Im Februar 2021 veröffentlichte das Team von Professor Tang Chuanxiang von der Tsinghua-Universität gemeinsam mit deutschen Wissenschaftlern einen Artikel in Nature, in dem sie berichteten, dass sie bestimmte experimentelle Überprüfungen der Theorie zur Herstellung ultratiefer ultravioletter Lichtquellen auf der Grundlage des SSMB-Prinzips abgeschlossen hatten. Doch heute, zwei Jahre später, wurde dieses Werk plötzlich von einigen Selbstmedien als Gründung einer Fabrik für EUV-Lithographiemaschinen in China gehypt. Aber kann es so schnell gehen, eine Fotolithographiemaschine selbst herzustellen?

Geschrieben von Wang Jie

In der vergangenen Woche kursierte eine Nachricht aus Wissenschaft und Technologie im Internet. Die Nachricht ist, dass chinesische Wissenschaftler ein neues Prinzip zur Erzeugung ultratiefer ultravioletter Lichtquellen entdeckt haben, das die technischen Probleme von Lithographiemaschinen überwinden kann. Viele Leute sagen sogar, dass unser Land mit dem Bau einer Fotolithografiefabrik in Xiongan begonnen hat. „Es gibt Bilder und die Wahrheit.“ Sie haben eine Nase und ein Auge.


Viele Leute fragen mich, ob es wahr ist. Lassen Sie mich zunächst die Antwort sagen: Das neue Prinzip der Lichtquellenerzeugung ist wahr, wurde jedoch bereits 2010 vorgeschlagen.Es befindet sich noch in der grundsätzlichen Verifizierungsphase und es werden noch 15 bis 20 Jahre vergehen, bis es wirklich praxistauglich ist.Der Artikel des Wissenschaftlers der Tsinghua-Universität, der dieses Mal gehypt wurde, wurde tatsächlich Anfang 2021 veröffentlicht. Ich weiß nicht, warum er zweieinhalb Jahre später plötzlich ausgegraben und gehypt wurde. Was den Bau einer Fotolithographiefabrik in Xiongan angeht, so ist das nur ein Gerücht und eine Lüge.

Ich möchte dieses Thema heute nur nutzen, um mit Ihnen zu sprechen.Warum ist es so schwierig, eine Lithografiemaschine zu bauen? Ist es für China möglich, die fortschrittlichste Lithografiemaschine völlig unabhängig zu entwickeln?

Fotolithographiemaschinen sind wichtige Geräte zur Herstellung von Chips. Jeder von uns verwendete Computer und die Chips in jedem Smartphone werden mit Fotolithographiemaschinen hergestellt.


Um den technologischen Fortschritt eines Chips zu messen, wird die Einheit xx Nanometer (nm) verwendet.Nano ist eine Längeneinheit, 1 Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter.Hat Huawei nicht schon vor zwei Wochen sein neuestes Mobiltelefon Mate60pro herausgebracht? Als dieses Mobiltelefon herauskam, riefen alle: „Wow, der in diesem Mobiltelefon verwendete Chip besteht aus einem 7-nm-Prozess, was unglaublich ist.“ Hier finden Sie eine Erklärung, was der 7-nm-Prozess bedeutet. Vereinfacht ausgedrückt sind die elektronischen Komponenten auf dem Chip, also die Transistoren, eingraviert, genau wie wir es auf einem Stempel gravieren.Je mehr Transistoren auf derselben Fläche herausgearbeitet werden können, desto fortschrittlicher wird der Chip sein.Im Bereich der Chips werden Nanometer verwendet, um den Entwicklungsstand des Chips auszudrücken. Je kleiner die Zahl, desto fortschrittlicher ist der Chip. 10 nm sind weiter fortgeschritten als 14 nm und 7 nm sind weiter fortgeschritten als 10 nm. Machen Sie sich keine Gedanken darüber, warum es Zahlen wie 5, 7, 10 und 14 gibt. Dahinter stecken komplexe historische Gründe.

