En febrero de 2021, el equipo del profesor Tang Chuanxiang de la Universidad de Tsinghua colaboró ​​con científicos alemanes para publicar un artículo en Nature, informando que habían completado cierta verificación experimental de la teoría de la producción de fuentes de luz ultravioleta ultraprofunda basadas en el principio SSMB. Pero hoy, dos años después, algunos medios de comunicación promocionaron repentinamente este trabajo como el establecimiento de una fábrica de máquinas de litografía EUV en China. Sin embargo, ¿puede ser tan rápido fabricar de forma independiente una máquina de fotolitografía?

Escrito por | Wang Jie

La semana pasada circuló en Internet una noticia sobre ciencia y tecnología. La noticia es que los científicos chinos han descubierto un nuevo principio para generar fuentes de luz ultravioleta ultraprofunda que puede superar los problemas técnicos de las máquinas de litografía. Mucha gente incluso dice que nuestro país ha comenzado a construir una fábrica de fotolitografía en Xiongan. "Hay imágenes y la verdad". Tienen nariz y ojo.


Mucha gente me pregunta si es verdad. Permítanme decirles la respuesta primero: el nuevo principio de generación de fuentes de luz es cierto, pero se propuso ya en 2010.Todavía se encuentra en la etapa de verificación de principios y aún faltan entre 15 y 20 años para que sea verdaderamente práctico.El artículo del científico de la Universidad de Tsinghua que estaba siendo publicitado esta vez en realidad se publicó a principios de 2021. No sé por qué de repente fue desenterrado y publicitado dos años y medio después. En cuanto a la fábrica de fotolitografía que se construirá en Xiongan, es sólo un rumor y una mentira.

Sólo quiero usar este tema para hablar contigo hoy.¿Por qué es tan difícil construir una máquina de litografía? ¿Es posible que China desarrolle de forma completamente independiente la máquina de litografía más avanzada?

Las máquinas de fotolitografía son equipos clave que se utilizan para producir chips. Cada computadora que utilizamos y los chips de cada teléfono inteligente se producen mediante máquinas de fotolitografía.


Para medir el avance tecnológico de un chip se utiliza la unidad de xx nanómetros (nm).Nano es una unidad de longitud, 1 nanómetro equivale a una milmillonésima parte de un metro.¿No lanzó Huawei su último teléfono móvil, Mate60pro, hace dos semanas? Tan pronto como salió este teléfono móvil, todos exclamaron: Vaya, el chip utilizado en este teléfono móvil está hecho de un proceso de 7 nm, lo cual es increíble. Aquí hay una explicación de lo que significa el proceso de 7 nm. En pocas palabras, los componentes electrónicos del chip, es decir, los transistores, están grabados, tal como lo hacemos en un sello de goma.En la misma área, cuantos más transistores se puedan tallar, más avanzado será el chip.En el campo de los chips, los nanómetros se utilizan para expresar el nivel avanzado del chip. Cuanto menor sea el número, más avanzado estará el chip. 10 nm es más avanzado que 14 nm y 7 nm es más avanzado que 10 nm. No se preocupe por qué hay números como 5, 7, 10 y 14. Hay razones históricas complejas detrás de ellos.

Los chips se tallan en obleas de silicio mediante láser, por lo que cuanto más pequeño sea el transistor que se va a tallar, más corta será la longitud de onda del láser.La fuente de luz que utilizan las máquinas de litografía más avanzadas del mundo se llama luz ultravioleta extremadamente profunda, o EUV en inglés, con una longitud de onda de 13,5 nanómetros.Fue desarrollado por una empresa estadounidense, pero ahora la empresa estadounidense ha sido adquirida por la empresa holandesa ASML. Sin embargo, aquí hay un concepto que es necesario aclarar. Esto no significa que el láser de longitud de onda de 13,5 nanómetros solo pueda grabar chips de 13,5 nanómetros. De hecho, puede grabar chips de proceso de 7 nanómetros, 5 nanómetros o incluso más pequeños.


