国产光刻机的突破,从告别自嗨开始

日前,光刻机市场有两个新的动向,一个是哈尔滨工业大学公布了一项“高速超精密激光干涉仪”研发成果,并获得了首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜金奖,被一些人宣称解决了7nm以下的光刻机难题。

一个是国内某公司开发了SAQP技术,可以做到不需要EUV光刻机的前提下,实现了7纳米工艺,在此基础上,还可以实现5纳米工艺,并且在经济上还没有达到极限。

事实上,这些动向消息,又引发了大量网友与业内人士盲目自嗨。从过去一年来看,从光子芯片到量子芯片、超分辨率光刻机等等,各种绕过光刻机路线的方案曾经多次引发了业内的沸腾。

但事实上,这些路径的研究,还停留在实验室的设想层面,而围绕光刻机的制造与工艺层面的众多难题的解决,不仅需要工艺精度的突破,也需要基础理论与创新层面的进一步突围。

国产光刻机的突破,从告别自嗨开始

而就在前段时间,《中国科学院院刊》刊载了骆军委、李树深的文章《加强半导体基础能力建设,点亮半导体自立自强发展的“灯塔”》,文章指出:

由于西方制裁,包含下一代半导体工艺GAA制程有关的PDK的EDA工具对中国全面封锁,我国半导体产业发展进入“黑暗森林”。引发了业内热议。

中国半导体产业进入"黑暗森林"的原因核心在于,半导体领域的技术含量极高,上游包括EDA软件/IP模块、半导体设备与材料,中游是芯片设计、制造、封装和测试;下游是各类电子产品,涉及大量材料、化学试剂、特种气体、设备与配件等。

正如中国科学院院士王阳元指出:半导体产业链上游的任何一种材料、一种设备甚至一个配件都可能成为制约竞争者的手段。

虽然国内投入了巨大的资金来发展半导体产业,但是在人才储备和研发实力上仍然存在差距。其次是,涉及到供应链、知识产权等方面的复杂问题。在这个产业链中,中国目前还主要扮演着低端加工和组装的角色,核心技术和高端制造仍然受制于西方发达国家。

因此,从现实角度来看,黑暗森林是真的,而那些突破、沸腾则更多停留在实验室层面,距离真正的突破还非常遥远。

中国陷入黑暗森林,重速度不重质量落下的遗留问题

从过去40多年中国绝大多数行业的发展看,为了追求速度和规模,往往通过购买引进技术,也因此牺牲了基础研发与创新,在头部企业完成规模取得行业地位之后,大多数企业却并没有自主创新的动力,大而不强成了不少企业的通病。

芯片行业的困境,也源于过去这种只追求发展速度而不求发展质量而落下的遗留问题,导致积重难返,在基础研发与底层基础设施层面受制于人。

我国光刻机的研发早在上世纪50年代就开始了,虽然比欧美国家晚了点,但也算起了个大早,但是到了80年代,一种“造不如买,买不如租”的观念风靡全国,认为从国外买回来的设备马上就可以使用,比自己研发要快得多。这种理念的影响,用于光刻机研发的资金越来越少,最后导致几乎停滞。

直到今天,光刻机技术的研发在停滞几十年之后,这种困境不是一时半刻能够解决。

一个简单的道理是,没有半导体基础研究很难在半导体产业上弯道超车,我们可以聚焦下一代技术的研发,类似于电动车对燃油车的革命,但目前的各种路径尝试也还处于试错与探索阶段,现在还不是自嗨与盲目膨胀的时候。

因为别人已经走得很远,当被卡脖子的时候,才意识到问题,其实时间上已经晚了很多了,短时间要追赶,哪有那么容易。

当然,中国速度在过去一直是国人引以为傲的一个优势,这使得一天一个突破也容易让国人沸腾,尤其是在2021年,北大国发院名誉院长林毅夫在中国企业未来发展论坛上表示:“不卖中国光刻机,大概3年后中国就能掌握!”到今天,3年还剩1年,现实却并不乐观。

光刻机领域我们一直在追求绕过传统光刻机技术,从下一代技术出发去布局,通过量子芯片、光子芯片、芯片堆叠等路径去实现弯道超车,是国内的一个思路,但更多还处于探索阶段,距离超越还有很长的距离。

国产光刻机赶超国外,缺了什么?

而在传统的光刻机的研发层面,目前难题恰恰在于制造的精度上,光刻机的三个核心部分:光源,物镜系统,工作台,都需要顶级的镜头和光源以及极致的机械精度与复合材料。

先进光刻机制造的第一个难点就是机器的光源问题,目前也只有美国的Cymer掌握着成熟制造技术,其他发达国家都是向其采购预定。

其次是反射镜。能够达到光刻机要求的多层膜反射镜,目前只有德国老牌镜头制造厂家蔡司能够拿出来,这一产品也安装在了ASML家最新研制的光刻机上,以实现EUV波段的高反效率。

而复合材料是来自日本。目前芯片生产所用的光刻胶,高纯化学品多数是日本的专利产品,这些原料,都要求极高的精度和纯度,在精细加工方面,这是日本的传统强项,一直是世界领先。

