中年|化学系“技术宅”李宗杰，10余年聚焦光刻技术研发
作为目前地球上最顶尖的设备之一 ， 光刻机技术前段时间因美国制裁华为备受瞩目 。
“传统的机械研磨将晶片厚度磨到28微米就是极限 ， 5G时代我们必须探索研发出自己的光刻技术 ， 用化学方式将晶体腐蚀使其变得更薄 。 ”李宗杰是广东惠伦晶体科技股份有限公司（下称“惠伦公司”）研发中心的副总经理 ， 10多年来他只专注于光刻技术研发 。
一年多的时间里 ， 李宗杰为惠伦公司研发出5项与光刻石英晶体相关的技术成果及专利 ， 目前他正带领团队重点研发量产5G通信行业相关的高频晶片 。
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在课题研究中找到前所未有的幸福感
化学是李宗杰研发光刻技术的武器 ， 但在高中时代他的化学成绩并不出众 。
“以前我的高中老师对全班说:你们哪一科考最烂 ， 最后大学就会念哪科 。 结果 ， 我的‘报应’真的来了 。 ”李宗杰当初只是听从父母意愿才在大学时期选择化学专业 ， 自己也没料到会因此与化学的结缘 ， 并成为化学系“技术宅” 。
“当时父母希望我找离家最近的一所大学就读 ， 符合我分数的对应专业中 ， 化学是最好的 ， 所以我就尊重父母的意愿选择就读化学专业 。 ”李宗杰说 ， 这样一次无意的选择 ， 却让他的人生出现转折 。
【中年|化学系“技术宅”李宗杰，10余年聚焦光刻技术研发】当时李宗杰对未来规划并没有太多的概念 ， 回忆起校园时光 ， 他的印象中每天主要的做的事情就是调试剂、做实验 ， 起初的课程内容对他来说更多充斥着枯燥与乏味 ， 更多时候只是机械性的学习 ， 并没有太多的热情 。
“后来我才发现化学其实非常有趣 ， 像是工业上的内容很多都跟化学环环相扣 。 不管是传统产业还是科技业 ， 学术和实践相结合后生成的结果 ， 都将更好的改变人们的生活 。 ”深入接触化学之后 ， 李宗杰发现化学对于人们的生活 ， 能产生巨大的影响 。
认识改变 ， 随之态度也发生了变化 。 “当时的我开始因为钻研某个化学相关课题 ， 不知不觉陷入时间黑洞里 。 ”为了深入了解一项化学技术 ， 李宗杰连续多天沉迷于网上与实验室 ， 从白天到晚上 ， 除了在网上搜索海外前沿论文进行探究 ， 就是在实验室里进行试验测试 ， 即使没有了以往娱乐放松的时间 ， 他也能在课题研究的过程中找到前所未有的幸福感和成就感 。
在研究所期间 ， 李宗杰参与了红外光传感器项目 。 通过在普通的塑胶管、水管表面涂上他所研发的化学试剂 ， 根据不同化学分子在红外光下反映出的固定图谱 ， 侦测鉴别出管道液体中具体含有的污染物是什么 。 一次又一次的实践项目 ， 让李宗杰渐渐对化学专业越发着迷 ， 也决定开始对化学专业的深造 ， 从本科读到了博士 。
毕业后李宗杰进入一家频率控制元件制造商工作 ， 主要进行插件式、表面黏著式石英晶体系列产品的研发、设计 。 凭着大学时期出色的化学项目经验积累 ， 公司很快让李宗杰在熟悉企业的产品的设计与研发专业技能后 ， 进入技术研发部 ， 通过化学方式为石英晶体元器件做改良开发创新 ， 在这一领域的深耕 ， 李宗杰一做就是10年 。
