第418章 初代光刻機突破
汽車行業眼瞅著要起步了。接下來的事情也急不來，需要時間慢慢醱酵，加上整個產品的進一步打磨，任重對於這些細節就不再關心了。
任重將視角轉向了通訊的發展上面。
對於東大來說，電話老式的大型縱橫制自動電話交換機早已經突破，依靠自己生產的這種老式交換機目前在國內建立起來了第一張城市網，只不過由於這個縱橫制交換機天生的技術弱點和專利的限制，使得這種交換機註定沒法走出國門。
所以在任重的計劃中，並沒有怎麼發展這個技術，只是在為地級上建設好一個政府機構和工廠的簡要通話網後，就停止了這種老式的交換機研發。
按照任重給通訊研究中心的任務，主要是研發亮劍世界下一代程控交換機，重新走新的技術路線。
而這條技術路線也是主世界中經過了驗證的通訊技術發展方向。
雖然說現在發展程控交換機還有一些勉強，但是東大在任重的催生下面，其實IT基礎技術積累已經超過了主世界60年代的水平，藉助電晶體和集成電路方面的技術優勢，從現在的技術基礎上，完全具備了開發程控交換機的基礎能力。
對於接下來通訊技術的發展，任重也沒有跳過時代發展的計劃，他不懂這些方面的東西，所以完全照抄了主世界的通訊行業發展的步驟。
第一波就是重新在亮劍世界把貝爾No.1 ESS系統搞出來。
這可是主世界歷史上第一個商用的程控交換機系統。
對於這個系統的一些技術資料早就解密了，任重花了一些錢將詳細的電路圖和程序控制主要程序拿到手，然後把這些東西帶入到了亮劍世界。
雖然說亮劍世界現在通訊研究中心團隊的技術積累比起主世界貝爾實驗的工程師們要差些。
但是任重帶入亮劍世界的不僅僅是這個系統的設計，另外還把主世界通訊原理這樣一些基礎知識、原理概要說明等教科書也帶入亮劍世界，讓通訊研究中心搞研發的工程師們一個個都有自學成才的機會。
摸著主世界通訊行業發展的石頭走下去，這樣的路子自然不會走錯，不過考慮到整個行業發展的積累不僅僅是抄襲設計，更重要的是在原理等層面也有理論學習提升的機會，確保打造出來一支真正懂原理，知道核心技術點，同時也可以在接下來自動可以進行衍生產品研發的合格人才隊伍，所以現在需要做的事情是一點不少。
從原理開始學習，然後認真學習和轉化任重提供的設計資料，把技術資料中內置的原理和技術點全部吃透！
正因為有了這麼多的事情需要解決，所以在進展方面，相對來說比較緩慢一些，通訊研究中心其實在上一個五年計劃中就解決了縱橫制交換機的設計和生產工藝，對於電話交換機的基礎知識已經積累了不少。
這樣他們轉向程控交換機的研發後，吸取了不少從縱橫制交換機設計和生產中獲得的各種基礎電子元器件知識，現在要把這些功能變成集成電路來替代，對於已經突破了不少集成電路的設計和生產難題的電子研究中心來說，接下來這樣的研發新需求自然問題不算太大。
現在逐漸專業化分工的電子研究中心、通訊研究中心、計算機研究中心這三大相關性很強的研究機構，他們之間有著自己獨立的研究課題，同時也在不斷進行融合，共同在推進著未來IT行業最核心的研究。
有任重開掛支持，電晶體技術的發展方面東大就先走了一步，打造出來亮劍世界的第一台電晶體計算機，並且在電晶體的發展道路上越走越快，使得電晶體技術的發展起碼領先亮劍世界五年以上。
但是這才剛剛是東大IT技術領先的第一步。
接下來集成電路方面，東大也是率先突破完成集成電路設計和生產工藝，進一步把IT產業的領先優勢擴大，早亮劍世界眾多競爭對手繼續提前幾年就實現了集成電路的量產和大規模的應用。
並且為眾多的專有功能集成電路申請了不少的專利。
