Kiina hallitsee EUV:n paljon odotettua nopeammin

Kiinalainen EUV-prototyyppi saapuu aikaisin

Laskentatekniikoiden kehittyessä keksittiin yhä kehittyneempiä siruja. Uusimman sukupolven 3 ja 2 nm:n solmut ovat niin pieniä, että normaali valon aallonpituus on yksinkertaisesti liian pitkä kuvioidakseen ominaisuuksia luotettavasti tässä mittakaavassa.

Tämä ei ole uutta, sillä teollisuus on jo pitkään käyttänyt DUV (Deep UltraViolet) -valoa piikiekkojen litografiaan. Mutta nanoskooppisen mittakaavan saavuttamiseksi edistyneimmissä sirusuunnitteluissa tarvittiin vielä lyhyemmän aallonpituuden valonlähde.

Tätä valonlähdettä ja litografiamenetelmää kutsutaan nimellä EUV (Extreme UltraViolet).

Lähde: Zeiss

Tähän asti EUV oli hollantilaisen ASML-yrityksen monopoli. (ASML ), maailman ainoa EUV-litografiakoneiden valmistaja.

Vuonna 2019 TSMC:n 7 nm:n solmusirut valmistettiin ensimmäisellä EUV-prosessilla, mikä toimitti markkinoille suuren volyymin asiakastuotteita.

EUV-teknologian saatavuuden hallinta on ollut keskeinen osa Yhdysvaltojen Kiinan puolijohdeteollisuudelle asettamia pakotteita. Yhdysvallat alkoi jo vuonna 2018 painostaa Alankomaita estämään ASML:ää myymästä EUV-koneita, niihin liittyviä komponentteja ja huoltopalveluita.

Ajatuksena oli, että EUV-pääsyn rajoittaminen hidastaisi Kiinan kykyä valmistaa huippuluokan siruja ja auttaisi edistyneiden tekoälykiihdyttimien viennin rajoitusten ohella Yhdysvaltoja säilyttämään etulyöntiaseman tekoälykilpailussa.

Paitsi että nyt näyttää siltä, ​​että Kiinan pyrkimys puolijohdeteollisuuden itsenäisyyteen on kiihtynyt paineen alla, ja Reuters raportoi, että Kiina on saanut valmiiksi EUV-koneen prototyypin.Jos kehitys jatkuu aikataulussa, se voisi aloittaa sirujen tuotannon jo vuonna 2028, ja tuotanto kiihtyy siitä lähtien.

Tämä ei ainoastaan ​​voi vaikeuttaa länsimaiden pyrkimyksiä rajoittaa Kiinan pääsyä huippuluokan valmistukseen, vaan se voi myös olla pitkän aikavälin uhka länsikeskeiselle puolijohdetoimitusketjulle – saapuen vuosia aikaisemmin kuin edes monet Kiina-optimistiset analyytikot odottivat.

”Huhtikuussa ASML:n toimitusjohtaja Christophe Fouquet sanoi, että Kiina tarvitsisi ’monia, monia vuosia’ tällaisen teknologian kehittämiseen.”

”Mutta tämän prototyypin olemassaolo, josta Reuters raportoi ensimmäistä kertaa, viittaa siihen, että Kiina saattaa olla vuosia lähempänä puolijohderiippumattomuutta kuin analyytikot odottivat.”

Miten EUV-litografia todella toimii

EUV:n ainutlaatuisuus – ja syy siihen, miksi se pysyi ASML:n monopolina monien vuosien ajan – johtuu siitä, että EUV ei ole vain yksi teknologia, vaan monien erittäin tarkan suunnittelun saavutusten yhdistelmä yhdeksi integroiduksi järjestelmäksi.

Ensimmäinen osa on erittäin tehokas CO₂ laser, jonka teho on noin 30 kW, tekee siitä yhden maailman tehokkaimmista pulssipohjaisista teollisuuslasereista. ASML:n koneissa sitä valmistaa saksalainen yritys valtti.

