tuán)隊(duì)還針對(duì)光刻機(jī)工件臺(tái)研發(fā)過(guò)程中涉及的機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)模型、超精密運(yùn)動(dòng)控制方法、驅(qū)動(dòng)硬件、控制板卡、激光干涉測(cè)量等技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，突破了工件臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)控制等相關(guān)瓶頸，研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)雙十字推桿結(jié)構(gòu)的雙臺(tái)交換裝置及平面電機(jī)氣浮硅片臺(tái)系統(tǒng)，為“雙工件臺(tái)項(xiàng)目”最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，朱煜在研究中圍繞國(guó)家重大科技戰(zhàn)略需求與科學(xué)基礎(chǔ)前沿，首次提出了基于信息論的系統(tǒng)建模方法，解決了光刻機(jī)工件臺(tái)這類系統(tǒng)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)分析、納米精度誤差補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，為突破光刻機(jī)工件臺(tái)基礎(chǔ)理論提供了有力支撐。

他還圍繞國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)工件臺(tái)系統(tǒng)開(kāi)展深入的理論與工程技術(shù)創(chuàng)新研究，突破國(guó)外技術(shù)封鎖和專利壁壘，建立國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系，為光刻機(jī)國(guó)產(chǎn)化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。這些成果在一定程度上推動(dòng)了光刻機(jī)雙工件臺(tái)的技術(shù)創(chuàng)新研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，為“雙工件臺(tái)項(xiàng)目”的最終完成作出了重要貢獻(xiàn)。

據(jù)悉，朱煜團(tuán)隊(duì)圍繞“雙工件臺(tái)項(xiàng)目”累計(jì)申請(qǐng)發(fā)明專利230余項(xiàng)，120余項(xiàng)已獲授權(quán)；申請(qǐng)國(guó)際發(fā)明專利40余項(xiàng)，累計(jì)發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，其中SCI檢索40余篇。項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)上，“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)”得到了專家們的高度好評(píng)——

雙工件臺(tái)項(xiàng)目專家委員會(huì)主任馬俊如評(píng)價(jià)說(shuō)：“作為國(guó)家戰(zhàn)略必爭(zhēng)裝備，光刻機(jī)研發(fā)面臨著極高的挑戰(zhàn)和困難，此次項(xiàng)目高水平的攻關(guān)成果將為改變我國(guó)光刻機(jī)受制于人的局面奠定基礎(chǔ)?！?/p>

02專項(xiàng)技術(shù)總師葉甜春表示：“工件臺(tái)是精密機(jī)械之王，清華光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)研發(fā)的成功，將成為我國(guó)超精密機(jī)械的一個(gè)里程碑，意義重大，為光刻機(jī)的研制邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。”

科技部原副部長(zhǎng)曹健林對(duì)朱煜和團(tuán)隊(duì)的表現(xiàn)給予了充分肯定，他表示：“雙工件臺(tái)系統(tǒng)是微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心部件，深具戰(zhàn)略意義；是精密制造中走在最前列的量產(chǎn)設(shè)備，沒(méi)有之一。它包含了業(yè)界公認(rèn)的精密機(jī)械和精密光學(xué)兩大技術(shù)高峰，感謝清華雙工件臺(tái)團(tuán)隊(duì)所做的貢獻(xiàn)?！?/p>

驗(yàn)收組專家也一致認(rèn)為，該項(xiàng)目的完成，不僅標(biāo)志著我國(guó)成為世界上第二個(gè)研制出光刻機(jī)雙工件臺(tái)這一超精密機(jī)械與測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域最尖端系統(tǒng)的國(guó)家，還顯著提升了我國(guó)在高端光刻機(jī)這一戰(zhàn)略高科技產(chǎn)品研發(fā)方面的競(jìng)爭(zhēng)能力。這也是02專項(xiàng)核心任務(wù)光刻機(jī)項(xiàng)目群中第一個(gè)通過(guò)正式驗(yàn)收的項(xiàng)目。

朱煜表示，作為02專項(xiàng)最核心任務(wù)光刻機(jī)項(xiàng)目群中唯一通過(guò)正式驗(yàn)收的成果，團(tuán)隊(duì)成員為這項(xiàng)號(hào)稱“精密機(jī)械之王”的尖端技術(shù)付出了無(wú)數(shù)的心血。驗(yàn)收專家組的贊賞和肯定，讓團(tuán)隊(duì)看到了國(guó)家對(duì)光刻機(jī)重大專項(xiàng)的支持和決心，也極大地提振了團(tuán)隊(duì)的研究士氣和信心。接下來(lái)，他們將站在新的起點(diǎn)上，秉承“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，科技引領(lǐng)未來(lái)”的理念，堅(jiān)持不懈繼續(xù)創(chuàng)新，做出更多世界頂尖的科研成果，繼續(xù)為我國(guó)超精密機(jī)電裝備的戰(zhàn)略突破作出更大貢獻(xiàn)。

創(chuàng)新之源

創(chuàng)新，無(wú)疑是破解光刻機(jī)國(guó)產(chǎn)化發(fā)展難題的“密鑰”和“引擎”。但是，人才，才是創(chuàng)新的真實(shí)根基。任何領(lǐng)域的創(chuàng)新最終都要靠人才來(lái)支撐。一直以來(lái)，我國(guó)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，除了技術(shù)上受制于人之外，人才的缺失也是關(guān)鍵原因。

