| 中国的光刻机有戏吗？ |
| 送交者: 2023年03月02日19:10:56 于 [世界时事论坛] 发送悄悄话 |
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千吹百恋 有两个名人很有意思，一个是林毅夫，生于台湾，后定居大陆，是北京大学国家发展研究院名誉院长。另一个是张忠谋，生于大陆，后创业于台湾，是台积电的创办人。他们的人生轨迹相反，一个从台湾到大陆，另一个从大陆到台湾。更有趣的是他们对大陆半导体的发展的看法也截然相反。张忠谋说中国造不出EUV光刻机，所以举全国之力也造不出高端芯片；林毅夫则在两年前就放出豪言壮语：“以我们现在的经济、科技和产业实力，短则一两年、长则三五年，都有希望突破。” 如今两年过去了，中国大陆的EUV光刻机真的有希望突破吗？林毅夫和张忠谋的看法谁更有道理呢？ 回顾过去，中国大陆确实也有过科技上的重大突破，重要的象两弹一星、火箭和太空站。此外还有很多在一般的领域，象此前中国大陆被嘲笑造不出圆珠笔芯的钢珠。后经过科研技术人员的攻关，还真造出60吨之多，足以让全世界用上10年。 只是，EUV光刻机比以上所说的都难。就算以“集中精力办大事”的方式去努力，也未必能在短期内见效。原子弹是第一号国家机密，人民币的制作是第二号，如果EUV被攻克，可能要排在零号吧。 写到这里，忽的想起一件事来。那是二战期间的大事。二战中美国参战后，就开始和英国合力对德国展开大面积轰炸。如钢铁厂、橡胶厂、飞机厂、汽车厂......德国的鲁尔工业区被炸得浓烟滚滚，但德国的战争机器并没有明显的削弱。美国的炸弹是有限的，飞机的损失量也很大，怎么办？怎样才能让有限的炸弹炸得德国的战争机器被明显削弱呢？那就必须找到德国军工的死穴。 这时，苏联经济学家，后来的诺贝尔经济学奖获得者瓦西里 列昂惕夫通过对德国军工体系进行系统分析，很快找到了几乎所有军工产品都要用到的东西----轴承！而德国的60%的轴承是在一个仅有4万人口的小城镇----巴伐利亚州的魏施因富特生产的，于是，美国飞机蜂拥而至，彻底摧毁了那里的轴承厂，于是大大缩短了二战进程。诺曼底登陆后，盟军发现德军居然大量使用牛车来运送战争物资，这怎么挡得住巴顿军团的钢铁洪流呢？ 中国改革开放四十多年来，科技的进步是有目共睹的。其中以华为的进步最为抢眼，在手机通讯领域曾经技压群芳，华为手机的销量曾压过三星和苹果，荣登世界第一的宝座。美国苹果是华为的师傅，华为的许多经营策略和技术指标都学习借鉴苹果公司的。现在居然是徒弟要超过师傅了，师傅自然心里会不是滋味。商业竞争其实就是没有硝烟的战争。美国人的经济头脑也是拔尖的，很快就找到中国科技的死穴----高端芯片。确实如此，随着美国实行对华禁运高端芯片，华为的5G手机就在不久后便消失了。 其实，芯片在信息时代的重要性，比战争时代军工产品里的轴承的重要性显得更为突出。有些人自认为，芯片没那么重要。而且国内的中低端芯片也可以满足80%的市场需求。如果一个大国的重要决策者有这种观点，那将是很致命的，因为商业和战略竞争表面上看不见硝烟，所以有些人并不觉得芯片落后有多可怕。如果在战场上，那么，芯片的优劣所导致的后果就可以立竿见影。比如，未来战争要大量用到机器人战士，如果交战双方的机器人战士中做为指挥中枢的芯片性能略有差异，那么，其中的一方哪怕是只比对方迟了0.1秒计算出对手的位置，那么就是死定了，就象电影《兵临城下》里瓦西里最后先发现德军狙击王的情景一样，在德军狙击王被瓦西里先发现并锁定时，其实他也只要用半秒就可以举枪打死瓦西里，但这半秒之差就是阴阳之隔，他没有机会了。 芯片的原理不难，人类的头脑能想到的东西，远远超出现有设备能够产出的范围。世界上大多数芯片是根据PN结的单向导电原理来设计制作的。PN结正向导电了就代表“1”，反向不导电就是“0”，这样就可以通过半导体工艺技术在硅片上进行涂胶、光刻、清洗、扩散注入硼原子和磷原子而形成数以亿计的PN结，制作成芯片，这样就可以进行0101的二进制运算，然后再把二进制的计算结果换算成十进制。比如二进制的0就对应十进制的0；二进制的1就对应十进制的1；二进制的10就对应十进制的2；二进制的11就对应十进制的3；二进制的100就对应十进制的4......，以此类推，这样在一个芯片里PN结越多，就越能够轻易地进行运算，PN结越多就越能处理越复杂的数据，这样运算速度就越快。 芯片制造的步骤精细，不论是晶圆制造、氧化、光刻、清洗、刻蚀、离子注入、磁控溅射和封装测试等，每一步都很重要。只是因为光刻是决定芯片PN结晶体管数量多少的最关键的核心技术之一，因此光刻机的性能才显得尤为关键。