Chips werden mithilfe von Lasern auf Siliziumwafern geschnitzt. Je kleiner der Transistor geschnitten werden soll, desto kürzer ist die Wellenlänge des Lasers.Die von den fortschrittlichsten Lithografiemaschinen der Welt verwendete Lichtquelle heißt extrem tiefes ultraviolettes Licht, oder auf Englisch EUV, mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern.Es wurde von einem amerikanischen Unternehmen entwickelt, das nun jedoch vom niederländischen Unternehmen ASML übernommen wurde. Allerdings gibt es hier ein Konzept, das geklärt werden muss. Das bedeutet nicht, dass der 13,5-Nanometer-Wellenlängenlaser nur 13,5-Nanometer-Chips gravieren kann. Es kann tatsächlich 7-Nanometer-, 5-Nanometer- oder sogar kleinere Prozesschips gravieren.


Die von Lithografiemaschinen verwendete Lichtquelle, die schlechter als EUV ist, ist tiefes ultraviolettes Licht, das auf Englisch abgekürzt wird.DUVDie Wellenlänge beträgt 193 Nanometer und ist damit eine Größenordnung größer als EUV. Der im neuesten Huawei-Mobiltelefon verwendete Kirin 9000s-Chip im 7-nm-Prozess wird mithilfe von DUV geschnitzt. Ja, bei einer Wellenlänge von 193 Nanometern kann ein 7-nm-Chip mithilfe einer Technologie namens Mehrfachbelichtung geschnitzt werden. Aber selbst eine solche 193-Nanometer-Fotolithographiemaschine ist in unserem Land noch nicht verfügbar. Die einzigen Unternehmen auf der Welt, die DUV produzieren können, sind Canon und Nikon aus Japan sowie ASML aus den Niederlanden. Ja, Sie haben es richtig gehört, und die Vereinigten Staaten können das auch nicht.


Hier erfahren Sie übrigens, was die Mehrfachbelichtungstechnologie ist. Lassen Sie mich die einfachste Analogie verwenden, um zu versuchen, es zu erklären. Zum Beispiel haben Sie jetzt eine Maschine, die quadratische Gitter zeichnet, aber die Seitenlänge des quadratischen Gitters, die sie zeichnen kann, beträgt 100 mm. Gibt es eine Möglichkeit, mit dieser Maschine ein quadratisches Raster von weniger als 100 mm zu zeichnen? Es ist möglich. Die Methode besteht darin, dass ich zunächst viele verbundene Gitter auf das Papier zeichne, um ein Gitter zu bilden. Dann bewegte ich die Maschine leicht und zeichnete erneut auf das Papier. Dadurch wird ein neues Raster gezeichnet. Die beiden Gitter überlappen sich und die Linien schneiden sich, um ein kleineres Gitter zu bilden. Sie können es selbst mit einem Stift auf Papier versuchen.

Jedes Mal, wenn ein Fotolithografiegerät einen Chip graviert, ist der Vorgang eine Belichtung. Das Gleiche gilt für die Verwendung von DUV zur Herstellung von 7-nm-Prozesschips. Wenn Sie nichts auf einmal tun können, belichten Sie es einfach noch ein paar Mal. Gehen Sie nach jeder Belichtung einen kleinen Schritt vor, bevor Sie erneut belichten. Dadurch können kleinere Transistoren herausgearbeitet werden. Dies ist natürlich nicht ohne Nebenwirkungen, das heißt, die Fehlerwahrscheinlichkeit ist größer. Bei der Massenproduktion werden viele fehlerhafte Chips verschwendet. Aus professioneller Sicht ist die Ausbeute an Chips relativ niedrig und die Fehlerquote relativ hoch.


Kommen wir zurück zum Thema,Wie schwierig ist es, eine Fotolithographiemaschine zu bauen?

Ich entscheide mich zunächst für meine Persönlichkeit.Die Lithographiemaschine ist mit Abstand eine der präzisesten und komplexesten Maschinen, die Menschen herstellen können.Ein Fotolithografiegerät besteht aus drei Hauptteilen.Der erste Teil ist die Lichtquelle, der zweite Teil ist das optische System und der dritte Teil ist die Ätzwerkbank.Die technischen Herausforderungen jedes Abschnitts sind vergleichbar mit einer Landung auf dem Mond.

