تلاش چین برای ساخت یک صنعت نیمه‌هادی خودکفا، در ایجاد شرکت‌های متعددی مانند های‌سیلیکون هواوی، SMIC و YMTC که تراشه‌های در سطح جهانی را توسعه و تولید می‌کنند، نقش اساسی داشته است. با این حال، در حالی که شرکت‌های چینی ابزارهای ساخت تراشه تولید می‌کنند، نمی‌توانند جایگزین تجهیزات ساخته شده توسط شرکت‌های آمریکایی یا اروپایی برای فناوری‌های فرآیند پیشرفته شوند. برخی، مانند گلدمن ساکس، معتقدند که قابلیت ساخت تراشه چین حدود ۲۰ سال از ASML عقب است، اما نشانه‌هایی وجود دارد که وضعیت ممکن است خوش‌بینانه‌تر باشد. اما آیا چین واقعاً می‌تواند خود را از تامین‌کنندگان پیشرو ابزارهای ساخت تراشه رها کند؟

حافظه و منطق در سطح جهانی با ابزارهای غربی

اگرچه سازندگان تراشه چینی مانند CXMT، HuaHong، SMIC و YMTC می‌توانند تراشه‌های منطقی (تا کلاس ۷ نانومتر) و حافظه تولید کنند که در بازار جهانی رقابتی هستند، اما این شرکت‌ها برای طراحی تراشه به نرم‌افزارهای اتوماسیون طراحی الکترونیکی (EDA) و شبیه‌سازی و همچنین ابزارهای تولیدی ساخته شده در اروپا، ژاپن و ایالات متحده متکی هستند که آنها را در برابر کنترل‌های صادراتی کشورهای غربی آسیب‌پذیر می‌کند.

تجهیزات تولید شده داخلی تنها ۱۵ تا ۳۰ درصد از کل ابزارهای مستقر در کارخانه‌های نیمه‌هادی چین را تشکیل می‌دهند (بر اساس تخمین‌های AMEC)، به این معنی که ۷۰ تا ۸۵ درصد از ابزارهایی که استفاده می‌کنند از شرکت‌های آمریکایی، اروپایی، ژاپنی یا کره‌جنوبی تامین می‌شود.

به همین دلیل، برای صنعت نیمه‌هادی جمهوری خلق چین حیاتی است که ابزارهای EDA، اکوسیستم و زنجیره‌های تامین تجهیزات ساخت ویفر (WFE) خود را بسازد، که دولت مرکزی این موضوع را کاملاً درک می‌کند.

سال گذشته، چین سومین مرحله از صندوق بزرگ خود را با هدف تامین مالی شرکت‌های تولیدکننده مواد شیمیایی فوق‌خالص یا ویفرهای سیلیکونی، و همچنین شرکت‌هایی که ابزارهای ساخت تراشه را توسعه و می‌سازند، آغاز کرد. با این حال، امسال هدف صندوق بزرگ III به ارزش ۵۰ میلیارد دلار را به ابزارهای EDA و شبیه‌سازی گسترش داد. راه‌های متعددی برای چین وجود دارد تا از این پول برای ساخت ابزارهای پیشرفته کارخانه استفاده کند، اما این کار زمان‌بر خواهد بود — یک دارایی ارزشمند، با توجه به محدودیت‌های اعمال شده بر بخش نیمه‌هادی این کشور توسط دولت ایالات متحده.

پیشنهادات قوی برای همه چیز، به جز لیتوگرافی

هر مرکز تولید نیمه‌هادی از صدها یا هزاران ابزار استفاده می‌کند، اما می‌توان آنها را به چندین گروه تقسیم کرد که مراحل مختلفی را انجام می‌دهند، از جمله رسوب‌گذاری (CVD, ALD, PVD)، لیتوگرافی (شامل ابزارهای ردیابی و اسکنرهای لیتوگرافی)، اچینگ، کاشت یون، بازپخت، تمیزکاری، اندازه‌گیری و بازرسی.

