磨砥刻厲，擎“皇冠明珠”國產化大旗

劉榮+曹麗娟

學必窮日夜磨砥刻厲，久而后有得焉。

——明·李東陽

“中國式尷尬”

2016年3月28日17時20分，俄羅斯空橋貨運航空公司一架全貨機在大連國際機場降落，貨機上是英特爾公司用以追加大連IC產線投資的高端設備——光刻機。為保障這批設備的運輸，英特爾公司動用了6架包機，貨運公司調用了6臺減震車和數控溫床，操作時的小心謹慎不亞于對待一級文物。

你或許要問，光刻機是何方神物竟要如此“厚待”？這要從第一只晶體管說起……

1947年，世界上第一只晶體管在貝爾實驗室誕生，人類自此進入電子時代。此后，芯片被喻為這個信息時代的“發動機”，而光刻機就是制造“發動機”最核心的裝備，每顆芯片的誕生，都要經過光刻技術的精雕細琢。

光刻機的用途非常廣泛，除了有用于芯片封裝的后道光刻機，還有用于LED制造領域的投影光刻機，以及高端大氣上檔次的芯片制造前道光刻機。

光刻機被冠以諸多美名——世界上最精密的儀器、現代光學工業之花、超精密技術皇冠上的明珠……毫無疑問，它是當之無愧的“尖兒貨”，正因如此，它的研發技術、資金門檻都極高，世界上從事光刻機研發的企業屈指可數。

目前，世界上80%的光刻機市場被荷蘭ASML公司占據，高端光刻機也被其壟斷。在這家“巨鱷”面前，曾有人用“寒磣”形容中國光刻機企業，盡管用詞略嚴重，但不得不承認，中國芯片一直以來呈現的尷尬境遇，很大程度與中國光刻機技術水平欠佳有關。

早在八年前，我國有企業制造出了100nm光刻機，這在當時已經相當給力，美中不足的是核心部件全部是進口的，這成了國外企業鉗制中國光刻機發展的缺口，技術和核心零部件上的受制于人，讓中國光刻機的發展也很尷尬。

可喜的是，現在，光刻機這一尖端技術壁壘終于被逐漸打破了！2016年4月28日，國家科技重大專項“光刻機雙工件臺系統樣機研發”項目（以下稱“雙工件臺項目”）在清華大學成功通過驗收，這是清華大學面向國家戰略需求、解決重大科技問題、踐行重大科研責任的一次標志性成果。

一直以來，世界上只有極少數國家掌握研制這一尖端系統的技術。現在，這個舞臺上終于多了中國的身影。更重要的是，“雙工件臺項目”的完成將極大地推進我國高端光刻機的研制與產品化進程。

五年攻堅

“超精密工件臺是光刻機中最核心的兩大部件之一，不管光學系統怎么變，都需要工件臺為基礎。”研制光刻機超精密工件臺系統成為02專項光刻機項目群的核心任務之一，這場關乎光刻機國產化的戰役，于七年前正式吹響號角。

清華大學聯合華中科技大學、上海微電子裝備有限公司、成都工具所等3家單位組成了攻堅生力軍，清華大學機械工程系教授朱煜擔任“雙工件臺項目”負責人，他的團隊承擔了樣機集成研發等核心任務。

據朱煜介紹，為將設計圖形制作到硅片上，并能在2～3cm2的方寸之地集成數十億只晶體管，光刻機需要達到幾十納米甚至更高的圖像分辨率。而光刻機核心部件之一的工件臺，在高速運動下需達到2nm（相當于頭發絲直徑的三萬分之一）的運動精度，在超精密機械制造與控制領域處于最尖端的地位，光刻機才會因此被喻為“超精密技術皇冠上的明珠”。

工件臺系統是光刻機的核心子系統，它的運行速度、加速度、系統穩定性和定位建立時間等，關系著光刻機的精度和生產效率。過去，光刻機只有一個工作臺，所有流程都在其中完成。雙工件臺系統的誕生，讓光刻機能在不改變步進掃描速度和加速度的狀態下，同時完成曝光和測量，提高約35%的工作效率。

但是，多了一個工作臺，技術難度也增加了幾個等級。以換臺速度和精度為例，換臺速度慢了，光刻機工作效率會受影響；換臺精度不夠，后續掃描光刻等步驟的正常進行可能都會受影響。