早期集成電路的功能比較單一，生產工藝也相對簡單，通常就是利用研磨、拋光、氧化、擴散、光刻、外延生長、蒸發等一整套平面工藝技術，在一小塊矽單晶片上同時製造電晶體、二極體、電阻和電容等元件，並且採用一定的隔離技術使各元件在電性能上互相隔離。然後在矽片表面蒸發鋁層並用光刻技術刻蝕成互連圖形，使元件按需要互連成完整電路，製成半導體單片集成電路。
東大用了將近5年的時間走完了這個工藝的發展歷程，到了55年的時候，開始搞NMOS和PMOS對稱互補器件組成的CMOS電路，發展出來主世界都耳熟能詳的CMOS技術工藝。
但技術發展到了這個階段，任重就為亮劍世界引入了更加先進的下一代集成電路的生產技術，引入了具備里程碑意義的8080晶片！
到了8080階段，這些新的集成電路已經同任重熟悉的電腦晶片非常接近了。
為了減少整個技術疊代的時間，任重同樣在主世界找到相關專業技術人員，將8080全套的生產工藝和設備進行了梳理。
把生產8080晶片涉及多個關鍵步驟和設備，包括晶圓製造、掩膜製作、半導體製造、封裝和測試等的資料搞得明明白白，進貨到亮劍世界進行二次實現，包括把這些設備重新研製出來。
這可不是一件簡單的事情，哪怕是在前面已經研究了大批量集成電路生產設備的基礎上，需要為8080生產研究的設備還是非常的艱難。
首當其衝的就是高純度晶圓製造。
這個過程包括拉晶、晶圓切片、晶圓研磨、侵蝕、矽片拋光、清洗以及晶片外延加工，涉及高純度的材料和嚴格的溫度控制，以確保晶圓的質量和純度。
而掩膜製作就是通過光刻技術，利用紫外光對感光材料進行曝光，然後通過化學腐蝕或沉積的方式在晶片表面形成所需的電路圖案，這一步驟是確保晶片設計的準確性和可靠性的關鍵，在晶片製造過程中，這一關就是最核心的所謂光刻環節。
這個製造過程中間涉及沉積、腐蝕、清洗等多個工藝步驟技術難度都不小，特別是離子注入，這個步驟是改變矽片的導電性質，形成電晶體等電子元件的關鍵步驟，這一過程需要精確控制各種化學物質的濃度和溫度，以確保晶片的性能和穩定性。
涉及的工藝設計和實現是晶片製造過程中最難的步驟，沒有之一。
而早期的生產設備沒有那麼完善，所以主世界60年代的晶片生產，更多是要靠人工手搓！
當初的手搓晶片並不是開玩笑，那些初代晶片工程師們，首先在方格紙上，用彩色鉛筆繪製好集成電路版圖，再用精細的刀片，在光掩模母版（Rubylith Mask)上，徒手把電晶體和電路連接，一點點刻出來，最後把模板圖形，用相機縮小50-100倍，才能獲得一張用來做光刻的光掩模，而和這種手工掩膜相匹配的原始光刻機，就是接觸式光刻機，所以第一代光刻機只是一個人工手搓晶片的輔助工具。
更多的是靠工程師的技術水平。
這種接觸式光刻機只會簡單粗暴地把光掩膜蓋在矽片上，掩膜與光刻膠塗層直接接觸，再打光照射，完成曝光，然而這種光照方式的失敗率和成本都很高，因為膠體本身及其黏附的浮塵微粒，不僅影響光刻效果，還會對光掩膜造成污染和破環，並且傷害效果會隨著光刻次數累積，這不僅使每次光刻的良率低下，往往刻10枚晶片，只有1枚能用，同時也嚴重損耗光掩膜的壽命，導致一張掩膜，最多只能用個十幾次，這樣一來，製造晶片的成本非常高。
早期晶片低質高價就是這樣出現的。
不過這種方式在最初是解決了有無的問題，有了這樣的技術，才能把功能更加強大的晶片製作出來。
要解決這個問題理論上也不難，直觀來說，把光掩膜抬起來一點，不讓它與光刻膠接觸就行。
早期工程師們也是這麼想的。於是他們在接觸式光刻機的基礎上，加了一個水平和垂直方向上可移動的平台，以及一個用來測量光掩膜和矽片間距與套刻（Overlay)的顯微鏡，讓光刻時兩者儘量靠近，但又不直接接觸，這就是漸進式光刻機。它避免了光刻膠玷污光掩膜，但卻帶來一個新的問題：那就是由於光的衍射效應，光刻機的精度下降了。
