In februari 2021 werkte het team van professor Tang Chuanxiang van de Tsinghua Universiteit samen met Duitse wetenschappers om een ​​artikel in Nature te publiceren, waarin werd gerapporteerd dat ze een bepaalde experimentele verificatie hadden voltooid van de theorie van het produceren van ultradiepe ultraviolette lichtbronnen op basis van het SSMB-principe. Maar vandaag, twee jaar later, werd dit werk plotseling door sommige zelfmedia gehyped als de oprichting van een fabriek voor EUV-lithografiemachines in China. Kan het echter zo snel zijn om zelfstandig een fotolithografiemachine te vervaardigen?

Geschreven door | Wang Jie

De afgelopen week circuleerde er een stukje wetenschaps- en technologienieuws op internet. Het nieuws is dat Chinese wetenschappers een nieuw principe hebben ontdekt voor het genereren van ultradiepe ultraviolette lichtbronnen die de technische problemen van lithografiemachines kunnen doorbreken. Veel mensen zeggen zelfs dat ons land is begonnen met de bouw van een fotolithografiefabriek in Xiongan. "Er zijn foto's en de waarheid." Ze hebben een neus en een oog.


Veel mensen vragen mij of het waar is. Laat me je eerst het antwoord vertellen: het nieuwe principe voor het genereren van lichtbronnen is waar, maar werd al in 2010 voorgesteld.Het bevindt zich nog in de fase van de principeverificatie en het zal nog vijftien tot twintig jaar duren voordat het werkelijk in de praktijk kan worden gebracht.Het artikel van de wetenschapper van de Tsinghua Universiteit dat deze keer werd gehyped, werd feitelijk begin 2021 gepubliceerd. Ik weet niet waarom het twee en een half jaar later plotseling werd opgegraven en gehyped. Wat betreft de fotolithografiefabriek die in Xiongan zal worden gebouwd, het is slechts een gerucht en een leugen.

Ik wil dit onderwerp alleen gebruiken om vandaag met u te praten.Waarom is het zo moeilijk om een ​​lithografiemachine te bouwen? Is het voor China mogelijk om geheel zelfstandig de meest geavanceerde lithografiemachine te ontwikkelen?

Fotolithografiemachines zijn belangrijke apparatuur die wordt gebruikt om chips te produceren. Elke computer die we gebruiken en de chips in elke smartphone worden geproduceerd met behulp van fotolithografische machines.


Om de technologische vooruitgang van een chip te meten, wordt de eenheid xx nanometer (nm) gebruikt.Nano is een lengte-eenheid, 1 nanometer is gelijk aan een miljardste meter.Heeft Huawei twee weken geleden niet zijn nieuwste mobiele telefoon, Mate60pro, uitgebracht? Zodra deze mobiele telefoon uitkwam, riep iedereen: wauw, de chip die in deze mobiele telefoon wordt gebruikt, is gemaakt met een 7nm-proces, wat ongelooflijk is. Hier is een uitleg van wat het 7nm-proces betekent. Simpel gezegd: de elektronische componenten op de chip, dat wil zeggen de transistors, zijn gegraveerd, net zoals we op een rubberen stempel graveren.Op hetzelfde gebied geldt: hoe meer transistors er kunnen worden uitgesneden, hoe geavanceerder de chip zal zijn.Op het gebied van chips worden nanometers gebruikt om het geavanceerde niveau van de chip uit te drukken. Hoe kleiner het getal, hoe geavanceerder de chip is. 10 nm is geavanceerder dan 14 nm en 7 nm is geavanceerder dan 10 nm. Maak je geen zorgen over waarom er getallen als 5, 7, 10 en 14 bestaan. Er zitten complexe historische redenen achter.

