用化學方法突破光刻技術壁壘

“傳統的機械研磨將晶片厚度磨到28微米就是極限，在5G時代，我們必須探索研發出自己的光刻技術，用化學方式將晶體腐蝕使其變得更薄。”李宗傑是廣東惠倫晶體科技股份有限公司（下稱“惠倫公司”）研發中心副總經理，10多年來專注於光刻技術研發。

一年多的時間裏，李宗傑為惠倫公司研發出多項與光刻石英晶體相關的技術，其中4項正在申請國家專利，目前正帶領團隊重點研發量產5G通信行業相關的高頻晶片。

●撰文：張莎 韋基禮

在課題研究中找到幸福感

化學是李宗傑研發光刻技術的武器，但在高中時代他的化學成績並不出眾。

“高中時代的老師對我們説：你們哪一科成績最爛，最後大學就會念哪科。結果，我的‘報應’真的來了。”李宗傑當初是聽從父母意見在大學選擇化學專業，沒料到因此與化學結緣，併成為化學系的“技術宅”。

“父母希望我在離家最近的一所大學就讀，符合分數的專業中化學是最好的，所以就尊重他們的意願就讀化學專業。”李宗傑説，這次無意的選擇讓他的人生出現轉折。

當時李宗傑對未來規劃沒有太多概念，回憶起大學校園生活，印象中每天主要做的事情就是調試劑、做實驗。起初課程內容對他來説枯燥、乏味，更多時候只是機械性地學習，沒有太多的熱情。

“後來我發現化學其實非常有趣，工業上的內容很多跟化學環環相扣。不管是傳統產業還是科技行業，學術和實踐相結合生成的結果將更好地改變人們的生活。”深入接觸後，李宗傑發現化學對於人們的生活能產生巨大影響。

認識改變後，態度隨之發生了變化。“我因為鑽研某個化學課題，不知不覺陷入時間黑洞裏。”為了深入瞭解一項化學技術，李宗傑連續多天沉浸在網上與實驗室，從白天到晚上，不是在網上搜索海外前沿論文進行探究，就是在實驗室進行試驗測試，即使沒有了娛樂放鬆的時間，也能在課題研究的過程中找到前所未有的幸福感和成就感。

在研究所期間，李宗傑參與了紅外光傳感器項目。通過在普通的塑膠管、水管表面塗上他研發的化學試劑，根據不同化學分子在紅外光下反映出的固定圖譜，鑑別出管道液體中含有的污染物是什麼。一次又一次的實踐項目讓李宗傑對化學越發着迷，從本科讀到了博士。

畢業後，李宗傑進入一家頻率控制元件製造商工作，主要進行石英晶體系列產品的研發、設計。憑着大學時期出色的化學項目經驗積累，公司很快讓李宗傑在熟悉企業的產品設計後進入技術研發部，通過化學方式為石英晶體元器件做改良開發創新，在這一領域深耕，李宗傑一做就是10年。

“遇到技術難點，我會了解日本、美國等是否有相關案例，他們的技術優缺點是什麼，我要找出新的突破點。”李宗傑坦言，他的興趣就是對化學進行持之以恆的鑽研，做一件事情要做到極致。公司主管曾經問他的職業規劃，他直言對行政管理沒興趣，只對技術開發有興趣，“情願每天待在辦公室讀資料，在實驗室裏盯燒杯”。他被同事開玩笑地稱為“技術宅”。

研發合適試劑需要千百次嘗試

石英晶體元器件主要應用在5G通信、VR、工業自動化、智慧穿戴設備、汽車電子、消費類電子、智能家電等工業領域。隨着科技的發展，人們對工業產品外觀、功能、舒適度等方面有了更高的追求，催生出一代代更高基頻、更小尺寸的石英晶體元件。大多數通信產品之所以能準確無誤地進行工作，正是仰仗電路中石英晶片電路組件的壓電效應提供準確的頻率訊號。石英元器件相當於計算頻率校準表，能夠作為固定信號源的基準。

石英晶體元器件傳統上是通過機械進行加工、研磨和切割。上世紀90年代，日本已用光刻技術切割出更輕薄的石英元器件，中國的石英晶片產量和質量落後，但一直緊隨國外步伐加緊探索和發展。

為了研發光刻技術針對石英晶體元器件進行改良創新，李宗傑曾工作過的一家企業專門設立微機電中心。“2011年左右，當時3G、4G飛速發展，市場對更薄尺寸、更小體積的晶片有大量需求，傳統的機械研磨將晶片厚度磨到28微米就是極限，我們必須探索研發出自己的光刻技術，用化學方式將晶體腐蝕使其變得更薄。”

