Em fevereiro de 2021, a equipe do professor Tang Chuanxiang da Universidade de Tsinghua colaborou com cientistas alemães para publicar um artigo na Nature, relatando que haviam concluído certa verificação experimental da teoria de produção de fontes de luz ultravioleta ultraprofundas com base no princípio SSMB. Mas hoje, dois anos depois, este trabalho foi subitamente alardeado por alguns meios de comunicação próprios como o estabelecimento de uma fábrica de máquinas de litografia EUV na China. No entanto, pode ser tão rápido fabricar de forma independente uma máquina de fotolitografia?

Escrito por Wang Jie

Na semana passada, uma notícia de ciência e tecnologia circulou na Internet. A novidade é que cientistas chineses descobriram um novo princípio de geração de fontes de luz ultravioleta ultraprofundas que podem superar os problemas técnicos das máquinas de litografia. Muitas pessoas chegam a dizer que o nosso país começou a construir uma fábrica de fotolitografia em Xiongan. "Existem fotos e a verdade." Eles têm nariz e olho.


Muitas pessoas me perguntam se é verdade. Deixe-me responder primeiro: o novo princípio de geração de fontes de luz é verdadeiro, mas foi proposto já em 2010.Ainda está na fase de verificação dos princípios e ainda faltam 15 a 20 anos para que seja verdadeiramente prático.O artigo do cientista da Universidade de Tsinghua que desta vez estava sendo alardeado foi publicado no início de 2021. Não sei por que foi subitamente desenterrado e alardeado dois anos e meio depois. Quanto à fábrica de fotolitografia a ser construída em Xiongan, é apenas um boato e uma mentira.

Eu só quero usar este tópico para falar com você hoje.Por que é tão difícil construir uma máquina de litografia? É possível que a China desenvolva de forma totalmente independente a máquina de litografia mais avançada?

As máquinas de fotolitografia são equipamentos essenciais usados ​​para produzir chips. Cada computador que usamos e os chips de cada smartphone são produzidos em máquinas de fotolitografia.


Para medir o avanço tecnológico de um chip, utiliza-se a unidade de xx nanômetros (nm).Nano é uma unidade de comprimento, 1 nanômetro é igual a um bilionésimo de metro.A Huawei não lançou seu mais recente celular, Mate60pro, há duas semanas? Assim que esse celular foi lançado, todos exclamaram: nossa, o chip usado nesse celular é feito de um processo de 7 nm, o que é incrível. Aqui está uma explicação do que significa o processo de 7 nm. Simplificando, os componentes eletrônicos do chip, ou seja, os transistores, estão gravados, assim como gravamos em um carimbo de borracha.Na mesma área, quanto mais transistores puderem ser extraídos, mais avançado será o chip.No campo dos chips, os nanômetros são usados ​​para expressar o nível avançado do chip. Quanto menor o número, mais avançado é o chip. 10nm é mais avançado que 14nm e 7nm é mais avançado que 10nm. Não se preocupe por que existem números como 5, 7, 10 e 14. Existem razões históricas complexas por trás deles.

Os chips são gravados em pastilhas de silício usando lasers, portanto, quanto menor o transistor for esculpido, menor será o comprimento de onda do laser necessário.A fonte de luz usada pelas máquinas de litografia mais avançadas do mundo é chamada de luz ultravioleta extremamente profunda, ou EUV em inglês, com comprimento de onda de 13,5 nanômetros.Foi desenvolvido por uma empresa americana, mas a empresa americana foi agora adquirida pela empresa holandesa ASML. No entanto, há um conceito a ser esclarecido aqui. Isso não significa que o laser de comprimento de onda de 13,5 nanômetros só possa gravar chips de 13,5 nanômetros. Na verdade, ele pode gravar chips de processo de 7 nanômetros, 5 nanômetros ou até mesmo menores.


A fonte de luz usada pelas máquinas de litografia que é pior que o EUV é a luz ultravioleta profunda, abreviada em inglês.DUV, o comprimento de onda é de 193 nanômetros, o que é uma ordem de magnitude maior que o EUV. O chip Kirin 9000s de processo de 7 nm usado no mais recente telefone celular da Huawei é esculpido em DUV. Sim, em um comprimento de onda de 193 nanômetros, um chip de 7 nm pode ser esculpido usando uma tecnologia chamada exposição múltipla. Mas mesmo esse tipo de máquina de fotolitografia de 193 nanômetros ainda não está disponível em nosso país. As únicas empresas no mundo que podem produzir DUV são a Canon e a Nikon do Japão e a ASML da Holanda. Sim, você ouviu certo, nem os Estados Unidos.


