En février 2021, l'équipe du professeur Tang Chuanxiang de l'Université Tsinghua a collaboré avec des scientifiques allemands pour publier un article dans Nature, rapportant qu'ils avaient effectué certaines vérifications expérimentales de la théorie de production de sources de lumière ultraviolette ultra-profonde basée sur le principe SSMB. Mais aujourd’hui, deux ans plus tard, ce travail a été soudainement médiatisé par certains médias, sous le nom de création d’une usine de machines de lithographie EUV en Chine. Cependant, peut-il être si rapide de fabriquer indépendamment une machine de photolithographie ?

Écrit par Wang Jie

La semaine dernière, une actualité scientifique et technologique a circulé sur Internet. La nouvelle est que des scientifiques chinois ont découvert un nouveau principe de génération de sources de lumière ultraviolette ultra-profonde qui peut résoudre les problèmes techniques des machines de lithographie. Beaucoup de gens disent même que notre pays a commencé à construire une usine de photolithographie à Xiongan. "Il y a des images et la vérité." Ils ont un nez et un œil.


Beaucoup de gens me demandent si c'est vrai. Laissez-moi d'abord vous donner la réponse : le nouveau principe de génération de source lumineuse est vrai, mais il a été proposé dès 2010.Il en est encore au stade de la vérification du principe et il faudra encore 15 à 20 ans avant qu’il ne soit vraiment pratique.L’article du scientifique de l’Université Tsinghua qui faisait l’objet d’un battage médiatique cette fois-ci a en fait été publié début 2021. Je ne sais pas pourquoi il a été soudainement déterré et médiatisé deux ans et demi plus tard. Quant à l'usine de photolithographie qui sera construite à Xiongan, ce n'est qu'une rumeur et un mensonge.

Je veux juste utiliser ce sujet pour vous parler aujourd'hui.Pourquoi est-il si difficile de construire une machine de lithographie ? Est-il possible pour la Chine de développer de manière totalement indépendante la machine de lithographie la plus avancée ?

Les machines de photolithographie sont des équipements clés utilisés pour produire des puces. Chaque ordinateur que nous utilisons et les puces de chaque smartphone sont produits à l’aide de machines de photolithographie.


Pour mesurer l’avancée technologique d’une puce, l’unité de xx nanomètres (nm) est utilisée.Nano est une unité de longueur, 1 nanomètre équivaut à un milliardième de mètre.Huawei n'a-t-il pas sorti son dernier téléphone mobile, le Mate60pro, il y a deux semaines ? Dès que ce téléphone mobile est sorti, tout le monde s'est exclamé : wow, la puce utilisée dans ce téléphone mobile est constituée d'un processus de 7 nm, ce qui est incroyable. Voici une explication de ce que signifie le processus 7 nm. En termes simples, les composants électroniques de la puce, c'est-à-dire les transistors, sont gravés, tout comme nous gravons sur un tampon en caoutchouc.Sur la même zone, plus il y a de transistors pouvant être découpés, plus la puce sera avancée.Dans le domaine des puces, les nanomètres sont utilisés pour exprimer le niveau avancé de la puce. Plus le nombre est petit, plus la puce est avancée. 10 nm est plus avancé que 14 nm et 7 nm est plus avancé que 10 nm. Ne vous inquiétez pas de la raison pour laquelle il existe des nombres comme 5, 7, 10 et 14. Il y a des raisons historiques complexes derrière eux.

Les puces sont gravées sur des tranches de silicium à l'aide de lasers. Ainsi, plus le transistor à graver est petit, plus la longueur d'onde du laser est courte.La source de lumière utilisée par les machines de lithographie les plus avancées au monde est appelée lumière ultraviolette extrêmement profonde, ou EUV en anglais, avec une longueur d'onde de 13,5 nanomètres.Il a été développé par une société américaine, mais celle-ci a désormais été rachetée par la société néerlandaise ASML. Il y a cependant ici un concept à clarifier. Cela ne signifie pas que le laser d’une longueur d’onde de 13,5 nanomètres ne peut graver que des puces de 13,5 nanomètres. Il peut en fait graver des puces de 7 nanomètres, 5 nanomètres ou même des puces plus petites.


