欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们|旧版回顾
精密事业

来源:  发布时间:2017-06-15

本刊记者  方 方  王涵

 

蒸汽机作为一个现象级的神器,它的出现打开了人类步入工业文明的大门。它所提供的源源不断的动力,极大地推动了现代工业的发展。而钢铁作为那个时代的“砖和瓦”,造就了巍峨的现代工业社会大厦。如今,芯片已经取代钢铁成为信息时代的基石,提供核心发展驱动力的蒸汽机也被制造芯片的高端装备所取代。

早在2013年,我国的芯片进口总值已超过石油成为第一大商品。芯片的广泛应用对社会生活的各个方面产生了巨大影响,国民经济、国家安全也都系于小小芯片的方寸之间。要真正实现经济腾飞、大国崛起,我国必须摆脱在芯片上对外的高度依赖,而拦在通往芯片自主之路上的最大障碍就是以光刻机为代表的集成电路制造的高端装备。

光刻机,这个被周光召先生誉为新时代“两弹一星”的“神器”,以其极高的精度被业界看作是微细加工的“珠穆朗玛”,是实现《中国制造2025》计划“新一代信息技术产业”这一重点领域突破的大国重器。光刻机中最关键的两个子系统是超精密曝光光学系统和超精密工件台系统,它们分别代表了超精密光学和超精密机械的技术最高峰。光刻机的研制能力,不仅反映出一个国家的科技实力,也代表了一个国家的精密制造水平。

国外业界曾认为,中国人现在不能、未来也不可能造出如此高精密超复杂的光刻机设备。日本尼康株式会社的社长来中国访问时曾说过这么一句话:“光刻机光学系统虽然很难,我相信你们能够研制出来,但工件台恐怕就拿不下来了,因为这个系统太复杂了。”

然而,就是这么一个被公认为“太复杂”而不可能被中国解决的科技难题,却被清华大学朱煜教授带领的团队攻克了。在国家“十二五”科技创新成就展上,他们展出了自主研制的光刻机双工件台的核心模块,即运动定位模块POMO,装备这种模块的双工件台系统可实现与掩模台优于2nm的同步运动精度。

这是什么概念?人的头发丝直径平均是80微米,2纳米相当于头发丝直径的四万分之一。而2纳米同步运动精度则可以这样想象:两架时速1000千米的飞机在任意时刻的飞行位置偏差不超过一个微米(头发丝直径的八十分之一)。

如此极端的性能指标,使光刻机双工件台成为当之无愧的“精密机械之王”。当该成果被展出时,“王”背后的勇士们也走进了公众的视野。

 

以战略眼光看问题

 

光刻机,是集成电路领域关键设备,是国家高科技战略必争之地。当前,一台最先进的浸没式双工件台光刻机售价高达1亿美元!这种光刻机可被用于10nm及以下集成电路制造工艺节点。放眼全球,只有荷兰ASML公司能够生产出这样的光刻机,而国内光刻机中性能最好的样机尚只能用于90nm工艺节点。

高昂的资金门槛,高精尖的技术瓶颈,将全世界的高端光刻机生产局限在非常有限的几家企业之内;而对于最新型的EUV光刻机,ASML更是完全垄断了整个市场。如此一来,就算我国耗费巨资来购买设备,应用中也会受制于人。根据“瓦森纳协定”,西方国家对中国销售这类先进装备有着明确的限制:禁止将最先进的光刻机卖给中国,禁止用他们出售的光刻机生产国防及航天等的核心器件。对于我国集成电路产业的自主发展来讲,这个限制犹如巨人被卡住了咽喉。

此情此境之下,中国能不能攻克光刻机,不仅意味着能否拔掉我国集成电路发展道路上的“在喉之鲠”,更意味着有没有能力在超精密制造装备方面达到世界顶尖水平。对于光刻机发展的战略意义,朱煜十多年前就有了深刻地认识和领会。早在2001年,朱煜参与了“十五”“863IC装备重大专项的规划工作,作为该规划方案的主要执笔者,他从一开始就认识到发展光刻机产业对于实施国家战略的重要意义。2004年起,朱煜又参与了推动光刻机等高端集成电路制造装备进入国家科技重大专项的工作。2006年年初,《国家中长期科技发展规划纲要(2006-2020)》发布,集成电路装备正式被列入国家16个科技重大专项,业内称之为“02专项”。2006112日,02专项实施方案编制专家组正式成立,朱煜担任副组长,成为该专项实施方案的主要执笔人。

