秘密洩露的陰霾,籠罩在紅星所上空。
但“星河計劃”這臺龐大的機器,反而運轉得更加有力。
洩密事件敲碎了最後的幻想,所有人都明白,能依靠的,只有自己。
1963年12月初,一場關鍵會議在紅星所召開。
劉星海教授站在“6305廠總體規劃圖”前,手指重重地點在圖紙上。
“模擬線讓我們知道了甚麼不該做、最差要做到甚麼程度、哪些地方必須死守。現在,我們要進入下一階段,弄明白具體該怎麼做、能做到多好、會遇到哪些真正的難題。”
他轉過身,目光掃過在場所有人,丘巖、李懷德、陳光遠、宋顏,以及紅星所核心團隊、前來支援的專家組、梁先生及其團隊的核心成員。
劉星海教授介紹建設目標:“在紅星所的積體電路實驗車間,建成一條具備完整5微米工藝驗證能力的積體電路研發中試線。這不是模擬教學,這是真實晶片的預產房。”
“我們的核心目標是打通全流程、驗證工藝視窗、培養淬火團隊、暴露所有問題。產出可複製、可轉移的成套工藝檔案,以及搞清楚6305廠建設與執行需要規避的問題。”
劉星海教授加重語氣:“標準要向6305廠設計指標看齊,甚至在某些環節要更嚴苛。潔淨度目標,整體力爭Class光刻、鍵合等關鍵區域區域性必須達到Class 100。溫溼度控制、振動抑制、物料純度管理,全部比模擬線提升一個數量級。梁先生的團隊將全程參與設計與施工監督,把這裡當作6305廠核心車間的一次全尺寸、全要素的實戰演練。”
他看向牆上的日曆:“在1964年8月,中試線必須建成,必須出片,必須形成成套檔案。這是我們向國家立下的軍令狀,也是‘星河計劃’能否從圖紙走向實體的關鍵一躍。”
會議室裡鴉雀無聲,只有鋼筆劃過筆記本的沙沙聲。
時間緊迫,任務重大。
每個人都感受到巨大的壓力,但更多是興奮。
終於,要動真格的了。
劉星海教授定調後,宋顏開始介紹具體要求:“月產能目標,50到100片4英寸矽片,足夠了。它的核心價值不在量,而在‘質’和‘知’。”
他無奈地笑了笑:“至於裝置來源,依然是‘八國聯軍’。仿製的擴散爐,改造的真空泵,從舊倉庫淘來的老式座標臺,還有我們自制的‘掐絲琺琅’控制櫃和脈衝電機驅動模組。突出兩個特別:改造和適配。”
投影上顯示車間佈局草圖:“初步規劃,分六個功能區。”
宋顏教授一一介紹。
核心區是光刻與圖形轉移,半接觸式光刻機是心臟,由長光所提供最新改進型。
掩模版是當前最大短板,採用“過渡方案”,短期利用哈工大改造的高精度繪圖儀,在紅色橘皮薄膜上繪製放大100倍至1000倍的電路圖案,再用長光所的精縮相機,分步縮微至實際尺寸,製作鉻版或超硬薄膜版。
版基採用國產光學玻璃,平整度需經過嚴格篩選。
同時,上海感光廠嘗試利用其特種電影膠片作為低成本、一次性掩模版,用於非關鍵層或操作員培訓。
塗膠顯影採用半自動勻膠臺,真空吸附矽片,轉速可調。
顯影採用定時刻浸槽,定時精度需達到秒級。
在薄膜區,氧化/擴散採用國產三管臥式擴散爐,溫度控制依賴紅星所工業監測實驗室研發的“掐絲琺琅”數字監測與繼電器邏輯控制系統,目標控溫精度±3°C。
化學氣相沉積使用真空所提供的石英管反應室,外圍包裹自制電阻爐加熱。
裝置簡陋,但對氣流、溫度均勻性要求極高。
物理氣相沉積即真空鍍膜,用於金屬鋁電極的蒸發,蒸發源為簡單的鎢絲籃。
在摻雜區,離子注入機是“寶貝疙瘩”,由蘭州510所提供的原理樣機,極其珍貴,也極不穩定,大部分時間可能處於“除錯”或“維修”狀態。
因此,主流摻雜工藝仍依賴固態源擴散,使用硼微晶玻璃片、磷鈣玻璃片作為摻雜源,在擴散爐中進行。
關鍵監控手段是四探針測試儀,測量薄層電阻,反推摻雜濃度與均勻性。
