磨砥刻厉，擎“皇冠明珠”国产化大旗

刘荣+曹丽娟

学必穷日夜磨砥刻厉，久而后有得焉。

——明·李东阳

“中国式尴尬”

2016年3月28日17时20分，俄罗斯空桥货运航空公司一架全货机在大连国际机场降落，货机上是英特尔公司用以追加大连IC产线投资的高端设备——光刻机。为保障这批设备的运输，英特尔公司动用了6架包机，货运公司调用了6台减震车和数控温床，操作时的小心谨慎不亚于对待一级文物。

你或许要问，光刻机是何方神物竟要如此“厚待”？这要从第一只晶体管说起……

1947年，世界上第一只晶体管在贝尔实验室诞生，人类自此进入电子时代。此后，芯片被喻为这个信息时代的“发动机”，而光刻机就是制造“发动机”最核心的装备，每颗芯片的诞生，都要经过光刻技术的精雕细琢。

光刻机的用途非常广泛，除了有用于芯片封装的后道光刻机，还有用于LED制造领域的投影光刻机，以及高端大气上档次的芯片制造前道光刻机。

光刻机被冠以诸多美名——世界上最精密的仪器、现代光学工业之花、超精密技术皇冠上的明珠……毫无疑问，它是当之无愧的“尖儿货”，正因如此，它的研发技术、资金门槛都极高，世界上从事光刻机研发的企业屈指可数。

目前，世界上80%的光刻机市场被荷兰ASML公司占据，高端光刻机也被其垄断。在这家“巨鳄”面前，曾有人用“寒碜”形容中国光刻机企业，尽管用词略严重，但不得不承认，中国芯片一直以来呈现的尴尬境遇，很大程度与中国光刻机技术水平欠佳有关。

早在八年前，我国有企业制造出了100nm光刻机，这在当时已经相当给力，美中不足的是核心部件全部是进口的，这成了国外企业钳制中国光刻机发展的缺口，技术和核心零部件上的受制于人，让中国光刻机的发展也很尴尬。

可喜的是，现在，光刻机这一尖端技术壁垒终于被逐渐打破了！2016年4月28日，国家科技重大专项“光刻机双工件台系统样机研发”项目（以下称“双工件台项目”）在清华大学成功通过验收，这是清华大学面向国家战略需求、解决重大科技问题、践行重大科研责任的一次标志性成果。

一直以來，世界上只有极少数国家掌握研制这一尖端系统的技术。现在，这个舞台上终于多了中国的身影。更重要的是，“双工件台项目”的完成将极大地推进我国高端光刻机的研制与产品化进程。

五年攻坚

“超精密工件台是光刻机中最核心的两大部件之一，不管光学系统怎么变，都需要工件台为基础。”研制光刻机超精密工件台系统成为02专项光刻机项目群的核心任务之一，这场关乎光刻机国产化的战役，于七年前正式吹响号角。

清华大学联合华中科技大学、上海微电子装备有限公司、成都工具所等3家单位组成了攻坚生力军，清华大学机械工程系教授朱煜担任“双工件台项目”负责人，他的团队承担了样机集成研发等核心任务。

据朱煜介绍，为将设计图形制作到硅片上，并能在2～3cm2的方寸之地集成数十亿只晶体管，光刻机需要达到几十纳米甚至更高的图像分辨率。而光刻机核心部件之一的工件台，在高速运动下需达到2nm（相当于头发丝直径的三万分之一）的运动精度，在超精密机械制造与控制领域处于最尖端的地位，光刻机才会因此被喻为“超精密技术皇冠上的明珠”。

工件台系统是光刻机的核心子系统，它的运行速度、加速度、系统稳定性和定位建立时间等，关系着光刻机的精度和生产效率。过去，光刻机只有一个工作台，所有流程都在其中完成。双工件台系统的诞生，让光刻机能在不改变步进扫描速度和加速度的状态下，同时完成曝光和测量，提高约35%的工作效率。