La fuente de luz utilizada por las máquinas de litografía que es peor que EUV es la luz ultravioleta profunda, que se abrevia en inglés.DUV, la longitud de onda es de 193 nanómetros, que es un orden de magnitud mayor que el EUV. El chip Kirin 9000s de proceso de 7 nm utilizado en el último teléfono móvil de Huawei está tallado mediante DUV. Sí, a una longitud de onda de 193 nanómetros, se puede tallar un chip de 7 nm utilizando una tecnología llamada exposición múltiple. Pero incluso este tipo de máquina de fotolitografía de 193 nanómetros todavía no está disponible en nuestro país. Las únicas empresas en el mundo que pueden producir DUV son las japonesas Canon y Nikon y la holandesa ASML. Sí, has oído bien, Estados Unidos tampoco puede hacerlo.


Por cierto, esto es lo que es la tecnología de exposición múltiple. Permítanme usar la analogía más simple para intentar explicarlo. Por ejemplo, ahora tienes una máquina que dibuja cuadrículas, pero la longitud del lado de la cuadrícula que puede dibujar es de 100 mm. ¿Hay alguna manera de utilizar esta máquina para dibujar una cuadrícula cuadrada de menos de 100 mm? Es posible. El método es que primero dibujo muchas cuadrículas conectadas en el papel para formar una cuadrícula. Luego moví ligeramente la máquina y volví a dibujar en el papel. Esto dibujará una nueva cuadrícula. Las dos cuadrículas se superponen y las líneas se cruzarán para formar una cuadrícula más pequeña. Puedes probarlo tú mismo con un bolígrafo sobre papel.

Cada vez que una máquina de fotolitografía graba un chip, el proceso es de una exposición. Lo mismo ocurre con el uso de DUV para producir chips de proceso de 7 nm. Si no puede hacer nada a la vez, simplemente expóngalo unas cuantas veces más. Después de cada exposición, avance un pequeño paso antes de volver a exponer. Esto permite crear transistores más pequeños. Por supuesto, esto no está exento de efectos secundarios, es decir, la posibilidad de errores es mayor. En la producción en masa, muchos chips defectuosos se desperdiciarán. En términos profesionales, la tasa de rendimiento de los chips es relativamente baja y la tasa de defectos es relativamente alta.


Volvamos al tema,¿Qué tan difícil es construir una máquina de fotolitografía?

Primero decidiré sobre mi personalidad.La máquina de litografía es, con diferencia, una de las máquinas más precisas y complejas que el ser humano es capaz de fabricar.Una máquina de fotolitografía consta de tres partes clave.La primera parte es la fuente de luz, la segunda parte es el sistema óptico y la tercera parte es la mesa de trabajo de grabado.Los desafíos técnicos de cada sección son comparables al alunizaje.

Hablemos primero de la fuente de luz.Para generar luz ultravioleta ultraprofunda con una longitud de onda de 13,5 nanómetros, el método actual consiste en utilizar un láser de alta potencia para bombardear una pequeña bola de estaño (es decir, estaño metálico) con un diámetro de sólo 1/30 millonésima de metro. Pero esta frase no basta para describir su dificultad. Necesito expandirme.


Primero, se requiere un rayo láser para golpear con precisión una pequeña bola de soldadura que se mueve a una velocidad de aproximadamente 200 millas por hora. Cuando la temperatura de la pequeña bola de soldadura alcanza los 500.000 grados, se utiliza un rayo láser para bombardearla. En este momento se puede producir luz ultravioleta extremadamente profunda con una longitud de onda de 13,5 nanómetros.Para producir de forma continua y estable este tipo de luz ultravioleta, es necesario bombardear pequeñas bolas de soldadura a una frecuencia de unas 50.000 veces por segundo.Sólo existe una empresa alemana en el mundo que puede producir este tipo de láser. Esta empresa alemana llamada TRUMPF tardó diez años en desarrollarlo con éxito. Sólo este láser tiene más de 45.700 piezas. Pero quizás no se imaginaba que el láser de TRUMPF dependía de una empresa lituana para suministrar el equipo clave. Sin los equipos de fuente de luz fabricados por esta empresa lituana, TRUMPF no podría hacerlo. Es simplemente como una mantis acechando a la cigarra y al oropéndola detrás de ella. La siguiente dificultad es ¿cómo recolectar esta luz ultravioleta ultraprofunda para formar un láser ultravioleta ultraprofundo? Esta es la siguiente parte clave.


