中國曾經(jīng)的光刻機研發(fā)與徐端頤

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2022-03-17 07:50:23 6

如今，芯片已進入了人類現(xiàn)代社會的方方面面，大到飛機艦船、衛(wèi)星火箭，小到人們手中的手機、“隨身聽”，都離不開芯片。隨著以美國為首的*對華為公司的打壓，“光刻機”成了網(wǎng)絡(luò)熱搜詞，談論光刻機的文章鋪天蓋地。

真實的情況是：中國不僅曾經(jīng)研制出國際*水平的光刻機，而且是在外界封鎖禁運的情況下獨立研發(fā)制造，擁有完整知識產(chǎn)權(quán)。人們更不會知道，中國光刻機的研發(fā)制造，與一位貴州籍的科學家徐端頤密切相關(guān)。

1955年，從貴陽一中高中畢業(yè)的徐端頤以優(yōu)異成績考入清華大學，1961年從清華精密儀器系畢業(yè)后留校任教。“文革”期間，清華大學的大批教職員工被下放到江西鄱陽湖畔的農(nóng)場，在“工宣隊”的監(jiān)督下“改造思想”，跟貧下中農(nóng)學種水稻，徐端頤也在其中。次年，初為人父的徐端頤回家鄉(xiāng)貴州探親時，將2歲的幼子也帶到了江西農(nóng)場，準備在那里落地生根，當一輩子農(nóng)民了。一天深夜，北京突然來了緊急電話，命令徐端頤立即返回北京，有重要任務。回到北京后，徐端頤才知道，原來是要他負責研制*半導體工業(yè)和國防工業(yè)急需的關(guān)鍵設(shè)備——“自動光刻機”和“分步重復照相機”。

于是，這位來自貴州的青年助教徐端頤臨危受命，承擔了重任。

清華大學為徐端頤配備了實力很強的研制隊伍。清華精密儀器系大樓建成后，在大樓的一層建立了精密光學儀器加工工廠（9003試驗基地），沈釗先生任系主任兼廠長。學校將整個工廠的工程技術(shù)人員隊伍，其中包括幾百個技術(shù)超群的鉗工、搞精密機械加工的其他工種的師傅，都劃歸徐端頤統(tǒng)一調(diào)配；又分配了清華畢業(yè)的一批本科生和一批素質(zhì)很好的轉(zhuǎn)業(yè)軍人，加入這個研究團隊。此外，學校還從其他單位調(diào)來好幾位搞計算機控制的老師和技術(shù)工人。研制隊伍成員涵蓋全校5個系，人數(shù)多達數(shù)百人，是一次大規(guī)模的集團作戰(zhàn)。

因為光刻機的制造技術(shù)太復雜，難度太高，國際“巴黎統(tǒng)籌委員會”（巴統(tǒng)）早就將其列為*技術(shù)產(chǎn)品，對華實行封鎖禁運。此時的中國與外界隔絕，根本不可能獲得任何外國資料。徐端頤率領(lǐng)其團隊研制新設(shè)備，全部圖紙都是由自己設(shè)計，全部零部件都是自己的車間加工制造，一切都是從零開始。

雖然徐端頤和團隊成員過去都沒有搞過光刻機的研發(fā)制造，缺乏這方面的知識，但是大家都非常認真努力，邊干邊學，進展很快。難能可貴的是，當時沒有一分錢的獎金和加班費，團隊的所有成員都主動加班加點，沒日沒夜地苦干。

徐端頤團隊從光刻機干涉儀可穩(wěn)頻的氦-氖氣體激光器的研制做起，直到精密導軌、絲杠、滾珠、步進電機、數(shù)字控制用的計算機、光學系統(tǒng)、大孔徑的投影物鏡等，都是自己設(shè)計制造。

在極其困難的條件下，經(jīng)過一年多的艱苦努力，徐端頤團隊不負眾望，終于在1971年研制出中國*臺光刻機和分步重復照相機，并投入規(guī)模生產(chǎn)，供應全國半導體行業(yè)使用。此成果于1978年榮獲全國科技大會獎。