但是，多了一个工作台，技术难度也增加了几个等级。以换台速度和精度为例，换台速度慢了，光刻机工作效率会受影响；换台精度不够，后续扫描光刻等步骤的正常进行可能都会受影响。

此次“双工件台项目”是为研制光刻机双工件台系统样机，同时也是为我国自主研发65～28nm双工件台干式及浸没式光刻机，提供具有自主知识产权的核心子系统。

所以，“光刻机双工件台系统样机研发”项目对朱煜和团队来说，是一场难打的仗，却也是一场必须拿下的仗。清华大学为此成立了专项管理办公室，在资金、设备、人员等方面提供全力保障。朱煜和团队也集中精力，全力以赴，艰苦攻关。经历了五年的攻关，两年前他们交出了一张漂亮的答卷。

研究团队出色地完成了全部研制任务，突破了平面电机、微动台、超精密测量、超精密运动控制、系统动力学分析、先进工程材料制备及应用等若干项关键技术，攻克了光刻机工件台设计和集成等核心技术，成功研制出具有自主知识产权的2套光刻机双工件台掩模台系统α样机。样机通过了整机的多轮严格测试，关键技术指标已达到当前国际同类光刻机双工件台水平，打破了国外技术垄断。

研究过程中，朱煜团队还针对光刻机工件台研发过程中涉及的机械结构、动力学模型、超精密运动控制方法、驱动硬件、控制板卡、激光干涉测量等技术进行攻关，突破了工件台结构设计、驱动控制等相关瓶颈，研制出国内首台双十字推杆结构的双台交换装置及平面电机气浮硅片台系统，为“双工件台项目”最终目标的实现奠定了坚实基础。

作为项目负责人，朱煜在研究中围绕国家重大科技战略需求与科学基础前沿，首次提出了基于信息论的系统建模方法，解决了光刻机工件台这类系统的复杂动力学分析、纳米精度误差补偿等问题，为突破光刻机工件台基础理论提供了有力支撑。

他还围绕国产光刻机工件台系统开展深入的理论与工程技术创新研究，突破国外技术封锁和专利壁垒，建立国产光刻机双工件台系统自主知识产权保护体系，为光刻机国产化奠定技术基础。这些成果在一定程度上推动了光刻机双工件台的技术创新研究和产业化进程，为“双工件台项目”的最终完成作出了重要贡献。

据悉，朱煜团队围绕“双工件台项目”累计申请发明专利230余项，120余项已获授权；申请国际发明专利40余项，累计发表学术论文60余篇，其中SCI检索40余篇。项目验收会上，“光刻机双工件台系统样机”得到了专家们的高度好评——

双工件台项目专家委员会主任马俊如评价说：“作为国家战略必争装备，光刻机研发面临着极高的挑战和困难，此次项目高水平的攻关成果将为改变我国光刻机受制于人的局面奠定基础。”

02专项技术总师叶甜春表示：“工件台是精密机械之王，清华光刻机双工件台系统研发的成功，将成为我国超精密机械的一个里程碑，意义重大，为光刻机的研制迈出了坚实的一步。”

科技部原副部长曹健林对朱煜和团队的表现给予了充分肯定，他表示：“双工件台系统是微电子产业发展的核心部件，深具战略意义；是精密制造中走在最前列的量产设备，没有之一。它包含了业界公认的精密机械和精密光学两大技术高峰，感谢清华双工件台团队所做的贡献。”

验收组专家也一致认为，该项目的完成，不仅标志着我国成为世界上第二个研制出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，还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第一个通过正式验收的项目。

朱煜表示，作为02专项最核心任务光刻机项目群中唯一通过正式验收的成果，团队成员为这项号称“精密机械之王”的尖端技术付出了无数的心血。验收专家组的赞赏和肯定，让团队看到了国家对光刻机重大专项的支持和决心，也极大地提振了团队的研究士气和信心。接下来，他们将站在新的起点上，秉承“创新驱动发展，科技引领未来”的理念，坚持不懈继续创新，做出更多世界顶尖的科研成果，继续为我国超精密机电装备的战略突破作出更大贡献。