A propósito, aqui está o que é a tecnologia de exposição múltipla. Deixe-me usar a analogia mais simples para tentar explicar. Por exemplo, agora você tem uma máquina que desenha grades quadradas, mas o comprimento lateral da grade quadrada que ela pode desenhar é de 100 mm. Existe alguma maneira de usar esta máquina para desenhar uma grade quadrada com menos de 100 mm? É possível. O método consiste em primeiro desenhar muitas grades conectadas no papel para formar uma grade. Depois movi ligeiramente a máquina e desenhei novamente no papel. Isso desenhará uma nova grade. As duas grades se sobrepõem e as linhas se cruzarão para formar uma grade menor. Você pode tentar fazer isso sozinho com uma caneta no papel.

Cada vez que uma máquina de fotolitografia grava um chip, o processo é uma exposição. O mesmo se aplica ao uso do DUV para produzir chips de processo de 7 nm. Se você não puder fazer nada de uma vez, apenas exponha mais algumas vezes. Após cada exposição, dê um pequeno passo antes de expor novamente. Isso permite extrair transistores menores. Claro que isso tem efeitos colaterais, ou seja, a possibilidade de erros é maior. Na produção em massa, muitos chips com falha serão desperdiçados. Em termos profissionais, a taxa de rendimento dos chips é relativamente baixa e a taxa de defeitos é relativamente alta.


Vamos voltar ao assunto,Quão difícil é construir uma máquina de fotolitografia?

Vou decidir sobre minha personalidade primeiro.A máquina de litografia é de longe uma das máquinas mais precisas e complexas que os humanos são capazes de fabricar.Uma máquina de fotolitografia consiste em três partes principais.A primeira parte é a fonte de luz, a segunda parte é o sistema óptico e a terceira parte é a bancada de gravação.Os desafios técnicos de cada seção são comparáveis ​​ao pouso na Lua.

Vamos falar primeiro sobre a fonte de luz.Para gerar luz ultravioleta ultraprofunda com comprimento de onda de 13,5 nanômetros, o método atual é usar um laser de alta potência para bombardear uma pequena bola de estanho (ou seja, estanho metálico) com um diâmetro de apenas 1/30 milionésimo de metro. Mas esta frase não é suficiente para descrever a sua dificuldade. Eu preciso expandir.


Primeiro, um feixe de laser é necessário para atingir com precisão uma pequena bola de solda que se move a uma velocidade de cerca de 320 quilômetros por hora. Quando a temperatura da pequena bola de solda atinge 500.000 graus, um feixe de laser é usado para bombardeá-la. Neste momento, luz ultravioleta extremamente profunda com comprimento de onda de 13,5 nanômetros pode ser produzida.Para produzir este tipo de luz ultravioleta de forma contínua e estável, pequenas bolas de solda precisam ser bombardeadas a uma frequência de cerca de 50.000 vezes por segundo.Só existe uma empresa alemã no mundo que pode produzir este tipo de laser. Esta empresa alemã chamada TRUMPF levou dez anos para desenvolvê-lo com sucesso. Só este laser tem mais de 45.700 peças. Mas você pode não ter pensado que o laser da TRUMPF depende de uma empresa lituana para fornecer equipamentos essenciais. Sem o equipamento de fonte de luz fabricado por esta empresa lituana, a TRUMPF não conseguiria fazê-lo. É simplesmente como um louva-a-deus perseguindo a cigarra e o papa-figo atrás dela. A próxima dificuldade é como coletar essa luz ultravioleta ultraprofunda para formar um laser ultravioleta ultraprofundo? Esta é a próxima parte importante.


