撰文 | 王公（中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所） 引 言  七十年前，第一顆晶體管出現(xiàn)，從此人類進(jìn)入了半導(dǎo)體時(shí)代。六十年前，集成電路出現(xiàn)，并很快發(fā)展到了超大規(guī)模集成電路的水平，在推動(dòng)電子信息技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的同時(shí)，也開始和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，開啟了信息化時(shí)代的大幕，極大地改變了人類社會(huì)。然而，超大規(guī)模集成電路在中國(guó)的出現(xiàn)及其產(chǎn)業(yè)化的歷程，卻無(wú)時(shí)無(wú)刻不面臨著嚴(yán)峻的封鎖和巨大的挑戰(zhàn)。 背 景  1.1 世界及中國(guó)半導(dǎo)體微電子技術(shù)的起步 1947年12月，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功了世界上第一塊點(diǎn)接觸式晶體管。和傳統(tǒng)的電子管相比，晶體管具有體積小、消耗功率低等明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，晶體管開始逐步取代體積大、功率消耗大的電子管，開啟了半導(dǎo)體時(shí)代。晶體管的發(fā)明為集成電路的誕生奠定了基礎(chǔ)。1958年，美國(guó)德州儀器公司的杰克·基爾比（Jack Kilby）發(fā)明了第一塊集成電路——將包括鍺晶體管在內(nèi)的五個(gè)元器件集成在一起，制作了一個(gè)相移振蕩器電路。1959年仙童公司的羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）研制發(fā)明了平面工藝的硅集成電路。集成電路的發(fā)明，給相關(guān)行業(yè)帶來(lái)了巨大的變化，引發(fā)了現(xiàn)代社會(huì)電子信息技術(shù)的變革。 中國(guó)的半導(dǎo)體和微電子研究起步于20世紀(jì)五、六十年代。1956年，黨中央發(fā)出了“向科學(xué)進(jìn)軍”的號(hào)召。我國(guó)將半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)列為當(dāng)時(shí)國(guó)家新技術(shù)四大緊急措施之一，寫入了“十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃”。當(dāng)年暑期，北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、廈門大學(xué)、南京大學(xué)和吉林大學(xué)五校，在北京大學(xué)聯(lián)合開設(shè)了我國(guó)第一個(gè)半導(dǎo)體專業(yè)，由黃昆任主任、謝希德任副主任。該專業(yè)開設(shè)半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)、半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體器件、固體物理、晶體管電路等全面的半導(dǎo)體專業(yè)課程，為我國(guó)培養(yǎng)了第一批半導(dǎo)體專業(yè)人才。1956年，中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用物理所成立了半導(dǎo)體研究室，由王守武任室主任，是我國(guó)最早的半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)。1957年，王守武研制出了鍺晶體管，是我國(guó)自行研制的第一顆晶體管。1959年，李志堅(jiān)在清華大學(xué)拉出了高純度多晶硅，隨后開始了硅基平面晶體管的研制。20世紀(jì)60年代初，兩家大型的國(guó)立半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)——中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所和河北半導(dǎo)體研究所（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所）正式成立。1964年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的王守覺研制出我國(guó)第一塊集成電路，在一塊硅片上集成了19個(gè)元件，后來(lái)應(yīng)用在了服務(wù)于“兩彈一星”工作的大型通用晶體管計(jì)算機(jī)（109 丙）上。1968年，半導(dǎo)體工廠國(guó)營(yíng)東光電工廠（878廠）、上海無(wú)線電十九廠投建，1970年建成投產(chǎn)。這些半導(dǎo)體研究所和工廠研制的集成電路產(chǎn)品，除了服務(wù)“兩彈一星”的戰(zhàn)略需求，也為我國(guó)的其他行業(yè)和民生需要做出了巨大貢獻(xiàn)。 1.2 微米級(jí)微電子技術(shù)的重要意義
微電子工業(yè)的生產(chǎn)過程非常復(fù)雜，一般來(lái)說包括前工序和后工序兩個(gè)步驟，前工序是指將超純的硅晶棒切片，再經(jīng)過二十至三十道工藝步驟，直到芯片制作完成的過程；后工序指的是從對(duì)前工序制作出的芯片進(jìn)行測(cè)試、劃片、封裝直至形成最終產(chǎn)品的過程。前工序包括多次光刻、摻雜、氧化等步驟，其中光刻工藝所能達(dá)到的精度被稱為集成電路特征尺寸，它是微電子技術(shù)水平的重要標(biāo)志，通常也直接用光刻工藝的特征尺寸來(lái)表示整個(gè)生產(chǎn)線及生產(chǎn)出的集成電路產(chǎn)品的工藝水平。 當(dāng)集成電路的特征尺寸達(dá)到微米級(jí)時(shí)，在一塊芯片上集成的元件數(shù)就可以超過10萬(wàn)個(gè)，這樣的集成電路被稱為超大規(guī)模集成電路（Very Large Scale Integration Circuit，VLSI）。采用超大規(guī)模集成電路制造的電子設(shè)備，具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)。此外，還可以利用超大規(guī)模集成電路技術(shù)將整個(gè)電子系統(tǒng)“集成”在一塊芯片上，完成信息采集、存儲(chǔ)和處理等多種功能。