此次“雙工件臺項目”是為研制光刻機雙工件臺系統樣機，同時也是為我國自主研發65～28nm雙工件臺干式及浸沒式光刻機，提供具有自主知識產權的核心子系統。

所以，“光刻機雙工件臺系統樣機研發”項目對朱煜和團隊來說，是一場難打的仗，卻也是一場必須拿下的仗。清華大學為此成立了專項管理辦公室，在資金、設備、人員等方面提供全力保障。朱煜和團隊也集中精力，全力以赴，艱苦攻關。經歷了五年的攻關，兩年前他們交出了一張漂亮的答卷。

研究團隊出色地完成了全部研制任務，突破了平面電機、微動臺、超精密測量、超精密運動控制、系統動力學分析、先進工程材料制備及應用等若干項關鍵技術，攻克了光刻機工件臺設計和集成等核心技術，成功研制出具有自主知識產權的2套光刻機雙工件臺掩模臺系統α樣機。樣機通過了整機的多輪嚴格測試，關鍵技術指標已達到當前國際同類光刻機雙工件臺水平，打破了國外技術壟斷。

研究過程中，朱煜團隊還針對光刻機工件臺研發過程中涉及的機械結構、動力學模型、超精密運動控制方法、驅動硬件、控制板卡、激光干涉測量等技術進行攻關，突破了工件臺結構設計、驅動控制等相關瓶頸，研制出國內首臺雙十字推桿結構的雙臺交換裝置及平面電機氣浮硅片臺系統，為“雙工件臺項目”最終目標的實現奠定了堅實基礎。

作為項目負責人，朱煜在研究中圍繞國家重大科技戰略需求與科學基礎前沿，首次提出了基于信息論的系統建模方法，解決了光刻機工件臺這類系統的復雜動力學分析、納米精度誤差補償等問題，為突破光刻機工件臺基礎理論提供了有力支撐。

他還圍繞國產光刻機工件臺系統開展深入的理論與工程技術創新研究，突破國外技術封鎖和專利壁壘，建立國產光刻機雙工件臺系統自主知識產權保護體系，為光刻機國產化奠定技術基礎。這些成果在一定程度上推動了光刻機雙工件臺的技術創新研究和產業化進程，為“雙工件臺項目”的最終完成作出了重要貢獻。

據悉，朱煜團隊圍繞“雙工件臺項目”累計申請發明專利230余項，120余項已獲授權；申請國際發明專利40余項，累計發表學術論文60余篇，其中SCI檢索40余篇。項目驗收會上，“光刻機雙工件臺系統樣機”得到了專家們的高度好評——

雙工件臺項目專家委員會主任馬俊如評價說：“作為國家戰略必爭裝備，光刻機研發面臨著極高的挑戰和困難，此次項目高水平的攻關成果將為改變我國光刻機受制于人的局面奠定基礎。”

02專項技術總師葉甜春表示：“工件臺是精密機械之王，清華光刻機雙工件臺系統研發的成功，將成為我國超精密機械的一個里程碑，意義重大，為光刻機的研制邁出了堅實的一步。”

科技部原副部長曹健林對朱煜和團隊的表現給予了充分肯定，他表示：“雙工件臺系統是微電子產業發展的核心部件，深具戰略意義；是精密制造中走在最前列的量產設備，沒有之一。它包含了業界公認的精密機械和精密光學兩大技術高峰，感謝清華雙工件臺團隊所做的貢獻。”

驗收組專家也一致認為，該項目的完成，不僅標志著我國成為世界上第二個研制出光刻機雙工件臺這一超精密機械與測控技術領域最尖端系統的國家，還顯著提升了我國在高端光刻機這一戰略高科技產品研發方面的競爭能力。這也是02專項核心任務光刻機項目群中第一個通過正式驗收的項目。

朱煜表示，作為02專項最核心任務光刻機項目群中唯一通過正式驗收的成果，團隊成員為這項號稱“精密機械之王”的尖端技術付出了無數的心血。驗收專家組的贊賞和肯定，讓團隊看到了國家對光刻機重大專項的支持和決心，也極大地提振了團隊的研究士氣和信心。接下來，他們將站在新的起點上，秉承“創新驅動發展，科技引領未來”的理念，堅持不懈繼續創新，做出更多世界頂尖的科研成果，繼續為我國超精密機電裝備的戰略突破作出更大貢獻。