為解決人才匱乏、技術(shù)創(chuàng)新缺乏源泉的問(wèn)題，朱煜以重大科技需求為導(dǎo)向，瞄準(zhǔn)基礎(chǔ)科學(xué)前沿，發(fā)揮多學(xué)科交叉與融合的優(yōu)勢(shì)，凝練學(xué)科方向和研究?jī)?nèi)容，克服各種困難，逐步建成了一流的超精密機(jī)電系統(tǒng)研究平臺(tái)，并通過(guò)該平臺(tái)，相繼培養(yǎng)、引進(jìn)交叉學(xué)科學(xué)術(shù)骨干7人，科研合同制專業(yè)人才40余人，外聘高級(jí)專家2人，博士后研究人員6人，以及博士、碩士研究生30余人，為科研團(tuán)隊(duì)建設(shè)和人才培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

團(tuán)隊(duì)組建起來(lái)之后，朱煜特別重視人才的培育。他充分發(fā)掘各類人才的資源價(jià)值，努力為團(tuán)隊(duì)人才發(fā)展?fàn)I造良好環(huán)境，并通過(guò)產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，將部分核心技術(shù)骨干輸送到產(chǎn)品研發(fā)一線開(kāi)展技術(shù)成果產(chǎn)品化工作，形成產(chǎn)、學(xué)、研的良性互動(dòng)，支撐了團(tuán)隊(duì)的可持續(xù)發(fā)展，也有效支撐了雙工件臺(tái)技術(shù)成果的產(chǎn)業(yè)化工作。

現(xiàn)在，這支隊(duì)伍還在不斷壯大，科學(xué)、健康、有序的人才培養(yǎng)機(jī)制和成長(zhǎng)環(huán)境，調(diào)動(dòng)了他們的科研積極性，激發(fā)了他們的技術(shù)創(chuàng)新潛力，同時(shí)也有效提高了團(tuán)隊(duì)的凝聚力和戰(zhàn)斗力，讓他們具備了團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)、攻堅(jiān)、承擔(dān)重大科研任務(wù)的能力。未來(lái)，在光刻機(jī)國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)的征途上，他們將是我國(guó)最給力的中堅(jiān)力量。

在完成“雙工件臺(tái)項(xiàng)目”研究的同時(shí)，朱煜充分利用承擔(dān)大型科研項(xiàng)目的內(nèi)外部有利條件，籌建了IC制造裝備精密機(jī)械與測(cè)控學(xué)科和IC裝備研究室，組建、培養(yǎng)了一支近200人的跨學(xué)科、專業(yè)的超精密機(jī)械與控制高水平研究團(tuán)隊(duì)，建立了高水平的研發(fā)平臺(tái)，為后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化奠定了人才基礎(chǔ)，其重要性不亞于光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)的成功研制。

在朱煜帶領(lǐng)下，這支隊(duì)伍圍繞國(guó)家重大科技戰(zhàn)略需求和交叉學(xué)科基礎(chǔ)前沿開(kāi)展前瞻性、創(chuàng)新性研究，研究規(guī)模和水平均居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，具備為國(guó)家提供以光刻機(jī)工件臺(tái)為代表的超精密機(jī)械設(shè)計(jì)、超精密測(cè)量、超精密運(yùn)動(dòng)控制等發(fā)展所必需的尖端技術(shù)的能力，在光刻機(jī)精密工件臺(tái)技術(shù)研究方面取得了顯著成績(jī)——

2014年，團(tuán)隊(duì)承接了“65nmArF干式雙工件臺(tái)光刻機(jī)雙工件臺(tái)產(chǎn)品化樣機(jī)研發(fā)”任務(wù)，先后突破一系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，戰(zhàn)勝競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，通過(guò)了整機(jī)單位SMEE的PDR、CDR、IPR評(píng)審，成為承擔(dān)雙工件臺(tái)產(chǎn)品化研發(fā)的唯一總體單位。

2015年1月，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的“45nm浸沒(méi)式光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)”子課題通過(guò)CDR評(píng)審，獲得與會(huì)專家高度評(píng)價(jià)。

與北京華卓精科科技有限公司簽署協(xié)議，由華卓精科進(jìn)行光刻機(jī)雙工件臺(tái)專利技術(shù)的獨(dú)家實(shí)施與產(chǎn)品化，實(shí)現(xiàn)了清華大學(xué)光刻機(jī)雙工件臺(tái)專利技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)的順利轉(zhuǎn)移。

…………

憑借這些出色表現(xiàn)，朱煜領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)被評(píng)為清華大學(xué)先進(jìn)集體，朱煜本人獲得“十一五”國(guó)家科技計(jì)劃執(zhí)行突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，被國(guó)家科技重大專項(xiàng)實(shí)施管理辦公室授予“2010年度突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”。

毫無(wú)疑問(wèn)，此次“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目的完成，在技術(shù)積累和人才隊(duì)伍建設(shè)等方面顯著提升了我國(guó)在高端光刻機(jī)這一戰(zhàn)略高科技產(chǎn)品研發(fā)方面的競(jìng)爭(zhēng)力，為國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)研制形成了重要推力。

然而，朱煜心里清楚，這只是光刻機(jī)國(guó)產(chǎn)化萬(wàn)里征程中邁出的一小步，面對(duì)徹底打破國(guó)外壟斷，甚至引領(lǐng)世界光刻機(jī)市場(chǎng)的遠(yuǎn)大目標(biāo)，中國(guó)光刻機(jī)研究還有很長(zhǎng)的路要走。

一如清華大學(xué)副校長(zhǎng)薛其坤囑托的那樣，未來(lái)，朱煜和團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步面向國(guó)家重大科技需求，深入開(kāi)展理論研究與技術(shù)創(chuàng)新，加快推進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化，為深度參與國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略作出積極貢獻(xiàn)，創(chuàng)造更多科研奇跡！