هل الصين على وشك إنتاج آلات الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية؟ هادئ!

في فبراير 2021، تعاون فريق البروفيسور تانغ تشوانشيانغ من جامعة تسينغهوا مع علماء ألمان لنشر ورقة بحثية في مجلة Nature، أفادوا فيها أنهم أكملوا بعض التحقق التجريبي من نظرية إنتاج مصادر الضوء فوق البنفسجي العميق للغاية بناءً على مبدأ SSMB. ولكن اليوم، بعد مرور عامين، تم الترويج فجأة لهذا العمل من قبل بعض وسائل الإعلام الذاتية مثل إنشاء مصنع لآلات الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية في الصين. ومع ذلك، هل يمكن تصنيع آلة الطباعة الحجرية الضوئية بشكل مستقل بهذه السرعة؟

كتبه وانغ جي

في الأسبوع الماضي، تم تداول جزء من أخبار العلوم والتكنولوجيا على شبكة الإنترنت. الخبر هو أن العلماء الصينيين اكتشفوا مبدأ جديدًا لتوليد مصادر ضوء فوق بنفسجي عميقة للغاية يمكنها حل المشكلات التقنية لآلات الطباعة الحجرية. حتى أن الكثير من الناس يقولون إن بلادنا بدأت في بناء مصنع للطباعة الحجرية الضوئية في شيونغآن. "هناك صور والحقيقة." لديهم أنف وعين.

كثير من الناس يسألونني إذا كان هذا صحيحا. دعني أخبرك بالإجابة أولاً: مبدأ توليد مصدر الضوء الجديد صحيح، ولكن تم اقتراحه في وقت مبكر من عام 2010.فهي لا تزال في مرحلة التحقق المبدئية، ولا يزال أمامنا ما بين 15 إلى 20 سنة قبل أن تصبح عملية حقا.إن الورقة البحثية التي كتبها عالم جامعة تسينغهوا والتي تم الترويج لها هذه المرة، نُشرت بالفعل في أوائل عام 2021. ولا أعرف لماذا تم التنقيب عنها فجأة والترويج لها بعد عامين ونصف. أما بالنسبة لمصنع الطباعة الحجرية الضوئية الذي سيتم بناؤه في شيونغان، فهو مجرد إشاعة وكذبة.

أريد فقط استخدام هذا الموضوع للتحدث إليكم اليوم.لماذا يصعب بناء آلة الطباعة الحجرية؟ هل من الممكن للصين أن تطور بشكل مستقل آلة الطباعة الحجرية الأكثر تقدمًا؟

آلات الطباعة الحجرية الضوئية هي المعدات الرئيسية المستخدمة لإنتاج الرقائق. يتم إنتاج كل جهاز كمبيوتر نستخدمه والرقائق الموجودة في كل هاتف ذكي باستخدام آلات الطباعة الحجرية الضوئية.

لقياس التقدم التكنولوجي للرقاقة، يتم استخدام وحدة xx نانومتر (نانومتر).النانو هي وحدة الطول، 1 نانومتر يساوي واحد على مليار من المتر.ألم تطلق هواوي أحدث هواتفها المحمولة Mate60pro قبل أسبوعين؟ بمجرد ظهور هذا الهاتف المحمول، هتف الجميع، واو، الشريحة المستخدمة في هذا الهاتف المحمول مصنوعة من عملية 7 نانومتر، وهو أمر لا يصدق. فيما يلي شرح لما تعنيه عملية 7 نانومتر. ببساطة، المكونات الإلكترونية الموجودة على الشريحة، أي الترانزستورات، يتم نقشها، تمامًا كما ننقش على ختم مطاطي.وفي نفس المنطقة، كلما زاد عدد الترانزستورات التي يمكن نحتها، كلما أصبحت الشريحة أكثر تقدمًا.وفي مجال الرقائق، يتم استخدام النانومتر للتعبير عن المستوى المتقدم للرقاقة. كلما كان الرقم أصغر، كلما كانت الشريحة أكثر تقدمًا. 10 نانومتر أكثر تقدمًا من 14 نانومتر، و7 نانومتر أكثر تقدمًا من 10 نانومتر. لا تقلق بشأن سبب وجود أرقام مثل 5 و7 و10 و14. فهناك أسباب تاريخية معقدة وراءها.