Chips worden met behulp van lasers op siliciumwafels gesneden, dus hoe kleiner de transistor moet worden gesneden, hoe korter de golflengte van de laser vereist is.De lichtbron die door de meest geavanceerde lithografiemachines ter wereld wordt gebruikt, wordt extreem diep ultraviolet licht genoemd, of EUV in het Engels, met een golflengte van 13,5 nanometer.Het is ontwikkeld door een Amerikaans bedrijf, maar het Amerikaanse bedrijf is inmiddels overgenomen door het Nederlandse ASML. Er is echter een concept dat hier moet worden verduidelijkt. Het betekent niet dat de laser met een golflengte van 13,5 nanometer alleen chips van 13,5 nanometer kan graveren. Het kan zelfs proceschips van 7 nanometer, 5 nanometer of zelfs kleinere graveren.


De lichtbron die door lithografiemachines wordt gebruikt en die slechter is dan EUV, is diep ultraviolet licht, dat in het Engels wordt afgekort.DUV, de golflengte is 193 nanometer, wat een orde van grootte groter is dan EUV. De Kirin 9000s-chip met een 7 nm-proces die in de nieuwste mobiele telefoon van Huawei wordt gebruikt, is gesneden met behulp van DUV. Ja, bij een golflengte van 193 nanometer kan een 7nm-chip worden gesneden met behulp van een technologie die meervoudige belichting wordt genoemd. Maar zelfs dit soort fotolithografiemachines van 193 nanometer zijn in ons land nog steeds niet verkrijgbaar. De enige bedrijven ter wereld die DUV kunnen produceren zijn het Japanse Canon en Nikon, en het Nederlandse ASML. Ja, je hebt het goed gehoord, de Verenigde Staten ook niet.


Dit is trouwens wat meervoudige belichtingstechnologie is. Laat me de eenvoudigste analogie gebruiken om het uit te leggen. U hebt nu bijvoorbeeld een machine die vierkante rasters tekent, maar de zijdelengte van het vierkante raster dat hij kan tekenen is 100 mm. Is er een manier waarop u deze machine kunt gebruiken om een ​​vierkant raster van minder dan 100 mm te tekenen? Het is mogelijk. De methode is dat ik eerst veel verbonden rasters op het papier teken om een ​​raster te vormen. Vervolgens bewoog ik de machine een beetje en tekende opnieuw op het papier. Hierdoor wordt een nieuw raster getekend. De twee rasters overlappen elkaar en de lijnen kruisen elkaar om een ​​kleiner raster te vormen. Je kunt het zelf proberen met een pen op papier.

Elke keer dat een fotolithografiemachine een chip graveert, bestaat het proces uit één belichting. Hetzelfde geldt voor het gebruik van DUV om 7nm-proceschips te produceren. Als je niets in één keer kunt doen, leg het dan nog een paar keer bloot. Verplaats na elke belichting een kleine stap voordat u opnieuw belicht. Dit maakt het mogelijk kleinere transistors uit te snijden. Dit is natuurlijk niet zonder bijwerkingen, dat wil zeggen dat de kans op fouten groter is. Bij massaproductie zullen veel mislukte chips verloren gaan. In professionele termen is het rendement van chips relatief laag en het defectpercentage relatief hoog.


Laten we teruggaan naar het onderwerp,Hoe moeilijk is het om een ​​fotolithografiemachine te bouwen?

Ik bepaal eerst mijn persoonlijkheid.De lithografiemachine is veruit een van de meest precieze en complexe machines die mensen kunnen vervaardigen.Een fotolithografiemachine bestaat uit drie hoofdonderdelen.Het eerste deel is de lichtbron, het tweede deel is het optische systeem en het derde deel is de etswerkbank.De technische uitdagingen van elke sectie zijn vergelijkbaar met het landen op de maan.

Laten we het eerst over de lichtbron hebben.Om ultradiep ultraviolet licht met een golflengte van 13,5 nanometer te genereren, bestaat de huidige methode erin een laser met hoog vermogen te gebruiken om een ​​kleine bal tin (dat wil zeggen metallisch tin) te bombarderen met een diameter van slechts 1/30 miljoenste van een meter. Maar deze zin is niet genoeg om de moeilijkheid ervan te beschrijven. Ik moet uitbreiden.