如图所示，光刻机有三大核心组件，即光源、光学仪器和双工作台。光刻机要达到光刻芯片的最小极限，首先光刻机的分辨率(Resolution)要达到目前人类所能达到的极限。光刻机的分辨率表示光刻机能清晰投影最小图像的能力，决定了光刻机能够被应用于的工艺节点达到几奈米的水平。根据瑞利公式： 公式中R代表分辨率；λ代表光源波长；k1是工艺因子参数， NA(Numerical Aperture)被称作光学系统的数值孔径，是光学镜头的一个重要指标。由公式可知，可以通过减小工艺因子参数、增大光学系统的数值孔径、减小曝光光源的波长都可以提高分辨率。而EUV光源部分就是目前所能够达到的最小的极紫外线波长。在2005年左右，EUV光刻机已经发展到了尽头，半导体工艺已经很难光刻28奈米以下的芯片了。正当人们一筹莫展时，美国Cymer公司宣布他们在极紫外线（EUV）光源方面取得突破，极紫外线波长达到只有13.5奈米。他们用20kw的激光，不断轰击从空中滴落的液态锡珠。这些液滴的直径非常小，只有20微米，大概相当于头发丝直径的1/3，并且液滴在真空环境中是处于自由下落的状态。而且同一个液滴需要在极短时间内被连续轰击两次，第一次冲击是将它压平，第二次冲击是将它汽化，使之成为发光的等离子体，这样才能产生足够强度的极紫外光。更重要的是，轰击所产生的光转瞬即逝，因此需要每秒钟轰击约五万次，才能保证光的持续性。当Cymer公司的EUV光源应用到ASML的光刻机上时，由于光源波长的大大减小，使得EUV光刻机分辨率大大提高，能够加工7奈米以下的芯片，全球半导体行业由此实现了大跃进。目前世界上只有两家公司可以制作EUV光源，一家是Cymer，另一家是日本的Gigaphoton。但就在上个月，媒体报道了哈工大也成功研制出EUV光源，如果是真，那确实要给予点赞。 提高分辨率的另一途径是增大光学系统的数值孔径，ASML EUV光刻机的光学系统是德国蔡司提供的，重点是全世界只有蔡司能够制造出EUV所需的这套光学系统。对于传统的光刻机如DUV，就是类似于摄影的工艺。通过透镜聚焦紫外光线，即可在硅晶片上刻出设计好的电路的图案。因此DUV光刻机不仅仅是德国蔡司的镜头可以达标，日本的尼康也可达标。实际上DUV光刻机就是一部高精密度的大相机。可是DUV的镜头不能用到EUV光刻机上。因为光学透镜只对可见光有效，对极紫外线是无效的，它无法被任何透镜聚焦。而且极紫外线也只能在抽真空的环境下传播。为了让比较微弱的极紫外线光能够传输到芯片上，德国蔡司想出了一个利用光学布拉格反射器原理，布拉格反射器（distributed Bragg reflector，DBR）是在波导中使用的反射器。当光经过不同介质时在界面的地方会反射，反射率的大小会与介质间折射率大小有关，因此如果我们把不同折射率的薄膜交互周期性的堆叠在一起，当光经过这些不同折射率的薄膜的时候，由于各层反射回来的光因相位角的改变而进行建设性干涉，然后互相结合再一起，得到强烈反射光。 ASML公司的EUV光刻机中所采用的德国蔡司反射镜是通过将钼和硅的多层膜设置成恰好是EUV波长的1/4，因而介质的两面反射的间隔就正好是波长的1/2。这样就发生了“消相干涉”，使得反射光的强度得到增强。钼硅多层膜介质层在EUV光刻机中设置了40多层，每一层的厚度不到4奈米。
由于现在能够生产这么高超的反射镜的公司唯有德国蔡司一家，实可谓一枝独秀。据报道国内的长春光学仪器也在日以继夜地研发，但与德国蔡司相比，还相差甚远。 国内光刻机研制的落后，也有着很令人深思的历史上中国社会结构中深层的原因。中国自古以来，就是以官治民的社会，当官对于子民来说，犹如鹤立鸡群，地位崇高。中国社会学而优则仕的观念可谓根深蒂固。然而实际上并非每个学而优者都适合当官的。更主要的，社会的发展进步并不是说仅仅靠少数官员就可以推动的。全社会的繁荣要靠各行各业平行发展，需要“不拘一格降人才”，因此“学而优则仕”应该变为“学而优则试”，让各个学科的莘莘学子在学成之后都有机会在自己擅长的和喜爱的领域去一展身手，去尝试钻研。中国的政府机构要对科研人员给予全方位的支持和发自内心的尊重，让他们在学术领域不断深入研究，而不是把科长、处长、局长等位子放在那里，谁出成绩就对应当什么长。