يتم نحت الرقائق على رقائق السيليكون باستخدام الليزر، لذلك كلما كان حجم الترانزستور المراد نحته أصغر، كلما كان الطول الموجي لليزر أقصر.يُطلق على مصدر الضوء الذي تستخدمه آلات الطباعة الحجرية الأكثر تقدمًا في العالم اسم الضوء فوق البنفسجي العميق جدًا، أو EUV باللغة الإنجليزية، ويبلغ طوله الموجي 13.5 نانومتر.تم تطويره من قبل شركة أمريكية، ولكن الشركة الأمريكية تم الاستحواذ عليها الآن من قبل الشركة الهولندية ASML. ومع ذلك، هناك مفهوم يجب توضيحه هنا. وهذا لا يعني أن الليزر ذو الطول الموجي 13.5 نانومتر يمكنه فقط نقش شرائح بطول 13.5 نانومتر. يمكنه في الواقع نقش شرائح معالجة بحجم 7 نانومتر أو 5 نانومتر أو حتى شرائح أصغر.

مصدر الضوء الذي تستخدمه آلات الطباعة الحجرية والذي هو أسوأ من الأشعة فوق البنفسجية هو الضوء فوق البنفسجي العميق، والذي يتم اختصاره باللغة الإنجليزية.دوف، الطول الموجي هو 193 نانومتر، وهو أكبر من حجم EUV. تم نحت شريحة Kirin 9000s التي تعمل بتقنية 7 نانومتر والمستخدمة في أحدث هاتف محمول من هواوي باستخدام DUV. نعم، عند طول موجة يبلغ 193 نانومتر، يمكن نحت شريحة بحجم 7 نانومتر باستخدام تقنية تسمى التعريض المتعدد. ولكن حتى هذا النوع من آلات الطباعة الحجرية الضوئية مقاس 193 نانومتر لا يزال غير متوفر في بلدنا. الشركات الوحيدة في العالم التي يمكنها إنتاج DUV هي شركتا Canon وNikon اليابانيتان، وASML الهولندية. نعم، لقد سمعت ذلك بشكل صحيح، ولا الولايات المتحدة كذلك.

بالمناسبة، إليك ما هي تقنية التعريض الضوئي المتعدد. اسمحوا لي أن أستخدم أبسط تشبيه لمحاولة التوضيح. على سبيل المثال، لديك الآن آلة ترسم شبكات مربعة، لكن طول جانب الشبكة المربعة التي يمكنها رسمها هو 100 ملم. هل هناك أي طريقة يمكنك من خلالها استخدام هذه الآلة لرسم شبكة مربعة أقل من 100 مم؟ فمن الممكن. الطريقة هي أن أقوم أولاً برسم العديد من الشبكات المتصلة على الورقة لتكوين شبكة. ثم قمت بتحريك الآلة قليلاً ورسمت مرة أخرى على الورق. سيؤدي هذا إلى رسم شبكة جديدة. تتداخل الشبكتان وستتقاطع الخطوط لتشكل شبكة أصغر. يمكنك تجربتها بنفسك باستخدام قلم على الورق.

في كل مرة تقوم فيها آلة الطباعة الحجرية الضوئية بنقش شريحة، تكون العملية عبارة عن تعريض واحد. وينطبق الشيء نفسه على استخدام DUV لإنتاج شرائح معالجة بدقة 7 نانومتر. إذا لم تتمكن من فعل أي شيء في وقت واحد، فما عليك سوى كشفه عدة مرات أخرى. بعد كل تعريض، تحرك خطوة صغيرة قبل التعريض مرة أخرى. وهذا يسمح بنحت الترانزستورات الأصغر. وبالطبع لا يخلو هذا من آثار جانبية، أي أن احتمالية الأخطاء تكون أكبر. في الإنتاج الضخم، سيتم إهدار العديد من الرقائق الفاشلة. من الناحية المهنية، يكون معدل إنتاج الرقائق منخفضًا نسبيًا ومعدل العيوب مرتفع نسبيًا.

فلنعد إلى الموضوع،ما مدى صعوبة بناء آلة الطباعة الحجرية الضوئية؟

سأقرر شخصيتي أولاً.تعد آلة الطباعة الحجرية واحدة من أكثر الآلات دقة وتعقيدًا التي يستطيع الإنسان تصنيعها.تتكون آلة الطباعة الحجرية الضوئية من ثلاثة أجزاء رئيسية.الجزء الأول هو مصدر الضوء، والجزء الثاني هو النظام البصري، والجزء الثالث هو منضدة الحفر.تشبه التحديات التقنية لكل قسم الهبوط على سطح القمر.