刻蝕區以溼法刻蝕為主。
計劃設立一排耐酸鹼通風櫥,內建石英或聚四氟乙烯刻蝕槽,用恆溫水浴鍋控制刻蝕液溫度在±0.5°C範圍內。
同時,探索幹法刻蝕,利用一臺由無線電研究所協助改造的簡易等離子去膠機,嘗試用於關鍵尺寸圖形或新材料的研究。
在金屬化與互聯區,真空鍍膜機蒸鍍鋁電極後,使用一臺小型合金爐,在特定氣氛下進行鋁-矽接觸的合金化處理,降低接觸電阻。
引線鍵合是真正的“手藝活”。
自動鍵合機原理樣機尚未成功,只能依賴手工。
在雙筒立體顯微鏡下,操作員用特製的熱壓劈刀或金絲球焊筆,進行精密的熱壓鍵合或球焊。
這一環節,對操作員的手穩度、眼力、技巧和心理素質,是終極考驗。
最後是檢測與封裝區。
檢測主要依靠一臺帶有微分干涉相襯附件的進口光學顯微鏡,這是觀察圖形、檢查缺陷的“眼睛”。
電學測試方面,計劃用高精度千分尺改裝成X-Y移動平臺,自制一個簡易探針臺,手動操作鎢鋼探針測試晶片的電引數。
掃描電子顯微鏡原型機還在北京電子管廠攻關,因此,關鍵的微觀形貌觀察和失效分析暫時是空白,只能依賴光學推斷和電學反推。
封裝採用陶瓷雙列直插封裝,封裝外殼由紅星所工業陶瓷中心試製生產。
最後的封蓋工序,在一個小型充氮手套箱內進行,防止內部汙染。
“各位,”宋顏神情嚴肅,“我們有建設模擬線的經驗,但中試線的難度,是幾何級數的提升。它外表會是各種老舊裝置拼湊的雜牌軍,但核心必須是一所紀律嚴明、資料驅動的現代軍校。它的成功,不在於做出多少片完美晶片,而在於,用最低的成本、最短的時間,把未來工業化生產中能犯的、不能犯的錯誤,都儘可能地犯一遍,並且,把每一次錯誤的教訓,都變成鐵打的規則和活的人才。”
會議進入攻堅部署階段。
劉星海教授根據前期梳理和專家判斷,明確指出了建設中試線必須跨越的七道天塹,他稱之為“七隻擋路虎”。
“第一隻虎,潔淨環境系統。”劉星海教授看向梁先生團隊和負責環境控制的專家組,“我們不可能、也不應該追求整個車間達到Class 100。那不現實,也無必要。我們的策略是‘關鍵區域區域性保障 + 嚴格的氣流與汙染管控’的務實路徑。蘭大和成電的團隊牽頭,聯合攻關。”
蘭大的嶽伴教授站起身:“空氣過濾是首關,我們需要穩定可靠的亞高效甚至高效過濾器。已經聯絡了航天部門,他們能提供少量用於艙內空氣淨化的石棉纖維濾紙,但量遠遠不夠。”
湯渺教授介面道:“材料中心在嘗試另一條路,利用研究多孔陶瓷的技術,燒結制備陶瓷基板高效過濾器。優點是耐高溫、可反覆清洗再生,缺點是阻力大、脆性高。但如果成功,可以作為關鍵裝置自帶送風單元的終極過濾段,或者用於小型超淨工作臺。”
梁先生團隊的年輕工程師補充道:“過濾器的結構設計採用折皺式,用浸漬過酚醛樹脂的薄鋁箔做摺疊隔板,最大限度增大過濾面積,降低風阻。送風機組打算用淘汰的工業鼓風機改造,重點解決噪音和振動問題。”
“氣流組織是核心。”成電的鄭長楓也有方案,“必須要建立‘潔淨島’概念。在光刻機、塗膠臺、鍵合顯微鏡上方,設計垂直層流罩。頂部風機下接預過濾、高效過濾箱體,經過穿孔板均流,形成向下‘空氣瀑布’。罩體用不鏽鋼板焊接,關鍵在密封和防止自身產塵。氣流嚴格單向,送風口在上,迴風口在裝置側下方或底部,確保氣流將操作員散發微粒帶走,而不是吹向矽片。即使整體潔淨度不高,也要建立明確的‘壓力階梯’……”
“溫溼度控制,”錢蘭彙報,“加熱用蒸汽盤管,冷卻用冷卻塔水透過表冷器。控制核心是天津儀表廠試製的氣動比例積分調節閥,精度和可靠性待驗證。夏季除溼靠表冷器冷凝除溼,加溼準備試用工業超聲波加溼器,但要防止水霧攜帶雜質。關鍵裝置的基礎,我們計劃製作獨立的大質量混凝土慣性塊,與建築結構柔性隔離,所有連線的風管、水管全部改用帆布或橡膠軟連線。”
