餘鵬鯤：清華光源對自主光刻機追趕突破意義大嗎？

【文/科工力量專欄作者 餘鵬鯤】

近期，清華加速器光源的重大突破在《自然》上發表和武漢弘芯基本宣佈死亡的新聞幾乎同時發生，一生一死、一喜一悲的兩件事撞在一起，構成了中國半導體產業的隱喻。

SSMB原理驗證實驗示意圖 圖片來源：《自然》

有人説：“清華大學的新成果，驗證了SSMB的原理，自主光刻機有希望了”。時間倒回到2017年，弘芯成立時，肯定也有人説：“弘芯要在三年內分別建成14nm和7nm的生產線，中國半導體有希望了”。

德淮半導體、晉華、中晟宏芯、格芯、華芯通、德科碼、弘芯……近年來，一大批寄託着中國芯片生產設計希望的企業倒下了，殘酷的現實讓人們不得不重新思考“希望”一詞的含義。從辯證地角度看，任何事物都有兩面性，世界是在運動的，自然一切和半導體生產有關的項目，都是有希望的，而且這個希望會運動、會發展，是有可能變成事實的。過去輿論的主流，是這麼看待上馬半導體新項目的。

但是客觀地把握事物的矛盾，既要堅持兩點論，更要堅持重點論。剛出生的蛋，那就是蛋，只有即將破殼的蛋，才能被稱為小雞。同理，只有1%甚至1‰的希望的項目，不能稱為有希望。哪怕有10%甚至更多的希望，也可以認為是沒希望。一味地強調有希望，但拒絕進一步評估時間點和可行性的項目都是對發展機遇和投資資金的浪費。

值得慶幸的是，絕大多數普通民眾已經開始用這種成熟地心態看待中國半導體突破。

2月25日，清華大學工程物理系教授唐傳祥研究組與來自亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心（HZB）以及德國聯邦物理技術研究院（PTB）的合作團隊在《自然》（Nature）上發表了題為“穩態微聚束原理的實驗演示”的研究論文，報告了一種新型粒子加速器光源“穩態微聚束”（SSMB）的首個原理驗證實驗。根據媒體報道，SSMB可能製造更高功率的EUV光刻光源，有望為光刻機自主研發提供重要支撐。

在這個新聞的下面，很多網友從論文發表、技術落地、保密和技術協作方面發表了很多意見和建議。從這些建言中，我們既感受到網友盼望中國半導體自強的迫切願望，又體會到近年來芯片設計和生產項目頻繁失敗對民眾熱情的打擊。

那麼作為尖端科技突破的SSMB光源，在十年內，能幫助高端自主光刻機實現有效追趕嗎？還是幾乎沒有成功的希望？

很不幸，這一技術突破屬於後者。

SSMB光源短時間內難以產業化

當然，首先要聲明的是，SSMB光源不是弘芯這樣程序有問題的項目，它誕生的流程是科學的規範的。SSMB光源更不是漢芯這樣存在欺詐的項目，它的意義是重大的、明顯的，代表了中國粒子加速器和同步輻射領域的頂級水平。也確有可能成為國產EUV光刻機的技術方案，就是可能性很可能遠小於合理水平。

但如果SSMB光源走的是產學研聯合的道路，不可能不與國內外的企業進行合作。而企業出於自身利益的考量，是不願意捂成果的，不會幹三年不鳴、一鳴驚人的事。從企業的角度出發，這一點非常好理解，哪怕是提前將消息放出去，也能起到打擊競爭對手、吸引投資、引導高校和其它企業研究的作用。因此如果是SSMB光源是產學研聯合項目，只要不是因為國防保密，相關新聞應當早就有了。

此外，SSMB光源的合作團隊亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心（HZB），也激起了懷疑。對普通人而言，HZB是一個陌生的名詞，而在材料圈，HZB則家喻户曉。它出名的原因，正是喜歡和全世界的科研機構進行合作，合作的項目具備以下一些特點：

週期特別長，例如這次SSMB光源的驗證試驗，僅試驗本身就花費了整整三年，更不用説還有前期積累和理論論證。由於涉及的物理效應多、實驗難度大，清華團隊成員曾先後8次前往柏林，參與從實驗準備到操作的各個環節。

試驗成本特別高昂，以近年來的幾個例子為例，HZB曾經和英國劍橋大學、倫敦帝國理工學院、俄勒岡州立大學、印度塔塔基礎研究院、清華大學、蘇州大學、浙江大學、波茨坦大學、加州理工大學、瑞典林雪平大學、伊爾梅瑙理工大學、巴西核能研究所、加拿大國家農業研究所和弗勞恩霍夫太陽能系統研究所在鈣鈦礦、有機半導體和複雜的納米複合膜方面開展了大量的合作研究。這些試驗的耗材成本（不包括已有儀器和投入的人力）至少都在幾十萬人民幣以上，幾百萬人民幣的也不鮮見。

論文發表期刊極其高端，與高昂的試驗經費相符的是，這些合作發表的論文也特別高端，基本都是各領域的頂刊，也有很多是《Nature》的子刊，《Nature》的正刊也為數不少。