چین ده‌ها شرکت دارد که تجهیزات ساخت ویفر را برای مراحل مختلف جریان تولید فرانت‌اند (تولید واقعی نیمه‌هادی) و همچنین شرکت‌هایی که ابزارهایی برای تولید بک‌اند (بسته‌بندی تراشه) می‌سازند، توسعه و تولید می‌کنند.

اینکه چین شرکت‌های WFE زیادی دارد، هم خوب است و هم بد: از یک سو، رقابت هم از نظر محصولات و هم از نظر ایده‌ها وجود دارد، اما از سوی دیگر، شرکت‌های کوچک نمی‌توانند با غول‌های صنعتی مانند Applied Materials یا Tokyo Electron رقابت کنند. با این حال، شرکت‌های نسبتاً بزرگی نیز وجود دارند. شاید شناخته‌شده‌ترین شرکت‌ها ACM Research (تجهیزات تمیزکاری، پولیش، آبکاری الکتروشیمیایی و CVD تقویت‌شده با پلاسما)، Advanced Micro‑Fabrication Equipment (AMEC، ابزارهای رسوب‌گذاری)، Hwatsing Technology (مسطح‌سازی/پولیش مکانیکی شیمیایی)، Kingsemi (ابزارهای پوشش‌دهی چرخشی و توسعه)، Naura Technology (اچینگ، بازپخت و غیره)، Shanghai Micro Electronics Equipment (SMEE، ابزارهای لیتوگرافی، اندازه‌گیری، ابزارهای بازرسی)، Piotech (ابزارهای رسوب‌گذاری) و YuweiTek (بازرسی نوری و اندازه‌گیری) باشند.

SiCarrier یک ستاره در حال ظهور در چشم‌انداز تجهیزات نیمه‌هادی چین است. این شرکت کاتالوگی از ده‌ها ابزار ساخت را در Semicon China امسال ارائه کرد و اعتقاد بر این است که در حال توسعه یک مجموعه کامل از تجهیزات ساخت ویفر از رسوب‌گذاری و لیتوگرافی تا بازپخت و بازرسی است. سرمایه‌گذار اصلی SiCarrier گروه سرمایه‌گذاری بزرگ شنژن است، یک صندوق دولتی که از سایر سرمایه‌گذاری‌های نیمه‌هادی مرتبط با هواوی حمایت می‌کند، به همین دلیل بسیاری از ناظران فکر می‌کنند که SiCarrier اساساً بازوی ابزارسازی تراشه هواوی است.

در حال حاضر، شرکت‌های چینی پیشنهادات محلی قوی در اچینگ، رسوب‌گذاری، تمیزکاری، CMP و پوشش‌دهی/توسعه دارند، به ویژه برای فناوری‌های فرآیند بالغ و قدیمی (مانند ۲۸ نانومتر و بالاتر). در واقع، ابزارهای AMEC طبق گفته این شرکت، می‌توانند برای تولید تراشه‌های روی گره‌های کلاس ۵ نانومتر استفاده شوند. با این حال، یک نکته وجود دارد: بسیاری از تجهیزات WFE ساخته شده در چین از قطعات شرکت‌های غربی استفاده می‌کنند که یا قبلاً تحت کنترل صادرات هستند یا به زودی خواهند شد. آنچه کمتر مهم نیست این است که لیتوگرافی همچنان بحرانی‌ترین گلوگاه برای جمهوری خلق چین باقی مانده است.

۲۰ سال عقب‌تر؟

طراحی ابزارهای لیتوگرافی فوق‌العاده چالش‌برانگیز است، زیرا آنها در تقاطع اپتیک، مهندسی دقیق، سیستم‌های کنترل و علم مواد قرار دارند که همگی در فناوری‌های ساخت مدرن با تلرانس‌های در سطح نانومتر کار می‌کنند.