创新之源

创新，无疑是破解光刻机国产化发展难题的“密钥”和“引擎”。但是，人才，才是创新的真实根基。任何领域的创新最终都要靠人才来支撑。一直以来，我国光刻机产业发展缓慢，除了技术上受制于人之外，人才的缺失也是关键原因。

为解决人才匮乏、技术创新缺乏源泉的问题，朱煜以重大科技需求为导向，瞄准基础科学前沿，发挥多学科交叉与融合的优势，凝练学科方向和研究内容，克服各种困难，逐步建成了一流的超精密机电系统研究平台，并通过该平台，相继培养、引进交叉学科学术骨干7人，科研合同制专业人才40余人，外聘高级专家2人，博士后研究人员6人，以及博士、硕士研究生30余人，为科研团队建设和人才培养奠定了坚实基础。

团队组建起来之后，朱煜特别重视人才的培育。他充分发掘各类人才的资源价值，努力为团队人才发展营造良好环境，并通过产业化平台，将部分核心技术骨干输送到产品研发一线开展技术成果产品化工作，形成产、学、研的良性互动，支撑了团队的可持续发展，也有效支撑了双工件台技术成果的产业化工作。

现在，这支队伍还在不断壮大，科学、健康、有序的人才培养机制和成长环境，调动了他们的科研积极性，激发了他们的技术创新潜力，同时也有效提高了团队的凝聚力和战斗力，让他们具备了团队作战、攻坚、承担重大科研任务的能力。未来，在光刻机国产化开发的征途上，他们将是我国最给力的中坚力量。

在完成“双工件台项目”研究的同时，朱煜充分利用承担大型科研项目的内外部有利条件，筹建了IC制造装备精密机械与测控学科和IC装备研究室，组建、培养了一支近200人的跨学科、专业的超精密机械与控制高水平研究团队，建立了高水平的研发平台，为后续产品研发和产业化奠定了人才基础，其重要性不亚于光刻机双工件台系统样机的成功研制。

在朱煜带领下，这支队伍围绕国家重大科技战略需求和交叉学科基础前沿开展前瞻性、创新性研究，研究规模和水平均居国内领先水平，具备为国家提供以光刻机工件台为代表的超精密机械设计、超精密测量、超精密运动控制等发展所必需的尖端技术的能力，在光刻机精密工件台技术研究方面取得了显著成绩——

2014年，团队承接了“65nmArF干式双工件台光刻机双工件台产品化样机研发”任务，先后突破一系列关键技术瓶颈，战胜竞争对手，通过了整机单位SMEE的PDR、CDR、IPR评审，成为承担双工件台产品化研发的唯一总体单位。

2015年1月，团队承担的“45nm浸没式光刻机双工件台系统样机设计”子课题通过CDR评审，获得与会专家高度评价。

与北京华卓精科科技有限公司签署协议，由华卓精科进行光刻机双工件台专利技术的独家实施与产品化，实现了清华大学光刻机双工件台专利技术向产业化平台的顺利转移。

…………

凭借这些出色表现，朱煜领导的研究团队被评为清华大学先进集体，朱煜本人获得“十一五”国家科技计划执行突出贡献奖，被国家科技重大专项实施管理办公室授予“2010年度突出贡献奖”。

毫无疑问，此次“光刻机双工件台系统样机研发”项目的完成，在技术积累和人才队伍建设等方面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力，为国产光刻机研制形成了重要推力。

然而，朱煜心里清楚，这只是光刻机国产化万里征程中迈出的一小步，面对彻底打破国外垄断，甚至引领世界光刻机市场的远大目标，中国光刻机研究还有很长的路要走。

一如清华大学副校长薛其坤嘱托的那样，未来，朱煜和团队将进一步面向国家重大科技需求，深入开展理论研究与技术创新，加快推进科研成果转化，为深度参与国家创新驱动发展战略作出積极贡献，创造更多科研奇迹！