學術影響力特別大，由於HZB聘用人員眾多，且對中國研究者較為開放，我國幾乎所有雙一流高校都有在HZB的有研究經歷的學者。這一點也並非我國僅有，很多國家的科研機構都出現了類似的現象。

研究的成果大部分屬於“實驗室特別行，實用效果一言難盡”的類型。如果説前面的幾點是對HZB的讚美，這一點就是對HZB的批評了。這並不是研究者的能力問題，鈣鈦礦、有機半導體、複雜的納米複合膜等領域，離開了試驗室能不能實戰，有沒有市場競爭力早就是圈內人眾所周知的秘密了。

當然，整個亥姆霍茲國家研究聯合會，就是着眼於前瞻式的基礎研究。既然是基礎研究，那麼二十年乃至更長的時間不能實用也很正常，進一步説，科學研究是要允許失敗的。

但是自主光刻機不是完全的科學研究，更不是所謂的基礎研究，如果10-20年後我們仍然不能實現純自主地量產40nm的光刻機，那麼整個中國半導體產業就被動了。

通過文獻傳遞的方式，筆者獲得了該文的原文，發現除了引言和引用之外，沒有任何其他位置提到EUV（極紫外線）或者光刻（lithography）。通篇閲讀下來，這就是一篇典範的同步輻射和粒子加速器的文章，主要的貢獻也在這些方面，對於光刻機光源而言，該文的貢獻是相當次要的。這是筆者認為SSMB光源很難成為推動自主光刻機補課追趕先進國家水平的主要原因之一。

簡單地進行對比，該文正文中出現EUV的次數為4次，出現光刻的次數為1次，出現加速器的次數為7次，出現同步輻射的次數為2次，但是輻射一詞出現了53次以上。

或許有人會説，論文中很少光刻和EUV，不代表不可能成為自主EUV光刻機的方案。這是對的，但必須得追問一句，這個可能性究竟有多大呢？

光源不是國產光刻機的主要瓶頸

先不提該研究主要是對加速器和同步輻射領域的研究，就算該研究可以無縫切換到光刻機上去。從時間上説，靠SSMB光源趕超西方，也十分困難。其他方式生產的EUV光源最早始於日本1986年的研究，在2000年前後基本實現了初步的工業化。2008年頂端的EUV光源的功率突破了100W大關，現在頂級的EUV光源功率已經達到250W。

目前SSMB光源還未能實現工業化，按照傳統EUV的發展時間減半估計，大約需要14-15年才能達到EUV目前的水平。更何況發展SSMB光源本身也有風險，同時EUV乃至於更低波長的紫外光源的發展不一定停滯不前。依靠SSMB光源做“人無我有”，風險較大。

最重要的是，隨着2007年中國科學院上海光學精密機械研究所“極紫外光刻機光源技術研究”項目通過驗收，EUV光源上就不是中國造不出高精度光刻機的主要瓶頸了。SSMB光源相比目前的EUV光源，最大的優勢是能實現較大的理論功率。功率的增強有利於在保證線寬粗糙度的同時，提高光刻分辨率，進而縮小製程，同時也有助於降低成本。目前ASML的光刻機，使用比EUV還差的DUV（深紫外線），目前能實現的最小製程是7nm，量產10nm已經經過了事實的驗證。

目前中芯國際已經量產14nm，並開始了產能的緩慢爬坡。但中芯國際其實用的是國外的光刻機，國產的光刻機能量產的製程就要差一些了。國產的光刻機，又不全是採用中國的零配件，一些光刻機甚至大部分是國外的零件。

純自主的光刻機能量產多少nm的製程呢？筆者諮詢了一些業內人士，連他們也説不清楚，最高的有説40nm，最低的也有説130nm的。以國內目前自主化程度較高、技術能力也較強的上海微電子為例，其生產的600系列IC前道製造光刻機，最先進的製程工藝是90nm。

由此可見中國光刻機的落後，絕不是落後在光源上，而是落後在光刻氣體、高端光刻膠、系統設計、光學鏡頭和技術積累上。光源並不是瓶頸所在，認為SSMB光源將會助推中國光刻機起飛的觀點並不合理。

不知前路何在是產生挫折的思想基礎

由此可見，SSMB光源和自主半導體並沒有那麼強的聯繫，那麼兩者是怎麼聯繫起來的呢？

今天一切報道SSMB光源的文章，追根溯源都能追溯到國內某媒體對唐傳祥研究組和本文作者鄧秀傑博士的採訪。採訪中，鄧秀傑博士主動提到了光刻機，他説：“這也是國際社會關注我們這項研究的重要原因，畢竟SSMB光源的潛在應用之一就是作為未來EUV光刻機的光源”。

而唐傳祥的觀點要保守和剋制，只説：“基於SSMB的EUV光源有望解決自主研發光刻機中最核心的“卡脖子”難題。但是，EUV光刻機的自主研發還有很長的路要走，這需要SSMB EUV光源的持續科技攻關，也需要上下游產業鏈的配合，才能獲得真正成功”。