La source de lumière utilisée par les machines de lithographie qui est pire que l'EUV est la lumière ultraviolette profonde, abrégée en anglais.DUV, la longueur d'onde est de 193 nanomètres, ce qui est un ordre de grandeur supérieur à l'EUV. La puce Kirin 9000s de processus 7 nm utilisée dans le dernier téléphone mobile de Huawei est sculptée à l'aide du DUV. Oui, à une longueur d'onde de 193 nanomètres, une puce de 7 nm peut être sculptée à l'aide d'une technologie appelée exposition multiple. Mais même ce type d’appareil de photolithographie de 193 nanomètres n’est toujours pas disponible dans notre pays. Les seules entreprises au monde capables de produire du DUV sont les japonais Canon et Nikon et la néerlandaise ASML. Oui, vous avez bien entendu, les États-Unis non plus.


Au fait, voici ce qu'est la technologie d'exposition multiple. Permettez-moi d'utiliser l'analogie la plus simple pour essayer d'expliquer. Par exemple, vous disposez désormais d’une machine qui dessine des grilles carrées, mais la longueur du côté de la grille carrée qu’elle peut dessiner est de 100 mm. Existe-t-il un moyen d'utiliser cette machine pour dessiner une grille carrée de moins de 100 mm ? C'est possible. La méthode consiste à dessiner d’abord plusieurs grilles connectées sur le papier pour former une grille. Ensuite, j'ai légèrement déplacé la machine et j'ai dessiné à nouveau sur le papier. Cela dessinera une nouvelle grille. Les deux grilles se chevauchent et les lignes se croisent pour former une grille plus petite. Vous pouvez l'essayer vous-même avec un stylo sur papier.

Chaque fois qu’une machine de photolithographie grave une puce, le processus consiste en une seule exposition. Il en va de même pour l’utilisation de DUV pour produire des puces de traitement de 7 nm. Si vous ne pouvez rien faire à la fois, exposez-le simplement plusieurs fois. Après chaque exposition, avancez d’un petit pas avant d’exposer à nouveau. Cela permet de découper des transistors plus petits. Bien entendu, cela n’est pas sans effets secondaires, c’est-à-dire que le risque d’erreurs est plus grand. Dans la production de masse, de nombreuses puces défaillantes seront gaspillées. D'un point de vue professionnel, le taux de rendement des copeaux est relativement faible et le taux de défauts est relativement élevé.


Revenons au sujet,Est-il difficile de construire une machine de photolithographie ?

Je vais d'abord décider de ma personnalité.La machine de lithographie est de loin l’une des machines les plus précises et les plus complexes que l’homme soit capable de fabriquer.Une machine de photolithographie se compose de trois parties clés.La première partie est la source de lumière, la deuxième partie est le système optique et la troisième partie est l'établi de gravure.Les défis techniques de chaque section sont comparables à l’atterrissage sur la lune.

Parlons d’abord de la source lumineuse.Pour générer une lumière ultraviolette ultra-profonde d’une longueur d’onde de 13,5 nanomètres, la méthode actuelle consiste à utiliser un laser de haute puissance pour bombarder une petite boule d’étain (c’est-à-dire de l’étain métallique) d’un diamètre de seulement 1/30 millionième de mètre. Mais cette phrase ne suffit pas à décrire sa difficulté. J'ai besoin de m'agrandir.


Tout d’abord, un faisceau laser est nécessaire pour frapper avec précision une petite bille de soudure qui se déplace à une vitesse d’environ 200 milles à l’heure. Lorsque la température de la petite bille de soudure atteint 500 000 degrés, un faisceau laser est alors utilisé pour la bombarder. À ce stade, une lumière ultraviolette extrêmement profonde d’une longueur d’onde de 13,5 nanomètres peut être produite.Pour produire de manière continue et stable ce type de lumière ultraviolette, de petites billes de soudure doivent être bombardées à une fréquence d'environ 50 000 fois par seconde.Il n’existe qu’une seule entreprise allemande dans le monde capable de produire ce type de laser. Cette entreprise allemande appelée TRUMPF a mis dix ans pour réussir à le développer. Ce laser compte à lui seul plus de 45 700 pièces. Mais vous ne saviez peut-être pas que le laser de TRUMPF s'appuie sur une entreprise lituanienne pour fournir des équipements clés. Sans les équipements de source lumineuse fabriqués par cette entreprise lituanienne, TRUMPF ne serait pas en mesure de le faire. C'est simplement comme une mante traquant la cigale et le loriot derrière elle. La prochaine difficulté est de savoir comment collecter cette lumière ultraviolette ultra-profonde pour former un laser ultraviolet ultra-profond ? C’est le prochain élément clé.