Lassen Sie uns zunächst über die Lichtquelle sprechen.Um ultratief ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern zu erzeugen, besteht die derzeitige Methode darin, mit einem Hochleistungslaser eine kleine Kugel aus Zinn (also metallischem Zinn) mit einem Durchmesser von nur 1/30 Millionstel Meter zu bombardieren. Aber dieser Satz reicht nicht aus, um seine Schwierigkeit zu beschreiben. Ich muss expandieren.


Zunächst muss ein Laserstrahl präzise auf eine kleine Lotkugel treffen, die sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 Meilen pro Stunde bewegt. Wenn die Temperatur der kleinen Lotkugel 500.000 Grad erreicht, wird sie mit einem Laserstrahl beschossen. Zu diesem Zeitpunkt kann extrem tiefes ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern erzeugt werden.Um diese Art von ultraviolettem Licht kontinuierlich und stabil zu erzeugen, müssen kleine Lotkugeln mit einer Frequenz von etwa 50.000 Mal pro Sekunde beschossen werden.Es gibt weltweit nur ein einziges deutsches Unternehmen, das einen solchen Laser herstellen kann. Diese deutsche Firma namens TRUMPF brauchte zehn Jahre, um es erfolgreich zu entwickeln. Allein dieser Laser besteht aus mehr als 45.700 Teilen. Aber Sie hätten vielleicht nicht gedacht, dass der Laser von TRUMPF bei der Bereitstellung der Schlüsselausrüstung auf ein litauisches Unternehmen angewiesen ist. Ohne die Lichtquellenausrüstung des litauischen Unternehmens wäre TRUMPF dazu nicht in der Lage. Es ist einfach wie eine Gottesanbeterin, die die Zikade und den Pirol dahinter verfolgt. Die nächste Schwierigkeit besteht darin, dieses ultratief ultraviolette Licht zu sammeln, um einen ultratief ultravioletten Laser zu bilden. Dies ist der nächste wichtige Teil.


Optisches System.Dieses für EUV entwickelte optische System kann weltweit nur von einem deutschen Unternehmen hergestellt werden, und es ist das berühmte Zeiss. Sie haben vielleicht gehört, dass die von Zeiss hergestellten Kameraobjektive zu den besten der Welt gehören, aber der Vergleich von Kameraobjektiven mit Objektiven, die in optischen EUV-Systemen verwendet werden, ist wie der Unterschied zwischen einem Flugzeug mit Propellern, das Pestizide versprüht, und einem Düsenjäger. Dieses optische System bringt mindestens die folgenden technischen Herausforderungen mit sich: hochpräzise asphärische Oberflächenbearbeitung, mehrschichtige Filmspiegel, hochwertiges Schmelzen, Ionenstrahl-Poliertechnologie und äußerst präzises Schleifen. Sie müssen nicht auf die gerade genannten Fachbegriffe eingehen, Sie müssen nur wissen,Das ultimative Ziel ist es, eine absolut glatte und flache Linse zu schaffen, wie glatt soll es sein? Es ist die Glätte der Wassertropfen im Dreikörpersystem.Die Schwankung der Linse beträgt einen Fehler von etwa einem Atom, was nahe an der theoretischen physikalischen Grenze liegt.Wenn wir die Werbemetapher von Zeiss verwenden, beträgt die Schwankung nicht mehr als 0,1 mm, selbst wenn dieses Objektiv auf die Größe von ganz Deutschland vergrößert wird. Wenn ein Virus auf diesen Spiegel fällt, wird er wie ein bis zu 100 Meter hoher Hügel sein. Daher muss dieses optische System im Vakuum störungsfrei arbeiten. Eine Lichtquelle und ein Objektiv reichen jedoch nicht aus. Es ist, als hätte man ein Tranchiermesser zum Gravieren. Der nächste Schritt besteht darin, zig Milliarden Transistoren auf einen Siliziumchip von der Größe eines Fingernagels zu schnitzen.

Werkbank für Präzisionsinstrumente.Um zig Milliarden Transistoren zu schnitzen, benötigen wir eine Konsole mit extrem hoher Präzision. Es fällt mir schwer, eine treffende Metapher zu finden, um die Schwierigkeit der Herstellung zu beschreiben. Diese Konsole besteht aus 55.000 hochpräzisen Teilen und diese Teile basieren auf mindestens patentierter Technologie aus Japan, Südkorea, Taiwan, den Vereinigten Staaten, Deutschland und den Niederlanden. Ohne ein Land würde es nicht funktionieren.