筆者相信這些話，並不是為了得到更多的項目經費，因為該項目本身就是一個基礎研究的項目。而且是一直屬於光學和粒子加速器領域，包括今後清華大學要申報“穩態微聚束(SSMB)極紫外光源研究裝置”項目，走的也是物理口，本身也有極強的理論價值和科研價值。

既然不是為了獲得更多的經費，為何要強調光刻機呢。其實這正反映出我國學術界普遍對產業理解不深的問題，“產學研”融合依然是老大難。產業界不能從科學的高度把握生產中的問題，而學術界提不出產業急需解決的問題。主要表現在兩個方面：

一是高估了國際社會對SSMB技術的關注度，的確，有國外學者提到過“SSMB光源的潛在應用之一就是作為未來EUV光刻機的光源”，出自Bakshi, V編寫的《極紫外光刻》（第二版）。這本多達十章的書中，有整整一章又分為3A和3B專門講的就是光源。書中介紹了數十種光源技術，SSMB只有其中一小部分，篇幅佔比更多的光源技術在十種以上。同時國外的主流媒體也沒有對SSMB技術的報道，不排除有學術界人士，私下認為SSMB技術對EUV光刻機的光源十分重要，但這不是國內外產業界的想法。

二是低估了組織上下游產業鏈的工作，並非有了科技成果就能自動變為現實產品的，還需要進行轉化。很多人認為這種轉化就是科學家出成果，社會出資金。其實真正的轉化工作是需要科學家出面組織最開始的上下游產業的，不組織起初步的上下游，投資者如何相信這個科研成果具備市場價值？

科學家不參與組織簡單的上下游產業，出來的產品可能某些性能很高，但很難滿足市場方方面面的要求。因此SSMB光源要獲得真正的成功，不是所謂的“需要上下游產業鏈的配合”，而是需要躬身入局，親自打通上下游產業鏈。

即使科研工作者沒有意識到，提到“光刻機”，將會攪動怎樣的風風雨雨，媒體本身也是很謹慎的。在標題中，僅僅使用的是“和光刻機密切相關”，但經過輿論的幾次發酵，還是變成了“有望解決光刻機問題”，甚至變成了“即將突破EUV光刻機”。

以弘芯為代表的半導體投資爆雷，背後是地方政府急功近利的政績觀作祟。科研工作者不瞭解國內半導體產業現狀，是“產學研”兩層皮的體現。媒體炮製“沸騰體”，既有缺乏知識積累的因素，也有“搞個大新聞”的通病。

將三者的問題，歸納為一點，就是地方政府、學術界和媒體，都不能完全搞清楚國產光刻機路在何方。當然這也不是少數人能解決的，必須依靠統一領導集思廣益，最終形成國家意志。

筆者拋磚引玉，梳理了三條線。最低端的線是90/130nm生產線，這條線目前國內基本已經能自主生產，有了不受制裁影響的90/130nm生產線，大部分基礎設施控制芯片、低端單片機、中低端機器人的控制芯片就解決了。

中端的線是28/40nm生產線，這條線最為關鍵，在45nm的工藝節點上，英特爾已經能做到雙核3.2Ghz了。客觀的説，28nm尤其是40nm在今天偏低了，國產通用芯片的設計能力也不能與英特爾相比，更加需要良好的製程進行彌補。但反過來我們也要看到，自主可控的光刻機距離國際先進水平的距離比國產通用芯片的設計能力更遠，不宜提出過高的要求。

當然中國早就可以生產28nm的芯片了，中芯國際的28nm產能充沛、良率已經穩定、性價比也有優勢。但是中芯國際在去年6月曾經表示：“若干自美國進口的半導體設備與技術，在獲得美國商務部行政許可之前，可能無法用於為若干客户的產品進行生產製造”，普遍認為這裏的若干客户包括華為。

維持被西方國家深度制裁時，還能使用的28/40nm生產線，並保持一定的產能至關重要，至少能保證高端基礎設施控制芯片、中高端機器人、絕大部分武器裝備芯片和辦公用電腦芯片的緊急生產。

最高端的線是14nm生產線，主要發揮一個技術引導的作用，相對來説，急迫性沒有那麼強。14nm及以上的工藝面向消費級市場，主打的是最強性能，因此從國家安全的角度説不是那麼急切。反過來説，20nm以上的工藝，研發更加複雜，也不是短時間內所能掌握的。建立並良好管理14nm的生產線，將對自主研發更低製程工藝對應的光刻機產生一定的技術引領作用。

總而言之，儘快擁有28/40nm生產線，並達到一定的產能，是中美在半導體博弈上重要的勝負手。判斷國產光刻機領域的突破，應該從是否利於縮短我們獲得自主28nm產能的角度進行評價。

過去我們總是太急，媒體太急，主事者也很急，所以有了這麼多爛尾的項目；現在的輿論反過來，讚美一些類似於石墨烯芯片、SSMB光源等還處於研究階段的成果，本質上也是急切的希望彎道超車，但客觀結果可能也很慢。國產光刻機，急不得也緩不得，到底出路何在，是到了有一箇中期目標的時候了。

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