Système optique.Ce système optique développé pour l'EUV ne peut être fabriqué que par une seule entreprise allemande dans le monde, et il s'agit de la célèbre Zeiss. Vous avez peut-être entendu dire que les objectifs d'appareil photo produits par Zeiss sont parmi les meilleurs au monde, mais comparer les objectifs d'appareil photo aux objectifs utilisés dans les systèmes optiques EUV est comme la différence entre un avion à hélices pulvérisant des pesticides et un avion de chasse. Ce système optique implique au moins les défis techniques suivants : traitement de surface asphérique de haute précision, miroirs à film multicouche, fusion de haute qualité, technologie de polissage par faisceau d'ions et meulage d'une précision extrême. Vous n’avez pas besoin d’entrer dans les termes techniques que nous venons de mentionner, il vous suffit de savoir,Le but ultime est de créer une lentille absolument lisse et plate, à quel point cela devrait-il être fluide ? C’est la douceur des gouttelettes d’eau dans le système à trois corps.La fluctuation de la lentille est une erreur d’environ un atome, ce qui est proche de la limite physique théorique.Si l'on utilise la métaphore promotionnelle de Zeiss, même si cet objectif est agrandi à la taille de l'Allemagne entière, la fluctuation ne dépasse pas 0,1 mm. Si un virus tombe sur ce miroir, ce sera comme une colline pouvant atteindre 100 mètres de haut. Ce système optique doit donc fonctionner dans le vide, sans aucune interférence. Mais disposer d’une source de lumière et d’un objectif ne suffit pas. C'est comme avoir un couteau à découper pour graver. La prochaine étape consistera à graver des dizaines de milliards de transistors sur une puce de silicium de la taille d’un ongle.

Établi pour instruments de précision.Afin de sculpter des dizaines de milliards de transistors, nous avons besoin d’une console d’une extrêmement haute précision. Il m’est difficile de trouver une métaphore précise pour décrire la difficulté de sa fabrication. Cette console est composée de 55 000 pièces de haute précision, et ces pièces s'appuient au moins sur une technologie brevetée fournie par le Japon, la Corée du Sud, Taiwan, les États-Unis, l'Allemagne et les Pays-Bas. Cela ne fonctionnerait pas sans aucun pays.

Ce qui précède est probablement la difficulté de fabriquer la machine de photolithographie la plus avancée au monde. Son histoire en matière de recherche et de développement ressemble à peu près à ceci : en 1997, Intel Corporation et le ministère américain de l'Énergie ont investi conjointement dans une entreprise et ont commencé à développer des machines de lithographie EUV. En 6 ans, cette société a développé l’essentiel de ses technologies brevetées. Cependant, ni Intel ni le Département américain de l’Énergie n’ont l’intention de construire eux-mêmes des machines de lithographie, car ils estiment que la construction de machines de lithographie ne rapporte pas réellement d’argent. Il est préférable de concéder la technologie de base sous licence à une entreprise étrangère et de la laisser construire des machines de lithographie. Plus tard, ASML aux Pays-Bas a obtenu l'autorisation pour ces technologies de base et, avec l'aide d'entreprises telles que Samsung et TSMC, elle a finalement produit le premier prototype de lithographie EUV en 2010. Elle a passé encore 9 ans à tester, optimiser et mettre à niveau, et a finalement produit la première machine de lithographie EUV qui a pu être officiellement mise en production commerciale en 2019, ce qui a pris un total de 22 ans.


Cependant, bien que la machine de lithographie EUV soit produite par ASML aux Pays-Bas, elle n'est rien d'autre qu'une usine d'assemblage. Seulement 15 % des pièces sont produites de manière indépendante et les 85 % restants sont importés. Et comme le Département américain de l'énergie détient presque tous les brevets fondamentaux pour les machines de lithographie, la production de machines de lithographie par ASML nécessite l'autorisation du Département américain de l'énergie. C’est pourquoi, si le gouvernement américain déclare qu’il n’est pas autorisé à vendre des machines de photolithographie à la Chine, la société néerlandaise ASML ne peut que l’écouter. On peut dire queUne machine de lithographie EUV est composée de sept ou huit pays formant un cercle, bloquant le cou d’ASML..

Si la Chine veut briser le blocus technologique et produire de manière indépendante des machines de lithographie, elle doit parvenir à une innovation totalement indépendante dans ces trois domaines clés. Tout ce que nous pouvons dire maintenant, c'est que dans la première section sur les sources de lumière, nous voyons un peu d'espoir.