Sistema óptico.Este sistema óptico desenvolvido para EUV só pode ser fabricado por uma empresa alemã no mundo, e é a famosa Zeiss. Você deve ter ouvido falar que as lentes das câmeras produzidas pela Zeiss estão entre as melhores do mundo, mas comparar as lentes das câmeras com as lentes usadas nos sistemas ópticos EUV é como a diferença entre um avião com hélices pulverizando pesticidas e um caça a jato. Este sistema óptico envolve pelo menos os seguintes desafios técnicos: processamento de superfície asférica de alta precisão, espelhos de filme multicamadas, fusão de alta qualidade, tecnologia de polimento por feixe de íons e retificação de extrema precisão. Você não precisa entrar nos termos técnicos que acabamos de mencionar, você só precisa saber,O objetivo final é criar uma lente absolutamente lisa e plana, quão suave deve ser? É a suavidade das gotas de água no sistema de três corpos.A flutuação da lente é um erro de cerca de um átomo, que está próximo do limite físico teórico.Se usarmos a metáfora promocional da própria Zeiss, mesmo que esta lente seja ampliada para o tamanho de toda a Alemanha, a flutuação não excede 0,1 mm. Se um vírus cair sobre este espelho, será como uma colina que chega a atingir 100 metros de altura. Portanto, este sistema óptico deve funcionar no vácuo sem qualquer interferência. Mas ter uma fonte de luz e uma lente não é suficiente. É como ter uma faca de trinchar para gravar. O próximo passo é esculpir dezenas de bilhões de transistores em um chip de silício do tamanho de uma unha.

Bancada de instrumentos de precisão.Para esculpir dezenas de bilhões de transistores, precisamos de um console com precisão extremamente alta. É difícil para mim encontrar uma metáfora precisa para descrever a dificuldade de fabricá-lo. Este console é composto por 55.000 peças de alta precisão, e essas peças contam com pelo menos tecnologia patenteada fornecida pelo Japão, Coreia do Sul, Taiwan, Estados Unidos, Alemanha e Holanda. Não funcionaria sem nenhum país.

O que foi dito acima é provavelmente a dificuldade de fabricar a máquina de fotolitografia mais avançada do mundo. Sua história de pesquisa e desenvolvimento é mais ou menos assim: em 1997, a Intel Corporation e o Departamento de Energia dos EUA investiram conjuntamente em uma empresa e começaram a desenvolver máquinas de litografia EUV. Em 6 anos, esta empresa desenvolveu a maioria das suas principais tecnologias patenteadas. No entanto, nem a Intel nem o Departamento de Energia dos EUA pretendem construir eles próprios máquinas de litografia, porque sentem que construir máquinas de litografia não dá realmente dinheiro. É melhor licenciar a tecnologia principal para uma empresa estrangeira e deixá-la construir máquinas de litografia. Mais tarde, a ASML na Holanda obteve autorização para essas tecnologias principais e, com a ajuda de empresas como Samsung e TSMC, finalmente produziu o primeiro protótipo de litografia EUV em 2010. Passou mais 9 anos testando, otimizando e atualizando e, finalmente, produziu a primeira máquina de litografia EUV que poderia ser oficialmente colocada em produção comercial em 2019, o que levou um total de 22 anos.


No entanto, embora a máquina de litografia EUV seja produzida pela ASML na Holanda, nada mais é do que uma fábrica de montagem. Apenas 15% das peças são produzidas de forma independente e os outros 85% das peças são importadas. E como o Departamento de Energia dos EUA possui quase todas as patentes principais para máquinas de litografia, a produção de máquinas de litografia pela ASML requer autorização do Departamento de Energia dos EUA. É por isso que se o governo dos EUA diz que não está autorizado a vender máquinas de fotolitografia para a China, a empresa holandesa ASML só pode ouvi-lo. Pode-se dizer queUma máquina de litografia EUV é composta por sete ou oito países formando um círculo, apertando o pescoço da ASML..

Se a China quiser romper o bloqueio tecnológico e produzir de forma independente máquinas de litografia, precisa de alcançar uma inovação independente completa em todas as três partes principais. Tudo o que podemos dizer agora é que na primeira seção da fonte de luz vemos um pouco de esperança.

