仅次美国比肩日韩昔日尖端水平的国产光刻机为何沦落至此?

  1991年3月,首届全国工业公司技术成就展览会在北京召开,人民日报海外版在报道这一消息时,还顺带提了一句,由清华大学精密仪器系研发的分步投影光刻机,将在北京展馆展览。

  报道一出,引起了国外学界的广泛关注,当时的光刻机大致上可以分为接触式、接近式和投影式,投影式光刻机是那时最先进的光刻机设备,而中国自1952年开始,就被巴黎统筹委员会列为输出管制国家,禁止对华出口先进工业产品与技术,其中就包括投影光刻机。

  没有人相信这个经济落后、工业基础薄弱的国家,能够研发出那个时代最为尖端的科技机器,于是来自世界各国的光刻机专家纷纷组团前往北京参展。

  外国专家们带着怀疑来,不久后又带着震惊走,美国的光刻机专家在回国后对着记者表示:继续对华实施光刻机禁运已无意义了,他们已靠自己突破了技术封锁。

  很多人估计很难来想象,今天在半导体领域,尤其是在光刻机技术方面被西方全方位卡脖子的我们,40多年前,曾凭一己之力研发出了世界尖端水平的投影式光刻机。

  对于整个国产光刻机行业来说,故事的开篇极为辉煌,那时的中国正如初飞的巨龙,以每年两位数的GDP增长飞速疾驰,社会、经济、工业成长潜力巨大,光刻机产业的发展前途几乎能用梦幻来形容,谁也没想到,行业的榱崩栋折来得如此突然。

  当时,清华大学精密仪器系教师徐端颐正在江西鄱阳湖的农场学习水稻种植,已经准备在此扎根的他突然接到了北京的电话,电话里的那头说:因半导体及国防工业需要,现调派他回校主持自动光刻机研发工作。

  清华大学为徐端颐配备了数百人的团队,有技术超群的钳工,有搞精密机械加工的,还有从其他单位调来的搞计算机控制的老师和技术工人。然而上百号人,却没有一个人见过自动光刻机,此外由于巴统禁令的原因,徐端颐翻遍了学校的图书馆,也没找到一份和光刻机相关的外文资料。

  没有现成的资料参考,那就只能自己动手设计了,从零到一、从无到有,徐端颐带着团队就这样埋头苦干,不闻窗外事,直到某一天,一个意外的消息让他不得不暂时放下手中的活,因为新中国的第一台自动光刻机诞生了。

  中国的科研历来讲究饱和式竞争,同一个研究项目通常都会有多个科研团队攻坚,谁先做出成果,荣誉就是谁的。

  在徐端颐带队研发之时,中科院的1445所也在向着自动光刻机攻关,相较于徐端颐,1445所显然更具经验,因为中国第一台光刻机65型接触式光刻机,就是由中科院下属的109厂与上海光学仪器厂合作研发的。

  尽管在研究上落了后,但在了解到GK-3是接触式自动光刻机后,徐端颐又重新将精力投入到了光刻机的研发工作中。

  我们前面提到过,那个时代的光刻机技术,主要是第一代接触式光刻机、第二代接近式光刻机和第三代投影式光刻机。

  中科院1445所研发的GK-3虽然是中国第一台自动式光刻机,但仍属于第一代范畴,其加工方式易造成污染、加工模具的复用率较低,国际上早已大规模转向使用污染较低、复用率更高的接近式光刻机。

  由于美国早在1950年便已研发出自动接触式光刻机,因此学界普遍认定当时的中国,在光刻机上与国外有着近20年的技术差异。

  将近20多年、整整两代的技术代差,在西方世界对华实施经济封锁与技术禁运的背景之下,中国要花多久的时间才能填平这中间的技术鸿沟?