Das Obige ist wahrscheinlich die Schwierigkeit, das fortschrittlichste Fotolithographiegerät der Welt herzustellen. Seine Forschungs- und Entwicklungsgeschichte sieht ungefähr so ​​aus: 1997 investierten die Intel Corporation und das US-Energieministerium gemeinsam in ein Unternehmen und begannen mit der Entwicklung von EUV-Lithographiemaschinen. In 6 Jahren hat dieses Unternehmen die meisten seiner patentierten Kerntechnologien entwickelt. Allerdings beabsichtigen weder Intel noch das US-Energieministerium, selbst Lithografiemaschinen zu bauen, da sie der Meinung sind, dass sich mit dem Bau von Lithografiemaschinen kein wirkliches Geld verdienen lässt. Es ist besser, die Kerntechnologie an ein ausländisches Unternehmen zu lizenzieren und es Lithographiemaschinen bauen zu lassen. Später erhielt ASML in den Niederlanden die Genehmigung für diese Kerntechnologien und produzierte schließlich mit Hilfe von Unternehmen wie Samsung und TSMC im Jahr 2010 den ersten EUV-Lithographie-Prototyp. Es verbrachte weitere neun Jahre mit Tests, Optimierungen und Upgrades und produzierte schließlich die erste EUV-Lithographiemaschine, die 2019 offiziell in die kommerzielle Produktion gehen konnte, was insgesamt 22 Jahre dauerte.


Obwohl die EUV-Lithographiemaschine von ASML in den Niederlanden hergestellt wird, handelt es sich dabei um nichts anderes als eine Montageanlage. Nur 15 % der Teile werden unabhängig hergestellt und die anderen 85 % der Teile werden importiert. Und da das US-Energieministerium fast alle Kernpatente für Lithografiemaschinen besitzt, erfordert die Produktion von Lithografiemaschinen durch ASML eine Genehmigung des US-Energieministeriums. Deshalb kann das niederländische Unternehmen ASML nur zuhören, wenn die US-Regierung sagt, dass es nicht erlaubt ist, Fotolithografiemaschinen nach China zu verkaufen. Das kann man sagenEine EUV-Lithografiemaschine besteht aus sieben oder acht Ländern, die einen Kreis bilden und ASML im Nacken sitzen..

Wenn China die Technologieblockade durchbrechen und unabhängig Lithografiemaschinen herstellen will, muss es in allen drei Schlüsselbereichen eine vollständige unabhängige Innovation erreichen. Alles, was wir jetzt sagen können, ist, dass wir im ersten Abschnitt über Lichtquellen ein wenig Hoffnung sehen.

Im Jahr 2010 arbeitete Zhao Wu, ein chinesischer Professor an der Stanford University und angesehener Gastprofessor an der Tsinghua University, mit seinen Doktoranden daran, ein neues Prinzip zur Erzeugung von extrem tiefen ultravioletten Lichtquellen vorzuschlagen. Dieses Prinzip heißt„Steady-State-Mikrobündelung“, die englische Abkürzung SSMB, nutzt einen riesigen Teilchenbeschleuniger, um extrem tiefes ultraviolettes Licht zu erzeugen.Im Jahr 2017 arbeitete das Team von Professor Tang Chuanxiang an der Tsinghua-Universität mit Kollegen in Deutschland zusammen, um die theoretische Analyse und den physikalischen Entwurf des Experiments abzuschließen, ein Lasersystem für das Testexperiment zu entwickeln und bestimmte Prinzipüberprüfungen durchzuführen. Im Februar 2021 wurde ihr Artikel erfolgreich in der Zeitschrift Nature veröffentlicht[1], Professor Tangs Doktorand Deng Xiujie ist der Erstautor, Professor Tang und ein weiterer Professor vom Helmholtz-Zentrum für Material- und Energieforschung in Berlin, Deutschland, sind die korrespondierenden Autoren. Hier gilt übrigens eine allgemeine Regel im akademischen Kreis. Als Erstautor bezeichnet man im Allgemeinen die Person, die den größten Beitrag zum Forschungsthema geleistet hat, während der Korrespondenzautor die Person ist, die für das Thema verantwortlich ist und von den Ergebnissen profitiert.