Sistema óptico.Este sistema óptico desarrollado para EUV sólo puede ser fabricado por una empresa alemana en el mundo, y se trata de la famosa Zeiss. Es posible que haya oído que las lentes de las cámaras producidas por Zeiss se encuentran entre las mejores del mundo, pero comparar las lentes de las cámaras con las lentes utilizadas en los sistemas ópticos EUV es como la diferencia entre un avión con hélices que rocían pesticidas y un avión de combate. Este sistema óptico implica al menos los siguientes desafíos técnicos: procesamiento de superficies asféricas de alta precisión, espejos de película multicapa, fusión de alta calidad, tecnología de pulido por haz de iones y rectificado de extrema precisión. No es necesario entrar en los términos técnicos que acabamos de mencionar, sólo necesita saber,El objetivo final es crear una lente absolutamente lisa y plana.¿Qué tan suave debe ser? Es la suavidad de las gotas de agua en el sistema de tres cuerpos.La fluctuación de la lente es un error de aproximadamente un átomo, que está cerca del límite físico teórico.Si utilizamos la propia metáfora promocional de Zeiss, incluso si esta lente se amplía al tamaño de toda Alemania, la fluctuación no supera los 0,1 mm. Si un virus cae sobre este espejo, será como una colina que se eleva hasta 100 metros de altura. Por tanto, este sistema óptico debe funcionar en el vacío sin ningún tipo de interferencia. Pero tener una fuente de luz y una lente no es suficiente. Es como tener un cuchillo de trinchar para grabar. El siguiente paso es tallar decenas de miles de millones de transistores en un chip de silicio del tamaño de una uña.

Banco de trabajo de instrumentos de precisión.Para poder tallar decenas de miles de millones de transistores, necesitamos una consola con una precisión extremadamente alta. Me resulta difícil encontrar una metáfora precisa para describir la dificultad de fabricarlo. Esta consola está compuesta por 55.000 piezas de alta precisión, y estas piezas se basan al menos en tecnología patentada proporcionada por Japón, Corea del Sur, Taiwán, Estados Unidos, Alemania y Países Bajos. No funcionaría sin ningún país.

Lo anterior probablemente sea la dificultad de fabricar la máquina de fotolitografía más avanzada del mundo. Su historia de investigación y desarrollo es más o menos así: en 1997, Intel Corporation y el Departamento de Energía de EE. UU. invirtieron conjuntamente en una empresa y comenzaron a desarrollar máquinas de litografía EUV. En 6 años, esta empresa ha desarrollado la mayoría de sus principales tecnologías patentadas. Sin embargo, ni Intel ni el Departamento de Energía de Estados Unidos tienen la intención de construir máquinas de litografía por sí mismos, porque consideran que construir máquinas de litografía en realidad no genera dinero. Es mejor conceder la licencia de la tecnología central a una empresa extranjera y dejarle construir máquinas de litografía. Posteriormente, ASML en los Países Bajos obtuvo la autorización para estas tecnologías centrales y, con la ayuda de empresas como Samsung y TSMC, finalmente produjo el primer prototipo de litografía EUV en 2010. Pasó otros 9 años probando, optimizando y actualizando, y finalmente produjo la primera máquina de litografía EUV que pudo ponerse oficialmente en producción comercial en 2019, lo que tomó un total de 22 años.


Sin embargo, aunque la máquina de litografía EUV es producida por ASML en los Países Bajos, no es más que una planta de montaje. Sólo el 15% de las piezas se producen de forma independiente y el 85% restante se importa. Y debido a que el Departamento de Energía de EE. UU. posee casi todas las patentes principales de máquinas de litografía, la producción de máquinas de litografía por parte de ASML requiere la autorización del Departamento de Energía de EE. UU. Por eso, si el gobierno estadounidense dice que no está autorizado a vender máquinas de fotolitografía a China, la empresa holandesa ASML sólo puede escucharlo. Se puede decir queUna máquina de litografía EUV está formada por siete u ocho países que forman un círculo y bloquean el cuello de ASML..

Si China quiere romper el bloqueo tecnológico y producir máquinas de litografía de forma independiente, necesita lograr una innovación independiente y completa en las tres partes clave. Todo lo que podemos decir ahora es que en la primera sección de fuente de luz vemos un poco de esperanza.