宏觀上我們認為，光是沿直線傳播的，但微觀上並不是這樣，光具有波動性，在通過小孔窄縫或遇到細微障礙物時，會產生衍射，或者叫繞射，偏離原本的直線傳播，照到不應該照到的地方，光源波長，相比窄縫越大，衍射現象越嚴重，這就像你舉著刀，想在矽片上劈一條100納米寬的口子，結果發現刀刃就有400納米寬，只能用來劈瓜。
在漸進式光刻中，光刻精度除了受限于波長之外，還取決於光掩膜到矽片之間的距離，間距越大，矽片上的投影與掩膜上圖形的誤差就越大。把光掩膜舉起來，光刻精度就不夠；把光掩膜放下去，光刻成本又太高，這個徘徊於接觸和漸進式光刻機的時期，就是半導體史上的遮蔽式光刻年代。而這兩種古早的光刻機，統稱為Mask Aligner，它們所使用的1：1光掩膜，就是一個遮光板，光刻機只用把光影照在矽片上，構造簡單，不需要任何複雜的光學系統。
接觸式光刻機
這種接觸式光刻機，雖然說也可以用來生產出晶片，早期的SRAM存儲晶片，以及古早時期第一枚商用CPU，都是用這種設備來生產的，但在當時卻沒有什麼人能買得起，原因就在於接觸式光刻的生產良率太低，對光掩膜的損耗太大，導致晶片價格過於昂貴，只能用於科研和軍工這種不計成本的場景。
顯然，如果光刻技術只是這樣，那晶片的普及就是一句空話，所以IT行業的科學家們沒有停止腳步。
他們希望能做出一種精度高，又不用把光掩膜壓在光刻膠上的光刻機。
這就是現代光刻技術真正的起點，到了這一步，光刻機正式從接觸漸進式，踏入了投影式時代，實現了現代光刻機初號機的構造。
新的改變並不複雜，主世界新一代光刻機Micralign採用反射型的投影方式，利用兩片同軸的球面反射鏡，把光掩膜上的圖形，經過三次反射，投射在矽片上，這種對稱的光路設計，可以消除球面鏡產生的大部分像差，讓光刻圖形達到理想的解析度，
這樣，通過最新型號投影式光刻機Micralign的誕生，讓晶片生產的良率從接觸式光刻的約10%，一夜之間翻了7倍，飆到了70%，這一次光刻技術的飛躍，導致了晶片價格的暴跌，主世界歷史上曾經摩托羅拉有一款叫6800微處理器，採用接觸式光刻機來生產，每顆晶片的單價295美金；
而第二年8名工程師從摩托羅拉跑路到了MOS科技，他們拿著6800的設計電路圖簡單改吧改吧，直接用剛剛誕生的投影式光刻機做出的一款同6800高度相似的MOS6502。生產出來同架構的晶片不但性能更強，而且價格一下子降低了很多，只賣白菜價25美金！
一下子把價格打下來了90%以上，價格堪稱打骨折！
技術的進步威力可見一斑。
這個過程，任重拿出來讓電子技術研究中心的研發工程師從頭到尾都走一遍，同主世界不同的是，這一切都是有路徑可行，所以極大縮減了整個工藝流程成熟的時間，將第一代光刻機更快拿出來。
至於封裝和測試，這是晶片製造的最後一步，算是其中技術難度較低的一步，主要是要將晶片連接到外部引腳，並封裝在保護性的外殼中，以便與其他電子設備連接和安裝。
晶片測試由於比較複雜，所以單獨變成了一個獨立的階段，這個階段主要是對晶片進行功能、性能和可靠性等方面的全面檢測，確保其符合設計要求。
在早期是同晶片生產交織在一起，後期則變成了一個獨立的步驟，從而將晶片製造的專業性分工變得更細，效率更高。
但是在亮劍世界發展晶片初期階段自然不能分離出去，而是將封裝測試的工藝設備進行研究完善後，專門成立封裝車間和測試車間來做晶片製造的最後一個環節。
經過幾年的發展，這些步驟的工藝設計和設備終於配齊了。
