【这章的技术性环节太多了,为了准确描写,资料查得人都快发疯了!修修改改,竟然搞到四点半才修改完成,一个8000字以上超长章节,人累得要死】
郭逸铭这段时间都在忙着混合并行处理器工厂的建设,和设备的改造生产事宜。
只当厂房建成,他找来集成电路室主任万洪,得知处理器已经通过实验室测试以后,才在百忙之中抽空让霍克去跟奥尔森谈判,结成利益联盟,随后给奥尔森出了开放技术标准、狙击IBM,并让苹果公司恨之入骨的点子,随后就继续忙他自己的去了。
至于奥尔森现在有多么的春风得意,如何与来自全美、全世界的计算机厂商们一起携手共舞,如何挥斥方遒,指点未来个人计算机发展的江山,并为了制定一套汇集所有设备厂商、让大家都能够满意的接口规范吵得面红耳赤,他是一点精力也无暇旁顾。
一场从80年11月开始到现在,长达五个多月的设备改造终于迎来了最终完成的时候。
在中美电子研究所重新改建的超净生产车间内,郭逸铭,集成电路室主任万洪教授,材料应用研究所董老、集成电路室负责人高国皓,自动化研究所精密控制室负责人、总工程师朱成贵等一干人,都穿着轻薄型无尘工作服,透过头套上那层玻璃镜片,聚精会神地观看何师傅等几位八级技工,配合着上海精密仪器厂的几位设备工程师,为一台新型光刻机进行最后的安装。
厂房内一片寂静,只能听到工具与设备接触时发出清脆悦耳的金属碰撞声。
阳光从厂房外照进来,投射在高国皓的脸庞,让他若有所察地回过头看了一眼。经过滤光玻璃过滤,光线是那么的柔和,他直视太阳,也没感到有丝毫刺目。
“郭逸铭真是太会烧钱了!”
他看着洁净如新的厂房,心中暗暗叹息,何时国内也能用得起这样昂贵的洁净厂房呢?
对他来说,这个厂房不是用材料建起来的,而是用一麻袋一麻袋的整捆的美元,活生生给堆出来的!
难怪他要用“烧”这个词,来形容郭逸铭的花钱如流水。
当初中美电子研究所在建设初期,为了缩短工期、尽快投入使用,并出于节约成本角度考虑,这个设备车间采用的是简易房结构,遮风避雨没有问题,却无法阻挡空气中的细微尘埃从大门、气窗飘进来,落在设备、测量探头上。
这种情况在国内来说不算什么,更恶劣的车间环境也屡见不鲜,国内的技术人员、工人都早已见怪不怪。
只要搞好清洁卫生,平时勤打扫,特别是保养好设备关键精密机件就可以了,并不会影响设备运行精度,因此没有一个人想到要给精密加工机床建什么超净厂房。别说普通的国营大厂,就是从中美电子研究所这里学到了先进的精密机床制造技术以后,就在郭逸铭他们不远处,国家花巨资新建并投入使用、工业部下属几个部委抢得头破血流的国营精密部件制造厂,这个国家对其寄予厚望的中央直属重点企业,也没有建设专门的超净厂房。
郭逸铭对此感到深深的忧虑。
在这个时代,国内加工制造业的落后,不仅仅是具体制造工艺上的落后,更是意识上的落后。各种对细节的漠视,才造就了整个工艺水平的低下。
而高精密制造技术,或者说整个高科技,都是靠抠技术细节,一点一点抠出来的。
精密制造业对环境的苛刻需求,所有相关的技术人员、管理者都清楚,可就从来没有人想到过去把这个问题解决掉。
直到听说他拆掉了原来的简易厂房,重新斥资开始修建一个新的超净厂房以后,才有人诧异地跑来围观。对方最初还以为他们又要修建一个集成电制造、或是单晶硅制备之类的生产车间,当他们明白这个超净厂房建成以后,将提供给设备车间,进行超精密部件加工制造使用,很多人都露出了惊讶的表情。
不明白他为什么要在这里,花如此大价钱。
当他们看到郭逸铭从国外重金请专业公司设计,经他亲自审核修改的超净厂房建设图纸上,采取的种种措施:不但通过层层过滤,营造出一个超净空间,还通过深挖地基,为每一台高精密机床都设置一层成本高昂的液压缓冲层、大型自动水平调节装置,在缓冲垫上再使用高标号水泥将机床牢牢固定,从而将车床运行所产生的震动,减到最低,为精密制造创造一个稳定的运行环境。
又看到他通过繁复的空气调节装置和温度灵敏探测仪,以及程序自动调节系统,将车间恒定在一个机床探测仪器运行精度最高的温度范围。
再看到他为了将室内的空气流动速度、光照强度、噪音、湿度、电磁波等等各种环境变量,同样恒定在机床设备最佳的需要范围,绞尽脑汁、不惜动用一切手段时,他们都为之感到震惊,觉得他精益求精的要求到了走火入魔的地步。再盘算一下通过这种种改造,这个超净厂房的建设费用直线陡增到一个不可思议的恐怖程度――用他们的判断来看,其建设总开支,足以建设十个同样规模,并且并不见得比这种厂房差太多的高标准洁净厂房!