如果將超大規(guī)模集成電路和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)合，可以徹底改變傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化和現(xiàn)代化。基于這些因素，超大規(guī)模集成電路被認(rèn)為是微電子技術(shù)的一次飛躍，是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。 為了便于從宏觀上考察微電子技術(shù)及相應(yīng)生產(chǎn)線的工藝水平，一般以典型產(chǎn)品動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）的容量為指標(biāo)。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器主要的作用原理是利用電容內(nèi)存儲(chǔ)電荷的多少來(lái)代表一個(gè)二進(jìn)制比特（bit，也稱作“位”）是1還是0。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，每一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元都只需一個(gè)電容和一個(gè)晶體管來(lái)處理。所以，1K容量的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，需要集成2048個(gè)元件。 有些時(shí)候也可以用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Static Random-Access Memory，SRAM）的容量來(lái)考察集成電路工藝及相應(yīng)的生產(chǎn)線的技術(shù)水平，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器上的一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元通常需要4~6個(gè)晶體管，相同容量的產(chǎn)品，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的元件數(shù)就是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器4~6倍。正因如此，與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器相比，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器擁有非常高的密度，單位體積的容量較高且成本較低。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量、元件個(gè)數(shù)和特征尺寸的基本關(guān)系參見表1。可見，64K容量的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，元件數(shù)已突破10萬(wàn)，特征尺寸達(dá)到了2微米，接近或達(dá)到了超大規(guī)模集成電路的水平。因此，要想研制、生產(chǎn)超大規(guī)模集成電路，必須要跨越微米級(jí)工藝臺(tái)階！  差距與封鎖  2.1 差距 20世紀(jì)60年代，集成電路技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展也只不過十年左右時(shí)間，整個(gè)集成電路的發(fā)展還并不是很成熟，而在我國(guó)則剛剛在起步階段。彼時(shí)，不論國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，集成電路都是在雙極型器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。60年代后期，國(guó)外出現(xiàn)了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOS集成電路），發(fā)展十分迅猛，使集成電路水平很快從小規(guī)模集成提高到中、大規(guī)模。進(jìn)入70年代，我國(guó)和國(guó)外的集成電路發(fā)展水平開始出現(xiàn)了巨大的差距。 1976年，美國(guó)研制成功的64K容量DRAM是世界上第一代超大規(guī)模集成電路，大約包含15萬(wàn)個(gè)元件，特征尺寸為2~3微米。1977年，日本研制成功64K容量DRAM，包含15.6萬(wàn)個(gè)元件，特征尺寸為2~3微米。而此時(shí)的我國(guó)，集成電路技術(shù)仍處在雙極型小規(guī)模電路的研究與小量生產(chǎn)階段。 集成電路技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)系統(tǒng)工程，不但需要有深入的器件物理、電路設(shè)計(jì)和工藝制造研究，而且還必須有高精尖的工藝與測(cè)試設(shè)備、高純度高性能的基礎(chǔ)材料以及超凈廠房等基礎(chǔ)條件的配套發(fā)展。實(shí)際上，很多集成電路技術(shù)是固化在基礎(chǔ)條件發(fā)展中的。而當(dāng)時(shí)我國(guó)半導(dǎo)體生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件根本不能滿足大規(guī)模集成電路發(fā)展的要求。 當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體車間所用的工藝設(shè)備絕大部分都是國(guó)產(chǎn)的、用于早期晶體管小量生產(chǎn)的產(chǎn)品。有很多關(guān)鍵設(shè)備是自制的，例如制版用的高精度初縮機(jī)；柵氧化用的三氯乙烯氧化設(shè)備；光刻用的高速勻膠機(jī)；刻蝕多晶用的等離子刻蝕設(shè)備等。這些設(shè)備根本不能滿足大規(guī)模集成電路生產(chǎn)對(duì)設(shè)備的高精度和自動(dòng)化要求。王守武曾回憶，“當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體研究所使用的設(shè)備和基礎(chǔ)材料，只有顯微鏡、光刻膠和乳膠版三樣是進(jìn)口的，而一些核心設(shè)備像電鏡、光刻機(jī)以及相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品，根本不賣給中國(guó)。” 