几年间,朱煜亲历了集成电路高端装备提上国家战略发展日程的过程,看到了国家层面的高度重视,也预见了这个产业的发展势头。在他的科研生涯中,从宏观战略角度思考问题,已经成为一种习惯。他义无反顾地选择光刻机工件台,究其原因,一是立足国家战略需要;二是圆清华大学的光刻机梦。

从国家战略需求的角度想,要做就做最需要的、也可能是最难的研究。工件台是光刻机最重要的核心子系统,是最难啃的“硬骨头”——即便强大如ASML,其一个新工件台系统的研发都要耗费十几年的时间。

从圆梦的角度看,作为一个清华人,朱煜深深了解历史上清华大学与中国光刻机研发之间的渊源。上世纪70年代,清华大学精仪系成功研制了“自动分步重复照相机”,也就是当时的步进光刻机。那时,当今的半导体巨擘英特尔不过刚刚成立,现在的光刻机巨头ASML还未创立,那台“清华出品”让中国足以自豪。然而,随着国家放慢了对半导体工业支持的脚步,从20世纪70年代到21世纪初,在狂飙突进的国际半导体行业,我国却被远远甩在了后面,清华人真的黯然了。

30多年了,历史绕了个大圈儿,又回到了起点。”朱煜打趣地说,“历史给了清华一个机会,我们又从同一个起点出发了。让我们来完成前辈们未竟的事业吧!”

要啃下光刻机工件台这根“硬骨头”,光凭一腔热血远远不够。光刻机工件台所蕴含的技术水平之高、系统之复杂,绝不是几个人拼命干就能干出来的。“拼命干是必须的,但更重要的是要选择正确的技术路线,要构建完备的技术体系。”朱煜如是说。

2001年开始,他一边从事光刻机同步试验台项目的研发工作,一边抓紧光刻机工件台技术发展战略的研究。“我第一次看到的双工件台是ASML的一段展示视频”,初睹双工件台,即使只是视频,朱煜也被深深震撼了。“我下意识地对自己说,这就是我想要做的,中国必须掌握这样的尖端技术!”

彼时ASML双工件台光刻机刚刚上市,业内部分资深人士嘲笑它“庞大、笨重、复杂、昂贵”。朱煜却在第一时间注意到该技术的巨大潜力,全力开展研究工作。一年后,我国第一项双工件台专利诞生于清华园,由此开启了中国光刻机研发道路上的双工件台时代。而朱煜在规划中国光刻机工件台技术路线的同时,结合当时正在进行的“光刻机工件台同步试验台项目”,前瞻性地提出了“气浮、磁浮”“超精密测量”“超精密控制”等九大关键技术的工件台技术架构,并针对这些关键技术逐一布局进行预研。这一布局为后续双工件台研发成功奠定了坚实的技术基础。

确定了研究目标,设定了技术路线,构建了技术体系,在一般人看来,接下来要做的无外乎放手大干了,但在朱煜的脑中,工件台攻关远不止这么简单。他超前地认为,作为光刻机这个超级复杂系统的一个核心子系统,工件台的研发组织必须从整机的角度出发,如果组织不当,即便双工件台研发成功,也难以真正满足整机需求,最多不过是“摆在实验室的漂亮展品”。

然而,在双工件台项目上马时,国家尚未启动相应的双工件台光刻机整机项目,整机单位为之奋斗的还是单工件台光刻机。“必须让我们研发的双工件台为国产高端光刻机所用!”朱煜这样要求自己。2008年双工件台项目启动前,经过认真思考,他提出了项目内设置整机用户联合研发课题,并进行集成测试考核的模式。此后的6年研发中,整机与部件单位不断磨合,最终确保了研发出的双工件台真正达到了光刻机整机严苛的技术要求。