دعونا نتحدث عن مصدر الضوء أولا.ولتوليد ضوء فوق بنفسجي عميق للغاية بطول موجة يبلغ 13.5 نانومتر، تتمثل الطريقة الحالية في استخدام ليزر عالي الطاقة لقصف كرة صغيرة من القصدير (أي القصدير المعدني) يبلغ قطرها 1/30 مليون من المتر فقط. لكن هذه الجملة ليست كافية لوصف مدى صعوبتها. أحتاج إلى التوسع.

أولاً، مطلوب شعاع ليزر ليضرب بدقة كرة لحام صغيرة تتحرك بسرعة حوالي 200 ميل في الساعة. عندما تصل درجة حرارة كرة اللحام الصغيرة إلى 500000 درجة، يتم بعد ذلك استخدام شعاع الليزر لقصفها. في هذا الوقت، يمكن إنتاج ضوء فوق بنفسجي عميق للغاية بطول موجة يبلغ 13.5 نانومتر.لإنتاج هذا النوع من الضوء فوق البنفسجي بشكل مستمر وثابت، يجب قصف كرات اللحام الصغيرة بتردد حوالي 50000 مرة في الثانية.هناك شركة ألمانية واحدة فقط في العالم يمكنها إنتاج هذا النوع من الليزر. استغرقت هذه الشركة الألمانية المسماة TRUMPF عشر سنوات لتطويرها بنجاح. يحتوي هذا الليزر وحده على أكثر من 45700 جزء. لكن ربما لم تظن أن ليزر TRUMPF يعتمد على شركة ليتوانية لتوفير المعدات الأساسية. وبدون معدات مصدر الضوء التي تصنعها هذه الشركة الليتوانية، لن تتمكن شركة TRUMPF من القيام بذلك. إنه ببساطة مثل فرس النبي الذي يطارد الزيز والأوريول خلفه. الصعوبة التالية هي كيفية جمع هذا الضوء فوق البنفسجي العميق للغاية لتكوين ليزر فوق بنفسجي عميق جدًا؟ هذا هو الجزء الرئيسي التالي.

النظام البصري.هذا النظام البصري الذي تم تطويره لـ EUV لا يمكن تصنيعه إلا من قبل شركة ألمانية واحدة في العالم، وهي شركة Zeiss الشهيرة. ربما سمعت أن عدسات الكاميرا التي تنتجها شركة Zeiss هي من بين الأفضل في العالم، ولكن مقارنة عدسات الكاميرا مع العدسات المستخدمة في الأنظمة البصرية بالأشعة فوق البنفسجية (UV) يشبه الفرق بين طائرة ذات مراوح ترش المبيدات الحشرية وطائرة مقاتلة. يتضمن هذا النظام البصري على الأقل التحديات التقنية التالية: معالجة الأسطح شبه الكروية عالية الدقة، ومرايا الأفلام متعددة الطبقات، والذوبان عالي الجودة، وتكنولوجيا التلميع بالشعاع الأيوني، والطحن الدقيق للغاية. لا تحتاج إلى الخوض في المصطلحات الفنية المذكورة للتو، تحتاج فقط إلى معرفتها،الهدف النهائي هو إنشاء عدسة ناعمة ومسطحة تمامًا، ما مدى السلاسة التي يجب أن تكون عليها؟ إنها نعومة قطرات الماء في نظام الأجسام الثلاثة.إن تذبذب العدسة هو خطأ قدره ذرة واحدة تقريبًا، وهو قريب من الحد الفيزيائي النظري.إذا استخدمنا استعارة زايس الترويجية الخاصة، فحتى لو تم تكبير هذه العدسة إلى حجم ألمانيا بأكملها، فإن التذبذب لا يتجاوز 0.1 ملم. إذا سقط فيروس على هذه المرآة سيكون مثل تلة يصل ارتفاعها إلى 100 متر. ولذلك فإن هذا النظام البصري يجب أن يعمل في الفراغ دون أي تداخل. لكن وجود مصدر ضوء وعدسة ليس كافيًا. إنه مثل وجود سكين نحت للنقش. والخطوة التالية هي نحت عشرات المليارات من الترانزستورات على شريحة سيليكون بحجم ظفر الإصبع.

منضدة أداة الدقة.من أجل نحت عشرات المليارات من الترانزستورات، نحتاج إلى وحدة تحكم ذات دقة عالية للغاية. ويصعب علي أن أجد استعارة دقيقة لوصف صعوبة صناعته. تتكون وحدة التحكم هذه من 55000 جزء عالي الدقة، وتعتمد هذه الأجزاء على الأقل على تقنية حاصلة على براءة اختراع مقدمة من اليابان وكوريا الجنوبية وتايوان والولايات المتحدة وألمانيا وهولندا. ولن ينجح الأمر بدون أي بلد.