“遇到化学相关的技术难点 ， 我都会了解世界上技术领先的日本、美国等国家是否有相关的案例 ， 他们技术的优缺点是什么 ， 我一定要找出新的突破点 。 ”李宗杰坦言 ， 他的个人兴趣就是对化学进行持之以恒的钻研 ， 他认为一旦开始做一件事情 ， 就要做到极致 。 公司主管曾经问他的职业规划是什么？他直言对行政管理没兴趣 ， 只对技术开发有兴趣 ， “情愿每天都呆在办公室读资料 ， 在实验室里盯烧杯” 。 因此 ， 他被同事们开玩笑称为“技术宅” 。
用化学方法突破光刻技术壁垒
石英晶体元器件主要应用在5G通讯、VR、工业自动化、智慧穿戴设备、汽车电子、消费类电子、智能家电等工业领域 。 随着科技的发展 ， 人类对工业产品外观、功能、舒适度等方面有了更高的追求 ， 催生出一代代更高基频、更小尺寸的石英晶体元件 。 大多数的通讯产品之所以能准确无误地进行工作 ， 正是仰仗电路中石英晶片电路组件通过其压电效应所提供的准确频率讯号 。 石英元器件相当于一个计算频率的校准表 ， 能够作为固定信号源的基准 。
石英晶体元器件传统是用通过机械进行加工、研磨和切割 。 早在上世纪90年代 ， 日本就已有领先的光刻技术来切割出更轻薄的石英元器件 ， 但此技术一直在日本国内紧锁 ， 当时中国的石英晶片产量和质量相对落后 ， 但其间一直紧随国外步伐在这一领域加紧探索和发展 。
为了通过研发光刻技术针对石英晶体元器件进行改良创新 ， 李宗杰曾工作过的一家企业专门设立了微机电中心 。 “2011年左右 ， 当时在3G、4G的飞速发展下 ， 市场对更薄尺寸更小的晶片有大量需求 ， 但传统的机械研磨 ， 将晶片厚度磨到28微米就是极限 ， 我们必须探索研发出自己的光刻技术 ， 用化学方式将晶体腐蚀使其变得更薄 。 ”
然而想要成功研发出合适的试剂 ， 过程却困难重重 。 “虽然调配试剂做实验 ， 大概3到4天就能看到结果 ， 但要调配处正确且比例合适的试剂 ， 却需要千百次的尝试 。 ” 据李宗杰介绍 ， 石英晶体表面是抛光的 ， 但腐蚀表面是粗糙的 ， 粗糙会影响成品的电器特性 。
研发过程中的困难点在于如何找到合适的配方 ， 使腐蚀面变平滑 。 “化学品有表面张力 ， 晶片表面一般腐蚀 ， 会沾在表面作反应 。 由于小分子之间有间隙 ， 腐蚀后会凹凸不平 。 ”李宗杰说 ， 需要调配出能够让腐蚀液摊平的试剂 ， 让表面张力降低 ， 但由于腐蚀越久对晶体表面越不好 ， 因此需要通过温度上升让腐蚀时间变短 。 在随后的几年间 ， 他一直在尝试调配出能够承受高温的化学溶剂 ， 以免在腐蚀过程中溶剂因受热而挥发掉 。
研发期间 ， 李宗杰除了每天不断搭配试剂进行测试 ， 还找了许多海外行业资深顾问老师进行请教 ， 但始终没能做出成功的试验试剂 。
“最后我还是利用化学理论 ， 通过一个一个试剂测试 ， 才成功研制出最后的配方 。 ”经过两年多的反复试验 ， 李宗杰终于成功研发出让腐蚀面变平滑的化学试剂 ， 突破光刻技术壁垒 。
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提高5G石英晶片量产良率
“就wifi而言 ， 你可以想象 ， 现在传递的信息一定会越来越大 ， 文字、图片、视频 。 以信号传输的数据量如今越来越庞大 ， 需要通过继续成功量产出更薄的石英晶片来匹配未来趋势 。 ”李宗杰表示 ， 在取得原始的光刻制成技术专利后 ， 下一个难点就在于针对更轻薄小尺寸的石英元器件 ， 进行成功的量产及提高良率 ， 这也是他在成功研发原始光刻技术之后 ， 聚焦研究的技术部分 。