Ten eerste is een laserstraal nodig om nauwkeurig een kleine soldeerbal te raken die beweegt met een snelheid van ongeveer 320 kilometer per uur. Wanneer de temperatuur van het kleine soldeerbolletje 500.000 graden bereikt, wordt een laserstraal gebruikt om het te bombarderen. Op dit moment kan extreem diep ultraviolet licht met een golflengte van 13,5 nanometer worden geproduceerd.Om dit soort ultraviolet licht continu en stabiel te produceren, moeten kleine soldeerbolletjes worden gebombardeerd met een frequentie van ongeveer 50.000 keer per seconde.Er is slechts één Duits bedrijf ter wereld dat dit soort lasers kan produceren. Het Duitse bedrijf TRUMPF had tien jaar nodig om het met succes te ontwikkelen. Deze laser alleen al heeft meer dan 45.700 onderdelen. Maar u had misschien niet gedacht dat de laser van TRUMPF afhankelijk is van een Litouws bedrijf voor de levering van belangrijke apparatuur. Zonder de lichtbronapparatuur van dit Litouwse bedrijf zou TRUMPF dit niet kunnen doen. Het is eenvoudigweg als een bidsprinkhaan die de cicade en de wielewaal erachter besluipt. De volgende moeilijkheid is: hoe kun je dit ultradiepe ultraviolette licht verzamelen om een ​​ultradiepe ultraviolette laser te vormen? Dit is het volgende belangrijke onderdeel.


Optisch systeem.Dit voor EUV ontwikkelde optische systeem kan slechts door één Duits bedrijf ter wereld worden vervaardigd, en dat is het beroemde Zeiss. Je hebt misschien gehoord dat de cameralenzen van Zeiss tot de beste ter wereld behoren, maar het vergelijken van cameralenzen met lenzen die worden gebruikt in optische EUV-systemen is als het verschil tussen een vliegtuig met propellers die pesticiden spuiten en een straaljager. Dit optische systeem brengt in ieder geval de volgende technische uitdagingen met zich mee: uiterst nauwkeurige asferische oppervlaktebewerking, meerlaagse filmspiegels, hoogwaardig smelten, ionenbundelpolijsttechnologie en extreem nauwkeurig slijpen. U hoeft niet in te gaan op de zojuist genoemde technische termen, u hoeft alleen maar te weten:Het uiteindelijke doel is om een ​​absoluut gladde en platte lens te creëren, hoe soepel moet het zijn? Het is de gladheid van waterdruppels in het drielichamensysteem.De fluctuatie van de lens is een fout van ongeveer één atoom, wat dicht bij de theoretische fysieke limiet ligt.Als we Zeiss' eigen promotiemetafoor gebruiken, zelfs als deze lens wordt vergroot tot de grootte van heel Duitsland, bedraagt ​​de fluctuatie niet meer dan 0,1 mm. Als er een virus op deze spiegel valt, zal het lijken op een heuvel die wel 100 meter hoog kan worden. Daarom moet dit optische systeem zonder enige interferentie in een vacuüm werken. Maar het hebben van een lichtbron en lens is niet voldoende. Het is net alsof je een vleesmes hebt om te graveren. De volgende stap is het uitsnijden van tientallen miljarden transistors op een siliciumchip ter grootte van een vingernagel.

Werkbank voor precisie-instrumenten.Om tientallen miljarden transistors te kunnen maken, hebben we een console met extreem hoge precisie nodig. Het is moeilijk voor mij om een ​​nauwkeurige metafoor te vinden om de moeilijkheid om het te vervaardigen te beschrijven. Deze console bestaat uit 55.000 uiterst nauwkeurige onderdelen, en deze onderdelen zijn op zijn minst gebaseerd op gepatenteerde technologie van Japan, Zuid-Korea, Taiwan, de Verenigde Staten, Duitsland en Nederland. Zonder welk land dan ook zou het niet werken.