其实很多搞学问的，并不喜欢当官，再说理工学生学成后去当官，其实也是浪费，象清华出身的朱镕基、胡锦涛和温家宝等，如果能够潜心于科技，可能对中国的社会繁荣起的作用会更大。再说，官位的数量也是有限的，也容不下那么多莘莘学子，于是那些民族精英们在学成之后或即将学成之时，往往会有一段既没有仕途，又没有钱途的迷茫期，于是就去国外留学，然后为数众多的精英们就留在国外的科研机构，如在美国的硅谷，成了外国科技的骨干。 中国如果要振兴半导体工业，必须要有长远的发展计划，要从根本上改变思想观念。要对半导体科研人员给予各方面必要的支持，还有对他们给予发自内心的尊重。从事半导体行业是十分枯燥的，是那些沉迷于灯红酒绿的人无法想象的。他们整天都在净化厂房里，全身包得严严实实，连上洗手间都很麻烦，有时候为了获得一个数据，一整天都说不上几句话，就是在机器前逐步调试，收入还低得可怜，类似于当年制造原子弹的人收入不如烧茶叶蛋的人那样。而且他们兢兢业业地埋头苦干还被那些整天吃香的喝辣的的人看不起，被那些社会的蛀虫们当做傻帽。这样的社会环境是不可能让国内的半导体工业兴旺的。台积电的兴旺，就是靠那些默默耕耘的工程师们不断的调试出来的，而这些工程师在台湾受到政府官员和民众崇高的尊重，也得到国际社会包括西方社会的赞赏。中国社会若要振兴国内的半导体工业，就必须提供让投身于半导体科研和生产的科研人员和生产机构的工程师们有施展身手的舞台和给予他们应有的尊重。只有这样才会让从事国内半导体科研的研究人员和半导体工艺的工程师潜心工作，如果还能形成良性循环的环境让海外从事半导体行业的精英们天下归心那会对精益求精的半导体工业的发展更有利。当然，必要的财务监管是必须的，否则难免会有象“汉芯事件”那样的类似的事件发生。 中国的光刻机的研制，现在都说是起步较晚，其实早在1977年，中国就研制出了一台GK-3型半自动光刻机，而那时候ASML公司都还没成立，所以实际上中国的起步不算很晚。只是因为中国的半导体研究很多都是停留在实验室和小规模的生产，而西方尤其是美国，却形成了一个巨大的市场，巨大的市场需求，带来丰厚的利润，这样一部分利润再投入研发，又研发出更好的产品，投入市场又带来更丰厚的利润，于是形成了良性循环。国内因为没有这样的良性循环，因此，半导体产品和生产设备包括光刻机都落后西方好几代。好在中国现在也形成了一个良性循环的半导体市场，尽管尖端半导体工艺和EUV光刻机的制造非常困难，但那也是人造的，不是神造的。只要是人造的，中国人就一定会最终造出来，只是什么时候才能造出来，会落后西方的时间是多长罢了。不论将来量子芯片会不会弯道超车，传统的硅基芯片因为是经过一步一个脚印踏踏实实地发展过来，有着良好的稳定性，在可预见的将来，都会有广泛的用途，因此高阶芯片是绕不过的坎，只有把EUV光刻机制造出来。只是目前ASML的EUV光刻机合成了当前世界上最好的光源制造商、最好的光学仪器制造商（德国蔡司）和最精密的自动化设备制造商，几乎囊括了全人类在力学、光学、机械、自动化、精密仪器、高分子化学、和图像识别等最尖端的技术，所以中国若想造出EUV光刻机就象是一位十项全能运动员要打破或至少追平十项中的每一项的世界纪录而不仅仅是总分的世界纪录一样，所以，林毅夫说的三五年攻克可能是太乐观了些，三五年的时间是难以造出的。但也不会象张忠谋说的那么悲观，中国不会永远也造不出EUV光刻机的。 中国的光刻机何时能够造出来，不仅仅国内的民众在看，中国的竞争对手也在看，在中国四周的邻国更是关注。中国只有成为“打不死的大强”----美国禁什么，就在不太久的将来造出什么，这样周边的众小弟们（如朝鲜、老挝、柬埔寨、巴基斯坦、尼泊尔和阿富汗等）才会心悦诚服地依附着中国，俄罗斯和印度这两个大国才会真心实意地比现在更加大和加深与中国之间的来往，蒙古届时也不得不面对现实，浪子回头通过内蒙与原母国加强经贸往来，这样在中国的周边就会形成一个人口大约是全球人口一半的巨大的经济圈。这个经济圈一旦形成，中国就是名副其实的超级大国了。如果到时候中国的高铁能通向阿拉伯世界，再分别通向欧洲和非洲，那么一个亚欧非三大洲的经贸一定会越来越兴盛，那时候核电可能也从现在的核裂变发电升级为核聚变发电，电力将用之不竭而且费用十分低廉。那时候全世界将成为一个以电动高铁和电动汽车为主要交通工具的生机勃勃的世界，那时候估计中东没有什么人会去当什么恐怖分子，索马里和埃塞俄比亚也没什么人去当什么海盗了吧。 |
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