Heutzutage sind Chips in alle Bereiche der modernen Gesellschaft vorgedrungen – von Flugzeugen, Schiffen, Satelliten und Raketen bis hin zu Mobiltelefonen und Walkmans, die wir alle in Händen halten. Während Länder unter Führung der USA Huawei unter Druck setzen, ist „Lithografiemaschine“ zu einem häufig gesuchten Begriff im Internet geworden, und Artikel zu diesem Thema sind allgegenwärtig.

Tatsächlich hat China nicht nur erstklassige Fotolithografiemaschinen entwickelt, sondern diese trotz externer Blockaden und Embargos auch eigenständig entwickelt und hergestellt und besitzt die vollständigen Rechte am geistigen Eigentum. Viele wissen nicht einmal, dass die Entwicklung und Herstellung der chinesischen Lithografiemaschinen eng mit Xu Duanyi, einem Wissenschaftler aus Guizhou, verbunden ist.

1955 schloss Xu Duanyi die Mittelschule Nr. 1 in Guiyang ab und wurde mit hervorragenden Ergebnissen an der Tsinghua-Universität aufgenommen. Nach seinem Abschluss am Lehrstuhl für Präzisionsinstrumente der Tsinghua-Universität im Jahr 1961 blieb er dort als Dozent. Während der „Kulturrevolution“ wurden zahlreiche Dozenten und Mitarbeiter der Tsinghua-Universität auf Bauernhöfe in der Nähe des Poyang-Sees in der Provinz Jiangxi entsandt. Unter der Aufsicht des „Arbeits- und Propagandateams“ lernten sie von armen und mittelständischen Bauern den Reisanbau. Auch Xu Duanyi war unter ihnen. Im folgenden Jahr, als der frischgebackene Vater Xu Duanyi in seine Heimatstadt Guizhou zurückkehrte, um Verwandte zu besuchen, brachte er seinen zweijährigen Sohn mit auf einen Bauernhof in Jiangxi. Dort wollte er sich niederlassen und den Rest seines Lebens als Bauer verbringen. Spät in der Nacht erreichte Xu Duanyi ein Notruf aus Peking mit der Aufforderung, unverzüglich nach Peking zurückzukehren, da er eine wichtige Mission zu erfüllen habe. Nach seiner Rückkehr erfuhr Xu Duanyi, dass er ursprünglich für die Entwicklung von Schlüsselgeräten verantwortlich war, die dringend von der nationalen Halbleiter- und Verteidigungsindustrie benötigt wurden – einer automatischen Lithographiemaschine und einer Step-and-Repeat-Kamera.

Deshalb wurde Xu Duanyi, ein junger Assistenztrainer aus Guizhou, im entscheidenden Moment ernannt und übernahm die wichtige Aufgabe.

Die Tsinghua-Universität hat Xu Duanyi ein leistungsstarkes Forschungs- und Entwicklungsteam zur Seite gestellt. Nach Fertigstellung des Gebäudes der Abteilung für Präzisionsinstrumente wurde im Erdgeschoss eine Fabrik für die Bearbeitung optischer Präzisionsinstrumente (Testbasis 9003) eingerichtet. Herr Shen Zhao übernahm die Leitung der Abteilung und der Fabrik. Die Universität stellte Xu Duanyi das gesamte Ingenieur- und Technikerteam der Fabrik zur Verfügung, darunter Hunderte hochqualifizierte Monteure und Meister anderer Präzisionsbearbeitungsarten, um einen einheitlichen Einsatz zu gewährleisten. Zusätzlich wurden Absolventen der Tsinghua-Universität und hochqualifizierte pensionierte Militärangehörige in das Forschungsteam aufgenommen. Darüber hinaus wurden mehrere Dozenten und technische Mitarbeiter aus anderen Bereichen der Computersteuerung versetzt. Das Entwicklungsteam umfasst Hunderte von Mitarbeitern aus fünf Abteilungen der Universität. Es handelt sich um ein groß angelegtes Gemeinschaftsprojekt.