Het bovenstaande is waarschijnlijk de moeilijkheid bij het vervaardigen van de meest geavanceerde fotolithografiemachine ter wereld. De onderzoeks- en ontwikkelingsgeschiedenis is ongeveer als volgt: in 1997 investeerden Intel Corporation en het Amerikaanse ministerie van Energie gezamenlijk in een bedrijf en begonnen ze EUV-lithografiemachines te ontwikkelen. In zes jaar tijd heeft dit bedrijf de meeste van zijn gepatenteerde kerntechnologieën ontwikkeld. Noch Intel, noch het Amerikaanse ministerie van Energie zijn echter van plan zelf lithografiemachines te bouwen, omdat ze van mening zijn dat het bouwen van lithografiemachines niet echt geld oplevert. Het is beter om de kerntechnologie in licentie te geven aan een buitenlands bedrijf en hen lithografiemachines te laten bouwen. Later kreeg ASML in Nederland de autorisatie voor deze kerntechnologieën, en met de hulp van bedrijven als Samsung en TSMC produceerde het uiteindelijk in 2010 het eerste EUV-lithografie-prototype. Het besteedde nog eens 9 jaar aan testen, optimaliseren en upgraden, en produceerde uiteindelijk de eerste EUV-lithografiemachine die in 2019 officieel in commerciële productie kon worden genomen, wat in totaal 22 jaar duurde.


Hoewel de EUV-lithografiemachine door ASML in Nederland wordt geproduceerd, is deze niets meer dan een assemblagefabriek. Slechts 15% van de onderdelen wordt onafhankelijk geproduceerd en de overige 85% van de onderdelen wordt geïmporteerd. En omdat het Amerikaanse ministerie van Energie vrijwel alle kernpatenten voor lithografiemachines bezit, vereist de productie van lithografiemachines door ASML toestemming van het Amerikaanse ministerie van Energie. Dit is de reden dat als de Amerikaanse overheid zegt dat het geen fotolithografiemachines aan China mag verkopen, het Nederlandse ASML-bedrijf er alleen maar naar kan luisteren. Dat kan gezegd wordenEen EUV-lithografiemachine bestaat uit zeven of acht landen die een cirkel vormen en de nek van ASML blokkeren..

Als China de technologische blokkade wil doorbreken en zelfstandig lithografiemachines wil produceren, moet het op alle drie de belangrijkste onderdelen tot volledige onafhankelijke innovatie komen. Het enige dat we nu kunnen zeggen is dat we in het eerste gedeelte over de lichtbron een klein beetje hoop zien.

In 2010 werkte Zhao Wu, een Chinese professor aan de Stanford University en een vooraanstaand gastprofessor aan de Tsinghua University, samen met zijn promovendi om een ​​nieuw principe voor te stellen voor het genereren van extreem diepe ultraviolette lichtbronnen. Dit principe heet"Steady-state microbundeling", de Engelse afkorting SSMB, gebruikt een enorme deeltjesversneller om extreem diep ultraviolet licht te genereren.In 2017 werkte het team van professor Tang Chuanxiang aan de Tsinghua Universiteit samen met collega's in Duitsland om de theoretische analyse en het fysieke ontwerp van het experiment te voltooien, een lasersysteem voor het testexperiment te ontwikkelen en bepaalde principeverificatie uit te voeren. In februari 2021 werd hun artikel met succes gepubliceerd in het tijdschrift Nature[1]Professor Tang’s promovendus Deng Xiujie is de eerste auteur, professor Tang en een andere professor van het Helmholtz Center for Materials and Energy Research in Berlijn, Duitsland, zijn de corresponderende auteurs. Trouwens, hier is een algemene regel in academische kring. De eerste auteur verwijst doorgaans naar de persoon die de grootste bijdrage heeft geleverd aan het onderzoeksonderwerp, terwijl de corresponderende auteur de persoon is die verantwoordelijk is voor het onderwerp en de begunstigde van de resultaten.


