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余鹏鲲:清华光源对自主光刻机追赶突破意义大吗?
但是自主光刻机不是完全的科学研究,更不是所谓的基础研究,如果10-20年后我们仍然不能实现纯自主地量产40nm的光刻机,那么整个中国半导体产业就被动了。
通过文献传递的方式,笔者获得了该文的原文,发现除了引言和引用之外,没有任何其他位置提到EUV(极紫外线)或者光刻(lithography)。通篇阅读下来,这就是一篇典范的同步辐射和粒子加速器的文章,主要的贡献也在这些方面,对于光刻机光源而言,该文的贡献是相当次要的。这是笔者认为SSMB光源很难成为推动自主光刻机补课追赶先进国家水平的主要原因之一。
简单地进行对比,该文正文中出现EUV的次数为4次,出现光刻的次数为1次,出现加速器的次数为7次,出现同步辐射的次数为2次,但是辐射一词出现了53次以上。
或许有人会说,论文中很少光刻和EUV,不代表不可能成为自主EUV光刻机的方案。这是对的,但必须得追问一句,这个可能性究竟有多大呢?
光源不是国产光刻机的主要瓶颈
先不提该研究主要是对加速器和同步辐射领域的研究,就算该研究可以无缝切换到光刻机上去。从时间上说,靠SSMB光源赶超西方,也十分困难。其他方式生产的EUV光源最早始于日本1986年的研究,在2000年前后基本实现了初步的工业化。2008年顶端的EUV光源的功率突破了100W大关,现在顶级的EUV光源功率已经达到250W。
目前SSMB光源还未能实现工业化,按照传统EUV的发展时间减半估计,大约需要14-15年才能达到EUV目前的水平。更何况发展SSMB光源本身也有风险,同时EUV乃至于更低波长的紫外光源的发展不一定停滞不前。依靠SSMB光源做“人无我有”,风险较大。
最重要的是,随着2007年中国科学院上海光学精密机械研究所“极紫外光刻机光源技术研究”项目通过验收,EUV光源上就不是中国造不出高精度光刻机的主要瓶颈了。SSMB光源相比目前的EUV光源,最大的优势是能实现较大的理论功率。功率的增强有利于在保证线宽粗糙度的同时,提高光刻分辨率,进而缩小制程,同时也有助于降低成本。目前ASML的光刻机,使用比EUV还差的DUV(深紫外线),目前能实现的最小制程是7nm,量产10nm已经经过了事实的验证。
目前中芯国际已经量产14nm,并开始了产能的缓慢爬坡。但中芯国际其实用的是国外的光刻机,国产的光刻机能量产的制程就要差一些了。国产的光刻机,又不全是采用中国的零配件,一些光刻机甚至大部分是国外的零件。
纯自主的光刻机能量产多少nm的制程呢?笔者咨询了一些业内人士,连他们也说不清楚,最高的有说40nm,最低的也有说130nm的。以国内目前自主化程度较高、技术能力也较强的上海微电子为例,其生产的600系列IC前道制造光刻机,最先进的制程工艺是90nm。
由此可见中国光刻机的落后,绝不是落后在光源上,而是落后在光刻气体、高端光刻胶、系统设计、光学镜头和技术积累上。光源并不是瓶颈所在,认为SSMB光源将会助推中国光刻机起飞的观点并不合理。
不知前路何在是产生挫折的思想基础
由此可见,SSMB光源和自主半导体并没有那么强的联系,那么两者是怎么联系起来的呢?
