Kiina hallitsee EUV:ta paljon odotettua nopeammin

Kiinalainen EUV-prototyyppi saapuu aikaisin

Kun laskentatekniikat kehittyivät, yhä kehittyneempiä siruja kehitettiin. Viimeisin 3 nm ja 2 nm -solmujen sukupolvi on niin pieni, että tavallinen valon aallonpituus on yksinkertaisesti liian suuri luotettavan piirteiden kaavioon saamiseksi tässä mittakaavassa.

Tämä ei ole uutta, sillä ala on pitkään käyttänyt DUV (Deep UltraViolet) -valoa piisirujen levyihin. Mutta saavuttaakseen kehittyneimpien sirujen nanomittakaavan, tarvittiin vielä lyhyemmän aallonpituuden valonlähde.

Tätä valonlähdettä ja litografiaa kutsutaan EUV:ksi (Extreme UltraViolet).

Lähde: Zeiss

Jopa tähän mennessä EUV oli hollantilaisen yrityksen ASML:n monopoli (ASML ), ainoan EUV-litografiakoneiden valmistajan maailmassa.

Vuonna 2019 TSMC:n 7 nm -solmujen sirut valmistettiin ensimmäisellä EUV-prosessilla, mikä toi markkinoille suurivolyymisia asiakastuotteita.

Pääsy EUV-teknologiaan on ollut Yhdysvaltojen pakotteiden keskeinen kohde Kiinan puolijohdeteollisuudessa. Jo vuonna 2018 Yhdysvallat alkoi painostaa Alankomaita estämään ASML:n EUV-koneiden, niihin liittyvien komponenttien ja huoltopalveluiden myynnin.

Ajatus oli, että EUV-pääsyn rajoittaminen hidastaisi Kiinan kykyä valmistaa huippuluokan siruja, ja yhdessä rajoitusten kanssa edistyneiden AI-kiihdyttimien viennistä auttaisi Yhdysvallat säilyttämään etumatkan AI-kilpailussa.

Kuitenkin nyt näyttää siltä, että Kiinan pyrkimys puolijohdeitsenäisyyteen on kiihtynyt paineen alla, ja Reuters raportoikin, että Kiina on saattanut valmiiksi prototyyppisen EUV-koneen. Jos kehitys pysyy aikataulussa, se voisi aloittaa sirujen tuotannon jo vuonna 2028, ja tuotanto kasvaa siitä eteenpäin.

Ei ainoastaan monimutkaista länsimaisten yritysten pyrkimyksiä rajoittaa Kiinan pääsyä huippuluokan valmistukseen, vaan se voi myös muodostua pitkäaikaiseksi uhkaksi länsikeskeiselle puolijohdehuoltoketjulle – saapuen vuosia aikaisemmin kuin monet Kiinaan optimistiset analyytikot odottivat.

“Huhtikuussa ASML:n toimitusjohtaja Christophe Fouquet sanoi, että Kiinan tulisi ‘monia, monia vuosia’ kehittääkseen tällaista teknologiaa.”

“Mutta tämän prototyypin olemassaolo, jonka Reuters raportoiti ensimmäisen kerran, viittaa siihen, että Kiina saattaa olla vuosia lähempänä puolijohdeitsenäisyyden saavuttamista kuin analyytikot olivat odottaneet.”

Miten EUV-litografia todella toimii

Mikä tekee EUV:stä niin ainutlaatuisen – ja miksi se pysyi ASML:n monopolina vuosien ajan – on se, että EUV ei ole pelkästään yksi teknologia, vaan monien äärimmäisen tarkkojen insinöörityöjen kokoaminen yhdeksi integroiduksi järjestelmäksi.

Ensimmäinen osa on äärimmäisen voimakas CO₂-laser, jonka teho on noin 30 kW, mikä tekee siitä yhden maailman tehokkaimmista pulssiteollisuuslasereista. ASML:n koneissa sen valmistaa saksalainen yritys Trumpf.

Mutta juuri tämä laser ei tuota EUV-valoa; se on energialähde. EUV:n tuottamiseksi järjestelmä kuumentaa pieniä sulatetun tinan pisaroita plasmaan, ja ASML:n koneet ampuvat noin 50 000 tinapisaraa sekunnissa.

Plasman on saavutettava äärimmäisiä lämpötiloja – usein mainittu noin 220 000 °C (360 000 °F) – luoden olosuhteet, jotka ovat paljon kuumempia kuin Auringon pinta, ja työntäen teollisen insinöörityön rajoja.