Im März 2022 veröffentlichten Professor Tang Chuanxiang und Dr. Deng Xiujie einen gleichnamigen Artikel in der „Acta Physica Sinica“ meines Landes.[2]. Vielleicht haben sie selbst nicht damit gerechnet, dass mehr als ein Jahr später aus unbekannten Gründen, wahrscheinlich am 13. September 2023, einige Self-Medien ein Video mit einem Titel wie „It's against the sky!“ veröffentlichten. Die SSMB-EUV-Lichtquelle der Tsinghua-Universität war geboren, mit einer 40-mal höheren Leistung als EUV-Lithographiemaschinen.“ Dann begannen verschiedene Self-Media-Plattformen wie ein Feuerwerk, die SSMB-Lösung der Tsinghua-Universität mit verschiedenen Titeln zu übertreiben, die mit den Worten „unverschämt“ begannen. Ich war sprachlos, als ich es sah.

Ich hoffe, dass sich alle beruhigen können, dass wir noch weit davon entfernt sind, die Produktion von Ultratief-Ultraviolett-Lithographiemaschinen zu realisieren.Komm nicht voran. Zunächst heißt es auf der offiziellen Website von Tsinghua, dass Professor Tang Chuanxiang im Jahr 2021 bei der Nationalen Entwicklungs- und Reformkommission beantragt habe, das SSMB-Versuchsgerät im Rahmen des 14. Fünfjahresplans als wichtige nationale Wissenschafts- und Technologieinfrastruktur aufzuführen. Allerdings habe ich keine Neuigkeiten zu dem Projekt gefunden. Da es sich um ein ziviles wissenschaftliches Forschungsprojekt und nicht um ein militärisches Projekt handelt, ist eine öffentliche Ankündigung erforderlich, wenn das Projekt genehmigt wird. Daher wurde dieses Projekt zumindest bisher nicht genehmigt.

Auch wenn wir optimistisch sind, kann das Projekt nächstes Jahr genehmigt werden, aber es wird schwierig sein, innerhalb von fünf Jahren ein wissenschaftliches Forschungsgerät dieses Niveaus zu bauen. Nach der Fertigstellung werden wir optimistischer sein und es in 3 Jahren erfolgreich testen und dann weitere 5 Jahre damit verbringen, eine Lichtquelle zu bauen, die kommerziell genutzt werden kann. Das wird vor 13 Jahren sein. Können jedoch die beiden anderen Schlüsselteile der Lithographiemaschine in diesen 13 Jahren fertiggestellt werden? Es gibt noch nicht einmal einen Schatten.

Darüber hinaus wissen wir nicht, ob die Amerikaner und die Niederländer in 13 Jahren eine fortschrittlichere Lithografiemaschine der nächsten Generation entwickelt haben werden, und wir müssen weiter daran arbeiten.

Abschließend möchte ich noch etwas sagen, was mir persönlich nicht gefällt:

Innerhalb von 20 Jahren ist es für kein Land der Welt in der Lage, völlig unabhängig eine Lithographiemaschine zu bauen, die das fortschrittlichste Niveau der Welt darstellt, und die Vereinigten Staaten bilden da keine Ausnahme.

Das stellt natürlich nur meine persönliche Meinung dar und ich hoffe wirklich, dass ich eine Ohrfeige bekomme.

Der Grund, warum ich diesen Standpunkt zum Ausdruck bringen möchte, ist, dass ich wirklich nicht möchte, dass sich die Tragödie des vergangenen „Großen Sprungs nach vorn“ wiederholt. Chinesen sind sehr schlau, aber das bedeutet nicht, dass wir Chinesen aus besonderen Materialien bestehen. Alle Rassen auf der Welt sind Hominidae, Homo und Homo sapiens. Es gibt fast keinen genetischen Unterschied zwischen Chinesen und Ausländern. Wir sind nicht dumm als Ausländer, aber wir sind auch nicht viel schlauer als Ausländer.

Die Suche nach der Wahrheit aus Fakten ist der richtige Weg, um Wissenschaft und Technologie weiterzuentwickeln. Für hochpräzise und komplexe Maschinen wie Fotolithografiemaschinen ist die Suche nach größtmöglicher internationaler Zusammenarbeit die beste Lösung.

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