Da die Fertigungstechnologie von Fotolithografiemaschinen zu komplex und schwierig ist, stufte das internationale „Pariser Koordinierungskomitee“ (Batumi) sie schon lange als Spitzentechnologieprodukte ein und verhängte ein Embargo gegen China. China war zu dieser Zeit von der Außenwelt isoliert und konnte keinerlei Informationen aus dem Ausland erhalten. Xu Duanyi leitete sein Team bei der Entwicklung neuer Anlagen. Alle Zeichnungen stammten aus seiner Feder, und alle Teile wurden in seiner eigenen Werkstatt gefertigt. Alles begann bei null.

Obwohl Xu Duanyi und sein Team zuvor noch nie in der Forschung, Entwicklung und Herstellung von Fotolithografiemaschinen tätig waren und ihnen das nötige Fachwissen fehlte, arbeiteten alle sehr engagiert und lernten dabei viel, wodurch rasche Fortschritte erzielt wurden. Besonders bemerkenswert ist, dass es damals weder Boni noch Überstundenzuschläge gab, sodass alle Teammitglieder aus Eigeninitiative Überstunden leisteten und Tag und Nacht hart arbeiteten.

Das Team von Xu Duanyi begann mit der Entwicklung von Helium-Neon-Gaslasern, deren Frequenz mithilfe des Interferometers der Lithographieanlage stabilisiert werden kann. Anschließend konstruierten und fertigten sie selbst die Präzisionsführungsschienen, Spindeln, Kugeln, Schrittmotoren, Computer für die digitale Steuerung, optische Systeme, großaperturige Projektionsobjektive usw.

Unter extrem schwierigen Bedingungen und nach über einem Jahr harter Arbeit erfüllte Xu Duanyis Team die Erwartungen und entwickelte 1971 Chinas erste Fotolithografiemaschine und eine Step-and-Repeat-Kamera. Diese wurden anschließend in Serie für die nationale Halbleiterindustrie gefertigt. Für diese Leistung wurde 1978 der Preis der Nationalen Wissenschafts- und Technologiekonferenz verliehen.

Entwickelte 1971 Chinas erste Fotolithografiemaschine.

Step-Repeat-Kamera

Ab 1975 investierte Xu Duanyi in die Entwicklung einer „automatischen, schrittweisen Projektionslithografiemaschine“ mittels Lithografie integrierter Schaltkreise direkt auf Halbleiterwafern. 1980 schloss sein Team die Entwicklung der ersten chinesischen „automatischen, schrittweisen Projektionslithografiemaschine“ ab, die Linienbreiten bis zu 0.8 Mikrometer verarbeiten konnte. Sie schloss die technologische Lücke im Inland, ging in Serienproduktion und wurde ausgeliefert. Es handelt sich um Chinas Lithografiemaschine der zweiten Generation. Diese Leistung wurde 1981 mit dem ersten Preis des Pekinger Wissenschafts- und Technologiepreises ausgezeichnet. Bis heute können nur wenige Länder weltweit, wie die USA und Japan, solche Anlagen herstellen.

Chinas Lithographiemaschine der zweiten Generation

1987 organisierte das Ministerium für Elektronikindustrie die Gründung des „Chinesischen Verbandes der Elektronik-Spezialgeräteindustrie“ (CEPEA), eines staatlich anerkannten nationalen Industrieverbandes mit eigener Rechtspersönlichkeit und über 100 Mitgliedsunternehmen im ganzen Land. Das Institut für Mikrotechnik der Tsinghua-Universität unter der Leitung von Xu Duanyi war damals die einzige Einrichtung an Hochschulen und Universitäten in China, die sich auf die Forschung an elektronischen Spezialgeräten spezialisiert hatte.

Xu Duanyi wurde zum stellvertretenden Vorsitzenden des Chinesischen Verbandes der Elektronik-Spezialausrüstungsindustrie gewählt, dessen übergeordnete Behörde das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie ist.