对于朱煜,同行们给予了相当高的评价:统观全局,把双工件台研发这一战役放在整机乃至国家战略的高度去考虑;审时度势,正确地制定了双工件台研发目标;缜密运筹,超前地构造了双工件台的技术框架。他的这些选择,将一个战略决策者的作用发挥得恰如其分。

 

登上双工件台高峰

 

“十年磨一剑,百天一纳米”,这条悬挂在实验室的横幅或许能说明朱煜及其团队成员这些年的心路历程。双工件台的研发道路漫长而坎坷,一路走来的艰辛和曲折,用“九九八十一难”来形容似乎也不为过。

说起困难,最难莫过于起步之难。2002年开始争取工件台研发项目的时候,除了朱煜自己,团队中没有一个成员知道光刻机是什么,而竞争对手则是国内多年从事光刻机研发的团队。朱煜知难而进,一方面带领团队大量阅读国外的相关专利文献;一方面结合自己和团队在超精密机械方面的研究基础,昼夜奋战,在很短的时间内拿出了一套技术方案。由于合理运用了各种先进的设计理念和技术,这套方案在技术层面即使以现在的眼光来评判也很超前。凭借这一方案,朱煜获得了工件台研发道路上第一个“863”专项课题——“光刻机工件台同步试验”,并在2004年研制出了中国第一个10纳米同步精度的超精密运动平台。

同步试验台的研制成功,极大地提振了朱煜和团队的信心,前途似乎一片光明。然而现实却没有想象中的美好,从20042008年,团队没有再得到新的支持,研究几度陷入停顿。绝境之中,朱煜没有转向其它可以申请到经费的新方向,而是选择了艰难地坚持,多方筹措经费继续工件台研发。在双工件台项目立项而经费没有到位的时候,朱煜做出了旁观者眼中近乎“疯狂”的举动,向学校借了700万元,以保证研发进度不中断。

凭着圆梦光刻机的信念和执着,他们在短短几年中快速地推进双工件台技术的预研,实现了关键的技术积累和重大的战略布局——数十项双工件台专利、第一台纳米精度的三自由度微动台、先进陶瓷材料的成功应用、第一台可实现交换的缩尺双工件台验证系统等研究成果陆续产生。

2009年,东风吹来,依靠前期的深厚技术积累,朱煜及其团队获得了国家科技重大专项资助,争取到了研制双工件台的机会。就在团队上下欢欣鼓舞,准备大干快上的时候,一个意外的消息传来了:光刻机巨头ASML推出了新一代基于磁悬浮平面电机的双工件台产品。这是光刻机技术自2001年进入双工件台时代后又一次重大变革!虽然团队在磁悬浮平面电机技术上早有布局,但看到新技术应用如此迅猛,他们仍然感到有些措手不及。

“我们最初的计划是做气浮导轨式直线电机双工件台。”朱煜说。在该领域,他们已经有了很好的基础,可ASML已经将最先进的平面电机技术用于双工件台了。

彼时,朱煜面临项目研发最重大的技术抉择。

如果选择平面电机新技术,团队所面临的,是薄弱的技术基础和巨大的技术风险,毕竟ASML研制该技术也花费了近8年的时间。更紧迫的是,同时期国内另一支团队已经全力以赴投入到传统双工件台技术方案的研究中。如果这时采用激进的技术方案,竞争失败的可能性将大幅上升,团队的未来也将陷入混沌。

这是一个考验团队领导者智慧和魄力的时刻。为了避免“验收即过时”对国家资源造成浪费,为了实现“跨越式发展”的战略目标,从2009年到2010年,朱煜带领团队一面加紧平面电机技术的研发,一面组织团队核心骨干对两种技术方案进行反复对比和论证,最终决定:上马平面电机!

