我国半导体专用设备研究开发历史上光辉的一页

NINTENDO64

我国半导体专用设备研究开发历史上光辉的一页
--用于大规模集成电路制造的成套微细加工设备的研制
清华大学精密仪器与机械学系教授  徐端颐

      半导体技术的发明在1947年，10年后提出集成电路的概念，60年代初在美国生产出第一片集成电路，现在已成为电子技术的心脏，被广泛的应用于人类社会的任何一个领域。而大规模集成电路的制造主要取决于微细加工设备，也就是说无论是器件的集成规模或速度（频率特性）都取决于能加工的器件最小线宽。所以说一代微细加工设备产生一代芯片，例如目前Intel生产的主频为550MHz处理器用的是0.25微米的工艺设备，该芯片面积为300mm2，集成规模约为700万个晶体管。若采用0.17 微米工艺，在芯片面积相同的情况下，集成规模可达到1000万个晶体管，这时就能生产频率超过900MHz的处理器了。目前国内没有这样的设备，也就不可能生产这种芯片。不仅如此，由于我国基本上没有半导体集成电路生产专用设备工业，所以我国半导体集成电路生产企业或实验室中的主要微细加工设备无一例外的要依赖进口，而由于种种原因最高水平的微细加工设备，往往都是对我国限制出口的，所以严重的制约了我国半导体集成电路工业的发展。

      可能很少有人知道，我国半导体集成电路生产企业曾经主要依靠国产微细加工设备生产集成电路。那是上20世纪的70年代，以分步重复照相机、图形发生器及分步投影光刻机为代表的大规模集成电路制造微细加工设备，99%来自国内。也就是说从国外引进的设备仅是为数不多的几台，主要靠国产设备在生产。而这个设备供应商不是别人，正是清华大学。在这一时期，由于受到国外严厉的封锁禁运，我校承担了系统研究开发用于集成电路生产的微细加工设备的任务。这种设备几乎是集中一切光学精密技术之大全。所用技术基本上都属于当时国际技术水平的产物。例如为了解决超高精度测量定位问题，必须采用工业用数字式激光干涉仪平面坐标精密定位控制系统。当时这就属于尖端技术产品，国内不能生产。我校不得不从用于这种干涉仪的可稳频的氦-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要自行设计制造，研制队伍跨五个系，人数多达数百人。先后共研究开发了近十种型号的激光干涉定位分步重复照相机、紫外曝光铬版精缩机、图形发生器、自动对准分步投影光刻机以及电子束曝等系列微细加工专用设备。在精密仪器系工厂规模生产，累计产量超过200台。产品分布在全国各地，包括大型国有企业、国防工业及地方企业。第一代激光干涉定位分步重复照相机在我校集成电路生产线上试用时，由于所用波长为532纳米的绿光、物镜数值孔径不够大和运行中的焦距失调加工等因素，加工能力仅为2-3微米，定位精度为±0.25微米。而且因采用的是波长为532nm的光源，只能在乳胶干板上制作图形，由于乳胶干板的强度不高，磨损很快，一台分步重复照相机24小时连续工作还满足不了一台光刻机的需要。但也被相当多的企业采用，一定程度解决了生产急需，获1978年科技大会奖。之后，随我校在大孔径物镜设计和自动调焦技术方面的突破，我校又连续研制了五种型号的分步重复照相机，其中加工能力为1微米的自动调焦分步重复照相机，技术水平基本上达到了当时国际水平。此系统不仅成功的解决了平面二维激光干涉数字式测量定位补偿技术，使定位精度达到±0.15微米，而且在用射流原理实现的气动反馈自动调焦、平场、大数值孔径投影曝光物镜设计制造等方面居国际先进水平，并得到推广应用，为我国国防工业作出过重要贡献。

      70年代后期，我校解决了近紫外和紫外投影曝光系统设计及曝光能量控制中的难题，完成了ZFJ-100型大面积自动调焦铬版精缩机和ZFJ-125型紫外曝光分步重复照相机的研制，不仅实现了直接在光至抗蚀剂上加工图形，而且进一步使加工水平进入亚微米。这两种型号的机器虽然生产量不大但解决了当时国内的急需，各项技术指标均达到当时国际先进水平。先后获北京市科技成果一等奖，电子工业部科技进步一等奖等奖项。后来国家设立科技进步奖时，ZFJ-125型紫外曝光分步重复照相机又于1985年获得了国家科技进步三等奖。在用紫外曝光方法加工亚微米级图形取得成功之后，我校在70年代后期就积极开展用紫外投影曝光法直接在硅片上加工图形的研究，也就是当今世界上生产大规模集成电路的主流设备―分步投影光刻机。那时这种机器国外也仅仅是处于研究阶段，对我国完全封锁，技术难度很大。我校依靠独立研究，在气动自动调焦技术及系统、暗场同轴自动对准技术、亚微米级大视场投影光刻物镜设计、远亚微米位移自动补偿、全反射深紫外照明及曝光积分能量控制等方面取得一系列重要成果。1980年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。填补了国内技术部分空白，获1981年北京市首届科技成果一等奖。此机被安装在华北微电子研究所。     
      
      三年之后类似的设备才开始进入我国，国内其他单位也开始介入此设备研制。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。以自动调焦分步重复照相机、铬版精缩机、图形发生器、电子束曝光机等集成电路前工序成套加工关键设备，几乎集中了近代最高光学微细加工、精密机械、测试、自动控制技术，我校在1969-1980期间，对此作出过重要贡献，并由国家教委批准成立了微细工程研究所,曾经是国内重要微细加工技术及专用设备的研究开发基地。光学微细加工技术不仅可用于集成电路制造，在信息科学及生物科学中也有重要用途，所以微细工程研究所在成立时，就建立了信息存储及生物医学专用设备研究室。利用已有微细加工设备及技术开展光盘存储技术的研究，为我校光存储技术的发展奠定了基础。初期光盘存储所用的亚微米微细加工技术就主要来自这一时期的研究成果。

      为使我校在光学微细加工方面的优势能得以保持和发展，拓宽此技术的应用领域。从70年代末到80年代初期开始，我校积极探索将此技术转移到大容量信息存储。于1983年完成了国内第一台0.8微米的光盘录入设备，并奠定了我校在光存储技术领域的地位。经过近20年的努力和发展，今天研究中的超高密度光存储达到的最小信息符尺寸为0.4微米。也就是说我校已拥有的0.4微米的光学微细加工技术，与目前国际生产技术水平（0.25微米）相比，基本保持20年前与国际水平同等的差距，高于我国目前能引进的技术水平（0.6微米）。我校在国家重点基础研究“973”课题中的研究目标为0.2微米，如果这一计划能按时完成，可望进一步缩短与国际水平的差距（目前国际最高水平为0.17微米）。不过我们是用来进行信息存储，不是用于集成电路的生产。
https://www.redweb.tsinghua.edu.cn/info/1005/1666.htm



ps：虽然看不懂，但是大受震撼