Nach der Gründung des Chinesischen Verbandes der Elektronikindustrie wurde Xu Duanyi zu zahlreichen Vorträgen eingeladen. Er leitete einen Kurzlehrgang zur optischen Mikrobearbeitungstechnologie an der Tsinghua-Universität und erstellte Lehrmaterialien wie „Strukturprinzipien und Konstruktion von Projektionslithografiemaschinen“ und „Photoelektrische automatische Ausrichtungs- und Fokussierungstechnologie“ für Techniker in der Praxis. Gleichzeitig ist er Mitglied der Redaktion der Fachzeitschrift „Spezialausrüstung für die Elektronikindustrie“.

Xu Duanyi von der Tsinghua-Universität veranstaltete einen Kurzlehrgang zur optischen Mikrobearbeitungstechnologie.

Chinas Spezialausrüstungsindustrie für die Elektronikindustrie entwickelte sich in diesem Zeitraum rasant und verfügt über eine vollständige unterstützende Infrastruktur, was in anderen Ländern selten ist.

Auf der Grundlage langjähriger Forschung und Entwicklung leitete Xu Duanyi sein Team aktiv bei der Entwicklung einer fortschrittlicheren „Schritt-für-Schritt-Projektionslithographiemaschine“.

Die Konstruktionsmerkmale dieser neuen Lithografiemaschine entsprachen damals höchsten internationalen Standards. Beispielsweise betrug die maximal fotolithografisch bearbeitbare Chipfläche 10 × 10 Quadratmillimeter, die effektive Auflösung 1.25 Mikrometer, der Verfahrweg des Arbeitstisches 160 × 160 mm und es konnten 4- bis 6-Zoll-Wafer verarbeitet werden.

Nach der erfolgreichen Entwicklung der Fotolithografieanlage wurden drei Einheiten gleichzeitig in Produktion genommen. Eine davon verbleibt im Tsinghua-Institut für Mikrotechnik für experimentelle Forschungszwecke; die beiden anderen wurden dem Werk 109 der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Beijing Semiconductor Device Factory zur Erprobung zur Verfügung gestellt.

Herr Wang Shouwu von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat diese Fotolithografieanlage zur Entwicklung verschiedener großflächiger integrierter Schaltungen eingesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren konnte die Ausbeute um durchschnittlich 27 % gesteigert werden.

Herr Wang Shouwu würdigte die von Xu Duanyi erfundene neue Methode zum Aufbringen eines Schutzfilms auf die Fotolithografiemaske und brachte außerdem ein amerikanisches Unternehmen mit dem Team von Xu Duanyi in Kontakt, um bei der Produktion zusammenzuarbeiten.

Nachdem dieses Ergebnis dem Ministerium für Elektronikindustrie gemeldet worden war, maßen die zuständigen Führungskräfte ihm große Bedeutung bei und besuchten persönlich die Testgelände der Tsinghua-Universität und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Im Januar 1991 beriefen das Ministerium für Elektronikindustrie und die Nationale Bildungskommission an der Tsinghua-Universität eine großangelegte Begutachtungs- und Fachaustauschveranstaltung ein, um die von Xu Duanyi und anderen Forschern der Tsinghua-Universität entwickelte „automatische, schrittweise Projektionslithografiemaschine der dritten Generation“ zu bewerten. Gastgeber der Begutachtungsveranstaltung waren führende Vertreter des Ministeriums für Elektronikindustrie, und Herr Wang Shouwu, eine führende Persönlichkeit der chinesischen Physik, leitete die Expertengruppe. Xu Duanyi stellte auf der Veranstaltung die Forschung und Entwicklung der Lithografiemaschinen der Tsinghua-Universität vor.

Dieses Bewertungstreffen war sehr groß und repräsentativ. Neben Lu Jinrong, Direktor der Abteilung für Spezialausrüstung im Ministerium für Elektronikindustrie, und weiteren Führungskräften nahmen auch Vertreter des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie sowie der Nationalen Bildungskommission teil. Ni Weidou, Vizepräsident für wissenschaftliche Forschung an der Tsinghua-Universität, leitete den Empfang. Darüber hinaus war eine Delegation von Vertretern von Herstellern von Spezialausrüstung für die Halbleiterverarbeitung aus dem ganzen Land anwesend.