所有人都被这个巨大的消耗给吓坏了,认为郭逸铭实在是太小题大做,不把钱当钱用了。
只有郭逸铭自己知道,虽然洁净厂房的各项环境变量,从指标上看增长并不是特别明显,与投入的巨额支出相比,看似显得很不划算。
但也正是因为这不起眼的细微提升,却让在洁净厂房内按照标准规范生产的精密零部件,可以比国内的精密部件品质,提升一到两个等级!
大投入不一定带来大回报,没有大投入,就不可能产生超额回报。
事情就这样简单。
这不是他为了夸耀研究所有钱,而故意大手大脚花钱,他只是遵循了最基本的投入/产出规律,做出的顺应之举而已。
其他人不理解,但从事了一辈子材料研究的董老能够理解。
可也是他,眼看着用金钱堆砌起来的洁净厂房,神情黯然对郭逸铭道:“小郭啊,要是我们都照你这个厂房标准来建设,我们就是不吃不喝、把十年的研究经费投进来也不够花。这样的一个厂,我们是真的用不起啊!难怪国外的超精密制造业投入是越来越大!又是超净厂房、又是价格昂贵的超精密制造设备,这成本怎么可能低得下来!”
郭逸铭在了解了国家一年对材料所的研发总投入之后,也是深深地叹了口气。
经过数十年建设,国内虽然成功建设起一套完备的工业体系,足以满足自产自销的需要,可底子实在太薄了。数亿张嘴要吃饭,上百万返城青年要工作,人民群众对物质生活的巨大需求缺口,需要国家在工业品供应上加大投入……,到处都是嗷嗷待哺的嘴,兜里那一点点钱哪里够用?都是掰碎了,这里给一点点,那里给一点点,就像撒胡椒面似,殚精竭虑,苦熬着勉力支撑这个经济体系不垮,就这样都眼看要维持不下去了。
所以董美堂他们根本不敢奢望,拥有一座如同郭逸铭他们这种超高等级的超净厂房。他们前来参观,更多的是抱着收集第一手资料,等到国内将来资金充裕以后,能够为建设与之类似、或是更好的超净厂房作资料收集。
超精密加工升级的不只是一个超净厂房。
硬件再好,也需软件配合。
在郭逸铭重新制定的车间生产条例中,何师傅、钱师傅等几位高级技工,也要学会适应如何在超净厂房内,穿着无尘工作服、用更高的技术规范进行高精密加工作业。
为了帮助他们适应,郭逸铭长时间留在车间内,几乎是手把手地就每一个细节,对他们进行指导。这几位老技工都是八级高级技工,在国内是如同国宝一样的人才,为了适应新厂房的新技术规范,此刻也要跟着他,像个学徒一样,一点一点学习各种注意事项。
郭逸铭为了照顾他们的情绪,对于他们犯的任何错,从来都是控制住他的情绪,未曾有一句重话,总是讲道理掰碎了,非常耐心地对他们进行说服、讲解、分析,让他们自己明白这样做对精密加工质量提升带来的负面影响。
就这样,他们也花了很长时间,才勉强接受了这种别扭的工作方式。
倒是他们的几位徒弟,虽然也是三十来岁的中年人了,但学习的劲头却非常高涨,且虚心接受任何正确意见。他们在工作之外,还利用业余休息时间为自己充电补充,并在他建议下报名参加了夜校补习班。用他们的话来说,十年里,他们耽误了太多时间,现在他们要把时间抢回来,为了这个目标,吃再多的苦他们也愿意!