而生產的第一款真正的CPU就是任重從主世界「拿來主義」的8080！(本章完)
任重將視角轉向了通訊的發展上面。
對於東大來說，電話老式的大型縱橫制自動電話交換機早已經突破，依靠自己生產的這種老式交換機目前在國內建立起來了第一張城市網，只不過由於這個縱橫制交換機天生的技術弱點和專利的限制，使得這種交換機註定沒法走出國門。
所以在任重的計劃中，並沒有怎麼發展這個技術，只是在為地級上建設好一個政府機構和工廠的簡要通話網後，就停止了這種老式的交換機研發。
按照任重給通訊研究中心的任務，主要是研發亮劍世界下一代程控交換機，重新走新的技術路線。
而這條技術路線也是主世界中經過了驗證的通訊技術發展方向。
雖然說現在發展程控交換機還有一些勉強，但是東大在任重的催生下面，其實IT基礎技術積累已經超過了主世界60年代的水平，藉助電晶體和集成電路方面的技術優勢，從現在的技術基礎上，完全具備了開發程控交換機的基礎能力。
對於接下來通訊技術的發展，任重也沒有跳過時代發展的計劃，他不懂這些方面的東西，所以完全照抄了主世界的通訊行業發展的步驟。
第一波就是重新在亮劍世界把貝爾No.1 ESS系統搞出來。
這可是主世界歷史上第一個商用的程控交換機系統。
對於這個系統的一些技術資料早就解密了，任重花了一些錢將詳細的電路圖和程序控制主要程序拿到手，然後把這些東西帶入到了亮劍世界。
雖然說亮劍世界現在通訊研究中心團隊的技術積累比起主世界貝爾實驗的工程師們要差些。
但是任重帶入亮劍世界的不僅僅是這個系統的設計，另外還把主世界通訊原理這樣一些基礎知識、原理概要說明等教科書也帶入亮劍世界，讓通訊研究中心搞研發的工程師們一個個都有自學成才的機會。
摸著主世界通訊行業發展的石頭走下去，這樣的路子自然不會走錯，不過考慮到整個行業發展的積累不僅僅是抄襲設計，更重要的是在原理等層面也有理論學習提升的機會，確保打造出來一支真正懂原理，知道核心技術點，同時也可以在接下來自動可以進行衍生產品研發的合格人才隊伍，所以現在需要做的事情是一點不少。
從原理開始學習，然後認真學習和轉化任重提供的設計資料，把技術資料中內置的原理和技術點全部吃透！
正因為有了這麼多的事情需要解決，所以在進展方面，相對來說比較緩慢一些，通訊研究中心其實在上一個五年計劃中就解決了縱橫制交換機的設計和生產工藝，對於電話交換機的基礎知識已經積累了不少。
這樣他們轉向程控交換機的研發後，吸取了不少從縱橫制交換機設計和生產中獲得的各種基礎電子元器件知識，現在要把這些功能變成集成電路來替代，對於已經突破了不少集成電路的設計和生產難題的電子研究中心來說，接下來這樣的研發新需求自然問題不算太大。
現在逐漸專業化分工的電子研究中心、通訊研究中心、計算機研究中心這三大相關性很強的研究機構，他們之間有著自己獨立的研究課題，同時也在不斷進行融合，共同在推進著未來IT行業最核心的研究。
有任重開掛支持，電晶體技術的發展方面東大就先走了一步，打造出來亮劍世界的第一台電晶體計算機，並且在電晶體的發展道路上越走越快，使得電晶體技術的發展起碼領先亮劍世界五年以上。
但是這才剛剛是東大IT技術領先的第一步。
接下來集成電路方面，東大也是率先突破完成集成電路設計和生產工藝，進一步把IT產業的領先優勢擴大，早亮劍世界眾多競爭對手繼續提前幾年就實現了集成電路的量產和大規模的應用。
並且為眾多的專有功能集成電路申請了不少的專利。