SMEE، پیشرفته‌ترین سازنده ابزارهای لیتوگرافی در چین، به طور قابل توجهی از رهبران جهانی مانند ASML یا Nikon عقب است. این شرکت به طور رسمی دستگاه لیتوگرافی غوطه‌وری ArF DUV SSA/800-10W با قابلیت ۲۸ نانومتر خود را در اواخر سال ۲۰۲۳ معرفی کرد، اما هنوز آن را در وب‌سایت خود فهرست نکرده است و مشخص نیست که آیا ابزارهای تولیدی را به سازندگان واقعی تراشه، مانند HuaHong یا SMIC، که ظرفیت‌های گسترده‌ای در کلاس ۲۸ نانومتر دارند، ارسال کرده است یا خیر. طبق وب‌سایت SMEE، بهترین سیستم‌های لیتوگرافی آن اسکنرهای خشک سری SSA600 هستند که قادر به فناوری‌های فرآیند ۹۰ نانومتر، ۱۱۰ نانومتر و ۲۸۰ نانومتر هستند که مربوط به اوایل تا اواسط دهه ۲۰۰۰ میلادی است.

SiCarrier نیز در حال توسعه ماشین‌های لیتوگرافی با قابلیت گره‌های تولیدی کلاس ۲۸ نانومتر است (طبق گزارش Nikkei)، اما کاتالوگ Semicon هیچ ابزار لیتوگرافی را شامل نمی‌شد، شاید برای مخفی نگه داشتن پیشرفت‌های لیتوگرافی خود از دولت ایالات متحده، زیرا آنها به شدت به قطعات ساخته شده در خارج از چین متکی هستند.

با در نظر گرفتن اینکه SMEE و SiCarrier تاکنون سیستم‌های لیتوگرافی قادر به تولید تراشه با فناوری‌های فرآیند کلاس ۲۸ نانومتر را توسعه داده‌اند، می‌توان با اطمینان گفت که هر دو شرکت موفق به ساخت اسکنرهای DUV غوطه‌وری شده‌اند که یک نقطه عطف مهم است. ASML دارای ماشین‌های DUV غوطه‌وری با قابلیت ۵ نانومتر است که به خوبی قابلیت عظیم این فناوری را نشان می‌دهد.

با این حال، از آنجایی که بهترین چیزی که در وب‌سایت SMEE فهرست شده، سیستم لیتوگرافی خشک سری SSA600 آن است که با ماشین‌های ASML از اوایل دهه ۲۰۰۰ قابل مقایسه است، تحلیلگران گلدمن ساکس حق دارند بگویند که SMEE ۲۰ سال از ASML عقب است. اما آیا SMEE و/یا SiCarrier می‌توانند از یک ماشین با قابلیت ۲۸ نانومتر که نمی‌توانند به صورت انبوه عرضه کنند، به چیزی پیشرفته‌تر جهش کنند؟ بیایید نظریه‌پردازی کنیم.

لیتوگرافی DUV غوطه‌وری دشوار است

طراحی ابزارهای لیتوگرافی مدرن ArF DUV غوطه‌وری فوق‌العاده دشوار است زیرا آنها باید رزولوشنی کافی برای فناوری‌های فرآیند کلاس ۵ نانومتر (و احتمالاً فراتر از آن) را با استفاده از نور با طول موج ۱۹۳ نانومتر فراهم کنند، که بسیار فراتر از حد رزولوشن طبیعی آن طول موج است.

برای غلبه بر این مشکل، اسکنرهای DUV غوطه‌وری به لنزهای با دیافراگم عددی بالا (NA) ساخته شده از فلوراید کلسیم فوق‌خالص (CaF₂) متکی هستند که تا زبری سطح زیر نانومتر پولیش شده‌اند. ASML ادعا می‌کند که تنها چند شرکت در سراسر جهان قابلیت ساخت اپتیک با این دقت را دارند و ابزارهای پیشرفته آن تقریباً به طور انحصاری از اپتیک‌های زایس (Zeiss) استفاده می‌کنند. شرکت‌های چینی به اپتیک‌های زایس دسترسی ندارند.