當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體生產(chǎn)所用的原材料也大都不能滿足大規(guī)模集成電路生產(chǎn)的要求。例如當(dāng)時(shí)所用最純的化學(xué)試劑也只是達(dá)到優(yōu)級(jí)純（高于分析純），但它仍含有大量不溶性顆粒物，因而會(huì)在集成電路芯片上造成缺陷，從而大大影響成品率。 當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體器件與集成電路生產(chǎn)所普遍使用的廠房也就是衛(wèi)生條件好一些、干凈一些的密封空調(diào)房間，空氣并未經(jīng)過凈化過濾，灰塵含量通常為每立方英尺幾百萬(wàn)顆（直徑在0.5μm以上的灰塵），這樣的條件下，硅片上的灰塵污染當(dāng)然很嚴(yán)重。 然而就是在這樣的條件下，我國(guó)科學(xué)家也取得了一些階段性的成績(jī)。北京大學(xué)物理系王陽(yáng)元于1975年領(lǐng)導(dǎo)研制成功三種類型的1024位（1K容量）MOS動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM），特征尺寸為8微米，屬于大規(guī)模集成電路。1978年10月，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王守武團(tuán)隊(duì)研制成功了4K容量的DRAM，其特征尺寸為5微米，次年批量生產(chǎn)。1981年，王守武領(lǐng)導(dǎo)研制出16K容量DRAM樣片，元件集成度達(dá)到了3萬(wàn)6千，特征尺寸3~5微米，但是成品率較低。總體上，無(wú)論是在存儲(chǔ)器還是微處理器的研制方面，中國(guó)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，不要說64K（3微米），就是16K（5微米），都是很難達(dá)到的。 進(jìn)入80年代，我國(guó)和世界的差距進(jìn)一步拉大。1981年美國(guó)德州儀器公司批量生產(chǎn)了TMS4016靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，其容量為16K，集成度為15萬(wàn)元件，工藝為1~1.5微米。1982年，英特爾公司生產(chǎn)出了80286處理器，集成度為13.4萬(wàn)元件，工藝為1~1.5微米。 2.2 面臨的封鎖 在存在巨大差距的同時(shí)，我國(guó)的微電子事業(yè)還面臨著西方國(guó)家的全方位封鎖。西方國(guó)家對(duì)我國(guó)微電子全方位封鎖主要是通過巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)（簡(jiǎn)稱“巴統(tǒng)”）對(duì)中國(guó)相關(guān)技術(shù)、設(shè)備、產(chǎn)品的全面禁運(yùn)實(shí)現(xiàn)的。巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)是1949年11月在美國(guó)的提議下成立的，總部設(shè)在巴黎，其全稱是“輸出管制統(tǒng)籌委員會(huì)” （Coordinating Committee for Multilateral Export Controls） 。巴統(tǒng)的宗旨是執(zhí)行對(duì)社會(huì)主義國(guó)家的禁運(yùn)政策，其禁運(yùn)產(chǎn)品包括軍事武器裝備、尖端技術(shù)產(chǎn)品和戰(zhàn)略產(chǎn)品三大類。1952年，巴統(tǒng)成立了中國(guó)委員會(huì)，是專門針對(duì)中國(guó)實(shí)行禁運(yùn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。1985年的巴統(tǒng)禁運(yùn)手冊(cè)規(guī)定（見圖1）：生產(chǎn)或測(cè)試電子產(chǎn)品的設(shè)備中，5微米以下的光刻機(jī)對(duì)中國(guó)是嚴(yán)格禁運(yùn)的（IL1355）；電子產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)中，4K容量DRAM（特征尺寸5微米）的相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)對(duì)中國(guó)是嚴(yán)格保密和禁運(yùn)的（IL1564）。  在對(duì)中國(guó)嚴(yán)格禁運(yùn)的同時(shí)，美國(guó)等西方國(guó)家還通過對(duì)韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的扶持來(lái)進(jìn)一步達(dá)到封鎖中國(guó)內(nèi)地微電子事業(yè)的目的。1975年，美國(guó)在中國(guó)臺(tái)灣“工研院”建設(shè)3英寸晶圓生產(chǎn)線，1977年即建成投產(chǎn)。1978年，韓國(guó)電子技術(shù)研究所（KIET）從美國(guó)購(gòu)買3英寸晶圓生產(chǎn)線，次年投產(chǎn)。1980年，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的聯(lián)華電子建立4英寸晶圓廠。1980年代初，韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)在美國(guó)技術(shù)、資金的轉(zhuǎn)移和支持下，獲得了動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的技術(shù)突破，韓國(guó)達(dá)到了16K水平，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)則直接從64K起步。 封鎖的突破 美國(guó)等西方國(guó)家對(duì)我國(guó)微電子事業(yè)的全方位封鎖，目的是卡住我國(guó)電子工業(yè)的脖子，是我國(guó)邁向超大規(guī)模集成電路研究和生產(chǎn)的最大障礙。而要想達(dá)到超大規(guī)模集成電路水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電子技術(shù)的現(xiàn)代化并帶動(dòng)相關(guān)行業(yè)的高速發(fā)展，就必須要突破這一封鎖。為此，我國(guó)的微電子學(xué)專家、工程師和工人們通力合作和緊密協(xié)作。