2021年2月、清華大学の唐伝祥教授のチームはドイツの科学者と協力してNature誌に論文を発表し、SSMB原理に基づく超深紫外光源生成理論の一定の実験的検証を完了したと報告した。しかし2年後の今日、この取り組みは中国にEUVリソグラフィー装置工場が設立されるとして、一部のセルフメディアによって突然宣伝されました。しかし、フォトリソグラフィー装置を独自に製造するのはそれほど早くできるでしょうか?
|によって書かれました王潔
ここ 1 週間、科学技術に関するニュースがインターネット上で広まりました。ニュースは、中国の科学者が、リソグラフィー装置の技術的問題を突破できる超深紫外光源を生成する新しい原理を発見したということです。多くの人は、我が国が雄安にフォトリソグラフィー工場を建設し始めたとさえ言っています。 「写真と真実があります。」彼らには鼻と目があります。
多くの人がそれは本当ですかと私に尋ねます。まず答えを教えてください。新しい光源生成原理は真実ですが、それは 2010 年にはすでに提案されていました。まだ原理検証の段階にあり、本格的な実用化にはまだ15～20年かかる。今回話題になった清華大学の科学者による論文は、実際には2021年初めに発表されたものだが、なぜそれが2年半後に突然掘り起こされて話題になったのかは分からない。雄安にフォトリソグラフィー工場が建設されるという話は単なる噂であり、嘘である。
今日はこのトピックを使ってお話したいと思います。リソグラフィー装置を構築するのはなぜそれほど難しいのでしょうか?中国が完全に独自に最先端の露光装置を開発することは可能でしょうか？
フォトリソグラフィー装置は、チップの製造に使用される重要な装置です。私たちが使用するすべてのコンピューターとすべてのスマートフォンのチップは、フォトリソグラフィー装置を使用して製造されています。
チップの技術的進歩を測定するには、xx ナノメートル (nm) という単位が使用されます。ナノは長さの単位で、1 ナノメートルは 10 億分の 1 メートルに相当します。ファーウェイは2週間前に最新の携帯電話Mate60proをリリースしましたよね？この携帯電話が発売されるとすぐに、誰もが「すごい、この携帯電話に使用されているチップは 7nm プロセスで作られている、これはすごい」と叫びました。ここでは7nmプロセスが何を意味するのかについて説明します。簡単に言えば、ゴム印に彫刻するのと同じように、チップ上の電子部品、つまりトランジスタが彫刻されます。同じ面積に、より多くのトランジスタを切り出すことができるほど、チップはより高度になります。チップの分野では、チップの高度さを表すためにナノメートルが使用されます。数字が小さいほど、チップはより高度です。 10nm は 14nm よりも進化しており、7nm は 10nm よりも進化しています。なぜ 5、7、10、14 などの数字があるのかについては心配する必要はありません。その背後には複雑な歴史的理由があります。
チップはレーザーを使用してシリコンウェハー上に彫刻されるため、彫刻するトランジスタが小さくなるほど、レーザーの波長は短くなります。世界の最先端のリソグラフィー装置で使用される光源は極深紫外光（英語ではEUV）と呼ばれ、波長は13.5ナノメートルです。アメリカの会社が開発しましたが、現在はアメリカの会社はオランダのASML社に買収されています。ただし、ここで明確にしておきたい概念があります。これは、13.5 ナノメートルの波長レーザーで 13.5 ナノメートルのチップしか彫刻できないという意味ではありません。実際には、7 ナノメートル、5 ナノメートル、またはさらに小さなプロセス チップを彫刻できます。
EUVよりも性能の悪い露光装置の光源は深紫外光（英語で略称）です。DUV、波長は 193 ナノメートルであり、EUV よりも一桁大きいです。ファーウェイの最新携帯電話に使用されている7nmプロセスのKirin 9000番台チップは、DUVを使用して彫刻されています。はい、193 ナノメートルの波長では、多重露光と呼ばれる技術を使用して 7nm のチップを彫刻できます。しかし、この種の193ナノメートルのフォトリソグラフィー装置でさえ、我が国ではまだ入手できません。世界でDUVを生産できる企業は日本のキヤノンとニコン、そしてオランダのASMLだけだ。はい、あなたは正しく聞いています、そして米国もそうではありません。
ちなみに多重露光技術とはこんな感じです。最も簡単なたとえを使って説明してみましょう。たとえば、今正方格子を描画する機械がありますが、描画できる正方格子の一辺の長さは 100 mm です。この機械を使って100mm以下の正方形のグリッドを描くことはできますか?それは可能です。方法としては、まず紙の上につながったマス目をたくさん描いてグリッドを作ります。それから私は機械を少し動かし、再び紙に絵を描きました。これにより、新しいグリッドが描画されます。 2 つのグリッドが重なり、線が交差して小さなグリッドが形成されます。紙にペンを使って自分で試してみることもできます。
フォトリソグラフィー機械がチップを彫刻するたびに、プロセスは 1 回の露光で行われます。 DUV を使用して 7nm プロセスのチップを製造する場合にも同じことが当てはまります。一度に何もできない場合は、さらに数回露出させてください。各露光後、再度露光する前に少しずつ移動します。これにより、より小さなトランジスタを切り出すことが可能になります。もちろん、副作用がないわけではありません。つまり、エラーが発生する可能性が高くなります。大量生産では、多くの不良チップが無駄になります。専門的に言えば、チップの歩留まりは比較的低く、不良率は比較的高いです。
本題に戻りますが、フォトリソグラフィー装置を作るのはどのくらい難しいですか?