創新之源

創新，無疑是破解光刻機國產化發展難題的“密鑰”和“引擎”。但是，人才，才是創新的真實根基。任何領域的創新最終都要靠人才來支撐。一直以來，我國光刻機產業發展緩慢，除了技術上受制于人之外，人才的缺失也是關鍵原因。

為解決人才匱乏、技術創新缺乏源泉的問題，朱煜以重大科技需求為導向，瞄準基礎科學前沿，發揮多學科交叉與融合的優勢，凝練學科方向和研究內容，克服各種困難，逐步建成了一流的超精密機電系統研究平臺，并通過該平臺，相繼培養、引進交叉學科學術骨干7人，科研合同制專業人才40余人，外聘高級專家2人，博士后研究人員6人，以及博士、碩士研究生30余人，為科研團隊建設和人才培養奠定了堅實基礎。

團隊組建起來之后，朱煜特別重視人才的培育。他充分發掘各類人才的資源價值，努力為團隊人才發展營造良好環境，并通過產業化平臺，將部分核心技術骨干輸送到產品研發一線開展技術成果產品化工作，形成產、學、研的良性互動，支撐了團隊的可持續發展，也有效支撐了雙工件臺技術成果的產業化工作。

現在，這支隊伍還在不斷壯大，科學、健康、有序的人才培養機制和成長環境，調動了他們的科研積極性，激發了他們的技術創新潛力，同時也有效提高了團隊的凝聚力和戰斗力，讓他們具備了團隊作戰、攻堅、承擔重大科研任務的能力。未來，在光刻機國產化開發的征途上，他們將是我國最給力的中堅力量。

在完成“雙工件臺項目”研究的同時，朱煜充分利用承擔大型科研項目的內外部有利條件，籌建了IC制造裝備精密機械與測控學科和IC裝備研究室，組建、培養了一支近200人的跨學科、專業的超精密機械與控制高水平研究團隊，建立了高水平的研發平臺，為后續產品研發和產業化奠定了人才基礎，其重要性不亞于光刻機雙工件臺系統樣機的成功研制。

在朱煜帶領下，這支隊伍圍繞國家重大科技戰略需求和交叉學科基礎前沿開展前瞻性、創新性研究，研究規模和水平均居國內領先水平，具備為國家提供以光刻機工件臺為代表的超精密機械設計、超精密測量、超精密運動控制等發展所必需的尖端技術的能力，在光刻機精密工件臺技術研究方面取得了顯著成績——

2014年，團隊承接了“65nmArF干式雙工件臺光刻機雙工件臺產品化樣機研發”任務，先后突破一系列關鍵技術瓶頸，戰勝競爭對手，通過了整機單位SMEE的PDR、CDR、IPR評審，成為承擔雙工件臺產品化研發的唯一總體單位。

2015年1月，團隊承擔的“45nm浸沒式光刻機雙工件臺系統樣機設計”子課題通過CDR評審，獲得與會專家高度評價。

與北京華卓精科科技有限公司簽署協議，由華卓精科進行光刻機雙工件臺專利技術的獨家實施與產品化，實現了清華大學光刻機雙工件臺專利技術向產業化平臺的順利轉移。

…………

憑借這些出色表現，朱煜領導的研究團隊被評為清華大學先進集體，朱煜本人獲得“十一五”國家科技計劃執行突出貢獻獎，被國家科技重大專項實施管理辦公室授予“2010年度突出貢獻獎”。

毫無疑問，此次“光刻機雙工件臺系統樣機研發”項目的完成，在技術積累和人才隊伍建設等方面顯著提升了我國在高端光刻機這一戰略高科技產品研發方面的競爭力，為國產光刻機研制形成了重要推力。

然而，朱煜心里清楚，這只是光刻機國產化萬里征程中邁出的一小步，面對徹底打破國外壟斷，甚至引領世界光刻機市場的遠大目標，中國光刻機研究還有很長的路要走。

一如清華大學副校長薛其坤囑托的那樣，未來，朱煜和團隊將進一步面向國家重大科技需求，深入開展理論研究與技術創新，加快推進科研成果轉化，為深度參與國家創新驅動發展戰略作出積極貢獻，創造更多科研奇跡！