郭逸铭对他们的精神感到非常敬佩,也对他们未来的成长充满了信心。
他们的吸收进度,也确实远比几位师傅强,从港是什么都不懂,经常犯错。到中期,在如何操作自动精密加工设备上,他们已经超过了他们的师傅。所以到了后期,几位老师傅基本上都是在一旁指点,大部分加工业务都交给了几个徒弟。只有在遇到非常重要的地方,他们才亲自出马,利用他们丰富的经验来弥补设备上的不足。
郭逸铭对此很是高兴。
从老师傅几位徒弟的技术实力来看,虽然因为现在的精密制造设备,与何师傅等国宝级高级技工相差不大,几位老师傅还可以靠着精确的肉眼判断、超强的稳定性,占有一定优势。但可以预见,随着超精密加工技术、设备的跳跃式发展,当几个徒弟彻底掌握了通过高科技精密设备,进行高精密部件的的操作要领,他们的成长潜力将远远超过他们的师傅。
尽管他们可能无法做到仅凭肉眼,就将加工精度控制在一丝的范围之内,尽管他们还不能如他们的师傅一样,用一把锉刀,错处宇航级的精密部件,但这不妨碍他们未来操作着超精密加工设备,将加工精度提高到纳米级别!
这就是科技的力量!
人力有极限,而科技无极限!
郭逸铭要的,也不是又一批八级技工,他需要的是合格的超精密设备操作人员。
超净车间有了,加工设备重新改进了,几位老师傅和他们的徒弟也掌握了在超净环境下,精密加工的要领,接下来才是对半导体设备的改造。
集成电路制造的光刻、刻蚀、参杂、离子注入、扩散、沉淀、封装等各个主要环节,要说重要,每一个都非常重要。这些环节是一个完整工艺链上的一环,并且环环相扣,每一个环节所造成的疏漏,都会给下一个工艺流程带来无法弥补的重大损失,降低产品品质,使得良品率大大降低。
各个环节之间的关系,并非相加关系,而是乘积关系!
用公式来表达,就是哪怕每一个环节,成功率都提高到90%,可整个工艺链运行下来,如果有两个主要环节,就是90乘90,最终成功率为81%!而当环节延伸为三步,那成功率将陡然降至72.9%,四步则更降至65.61%。
由此可见,尽最大努力提升每一个环节的制备成功率,对集成电路制造业的整体提升效果,都具有非常重要的意义。
郭逸铭在仔细分析了国内现在的集成电路制造工艺后,没有一下子拿出什么先进制造设备来。因为半导体制造设备的提升,是一个涉及到光学、化学、精密制造、自动化等等各个领域的综合运用成果,他不是神仙,无法在瞬间让这些行业类得到全面的提升,只能抓住一点进行突破。
他的突破点,便是将原来重复的手工作业,尽可能采用自动化操作来代替。
手工操作对集成电路的影响可谓是全方面的,不谈人工取件拿件对器件可能造成的污染,首先人的肌肉稳定性、注意力等等方面,和自动设备相比,先天上就居于下风。哪怕是一个极为出色的操作员,在长期枯燥的重复劳动中,也难免会在不经意间出现误操作。而且即便是这个操作员注意力非常集中,肌肉控制力超群,可他每一次移动掩膜、推动光刻头之后,都需要重新对准、聚焦,再怎么熟练的操作员,其复位、步进、精确控制的效率也不可能比机器更高。
要想提升集成电路制备品质、生产效率,用自动化仪器代替手工操作,是见效最快、最容易实现的,即便是国内较低的自动化测量、控制水平,也可以使得整体水平出现一个飞跃式跨进。
而且之前,他们已经积累了相当的应用经验。
当初在制造单晶炉控制部件、运动部件上,他们与单晶炉制造厂家、自动化研究所协作,已经积累了丰富的经验,并具有了相当的默契。郭逸铭他们这次再次与自动化研究所携手,在和上海厂的技术人员进行充分交流之后,对国产的半导体制造设备进行了一次大刀阔斧的改造。
通过不断改进、尝试,设置了大量的传感器、伺服电机、自控程序,根据人工操作采样结果,采用预制步骤的方式,为如何将原来交由人工控制的各种操作尽可能减到最少,他们绞尽脑汁。
这方面,材料所也给与了大力协助。
董老等人得知郭逸铭他们在改进集成电路制造设备的消息以后,对如何实现自动化操作充满了兴趣,很快便也积极投入进来,从技术角度给与了全方面协助。
他们的支持非常关键。
论到对这个时代国内最尖端科技的实现方法,最为权威的部门莫过于材料应用所。董老他们查阅大量资料,和所里的技术储备,屡屡在郭逸铭他们改造遇到困难的时候,在关键地方提出了合理建议,从而使得他们得以突破技术难关。