ربما يكون ما سبق هو صعوبة تصنيع آلة الطباعة الحجرية الضوئية الأكثر تقدمًا في العالم. إن تاريخ البحث والتطوير الخاص بها يشبه هذا تقريبًا: في عام 1997، استثمرت شركة Intel ووزارة الطاقة الأمريكية بشكل مشترك في إحدى الشركات وبدأتا في تطوير آلات الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية. في 6 سنوات، طورت هذه الشركة معظم تقنياتها الأساسية الحاصلة على براءة اختراع. ومع ذلك، لا تنوي شركة إنتل ولا وزارة الطاقة الأمريكية بناء آلات الطباعة الحجرية بنفسها، لأنهما تشعران أن بناء آلات الطباعة الحجرية لا يدر المال في الواقع. من الأفضل ترخيص التكنولوجيا الأساسية لشركة أجنبية والسماح لها ببناء آلات الطباعة الحجرية. لاحقًا، حصلت ASML في هولندا على ترخيص لهذه التقنيات الأساسية، وبمساعدة شركات مثل Samsung وTSMC، أنتجت أخيرًا أول نموذج أولي للطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية في عام 2010. وأمضت 9 سنوات أخرى في الاختبار والتحسين والتحديث، وأخيرًا أنتجت أول آلة طباعة حجرية بالأشعة فوق البنفسجية التي يمكن وضعها رسميًا في الإنتاج التجاري في عام 2019، والتي استغرقت إجمالي 22 عامًا.

ومع ذلك، على الرغم من أن آلة الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية (EUV) يتم إنتاجها بواسطة ASML في هولندا، إلا أنها ليست أكثر من مجرد مصنع تجميع. يتم إنتاج 15% فقط من الأجزاء بشكل مستقل، ويتم استيراد 85% الأخرى من الأجزاء. ولأن وزارة الطاقة الأمريكية تمتلك تقريبًا جميع براءات الاختراع الأساسية لآلات الطباعة الحجرية، فإن إنتاج ASML لآلات الطباعة الحجرية يتطلب تصريحًا من وزارة الطاقة الأمريكية. ولهذا السبب، إذا قالت الحكومة الأمريكية إنه من غير المسموح لها بيع آلات الطباعة الحجرية الضوئية إلى الصين، فلا يمكن لشركة ASML الهولندية سوى الاستماع إليها. يمكن أن يقال ذلكتتكون آلة الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية (EUV) من سبع أو ثماني دول تشكل دائرة، مما يؤدي إلى تشويش عنق ASML..

إذا كانت الصين راغبة في اختراق الحصار التكنولوجي وإنتاج آلات الطباعة الحجرية بشكل مستقل، فإنها تحتاج إلى تحقيق ابتكار مستقل كامل في جميع الأجزاء الرئيسية الثلاثة. كل ما يمكننا قوله الآن هو أننا في القسم الأول من مصدر الضوء نرى القليل من الأمل.

في عام 2010، عمل تشاو وو، الأستاذ الصيني في جامعة ستانفورد والأستاذ الزائر المتميز في جامعة تسينغهوا، مع طلاب الدكتوراه لاقتراح مبدأ جديد لتوليد مصادر ضوء فوق بنفسجي عميقة للغاية. ويسمى هذا المبدأ"التجميع الجزئي للحالة المستقرة"يستخدم الاختصار الإنجليزي SSMB مسرعًا ضخمًا للجسيمات لتوليد ضوء فوق بنفسجي عميق للغاية.في عام 2017، عمل فريق البروفيسور تانغ تشوانشيانغ في جامعة تسينغهوا مع زملائه في ألمانيا لاستكمال التحليل النظري والتصميم المادي للتجربة، وتطوير نظام ليزر لتجربة الاختبار، وإجراء التحقق من مبدأ معين. وفي فبراير 2021، نُشرت ورقتهم البحثية بنجاح في مجلة Nature^[1]، طالب الدكتوراه البروفيسور تانغ دينغ شيوجي هو المؤلف الأول، والبروفيسور تانغ وأستاذ آخر من مركز هيلمهولتز لأبحاث المواد والطاقة في برلين، ألمانيا، هما المؤلفان المقابلان. بالمناسبة، هذه قاعدة عامة في الدائرة الأكاديمية. يشير المؤلف الأول عمومًا إلى الشخص الذي قدم أكبر مساهمة في موضوع البحث، في حين أن المؤلف المقابل هو الشخص المسؤول عن الموضوع والمستفيد من النتائج.