علاوه بر این، اسکنرهای غوطه‌وری ArF یک لایه نازک از آب با خلوص بالا را بین لنز و ویفر برای افزایش رزولوشن در خود جای می‌دهند. این امر مستلزم حفظ یک لایه سیال ۱ میلی‌متری است که با سرعت حداکثر ۱ متر بر ثانیه بدون حباب، تلاطم یا آلودگی جریان یابد، که کنترل دقیق بر دینامیک سیالات و پایداری حرارتی را می‌طلبد.

اجزای مکانیکی باید با دقت اپتیکی مطابقت داشته باشند: مراحل ویفر و رتیکل با سرعت بالا حرکت می‌کنند اما باید دقت زیر نانومتر را با استفاده از یاتاقان‌های هوا یا شناوری مغناطیسی حفظ کنند و دارای سیستم‌های بازخوردی باشند که با تاخیر میکروثانیه برای اصلاح هرگونه انحراف یا لرزش کار می‌کنند. نرم‌افزار و حسگرها باید با خطای همپوشانی نانومتری عمل کنند، زیرا هرگونه انحراف در تراز، حرکت مرحله یا دما می‌تواند الگو را از بین ببرد.

همه اجزای مکانیکی که ASML در ماشین‌های لیتوگرافی، اندازه‌گیری یا بازرسی خود استفاده می‌کند، توسط این شرکت ساخته نمی‌شوند؛ بسیاری توسط اشخاص ثالث تولید می‌شوند، بنابراین شرکت‌های دیگر نیز می‌توانند آنها را تهیه و استفاده کنند (که اینگونه شرکت‌های چینی مقادیر زیادی از قطعات را برای WFE خود به دست می‌آورند). با این حال، تکثیر نرم‌افزار و فریم‌ور ASML به همان اندازه مونتاژ یک ماشین با دقت بالا چالش‌برانگیز است.

شرکت‌های چینی مانند SMEE، که تلاش می‌کنند سیستم‌های DUV غوطه‌وری مشابه (مانند SSA/800‑10W) را توسعه دهند، نه تنها باید موفقیت را در مواجهه با چالش‌های مهندسی شدید تکرار کنند، بلکه باید هر جزء ممنوعه یا محدود شده را از ابتدا جایگزین یا بازسازی کنند. به همین دلیل حتی رسیدن به قابلیت کلاس ۲۸ نانومتر یک نقطه عطف مهم محسوب می‌شود.

با این حال، حرکت به ۱۶ نانومتر یا ۷ نانومتر یک پیشرفت خطی برای ASML یا SMEE نیست، بنابراین به طور معنی‌داری آسان‌تر نمی‌شود. در واقع، جهش از لیتوگرافی ۲۸ نانومتر به ۷ نانومتر شامل کلاس‌های کاملاً جدیدی از فناوری، کنترل و دقت است، با پیچیدگی و شدت سرمایه به طور تصاعدی بالاتر. فناوری‌های به کار رفته در جدیدترین اسکنرهای DUV ASML توسط کنترل‌های صادراتی مختلف محافظت می‌شوند (که ارسال فناوری‌هایی را که شرکت‌های چینی را قادر به ساخت تراشه‌های منطقی کلاس ۱۶ نانومتر (و پایین‌تر) در چین می‌کنند، ممنوع می‌کند)، بنابراین اساساً SMEE نمی‌تواند هیچ کمکی از دنیای خارج دریافت کند.