郭逸铭提供技术思路、材料所负责提供本时代能够解决的技术、上海设备厂丰富的半导体设备制造经验、何师傅等人的超精密加工能力。他们亲密无间的合作,让设备改造进度飞快向前。
并且随着进度的提前,郭逸铭还对在集成电路制造中,居于最关键技术环节的光刻机设备的改造,做出了全新的改进。
光刻是进行集成电路制造的首要环节,其精度、成功率,可以说直接决定了集成电路制造的品质,和产品良品率高低,重要性无论如何拔高,都不为过。
国内当前的光刻机,还采用的是六十年代的接触式光刻机,在移动掩膜时,不留心就会碰触到光刻胶。而掩膜上哪怕是出现一个极其细微的损伤,都将给接下来的集成电路制造,带来无可估量的严重后果。
在此之外,国内现在的光刻机紫光照射,是通过透镜聚焦于一点,对局部电路进行光刻之后,再对另一个局部电路进行光刻处理。对比国外已经流行的伺服电机驱动、紫外光聚焦点对掩膜电路进行扫描式曝光,国内的光刻效率非常低下。
郭逸铭没有兴趣跟在外国人屁股后面,亦步亦趋。
他亲自动手设计,将原来接触式光刻平台,上移之后,通过光学作用,将透镜凝缩的聚焦点,扩张放大后再缩为一条线。
通过步进电机,精密驱动紫外光前后移动,变换曝光位置。
这可不是什么扫描式光刻机,而是后世才逐渐成熟,比扫描式光刻机更先进的步进扫描式光刻机。
这种光刻机,通过调整透镜距离,将原来点状的紫外光聚焦放大为覆盖到单晶硅边缘的条状曝光区。这样就可以一次性实现对整条区域内电路的照射曝光,一下子就将光刻效率提升数十倍,既加快了制造效率,又节约了成本,可谓是一举数得。
为了尽快完成对设备的改造工作,他们一直从80年11月,忙到了81年的3月下旬。
整整五个多月的时间,他们没有一天的休息时间。
为了节约每一份每一秒,尽管材料所就在马路对面,董老他们仍舍不得浪费这么一点点时间。所有参与技术攻关的人员,吃住都在行政楼内,稍微有一点空闲,他们也用来分析、讨论、研究如何对设备进行自动化改造。有好几次都已经深更半夜了,脑子里忽然有了某个思路的董老等人,也爬起来,心急火燎地敲开郭逸铭的房门,与他就此展开论证。
就这样,他们日以继夜的投入到改造工作中,所有人都忙得人不像人、鬼不像鬼,每天一直要忙到最后一丝精力都被榨干才精疲力尽投入梦乡。他们忙得连打理个人卫生的时间都没有,只有利用在进洁净车间经过必须洗漱程序时匆匆洗漱一下。
就这样,一直忙到81年3月23日,第一套完整的半导体制造设备终于装配完成。
设备的安装、调试工作也是一个需要非常小心的活。
高精密的设备,对工作环境的要求也是同样苛刻无比。这个时候,就显出了何师傅等人的本事,他们仅靠着肉眼观察、光影判断,就能精确判断出设备的倾斜角度是否符合要求,其精确率,丝毫不亚于上海厂几位拿着测试设备随时观测的工程师,且做出判断的速度,比他们摆放设备,从各个角度反复测量还来得快!
安装调试工作又用了将近一个月时间,4月17日,设备正式启用,进入试运行。
这是一个足以载入中美电子研究所史册的日子,当天,所有得知消息的研究、行政、工人全都放下了手头的活,聚到了处理器洁净厂房外。虽然他们不能进去,什么也看不到、听不到,但所有人都不肯离去,都默默地等在门口。
几位曾在无线电一所等好几家重点科研单位,从事了数十年半导体制造设备操作,多次荣获先进工作者、劳动模范称号的老技术人员,纷纷各就就位。
严格的设备运行前检查工作,在郭逸铭全体研发人员的瞩目下,一丝不苟地进行着。
他们在前期设备研制改造过程中,就全程参与其中,一些具体操作要领还是源于他们的建议,各种操作流程已经是铭记于胸。在这次开机测试前,他们向郭逸铭拍着胸口保证,哪怕是闭着眼睛,他们也会按照规范要求,圆满地完成设备操作,绝不会出任何纰漏。
郭逸铭相信他们能够说到做到。
尺寸1:1掩膜版早已制造完成,一共准备了12块掩膜版,这一点在工艺上并无特大改进。在操作员控制下,自动上胶机飞速转动,缓缓接近单晶硅衬底,飞快地旋转而过,一层光刻胶就匀称的涂抹到了单晶硅衬底上。
