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中国芯片产业大力出奇迹,竟然靠加速器 搞光刻机?|2023-09-20

嘉宾供稿

整个9月上旬,中国人都沉浸在Mate60pro带来的激动和荣耀之中。

但是,激动之余,很多人也在琢磨,中国是咋突破美国无所不用其极的芯片封锁的?

于是,有人就把清华大学提出的基于SSMB 的EUV 技术给扒出来了,再一扒,不得了了!连加速器都建好了?这是要建设一个占地几十亩的光刻厂的节奏啊!

那么,现在中国真的在建光刻厂吗?这条 技术路线真的能带领中国芯片产业弯道超车吗?

要解答这个问题,说来话长,我们先从杨振宁说起。

杨振宁我们都知道,华人之光、诺贝尔奖 获得者,现在虽然在清华退休了,也不参 与研究工作了,但却一直依靠自己对科学的敏感,做一些指点方向的工作。

事实证明,杨振宁的眼光很毒辣,他发现了赵午。

赵午是台湾人,1974年在纽约大学石溪分校获得物理学博士学位。

博士毕业后,杨振宁对他说,不要去选择 流行的、人满为患的、僧多粥少的领域。 要选择一个有新发展、参与人数不多、僧少粥多的领域。

翻译过来就是说,你不要研究高能物理  了,没啥前途,你一个中国人混不出来,去搞加速器吧!那边容易出成绩!

赵午听从了杨振宁的建议,转行进入加速 器物理界,然后因为个人出色的能力而迅 速成为了斯坦福大学的教授,并成为“加速器理论方面一位年轻明星”。

赵午回忆这段经历说道:“今天,回过头来看,我想这是我的正确选择。在我一生 的关键时刻,有杨先生的指导,真是我的幸运。”

在2010年的时候,赵午提出了一个稳态微聚束(steady-statemicro-bunching,SSMB) 新型加速器光源 的概念,但是当时被很多人质疑不现实, ASML 也忙着用光刻机赚钱,对这种不成熟的技术根本不感兴趣。

于是,赵午想到了中国,和中科院高能所、中国科技大学国家同步辐射实验室, 上海高等研究院和清华大学等高校院所展开了一系列研究。

2017年,赵午和清华大学工程物理系教授唐传祥联合发起了稳态微聚束试验,赵 午负责提供理论指导,唐传祥完成了实验 的理论分析和物理设计,并开发测试实验 的激光系统,与合作单位进行实验,并完成了实验数据分析。

2021年,唐传祥合作团队在《自 然》上 发表了题为“稳态微聚束原理的实验演  示”(Experimental demonstration ofthe    mechanism    of   steady-statemicrobunching) 的研究论文,报  告了新型粒子加速器光源“稳态微聚束”(SSMB)  的首个原理验证实验。

然后,清华SSMB 研究组觉得挺有价值,就向发改委提交了“稳态微聚束极紫外光源研究装置”的项目建议书。

本来这种科研的建议书,国家每年都能收个千八百份,但是这个建议书里面的一句话引起了有关领导的重视: “SSMB 能 帮助实现高功率、高重频、窄带宽的相干辐射,波长可覆盖从太赫兹到极紫外(EUV)  波段,有望为光子科学研究提供广阔的新机遇。”

等等!极紫外?这不是中国正缺的东西么?

要知道,中国之所以搞不定7nm 以下的芯 片,主要是没有EUV  (极紫外)光刻机,只有DUV  (深紫外)光刻机, DUV 光源为准分子激光,光源的波长能达到193纳米,如果拿来做芯片基本上只能做到25nm,Intel 凭借双工作台的模式做到了 10nm,  却无法达到10nm 以下,华为的  麒麟9000s是通过多重曝光,以牺牲良品 率为代价,才勉强做出了第一代7nm 的芯片。

而EUV 就不一样了,它通过使用高能二氧 化碳激光轰击液态金属锡激发极紫外光,光源的波长为13.5纳米,不到DUV 的十分之一,能满足10nm 以下的晶圆制造,并且还可以向5nm、3nm 继续延伸。

如果给个形象的比喻的话,就是我需要在一个萝卜上雕花,如果给我一把青龙偃月刀 (DUV),   那我的手艺再好也雕不出  来,而如果给我一把手术刀 (EUV),   那就能轻松完成了。

所以,制约国产光刻机制程的最大障碍, 就是EUV 光源,毕竟EUV 光源的研发涉及 到激光激发等离子体光源的实现、功率提 升、部件寿命等诸多问题,需要突破光学 物理学、材料学的边界,中国在这方面起 步晚,在西方国家技术封锁的情况下,光靠单打独斗是很难完成的。

而赵午和唐传祥的论文却给了国内决策领 域一个新的思路,我干嘛要跟着ASML 搞激光激发等离子体光源呢?

要知道, EUV 光目前有四种产生模式,同步辐射光源、自由电子激光、电激发等 离子体光源、激光激发等离子体光源,ASML 就是第四种,简称LPP-EUV。

既然我的最终目标是获得EUV 光源,那么 怎么获得并不重要,重要的是我最终获得我想要的光源,不是么?

