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光刻机|余鹏鲲：清华光源对自主光刻机追赶突破意义大吗？

清华大学光刻机光源中国半导体余鹏鲲武汉弘芯

【文/科工力量专栏作者 余鹏鲲】
近期 ， 清华加速器光源的重大突破在《自然》上发表和武汉弘芯基本宣布死亡的新闻几乎同时发生 ， 一生一死、一喜一悲的两件事撞在一起 ， 构成了中国半导体产业的隐喻 。
光刻机|余鹏鲲：清华光源对自主光刻机追赶突破意义大吗？
文章插图

SSMB原理验证实验示意图 图片来源：《自然》
有人说：“清华大学的新成果 ， 验证了SSMB的原理 ， 自主光刻机有希望了” 。 时间倒回到2017年 ， 弘芯成立时 ， 肯定也有人说：“弘芯要在三年内分别建成14nm和7nm的生产线 ， 中国半导体有希望了” 。
德淮半导体、晋华、中晟宏芯、格芯、华芯通、德科码、弘芯……近年来 ， 一大批寄托着中国芯片生产设计希望的企业倒下了 ， 残酷的现实让人们不得不重新思考“希望”一词的含义 。 从辩证地角度看 ， 任何事物都有两面性 ， 世界是在运动的 ， 自然一切和半导体生产有关的项目 ， 都是有希望的 ， 而且这个希望会运动、会发展 ， 是有可能变成事实的 。 过去舆论的主流 ， 是这么看待上马半导体新项目的 。
但是客观地把握事物的矛盾 ， 既要坚持两点论 ， 更要坚持重点论 。 刚出生的蛋 ， 那就是蛋 ， 只有即将破壳的蛋 ， 才能被称为小鸡 。 同理 ， 只有1%甚至1‰的希望的项目 ， 不能称为有希望 。 哪怕有10%甚至更多的希望 ， 也可以认为是没希望 。 一味地强调有希望 ， 但拒绝进一步评估时间点和可行性的项目都是对发展机遇和投资资金的浪费 。
值得庆幸的是 ， 绝大多数普通民众已经开始用这种成熟地心态看待中国半导体突破 。
2月25日 ， 清华大学工程物理系教授唐传祥研究组与来自亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB）以及德国联邦物理技术研究院（PTB）的合作团队在《自然》（Nature）上发表了题为“稳态微聚束原理的实验演示”的研究论文 ， 报告了一种新型粒子加速器光源“稳态微聚束”（SSMB）的首个原理验证实验 。 根据媒体报道 ， SSMB可能制造更高功率的EUV光刻光源 ， 有望为光刻机自主研发提供重要支撑 。
在这个新闻的下面 ， 很多网友从论文发表、技术落地、保密和技术协作方面发表了很多意见和建议 。 从这些建言中 ， 我们既感受到网友盼望中国半导体自强的迫切愿望 ， 又体会到近年来芯片设计和生产项目频繁失败对民众热情的打击 。
那么作为尖端科技突破的SSMB光源 ， 在十年内 ， 能帮助高端自主光刻机实现有效追赶吗？还是几乎没有成功的希望？
很不幸 ， 这一技术突破属于后者 。
SSMB光源短时间内难以产业化
当然 ， 首先要声明的是 ， SSMB光源不是弘芯这样程序有问题的项目 ， 它诞生的流程是科学的规范的 。 SSMB光源更不是汉芯这样存在欺诈的项目 ， 它的意义是重大的、明显的 ， 代表了中国粒子加速器和同步辐射领域的顶级水平 。 也确有可能成为国产EUV光刻机的技术方案 ， 就是可能性很可能远小于合理水平 。
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但如果SSMB光源走的是产学研联合的道路 ， 不可能不与国内外的企业进行合作 。 而企业出于自身利益的考量 ， 是不愿意捂成果的 ， 不会干三年不鸣、一鸣惊人的事 。 从企业的角度出发 ， 这一点非常好理解 ， 哪怕是提前将消息放出去 ， 也能起到打击竞争对手、吸引投资、引导高校和其它企业研究的作用 。 因此如果是SSMB光源是产学研联合项目 ， 只要不是因为国防保密 ， 相关新闻应当早就有了 。
此外 ， SSMB光源的合作团队亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB） ， 也激起了怀疑 。 对普通人而言 ， HZB是一个陌生的名词 ， 而在材料圈 ， HZB则家喻户晓 。 它出名的原因 ， 正是喜欢和全世界的科研机构进行合作 ， 合作的项目具备以下一些特点：
周期特别长 ， 例如这次SSMB光源的验证试验 ， 仅试验本身就花费了整整三年 ， 更不用说还有前期积累和理论论证 。 由于涉及的物理效应多、实验难度大 ， 清华团队成员曾先后8次前往柏林 ， 参与从实验准备到操作的各个环节 。
试验成本特别高昂 ， 以近年来的几个例子为例 ， HZB曾经和英国剑桥大学、伦敦帝国理工学院、俄勒冈州立大学、印度塔塔基础研究院、清华大学、苏州大学、浙江大学、波茨坦大学、加州理工大学、瑞典林雪平大学、伊尔梅瑙理工大学、巴西核能研究所、加拿大国家农业研究所和弗劳恩霍夫太阳能系统研究所在钙钛矿、有机半导体和复杂的纳米复合膜方面开展了大量的合作研究 。 这些试验的耗材成本（不包括已有仪器和投入的人力）至少都在几十万人民币以上 ， 几百万人民币的也不鲜见 。
论文发表期刊极其高端 ， 与高昂的试验经费相符的是 ， 这些合作发表的论文也特别高端 ， 基本都是各领域的顶刊 ， 也有很多是《Nature》的子刊 ， 《Nature》的正刊也为数不少 。
学术影响力特别大 ， 由于HZB聘用人员众多 ， 且对中国研究者较为开放 ， 我国几乎所有双一流高校都有在HZB的有研究经历的学者 。 这一点也并非我国仅有 ， 很多国家的科研机构都出现了类似的现象 。
研究的成果大部分属于“实验室特别行 ， 实用效果一言难尽”的类型 。 如果说前面的几点是对HZB的赞美 ， 这一点就是对HZB的批评了 。 这并不是研究者的能力问题 ， 钙钛矿、有机半导体、复杂的纳米复合膜等领域 ， 离开了试验室能不能实战 ， 有没有市场竞争力早就是圈内人众所周知的秘密了 。
当然 ， 整个亥姆霍兹国家研究联合会 ， 就是着眼于前瞻式的基础研究 。 既然是基础研究 ， 那么二十年乃至更长的时间不能实用也很正常 ， 进一步说 ， 科学研究是要允许失败的 。
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 。
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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 。
【光刻机|余鹏鲲：清华光源对自主光刻机追赶突破意义大吗？】本文系观察者网独家稿件 ， 文章内容纯属作者个人观点 ， 不代表平台观点 ， 未经授权 ， 不得转载 ， 否则将追究法律责任 。 关注观察者网微信guanchacn ， 每日阅读趣味文章 。


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