قابلیت DUV کلاس ۲۸ نانومتر ASML (از طریق Twinscan XT:1930i/1950i) حدود سال ۲۰۱۰ بالغ شد، در حالی که قابلیت کلاس ۵ نانومتر مبتنی بر DUV آن با استفاده از الگوبرداری چهارگانه خودتراز (SAQP)، تصحیح پیچیده مجاورت نوری (OPC)، ماسک‌های جدید و مقاوم‌کننده‌های جدید (البته در میان چیزهای دیگر)، تا سال ۲۰۲۰ با Twinscan NXT:2000i به صورت تجاری پشتیبانی شد. Nikon فروش NSR-S636E با قابلیت ۷ نانومتر خود را در اوایل سال ۲۰۲۴ آغاز کرد.

SMEE هنوز باید با SSA/800-10W خود به بلوغ برسد و آن را در حجم بالا تولید کند قبل از اینکه تلاش کند به سمت ۱۶ نانومتر و ۷ نانومتر حرکت کند. با توجه به اینکه عملاً هیچ کارخانه جدیدی در چین فناوری‌های ۲۸ نانومتر و پایین‌تر را هدف قرار نمی‌دهد، بعید است که SMEE به تولید انبوه SSA/800-10W خود نزدیک باشد. در نتیجه، SMEE احتمالاً بیش از ۱۰ سال از NXT 2000i ASML و بیش از ۱۵ سال از ابزارهای EUV معاصر ASML عقب است (ما در این مقاله به EUV نمی‌پردازیم زیرا این یک شاخه کاملاً متفاوت از توسعه فناوری است که به نوآوری‌های زیادی نیاز دارد که ۲۰+ سال طول کشید).

عدم وجود ابزارهای داخلی برای گره‌های پیشرفته در ۱۰ سال آینده یا بیشتر

هیچ راهی وجود ندارد که SMEE یا SiCarrier بتوانند پیشرفت‌های نیمه‌هادی را سریع‌تر از ASML انجام دهند، بنابراین نباید انتظار داشت که هیچ یک از این شرکت‌ها در کمتر از ۱۰ سال یک اسکنر DUV غوطه‌وری ۷ نانومتر یا ۵ نانومتر ارائه دهند. در حالی که جاسوسی صنعتی و مهندسی معکوس ابزارهایی که شرکت‌های چینی از قبل دارند می‌تواند برخی پیشرفت‌ها را تسریع کند، تکثیر Twinscan NXT:2000i ASML غیرممکن است نه تنها به این دلیل که بیش از ۱۰۰,۰۰۰ قطعه پیشرفته دارد، بلکه به این دلیل که این فرآیند نیازمند تکثیر کل اکوسیستم‌های پشت این ماشین خواهد بود.

از آنجایی که هیچ میانبری وجود ندارد که بتواند به ماشین‌های کلاس NXT:2000i منجر شود، SMEE و SiCarrier باید میلیاردها دلار در تحقیق و توسعه داخلی سرمایه‌گذاری کنند، بر قابلیت‌های اپتیکی و مکانیکی دقیق خود مسلط شوند، با اشخاص ثالث برای توسعه کلاس‌های جدید مواد اولیه و قطعات همکاری نزدیک‌تری داشته باشند و با کارخانه‌ها برای در نظر گرفتن پیشرفت‌هایشان همکاری کنند.

به طور خلاصه، در حالی که صنعت نیمه‌هادی چین ممکن است در سال‌های آینده به خودکفایی در گره‌های بالغ دست یابد و حتی ابزارهای در سطح جهانی برای رسوب‌گذاری، اچینگ، کاشت یون، بازپخت و تمیزکاری تولید کند، هیچ راهی وجود ندارد که شرکت‌های چینی بتوانند به زودی در لیتوگرافی به ASML یا Nikon برسند. به همین دلیل، چین حداقل برای ۱۰ سال آینده باید به ابزارهای لیتوگرافی پیشرفته برای فناوری‌های کلاس ۷ نانومتر یا ۵ نانومتر ساخته شده در اروپا یا ژاپن متکی باشد.