操作员对其厚度、均匀程度检测以后,向郭逸铭他们挑起了大拇指。
一阵轻微的欢笑声,在人群中响起,随即便迅速重归宁静,未到试运行结束,谁也不敢有丝毫放松。
涂抹了光刻胶的衬底,被送进烘焙炉中进行烘焙,使光刻胶干硬成型,并完成内部形变,之后自动进行退火处理。
操作员用操作钳夹出操作盘中,将硬化后的单晶硅衬底送到相邻的另外一个净洁室内。这里,负责操作光刻机的技术人员已经完成了光刻机的预操作,掩膜版盒也已安装到位,见到呈放单晶硅衬底的操作盘传送过来,低头再次检查了一下光刻胶涂抹情况之后,用带着防护手套的手,打开光刻机舱门,小心翼翼将操作盘放置入内,仔细检查之后,关上舱门。
他回到控制位,按工艺流程,快速地在控制仪表盘上进行各项操作:释放掩膜版盒、锁定、选择掩膜版编号、控制所需编号掩膜版放下、输入曝光率、焦深、能量输出强度等各项数据,并通过显示屏核对输入是否正确。一切确认无误,他按动启动开关,机器声轻微嗡鸣,光刻机开始自动工作。
光刻部分,这个流程是在光刻机内部完成,所有人都看不到具体过程,只能默默等待。
显示屏上,代表光刻进度的进度条缓慢缩短,渐渐缩短成一个小方块,再缩短为一条线,最后消失殆尽。
屏幕上跳出一个选项:重启/关机。
操作员选择关机,按照操作流程关闭氮气阀门、压缩空气、真空,稍等一阵,开仓取出光刻完成的操作盘,放进入显影设备中,浸泡在显影液中进行显影处理。这套浸泡显影、清洗等流程也采用了全自动操作,操作员也如同旁观的郭逸铭他们一样,只能紧盯着控制屏幕,而再也无须亲自动手控制。
董老毕竟是七十多人的老人了,长时间站立下体力有些不支。旁边的万洪年纪同样不轻了,高国皓好心地让他们坐下休息一会儿,但谁也不肯离去。两个老头子你搀着我、我扶着你,颤巍巍地站在那里,固执地要第一时间看到结果。
成功还是失败,他们都要第一时间得到确切消息!
这里面,也有着他们心血的结晶!
显影结束。
操作员用操作钳将操作盘取出,将仍带着湿润的操作盘放进烘焙机进行烘焙处理。又是一阵等待,直到显示屏综合监控数据显示出烘焙已结束,操作员打开烘焙机,用操作钳将冷却后的操作盘取出,将其放置到眼前的显微镜下,仔细观察单晶硅衬底上的电路显影结果。如果光刻、显影、清洗、烘焙过程中出现差错,这张单晶片将被废弃,不会转入下一流程。
他仔细地转动着镜头、调节焦距。
包括郭逸铭在内,虽然明知道穿戴着无尘工作服,呼吸不会对别人有所干扰,但所有的人都还是连大气都不敢出,目光灼热地看着操作员每一个细微的动作,焦急地等待他的检验结果。
这个结果,将是对他们这几个月辛勤工作的最佳检验。
老头子已经站不稳了,两人的面罩玻璃被他们呼出的热气给蒙花。郭逸铭实在看不下去了,硬要将两位老人拉出去,可他们却大发雷霆,坚决不肯离开。郭逸铭等人见他们态度如此坚决,也是极为无奈,只好让他们靠在几个年轻人身上,帮他们支撑摇摇欲坠的身躯。
仿佛永远也不能完成的检查工作终于结束。
操作员抬起头来,在无尘工作服的玻璃面罩下,是他闪闪发亮的、略带着一丝水汽的眼睛,一声沉闷的嘶吼透过面罩发出来,传到每个人耳朵里。
“显影效果极其出色,整片单晶硅衬底没有发现任何瑕疵!这是一片优质品!”
接下来,将是耗时漫长的化学刻蚀,通过沉积、参杂、离子注射等手段,生成电路、元器件。每一种部件的制造,都需要重复一遍上述环节,整个集成电路的制造将耗费数日的时间。所以真正的集成电路的制造都是采用流水线作业,而不会像这次一样,只用数片单晶硅进行少量试制。完整的集成电路制造,郭逸铭他们是不可能在今天内就看完整的。
但迈过了前面这个最重要的关卡,尤其是每一道工序都要重复运用的光刻机,表现如此出色,可以说,这次的试运行至此已经圆满成功。
他们对设备的改造,完美地达到了当初的设计要求!
听到操作员传出的那一声嘶吼,董美堂身躯忽然挺立,眼中亮光一闪,正要笑出声来,随即,瞬间又软了下去,就连身边的郭逸铭用力想要抱住他也抱不住。他整个人像泥一样瘫软,再也没有一丝的力气可以支撑身体。
但在他双眼紧闭的脸上,却是一幅极度满足的笑容,笑得非常灿烂和甜蜜。
我们,成功了!