Koko prosessin on myös tapahduttava lähes täydellisessä tyhjiössä, koska ilma (ja useimmat materiaalit) absorboivat EUV-valoa.

Lähde: SemiEngineering

Eikä se ole vielä kaikki. EUV-valoa on nyt ohjattava, muotoiltava ja tarkennettava hämmästyttävällä tarkkuudella piirtämään piisirujen levyjä huippuunsa – usein puhuttaessa transistoriitiheydestä, joka lähestyy 100 miljoonaa transistoria neliömillimetriä kohti johtavilla solmuilla.

Nämä kaarevat peilit, joita on kehittänyt saksalainen optiikkajohtaja Zeiss, on valmistettava ja kohdistettava tarkkuudella, joka lähestyy atomitasoa.

“Jos suurentaisit tällaisen EUV-peilin Saksan kokoiseksi, suurin epätasaisuus – sanotaanpa Zugspitze – olisi koko 0,1 millimetriä korkea.”

Tämä tarkkuus on niin äärimmäinen, että peilien suuntatarkkuutta kuvataan usein elävillä vertauksilla. Esimerkiksi, jos EUV-peiliä käytettäisiin ohjaamaan säde kohti Kuuta, se olisi teoreettisesti tarkka riittämään osumaan esineeseen, joka on yhtä pieni kuin pingispallo Kuun pinnalla.

Nämä optiikat on myös päällystetty monikerroksisella pinnoitteella – usein vuorotellen materiaaleja kuten pii ja molybdeeni – joilla on vain muutaman atomin paksuus per kerros.

“Tämän vuoksi tähän kerrostetaan jopa 100 kerrosta päällekkäin. Yksittäinen kerros heijastaisi vain hyvän yhden prosentin valosta – häviö olisi liian suuri.

Tuloksena on heijastavuus, jonka avulla jopa 70 prosenttia valosta on hyödynnettävissä.”

Lopuksi itse piisirun on liikkuttava ja kohdistettava poikkeuksellisen tarkasti. Anturit mittaavat asemaa jatkuvasti, ja sirun alusta (wafer stage) on säilytettävä tarkkuus vastustaen lämpötilamuutosten ja nopean liikkeen aiheuttamaa muodonmuutosta.

Kun otetaan huomioon kaikki nämä vaiheet (ja yllä oleva selitys on edelleen yksinkertaistettu), käy selväksi, miksi EUV:n kopioiminen on niin vaikeaa: se vaatii paitsi suunnitelman toistamista, myös laajan ekosysteemin materiaalien, metrologian, ohjauksen, optiikan, tyhjiöjärjestelmien ja erittäin puhtaan valmistuksen – kaikki integroituna yhdeksi koneeksi.

Miksi EUV:n kopioiminen on niin vaikeaa

Pyyhkäise vierittääksesi →

Kiinan EUV “Manhattan-projekti”: Kokonaisvaltainen puolijohde mobilisaatio

Kokonaisvaltainen mobilisaatio

Kun otetaan huomioon, kuinka ratkaisevia huippuluokan sirut ovat kilpailussa AI:ssa, kehittyvässä robotiikassa ja sotateknologiassa, Kiinan kotimaisen EUV-pyrkimyksen vertaaminen Manhattan-projektiin ei ole pelkkä retoriikka – se heijastaa hankkeen mittakaavaa ja kiireellisyyttä.

Ensinnäkin valtavat julkisen ja yksityisen pääoman määrät on näennäisesti kanaloitu laajempaan puolijohdehankkeeseen, ainakin 37 miljardia euroa on raportoitu mobilisoituneen vuoden 2025 alussa, ja todennäköisesti enemmän yliopistotutkimuksen, teollisuuslaitosten, kriittisten toimittajien tukien, takuuostojen ja valtion tukeman tulevaisuuden sirujen kysynnän kautta.

Ja ehkä sen ei pitäisi olla yllättävää, kun Huawei:n EUV:hen liittyvä patentti raportoitiin haetuksi joulukuussa 2022.

Samanaikaisesti toinen kiinalainen yritys, SMIC, raportoitiin onnistuneen käyttämään vanhempia DUV-koneita 5 nm-luokan sirujen tuottamiseen ilman EUV:ta – mikä osoittaa, kuinka vahva kannustin on ollut “selviytyä” rajoitetuilla työkaluilla.