选择平面电机方案,意味着走上了一条更加崎岖艰险的研发道路。为了确保完成任务,朱煜选择“小步快跑、多轮迭代”这一极为艰苦的技术路线。从2010年到2014年,朱煜带领团队先后研制出平面电机推力实验装置、单自由度平面电机运动系统和三自由度平面电机运动系统,掌握了平面电机原理技术;进而在这一基础上研制了平面电机单工件台实验系统、平面电机双工件台工程样机和最终的α样机。其中,平面电机单工件台实验系统在低速下实现了全部精度指标,工程样机首次实现了基于平面电机驱动的双台交换,而α样机则最终实现了全部性能指标,有效实现了巨大技术跨越的工程目标。

事实证明,“小步快跑、多轮迭代”的策略行之有效,但其需要团队领导者具有敏锐的科研洞察力,需要团队成员能够艰苦作战打硬仗。万一迭代过程中的某一轮次出现系统性问题,就将严重影响迭代速度甚至使之停滞。2010年,掩模台的研发就遇到了这样的问题。当时,掩模台的运动控制精度一直徘徊在上百纳米量级,参与调试的控制工程师绞尽脑汁也不能使之降低。随着时间的流逝,人们的信心有些动摇。朱煜及时给大家“打了一剂强心针“。经过对实验数据和调试过程的仔细分析,他坚定地指出:现有的系统没有问题,只要措施得当,一定能够实现预期精度!他果断地提出上马“10nm工程”,调集了最精锐的教师、研究生、控制工程师和结构工程师,对系统进行“会诊”。经过两个月的连续奋战,系统精度终于由最初的上百纳米改进到十几纳米,这也让团队找回了往日的自信,积累了提升运动控制精度的系统方法。

无独有偶,类似的情况在2014年再次出现。已经进入联合调试半年多的α样机始终不能实现预期性能指标,调试组成员心急如焚却苦无良策。就在一些骨干都面露绝望之色时,那块横幅高高悬挂起来了——“十年磨一剑,百天一纳米”,这是激励,也是挑战。横幅之下,朱煜的身影出现在调试第一线,最艰难的攻坚战开始了。“那是一段难忘的经历,我们集中了全部力量,调试的主力分成两班,轮番上阵,基本是住到实验室里,昼夜无休!”朱煜回忆道。经过数月的连续奋战,中国第一台基于平面电机技术的双工件台终于实现了预期的精度指标!

20149月至11月,工件台α样机在清华大学通过整机单位现场测试,掩模台/硅片台同步扫描指标实测达到MA2.2nmMSD:4.7nm20152月,双工件台α样机完成了在整机单位专用测试平台上的集成,并通过了全面测试。

2016428日,“光刻机双工件台系统样机研发”项目研制出的两套α样机通过了02专项实施管理办公室组织的正式验收,关键技术指标达到了国际同类光刻机双工件台技术水平。项目完成专利申请231项,其中国际发明专利41项,已授权122项。

这次验收会,02专项实施管理办公室组织了业内最权威的专家出席评审。验收组专家一致认为,该项目的完成,标志着我国成为世界上少数几个可自主研制光刻机双工件台这一超精密机械与测控技术领域最尖端系统的国家,显著提升了我国在高端光刻机这一战略高科技产品研发方面的竞争能力。这也是02专项核心任务光刻机项目群中目前第一个通过正式验收的项目,在02专项光刻机研制和我国超精密技术领域具有里程碑意义。

回首筚路蓝缕的攻关路,朱煜诚恳地表示:“十几年来,我们一直专注于光刻机双工件台研发。对我们这些从事精密技术研究者来说,一辈子能赶上这么一件事,实在是非常幸运。”

做最卓越的产品

样机研发成功了,面对纷至沓来的掌声与称赞,朱煜却并未感到轻松,相反,压在他心头的大石更重了,那就是双工件台的产业化。身为02专项总体专家组光刻机组的组长,少有人比他更了解双工件台产业化的意义和难度。“如果把双工件台产业化比作10分的话,那么现在的样机只能算1分,我们仅仅是走完了从01的过程,后面的路更泥泞、更崎岖。”朱煜这样评价。

“早在第一轮样机的研制过程中我就注意到产业化的难度了”,朱煜说。做技术研发再难,他们也会迎头而上。而令他们头疼的是,国内尚不具备匹配的工业支撑能力,购买性能满足需求、能配套使用的电机、驱动器、传感器、控制器等,均成为现实问题。“虽然我们已经拥有了核心技术,但随时可能被国外外围配套非核心零部件厂商卡脖子。如此下去,将来如何才能实现光刻机双工件台产业化?”朱煜开始琢磨这个新问题。

