中年|用化学方法突破光刻技术壁垒
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【中年|用化学方法突破光刻技术壁垒】李宗杰在进行化学演算 。 受访者供图
一年多的时间里 ， 李宗杰为惠伦公司研发出多项与光刻石英晶体相关的技术 ， 其中4项正在申请国家专利 ， 目前正带领团队重点研发量产5G通信行业相关的高频晶片 。
●撰文：张莎 韦基礼
在课题研究中找到幸福感
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 。
“高中时代的老师对我们说：你们哪一科成绩最烂 ， 最后大学就会念哪科 。 结果 ， 我的‘报应’真的来了 。 ”李宗杰当初是听从父母意见在大学选择化学专业 ， 没料到因此与化学结缘 ， 并成为化学系的“技术宅” 。
“父母希望我在离家最近的一所大学就读 ， 符合分数的专业中化学是最好的 ， 所以就尊重他们的意愿就读化学专业 。 ”李宗杰说 ， 这次无意的选择让他的人生出现转折 。
当时李宗杰对未来规划没有太多概念 ， 回忆起大学校园生活 ， 印象中每天主要做的事情就是调试剂、做实验 。 起初课程内容对他来说枯燥、乏味 ， 更多时候只是机械性地学习 ， 没有太多的热情 。
“后来我发现化学其实非常有趣 ， 工业上的内容很多跟化学环环相扣 。 不管是传统产业还是科技行业 ， 学术和实践相结合生成的结果将更好地改变人们的生活 。 ”深入接触后 ， 李宗杰发现化学对于人们的生活能产生巨大影响 。
认识改变后 ， 态度随之发生了变化 。 “我因为钻研某个化学课题 ， 不知不觉陷入时间黑洞里 。 ”为了深入了解一项化学技术 ， 李宗杰连续多天沉浸在网上与实验室 ， 从白天到晚上 ， 不是在网上搜索海外前沿论文进行探究 ， 就是在实验室进行试验测试 ， 即使没有了娱乐放松的时间 ， 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 ， 鉴别出管道液体中含有的污染物是什么 。 一次又一次的实践项目让李宗杰对化学越发着迷 ， 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设计后进入技术研发部 ， 通过化学方式为石英晶体元器件做改良开发创新 ， 在这一领域深耕 ， 李宗杰一做就是10年 。
“遇到技术难点 ， 我会了解日本、美国等是否有相关案例 ， 他们的技术优缺点是什么 ， 我要找出新的突破点 。 ”李宗杰坦言 ， 他的兴趣就是对化学进行持之以恒的钻研 ， 做一件事情要做到极致 。 公司主管曾经问他的职业规划 ， 他直言对行政管理没兴趣 ， 只对技术开发有兴趣 ， “情愿每天待在办公室读资料 ， 在实验室里盯烧杯” 。 他被同事开玩笑地称为“技术宅” 。
研发合适试剂需要千百次尝试
石英晶体元器件主要应用在5G通信、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 ， 人们对工业产品外观、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 。 大多数通信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的压电效应提供准确的频率讯号 。 石英元器件相当于计算频率校准表 ， 能够作为固定信号源的基准 。
石英晶体元器件传统上是通过机械进行加工、研磨和切割 。 上世纪90年代 ， 日本已用光刻技术切割出更轻薄的石英元器件 ， 中国的石英晶片产量和质量落后 ， 但一直紧随国外步伐加紧探索和发展 。
为了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微机电中心 。 “2011年左右 ， 当时3G、4G飞速发展 ， 市场对更薄尺寸、更小体积的晶片有大量需求 ， 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 。 ”
要成功研发出合适的试剂困难重重 。 “调配试剂做实验 ， 大概3到4天就能看到结果 ， 但要调配出正确且比例合适的试剂 ， 却需要千百次的尝试 。 ”李宗杰介绍 ， 石英晶体表面是抛光的 ， 腐蚀表面却是粗糙的 ， 粗糙会影响成品的电器特性 。
研发过程中的难点在于找到合适的配方 ， 使腐蚀面变平滑 。 “化学品有表面张力 ， 晶片表面腐蚀后 ， 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 。 随后几年 ， 他一直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 ， 还找了许多海外资深专家请教 ， 但始终没能做出成功的试验试剂 。 “最后是利用化学理论 ， 通过一个一个试剂测试 ， 成功研制出配方 。 ”经过两年多的反复试验 ， 李宗杰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 。
提高5G石英晶片量产优良率
“就WiFi而言 ， 信号传输的数据量越来越庞大 ， 需要生产出更薄的石英晶片来匹配这种趋势 。 ”李宗杰表示 ， 在取得原始的光刻制成技术专利后 ， 下一个难点在于针对更轻薄小尺寸的石英元器件 ， 进行成功量产及提高优良率 。
2019年初 ， 5G市场发展趋势向好 ， 李宗杰计划辞职后与朋友合伙创业 ， 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了联系 。
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 ， 在更大的舞台上实现自己的价值 。
“中国十分重视5G技术发展 ， 市场前景广大 。 ”李宗杰表示 ， 目前国内石英晶片光刻过程中 ， 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 ， 国内仅能通过外购石英频率组件发展5G通信相关产品 。
对于李宗杰来说 ， 把石英晶片做薄匹配5G产品已不是难点 ， 重点是研究如何在量产过程中提高优良率 。
过去因为工业产品体积大 ， 晶片尺寸较大 ， 晶片靠机械研磨加工后进行电极镀膜 。 随着石英晶体小型化 ， 在镀膜制作环节产生问题：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；尺寸小型化后 ， 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 。
“日本和中国台湾在光刻技术加工方面都有技术专利 ， 我们的团队成功研发并申请的新专利结合了日本和中国台湾的技术优势 。 ”李宗杰说 ， 为了用光刻技术进行石英晶片量产 ， 日本主要运用腐蚀镂空方式 ， 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；台湾则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 。
“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五至六成；台湾的激光切割技术虽然拥有更大产出量 ， 量产优良率却会降低 。 ”为了进一步提高量产优良率 ， 李宗杰带领团队进行技术探索和提升 ， 成功发明产量高、优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 ， 一直按照一颗一颗的方式进行测量 。 针对这一问题 ， 李宗杰带领团队进行探讨 ， 以寻求新的突破 。 “半导体晶片上一片就有几百万颗 ， 是通过多颗测量的方式 ， 我们把这个概念移植融合进石英晶片测量 ， 成功研发出更高效、多颗同时测量的方式 ， 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突破的环节 ， 优化产品的研发、生产效率 。
目前 ， 惠伦公司正进行“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的石英晶片进行开发研究 。
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