1971年研制出中國的*臺光刻機

分步重復照相機

從1975年開始，徐端頤采用直接在半導體晶片上光刻集成電路的方法，投入了對“自動對準分步投影光刻機”的研制。1980年，徐端頤團隊完成了國內(nèi)*臺“自動對準分步投影光刻機”的研制，加工最細線寬為0.8微米，填補了國內(nèi)技術(shù)空白，投入批量生產(chǎn)，交付使用。這是中國的第二代光刻機。此成果獲1981年北京市首屆科技成果一等獎。直到今天，*上只有美國、日本等少數(shù)*能制造這種設(shè)備。

中國的第二代光刻機

1987年，*電子工業(yè)部組織成立了“中國電子專用設(shè)備工業(yè)協(xié)會”（CEPEA），這是*批準的具有社團法人資格的全國性工業(yè)行業(yè)協(xié)會，全國共有一百多個會員單位。徐端頤領(lǐng)導的清華大學微細工程研究所，是當時全國大專院校中*的專門從事電子專用設(shè)備研究的單位。

徐端頤被選為中國電子專用設(shè)備工業(yè)協(xié)會的副理事長，其上級業(yè)務主管部門就是工業(yè)和信息化部。

中國電子專業(yè)設(shè)備工業(yè)協(xié)會成立后，徐端頤被邀請到許多單位講學。他在清華大學校內(nèi)舉辦了光學微加工技術(shù)短訓班，針對在職技術(shù)人員編寫了《投影光刻機結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計》《光電自動對準與調(diào)焦技術(shù)》等教材。同時，他還擔任《電子工業(yè)專用設(shè)備》雜志的編委。

徐端頤清華大學舉辦光學微加工技術(shù)短訓班

中國的電子工業(yè)專用設(shè)備工業(yè)在這段時期發(fā)展很快，配套齊全，這在其他*并不多見。

在長期研發(fā)的基礎(chǔ)上，徐端頤帶領(lǐng)其團隊，積極地開展了更為先進的“分步投影光刻機”的研制。

這種新型光刻機的設(shè)計指標，瞄準了當時國際的最高水平。例如：可光刻的芯片最大面積為10×10平方毫米，實際有效分辨率為1.25微米，工作臺行程160×160毫米，可加工4-6英寸的晶片。

該光刻機研制成功后，同時投產(chǎn)了3臺。其中，一臺留在清華微細工程研究所進行實驗研究；另外兩臺，則分別提供給中國科學院109廠和北京半導體器件廠，進行試用考核。

中國科學院的王守武先生，用這臺光刻機進行了多種大規(guī)模集成電路的研制，成品率與傳統(tǒng)工藝相比，平均提高了27%。

王守武先生對徐端頤發(fā)明的在光刻掩模上增加保護膜的新方法非常贊賞，還介紹了一家美國公司來與徐端頤團隊合作生產(chǎn)。

此項成果上報到電子工業(yè)部后，有關(guān)領(lǐng)導非常重視，親自到清華大學和中科院試驗現(xiàn)場考察。

1991年1月，電子工業(yè)部和*教育委員會召集國內(nèi)有關(guān)權(quán)威專家，在清華大學組織了一次規(guī)模很大的鑒定會和技術(shù)交流會，對清華大學徐端頤等研制的第三代“自動對準分步投影光刻機”進行鑒定。鑒定會由電子工業(yè)部領(lǐng)導主持，由中國物理學界泰斗王守武先生任評審專家組組長。徐端頤在會上介紹了清華光刻機的研發(fā)情況。

這一次的鑒定會規(guī)模很大，非常隆重。除電子工業(yè)部專用設(shè)備司司長陸錦榮等領(lǐng)導外，科技部、*教委的領(lǐng)導也紛紛出席。清華主管科研的常務副校長倪維斗負責接待。此外，還有一批來自全國各地的半導體加工專用設(shè)備生產(chǎn)廠的代表參加。