要把一个高精尖的技术成果产业化,涉及的问题比科研本身更多。比如:如何形成稳定的工具工装来制造出性能一致的标准化产品?如何保证产品在“零件—单元—模块—系统”过程中质量可控?如何建设起从设计、制造、集成到产品测试等各阶段缜密严格的测试技术?如何打造完整自主可控的供应链体系??总而言之,产品化是在保证先进性的基础上,提供出成本可控、性能可靠、质量稳定、运行安全、维护方便的产品,同时要求具有足够的市场竞争力。

就光刻机双工件台而言,这样一个庞大复杂的技术系统,对于国内任何一家企业来说,实现产业化都极具挑战性。这也是朱煜团队决心亲自实现产业化的重要原因,因为没有人比他们更了解这项高精尖技术,以及技术背后的管控复杂性。

“必须创立一个专门的产业化平台”,接下来的一年中,这个话题先后10多次被专项领导提起。朱煜也从最初的迟疑而日渐坚定。2012年年底,在北京市和清华大学的支持下,北京华卓精科科技有限公司正式注册成立。

作为第一个真正走进中国唯一光刻机整机厂现场进行国产部件样机集成与测试的团队,朱煜和他的团队成员对产品化始终保持着学习的热情。样机调试时,他们会讨论如何快速装配,团队成员间如何默契配合,如何更快地解决调试过程中不断涌出的各种技术与非技术现实问题等。在技术上,多渠道与整机方密切沟通,最终首次在整机单位现场实现了双工件台与整机机架的联合调试。在管理上,朱煜专门聘请专业咨询公司指导构建大项目管理体系与流程,派人到成熟企业学习管理经验,包括质量控制、生产管理、人力资源管理、供应链管理??一切都在为生产平台的搭建有条不紊地推进着。

20151月,团队承担的“45nm浸没式光刻机双工件台系统样机优化设计”通过了详细设计评审,并获得了较高评价;4月,华卓精科“65nmArF干式光刻机双工件台”通过整机详细设计评审。至此,双工件台产品已具备投产条件。目前,65nm光刻机双工件台已获得3台订单,合同金额超过1亿元。

华卓精科发展蒸蒸日上,可回想创业初景,还是难免唏嘘。尽管清华大学的产业孵化基金决定投入数百万元,可还是撑不起华卓精科的底盘。出于对超精密事业的无限热爱,朱煜和他的伙伴们——这群大学教师毅然放弃知识产权股份,凑出了几百万元现金,押上了他们的全部身家。

为什么?打开华卓精科的主页,“至精至卓,至善至诚”8个字跃入眼帘,这就是华卓精科的态度。从命名开始,朱煜和他的团队就把诚意放在了“成为中国乃至全球最卓越的精密科技公司”上,这是他们对超精密事业最执着的追求。而在02专项项目正式验收后,他们的目标又开始升级:在“十三五”期间,完成28nm及以下节点浸没式光刻机双工件台产品化开发并具备小批量供货能力,为国产浸没光刻机产品化奠定坚实基础。

 

“我首先是清华大学教授”

 

从一位国家战略专家到一流大学科研团队的负责人,再到高科技企业的首席科学家,朱煜的身份如层层包裹的洋葱,但在多重身份的认同中,他明确表示——“我首先是清华大学教授”。

朱煜并不是清华大学的“土著”。最初与清华结缘,还是在1999年。当时的他是另一所大学的副教授,以访问学者身份前来清华大学制造工程研究所工作。访期结束后,又继续留下开展博士后研究。由“客居”到“定居”,朱煜在清华园里逐渐扎根展叶,成为机械工程系名副其实的学术带头人。

朱煜带领的IC制造装备研究室是国家02重大专项项目“光刻机双工件台系统样机研发”依托研究基地之一。在带领团队完成重大科研任务的同时,他筹建了“清华大学IC制造装备精密机械与测控研究基地”,开辟了以IC制造装备为主导的全新学术方向。从2008年起,他又逐渐建立了一支由教师、研究生和社会招聘的专职科研人员组成的接近百人的研究团队。2012年,团队入选科技部首批重点领域创新团队;2013年,被清华大学列为综合体制改革仅有的两支校级团队试点之一。