En 2010, Zhao Wu, profesor chino en la Universidad de Stanford y distinguido profesor visitante en la Universidad de Tsinghua, trabajó con sus estudiantes de doctorado para proponer un nuevo principio para generar fuentes de luz ultravioleta extremadamente profundas. Este principio se llama"Microagrupación en estado estacionario", la abreviatura en inglés SSMB, utiliza un enorme acelerador de partículas para generar luz ultravioleta extremadamente profunda.En 2017, el equipo del profesor Tang Chuanxiang de la Universidad de Tsinghua trabajó con colegas en Alemania para completar el análisis teórico y el diseño físico del experimento, desarrollar un sistema láser para el experimento de prueba y realizar cierta verificación de principios. En febrero de 2021, su artículo se publicó con éxito en la revista Nature.[1], el estudiante de doctorado del profesor Tang, Deng Xiujie, es el primer autor, el profesor Tang y otro profesor del Centro Helmholtz de Investigación de Materiales y Energía en Berlín, Alemania, son los autores correspondientes. Por cierto, aquí hay una regla general en el círculo académico. El primer autor generalmente se refiere a la persona que ha realizado el mayor aporte al tema de investigación, mientras que el autor de correspondencia es el responsable del tema y el beneficiario de los resultados.


En marzo de 2022, el profesor Tang Chuanxiang y el Dr. Deng Xiujie publicaron un artículo del mismo nombre en la revista "Acta Physica Sinica" de mi país.[2]. Quizás ellos mismos no esperaban que más de un año después, por alguna razón desconocida, probablemente el 13 de septiembre de 2023, algunos medios publicaran un video con un título como "¡Está contra el cielo!" Nació la fuente de luz SSMB-EUV de la Universidad de Tsinghua, con una potencia 40 veces mayor que la de las máquinas de litografía EUV”. Luego, como un incendio, varias plataformas de medios comenzaron a promocionar la solución SSMB de la Universidad de Tsinghua con varios títulos que comenzaban con las palabras "escandaloso". Me quedé estupefacto cuando lo vi.

Lo que espero que todos puedan calmarse es que todavía estamos muy lejos de realizar la producción de máquinas de litografía ultravioleta ultraprofunda.No te adelantes. En primer lugar, el sitio web oficial de Tsinghua afirma que en 2021, el profesor Tang Chuanxiang solicitó a la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma incluir el dispositivo experimental SSMB como una importante infraestructura nacional de ciencia y tecnología durante el 14º Plan Quinquenal. Sin embargo, no encontré ninguna noticia sobre el proyecto. Teniendo en cuenta que se trata de un proyecto de investigación científica civil, no militar, se requiere un anuncio público si se aprueba el proyecto. Por lo tanto, al menos hasta el momento, este proyecto no ha sido aprobado.

Aunque seamos optimistas, el proyecto podrá aprobarse el año que viene, pero será difícil construir un dispositivo de investigación científica de este nivel en cinco años. Una vez terminado, seremos más optimistas y lo probaremos con éxito en 3 años, y luego pasaremos otros 5 años para construir una fuente de luz que pueda usarse comercialmente. Esto será hace 13 años. Sin embargo, ¿se podrán completar las otras dos partes clave de la máquina de litografía en estos 13 años? Aún no hay ni una sombra.

Además, no sabemos si los estadounidenses y los holandeses habrán desarrollado una máquina de litografía de próxima generación más avanzada en 13 años, y tenemos que seguir trabajando en ello.

Finalmente quiero decir algo que personalmente no me gusta:

Dentro de 20 años, será imposible que ningún país del mundo pueda construir de forma completamente independiente una máquina de litografía que represente el nivel más avanzado del mundo, y Estados Unidos no es una excepción.

Por supuesto, esto sólo representa mi opinión personal y realmente espero que me abofeteen.

La razón por la que quiero expresar este punto de vista es porque realmente no quiero que vuelva a ocurrir la tragedia del pasado "Gran Salto Adelante". Los chinos son muy inteligentes, pero eso no significa que nosotros, los chinos, estemos hechos de materiales especiales. Todas las razas del mundo son Hominidae, Homo y Homo sapiens. Casi no existe diferencia genética entre chinos y extranjeros. No somos estúpidos que los extranjeros, pero tampoco somos mucho más inteligentes que los extranjeros.

Buscar la verdad a partir de los hechos es la forma correcta de desarrollar la ciencia y la tecnología. Para máquinas ultraprecisas y complejas como las de fotolitografía, la mejor solución es buscar el mayor rango de cooperación internacional.

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