En 2010, Zhao Wu, professeur chinois à l'Université de Stanford et professeur invité distingué à l'Université Tsinghua, a travaillé avec ses doctorants pour proposer un nouveau principe permettant de générer des sources de lumière ultraviolette extrêmement profondes. Ce principe est appelé"Micro-groupage en régime permanent", l'abréviation anglaise SSMB, utilise un énorme accélérateur de particules pour générer une lumière ultraviolette extrêmement profonde.En 2017, l'équipe du professeur Tang Chuanxiang de l'Université Tsinghua a travaillé avec des collègues en Allemagne pour compléter l'analyse théorique et la conception physique de l'expérience, développer un système laser pour l'expérience de test et effectuer certaines vérifications de principes. En février 2021, leur article a été publié avec succès dans la revue Nature[1], Deng Xiujie, doctorant du professeur Tang, est le premier auteur, le professeur Tang et un autre professeur du Centre Helmholtz pour la recherche sur les matériaux et l'énergie à Berlin, en Allemagne, sont les auteurs correspondants. D’ailleurs, voici une règle générale dans le milieu académique. Le premier auteur désigne généralement la personne qui a apporté la plus grande contribution au sujet de recherche, tandis que l'auteur correspondant est la personne en charge du sujet et le bénéficiaire des résultats.


En mars 2022, le professeur Tang Chuanxiang et le Dr Deng Xiujie ont publié un article du même nom dans « Acta Physica Sinica » de Chine.[2]. Peut-être qu'ils ne s'attendaient pas eux-mêmes à ce que plus d'un an plus tard, pour une raison inconnue, probablement le 13 septembre 2023, certains auto-médias aient publié une vidéo avec un titre comme "C'est contre le ciel !" La source lumineuse SSMB-EUV de l’Université Tsinghua est née, avec une puissance 40 fois supérieure à celle des machines de lithographie EUV. Puis, comme un incendie, diverses plateformes automédia ont commencé à vanter la solution SSMB de l’Université Tsinghua avec divers titres commençant par les mots « scandaleux ». J'ai été abasourdi quand je l'ai vu.

Ce que j'espère que tout le monde pourra se rassurer, c'est que nous sommes encore loin de réaliser la production de machines de lithographie ultraviolette ultra profonde.N'avancez pas. Tout d’abord, le site officiel de Tsinghua indique qu’en 2021, le professeur Tang Chuanxiang a demandé à la Commission nationale du développement et de la réforme d’inscrire le dispositif expérimental SSMB parmi les principales infrastructures scientifiques et technologiques nationales au cours du 14e plan quinquennal. Cependant, je n'ai trouvé aucune nouvelle du projet. Étant donné qu’il s’agit d’un projet de recherche scientifique civile et non militaire, une annonce publique est requise si le projet est approuvé. Par conséquent, du moins jusqu’à présent, ce projet n’a pas été approuvé.

Même si nous sommes optimistes, le projet peut être approuvé l'année prochaine, mais il sera difficile de construire un dispositif de recherche scientifique de ce niveau d'ici cinq ans. Une fois terminé, nous serons plus optimistes et le testerons avec succès dans 3 ans, puis passerons encore 5 ans à construire une source de lumière pouvant être utilisée commercialement. Ce sera il y a 13 ans. Cependant, les deux autres éléments clés de la machine lithographique pourront-ils être achevés au cours de ces 13 années ? Il n’y a même pas encore une ombre.

De plus, nous ne savons pas si les Américains et les Néerlandais auront développé une machine de lithographie de nouvelle génération plus avancée dans 13 ans, et nous devons continuer à poursuivre dans cette voie.

Enfin, je veux dire quelque chose que je n’aime pas personnellement :

D’ici 20 ans, il est impossible pour aucun pays au monde d’être capable de construire de manière totalement indépendante une machine de lithographie qui représente le niveau le plus avancé au monde, et les États-Unis ne font pas exception.

Bien sûr, cela ne représente que mon opinion personnelle, et j'espère vraiment être giflé.

La raison pour laquelle je souhaite exprimer ce point de vue est que je ne veux vraiment pas que la tragédie du passé « Grand Bond en avant » se reproduise. Les Chinois sont très intelligents, mais cela ne veut pas dire que nous, les Chinois, sommes faits de matériaux spéciaux. Toutes les races du monde sont les Hominidés, les Homo et les Homo sapiens. Il n’y a pratiquement aucune différence génétique entre les Chinois et les étrangers. Nous ne sommes pas stupides que les étrangers, mais nous ne sommes pas beaucoup plus intelligents que les étrangers.

Rechercher la vérité à partir des faits est la bonne manière de développer la science et la technologie. Pour les machines ultra précises et complexes comme les machines de photolithographie, rechercher la plus grande coopération internationale est la meilleure solution.

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