今天一切报道SSMB光源的文章,追根溯源都能追溯到国内某媒体对唐传祥研究组和本文作者邓秀杰博士的采访。采访中,邓秀杰博士主动提到了光刻机,他说:“这也是国际社会关注我们这项研究的重要原因,毕竟SSMB光源的潜在应用之一就是作为未来EUV光刻机的光源”。
而唐传祥的观点要保守和克制,只说:“基于SSMB的EUV光源有望解决自主研发光刻机中最核心的“卡脖子”难题。但是,EUV光刻机的自主研发还有很长的路要走,这需要SSMB EUV光源的持续科技攻关,也需要上下游产业链的配合,才能获得真正成功”。
笔者相信这些话,并不是为了得到更多的项目经费,因为该项目本身就是一个基础研究的项目。而且是一直属于光学和粒子加速器领域,包括今后清华大学要申报“稳态微聚束(SSMB)极紫外光源研究装置”项目,走的也是物理口,本身也有极强的理论价值和科研价值。
既然不是为了获得更多的经费,为何要强调光刻机呢。其实这正反映出我国学术界普遍对产业理解不深的问题,“产学研”融合依然是老大难。产业界不能从科学的高度把握生产中的问题,而学术界提不出产业急需解决的问题。主要表现在两个方面:
一是高估了国际社会对SSMB技术的关注度,的确,有国外学者提到过“SSMB光源的潜在应用之一就是作为未来EUV光刻机的光源”,出自Bakshi, V编写的《极紫外光刻》(第二版)。这本多达十章的书中,有整整一章又分为3A和3B专门讲的就是光源。书中介绍了数十种光源技术,SSMB只有其中一小部分,篇幅占比更多的光源技术在十种以上。同时国外的主流媒体也没有对SSMB技术的报道,不排除有学术界人士,私下认为SSMB技术对EUV光刻机的光源十分重要,但这不是国内外产业界的想法。
二是低估了组织上下游产业链的工作,并非有了科技成果就能自动变为现实产品的,还需要进行转化。很多人认为这种转化就是科学家出成果,社会出资金。其实真正的转化工作是需要科学家出面组织最开始的上下游产业的,不组织起初步的上下游,投资者如何相信这个科研成果具备市场价值?
科学家不参与组织简单的上下游产业,出来的产品可能某些性能很高,但很难满足市场方方面面的要求。因此SSMB光源要获得真正的成功,不是所谓的“需要上下游产业链的配合”,而是需要躬身入局,亲自打通上下游产业链。
即使科研工作者没有意识到,提到“光刻机”,将会搅动怎样的风风雨雨,媒体本身也是很谨慎的。在标题中,仅仅使用的是“和光刻机密切相关”,但经过舆论的几次发酵,还是变成了“有望解决光刻机问题”,甚至变成了“即将突破EUV光刻机”。
以弘芯为代表的半导体投资爆雷,背后是地方政府急功近利的政绩观作祟。科研工作者不了解国内半导体产业现状,是“产学研”两层皮的体现。媒体炮制“沸腾体”,既有缺乏知识积累的因素,也有“搞个大新闻”的通病。
将三者的问题,归纳为一点,就是地方政府、学术界和媒体,都不能完全搞清楚国产光刻机路在何方。当然这也不是少数人能解决的,必须依靠统一领导集思广益,最终形成国家意志。
笔者抛砖引玉,梳理了三条线。最低端的线是90/130nm生产线,这条线目前国内基本已经能自主生产,有了不受制裁影响的90/130nm生产线,大部分基础设施控制芯片、低端单片机、中低端机器人的控制芯片就解决了。
中端的线是28/40nm生产线,这条线最为关键,在45nm的工艺节点上,英特尔已经能做到双核3.2Ghz了。客观的说,28nm尤其是40nm在今天偏低了,国产通用芯片的设计能力也不能与英特尔相比,更加需要良好的制程进行弥补。但反过来我们也要看到,自主可控的光刻机距离国际先进水平的距离比国产通用芯片的设计能力更远,不宜提出过高的要求。
当然中国早就可以生产28nm的芯片了,中芯国际的28nm产能充沛、良率已经稳定、性价比也有优势。但是中芯国际在去年6月曾经表示:“若干自美国进口的半导体设备与技术,在获得美国商务部行政许可之前,可能无法用于为若干客户的产品进行生产制造”,普遍认为这里的若干客户包括华为。
维持被西方国家深度制裁时,还能使用的28/40nm生产线,并保持一定的产能至关重要,至少能保证高端基础设施控制芯片、中高端机器人、绝大部分武器装备芯片和办公用电脑芯片的紧急生产。
最高端的线是14nm生产线,主要发挥一个技术引导的作用,相对来说,急迫性没有那么强。14nm及以上的工艺面向消费级市场,主打的是最强性能,因此从国家安全的角度说不是那么急切。反过来说,20nm以上的工艺,研发更加复杂,也不是短时间内所能掌握的。建立并良好管理14nm的生产线,将对自主研发更低制程工艺对应的光刻机产生一定的技术引领作用。
总而言之,尽快拥有28/40nm生产线,并达到一定的产能,是中美在半导体博弈上重要的胜负手。判断国产光刻机领域的突破,应该从是否利于缩短我们获得自主28nm产能的角度进行评价。
过去我们总是太急,媒体太急,主事者也很急,所以有了这么多烂尾的项目;现在的舆论反过来,赞美一些类似于石墨烯芯片、SSMB光源等还处于研究阶段的成果,本质上也是急切的希望弯道超车,但客观结果可能也很慢。国产光刻机,急不得也缓不得,到底出路何在,是到了有一个中期目标的时候了。
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