为了学科的可持续发展,朱煜在清华大学建成了500平米净化实验室和200平米制造基地,并将三坐标机、激光校准仪等一系列高端精密设备引入其中,形成了优异的研究条件。团队中一些到MIT参观过的学生回来自豪地说:“MIT很多实验室的设施还赶不上我们哩!”。这一切,为将来进一步建设具有国际水平的超精密机械研发平台奠定了良好的基础。

虽然开创了超精密测控研究方向,搭建了一流的研究平台,但朱煜并未满足,他希望其所从事的超精密研究不仅应用于半导体行业,而要服务于更多重要的国民经济和基础研究领域。在他的主持下,超精密测控在多个相关前沿方向的研究不断拓展,向更为广阔的应用领域开枝散叶。

在研究生培养上,朱煜极为注重创新水平。他坚持认为,应该让学生在一个高水平的交叉学科研究平台上充分发挥创新能力,做出有价值的创新成果,从而达到培养创新性人才的目的。

“工程学科的研究生必须深入了解工程背景,从中提炼出工程问题,寻找创新研究方向。”朱煜对于研究生培养有着自己的思考,“但是,如果囿于现实工程背景而过度关注当下的工程问题,把精力过多地投入到直接解决问题上去,就会导致研究成果过分工程化,从而降低学术创新水平。”他解释道。尤其在博士生培养上,他的标准更加明确:“博士生应该从工程背景中提炼出未来的工程需求,进而在最难满足的工程需求中找到创新突破的方向,注重机理机制的揭示与问题解决方法的建立,使之更具有基础性和一般性,这是学术创新的核心。”

每一次的周例会和学术报告会,朱煜的点评都是他麾下研究生们的期待。有时某个同学被点评得少了,会后还会专门找他,希望能得到更多的建议。如此锤打锻造的学生,经得多、看得多,知识与经验积累厚实,广受用人单位青睐。迄今为止,朱煜先后培养博士、硕士数十名,大多进入国内外知名电子制造装备企业,成为技术中坚力量。

在朱煜心里,为学生培养和学科建设做再多的事情,都是他身为“清华大学教授”的本分。他不仅坚持为本科生、研究生授课,还应邀在全校研究生素质拓展课上讲述如何进行技术创新与学术创新,并积极参加到清华大学的招生宣讲工作中去,向中学生讲述学科前沿与专业发展,引导优秀学生做出正确的专业选择。

 

采访侧记:“陀螺人”朱煜

 

“我就是一个陀螺,一旦停下来就会倒下。不停,就可以一直高速旋转。”朱煜这么形容自己的状态。

1999年单枪匹马到了清华大学,长达5年时间里,朱煜与妻儿分居南北,除了春节,他的周末和节假日几乎都是在实验室度过。早上8点,朱煜一定已在实验室,晚上11点系馆闭馆时才离开。午饭和晚饭在食堂解决,骑车来回,吃饭速度极快;如果在家吃完,他总是将几次的碗筷积攒到一起再洗,典型的单身汉生活。

就在工作出现起色的时候,非典降临北京,清华大学封校。期间,学生们无法进入实验区,为保证工作不停顿,朱煜独力支撑,就连跑海关和外汇局之类琐事也得亲力亲为。实在忙不过来的他,索性在实验室囤了方便面来打发三餐。身体透支之下,2004年起,他患上了严重的荨麻疹,长期服药,并经常性口腔溃疡。

有一段心灵鸡汤这样说:“健康是1,其它都是0,没有了健康,加再多0也没用。”对此,朱煜却另有看法。在他看来,人不应一味追求绝对的健康,努力做出更多对社会有益的创新创造才能让生命更有意义,而他选择的创新方向就是精密科技。对他来说,工作是最有效的健身。即使经历过身体透支,面对每年的体检结果,他对自己的身体状况依然表示满意。

乐观至此,朱煜不觉得有什么困难是不可克服的。经过数年磨砺,他们的双工件台产品经过内部考核,已经显示出质量的可靠性和稳定性。他们还会持续提升双工件台的性能,让产品不断成熟、升级。他相信天道酬勤,在他的信条里,“我要做的就是把自己的工作做好,别的都无需考虑”。这一点,他的目光格外令人信服。

分享到:

杂志
本期封面

2017年9月下

上一期 下一期