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「一水」光刻工厂?简单聊一聊清华的SSMB-EUV

本篇文章主要来聊一聊由清华SSMB-EUV引发的几个热点话题。
第一个热点话题,清华大学的SSMB-EUV可不可以作为EUV光刻机的光源?理论上来说是完全没问题的。清华大学唐传祥教授在《稳态微聚束加速器光源》这篇论文当中已经比较详细地阐述了SSMB的原理、实验验证、核心问题及挑战还有SSMB在芯片光刻当中的应用潜力。并且与LPP、SR(同步辐射光源)、SRF-FEL(基于射频超导直线加速器的自由电子激光器)等光源做完对比之后发现,SSMB作为EUV光刻机的光源发生器是有一定优势的。比如,高平均功率、窄带宽与高准直性、高稳定性连续波输出、辐射清洁还有可拓展性。具体内容就不再赘述了,大家有兴趣可以去知网自己搜索下载。
这么一看,对比ASML的LPP-EUV路线,SSMB-EUV路线的优势还是非常大的。那么是不是意味着SSMB可以替代LPP-EUV呢?
答案是,极难无比。我知道你很急,但你先别急。
原理可行并不意味着工程可行。从原理到工程中间存在着无限多的难题。SSMB现在只是从纯模拟进入到了实验阶段。到目前为止,也仅仅只是证实了在储存环上,电子微聚束结构能够跑一圈。但是跑1000圈,10000圈,乃至几秒的稳定性都还没有进行过测试。这么大的装置,又是和以前的直线加速器完全不同的运作原理。然后又加了一大堆其他的设备和装置,如何保证SSMB的稳定运行才是最大的难题。
光刻机对于光源的稳定性要求是按照“年”来计算,而不是秒。大家可能觉得,清华要到雄安建SSMB大装置就说明要进入产业化应用了。然而实际上,就算大装置建起来了也还是在科研的范畴里面,还远远没有达到工程应用的阶段。那么,距离实际工程应用的阶段还有多远呢?不知道,距离不可估计。
第二个热点话题,是从SSMB引申到同步辐射光源之后演化出来的一个话题,叫做“光刻工厂”。这个所谓的“光刻工厂”其实是比SSMB的传播能力更强,因为这个东西可以让人更加的沸腾。那么同样的问题又来了,“光刻工厂”是否可行?答案和SSMB差不多,理论可行,但几乎不具备产业化的能力。
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先不提把光刻机大型化之后对整个产线的改造成本会有多少这件事儿,“光刻工厂”本身是存在一个巨大缺陷的,那就是晶圆厂最忌讳的事情之一:单机台,Single tool。一般来讲,如果一条产线某一个工艺段只用了一台设备,那就意味着这条产线的产能有限。是很难满足消费级芯片那种上千万需求的。
我知道这里大家会有问题,“光刻工厂”明明是N多条产线啊?没错,的确是N多条产线。但是“光刻工厂”的光源只有一个,这比产线上某一个工艺段用单机台的情况还可怕。这已经不是简单的Single Tool了,这是Single Source,单一源头。
只要“光刻工厂”的光源出现问题,整个工厂都得宕机。这种情况下,不管是主动让设备停下来维护,还是设备出问题时候的被动宕机都会让整个芯片生产过程变得极其不可控。生产不可控就意味着效率不可控。效率不可控就意味着成本不可控。成本不可控就意味着产业界可能永远无法接受所谓的“光刻工厂”。
那这时候就会有人说了,这不和停电一样?停电也会导致生产暂停啊?没错,停电的确会导致生产暂停。但是大家想一想,都已经有电力这么一个不稳定因素了,还要继续添加“单一光源”这样一个更不稳定的因素到生产环境当中,这符合工程逻辑么?显然是不符合的。
所以,不管是SSMB或者同步辐射光源,在未来相当长的一段时间内都只能在科研领域发光发热,很难用在半导体这种讲求极致效率和成本的领域。
第三个热点话题,其实也不算热点了,就是单纯从以上两个话题引申出来的话题,下一代光刻技术到底应该是个啥?很不幸的是,目前学术界和工业界都在研究当中,完全没有形成一致意见。因为有这么几个问题还困扰着大家:
1、未来芯片将如何发展;
2、这样的芯片在确保丰富功能的前提下如何低成本超大规模制造;
3、下一代光刻技术如何解决紫外光刻技术路线面临的两个重大挑战(造价高昂、量子极限);
4、工业界如何低成本地从现有的第五代极紫外光刻机过渡到下一代光刻机。
没人知道未来的芯片应该是什么样子。所以下一代光刻技术到底是啥,也没人知道。大家都在研究,都在试。比如纳米压印啊,第六代双光束超分辨光刻机啊,其实也都是在当前芯片框架下的努力。
碳基芯片、量子芯片的距离还太过遥远。就像前面说的,这两种芯片目前还是在科研阶段。距离真正的产业化还需要太长太长时间,以至于完全没法估计啥时候可以产业化。
那么最后一个热点话题,就是我们自己的EUV光刻机做得咋样了。说实话,不知道。相比于国产DUV光刻机有不少信息源可以佐证进度,国产EUV光刻机基本上就是个迷。现在唯一可以确定的是,有联合体正在复刻ASML的LPP路线。至于什么时候能出来,也许从ASML总裁的发言可以略窥一二。
2020年之前,【否认】,“就算给你完整图纸,你也造不出来光刻机。”
2022年1月,【犹豫】“中国不太可能独立研制出顶级光刻技术,但他们一定会尝试的。”
2023年4月上旬,【愤怒】,“中国自研光刻机是破坏全球芯片产业链。”
2023年4月底,【妥协】,“ASML进入中国市场是绝对必要的。”
2023年5月,【无奈】,“美国半导体公司不能缺席中国市场。”
2023年9月,【沮丧】,“我们太自以为是了。”
我个人感觉啊,现在我们对EUV光刻机的需求倒也没有像以前那么迫切了。麒麟9000s出来以后,我甚至感觉如果国产DUV光刻机可以做到ASML 2050i的水平,过两代的麒麟也许真的可以追上高通和苹果也说不定。台积电那边的制程进步速度放缓了非常多,可能最近2-3年都只能停在N3节点,这给了国内晶圆厂追赶的机会。
但也不是说不需要EUV光刻机了。毕竟有了EUV光刻机,不仅可以摸一摸更先进的制程,更关键的是良率可以做得更高,成本来得更低。
总的来看,国内半导体产业链进步的速度超过所有人的想象。快到连美国都没反应过来,就已经把Mate60糊在雷蒙多的脸上了。是好事儿,可以沸腾一下。但也别太沸腾,乱搞一些不切实际的东西。当然,如果都是战忽局的战略,我认为是十分合理的。
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