Toinen konsepti tutkittiin myös: EUV-valon tuottaminen hiukkaskiihdyttimellä (synkrotroni), suunta, jota käsiteltiin jo vuonna 2023 ja johon liittyi tieteellinen julkaisu vuodelta 2022.

Kaikki nämä pyrkimykset osoittavat valtavan merkityksen, jonka kiinalaiset instituutiot ja yritykset ovat antaneet joko EUV:n hallitsemiselle – tai kilpailukykyisten vaihtoehtojen rakentamiselle ilman sitä.

Keskeinen näissä pyrkimyksissä on ollut Huawei, voimakkaasti pakotteiden alainen kiinalainen teknologiayritys.

“Huawei on sijoittanut työntekijöitä toimistoihin, valmistuslaitoksiin ja tutkimuskeskuksiin ympäri maata tämän hankkeen vuoksi.”

“Puolijohdetehtäviin osoitetut työntekijät nukkuvat usein paikan päällä eivätkä saa palata kotiin työviikon aikana, ja puhelinluku on rajoitettu tiimeille, jotka käsittelevät herkempiä tehtäviä.”

Miten rekrytointi kiihdytti Kiinan EUV-ohjelmaa

Toinen, salaisempi pyrkimys avata EUV on raportoitu keskittyvän kokemuksen ja ihmistalentin hankkimiseen, jotka mahdollistivat EUV:n alun perin.

Huippuinsinöörit, mukaan lukien jotkut, jotka olivat työskennelleet ASML:ssä ja myöhemmin jääneet eläkkeelle, olivat rekrytoinnin ensisijaisia kohteita. Raportit viittaavat myös siihen, että muita ASML:n nykyisiä työntekijöitä on lähestytty rekrytointiin jo vuodesta 2020 lähtien.

“Yksi kokenut kiinalainen insinööri ASML:stä, joka rekrytoitiin projektiin, oli yllättynyt huomatessaan, että hänen antelias allekirjoitusbonuksensa tuli mukanaan väärennetyn nimen alla myönnetyn henkilökortin, kertoi yksi hänen rekrytoinnistaan perehtynyt henkilö.”

“Kun hän pääsi sisälle, hän tunnisti muita entisiä ASML-työkavereita, jotka myös työskentelivät aliasnimillä, ja hänelle annettiin ohje käyttää heidän väärennettyjä nimiään työssä salaisuuden säilyttämiseksi.”

Nämä rekrytoinnit olivat raportoitu osana laajempaa pyrkimystä tuoda huippulahjakkuutta Kiinaan, ja ulkomailla työskenteleville puolijohdeasiantuntijoille tarjottiin allekirjoitusbonuksia ja tukia jo vuosia sitten.

Jotkin kansallisten sääntöjen joustot, jotta näille palkatuille asiantuntijoille olisi helpompaa, näyttävät tapahtuneen erillisissä tapauksissa. Esimerkiksi joidenkin muiden maiden naturalisoitujen kansalaisten kerrottiin olevan annettu kiinalaiset passit ja sallittu kaksinkertainen kansalaisuus, vaikka Kiina virallisesti kieltää kaksinkertaisen kansalaisuuden.

Se, että monet näistä insinööreistä ovat kiinalaista kansallisuutta tai alkuperää, on saattanut myös helpottaa rekrytointia.

Kaiken kaikkiaan väitteet, että Kiina “vain varastaa teknologioita”, ovat usein ylivertaistuksia nopeasti kasvavasta tutkimus- ja insinööriekosysteemistä. Silti tässä erityistapauksessa päällekkäisyys ASML:n liikesalaisuuksien kanssa voi olla merkittävää.

“Vaikka ASML ei voi hallita tai rajoittaa, missä entiset työntekijät työskentelevät, kaikki työntekijät ovat sidottuja luottamuksellisuuslausekkeisiin sopimuksissaan,” yritys sanoi, ja se on “onnistuneesti ryhtynyt oikeudellisiin toimiin vastauksena liikesalaisuuksien varastamiseen.”

Kiinan ensimmäisen EUV-litografian prototyypin sisäpiirissä

Entisten ASML-työntekijöiden palkkaamisen, EUV-osien käänteisen suunnittelun ja kotimaisten vaihtoehtojen itsenäisen kehittämisen tuloksena on ilmeisesti syntynyt prototyyppi, joka on merkittävästi suurempi kuin ASML:n tyypilliset 180 tonnin, koulubussin kokoiset EUV-järjestelmät – raportoitiin vievän koko tehdasalueen.