例如，王守武在意識(shí)到要提高產(chǎn)品成品率就要有穩(wěn)定的設(shè)備保證這一關(guān)鍵問題后，就帶領(lǐng)半導(dǎo)體所的同仁開始攻克設(shè)備關(guān)，并于后來(lái)開發(fā)了我國(guó)第一臺(tái)分子束外延設(shè)備、雙穩(wěn)激光器等核心設(shè)備[5]。中國(guó)的科學(xué)家下定決心要打破封鎖，跨越微米級(jí)難關(guān)，其中微米級(jí)超大規(guī)模集成電路關(guān)鍵性技術(shù)的突破主要是在新成立的清華大學(xué)微電子所進(jìn)行的。 3.1 清華大學(xué)微電子所的成立 清華大學(xué)在半導(dǎo)體微電子領(lǐng)域有著雄厚的基礎(chǔ)。早在1956年，北京大學(xué)半導(dǎo)體物理專業(yè)開辦伊始，清華大學(xué)就從電真空專業(yè)三年級(jí)學(xué)生中抽調(diào)曹培棟等八人前往北大學(xué)習(xí)。與此同時(shí)，清華也開始了半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室的籌建，并聘請(qǐng)王守武兼任清華半導(dǎo)體教研組主任，開始了教學(xué)與科研活動(dòng)。1958年3月，獲得了蘇聯(lián)列寧格勒大學(xué)（現(xiàn)圣彼得堡大學(xué)）物理——數(shù)學(xué)科學(xué)副博士學(xué)位的李志堅(jiān)正式加入清華大學(xué)半導(dǎo)體教研組，被任命為半導(dǎo)體教研組副主任，大大增強(qiáng)了半導(dǎo)體教研組的科研力量。隨后李志堅(jiān)先后領(lǐng)導(dǎo)了多晶硅提純、平面硅晶體管研制等工作，并且培養(yǎng)出了吳德馨、徐葭生、鄭厚植、錢佩信等半導(dǎo)體專業(yè)的人才。1969年11月30日，林彪“一號(hào)命令”下達(dá)，清華大學(xué)半導(dǎo)體教研組的絕大部分師生隨無(wú)線電系遷到綿陽(yáng)，被編為電子廠四連，李志堅(jiān)擔(dān)任連長(zhǎng)。由于條件限制，電子廠四連在建設(shè)校舍、置辦實(shí)驗(yàn)室之后，主要展開了微波半導(dǎo)體器件和集成電路方面的研究，在方向上主攻雙極電路和晶體管，并與成都九七零廠、北京半導(dǎo)體器件二廠、北京電子管廠等進(jìn)行了有效的協(xié)作，進(jìn)行新器件和電路的研制。 在半導(dǎo)體教研組遷往綿陽(yáng)之后，清華大學(xué)自動(dòng)控制系（即現(xiàn)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系）擔(dān)負(fù)起了MOS集成電路開發(fā)的重任，在北京清華大學(xué)校內(nèi)改建成立了集成電路生產(chǎn)車間，并且請(qǐng)半導(dǎo)體教研組的徐葭生和李瑞偉留在北京主持MOS生產(chǎn)線的開發(fā)。在當(dāng)時(shí)，MOS集成電路技術(shù)還存在不少困難，大家對(duì)它的發(fā)展前途仍有很多疑慮。1970年，徐葭生帶領(lǐng)十幾個(gè)中青年教師投入了開拓我國(guó)MOS集成電路的研究開發(fā)與應(yīng)用推廣的事業(yè)。1974年清華大學(xué)北京集成電路車間開發(fā)的系列PMOS（Positive Channel Metal Oxide Semiconductor，指N型襯底、P溝道，靠空穴的流動(dòng)運(yùn)送電流的MOS管）集成電路產(chǎn)品在全國(guó)推廣應(yīng)用[7]。 1978年5月，中央決定撤銷清華大學(xué)綿陽(yáng)分校，10月開始搬遷回京。此時(shí)的李志堅(jiān)心里十分明白微電子領(lǐng)域的中國(guó)和世界之間存在的差距。即使在“文革”中，他也一直不忘跟蹤國(guó)外最先進(jìn)的微電子科技，并一直在考慮如何能把之前的研究延續(xù)下去。“文革”期間他就曾四處尋找國(guó)外文獻(xiàn)，翻譯、整理了關(guān)于國(guó)外微波功率晶體管發(fā)展概況、設(shè)計(jì)、工藝、可靠性等方面的綜述文章《微波功率晶體管的進(jìn)展》，這篇文章發(fā)表在《國(guó)外電子技術(shù)》1976年第1期。半導(dǎo)體教研組回到清華后，半導(dǎo)體專業(yè)的歸屬是一個(gè)新的問題，是回到無(wú)線電系，還是成立一個(gè)新的組織機(jī)構(gòu)呢？ 1978年12月18日至22日中共十一屆三中全會(huì)確立了以發(fā)展經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心的戰(zhàn)略思想和改革開放的方針。1980年3月，第四機(jī)械工業(yè)部頒發(fā)了“關(guān)于擴(kuò)大研究所自主權(quán)的試行辦法”，指出：電子工業(yè)系統(tǒng)的開發(fā)研究機(jī)構(gòu)將是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)結(jié)合的組織，它可以利用其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，把技術(shù)和研制的產(chǎn)品作為商品與其他單位進(jìn)行交換，發(fā)生經(jīng)濟(jì)聯(lián)系。因此，用經(jīng)濟(jì)辦法管理研究所是改革研究所管理的重要環(huán)節(jié)；擴(kuò)大研究所的自主權(quán)是科研體制改革的重要內(nèi)容。1981年中央又宣布了科學(xué)技術(shù)面向經(jīng)濟(jì)和經(jīng)濟(jì)依靠科學(xué)技術(shù)的新方針。會(huì)議要求電子工業(yè)認(rèn)真貫徹調(diào)整、改革、整頓、提高的方針，在國(guó)家統(tǒng)一部署安排下，對(duì)三線的科研單位進(jìn)行有計(jì)劃、有步驟的調(diào)整、撤并、搬遷，以改善科研條件。之后又采取了一系列改革措施，不斷解決科研面向生產(chǎn)、面向經(jīng)濟(jì)的問題。 通過綜合分析國(guó)內(nèi)外的環(huán)境、自身的條件和與尖端的差距，李志堅(jiān)提出了建立一條自己的試驗(yàn)線，展開超大規(guī)模集成電路研究的想法。