拳打ASML!俄罗斯自研超越EUV级别的光刻机是在“吹牛X”吗?
作者 | 物联网智库2022-04-14

本文来源智次方·物联网智库,转载请标明来源和出处

“机器一开,黄金万两”,这不是说的印钞机,而是不亚于印钞机的光刻机。近日俄罗斯宣布首期投资6.7亿卢布,派出俄罗斯莫斯科电子技术学院。目标剑指当今全球最先进的EUV(极紫外)光刻机。

拳打ASML!俄罗斯自研超越EUV级别的光刻机是在“吹牛X”吗?

“反正都是突围,从TND哪个方向突围不是突围啊?”当年一部现象级电视剧《亮剑》中,李云龙在苍云岭反扫荡中正面突围的剧情现在看来仍旧令人心血沸腾。而近日在半导体领域,面临美国芯片制裁的大棒全方位呼来,俄罗斯也打起了半导体制裁的“突围”战,并且也要“正面突围”。

从俄罗斯的计划来看,这次“突围”战可能不仅要打的成功,而且还要打出一片新天地来。为此,俄罗斯不仅制定了长期投资计划,首期投资6.7亿卢布(约合人民币5100万元),还派出了有着“国家队”之称的俄罗斯莫斯科电子技术学院(MIET)。目标也是相当不含糊,直接就是挑战当今全球最先进的EUV(极紫外)光刻机。

此消息一经爆料,立刻在国内引发了热烈讨论。与俄罗斯一样,受制于某些众所周知的原因,近年来国内半导体行业不断遭受重大打击,国民同样渴望先进的国产光刻机,打破漂亮国的技术“卡脖子”。对于俄罗斯自研光刻机,或许在一部分人眼中是“异想天开”的计划,然而如果冷静下来环顾思考,这何尝不是为我们提供另一种思路的可能呢?

比印钞机还值钱的光刻机

“机器一开,黄金万两”,这不是说的印钞机,而是不亚于印钞机的光刻机。如果你对这句话没有概念,不妨看一下阿斯麦(ASML)公司在近些年中的股价走势。根据东方财富网的数据显示,在近20年的时间里,ASML的股价从不足50美元翻了十余倍,尤其从2019年开始,股价更是一路飞涨,最高时一度接近900美元,近期其股价虽然有所回落,但仍高达594美元,总市值为2391亿美元。

然而事实上,ASML真正成为一家在半导体行业内呼风唤雨的企业,也未超过10年。早在上个世纪80年代,ASML仅仅是飞利浦旗下的一家合资小公司,算上老板共有31位员工。与之相比,它的对手却一个比一个威风、一个比一个雄厚,比如当时无可争议的巨头尼康。真正让ASML和尼康,甚至与世界拉开差距的,正是我们如今心中念念不忘的EUV光刻机。

简单来说,光刻机就是以光作刀,其本质与投影仪+照相机相差无几,就是把设计好的电路图投射到硅片之上。因此,在1970以前,现在看来高大上的光刻机的门槛并不算高。1977年我国最早的光刻机GK-3型半自动光刻机诞生时,现在的巨头ASML甚至还尚未出现,那么到底是什么掣肘了光刻机的发展呢?

“半导体行业皇冠上的明珠”绝非一句夸张之词。光刻机的原理虽然简单,但制造过程却十分不易。仅一台光刻机就由10万余个零部件组成,集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别等数十领域顶尖的技术。

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更重要的是,光刻机从半导体行业中独立而出形成了范围极广、内容极复杂的全球供应链体系。以ASML 7nm制程的EUV光刻机为例,其内部90%的关键零部件来自国外,有超过5000多个供应商,比如其中镜头来自于德国的蔡司,特殊的复合材料来自于日本,工业静谧机床来自于瑞典,先进控制软件、电源则来自于美国。

纵观ASML的成长史,其成功的背后更多的也是靠“朋友圈”,英特尔在1997年攒起来的EUV LLC联盟帮了大忙。当然,ASML为进入这一联盟也付出了巨大的代价,包括在美国建立工厂和研发中心,保证55%的零部件均从美国供应商处采购,甚至接受定期审查(美国可以禁止荷兰光刻机出口中国的原因主要原因),但这却为ASML“咸鱼翻身”埋下了伏笔。除了技术之外,2013年ASML收购美国的Cymer公司更是成了它现在能独占鳌头的关键。

拳打ASML!俄罗斯自研超越EUV级别的光刻机是在“吹牛X”吗?

因此,在2010年ASML出货第一台预生产的EUV光刻机时,虽然俄罗斯的一个物理研究所IPM(RAS)也在开发EUV的系统和元件,以及装置原型的搭建,并且取得了一些成果。比如开发人员提出的辐射源设计的原始解决方案,部分还应用到了ASML的光刻机上。但最终却还是以失败告终。

RAS首席研究员、苏联国家奖获得者、多层X射线光学系主任Salashchenko Nikolay甚至直言:一个国家是无法单独推动这项工作的,而全世界都在帮助荷兰(ASML)。