Em 2010, Zhao Wu, professor chinês na Universidade de Stanford e ilustre professor visitante na Universidade de Tsinghua, trabalhou com os seus alunos de doutoramento para propor um novo princípio para a geração de fontes de luz ultravioleta extremamente profundas. Este princípio é chamado"Microagrupamento em estado estacionário", abreviatura em inglês SSMB, usa um enorme acelerador de partículas para gerar luz ultravioleta extremamente profunda.Em 2017, a equipe do professor Tang Chuanxiang da Universidade de Tsinghua trabalhou com colegas na Alemanha para concluir a análise teórica e o projeto físico do experimento, desenvolver um sistema de laser para o experimento de teste e realizar certas verificações de princípios. Em fevereiro de 2021, seu artigo foi publicado com sucesso na revista Nature[1], o aluno de doutorado do professor Tang, Deng Xiujie, é o primeiro autor, o professor Tang e outro professor do Centro Helmholtz para Pesquisa de Materiais e Energia em Berlim, Alemanha, são os autores correspondentes. Aliás, aqui está uma regra geral no meio acadêmico. O primeiro autor geralmente se refere à pessoa que mais contribuiu para o tema da pesquisa, enquanto o autor correspondente é o responsável pelo tema e o beneficiário dos resultados.


Em março de 2022, o professor Tang Chuanxiang e o Dr. Deng Xiujie publicaram um artigo com o mesmo nome na "Acta Physica Sinica" do meu país[2]. Talvez eles próprios não esperassem que mais de um ano depois, por algum motivo desconhecido, provavelmente em 13 de setembro de 2023, alguma mídia própria postasse um vídeo com um título como “É contra o céu!” Nasceu a fonte de luz SSMB-EUV da Universidade de Tsinghua, com potência 40 vezes maior que a das máquinas de litografia EUV.” Então, como um incêndio, várias plataformas de mídia própria começaram a divulgar a solução SSMB da Universidade de Tsinghua com vários títulos começando com as palavras “ultrajante”. Fiquei pasmo quando vi.

O que espero que todos possam se acalmar é que ainda estamos muito longe de concretizar a produção de máquinas de litografia ultravioleta ultraprofunda.Não vá adiante. Em primeiro lugar, o site oficial de Tsinghua afirma que, em 2021, o professor Tang Chuanxiang solicitou à Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma que listasse o dispositivo experimental SSMB como uma importante infraestrutura nacional de ciência e tecnologia durante o 14º Plano Quinquenal. Porém, não encontrei nenhuma novidade sobre o projeto. Considerando que se trata de um projeto de pesquisa científica civil e não militar, é necessário anúncio público caso o projeto seja aprovado. Portanto, pelo menos até agora, este projeto não foi aprovado.

Mesmo que estejamos optimistas, o projecto pode ser aprovado no próximo ano, mas será difícil construir um dispositivo de investigação científica deste nível dentro de cinco anos. Depois de concluído, seremos mais otimistas e testaremos com sucesso em 3 anos, e depois passaremos mais 5 anos para construir uma fonte de luz que possa ser usada comercialmente. Isso será há 13 anos. No entanto, as outras duas partes principais da máquina de litografia poderão ser concluídas nestes 13 anos? Ainda não há sombra.

Além disso, não sabemos se os americanos e os holandeses terão desenvolvido uma máquina de litografia de próxima geração mais avançada em 13 anos, e temos de continuar a persegui-la.

Por fim, quero dizer algo que pessoalmente não gosto:

Dentro de 20 anos, é impossível para qualquer país do mundo ser capaz de construir de forma totalmente independente uma máquina de litografia que represente o nível mais avançado do mundo, e os Estados Unidos não são exceção.

Claro, isso representa apenas minha opinião pessoal e realmente espero levar um tapa na cara.

A razão pela qual quero expressar este ponto de vista é porque realmente não quero que a tragédia do passado, o “Grande Salto em Frente”, aconteça novamente. O povo chinês é muito inteligente, mas isso não significa que nós, chineses, sejamos feitos de materiais especiais. Todas as raças do mundo são Hominidae, Homo e Homo sapiens. Quase não há diferença genética entre chineses e estrangeiros. Não somos estúpidos que os estrangeiros, mas não somos muito mais espertos que os estrangeiros.

Buscar a verdade a partir dos fatos é o caminho certo para desenvolver a ciência e a tecnologia. Para máquinas ultraprecisas e complexas, como máquinas de fotolitografia, buscar a maior variedade de cooperação internacional é a melhor solução.

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