“第二隻虎,超純水。”劉星海教授看向上海醫工院的專家,“放棄一步到位的幻想,建立‘多級聯產、終端精製、線上監測、分級使用’的系統。由上海醫工院牽頭,聯合南開大學、上海試劑總廠攻關。”
上海醫工院的沈工程師語氣沉穩:“水源只能是自來水。我們先上活性炭過濾和聚丙烯熔噴濾芯過濾器,去除餘氯、有機物和大顆粒。初級淨化是化工常見裝置,石英砂過濾+無煙煤、石英砂、石榴石分層等多介質過濾+5微米保安過濾器。”
他調出幻燈片示意圖:“核心脫鹽分兩級。第一級,用電滲析。借鑑苦鹹水淡化技術,設計小型電滲析堆,作為預脫鹽主力,能去除80%-90%離子,大幅減輕後續離子交換負荷。第二級,離子交換。南開大學提供了最高階別的核子級離子交換樹脂。我們採用‘混床’設計,陰陽離子樹脂均勻混合,達到最好‘拋光’效果。交換柱設計成可拆卸、便於再生,樹脂床高細比要大,減少‘溝流’現象。”
“再生是命門。”他加重語氣,“再生用的酸、鹼和水,必須達到‘電子級’純度。上海試劑總廠負責提供。否則,再生過程就是一次嚴重的汙染過程。在每個高純水使用點前,我們再加一級小型‘拋光混床’,甚至直接使用‘核子級拋光樹脂柱’,確保最後一關的絕對純淨。”
沈工程師繼續道:“我們嘗試在迴圈管路中加裝低壓汞燈紫外線殺菌器。另外,化學所提供的醋酸纖維素中空纖維膜,我們打算做成小型元件,用於終端去除熱源和極細微顆粒。輸送管道,全部使用太鋼特種鋼廠生產的不鏽鋼管,內壁進行電拋光和鈍化處理。系統設計成閉路迴圈,24小時低流速執行,回水經過紫外殺菌和終端過濾後,再回到主系統。”
“至於水質監控,”他最後說,“核心是國產電阻率儀,目前精度勉強能達到15兆歐·厘米,低於18兆歐的理論純水值。我們計劃設立一個‘水質監測臺’,除了線上電阻率監測,還定期手動檢測矽含量、顆粒物計數和細菌總數。水質分級使用,最高階的水只用於最終矽片清洗和配製關鍵試劑。”
劉星海教授點點頭:“環境和水是基礎,但真正的硬仗,是讓這些實驗室的‘寶貝’裝置在一起穩定工作。我們至少要面對另外五隻同樣兇猛的‘老虎’。”
“第三隻虎,”他語氣凝重,“特種氣體與化學品的安全‘馴化’。砷烷、磷烷、矽烷……這些是晶片的‘血液’,也是劇毒、易燃、易爆的‘隱形殺手’。處理不當,就不是出不出晶片的問題,是出不出人命的問題。”
一位表情刻板、眼神如鷹的中年人站起身,他是核工業部派來的安全工藝專家安工:“氣瓶間必須獨立建造,實體牆隔離,防爆門,獨立強排風,洩爆面設計,地面防滲漏處理,氣體洩漏探測報警器必須雙備份,報警訊號直通控制室和廠區消防站。氣瓶必須用鏈子固定,使用防逆流閥、限流 orifice、自動切斷閥。輸送管道,我們建議採用雙套管設計,內管走特氣,外管走氮氣保護併兼作洩漏檢測腔。所有焊接必須採用特種焊接工藝,並由航天一院的流體工程師現場指導和檢驗。應急預案會細化到每一個動作,誰負責切斷氣源?誰負責啟動排風?誰負責疏散人員?誰負責佩戴正壓式空氣呼吸器進入處置?每個季度必須進行實戰演練……”
“第四隻虎,‘微振動’與‘熱變形’。”劉星海教授看向哈工大的包康建教授和機床研究所的專家,“光刻對準精度要求平臺振動在微米甚至亞微米級。但實驗車間位於廠區,重型卡車、隔壁天車、地下水泵,都是振動源。一臺擴散爐從室溫升到1200度,熱膨脹數毫米,如果連線管道是剛性的,應力就會摧毀光刻機的精度。”