早期集成電路的功能比較單一，生產工藝也相對簡單，通常就是利用研磨、拋光、氧化、擴散、光刻、外延生長、蒸發等一整套平面工藝技術，在一小塊矽單晶片上同時製造電晶體、二極體、電阻和電容等元件，並且採用一定的隔離技術使各元件在電性能上互相隔離。然後在矽片表面蒸發鋁層並用光刻技術刻蝕成互連圖形，使元件按需要互連成完整電路，製成半導體單片集成電路。
東大用了將近5年的時間走完了這個工藝的發展歷程，到了55年的時候，開始搞NMOS和PMOS對稱互補器件組成的CMOS電路，發展出來主世界都耳熟能詳的CMOS技術工藝。
但技術發展到了這個階段，任重就為亮劍世界引入了更加先進的下一代集成電路的生產技術，引入了具備里程碑意義的8080晶片！
到了8080階段，這些新的集成電路已經同任重熟悉的電腦晶片非常接近了。
為了減少整個技術疊代的時間，任重同樣在主世界找到相關專業技術人員，將8080全套的生產工藝和設備進行了梳理。
把生產8080晶片涉及多個關鍵步驟和設備，包括晶圓製造、掩膜製作、半導體製造、封裝和測試等的資料搞得明明白白，進貨到亮劍世界進行二次實現，包括把這些設備重新研製出來。
這可不是一件簡單的事情，哪怕是在前面已經研究了大批量集成電路生產設備的基礎上，需要為8080生產研究的設備還是非常的艱難。
首當其衝的就是高純度晶圓製造。
這個過程包括拉晶、晶圓切片、晶圓研磨、侵蝕、矽片拋光、清洗以及晶片外延加工，涉及高純度的材料和嚴格的溫度控制，以確保晶圓的質量和純度。
而掩膜製作就是通過光刻技術，利用紫外光對感光材料進行曝光，然後通過化學腐蝕或沉積的方式在晶片表面形成所需的電路圖案，這一步驟是確保晶片設計的準確性和可靠性的關鍵，在晶片製造過程中，這一關就是最核心的所謂光刻環節。
這個製造過程中間涉及沉積、腐蝕、清洗等多個工藝步驟技術難度都不小，特別是離子注入，這個步驟是改變矽片的導電性質，形成電晶體等電子元件的關鍵步驟，這一過程需要精確控制各種化學物質的濃度和溫度，以確保晶片的性能和穩定性。
涉及的工藝設計和實現是晶片製造過程中最難的步驟，沒有之一。
而早期的生產設備沒有那麼完善，所以主世界60年代的晶片生產，更多是要靠人工手搓！
當初的手搓晶片並不是開玩笑，那些初代晶片工程師們，首先在方格紙上，用彩色鉛筆繪製好集成電路版圖，再用精細的刀片，在光掩模母版（Rubylith Mask)上，徒手把電晶體和電路連接，一點點刻出來，最後把模板圖形，用相機縮小50-100倍，才能獲得一張用來做光刻的光掩模，而和這種手工掩膜相匹配的原始光刻機，就是接觸式光刻機，所以第一代光刻機只是一個人工手搓晶片的輔助工具。
更多的是靠工程師的技術水平。
這種接觸式光刻機只會簡單粗暴地把光掩膜蓋在矽片上，掩膜與光刻膠塗層直接接觸，再打光照射，完成曝光，然而這種光照方式的失敗率和成本都很高，因為膠體本身及其黏附的浮塵微粒，不僅影響光刻效果，還會對光掩膜造成污染和破環，並且傷害效果會隨著光刻次數累積，這不僅使每次光刻的良率低下，往往刻10枚晶片，只有1枚能用，同時也嚴重損耗光掩膜的壽命，導致一張掩膜，最多只能用個十幾次，這樣一來，製造晶片的成本非常高。
早期晶片低質高價就是這樣出現的。
不過這種方式在最初是解決了有無的問題，有了這樣的技術，才能把功能更加強大的晶片製作出來。
要解決這個問題理論上也不難，直觀來說，把光掩膜抬起來一點，不讓它與光刻膠接觸就行。
早期工程師們也是這麼想的。於是他們在接觸式光刻機的基礎上，加了一個水平和垂直方向上可移動的平台，以及一個用來測量光掩膜和矽片間距與套刻（Overlay)的顯微鏡，讓光刻時兩者儘量靠近，但又不直接接觸，這就是漸進式光刻機。它避免了光刻膠玷污光掩膜，但卻帶來一個新的問題：那就是由於光的衍射效應，光刻機的精度下降了。
