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国产光刻设备技术突破为何会引轩然大波?

时间:2018-12-07 作者:余鹏鲲 阅读:
目前各大半导体制造商宣称的线宽和早期半导体制造所使用线宽一词存在很大的差异,其实际生产芯片的典型线宽往往要宽于宣称的工艺制程不少。

《解放军报》在月初刊登了一条重量级的消息,中科院光电所可加工22nm芯片的“‘超分辨光刻装备项目’通过国家验收”。在不长的新闻通稿中,军报以“该光刻机”形容该光刻装备项目的成果。军报下属的新媒体平台早在11月29日就公布了这个好消息。BxVednc

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(自主研制的超分辨光刻镜头) BxVednc

年初的“中兴事件”暴露出我国基础软硬件尚有若干短板,其中半导体制造的短板尤为突出。而半导体制造的核心装备高端光刻机几乎完全被荷兰ASML垄断,因此国产自主光刻机研制成功的消息无疑令关心中国信息产业发展的人倍感振奋。BxVednc

消息刚出的第一天舆论的反应也几乎都以赞扬为主,可很快由于报道中缺少一些关键信息质疑的声音多了起来,而且其中不乏理性的声音。BxVednc

想要更客观地评价自主超分辨光刻装备项目的诞生对中国半导体制造产业的意义,就势必要对上述正反两面的观点进行一个梳理。BxVednc

因此笔者目前只能做排除法,对荒谬的看法进行驳斥,对值得商榷的观点提出自己的意见。BxVednc

有些正面报道和解读还需继续思考和深化

值得注意的是,目前官方出于保密等种种原因披露的消息仍然偏少,因此还无法真正完全准确客观地对该自主光刻设备进行评价。目前公开的消息虽然非常激动人心,但对于少数性能和产业化方面的关键内容还缺乏详细的陈述和数据的支撑。BxVednc

比如军报记者说到该光刻设备“光刻分辨力达到22纳米,结合双重曝光技术后,未来还可以用于制造10纳米级别的芯片”。由于分辨力与各大半导体制造厂的宣称制程之间存在较大的差异,因此这句话事实上存在前后矛盾的问题,这点也成为质疑者提出的最有力的问题。BxVednc

目前各大半导体制造商宣称的线宽和早期半导体制造所使用线宽一词存在很大的差异,其实际生产芯片的典型线宽往往要宽于宣称的工艺制程不少。根据著名的电子行业情报咨询公司TechInsights 2016年的一份调查,宣称制程达到14/16nm的公司中,英特尔的典型线宽最小为24nm,三星和台积电的典型线宽还要大得多。BxVednc

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(各半导体制造商的典型线宽都比宣称的制程要大) BxVednc

由于目前只有台积电和三星量产了宣称达到10纳米制程的产品,其典型线宽按披露的数据看大约在22-26纳米之间,因此22纳米的线宽分辨力实际上就是10纳米级别的芯片。上述报道中存在的矛盾之处确实需要相关人士进行解释。BxVednc

赞美该自主光刻设备的人群有一种看法就是该项目所采用的表面等离子体(SP)光刻加工技术远优于现行的现在的光刻机,随着技术的发展必将对现有技术形成吊打。BxVednc

某网站将其形容为原理性的胜利,并且认为现阶段自主光刻机与ASML的光刻机相比是不完善的火药枪与弓箭的差别。BxVednc

这种观点无疑是大大夸大了此次自主光刻设备的技术优势,甚至有点盲目乐观的味道了。诚然此次自主光刻设备由于采用了表面等离子体技术,使得光源的波长与线宽之比大大提高。由激光直写、激光干涉等技术的2-4:1提升至现有的17:1。这意味着用该自主光刻设备生产半导体的光源成本将大大降低,同时还将绕过西方发达国家在半导体领域经营数十年的专利壁垒,并且新技术还有较大的潜力可以挖掘。BxVednc

不过同时走一条新路也即意味着需要进行艰辛地探索,现有半导体制造经过几十年的发展已经相当成熟了。新制程的诞生除了带来功耗的降低之外,对芯片的性能提升的作用很小了。这意味着自主新光刻工艺很有可能只有少数玩家,很难形成席卷行业的潮流,也很难进行技术交流以取长补短。BxVednc

因此选择新技术的自主光刻设备更多地是从技术储备和绕过西方的专利壁垒的考虑。在该技术发展成熟之前,不宜盲目的鼓吹。BxVednc

反对的一方也有不少问题

12月1日网络上出现了一篇标题出现了“真相”字眼的文章,文章引用了来自匿名专家的观点,提出了不少富于建设性的问题。比如光刻分辨力22纳米就是10纳米芯片典型工艺的问题就是该文首先提出的。BxVednc

不过在针对本次自主光刻设备是否能应用到现有的电子芯片生产中以及该自主光刻设备是否是“世界首台”的质疑中,该行业匿名专家的批评显得过于机械和严厉了。BxVednc

首先对于能否应用到现有电子芯片生产中的问题,该文章的说法是不能。据他所引用的匿名专家所说:“这个技术和我们熟悉的半导体集成电路完全无关,无法应用在集成电路领域”“适用于特殊应用,类似的应用范围是光纤领域,5G天线,或者是他们自己演示的用于科研领域的单光子探测器”。BxVednc

