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中国曾经的光刻机研发与徐端颐  

作者:章正远 来源:文史天地 时间:2021年01月05日 16:49:56 阅读 

如今,芯片已进入了人类现代社会的方方面面,大到飞机舰船、卫星火箭,小到人们手中的手机、“随身听”,都离不开芯片。随着以美国为首的国家对华为公司的打压,“光刻机”成了网络热搜词,谈论光刻机的文章铺天盖地。

真实的情况是:中国不仅曾经研制出国际一流水平的光刻机,而且是在外界封锁禁运的情况下独立研发制造,拥有完整知识产权。人们更不会知道,中国光刻机的研发制造,与一位贵州籍的科学家徐端颐密切相关。

1955年,从贵阳一中高中毕业的徐端颐以优异成绩考入清华大学,1961年从清华精密仪器系毕业后留校任教。“文革”期间,清华大学的大批教职员工被下放到江西鄱阳湖畔的农场,在“工宣队”的监督下“改造思想”,跟贫下中农学种水稻,徐端颐也在其中。次年,初为人父的徐端颐回家乡贵州探亲时,将2岁的幼子也带到了江西农场,准备在那里落地生根,当一辈子农民了。一天深夜,北京突然来了紧急电话,命令徐端颐立即返回北京,有重要任务。回到北京后,徐端颐才知道,原来是要他负责研制国家半导体工业和国防工业急需的关键设备——“自动光刻机”和“分步重复照相机”。

于是,这位来自贵州的青年助教徐端颐临危受命,承担了重任。

清华大学为徐端颐配备了实力很强的研制队伍。清华精密仪器系大楼建成后,在大楼的一层建立了精密光学仪器加工工厂(9003试验基地),沈钊先生任系主任兼厂长。学校将整个工厂的工程技术人员队伍,其中包括几百个技术超群的钳工、搞精密机械加工的其他工种的师傅,都划归徐端颐统一调配;又分配了清华毕业的一批本科生和一批素质很好的转业军人,加入这个研究团队。此外,学校还从其他单位调来好几位搞计算机控制的老师和技术工人。研制队伍成员涵盖全校5个系,人数多达数百人,是一次大规模的集团作战。

因为光刻机的制造技术太复杂,难度太高,国际“巴黎统筹委员会”(巴统)早就将其列为尖端技术产品,对华实行封锁禁运。此时的中国与外界隔绝,根本不可能获得任何外国资料。徐端颐率领其团队研制新设备,全部图纸都是由自己设计,全部零部件都是自己的车间加工制造,一切都是从零开始。

虽然徐端颐和团队成员过去都没有搞过光刻机的研发制造,缺乏这方面的知识,但是大家都非常认真努力,边干边学,进展很快。难能可贵的是,当时没有一分钱的奖金和加班费,团队的所有成员都主动加班加点,没日没夜地苦干。

徐端颐团队从光刻机干涉仪可稳频的氦-氖气体激光器的研制做起,直到精密导轨、丝杠、滚珠、步进电机、数字控制用的计算机、光学系统、大孔径的投影物镜等,都是自己设计制造。

在极其困难的条件下,经过一年多的艰苦努力,徐端颐团队不负众望,终于在1971年研制出中国第一台光刻机和分步重复照相机,并投入规模生产,供应全国半导体行业使用。此成果于1978年荣获全国科技大会奖。

1971年研制出中国的第一台光刻机.jpg

1971年研制出中国的第一台光刻机

分步重复照相机.jpg

分步重复照相机

从1975年开始,徐端颐采用直接在半导体晶片上光刻集成电路的方法,投入了对“自动对准分步投影光刻机”的研制。1980年,徐端颐团队完成了国内第一台“自动对准分步投影光刻机”的研制,加工最细线宽为0.8微米,填补了国内技术空白,投入批量生产,交付使用。这是中国的第二代光刻机。此成果获1981年北京市首届科技成果一等奖。直到今天,世界上只有美国、日本等少数国家能制造这种设备。

中国的第二代光刻机.jpg

中国的第二代光刻机

1987年,国家电子工业部组织成立了“中国电子专用设备工业协会”(CEPEA),这是国家批准的具有社团法人资格的全国性工业行业协会,全国共有一百多个会员单位。徐端颐领导的清华大学微细工程研究所,是当时全国大专院校中唯一的专门从事电子专用设备研究的单位。

徐端颐被选为中国电子专用设备工业协会的副理事长,其上级业务主管部门就是工业和信息化部。

中国电子专业设备工业协会成立后,徐端颐被邀请到许多单位讲学。他在清华大学校内举办了光学微加工技术短训班,针对在职技术人员编写了《投影光刻机结构原理及设计》《光电自动对准与调焦技术》等教材。同时,他还担任《电子工业专用设备》杂志的编委。