宏觀上我們認為，光是沿直線傳播的，但微觀上並不是這樣，光具有波動性，在通過小孔窄縫或遇到細微障礙物時，會產生衍射，或者叫繞射，偏離原本的直線傳播，照到不應該照到的地方，光源波長，相比窄縫越大，衍射現象越嚴重，這就像你舉著刀，想在矽片上劈一條100納米寬的口子，結果發現刀刃就有400納米寬，只能用來劈瓜。
在漸進式光刻中，光刻精度除了受限于波長之外，還取決於光掩膜到矽片之間的距離，間距越大，矽片上的投影與掩膜上圖形的誤差就越大。把光掩膜舉起來，光刻精度就不夠；把光掩膜放下去，光刻成本又太高，這個徘徊於接觸和漸進式光刻機的時期，就是半導體史上的遮蔽式光刻年代。而這兩種古早的光刻機，統稱為Mask Aligner，它們所使用的1：1光掩膜，就是一個遮光板，光刻機只用把光影照在矽片上，構造簡單，不需要任何複雜的光學系統。
接觸式光刻機
這種接觸式光刻機，雖然說也可以用來生產出晶片，早期的SRAM存儲晶片，以及古早時期第一枚商用CPU，都是用這種設備來生產的，但在當時卻沒有什麼人能買得起，原因就在於接觸式光刻的生產良率太低，對光掩膜的損耗太大，導致晶片價格過於昂貴，只能用於科研和軍工這種不計成本的場景。
顯然，如果光刻技術只是這樣，那晶片的普及就是一句空話，所以IT行業的科學家們沒有停止腳步。
他們希望能做出一種精度高，又不用把光掩膜壓在光刻膠上的光刻機。
這就是現代光刻技術真正的起點，到了這一步，光刻機正式從接觸漸進式，踏入了投影式時代，實現了現代光刻機初號機的構造。
新的改變並不複雜，主世界新一代光刻機Micralign採用反射型的投影方式，利用兩片同軸的球面反射鏡，把光掩膜上的圖形，經過三次反射，投射在矽片上，這種對稱的光路設計，可以消除球面鏡產生的大部分像差，讓光刻圖形達到理想的解析度，
這樣，通過最新型號投影式光刻機Micralign的誕生，讓晶片生產的良率從接觸式光刻的約10%，一夜之間翻了7倍，飆到了70%，這一次光刻技術的飛躍，導致了晶片價格的暴跌，主世界歷史上曾經摩托羅拉有一款叫6800微處理器，採用接觸式光刻機來生產，每顆晶片的單價295美金；
而第二年8名工程師從摩托羅拉跑路到了MOS科技，他們拿著6800的設計電路圖簡單改吧改吧，直接用剛剛誕生的投影式光刻機做出的一款同6800高度相似的MOS6502。生產出來同架構的晶片不但性能更強，而且價格一下子降低了很多，只賣白菜價25美金！
一下子把價格打下來了90%以上，價格堪稱打骨折！
技術的進步威力可見一斑。
這個過程，任重拿出來讓電子技術研究中心的研發工程師從頭到尾都走一遍，同主世界不同的是，這一切都是有路徑可行，所以極大縮減了整個工藝流程成熟的時間，將第一代光刻機更快拿出來。
至於封裝和測試，這是晶片製造的最後一步，算是其中技術難度較低的一步，主要是要將晶片連接到外部引腳，並封裝在保護性的外殼中，以便與其他電子設備連接和安裝。
晶片測試由於比較複雜，所以單獨變成了一個獨立的階段，這個階段主要是對晶片進行功能、性能和可靠性等方面的全面檢測，確保其符合設計要求。
在早期是同晶片生產交織在一起，後期則變成了一個獨立的步驟，從而將晶片製造的專業性分工變得更細，效率更高。
但是在亮劍世界發展晶片初期階段自然不能分離出去，而是將封裝測試的工藝設備進行研究完善後，專門成立封裝車間和測試車間來做晶片製造的最後一個環節。
經過幾年的發展，這些步驟的工藝設計和設備終於配齊了。
而生產的第一款真正的CPU就是任重從主世界「拿來主義」的8080！(本章完)