Tämä voi viitata siihen, että prototyyppi on joko energiatehokkuudeltaan suurempi, vähemmän kompakti, vähemmän tehokas tai yksinkertaisesti optimoitu aikaisemmassa vaiheessa kuin ASML:n tuotantomallit.

Vanhoista ASML-koneista pelastetut komponentit, yhdessä ASML-toimittajien käytettyjen osien markkinoiden kanssa, ovat voineet myös auttaa kokoamaan toimivan prototyypin, kun kotimainen valmistus kasvaa tai laatu paranee.

Keskeinen komponentti, joka saattaa edelleen puuttua – ja jonka jäljentäminen vastaavalla suorituskyvyllä on poikkeuksellisen vaikeaa – on Zeiss‑optiikka. Tämä on raportoitu yhtenä syynä siihen, että kone ei vielä pysty tuottamaan siruja halutulla tasolla.

High-NA EUV: Seuraava rintama puolijohdekilpailussa

Jos EUV:n kehittäminen kesti ASML:lle vuosikymmeniä, Kiinan prototyypin esiinmarssi viittaa siihen, että kiihdytys – ainakin perusjärjestelmän demonstroinnissa – voi tapahtua paljon nopeammin kuin monet olettivat.

Tämä asettaa painetta länsimaisille puolijohdejohtajille työntää voimakkaammin seuraavaan sukupolveen: High-NA (Numerical Aperture) EUV.

High-NA EUV:tä testaa jo yritykset kuten Intel (INTC ), ja sitä on arvioitu Samsungin ja TSMC:n toimesta. Intel on julkisesti asettanut tuotantomääräaikatauluksi vuoden 2028, kun taas sekä TSMC että Samsung vaikuttavat varovaisemmilta, varaten High-NA EUV:n tuleviin <2nm -solmuihin sen sijaan, että se kiirehdittäisiin massatuotantoon.

“Mitä suuremmat kulmat, joista optinen järjestelmä kerää valoa, sitä hienovaraisempia yksityiskohtia näytetään. Tämä tarkoittaa, että optiset EUV-järjestelmät kasvavat yhä suuremmiksi.” Zeiss High-NA EUV:stä

Lähde: Zeiss

High-NA EUV -litografian peili on noin kaksi kertaa suurempi ja kymmenen kertaa raskaampi kuin nykyiset EUV-peilit – mikä tekee koko järjestelmästä vielä suuremman, raskaamman ja monimutkaisemman.

“Yli 40 000 High-NA EUV -litografian projektio‑optiikan osaa painaa yhteensä noin kaksitoista tonnia varmistaakseen korkean tarkkuuden fokuksen – seitsemän kertaa enemmän tilavuutta ja painoa kuin vakiintuneessa EUV-litografiassa.”

Mitä tämä merkitsee sijoittajille?

Lyhyellä aikavälillä tämä todennäköisesti ei muuta paljoa. Kiinan EUV-kone on raportoitu olevan vain prototyyppi, eikä ole selvää, kuinka suuri osa siitä perustuu uudelleenkäytettyihin tai pelastettuihin ASML-osiin verrattuna täysin Kiinan valmistamiin komponentteihin.

Kuitenkin on vaikea olettaa, että Kiina epäonnistuu lopullisesti. Riittävällä määrällä asiantuntijoita, rahoitusta ja aikaa ei ole selvää syytä uskoa, että kiinalaiset instituutiot eivät lopulta pysty jäljittelemään suurta osaa EUV:n kyvykkyydestä – erityisesti kun laajempi komponentti-, materiaali- ja metrologiaympäristö kehittyy.

Skeptisyys, että Kiina ei pysty korvaamaan tiettyä komponenttia, kuten Zeiss‑peilejä, tulisi myös suhtautua varovaisesti. Aiemmat analyysit olivat aiemmin viitanneet, että Kiina oli yli 15 vuotta jäljessä, mutta nyt on raportoitu prototyyppi.

Pitkällä aikavälillä (5–10 vuotta) Kiina voisi rakentaa rinnakkaisen puolijohdehuoltoketjun, joka on itsenäinen paitsi foundry‑tasolla myös laitteistotuotannon tasolla.