2019年初 ， 5G市场发展趋势向好 ， 李宗杰计划辞职后凭借经验积累与朋友们合伙创业 ， 利用光刻技术研发量产5G类石英晶片 。 偶然间 ， 李宗杰通过相关人搭桥与惠伦公司取得联系 。
经过十几年的积累和发展 ， 惠伦公司建立了先进的技术研发体系和高效的生产体系 ， 具备了较强的产品自主研发和技术创新能力 ， 拥有30余项发明专利、实用新型专利 ， 在晶片设计加工环节更是拥有核心竞争力 。
考虑到惠伦公司不仅对5G类晶片生产有明确的计划 ， 而且还有丰富的技术资源 ， 李宗杰决定加入惠伦公司 ， 在更大的舞台上继续提升和发挥好自己的价值 。
“中国十分重视5G技术发展 ， 市场的前景广大 。 ”不过李宗杰坦言 ， 目前国内在石英晶片光刻制程中 ， 曝光显影工艺、设备与腐蚀配方等关键技术仍无法突破国外技术的封锁 ， 因此造成国内仅能通过外购石英频率组件来发展5G通讯相关产品 。
对于李宗杰来说 ， 把石英晶片做薄匹配5G相关产品已不再是难点 ， 重点是研究如何在量产过程中提高良率 。
在过去 ， 因为工业产品体积大 ， 晶片尺寸也较大 ， 因此晶片可靠机械研磨加工后 ， 进行电极镀膜 。 随着石英晶体小型化 ， 在镀膜制程环节开始产生问题:在大晶片尺寸下的镀膜偏差 ， 影响较小 ， 对温度曲线变化不大；随着小型化尺寸崛起 ， 小晶片镀电极时的偏移公差会造成温度曲线集中度大幅下降 ， 导致良率不佳 。
“日本和台湾在光刻技术加工方面都有自己的技术专利 ， 它们各有特点 ， 而我们团队在公司成功研发并进行申请的新专利 ， 正是结合了日本和台湾的技术优势 。 ”李宗杰说 ， 为了用光刻技术进行石英晶片量产 ， 日本主要运用的是腐蚀镂空的方式 ， 先把电极做成光刻等级的精准度 ， 再把晶片腐蚀镂空 ， 一颗颗剥离下来；而台湾则主要通过激光切割的方式将晶片一颗颗切下来 ， 之后再一颗颗摆放到镀膜治具进行镀膜 ， 但这一方式面对如今对越发细小的晶片尺寸 ， 镀膜时的位置误差会被放大 。
“日本运用腐蚀镂空的光刻技术 ， 可以让产品制作变得精准 ， 但比激光切割的方式产出量少5-6成；而台湾的激光切割技术虽然能拥有更大产出量 ， 量产良率却会降低 。 ”为了进一步提高量产良率 ， 李宗杰带领团队进行技术探索和提升 ， 成功发明了产量高、良率高的“石英光刻化晶圆及切割技术” ， 并申请了专利 。
过去 ， 业界 ， 想要获得石英晶片准确的自身特性参数 ， 惯有思维上一直按照一颗一颗的方式进行测量 。 针对这一问题 ， 李宗杰带领着整个团队进行探讨 ， 以寻求新的突破点 。 “半导体晶片上 ， 一片就有几百万颗 ， 是通过多颗测量的方式 ， 我们在讨论中把这个概念移植融合进进石英晶片的测量中 ， 成功研发出更高效多颗同时量测的全新方式 ， 将石英晶体的测量效率提升至过去的8倍 。 ”在进行5G相关石英晶片的生产流程设计过程中 ， 李宗杰不放过每一个可能找到突破的环节 ， 试图优化产品的研发、生产效率 。
目前 ， 惠伦公司正在进行“基于半导体工艺的高基频小尺寸石英晶片产业化”项目产业创新及应用推广 。 李宗杰带领团队不断攻克技术难点 ， 在成功开发出5G相关产品适用的1.6*1.2mm尺寸石英晶片基础上 ， 正在对更小尺寸的1.2*1.0mm的石英晶片的进行开发研究 。
【撰文】张莎 韦基礼
【作者】 韦基礼 张莎
【来源】 南方报业传媒集团南方+客户端
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