中国、粒子加速器で動く巨大チップ工場を建設へ

サウスチャイナ・モーニング・ポストによると、この計画は、バスケットボールコート2面分ほどの周囲100～150メートルの粒子加速器を建設することで実行されるという。加速器の電子ビームは、現場でのチップ製造や科学研究用途のための高品質の光源に変換されます。

清華大学の研究チームは、この最先端プロジェクトの場所を選定するために雄安新経済区政府と積極的に協議している。

輸出用に半導体製造装置の小型化を重視するオランダのAdvanced Semiconductor Materials Lithography（ASML）などの民間企業とは異なり、中国のプロジェクトは、単一の加速器に機能する複数のリソグラフィー装置を備えた巨大工場を建設することで生産を現地化することを目指している。

このイノベーションは、低コストのチップの大量生産を促進し、中国を2nm（ナノメートル）チップやそれ以降のチップを含む先進的なチップ製造のリーダーにする可能性があります。

石版印刷機は、人類がこれまでに作った機械の中で最も複雑なものの一つです。現在、7nm以下のチップ製造では、極めて波長が短い極端紫外線（EUV）光が広く使用されています。

ASML は市場でこの技術を所有する唯一の企業です。 2022年末現在、ASMLは180台のEUVシステムを世界に納入している。 4月に発表されたブルームバーグの報道によると、同社は今年60台のEUVを出荷する予定だという。

多くの研究者がこの技術を追求する一方で、中国の科学者たちは別の解決策を模索している。このプロジェクトは2017年から進行中だが、ファーウェイのチップ製造における画期的な進歩により、この技術はつい最近になってようやく公開された。

「この研究の潜在的な応用の一つは、将来のEUVリソグラフィーマシン用の光源を作ることだ」と清華大学のプロジェクトリーダー、唐川祥教授は語った。これが国際社会がこのプロジェクトに特別な注目を払っている理由でもあると思います。」

この研究の背景にある理論は、定常マイクロビーム合体 (SSMB) と呼ばれる新しい発光メカニズムです。このメカニズムは、2010 年にスタンフォード大学の Zhao Wu 教授とその学生 Daniel Ratner によって提案されました。SSMB 理論では、加速中に荷電粒子によって生成されるエネルギーを光源として使用します。その結果、帯域幅が狭くなり、散乱角が小さくなり、透明な EUV 光が連続的に得られます。

荷電粒子は加速中に光を発し、この現象を利用する加速器は利用可能な人工光源の中で最も明るいものの一つです。

「主な課題は、円形の粒子加速器内で電子を分散させ、集団的に同期した放射を実現することです。 「この装置は、波長0.3mmのテラヘルツ波から波長13.5nmのEUV波まで、高品質の放射線を生成できる」と趙氏は2022年10月に清華大学で発表した学術論文で述べた。

高いピークパワーのレーザーパルスを生成する自由電子レーザーとは異なり、SSMB光源は高い平均パワーの連続光を生成すると彼は強調した。この機能により、SSMB は幅広い応用の可能性を秘めています。

現在の ASML EUV 技術と比較すると、SSMB はより理想的な光源です。平均電力が高く、チップ生産の歩留まりが高く、コストが低くなります。

ASML は、強力なレーザーパルスを液体スズの微小な液滴に照射するレーザープラズマから EUV 光源を生成します。レーザーはこれらのスズ液滴を粉砕し、その過程で EUV パルス光を生成します。この技術は、複雑なフィルタリングと集光プロセスを経て、約 250W の電力を持つ EUV 光源を生成します。

この EUV ビームはチップに到達する前に 11 個のミラーで反射され、各ミラーで約 30% のエネルギー損失が発生します。その結果、半導体に到達するビームパワーは 5W 未満になります。これは、3nm または 2nm チップを製造するときに問題になる可能性があります。

一方、SSMB テクノロジーはこれらの懸念を克服しました。 SSMB ビームは 1000W を超える出力を実現し、帯域幅が狭いため必要な反射器の数が少なくなり、必然的に端末電力が高くなります。

この理論は2010年に提唱され、その後2017年に唐氏は清華大学に研究チームを設立した。チームは最初の検証フェーズをドイツのベルリンで実施しました。 2019年に実験は成功し、2021年にネイチャー誌にこの現象を説明する論文が発表された。その後、2022年にチームは清華大学で別のプロトタイプを設計した。

「SSMB-EUV光源は清華大学で設計されており、EUV出力は1kWを超え、いくつかの主要技術はほぼ準備ができています」とチームメンバーの潘志龍教授は述べた。

今年2月、河北省科学技術庁は雄安で特別会議を開催し、新たな特区でテクノロジー企業を発展させる方法を議論した。

タン氏は、新たな技術が中国が将来的に制裁を逃れるのに役立つ可能性があると信じている。しかし、SSMBベースのリソグラフィー装置の具体的な進捗状況については言及しなかった。

「独立したEUVリソグラフィーマシンを開発するまでにはまだ長い道のりがありますが、SSMBベースのEUV光源は、認可された技術に代わる選択肢を提供します。 「これには、EUV SSMB光源に基づく継続的な技術革新と、使用可能なリソグラフィーシステムを構築するための上流および下流の業界との協力が必要です」と彼は述べた。

タン氏はまた、SSMB-EUV光源の実現により、材料科学、基礎物理学、生化学などの分野における最先端の研究に新たなツールが提供されるだろうと指摘した。