徐端颐清华大学举办光学微加工技术短训班.jpg

徐端颐清华大学举办光学微加工技术短训班

中国的电子工业专用设备工业在这段时期发展很快,配套齐全,这在其他国家并不多见。

在长期研发的基础上,徐端颐带领其团队,积极地开展了更为先进的“分步投影光刻机”的研制。

这种新型光刻机的设计指标,瞄准了当时国际的最高水平。例如:可光刻的芯片最大面积为10×10平方毫米,实际有效分辨率为1.25微米,工作台行程160×160毫米,可加工4-6英寸的晶片。

该光刻机研制成功后,同时投产了3台。其中,一台留在清华微细工程研究所进行实验研究;另外两台,则分别提供给中国科学院109厂和北京半导体器件厂,进行试用考核。

中国科学院的王守武先生,用这台光刻机进行了多种大规模集成电路的研制,成品率与传统工艺相比,平均提高了27%。

王守武先生对徐端颐发明的在光刻掩模上增加保护膜的新方法非常赞赏,还介绍了一家美国公司来与徐端颐团队合作生产。

此项成果上报到电子工业部后,有关领导非常重视,亲自到清华大学和中科院试验现场考察。

1991年1月,电子工业部和国家教育委员会召集国内有关权威专家,在清华大学组织了一次规模很大的鉴定会和技术交流会,对清华大学徐端颐等研制的第三代“自动对准分步投影光刻机”进行鉴定。鉴定会由电子工业部领导主持,由中国物理学界泰斗王守武先生任评审专家组组长。徐端颐在会上介绍了清华光刻机的研发情况。

这一次的鉴定会规模很大,非常隆重。除电子工业部专用设备司司长陆锦荣等领导外,科技部、国家教委的领导也纷纷出席。清华主管科研的常务副校长倪维斗负责接待。此外,还有一批来自全国各地的半导体加工专用设备生产厂的代表参加。

王守武先生仍然保持着自己一贯的独特作风,讲话简明扼要,只讲了三句话:

“这台光刻机还不错。希望大家认真提修改意见。使用单位应该积极参与设备研制。”

能得到王守武先生如此肯定,已经非常难得了。

在鉴定会召开之前,王先生给了徐端颐一个专家组名单,让清华正式邀请这些专家组成鉴定小组。此外,他还指定了一批有关设备设计制造、半导体器件生产单位的工程技术人员,和电子工业部的领导一起,对这台光刻机进行现场测试,并将测试数据资料交给鉴定委员会专家组审查。

最后,王守武先生根据这些数据资料和专家组的意见,起草了鉴定意见,并亲自在会上宣读了鉴定结果。

徐端颐搞电子工业专用设备多年,参加过各种产品鉴定会,但都没有经历过这样严格认真的鉴定程序。

这次鉴定会具有里程碑似的重要意义。

清华大学由此成为中国唯一的能自主研发生产国际一流水平的高端光刻机的单位。

通过国家级的正式鉴定后,徐端颐团队研制的第三代“自动对准分步投影光刻机”和该机使用的镜头,双双荣获“国家科技成果奖”。

1991年3月,电子工业部决定将该机在国家计委主办的“首届全国工业企业技术进步成就展览会”上展出。于是,清华大学研制的这台“自动对准分步投影光刻机”被安置在北京展览馆主展厅,向中外观众、国内外专家及媒体记者展出。

《人民日报》(海外版)、《北京日报》、北京电视台等媒体报道了这一消息后,引起了各国科学界的重视。

这天,徐端颐接到北京展览馆来电说,他们要接待一个重要的外国代表团来参观,要求徐端颐亲自接待。

徐端颐按时来到北京展览馆主展厅后,王守武先生陪同一个外国代表团来到清华大学的展位,参观清华研制的自动投影光刻机,随同的还有许多中外记者。

徐端颐不知道这些人是什么来头,没敢多问,很有礼貌地接待他们参观光刻机,对方问什么就答什么。

此时的中国科学界完全没有“知识产权”这个概念,不知道保密,无论人家问什么,都会和盘托出。

1991年3月,清华大学研制的第三代“自动对准分步投影光刻机”在北京展览馆参加“首届全国工业企业技术进步成就展览会”。图为徐端颐(中)向与会专家介绍中国光刻机的研发情况.jpg

1991年3月,清华大学研制的第三代“自动对准分步投影光刻机”在北京展览馆参加“首届全国工业企业技术进步成就展览会”。图为徐端颐(中)向与会专家介绍中国光刻机的研发情况