まずは自分の性格で決めます。リソグラフィー マシンは、人間が製造できるマシンの中で最も正確で複雑なマシンの 1 つです。フォトリソグラフィー装置は 3 つの重要な部分で構成されています。1 番目の部分は光源、2 番目の部分は光学系、3 番目の部分はエッチング作業台です。各セクションの技術的な課題は月面着陸に匹敵します。
まず光源について話しましょう。波長 13.5 ナノメートルの超深紫外光を生成するには、現在の方法では、高出力レーザーを使用して、直径わずか 1/3000 万分の 1 メートルの小さな錫の球 (つまり金属錫) を照射します。しかし、この文だけではその難しさを説明するのに十分ではありません。拡張する必要があります。
まず、時速約 200 マイルの速度で移動する小さなはんだボールにレーザー ビームを正確に当てる必要があります。小さなはんだボールの温度が 500,000 度に達すると、レーザー ビームが照射されます。このとき、波長13.5ナノメートルの超深紫外光を発生させることができる。このような紫外光を安定して連続的に発生させるには、小さなはんだボールを毎秒約5万回の頻度で照射する必要があります。この種のレーザーを製造できるドイツの企業は世界で 1 社だけです。 TRUMPF というドイツの会社は、開発に 10 年かかりました。このレーザーだけでも 45,700 個以上の部品があります。しかし、TRUMPF のレーザーが重要な機器の提供をリトアニアの企業に依存しているとは考えてもいなかったかもしれません。このリトアニアの会社が製造した光源装置がなければ、TRUMPFはそれを行うことはできません。それはまさに、セミとその後ろのコウライウグイスを追いかけるカマキリのようなものです。次の課題は、この超深紫外光をどのように集めて超深紫外レーザーを形成するかです。これが次の重要な部分です。
光学系。EUV用に開発されたこの光学系は世界で1社しか製造することができず、それがかの有名なツァイス社です。ツァイスが製造するカメラレンズは世界最高のレンズの一つであると聞いたことがあるかもしれませんが、カメラレンズとEUV光学系で使用されるレンズを比較することは、農薬を散布するプロペラを備えた飛行機とジェット戦闘機の違いに似ています。この光学系には、高精度非球面加工、多層膜ミラー、高品位溶解、イオンビーム研磨技術、超精密研削という技術的課題が少なくとも含まれています。先ほど述べた専門用語に入る必要はありません。知っておくだけで十分です。最終的な目標は、完全に滑らかで平らなレンズを作成することです。、どれくらい滑らかにすればいいでしょうか？三体系の水滴の滑らかさです。レンズの変動は原子1個程度の誤差であり、理論上の物理限界に近い。ツァイス独自の宣伝用の比喩を使うと、このレンズをドイツ全土の大きさに拡大したとしても、その変動は 0.1 mm を超えません。この鏡にウイルスが落ちると、高さ100メートルの丘のようになってしまいます。したがって、この光学系は真空中で干渉なく動作する必要があります。しかし、光源とレンズがあれば十分ではありません。彫刻刀を持って彫刻するのと同じです。次のステップは、爪ほどの大きさのシリコン チップ上に数百億個のトランジスタを彫り込むことです。
精密機器の作業台。数百億個のトランジスタを彫刻するには、非常に高い精度のコンソールが必要です。製造の難しさを説明する正確な比喩を見つけるのは難しいです。このコンソールは 55,000 個の高精度部品で構成されており、これらの部品は少なくとも日本、韓国、台湾、米国、ドイツ、オランダが提供する特許取得済みの技術に依存しています。国がなければ成り立ちません。
以上が、世界最先端のフォトリソグラフィー装置の製造の難しさであろう。その研究開発の歴史はおおよそ次のとおりです。1997年にインテル社と米国エネルギー省が共同出資してEUV露光装置の開発を開始しました。この会社は 6 年間で、コアとなる特許技術のほとんどを開発しました。しかし、インテルも米国エネルギー省も、リソグラフィー装置を製造しても実際には儲からないと考えているため、リソグラフィー装置を自ら製造するつもりはありません。コア技術を外国企業にライセンス供与して露光機を作らせた方が良い。その後、オランダの ASML がこれらのコア技術の認可を取得し、サムスンや TSMC などの企業の協力を得て、2010 年にようやく最初の EUV リソグラフィー試作機を製造しました。さらに 9 年をかけてテスト、最適化、アップグレードを行い、最終的に 2019 年に正式に商業生産できる最初の EUV リソグラフィー装置を製造しました。これには合計 22 年かかりました。