此外该文还引述了水木社区的一个帖子,发帖的网友展示了据说是截自知乎的一个图片。图片中的知乎用户宣称自己就来自于中科院光电所,该设备“可以做简单的线,点,光栅部件,拿来做刻芯片这种超级复杂的IC制造是完全没有可能的”,该用户同时还抱怨媒体胡乱报道进行炒作。BxVednc

对于该文的质疑,笔者认为所谓知乎“深喉”爆料可信度不高,甚至目前连是不是真的有这样一个回答都是个问题,不值一驳。该匿名专家的话倒是非常符合该技术过去的一些应用情况。BxVednc

那这次国产光刻设备呢?该文章在这里打了个马虎眼,说该技术只能生产简单元件,问题是简单元件本来就是模糊不清的定义。不过早在11月30日凌晨央视13频道的《午夜新闻栏目》中,该项目副总设计师胡松就说到该设备可以加工十毫米乘十毫米范围的芯片。BxVednc

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(该项目副总设计师披露的设备性能情况) BxVednc

当然你要硬说面积100平方毫米的芯片是简单的元件也不是没有道理,不过大多数探测器和传感器也比这要小。甚至连苹果的A11芯片核心面积也就87.66平方毫米,而华为手机搭载的麒麟970芯片也就是96.72平方毫米。BxVednc

用动辄200-300平方毫米甚至更高的桌面CPU或显卡芯片来衡量该国产设备,把不符合这一标准的芯片都叫做简单元件似乎有点过分苛刻了。BxVednc

该文同时还指出该项目宣称的世界首台是有问题的。一方面文章继续引述知乎用户的话说“这个设备实现了激光束22nm(国内肯定是领先的,国际上肯定是落后的)”。一方面受访的匿名专家表示“这一技术并非中国首创,国外有很多实验室也做出了成品验证机,效果还优于中科院,甚至都达不到国际领先的程度”。BxVednc

同时文章还把该专家提供的一幅国外同样使用表面等离子体光刻技术的图案与新闻中自主光刻设备的图案进行了对比,认为“从他们演示的图形就可以看到LWR粗糙,歪歪斜斜,图像保真度非常低,只能作为技术验证,不能作为真实生产,更不要说量产可能了”。BxVednc

由于该专家未能公布图像来源,笔者也未能在英文文献中找到类似的图形,姑且认为该匿名专家提供为真,并将对比图贴在下面。BxVednc

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(左图为该匿名专家提供的疑似国外50nm同原理的图像,右图为该自主光刻设备新闻发布时的配图) BxVednc

笔者认为从种种迹象而言,该匿名专家确实专业,非常了解国外该技术的现状,不过没有充分的了解国内本次自主项目的一些相关情况。笔者注意到该专家提供的国外技术团队的图片角标为50纳米,而国内的为22纳米。BxVednc

显然线宽更小的样品放大倍数必须更高才能生成同样大小的图案,而且新闻中摄像机与图片的法线夹角非常大,也很容易让人产生歪歪斜斜的印象。下图中笔者从该所研究员在《科学通报》发表的著名文章《表面等离子体超衍射光学光刻》中截取了自主技术分别在线宽45纳米和22纳米照片,并与该匿名专家提供的疑似50纳米线宽图像进行对比,事实证明45纳米线宽下自主工艺与疑似国外的质量差距非常小。BxVednc

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(左上图为该匿名专家提供的疑似国外50nm同原理的图像,右上图为45nm自主工艺的图像,左下角为自主工艺22nm的图像,右下图为该自主光刻设备新闻发布时的配图,展板上的图片疑似与左下角同一张图片,由于角度问题显得线路更歪一些) BxVednc

同时,该匿名专家也未能提供该国外实验的背景。要知道实验室研究主要追求的是速度而非良品率。因此实验操作人员很难像工业生产一样按照最严格的操作流程来,不能简单地就以一幅图像下结论。BxVednc

同时,笔者未能找到采用相同原理且线宽同样达到或超过22纳米的英文文献,所以暂时不能就该设备是否是“世界首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备”下结论。但是笔者同时认为只要国外没有公开这样的设备,哪怕所谓的分辨力最高有强行蹭“世界首台”的嫌疑,也不能说这就是假的。BxVednc

面对技术突破要有雅量也要客观评论

当国内科研工作者做出好的成果时,宣传部门出于及时向全国人民报喜的考虑,往往不能提供反面的评论。即使提出一些问题,更多的还是以普通人的视角去提出。因此公开之后,往往会有始料未及的批评,甚至像贺建奎“基因编辑婴儿”一样出现舆论反转。BxVednc

因此做出技术突破的部门要对批评更有雅量,甚至于主动地自我批评,在公布时适当对成果的局限性做一些介绍,如此公众方能更加科学理性的进行支持。BxVednc

同时批评者也应当尽可能地从该项目本身出发,就事论事公正客观地看待国内的技术突破。同时批评者除内部曝料人外即使出于种种原因不实名进行评论,也应当尽可能公开依据的来源以方便读者真正做出自己自己的判断找到真相。BxVednc

(原文发表于科工力量微信公众号)BxVednc

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