  从一开始,徐端颐就是奔着投影式光刻机去的,研究项目立项时,尽管国际上的主流路线是接近式光刻机,但投影式光刻机的概念已经出现。

  由于这种技术路线%,并将机器刻度由微米推进至百纳米级别,因此投影式光刻机也是国际学界公认的下一代光刻机技术。

  美国的光学设备厂商珀金埃尔默从1967年开始就在攻关该技术方向,直到1974年,才研发出了世界上首台投影式光刻机Micralign100,徐端颐的成果,让中国光刻机跳过了第二代,立即进入第三代。

  1985年,中电科45所根据徐端颐的初号机进一步研发出了分布投影式光刻机,其技术水平经电子部鉴定后,达到了美国1978年的光刻机4800DSW水平。

  中国与国际主流在光刻机上的技术差异,就这样从20年缩短至7年时间,中国的光刻机技术,已然成为仅次美国,比肩日韩的水准。

  从鄱阳湖的农场到清华大学的精密仪器实验室,数十载的辛苦研磨终塑成了这座横跨中西方技术鸿沟的大桥。作为一手将中国光刻机技术推进至第三代的灵魂人物,徐端颐很好地诠释了什么叫时来天地皆同力。

  1991年,徐端颐研发的最新一代投影式光刻机在北京工业技术成就展会参展,在亲眼验证中国已经突破光刻机技术封锁后,巴统宣布解除对华的光刻机禁令,现在可以向东方出口光刻机了!

  与此同时的中国,随着对外开放政策的推行,一种造不如买、买不如租的贸工技思潮,开始在工业生产领域迅速蔓延。

  封锁禁令解除后,各地厂商纷纷取消了清华大学的订单,转道找韩日美厂商购买,甚至就连与清华大学一直有合作伙伴关系的中科院半导体所109厂,都取消了之前下的订单。

  1986年,电子工业部在集成电路战略研讨会上提出了一个531战略,既普及推广以742厂为基点的5微米技术、研发3微米、攻关1微米,但在贸工技思潮的影响之下,就连被作为模版推广的742厂,也选择了从国外引进3微米与1微米的技术设备,放弃自主研发。

  没有订单意味着没收入,而在基本投资建设资金由拨款转为贷款的大背景下,国产光刻机研发的融资空间极少,基本失去了生存空间,徐端颐的项目,就这样被封存下马了。

  芯片产业有个著名的摩尔定律,既集成电路上的晶体管数目,每18-24个月就会翻一倍,芯片产业的迭代速度尚且如此,作为生产芯片的工业设施光刻机,其产业的变化自然也会迅猛。

  在将光刻机由第三代的投影式推进到第四代步进式投影后,2015年,荷兰的阿斯麦正式对外发布第一台可量产的EUV光刻机,将技术推进到了第五代极紫外式光刻机,而停下步伐的国产光刻机行业,与国际同行的差距就这样被越拉越大。

  光刻机三代技术突破的灵魂人物徐端颐在项目下马后,转行做起了光盘研究,他后来的发展还不错,成为了中国光盘领域的主要奠基人之一,还曾因光盘相关的技术获得了国家发明二等奖。

  2002年,光刻机再次引起高层重视,被列入863重大科学技术攻关计划,五年后的2007年,上海微电子宣布研制出90nm工艺的步进式投影光刻机,不过遗憾的是,由于设备关键元器件不能够实现国产替代,该机器最终没办法进入量产阶段。

  2008年,国家宣布成立极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项,简称02专项,重点对45-22纳米关键制造设备攻关,计划在2030年实现国产化制造EUV光刻机。

  2017年6月21日,由北京国望光学牵头研发的极紫外光刻关键技术通过验收,这是第五代EUV光刻机所采用的光源技术,而上海微电子在2020年6月5日公布消息表示,将于2021-2022年交付第一台28nm工艺的国产光刻机。

  如果交付成功,这将是中国光刻机在时隔40年之后,再一次上演技术跃进,或许这将又是一个时来天地皆同力的英雄故事。

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