Herr Wang Shouwu behielt seinen gewohnten, einzigartigen Stil bei. Seine Rede war kurz und bündig, und er sagte nur drei Sätze:

„Diese Lithographiemaschine ist nicht schlecht. Ich hoffe, dass jeder ernsthaft Verbesserungsvorschläge einbringt. Die Anwender sollten sich aktiv an der Geräteentwicklung beteiligen.“

Eine solche Bestätigung von Herrn Wang Shouwu zu erhalten, ist äußerst selten.

Vor dem Bewertungstreffen übergab Herr Wang Herrn Xu Duanyi eine Liste von Experten und bat die Tsinghua-Universität, diese Experten formell zur Bildung des Bewertungsteams einzuladen. Zusätzlich beauftragte er eine Gruppe von Ingenieuren und Technikern aus den Bereichen Anlagenbau und Halbleiterfertigung, gemeinsam mit Vertretern des Ministeriums für Elektronikindustrie die Lithografieanlage vor Ort zu testen und die Testdaten dem Expertengremium des Bewertungsausschusses zur Prüfung vorzulegen.

Abschließend erstellte Herr Wang Shouwu auf der Grundlage dieser Daten und der Meinungen der Expertengruppe einen Bewertungsbericht und verlas die Bewertungsergebnisse persönlich in der Sitzung.

Xu Duanyi ist seit vielen Jahren im Bereich Spezialausrüstung für die Elektronikindustrie tätig und hat an verschiedenen Produktbewertungssitzungen teilgenommen, aber er hat noch nie einen so strengen und ernsthaften Bewertungsprozess erlebt.

Dieses Beurteilungsgespräch ist von entscheidender Bedeutung.

Die Tsinghua-Universität ist damit die einzige Einrichtung in China, die in der Lage ist, selbstständig erstklassige High-End-Lithographiemaschinen zu entwickeln und herzustellen.

Nach bestandener nationaler formaler Bewertung wurden sowohl die von Xu Duanyis Team entwickelte „automatische schrittweise Projektionslithografiemaschine der dritten Generation“ als auch die von der Maschine verwendete Linse mit dem „Nationalen Wissenschafts- und Technologiepreis“ ausgezeichnet.

Im März 1991 beschloss das Ministerium für Elektronikindustrie, die Maschine auf der „Ersten Nationalen Ausstellung für technologische Fortschritte industrieller Unternehmen“ der Staatlichen Planungskommission zu präsentieren. Daher wurde die von der Tsinghua-Universität entwickelte „automatische, schrittweise Projektionslithografiemaschine“ in der Haupthalle der Pekinger Ausstellungshalle aufgestellt und einem chinesischen und ausländischen Publikum, Experten und Medienvertretern vorgestellt.

Nachdem die „People’s Daily“ (Auslandsausgabe), die „Beijing Daily“, Beijing TV und andere Medien über die Nachricht berichtet hatten, erregte sie die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft in verschiedenen Ländern.

An diesem Tag erhielt Xu Duanyi einen Anruf vom Pekinger Ausstellungszentrum, in dem ihm mitgeteilt wurde, dass eine wichtige ausländische Delegation zu Besuch kommen würde, und er gebeten wurde, diese persönlich zu empfangen.

Nachdem Xu Duanyi pünktlich in der Haupthalle des Beijing Exhibition Center eingetroffen war, begleitete Herr Wang Shouwu eine ausländische Delegation zum Stand der Tsinghua-Universität, um die von der Tsinghua-Universität entwickelte automatische Projektionslithografiemaschine zu besichtigen. Zahlreiche chinesische und ausländische Journalisten waren ebenfalls anwesend.

Xu Duanyi wusste nicht, wer diese Leute waren, und wagte daher keine weiteren Fragen. Er empfing sie höflich und führte sie zur Lithografiemaschine, wo er alle ihre Fragen beantwortete.

Zu dieser Zeit kannte die chinesische Wissenschaftsgemeinschaft das Konzept der „geistigen Eigentumsrechte“ überhaupt nicht und wusste nicht, wie man Vertraulichkeit wahrt. Egal, was man fragte, sie erzählten alles.