李志堅(jiān)之所以提出這樣宏大的目標(biāo)：其一是考慮到，清華大學(xué)綿陽(yáng)分校的半導(dǎo)體專業(yè)和北京集成電路車間的合并大大加強(qiáng)了清華半導(dǎo)體方向的研究和生產(chǎn)能力；其二是目前的優(yōu)勢(shì)在于CMOS的研究，并且形成了包括半導(dǎo)體工藝、器件物理、電路設(shè)計(jì)和CAD技術(shù)等幾個(gè)子方向的全面和先進(jìn)的微電子技術(shù)發(fā)展格局；其三是李志堅(jiān)在文革期間對(duì)國(guó)外電子技術(shù)的追蹤使他更明晰國(guó)外的尖端在哪個(gè)方向，我們的差距是什么。李志堅(jiān)的這一想法得到了時(shí)任清華大學(xué)校長(zhǎng)高景德的肯定和支持。 1980年8月，清華大學(xué)校長(zhǎng)工作會(huì)議議決：成立跨系跨學(xué)科的研究所——微電子學(xué)研究所，建制直屬學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)，南德恒任所長(zhǎng)，李志堅(jiān)為副所長(zhǎng)，主抓科研。微電子所最重要的工作是：建立實(shí)驗(yàn)基地，引進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備，開展新的單片集成電路研究與設(shè)計(jì)、器件物理及其性能研究、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及測(cè)試工作、新工藝方面的研究①。微電子所成立時(shí)全所人員總數(shù)為135人，教師74人，只有李志堅(jiān)一名教授，技術(shù)員3人，職員2人，工人58人。高景德校長(zhǎng)提出，清華大學(xué)要做中國(guó)乃至世界第一的微電子。在國(guó)家科委、教委經(jīng)費(fèi)沒有立即到位的情況下，高校長(zhǎng)拿出清華大學(xué)的經(jīng)費(fèi)，其中包括清華教師的工資錢，作為微電子所的前期科研經(jīng)費(fèi)。 據(jù)李志堅(jiān)回憶：“為了迅速追上國(guó)際先進(jìn)水平，在十一屆三中全會(huì)后，國(guó)家開始實(shí)施第六個(gè)五年計(jì)劃時(shí)就強(qiáng)調(diào)高技術(shù)的科學(xué)研究。我們（當(dāng)時(shí)的專業(yè)領(lǐng)導(dǎo)有南德恒、楊之廉、顧祖毅、賈松良、王天爵和我等）就乘此東風(fēng)籌建新的超凈實(shí)驗(yàn)室，并且在設(shè)備、原料方面都開始有了新的突破，這一切為微電子所日后的工作創(chuàng)造了物質(zhì)基礎(chǔ)。” 在設(shè)備方面，為了滿足大規(guī)模集成電路研制的需要，有些關(guān)鍵設(shè)備是與有關(guān)設(shè)備生產(chǎn)單位協(xié)作開發(fā)的。例如掩模制造用的高精度分步重復(fù)精縮機(jī)就是由清華大學(xué)電子系與精密儀器系共同設(shè)計(jì)制造，由半導(dǎo)體車間試用并提出改進(jìn)意見，經(jīng)過多次改型才最后定型生產(chǎn)的。這個(gè)分步重復(fù)精縮機(jī)成為了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)集成電路生產(chǎn)廠普遍采用的設(shè)備。 在半導(dǎo)體生產(chǎn)原料方面，半導(dǎo)體車間與北京化學(xué)試劑廠協(xié)作生產(chǎn)出了電子純和純度更高的MOS純產(chǎn)品。又例如與北京化工三廠協(xié)作生產(chǎn)出能滿足大規(guī)模集成電路生產(chǎn)要求的光刻膠等。這些產(chǎn)品都成為了當(dāng)時(shí)集成電路產(chǎn)業(yè)普遍采用的基礎(chǔ)原材料。實(shí)際上，當(dāng)時(shí)很多半導(dǎo)體生產(chǎn)所用原材料廠都以通過清華大學(xué)半導(dǎo)體車間試用作為他們開發(fā)產(chǎn)品的重要參考。 為了滿足大規(guī)模集成電路電路研制的需要，半導(dǎo)體車間的同志自己設(shè)計(jì)、自己采購(gòu)材料聯(lián)系施工，對(duì)原來(lái)的800 m2實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了凈化改造，建成了凈化級(jí)別達(dá)到1000級(jí)（每升空氣含1μm以上灰塵1000個(gè)以下）和10000級(jí)的超凈車間350平方米。當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)是少有的可以滿足集成電路生產(chǎn)要求的超凈車間。它不僅為當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體車間的集成電路研制提供了合格的凈化環(huán)境，也為后來(lái)微電子所的研究開發(fā)準(zhǔn)備了基礎(chǔ)條件。這一凈化房還為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)提供了很多可供參考的經(jīng)驗(yàn)，成為許多集成電路廠廠房改造與建設(shè)的標(biāo)桿[8]。 3.2 “3微米”臺(tái)階的跨越 在建立起了超凈車間后，微電子所進(jìn)一步的目標(biāo)就是要突破國(guó)外封鎖，開發(fā)我們自己的超大規(guī)模集成電路技術(shù)。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體研制所能達(dá)到的最小精度是5微米水平，國(guó)際上已經(jīng)達(dá)到了1微米以下精度。巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)規(guī)定5微米以下的超大規(guī)模集成電路的設(shè)備、技術(shù)和產(chǎn)品都是要嚴(yán)格對(duì)中國(guó)禁運(yùn)的，目的是卡住中國(guó)微電子工業(yè)發(fā)展的脖子。為了突破這一封鎖，李志堅(jiān)決定分兩步走：先突破3微米水平；再自主建起來(lái)一條生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)1微米的突破。 清華大學(xué)微電子所剛成立時(shí)，能夠達(dá)到的工藝水平是8微米，他們就從8微米起步一步一步向3微米臺(tái)階邁進(jìn)。李志堅(jiān)認(rèn)為有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。第一，設(shè)計(jì)是最主要的，首先要設(shè)計(jì)出來(lái)，才能完成后面的工作。第二是工藝，設(shè)計(jì)出來(lái)的圖紙要經(jīng)過流水線生產(chǎn)出來(lái)。