此外,限制我国芯片产业发展的另一个关键问题是工业软件,国内集成电路企业使用的基本为国外EDA软件。如何解决EDA软件的国产化问题,也是一大难题。

总的来说,芯片制造的光刻胶、光刻机的原理业内都知道,但关键是工艺的难度与精度非常高,上下游的技术与原材料短板还很多,盲目乐观误导了对产业的正确认知。

荷兰ASML生产的EUV光刻机,其精度可以达到5nm的级别,它所需的零件超过10万个,而且90%以上的零配件都需要从多个国家进口,以EUV所用的镜头为例,全部由世界顶级镜片制造商蔡司提供,他们生产的各种镜头、反光镜和其他光学部件,没有任何一家公司能模仿的来。

这种制造精度难以达成的背后,也是人才的缺失。

华为CEO任正非说的:“不论设备软件和技术,花时间就能解决,中国真正缺的是人才!” 光刻机涉及的专业领域很多,是光学、流体力学、数学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械加工等几十种领域的顶尖科技产物,这些学科的基础就是数学,物理和化学。

新技术的突破,从设想与实验室环节到量产,需要时间,也存在变数

哈尔滨使用“高速超精密激光干涉仪”可以实现光刻机在光刻过程中对晶圆、物镜系统、工作台位置的超精准定位。如果没有配套的激光干涉仪,国产光刻机等设备的调试、生产工作就无法进行。

该设备的核心技术突破,为国内发展先进芯片的制造技术增加了一定的技术储备,为实现高端光刻机设备国产化创造了一定的条件,但是生产光刻机所需要的工艺问题依然是当前无法短时间内攻克的难点,这是我们需要认清的事实。

此外从近期出现的SAQP技术来看,其实就是四重曝光技术。有人说,如果国内的DUV光刻机可以配合SAQP技术,再搭配上先进半导体材料,打造一条7nm芯片生产线,难度应该不会太大。

但事实上,这事英特尔之前已经干了,英特尔在10nm遇到了瓶颈,于是把10nm的密度预期提升到了2.7X了,并且直接上SAQP,还一口气上了SOAG、SDB、Co互联,然后Intel就因为SAQP翻车了。

因为采用SAQP技术造成良率较低,这可能是迟迟无法规模量产的主要原因。在那之后,英特尔一直未对外公布10nm量产进度。

我们从iPhone的迭代中,可以看到先进芯片制程的发展历程,iPhone 5S ,28纳米。

iPhone 6 ,20纳米;iPhone 7 是16纳米;iPhone X 是10纳米;iPhone 11,7纳米;iPhone 12,5纳米;iPhone 13和iPhone14,5纳米。

从目前已知的确切的信息可以知道,国产光刻机是是90nm制程,当前仍处研发阶段,另一大差距是光刻胶我们处于起步阶段。

综上从iPhone5s到iPhone14,芯片工艺制程从28nm发展到5nm,中间历经了10年时间,国内如果从90nm发展到5nm,保守预计要10年以上,按照中国速度把时间压缩一半,也需要5年时间。

从SAQP技术到其他弯道超车的路径,并非不存在,但设想、专利以及实验室的研究距离量产与应用还有非常遥远的距离,中间还存在许多变数,也需要时间。

务实的心态去看待难题,才能对产业有真正的敬畏

黑暗森林"这个概念最初是科幻小说《三体》中提出的,用来描述外星文明之间的战争策略,但是这个概念也被用来形容某些领域的竞争状态。在半导体领域中,"黑暗森林"指的是竞争激烈、信息不对称、谨慎保密的竞争环境。

总的来说,以光刻机为代表的半导体产业被困在“黑暗森林”是真,突破7nm、5nm是假。单单是半导体行业制造用的硅,目前中国几乎所有中高端硅晶圆都靠进口。

这是我们需要认清的现实,少点沸腾与自嗨,扎实研发,不妨从基础的KrF乃至I线光刻机入手,真正投入研发吃透,建立起技术和系统的迭代基础,而这一过程,正是新型举国体制大有作为的舞台。

要将短板环节解决掉,中国半导体产业目前仍然面临巨大的挑战和压力,一方面需要在技术研发、人才培养、政策引导等方面持续投入与迭代,在半导体制造设备的材料与工艺、制造技术层面不断突破,补齐短板,直到真正拿出量产的先进光刻机产品,我们再沸腾也不晚。

一方面要围绕下一代晶体管的材料、器件与工艺等方面进行持续的探索与专利布局,卡住下一代技术,才有往淘汰上一代技术,形成反制手段。

自嗨式膨胀,无力解决现实的难题。国产光刻机的重大突破,其实需要对产业有敬畏,而非误判形势。

弯道超车,绕过光刻机的路径,需要不断尝试,不仅仅是国内,在中国超分辨率光刻机之外,美国的电子束光刻机,日本的纳米压印设备,都在对传统的光刻机技术发起挑战。但实验室的研究阶段、专利布局与量产是两个不同概念。

我们需要有务实的心态去认识到真正的难题,才能对产业有真正的敬畏,才能有真正的反思与努力的方向,才有望在5~10年内从根源上解决光刻机的难题。任重道远,我们依然保持期待。

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