Im März 1991 nahm die von der Tsinghua-Universität entwickelte Lithografiemaschine der dritten Generation mit automatischer Ausrichtung und schrittweiser Projektion an der „Ersten Nationalen Ausstellung für technologische Fortschritte industrieller Unternehmen“ in der Pekinger Ausstellungshalle teil. Das Bild zeigt Xu Duanyi (Mitte), wie er den anwesenden Experten den Stand der Forschung und Entwicklung chinesischer Lithografiemaschinen vorstellt.

Die ausländischen Experten umrundeten die Lithographiemaschine, betrachteten sie sehr aufmerksam und stellten sehr professionelle Fragen; einige Experten krochen sogar auf dem Boden, drehten sich um und untersuchten sorgfältig die innere Struktur der Lithographiemaschine.

Erst dann erfuhr Xu Duanyi, dass die Mitglieder dieser Delegation allesamt Experten für Fotolithografiemaschinen aus den USA und Japan waren.

Als Experten aus den USA und Japan mit eigenen Augen sahen, dass China trotz Blockaden und Embargos im Ausland unabhängig eine Photolithographiemaschine von Weltklasse mit vollständigen Schutzrechten an geistigem Eigentum entwickelt hatte, waren sie erstaunt und sagten sogar: „Unvorstellbar!“

Kurz nach der Abreise der amerikanischen und japanischen Experten trafen nacheinander auch Fotolithografie-Experten aus anderen Ländern ein. Fast alle namhaften ausländischen Unternehmen und Hersteller von Lithografiemaschinen entsandten damals Mitarbeiter nach Peking, um die von der Tsinghua-Universität eigenständig entwickelten Maschinen zu besichtigen. Sie alle betrachteten die Maschinen sehr aufmerksam und stellten viele Fragen. Xu Duanyi empfing die ausländischen Experten freundlich und beantwortete ihre Fragen direkt vor Ort. Die Experten waren überzeugt, dass China eigenständig Lithografiemaschinen entwickelt hatte, und luden Xu Duanyi herzlich zu einem Austausch ein. Bedauerlicherweise war unter den Besuchern kein Vertreter des niederländischen Unternehmens ASML (ASML), das später zu einem der weltweit führenden Unternehmen der Lithografiemaschinenindustrie werden sollte. ASML existierte zu diesem Zeitpunkt noch nicht.

Kurz nach Ende der Pekinger Ausstellung und der Abreise der ausländischen Experten aus China in ihre Heimatländer verkündete das internationale „Pariser Koordinierungskomitee“ die Aufhebung des Exportembargos für Projektionslithografiemaschinen nach China. Die USA und Japan, die beiden damals weltweit führenden Hersteller von Projektionslithografiemaschinen, gaben gleichzeitig bekannt, das Exportverbot für China aufzuheben und solche Maschinen zu günstigeren Preisen nach China exportieren zu können. Gleichzeitig wurde ein äußerst verlockendes Angebot unterbreitet: „Jedes chinesische Unternehmen, das Lithografiemaschinen von uns erwirbt, lädt seine Führungskräfte herzlich zu einem Besuch in unser Unternehmen ein. Die Kosten für Hin- und Rückflug, Hotelübernachtung und alle weiteren Reisekosten werden von uns übernommen.“

Zu dieser Zeit hatte sich das Land gerade erst geöffnet. Die Welt außerhalb Chinas war für die Führungskräfte chinesischer Unternehmen äußerst aufregend und verlockend. Sie alle suchten nach einer Gelegenheit, ins Ausland zu reisen, um Neues zu entdecken, sich zu vergnügen und ihren Horizont zu erweitern.

Infolgedessen änderten viele Unternehmen, die ursprünglich die von der Tsinghua-Universität produzierten Projektionslithografiemaschinen erwerben wollten, ihre Meinung und teilten mit, dass sie diese nun nicht mehr benötigten. Selbst das Werk 109 des Instituts für Halbleiter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, das eine langjährige Kooperation mit der Tsinghua-Universität unterhielt, sowie weitere große Unternehmen in Peking, Shanghai, Tianjin, Wuxi und anderen Städten stornierten ihre Bestellungen. Die von der Tsinghua-Universität entwickelte und hergestellte neue automatische Lithografiemaschine findet keinen Absatzmarkt und hat ihren Platz verloren.