這其中包括一系列的具體工藝流程，如：微細(xì)圖形加工、高密度集成電路的設(shè)計(jì)方法、微小器件的結(jié)構(gòu)和器件物理、材料的性能和薄膜生長(zhǎng)技術(shù)、高密度集成器件的可靠性物理、集成電路的測(cè)試圖案設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)以及質(zhì)量控制等。微電子所的最終目標(biāo)就是要完成整套開發(fā)工藝，最終能夠自己設(shè)計(jì)、自己生產(chǎn)。第三就是測(cè)試，生產(chǎn)出來(lái)的樣品，要有合理的測(cè)試方法，保證達(dá)到指標(biāo)。這樣一個(gè)過程注定是復(fù)雜的，也必將是一個(gè)持久戰(zhàn)，需要層層突破，連續(xù)作戰(zhàn)，奮力沖刺。 從8微米出發(fā)，李志堅(jiān)團(tuán)隊(duì)首先邁向的是6微米技術(shù)臺(tái)階，有微電子所的基礎(chǔ)以及國(guó)內(nèi)的同仁協(xié)助，這個(gè)小目標(biāo)完成得還算順利。1981年他們研制成功了1K靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器QM233，其工藝為6微米，該器件不僅性能符合微處理機(jī)等的實(shí)用要求，可以與國(guó)外同類產(chǎn)品Intel2102互換，且功耗遠(yuǎn)低于Intel2102。此外，該產(chǎn)品在工藝研究上也提供了轉(zhuǎn)入小批量生產(chǎn)的條件，被推廣給北京878廠、771所、上海元件五廠等單位量產(chǎn)，并且獲得了1982年北京市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。在此基礎(chǔ)上，李志堅(jiān)開始向4微米臺(tái)階邁進(jìn)。該團(tuán)隊(duì)于1984年研制成功了1K×4靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器CM2114，這是一種廣泛應(yīng)用于各種小型微處理機(jī)上的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)整機(jī)非常需要的一種大規(guī)模集成電路產(chǎn)品。CM2114采用5微米設(shè)計(jì)規(guī)則，含有26000多個(gè)元件，最終達(dá)到了4微米技術(shù)水平。檢測(cè)結(jié)果表明，該器件符合國(guó)內(nèi)外系列品種標(biāo)準(zhǔn)，能與國(guó)外同類產(chǎn)品互換，并且具有低功耗的優(yōu)勢(shì)，被推廣給上海元件五廠量產(chǎn)，并且獲得了電子工業(yè)部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。此外，CM2114存儲(chǔ)器的研制成功也帶動(dòng)了微處理器的研制進(jìn)展。李志堅(jiān)團(tuán)隊(duì)研制成功了Cm8085A單片N溝道MOS高速8位微處理器，該器件采用了當(dāng)時(shí)比較先進(jìn)的準(zhǔn)等平面、4微米N溝道硅柵自校準(zhǔn)、全離子注入法等微電子生產(chǎn)工藝，其電參量達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品水平，性能良好，可以和Intel8085A互換使用，對(duì)我國(guó)8位微處理機(jī)的大規(guī)模集成電路國(guó)產(chǎn)化做出了貢獻(xiàn)。 經(jīng)過前面幾年的預(yù)研，李志堅(jiān)所帶領(lǐng)的清華大學(xué)微電子所在微細(xì)加工、電路設(shè)計(jì)、器件物理和測(cè)試技術(shù)等方面都取得了較大的突破。接下來(lái)，他們要突破的是3微米技術(shù)水平的臺(tái)階。突破3微米，就意味著達(dá)到或接近超大規(guī)模集成電路的目標(biāo)了。3微米工藝的典型成品是16K動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。而基于國(guó)內(nèi)的實(shí)際需要，李志堅(jiān)團(tuán)隊(duì)決定對(duì)標(biāo)美國(guó)德州儀器公司1981年研制成功的16K容量靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器TMS4016。16K動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的元件數(shù)大約是32000個(gè)，而靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的元件數(shù)是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的4到6倍，將突破十萬(wàn)元件的界線，從而達(dá)到超大規(guī)模集成電路的水平。李志堅(jiān)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)標(biāo)TMS4016，開展“解剖專題”，他們首先將TMS4016的內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究透徹，做到了解對(duì)手特點(diǎn)的基礎(chǔ)上超越對(duì)手。在電路研制方面，他們通過對(duì)半導(dǎo)體的短溝、窄溝效應(yīng)、柵氧化生長(zhǎng)質(zhì)量、墊多晶淺結(jié)工藝、圖形完整性等工藝技術(shù)問題的研究，摸索出一套比較合理的3微米雙層多晶工藝規(guī)程。  在研制過程中總會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，在一次實(shí)驗(yàn)過程中，產(chǎn)品的一個(gè)位置總是出現(xiàn)問題，造成各項(xiàng)指標(biāo)均不達(dá)標(biāo)。當(dāng)時(shí)大家都表示自己的環(huán)節(jié)是沒有問題的，甚至出現(xiàn)爭(zhēng)執(zhí)，但是誰(shuí)也不知道問題出在什么地方。因?yàn)槲㈦娮友邪l(fā)是一項(xiàng)集體攻關(guān)的系統(tǒng)工程，李志堅(jiān)就在第一時(shí)間把大家召集起來(lái)，他一方面要求各個(gè)環(huán)節(jié)都要仔細(xì)檢查，同時(shí)決定多進(jìn)行幾次測(cè)試。