王守武先生仍然保持著自己一貫的獨特作風，講話簡明扼要，只講了三句話：

“這臺光刻機還不錯。希望大家認真提修改意見。使用單位應該積極參與設(shè)備研制。”

能得到王守武先生如此肯定，已經(jīng)非常難得了。

在鑒定會召開之前，王先生給了徐端頤一個專家組名單，讓清華正式邀請這些專家組成鑒定小組。此外，他還指定了一批有關(guān)設(shè)備設(shè)計制造、半導體器件生產(chǎn)單位的工程技術(shù)人員，和電子工業(yè)部的領(lǐng)導一起，對這臺光刻機進行現(xiàn)場測試，并將測試數(shù)據(jù)資料交給鑒定委員會專家組審查。

最后，王守武先生根據(jù)這些數(shù)據(jù)資料和專家組的意見，起草了鑒定意見，并親自在會上宣讀了鑒定結(jié)果。

徐端頤搞電子工業(yè)專用設(shè)備多年，參加過各種產(chǎn)品鑒定會，但都沒有經(jīng)歷過這樣嚴格認真的鑒定程序。

這次鑒定會具有里程碑似的重要意義。

清華大學由此成為中國*的能自主研發(fā)生產(chǎn)國際*水平的高端光刻機的單位。

通過*級的正式鑒定后，徐端頤團隊研制的第三代“自動對準分步投影光刻機”和該機使用的鏡頭，雙雙榮獲“*科技成果獎”。

1991年3月，電子工業(yè)部決定將該機在*計委主辦的“首屆全國工業(yè)企業(yè)技術(shù)進步成就展覽會”上展出。于是，清華大學研制的這臺“自動對準分步投影光刻機”被安置在北京展覽館主展廳，向中外觀眾、國內(nèi)外專家及媒體記者展出。

《人民日報》（海外版）、《北京日報》、北京電視臺等媒體報道了這一消息后，引起了各國科學界的重視。

這天，徐端頤接到北京展覽館來電說，他們要接待一個重要的外國代表團來參觀，要求徐端頤親自接待。

徐端頤按時來到北京展覽館主展廳后，王守武先生陪同一個外國代表團來到清華大學的展位，參觀清華研制的自動投影光刻機，隨同的還有許多中外記者。

徐端頤不知道這些人是什么來頭，沒敢多問，很有禮貌地接待他們參觀光刻機，對方問什么就答什么。

此時的中國科學界完全沒有“知識產(chǎn)權(quán)”這個概念，不知道保密，無論人家問什么，都會和盤托出。

1991年3月，清華大學研制的第三代“自動對準分步投影光刻機”在北京展覽館參加“首屆全國工業(yè)企業(yè)技術(shù)進步成就展覽會”。圖為徐端頤（中）向與會專家介紹中國光刻機的研發(fā)情況

這些外國專家圍著這臺光刻機轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去，看得非常仔細，提的問題非常專業(yè)；有的專家甚至還爬在地上，轉(zhuǎn)到后面，仔細看光刻機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

徐端頤這時才知道，這個代表團的成員，都是來自美國和日本的光刻機專家。

當美、日專家親眼看到中國在國外封鎖、禁運的情況下，獨立自主研發(fā)出了具有國際*水平的光刻機，擁有完全的知識產(chǎn)權(quán)，驚詫不已，連說：“不可思議！”（inconceivable）

美、日專家離開后不久，其他*的光刻機專家也接踵而至，來了一撥又一撥。當時國外生產(chǎn)光刻機的*公司和廠家?guī)缀醵寂扇藖淼奖本瑓⒂^考察清華大學自主研發(fā)的光刻機。他們都看得非常仔細，提問也十分在行。徐端頤友好地接待了這些外國專家，現(xiàn)場回答了他們提出的各種問題。這些專家對中國獨立自主研發(fā)出光刻機心悅誠服，還熱情地邀請徐端頤去他們那里訪問交流。遺憾的是，來訪者中唯獨沒有后來成為*光刻機行業(yè)巨擘的荷蘭艾司摩爾公司（ASML）的代表，此時，這家公司還沒有誕生。