Infolgedessen investierte Xu Duanyis Team unzählige Anstrengungen in die Entwicklung der automatischen Lithografiemaschine, einer wichtigen Schlüsselkomponente für die Chipherstellung und -verarbeitung, doch sie ging verloren. All die harte Arbeit und die unermüdlichen Bemühungen der vergangenen Jahre waren vergebens.

Xu Duanyi, der Wissenschaftler, der die Entwicklung der ersten Lithografiemaschine Chinas leitete, kann nun keine weitere Lithografiemaschine mehr bauen. Man kann sich seinen inneren Schmerz vorstellen. Verzweifelt musste er sich von der Forschung und Entwicklung im Bereich der Lithografiemaschinen verabschieden und wandte sich der aufstrebenden internationalen Forschung im Bereich optischer Datenträger zu.

Seitdem hat das Team von Xu Duanyi an der Tsinghua-Universität bemerkenswerte Erfolge auf dem Gebiet der optischen Datenträgerforschung erzielt. Chinas Forschung und Entwicklung sowie die Produktion optischer Datenträger sind weltweit führend; Produktion, Absatz und Exportvolumen belegen weltweit den ersten Platz. China hat sich international einen Namen gemacht und die Welt beeindruckt.

Xu Duanyi zählt zu den Begründern der chinesischen Forschung im Bereich optischer Datenträger. Er hält 67 chinesische und 2 US-Patente. Er wurde mehrfach als Vorsitzender internationaler Optikkonferenzen eingeladen, erhielt den „Nationalen Erfindungspreis“, Chinas höchste Auszeichnung für Wissenschaft und Technologie, und wurde zum leitenden Wissenschaftler nationaler Schlüsselprojekte der Grundlagenforschung ernannt.

Nachdem die Tsinghua-Universität die Produktion von Lithografiemaschinen eingestellt hatte, verschärfte sich die Lage. Ausländische Fotolithografiemaschinen drängten in Scharen auf den chinesischen Markt und eroberten ihn im Nu.

Nachdem China die Forschung, Entwicklung und Produktion von Lithografiemaschinen eingestellt hatte, hatten ausländische Hersteller keine Konkurrenz mehr, und die Preise für Lithografiemaschinen stiegen stetig. Jahre später waren automatische Lithografiemaschinen rar, und ihr Preis erreichte Hunderte Millionen Dollar pro Stück – mehr als der eines großen Flugzeugs.

Nicht nur ist es teuer, sondern entwickelte Länder verbieten auch den Verkauf von Fotolithografieanlagen nach China und liefern ausschließlich Chips dorthin. Einige Länder haben China bei der Chipversorgung abgewürgt, sodass Chinas Halbleiterunternehmen nur noch verzweifelt ums Überleben kämpfen können.

Wie Xu Duanyi voraussagte: „Zukünftige Lithographiemaschinen könnten bedeutende technologische Innovationen und Entwicklungen aufweisen.“

Nachdem die Entwicklung und Produktion von Lithografiemaschinen in China zum Erliegen gekommen war, hat sich die Entwicklung im Ausland fortgesetzt und neue Höchststände erreicht. Mittlerweile haben die von Industrieländern entwickelten High-End-Lithografiemaschinen hergestellten Chips die Nanometer-Ebene erreicht.

Die Lage ist sehr ernst. Führungskräfte mit strategischer Weitsicht haben das Problem ebenfalls erkannt und hoffen, dass die Tsinghua-Universität die Forschung, Entwicklung und Produktion von automatischen Lithographiemaschinen wieder aufnehmen wird.

Zu diesem Zeitpunkt war Xu Duanyi bereits im Ruhestand, und die wichtigsten Mitglieder seines Teams waren verstreut. Es ist nicht einfach, ein so leistungsfähiges und hochkarätiges Forschungsteam wie damals neu zu organisieren!

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