ただし、EUV露光装置はオランダのASML社で生産されていますが、単なる組立工場にすぎません。部品のうち独自に生産されているのは 15% のみで、残りの 85% は輸入されています。また、米国エネルギー省がリソグラフィー装置の中核特許のほぼすべてを所有しているため、ASML によるリソグラフィー装置の製造には米国エネルギー省の認可が必要です。このため、米国政府が中国にフォトリソグラフィー装置を販売することは許可されていないと言ったとしても、オランダの ASML 企業はそれに従うことしかできないのです。言えることは、EUVリソグラフィー装置は7、8カ国が円を形成して構成されており、ASMLの首を絞めている。。
中国が技術封鎖を突破してリソグラフィー装置を自主的に生産したいのであれば、3つの主要部分すべてで完全な独立したイノベーションを達成する必要がある。今言えることは、最初の光源セクションに少しの希望が見えるということだけです。
2010年、スタンフォード大学の中国人教授で清華大学の著名な客員教授でもあるZhao Wu氏は、博士課程の学生たちと協力して、超深紫外光源を生成するための新しい原理を提案した。この原理はと呼ばれます「定常状態のマイクロバンチング」、英語の略称SSMBは、巨大な粒子加速器を使用して超深紫外光を生成します。2017年、清華大学の唐伝祥教授のチームはドイツの同僚と協力して実験の理論解析と物理設計を完了し、試験実験用のレーザーシステムを開発し、特定の原理検証を実施した。 2021 年 2 月、彼らの論文は Nature 誌に掲載されました。[1], タン教授の博士課程の学生である鄧秀傑が筆頭著者で、タン教授とドイツのベルリンにあるヘルムホルツ材料・エネルギー研究センターのもう一人の教授が責任著者です。ちなみに、学会における一般的なルールは次のとおりです。通常、筆頭著者は研究テーマに最も貢献した人物を指し、責任著者はそのテーマの責任者であり、結果の受益者です。
2022年3月、唐伝祥教授と鄧秀傑博士は、我が国の「中国医学会」に同名の論文を発表しました。[2]。おそらく彼ら自身も、1 年以上後、何らかの理由で、おそらく 2023 年 9 月 13 日に、一部のセルフメディアが「空を背景にしています!」のようなタイトルのビデオを投稿したことを予想していませんでした。 EUVリソグラフィー装置の40倍の出力を持つ清華大学のSSMB-EUV光源が誕生しました。」その後、さまざまなセルフメディア プラットフォームが、「とんでもない」という言葉で始まるさまざまなタイトルで清華大学の SSMB ソリューションを宣伝し始めました。それを見たとき私は唖然としました。
皆さんに冷静になっていただきたいのは、超深紫外露光装置の実現にはまだまだ遠いということです。先へ進まないでください。まず、清華大学の公式ウェブサイトには、2021年に唐伝祥教授が国家発展改革委員会にSSMB実験装置を第14次5カ年計画中の主要な国家科学技術インフラとしてリストアップするよう申請したと記載されている。しかし、このプロジェクトに関するニュースは見つかりませんでした。これは軍事プロジェクトではなく民間の科学研究プロジェクトであることを考慮すると、プロジェクトが承認された場合には公表が必要となる。したがって、少なくとも今のところ、このプロジェクトは承認されていません。
楽観視しても来年にはプロジェクトが承認される可能性はあるが、このレベルの科学研究装置を5年以内に構築するのは難しいだろう。完成後はさらに楽観的になり、3 年以内にテストに成功し、さらに 5 年かけて商業的に使用できる光源を構築する予定です。 13年前のことになります。しかし、リソグラフィー装置の他の 2 つの重要な部分はこの 13 年で完成できるでしょうか?まだ影さえありません。
さらに、アメリカとオランダが 13 年後に、より高度な次世代リソグラフィー装置を開発しているかどうかはわかりませんが、私たちはそれを追求し続けなければなりません。
最後に、個人的に気に入らないことを言いたいと思います。
20年以内に世界のどの国も完全に独自に世界最先端レベルのリソグラフィー装置を構築することは不可能であり、米国も例外ではありません。
もちろん、これは私の個人的な意見を表しているだけであり、私は本当に顔を平手打ちされることを望んでいます。
私がなぜこのような見解を表明したいかというと、過去の「大躍進」の悲劇を二度と繰り返してほしくないからです。中国人はとても賢いですが、それは私たち中国人が特別な素材でできているという意味ではありません。世界中のすべての人種はヒト科、ホモ科、ホモ・サピエンスです。中国人と外国人の間には遺伝的な違いはほとんどありません。私たちは外国人より愚かではありませんが、外国人よりもはるかに賢いわけでもありません。
事実から真実を追求することは、科学と技術を発展させる正しい方法です。フォトリソグラフィー装置のような超精密かつ複雑な機械の場合、最大限の範囲の国際協力を求めることが最善の解決策です。
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