包教授介紹:“透過理論計算和簡易模型測試,我們設計了一個多級隔振方案。首先,光刻、檢測等關鍵裝置區域的建築基礎與周圍車間基礎設定隔振溝,填充軟質材料。其次,關鍵裝置自身採用高效能隔振器,我們正在測試一種鋼絲繩隔振器與空氣彈簧結合的方案,兼顧低頻和高頻隔振。最後,對於擴散爐、真空泵等振源,在其基礎下加裝主動或被動隔振臺,儘量將振動‘鎖死’在源頭。”
機床研究所的程高工補充:“我們和紅星所合作,正在研製一種‘仿製精密機床基礎’的通用型隔振平臺。內部是鋼筋混凝土重型底座,外部包覆阻尼層,底座與地面透過特製隔振器連線。平臺上可以安裝光刻機、精密檢測裝置等。我們力爭讓它成為中試線關鍵工位的標準配置。對於熱變形,所有與熱裝置連線的管道,必須採用金屬波紋管或橡膠軟管進行‘熱補償’連線,並預留足夠的伸縮餘量。管線佈局要避免‘熱短路’,防止熱裝置的熱量透過金屬支架直接傳導給精密裝置。”
“第五隻虎,‘髒’電。”劉星海教授看向武水院陳副院長,以及特意請來的廣播局電源工程師老周,“電網電壓波動、瞬間跌落、高頻諧波,對精密控制電路和敏感儀器是致命的。尤其是光刻機的曝光燈電源、擴散爐的溫控器。”
廣播局的老周師傅,一位頭髮花白、手指粗糙的老工程師,說話帶著濃重的天津口音:“中試線的裝置,對電源要求很高,我們的法子,是主路和備用路自動切換,切換時間控制在毫秒級;線上式的磁飽和穩壓器,對付一般的電壓波動還行;關鍵部位再用電動發電機組,把市電變成完全隔離、波形純淨的‘再發電’。不過電動發電機組個頭大、效率低、有噪音。”
武水院的陳副院長接著道:“綜合老周師傅的經驗和中試線實際,我們計劃研製‘工業級精密電源櫃’。內部整合一級EMI濾波器濾除高頻干擾;一級寬範圍輸入的交流穩壓器;一組大容量飛輪儲能裝置,利用高速旋轉的飛輪慣性,在瞬間斷電時維持數十到數百毫秒的輸出;最後是隔離變壓器。目標是為每個關鍵裝置提供一個獨立的‘純淨電源島’……”
“第六隻虎,材料與介面的‘相互折磨’。”劉星海教授的目光投向冶金所和化學所的代表,“矽片與氧化層的應力導致開裂,鋁電極與矽的接觸電阻不穩定,光刻膠與不同襯底的黏附性差異,溼法刻蝕中的側向鑽蝕……這些介面問題,是工藝不穩定的根源,往往需要表面科學和材料物理的深層解釋。”
冶金所的楊研究員起身道:“按我們和化學所的交流,是在紅星所,聯合建立一個故障診斷中心,提供X射線光電子能譜、俄歇電子能譜、X射線衍射等分析裝置。當工藝出現異常,可以直接送到中心。利用表面分析手段,分析介面成分、化學態、晶體結構。還可以從化學反應動力學、表面吸附模型等角度進行理論計算和模擬。給出可能的作用機理和改進方向建議……”
“第七隻虎,”劉星海教授停頓了一下,目光緩緩掃過紅星所內部的各位負責人,“是從‘手感’、‘經驗’到‘資料’、‘規範’的知識煉獄。這是最根本、最艱難的文化轉型。這隻老虎,沒有外援可以依賴,必須由我們紅星所自己,在血與火的實踐中完成攻關。”
他看向宋顏、呂辰、謝凱、錢蘭、諸葛彪、吳國華等人等人:“模擬線我們開了個頭,但中試線要求更徹底。每一個工藝步驟,必須定義清晰的輸入輸出引數和合格範圍;每一次裝置操作,必須有關鍵步驟的確認清單和記錄;每一個異常或故障,必須有結構化的分析報告;甚至,老師傅說的‘火候’和‘感覺’,我們都必須想辦法將其量化,轉換成溫度曲線、光譜資料或影象特徵……”
會議持續了整整一天。
七隻“老虎”被逐一認領,牽頭單位、配合單位、核心負責人、關鍵技術路徑、資源需求、時間節點被反覆討論、明確、記錄。
散會時,已是星斗滿天。