Aluksi kehittynyt kotimainen tuotanto todennäköisesti priorisoi kotimaisen kysynnän, vähentäen edistyneiden sirujen, valmistuslaitteiden ja tukikomponenttien myyntiä Kiinaan.

Ajan myötä tämä voi painaa länsimaisten puolijohde‑laitteiden valmistajien ja toimittajien liikevaihtoa ja marginaaleja, heikentäen niiden kykyä investoida uudelleen aiemmille T&K-tasoille.

Huolestuttavampaa yrityksille kuten ASML ja muille laitevalmistajille – ja jopa foundryille – on se, että Kiinan valmistamat edistyneet sirut voivat lopulta kilpailla suoraan ulkomaisilla markkinoilla, erityisesti laajenevien BRICS- ja SCO (Shanghai Cooperation Organization) -kauppaverkostojen kautta.

Yhteenveto

Kiinalaisen EUV-prototyypin ilmestyminen vuosia aikaisemmin kuin monet odottivat on todellinen virstanpylväs. Se viittaa siihen, että vientirajoitukset ja pakotteet eivät todennäköisesti rajoita pysyvästi teknologista kyvykkyyttä sektorilla, jossa Länsi on pitkään pitänyt rakenteellista etua.

Parhaimmillaan rajoitukset voivat viivästyttää edistystä; pahimmillaan ne voivat kiihdyttää sitä luomalla suojatun kotimarkkinan, jossa on noin 1,5 miljardia ihmistä, vahvaa valtion tukea ja teollista kapasiteettia.

Tämä ei tarkoita, että Kiina alkaisi välittömästi tuottaa huippuluokan siruja kotimaisilla EUV-työkaluilla. Mutta se tarkoittaa, että polku kohti tätä tavoitetta on nyt selvempi – ja todennäköisesti nopeampi – kuin monet aiemmin olettivat.

Kaiken kaikkiaan se vahvistaa, että Kiina kehittyy merkittäväksi teknologiavoimaksi, eikä pelkästään maailman suurimmaksi valmistusperustaksi.

Jotkut analyysit väittävät, että Kiina johtaa nyt suurella osuudella kehittyneitä tieteellisiä aloja, mikä haastaa yksinkertaisen narratiivin, jonka mukaan edistyminen tapahtuu vain jäljittelemällä – vaikka liikesalaisuuksien riidat ja IP-konfliktit ovatkin todellinen piirre tässä kilpailussa.

Puolijohdeyritys – TSMC

Kiinan nousu teknologiavoimaksi on strategisesti merkittävää, mutta toistaiseksi Kiinan puolijohdevalmistuslaitteet vaikuttavat edelleen jäljessä – tai vastaavan tasolla – kehittyneimpiin länsimaisiin järjestelmiin.

Joten foundry-liiketoiminnassa prosessikuri, tuottavuusoppiminen ja operatiivinen kokemus todennäköisesti pysyvät ratkaisevina tulevan vuosikymmenen aikana.

Lopulta puolijohdeteollisuuden tuotantoa hallitsevat erikoisosaaminen ja kyky massatuottaa mittakaavassa kustannusten vähentämiseksi. Mikään yritys ei ole hallinnut tätä mallia paremmin kuin TSMC, Taiwanin johtaja äärimmäisen kehittyneiden sirujen valmistuksessa.

TSMC tuottaa ensisijaisesti piisirua, mukaan lukien tehokkaimmat 3 nm- ja tulevat 2 nm -solmut. Ja koska se valmistaa kehittyneimmät (ja kalleimmat) sirut, se saa hallitsevan osuuden maailmanfoundryn liikevaihdosta.

Lähde: Eric Flaningam

TSMC laajentaa myös valmistuskapasiteettiaan Yhdysvalloissa, erityisesti merkittävien investointien kautta Arizona-fabien.

Kun High-NA EUV -kehitys on jo käynnissä, TSMC voi pysyä yhden askeleen edellä Kiinan kilpailijoita, kuten SMIC:ä, vuosien ajan – erityisesti tuottavuudessa, luotettavuudessa ja suurvolyymisen valmistuksen kypsyyden osalta.

Ja vaikka se on kilpaillut kovasti Samsungin, Intelin ja muiden foundryjen kanssa, TSMC on edelleen asemoitu puolustamaan johtajuuttaan nousevaa Kiinassa perustuvaa kilpailua vastaan – ainakin lähitulevaisuudessa.

Uusimmat TSMC (TSM) -osakkeen uutiset ja kehitykset