要成功研發出合適的試劑困難重重。“調配試劑做實驗，大概3到4天就能看到結果，但要調配出正確且比例合適的試劑，卻需要千百次的嘗試。”李宗傑介紹，石英晶體表面是拋光的，腐蝕表面卻是粗糙的，粗糙會影響成品的電器特性。

研發過程中的難點在於找到合適的配方，使腐蝕面變平滑。“化學品有表面張力，晶片表面腐蝕後，會沾在表面作反應。由於小分子之間有間隙，腐蝕後會凹凸不平。”李宗傑説，需要調配出能夠讓腐蝕液攤平的試劑，讓表面張力降低，但由於腐蝕越久對晶體表面越不好，因此需要通過温度上升讓腐蝕時間變短。隨後幾年，他一直嘗試調配出能夠承受高温的化學溶劑，以免在腐蝕過程中溶劑因受熱而揮發掉。

研發期間，李宗傑除了每天不斷搭配試劑進行測試，還找了許多海外資深專家請教，但始終沒能做出成功的試驗試劑。“最後是利用化學理論，通過一個一個試劑測試，成功研製出配方。”經過兩年多的反覆試驗，李宗傑成功研發出讓腐蝕面變平滑的化學試劑，突破光刻技術壁壘。

提高5G石英晶片量產優良率

“就WiFi而言，信號傳輸的數據量越來越龐大，需要生產出更薄的石英晶片來匹配這種趨勢。”李宗傑表示，在取得原始的光刻製成技術專利後，下一個難點在於針對更輕薄小尺寸的石英元器件，進行成功量產及提高優良率。

2019年初，5G市場發展趨勢向好，李宗傑計劃辭職後與朋友合夥創業，利用光刻技術研發量產5G類石英晶片。偶然間，李宗傑通過相關人搭橋與惠倫公司取得了聯繫。

經過十幾年的積累和發展，惠倫公司建立了先進的技術研發體系和高效的生產體系，具備較強的產品自主研發和技術創新能力，擁有30餘項發明專利、實用新型專利，在晶片設計加工環節更是擁有核心競爭力。

考慮到惠倫公司不僅對5G類晶片生產有明確的計劃，而且有豐富的技術資源，李宗傑決定加入惠倫公司，在更大的舞台上實現自己的價值。

“中國十分重視5G技術發展，市場前景廣大。”李宗傑表示，目前國內石英晶片光刻過程中，曝光顯影工藝、設備與腐蝕配方等關鍵技術仍無法突破國外技術的封鎖，國內僅能通過外購石英頻率組件發展5G通信相關產品。

對於李宗傑來説，把石英晶片做薄匹配5G產品已不是難點，重點是研究如何在量產過程中提高優良率。

過去因為工業產品體積大，晶片尺寸較大，晶片靠機械研磨加工後進行電極鍍膜。隨着石英晶體小型化，在鍍膜製作環節產生問題：在大晶片尺寸下的鍍膜偏差影響較小，對温度曲線變化不大；尺寸小型化後，小晶片鍍電極時的偏移公差會造成温度曲線集中度大幅下降，導致良率不佳。

“日本和中國台灣在光刻技術加工方面都有技術專利，我們的團隊成功研發並申請的新專利結合了日本和中國台灣的技術優勢。”李宗傑説，為了用光刻技術進行石英晶片量產，日本主要運用腐蝕鏤空方式，先把電極做成光刻等級的精準度，再把晶片腐蝕鏤空，一顆顆剝離下來；台灣則通過激光切割的方式將晶片一顆顆切下來，之後再一顆顆擺放到鍍膜治具進行鍍膜。

“日本運用腐蝕鏤空的光刻技術，可以讓產品製作變得精準，但比激光切割的方式產出量少五至六成；台灣的激光切割技術雖然擁有更大產出量，量產優良率卻會降低。”為了進一步提高量產優良率，李宗傑帶領團隊進行技術探索和提升，成功發明產量高、優良率高的石英光刻化晶圓及切割技術，並申請了專利。

過去，業界想要獲得石英晶片準確的自身特性參數，一直按照一顆一顆的方式進行測量。針對這一問題，李宗傑帶領團隊進行探討，以尋求新的突破。“半導體晶片上一片就有幾百萬顆，是通過多顆測量的方式，我們把這個概念移植融合進石英晶片測量，成功研發出更高效、多顆同時測量的方式，將石英晶體的測量效率提升至過去的8倍。”在進行5G相關石英晶片的生產流程設計過程中，李宗傑不放過每一個可能突破的環節，優化產品的研發、生產效率。

目前，惠倫公司正進行“基於半導體工藝的高基頻小尺寸石英晶片產業化”項目產業創新及應用推廣。李宗傑帶領團隊不斷攻克技術難點，在成功開發出5G相關產品適用的1.6×1.2mm尺寸石英晶片基礎上，正在對更小尺寸的1.2×1.0mm的石英晶片進行開發研究。