經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題很有規(guī)律性，總是在一個(gè)位置出現(xiàn)。他首先假設(shè)是設(shè)計(jì)有了問題，因?yàn)橹挥惺窃O(shè)計(jì)錯(cuò)了，才容易出現(xiàn)有規(guī)律的錯(cuò)誤；如果是生產(chǎn)中的問題，所產(chǎn)生的誤差一般是隨機(jī)的。李志堅(jiān)和設(shè)計(jì)組的同事一起檢查設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，但檢查結(jié)果顯示設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)沒有問題。按照流程，設(shè)計(jì)之后應(yīng)該是工藝。設(shè)計(jì)組設(shè)計(jì)出圖之后，工藝線要按照?qǐng)D紙做成電路板。工藝組的生產(chǎn)過程有點(diǎn)像洗照片，先按照設(shè)計(jì)組的電路圖來(lái)制作硅片，然后在硅片上涂上特殊的感光膠。這時(shí)，硅片就相當(dāng)于相紙，上面的膠就相當(dāng)于相紙上面的感光材料。整個(gè)生產(chǎn)過程就如同照片的曝光過程，有孔有線的地方不曝光，然后再腐蝕，這樣孔和線就保留下來(lái)了。不過和照片曝光不同，一般微電子研發(fā)的電路板都要有十幾層乃至二十幾層，一會(huì)兒刻線，一會(huì)兒刻孔，最后還要一層疊在另一層上面，和在一起。在設(shè)計(jì)組沒有發(fā)現(xiàn)問題之后，李志堅(jiān)又和設(shè)計(jì)組一起下到生產(chǎn)線，和工藝組一起檢查工藝的問題。檢查發(fā)現(xiàn)，工藝線生產(chǎn)過程中，電路底板上面有一個(gè)灰塵，所以后面每次曝光、腐蝕都會(huì)在這個(gè)地方出問題，表現(xiàn)出的就是一個(gè)規(guī)律性的問題。檢查出問題后，這塊電路板很快就生產(chǎn)出來(lái)了。 李志堅(jiān)和團(tuán)隊(duì)研制成功的3微米典型產(chǎn)品是CM4016（2K×8 NMOS SRAM），這是一款16K靜態(tài)MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器。CM4016是國(guó)內(nèi)首次研制成功的一種超大規(guī)模集成電路，它在28平方毫米的芯片上集成了十萬(wàn)八千個(gè)元件，采用了國(guó)際上比較典型的3微米工藝技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，并且做成了2K×8位結(jié)構(gòu)，使其可以廣泛地用于微處理機(jī)和各種自動(dòng)控制設(shè)備。經(jīng)過清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系的試用表明，CM4016完全可以取代進(jìn)口的HM6116和TMS4016等產(chǎn)品，完全符合國(guó)際產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了國(guó)際80年代初、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的水平。與美國(guó)的同類產(chǎn)品TMS4016相比較，兩個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，CM4016的地址取數(shù)時(shí)間小于150納秒，工作功耗小于200毫瓦（美國(guó)的產(chǎn)品地址取數(shù)時(shí)間小于250納秒，工作功耗小于300毫瓦），顯然CM4016的主要指標(biāo)要好于美國(guó)的同類產(chǎn)品。與CM4016配套，李志堅(jiān)團(tuán)隊(duì)對(duì)標(biāo)Intel8086微處理器，通過進(jìn)行全面的技術(shù)剖析，結(jié)合具體的條件，同時(shí)研制成功了Cm8086高速H-MOS 16位微處理器，并且與中國(guó)科學(xué)院微電子中心合作，開發(fā)出了一套完整的測(cè)試軟件，從而解決了研制16位微處理器的難題。經(jīng)過鑒定，該Cm8086高速H-MOS 16位微處理器的性能達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品水平，并且能與它們互換使用，對(duì)我國(guó)16位微型機(jī)CPU的國(guó)產(chǎn)化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。北京878廠、742廠等12家單位承接了CM4016和Cm8086的研究成果，開始了批量生產(chǎn)。1987年6月，“大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路研制及3微米工藝開發(fā)” 獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（李志堅(jiān)排名第一）。 3微米技術(shù)的突破，標(biāo)志著我國(guó)集成電路的研究跨進(jìn)了超大規(guī)模集成電路的新時(shí)代，其中主體技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)外80年代初的水平，部分技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際同期水平。這些工作打破了以美國(guó)為首的西方國(guó)家對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體微電子技術(shù)的禁運(yùn)，使我國(guó)半導(dǎo)體和集成電路的研制水平上到了新的臺(tái)階，加強(qiáng)了我國(guó)與外商談判的地位。 1989年的巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)禁運(yùn)手冊(cè)上，對(duì)我國(guó)集成電路相關(guān)內(nèi)容的禁運(yùn)開始有了新的調(diào)整（見圖2），在設(shè)備方面：3微米及以上的設(shè)備對(duì)我國(guó)解禁，但2微米以下的設(shè)備仍然是嚴(yán)格禁運(yùn)的；在產(chǎn)品方面：動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的容量開放到256K，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的容量開放到64K，相當(dāng)于2微米水平。  