这些外国专家围着这台光刻机转来转去,看得非常仔细,提的问题非常专业;有的专家甚至还爬在地上,转到后面,仔细看光刻机的内部结构。

徐端颐这时才知道,这个代表团的成员,都是来自美国和日本的光刻机专家。

当美、日专家亲眼看到中国在国外封锁、禁运的情况下,独立自主研发出了具有国际一流水平的光刻机,拥有完全的知识产权,惊诧不已,连说:“不可思议!”(inconceivable)

美、日专家离开后不久,其他国家的光刻机专家也接踵而至,来了一拨又一拨。当时国外生产光刻机的著名公司和厂家几乎都派人来到北京,参观考察清华大学自主研发的光刻机。他们都看得非常仔细,提问也十分在行。徐端颐友好地接待了这些外国专家,现场回答了他们提出的各种问题。这些专家对中国独立自主研发出光刻机心悦诚服,还热情地邀请徐端颐去他们那里访问交流。遗憾的是,来访者中唯独没有后来成为世界光刻机行业巨擘的荷兰艾司摩尔公司(ASML)的代表,此时,这家公司还没有诞生。

北京展览会结束,这些外国专家离开中国回国后不久,国际“巴黎统筹委员会”便宣布:取消对华出口投影光刻机的禁运令。美国和日本这两个当时世界上主要生产“分步投影光刻机”的国家同时宣布,取消对中国的出口禁令,可以向中国出口这类投影光刻机,而且价格比较优惠。同时,还祭出了一个颇具诱惑力的法宝——“凡购买本公司光刻机的中国企业,欢迎其领导人来本公司参观访问旅游,来回的机票、酒店住宿和所有的旅行费用,全部由本公司承担”。

此时,国门刚刚打开不久,外面的世界很精彩,对中国企业的领导人很有吸引力,都想找个机会出国去看一看,玩一玩,开开眼界。

于是,原先准备购买清华大学生产的投影光刻机的许多单位纷纷改变主意,来电话说不要了;连原来和清华大学有长期合作关系的中国科学院半导体所109厂及北京、上海、天津、无锡等地的其他大单位,都纷纷取消了订单。清华大学研发制造的新型自动光刻机没有了市场,也就失去了生存空间。

于是,徐端颐团队耗费无数心血研制成功的自动光刻机——这一生产加工芯片的重要关键设备,就此夭折。多年来的所有努力和无尽心血,全部付诸东流。

徐端颐,这位主持研制出中国第一台光刻机的科学家,从此不能再造光刻机,其内心的悲痛可想而知。无奈之下,他只好告别了光刻机研发领域,将目光转向国际上方兴未艾的光盘研究。

此后,清华大学徐端颐团队在光盘研究领域取得了骄人的成就。中国的光盘研发制造在国际上独领风骚,产销量和出口量均居世界第一,在国际上占据了一席之地,令世人刮目相看。

徐端颐成为中国光盘研究领域的主要奠基人之一。他拥有67项中国专利、2项美国专利,多次应邀担任国际光学会议主席,荣获中国科技最高奖“国家发明奖”,被任命为国家重点基础研究项目首席科学家。

清华大学停产光刻机后,形势急转直下。国外生产的光刻机长驱直入,迅速抢占了中国市场。

既然中国已经“挥刀自宫”,自己放弃了光刻机的研发制造,外国的光刻机生产公司没有了竞争对手,光刻机的价格便一路水涨船高,节节攀升。多年以后,自动光刻机奇货可居,价格暴涨到了数亿美金一台,比大飞机还贵。

贵还不说,发达国家还禁止对中国出售光刻机,只卖芯片给中国。一些国家在芯片产品的供应问题上,卡住了中国的脖子,中国的半导体企业也只能在绝望中苦苦挣扎。

正如徐端颐所预言:“未来的光刻机,可能有重大的技术革新与发展。”

中国的光刻机研发制造停下来后,国外的光刻机研制却一直在不断发展,攀登新高峰。现在,发达国家研制的高端光刻机,其生产制造的芯片已达到纳米级。

形势十分严峻。高层领导中具有战略眼光的领导人也看出了问题,希望清华大学重新恢复自动光刻机的研发制造……

此时,徐端颐已退休,其团队的骨干成员也星散各方。要想重新组成当年那样精干出色的高水平的科研团队,谈何容易!

(本文节选自作者即将完成的长篇传记新书稿《蓝光闪耀——徐端颐传略》)

【高级编辑】

责任编辑/姚胜祥