في مارس 2022، نشر البروفيسور تانغ تشوانشيانغ والدكتور دينغ شيوجي بحثًا يحمل نفس الاسم في مجلة "Acta Physica Sinica" في بلدي.^[2]. ربما هم أنفسهم لم يتوقعوا أنه بعد مرور أكثر من عام، لسبب غير معروف، ربما في 13 سبتمبر 2023، نشرت بعض وسائل الإعلام الذاتية مقطع فيديو بعنوان "إنها ضد السماء!" وُلد مصدر الضوء SSMB-EUV في جامعة تسينغهوا، بقوة 40 ضعف قوة آلات الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية. بعد ذلك، مثل النار، بدأت العديد من منصات الوسائط الذاتية في الترويج لحل SSMB الذي تقدمه جامعة تسينغهوا بعناوين مختلفة تبدأ بكلمات "فاحشة". لقد دهشت عندما رأيت ذلك.

ما آمل أن يهدأ الجميع هو أننا لا نزال بعيدين عن تحقيق إنتاج آلات الطباعة الحجرية فوق البنفسجية العميقة.لا تتقدم. بادئ ذي بدء، يشير الموقع الرسمي لتسينغهوا إلى أنه في عام 2021، قدم البروفيسور تانغ تشوانشيانغ طلبًا إلى اللجنة الوطنية للتنمية والإصلاح لإدراج الجهاز التجريبي SSMB كبنية تحتية وطنية رئيسية للعلوم والتكنولوجيا خلال الخطة الخمسية الرابعة عشرة. لكن لم أجد أي أخبار عن المشروع. وبالنظر إلى أن هذا مشروع بحث علمي مدني، وليس مشروعا عسكريا، فيجب الإعلان العام في حالة الموافقة على المشروع. ولذلك، على الأقل حتى الآن، لم تتم الموافقة على هذا المشروع.

وحتى لو كنا متفائلين، فمن الممكن الموافقة على المشروع في العام المقبل، ولكن سيكون من الصعب بناء جهاز بحث علمي بهذا المستوى في غضون خمس سنوات. وبعد اكتماله، سنكون أكثر تفاؤلاً ونختبره بنجاح خلال 3 سنوات، ثم نقضي 5 سنوات أخرى لبناء مصدر للضوء يمكن استخدامه تجاريًا. سيكون هذا قبل 13 عامًا. ومع ذلك، هل يمكن إكمال الجزأين الرئيسيين الآخرين لآلة الطباعة الحجرية خلال هذه الأعوام الثلاثة عشر؟ لا يوجد حتى الظل بعد.

علاوة على ذلك، لا نعرف ما إذا كان الأميركيون والهولنديون قد نجحوا في تطوير آلة طباعة حجرية من الجيل التالي أكثر تقدماً في غضون ثلاثة عشر عاماً، ويتعين علينا أن نستمر في ملاحقة هذه الآلة.

أخيرًا، أريد أن أقول شيئًا لا يعجبني شخصيًا:

في غضون 20 عامًا، من المستحيل لأي دولة في العالم أن تكون قادرة على بناء آلة طباعة حجرية بشكل مستقل تمامًا تمثل المستوى الأكثر تقدمًا في العالم، والولايات المتحدة ليست استثناءً.

وبطبيعة الحال، هذا لا يمثل سوى رأيي الشخصي، وآمل حقا أن أتلقى صفعة على وجهي.

السبب وراء رغبتي في التعبير عن وجهة النظر هذه هو أنني لا أريد حقًا أن تتكرر مأساة "القفزة العظيمة للأمام" الماضية. الشعب الصيني ذكي للغاية، لكن هذا لا يعني أننا نحن الصينيين مصنوعون من مواد خاصة. جميع الأجناس في العالم هي Hominidae، Homo، وHomo sapiens. لا يوجد فرق جيني تقريبًا بين الصينيين والأجانب. نحن لسنا أغبى من الأجانب، لكننا لسنا أذكى بكثير من الأجانب.

البحث عن الحقيقة من الحقائق هو الطريق الصحيح لتطوير العلوم والتكنولوجيا. بالنسبة للآلات فائقة الدقة والمعقدة مثل آلات الطباعة الحجرية الضوئية، فإن البحث عن أكبر نطاق من التعاون الدولي هو الحل الأفضل.

وصول:

جينغدونغ مول