3.3 跨越“1微米” 3微米大規(guī)模集成電路工藝開發(fā)研制成功后，巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)將對(duì)中國(guó)的半導(dǎo)體技術(shù)禁運(yùn)做了更改，3微米以上的技術(shù)就不再對(duì)中國(guó)禁運(yùn)了，但是3微米以下、尤其是2微米以下的技術(shù)對(duì)中國(guó)仍然是嚴(yán)格禁運(yùn)的。 在此期間，國(guó)家對(duì)集成電路的研究、生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分關(guān)注，陸續(xù)出臺(tái)了一系列重要的政策和決定，對(duì)于我國(guó)微電子事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和壯大起到了關(guān)鍵的助推作用。 1982年10月，國(guó)務(wù)院為了加強(qiáng)全國(guó)計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的領(lǐng)導(dǎo)，成立了以萬(wàn)里副總理為組長(zhǎng)的“電子計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路領(lǐng)導(dǎo)小組”，提出要對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造。 1983年7月，國(guó)務(wù)院發(fā)出關(guān)于抓緊研制重大裝備的決定（國(guó)發(fā)[1983]110號(hào)），其中包括制造大規(guī)模集成電路的成套裝備。 1986年，電子部廈門集成電路發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)，提出“七五”期間我國(guó)集成電路技術(shù)“531”發(fā)展戰(zhàn)略，即普及推廣5微米技術(shù)，開發(fā)3微米技術(shù)，進(jìn)行1微米技術(shù)科技攻關(guān)。 在這樣的背景下，李志堅(jiān)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻關(guān)1微米，開發(fā)超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線的夢(mèng)想終于得到了國(guó)家的正式立項(xiàng)支持。1986年1月，該方案得到了“七五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)立項(xiàng)（75-66），專題號(hào)66-2-1 ，項(xiàng)目名稱為“1~1.5微米成套工藝開發(fā)及相應(yīng)水平大規(guī)模集成電路的研制”，起止年限：1986~1990年。此外，該項(xiàng)目還得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的配套支持。  從3微米到1微米，面對(duì)的是很多的新的問題和難關(guān)：首先是缺少相關(guān)設(shè)備，因?yàn)殚_發(fā)1微米工藝不僅僅是要做出產(chǎn)品，而是要做出一整條生產(chǎn)線，這其中的很多關(guān)鍵設(shè)備我們都沒有；其次，1微米的典型產(chǎn)品是1M位存儲(chǔ)器，其元件數(shù)將突破100萬(wàn)，遠(yuǎn)超3微米時(shí)16K隨機(jī)存儲(chǔ)器十萬(wàn)元件的水平；此外，開展1微米超大規(guī)模集成電路的研制和生產(chǎn)必須要有100級(jí)的超凈車間，而先有車間的凈度是1000級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能到達(dá)要求。總之，要開展的新工作，在電路水平上屬于超大規(guī)模集成電路；在工藝水平屬于1微米級(jí)工藝；從生產(chǎn)線來(lái)說就叫作百級(jí)超凈線。實(shí)際上三者指的是同一個(gè)過程，要突破超大規(guī)模集成電路攻關(guān)，就要建一個(gè)百級(jí)超凈線，采購(gòu)相應(yīng)的設(shè)備，開展1微米的工藝，突破1M位的存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)。 作為總負(fù)責(zé)人，李志堅(jiān)決定把原有的工作規(guī)模擴(kuò)大起來(lái)，他將整個(gè)清華大學(xué)微電子所的力量都投入到這項(xiàng)工作中去，一方面從大局出發(fā)，協(xié)調(diào)好各個(gè)環(huán)節(jié)之間的工作；另一方面又要和各個(gè)方向上的技術(shù)人員和工人溝通交流。 ·END·
站長(zhǎng)網(wǎng)微信號(hào)：w17tui，關(guān)注站長(zhǎng)、創(chuàng)業(yè)、關(guān)注互聯(lián)網(wǎng)人 - 互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)者營(yíng)銷服務(wù)中心
免責(zé)聲明：本站部分文章和圖片均來(lái)自用戶投稿和網(wǎng)絡(luò)收集，旨在傳播知識(shí)，文章和圖片版權(quán)歸原作者及原出處所有，僅供學(xué)習(xí)與參考，請(qǐng)勿用于商業(yè)用途，如果損害了您的權(quán)利，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修正或刪除。謝謝！
始終以前瞻性的眼光聚焦站長(zhǎng)、創(chuàng)業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，為您提供最新最全的互聯(lián)網(wǎng)資訊，幫助站長(zhǎng)轉(zhuǎn)型升級(jí)，為互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)者提供更加優(yōu)質(zhì)的創(chuàng)業(yè)信息和品牌營(yíng)銷服務(wù)，與站長(zhǎng)一起進(jìn)步！讓互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)者不再孤獨(dú)！ 掃一掃，關(guān)注站長(zhǎng)網(wǎng)微信
|