俄罗斯的美好愿望

很多人以为俄罗斯的光刻机制造计划是由于美国的制裁临时发起的,其实不然。上面提到俄罗斯在2010年时,甚至一度与ASML并跑。实际上,俄罗斯的光刻机相关研究早在上世纪80年代就开始了。当时负责研发同步辐射加速器的是泽列诺格勒科学中心,后来被并入了大名鼎鼎的库尔恰托夫研究所,苏联第一颗原子弹、第一颗氢弹、欧洲第一座原子反应堆、世界第一座原子能发电站,皆出自它手。

而此次负责这项计划的是MIET,是俄罗斯的一所国立研究型高等院校,1965年成立至今已过半百。而该校的特色学科就是微电子学、信息技术和计算机工程。学院共有学生6500多人,其中研究生250多人、副博士(按照欧美及中国学制为Phd学位)270人、博士5人。

在经历了一轮的失败后,俄罗斯这次计划选择不同于ASML的极紫光技术的路线,而是基于X射线的无掩膜式光刻。

首先从光源的选择来看,一种是极紫外光线,波长在13.5nm,另一种为X射线,波长介于0.01nm至10nm之间。光刻机的架构及技术很复杂,但决定光刻机分辨率的主要因素只有三点,包括常数K、光源波长和物镜的数值孔径。波长越短,分辨率就越高。因此,在光源选择上来看,理论上X射线比EUV极紫外光线更短,分辨率也就更高。

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其次从生产的成本和方式来看,EUV光刻机是特定波长的光透过用来放大的掩膜,再通过透镜的缩小,将集成电路精确的“投影”在硅片上。而X射线虽然波长更短但穿透性也更强,用普通透镜无法进行放大和缩小,因此也就无法实现投影光刻,而是采用直写光刻的方式。这样一来,光刻机也就不需要光掩膜板,可以节省一大笔成本。

正是因为X射线光刻机的这两点优势,当地媒体甚至宣传这将是全球都没有的光刻机,ASML也做不到。当然事实也的确如此,根据媒体信息披露,X射线光刻机虽然并不是新技术,包括美国、欧洲、中国等都对此进行过研究,但全球确实至今没有能达到规模量产的x射线光刻机。

另外,X射线光刻机的工作效率也是一大挑战。对于直接通过强激光束将所需电路一点一点雕刻在硅片上的方式,这个效率想要实现纳米级集成电路确实不敢恭维。

根据计划,俄罗斯针对X射线工艺及效率的提升,计划将完成对主要技术解决方案的验证,包括基于动态掩膜模型的制造和两项控制实验研究。最早将于今年11月开发动态掩膜的技术和模型,以及原型光刻机的技术规范和可行性研究,工艺要达到28nm及以上。

给国内半导体发展的启示

长久以来,国内半导体的发展现状一直“以买代造”,然而一轮大棒挥下发现,钱财买得来产品却买不来核心技术;市场换得来投资却换不来行业创新。更难的是,随着美国禁令加剧,现在产品和投资进入国内企业的可能也不容乐观。

从技术来看,尽管国内半导体产业已经有了前所未有的使命感,并在一些关键技术上取得了突飞猛进的发展,但短期内想要突破EUV光刻机无疑还是不可能的任务。也难怪一名欧洲高级专家曾直言,“就是给你们全套图纸,你们也做不出来”,当然我们后来打了他的脸,但面向更高级别的EUV光刻机,虽然不质疑国内企业的能力,但实际困难毕竟摆在那里,不能视而不见。

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当然,跟随只能永远落于人后,无论从通信历史来看,还是国内已经领先的领域来看,想要后发先至,就必须在追逐中实现“弯道超车”,这样才能避免步步跟不上对手。在“是否能绕过EUV光刻机”的探讨中,国内也在不断尝试。

比如去年华为披露的“双芯叠加”专利。华为轮值董事长郭平曾公开表示:“解决芯片问题是一个复杂的漫长过程,需要有耐心,未来我们的芯片方案可能采用多核结构,以提升芯片性能。”“双芯叠加”实际上就是通过修改设计逻辑和先进封装工艺,将双层的技术做到低端制程、高端性能。虽然这一消息曾在去年被网友百般嘲讽,但随着今年的小芯片概念普及,特别是苹果将两个M1 max芯片合成M1 Ultra之后,让更多人开始关注到摩尔定律失效后的探索。

除此之外,发展半导体作为一项国家战略,政府与企业之间也应该长期而富有战略性的引导和投入,一方面政府与企业共同承担风险,做企业背后的支柱;另一方面,通过技术联盟,集合国内半导体产业上的优势力量,也是半导体突围战的必要举措。

最后,技术创新需要以人才为动力。任正非曾说过,“做芯片光砸钱不行,还要砸人。目前这种形势,我们确实会受到影响,但也能刺激中国踏踏实实发展电子工业。过去的方针是砸钱,芯片光砸钱不行,要砸数学家、物理学家等。”

参考资料:

1.《投资6.7亿卢布,俄罗斯宣布研发X射线光刻机!比ASML的EUV光刻机还要先进?》,芯智讯

2.《给我们全套图纸,中国人都造不出高端光刻机?!》,财经国家周刊

3.《光刻机大败局》,远川科技评论

4.《大国博弈光刻机,中国如何破局?》,正和岛

5.《美国断供芯片,俄罗斯决定从头开造光刻机》,量子位

6.《国产光刻机的发展史回顾》,半导体行业观察

7.《ASML的光刻机霸主之路》,半导体行业观察

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