In maart 2022 publiceerden professor Tang Chuanxiang en dr. Deng Xiujie een artikel met dezelfde naam in de "Acta Physica Sinica" van mijn land.[2]. Misschien hadden ze zelf niet verwacht dat meer dan een jaar later, om een ​​onbekende reden, waarschijnlijk op 13 september 2023, sommige zelfmedia een video plaatsten met een titel als "It's against the sky!" De SSMB-EUV-lichtbron van Tsinghua University was geboren, met een vermogen dat 40 maal groter is dan dat van EUV-lithografiemachines.” Toen begonnen verschillende zelfmediaplatforms als een brand de SSMB-oplossing van Tsinghua University te hype met verschillende titels die begonnen met de woorden ‘schandalig’. Ik was stomverbaasd toen ik het zag.

Wat ik hoop dat iedereen kan kalmeren, is dat we nog ver verwijderd zijn van de realisatie van de productie van ultradiepe ultraviolette lithografiemachines.Ga niet vooruit. Allereerst vermeldt de officiële website van Tsinghua dat professor Tang Chuanxiang in 2021 een aanvraag heeft ingediend bij de Nationale Ontwikkelings- en Hervormingscommissie om het experimentele SSMB-apparaat te vermelden als een belangrijke nationale wetenschappelijke en technologische infrastructuur tijdens het 14e vijfjarenplan. Ik heb echter geen nieuws over het project gevonden. Aangezien dit een civiel wetenschappelijk onderzoeksproject is en geen militair project, is een openbare aankondiging vereist als het project wordt goedgekeurd. Daarom is dit project, althans tot nu toe, niet goedgekeurd.

Zelfs als we optimistisch zijn, kan het project volgend jaar worden goedgekeurd, maar het zal moeilijk zijn om binnen vijf jaar een wetenschappelijk onderzoeksapparaat van dit niveau te bouwen. Nadat het voltooid is, zullen we optimistischer zijn en het over drie jaar met succes testen, en dan nog eens vijf jaar besteden aan het bouwen van een lichtbron die commercieel kan worden gebruikt. Dit zal 13 jaar geleden zijn. Kunnen de andere twee belangrijke onderdelen van de lithografiemachine echter in deze dertien jaar worden voltooid? Er is nog niet eens een schaduw.

Bovendien weten we niet of de Amerikanen en de Nederlanders over dertien jaar een geavanceerdere lithografiemachine van de volgende generatie zullen hebben ontwikkeld, en we moeten deze blijven nastreven.

Tot slot wil ik nog iets zeggen wat mij persoonlijk niet bevalt:

Binnen twintig jaar is het voor geen enkel land ter wereld mogelijk om volledig zelfstandig een lithografiemachine te bouwen die het meest geavanceerde niveau ter wereld vertegenwoordigt, en de Verenigde Staten vormen daarop geen uitzondering.

Uiteraard vertegenwoordigt dit alleen mijn persoonlijke mening, en ik hoop echt dat ik een klap in mijn gezicht krijg.

De reden waarom ik dit standpunt naar voren wil brengen, is omdat ik echt niet wil dat de tragedie uit het verleden, de Grote Sprong Voorwaarts, opnieuw gebeurt. Chinezen zijn heel slim, maar dat betekent niet dat wij Chinezen van bijzondere materialen zijn gemaakt. Alle rassen in de wereld zijn Hominidae, Homo en Homo sapiens. Er is vrijwel geen genetisch verschil tussen Chinezen en buitenlanders. We zijn niet dom dan buitenlanders, maar we zijn ook niet veel slimmer dan buitenlanders.

Het zoeken naar de waarheid in feiten is de juiste manier om wetenschap en technologie te ontwikkelen. Voor ultraprecieze en complexe machines zoals fotolithografiemachines is het zoeken naar een zo groot mogelijke internationale samenwerking de beste oplossing.

toegang:

Jingdong-winkelcentrum