所以,2019年美国制裁,下令不允许台积电和中芯国际为华为代工芯片后,2020年,国家发展改革委立项支持、中  国科学院高能物理研究所承担建设的高能 同步辐射光源项目 (HEPS)  就在北京怀  柔破土动工了,如今主体结构已经基本完 成了,首台科研设备也安装成功了,完全建成后将是中国首个高能量同步辐射光源,成为世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一。

虽然这个项目建设的初衷,并不是为了芯 片产业,而是单纯为了科学研究,但近年来随着中国芯片产业链国产化的不断进行,这个项目已经越来越被芯片业界所重视,可能会成为中国弯道超车的最大希望。

为什么这么说呢?

一方面,当然是因为ASML 的LPP-EUV 光 源技术路线太复杂,中国要攀登的话不是不行,但有3个指标是我们难以企及的:

第一,因为空气吸收极紫外光,所以所有光的制造和传送都须在绝对真空环境进行。第二,真空管里的锡液滴喷射量需要 达到每秒钟5万滴。第三,光源功率,要达到250瓦以上。

所以,哪怕ASML 公司,也要从美国Cymer 公司进口光源,全世界能生产极紫外光源的企业只此一家别无分店。

另一方面,是因为LPP-EUV 光源发展基  本上到尽头了。 LPP-EUV 光源是用高能  二氧化碳激光轰击液态金属锡激发极紫外光,波长很关键,但更关键的是功率。

我们都知道激发激光需要能量,而这些能 量,在转换过程中和光路中,大部分都损 失掉了,最终只有千分之二的输入功率,才能转换为最终的输出功率。

目前的一代光刻机,功率是250瓦(一台 微波炉的一半),造造14nm 和7nm 勉强 够用,但下一代的3nm, 需要500瓦,而1nm 需要恐怖的1千瓦!

但问题在于,人类可能永远都无法突破500瓦!

因为随着输入功率的不断增加,边际递减 效应也会增加,效果会越来越不好,所以 目前的认知, LPP-EUV 光源无法超过500瓦,目前Cymer 公司的一代光源是250瓦,二代光源据说接近了400瓦,再往上

就很难提升了。

那人类往1nm 制程攀登之路咋办?

没办法。

相反,这些问题对SSMB-EUV  技术路  线来说,都不是问题,因为它本质上和LPP-EUV 技术路线是完全不同的。

一方面,是它制造简单(对中国来说), 中国在1983年就已经开始研究SSMB,  目 前已经发展了四代,第一代其实用的就是 高能物理实验专用的高能对撞机,第二代用的是基于同步辐射专用储存环的专用机,第三代又加了磁铁组件,到了第四代,设备主要是直线加速器、增强器和电子储存环,这些零部件中国都能国产。

另一方面,它性能好,中科院的HEPS 储存环中电子能量达6GeV, 可提供300keV的高能X射线。作为第四代同步辐射光源, HEPS 储存环由48个多弯铁消色散单元构成,电子发射度更低,亮度比第三代光源要高出100倍!也就是说,在输入能 量差不多的情况下,功率比上一代高出100倍!完全达到光刻需求!

更妙的是,它可以以控制电子的方式,只 输出13.5纳米的EUV,  而且因为其光源输 出是平行的,所以连ASML 光刻机里面复 杂的光路设备 (EUV 需要反射11次,每  次都要损失30%能量)都可以不要,直接打在掩膜上进行光刻!

你看,这几乎就是天生为光刻而生的技术路线!

当然, SSMB-EUV  技术路线也有缺点,比如,体积大,没法像ASML 那样做成一个集装箱大小运输,而是差不多需要一个足球场大小。再比如,前期投入大,因为 需要盖房子,再加上里面的设备没有个几 十亿是下不来的。再比如,能耗高(相比 Cymer 公司的光源来说),和一个电解铝厂差不多。

但对中国来说,这完全不是问题啊!

比如,中国需要解决的是卡脖子问题!也 没有什么要往外卖光刻机的需要,所以体 积中国根本不考虑,更不用考虑要把体积 缩小到塞进飞机,你只需要给我搞出光源就行!至于地皮,有的是!

比如,中国基建能力全球第一,盖个“大  环形”房子还不是轻轻松松的?虽然加上  设备总造价可能需要十几台光刻机的钱, 但只要造完,光源完全能满足上百台光刻机的需要!

再比如,虽然运转整个系统需要较高的电 能,但中国缺电么?不缺啊!北京离山西一步之遥,要多少电煤分分钟给你运过来,而且因为这一个光源能带动上百台光 刻机,说不定单个光刻机的能耗,反而降低了!

所以, ASML 的模式, 一年生产个十几台 光刻机,基本上相当于手工作坊的模式,而中国SSMB-EUV,   才是工业化量产的思路!

设想一下,国家出面建设规模化、可共享、带接口的SSMB,  企业根据需求接入 自己生产线,然后在使用过程中厂家、科 研机构、国家决策部门研究讨论改进,统 一维护迭代, 一下子上百台光刻机一起开 动!分分钟能把芯片打成白菜价信不信?  那走ASML 技术路线的台积电和三星还咋造芯片? ASLM 还咋造光刻机?

如果想的更远一点,光刻机没法运输的问 题也不是没办法解决,默罕默德不是有句话吗?山不过来,我就过去,虽然这个SSMB-EUV  没法运输,但我可以开放给  外国使用啊!比如你是沙特,想买光刻机可能要等半年,但是如果你把厂子设在中国,接入SSMB-EUV  光刻厂,中国从上  游的原材料到中游的生产设备再到下游的 设备维护、成品运输都给你一条龙服务好你信不信?三个月让你投产你信不信?

如果都这样了,以后谁还买ASML 的光刻 机?这相当于直接把ASML 的根给刨了。

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