北京展覽會結(jié)束，這些外國專家離開中國回國后不久，國際“巴黎統(tǒng)籌委員會”便宣布：取消對華出口投影光刻機的禁運令。美國和日本這兩個當時*上主要生產(chǎn)“分步投影光刻機”的*同時宣布，取消對中國的出口禁令，可以向中國出口這類投影光刻機，而且價格比較優(yōu)惠。同時，還祭出了一個頗具誘惑力的法寶——“凡購買本公司光刻機的中國企業(yè)，歡迎其領(lǐng)導人來本公司參觀訪問旅游，來回的機票、酒店住宿和所有的旅行費用，全部由本公司承擔”。

此時，國門剛剛打開不久，外面的*很精彩，對中國企業(yè)的領(lǐng)導人很有吸引力，都想找個機會出國去看一看，玩一玩，開開眼界。

于是，原先準備購買清華大學生產(chǎn)的投影光刻機的許多單位紛紛改變主意，來電話說不要了；連原來和清華大學有長期合作關(guān)系的中國科學院半導體所109廠及北京、上海、天津、無錫等地的其他大單位，都紛紛取消了訂單。清華大學研發(fā)制造的新型自動光刻機沒有了市場，也就失去了生存空間。

于是，徐端頤團隊耗費無數(shù)心血研制成功的自動光刻機——這一生產(chǎn)加工芯片的重要關(guān)鍵設(shè)備，就此夭折。多年來的所有努力和無盡心血，全部付諸東流。

徐端頤，這位主持研制出中國*臺光刻機的科學家，從此不能再造光刻機，其內(nèi)心的悲痛可想而知。無奈之下，他只好告別了光刻機研發(fā)領(lǐng)域，將目光轉(zhuǎn)向國際上方興未艾的光盤研究。

此后，清華大學徐端頤團隊在光盤研究領(lǐng)域取得了驕人的成就。中國的光盤研發(fā)制造在國際上獨領(lǐng)風騷，產(chǎn)銷量和出口量均居**，在國際上占據(jù)了一席之地，令世人刮目相看。

徐端頤成為中國光盤研究領(lǐng)域的主要奠基人之一。他擁有67項中國專利、2項美國專利，多次應邀擔任國際光學會議*，榮獲中國科技最高獎“*發(fā)明獎”，被任命為*重點基礎(chǔ)研究項目首席科學家。

清華大學停產(chǎn)光刻機后，形勢急轉(zhuǎn)直下。國外生產(chǎn)的光刻機長驅(qū)直入，迅速*占了中國市場。

既然中國已經(jīng)“揮刀自宮”，自己放棄了光刻機的研發(fā)制造，外國的光刻機生產(chǎn)公司沒有了競爭對手，光刻機的價格便一路水漲船高，節(jié)節(jié)攀升。多年以后，自動光刻機奇貨可居，價格暴漲到了數(shù)億美金一臺，比大飛機還貴。

貴還不說，發(fā)達*還禁止對中國出售光刻機，只賣芯片給中國。一些*在芯片產(chǎn)品的供應問題上，卡住了中國的脖子，中國的半導體企業(yè)也只能在絕望中苦苦掙扎。

正如徐端頤所預言：“未來的光刻機，可能有重大的技術(shù)革新與發(fā)展。”

中國的光刻機研發(fā)制造停下來后，國外的光刻機研制卻一直在不斷發(fā)展，攀登新*。現(xiàn)在，發(fā)達*研制的高端光刻機，其生產(chǎn)制造的芯片已達到納米級。

形勢十分嚴峻。高層領(lǐng)導中具有戰(zhàn)略眼光的領(lǐng)導人也看出了問題，希望清華大學重新恢復自動光刻機的研發(fā)制造……

此時，徐端頤已退休，其團隊的骨干成員也星散各方。要想重新組成當年那樣精干*的高水平的科研團隊，談何容易！

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