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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!