Mutta EUV-valoa ei tuota tämä laser, vaan energianlähde. EUV:n tuottamiseksi järjestelmä ylikuumentaa pieniä sulan tinan pisaroita plasmaksi, ja ASML-laitteet ampuvat noin 50 000 tinapisaraa sekunnissa.

Plasma on kuumennettava äärimmäisiin lämpötiloihin – usein mainittuihin lukemiin 220 000 °C (360 000 °F) – mikä luo paljon Auringon pintaa kuumemmat olosuhteet ja vie teollisen suunnittelun äärirajoille.

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

Lähde: Puolitekniikka

Eikä tässä vielä kaikki. EUV-valoa on nyt suunnattava, muotoiltava ja keskitettävä hämmästyttävän tarkasti piikiekkojen kuvioimiseksi niiden kärjessä – usein tästä keskustellaan transistoritiheyksinä, jotka lähestyvät 100 miljoonaa transistoria neliömillimetriä kohden johtavissa solmuissa.

Nämä kaarevat peilit, jotka on kehittänyt saksalainen optiikan johtaja Zeiss, on valmistettava ja kohdistettava lähelle atomitasoa olevalla tarkkuudella.

”Jos tällainen EUV-peili suurennettaisiin Saksan kokoiseksi, suurin epätasaisuus – niin sanoakseni Zugspitze – olisi kokonaiset 0.1 millimetriä korkea.”

Tämä tarkkuus on niin äärimmäistä, että peilien suuntatarkkuutta kuvataan usein elävin analogioin. Esimerkiksi jos EUV-peiliä käytettäisiin säteen uudelleenohjaamiseen Kuuta kohti, se olisi teoriassa riittävän tarkka osumaan jopa niin pieneen esineeseen kuin pingispallo Kuun pinnalla.

Nämä optiikat on myös päällystetty monikerroksisella pinnoitteella – usein vuorotellen materiaaleja, kuten piitä ja molybdeeniä – vain muutaman atomin paksuisella kerroksella.

”Tässä on päällekkäin jopa sata kerrosta. Yksi kerros heijastaisi vain reilun prosentin valosta – valohäviö olisi aivan liian suuri.”

Tuloksena on heijastavuus, joka tekee jopa 70 prosenttia valosta käyttökelpoiseksi.

Lopuksi, piikiekon itsensä on liikuttava ja kohdistuttava erittäin tarkasti. Anturit mittaavat sijaintia jatkuvasti, ja kiekkovaiheen on säilytettävä tarkkuus samalla, kun se vastustaa lämpömuutosten ja suurnopeusliikkeen aiheuttamaa muodonmuutosta.

Kun siis otetaan huomioon kaikki nämä vaiheet (ja yllä oleva selitys on edelleen liiallinen yksinkertaistus), käy selväksi, miksi EUV:n replikointi on niin vaikeaa: se vaatii paitsi suunnittelun myös laajan materiaalien, mittaustekniikan, ohjainten, optiikan, tyhjiöjärjestelmien ja erittäin puhtaan valmistuksen ekosysteemin replikoinnin – integroituna yhteen koneeseen.

Miksi EUV:tä on niin vaikea kopioida

Pyyhkäise vierittääksesi →

Kiinan EUV:n ”Manhattan-projekti”: Täydellinen puolijohteiden mobilisointi

Täydellinen mobilisaatio

Kun otetaan huomioon, kuinka ratkaisevan tärkeitä huippuluokan sirut ovat kilpailulle tekoälyn, edistyneen robotiikan ja sotilasteknologian aloilla, Kiinan kotimaisen EUV-pyrkimyksen vertaaminen Manhattan-projektiin ei ole pelkkää retoriikkaa – se heijastaa ponnistelujen laajuutta ja kiireellisyyttä.

Ensinnäkin näyttää siltä, ​​että laajempaan puolijohdetoimintaan on kaadettu valtavia määriä julkista ja yksityistä pääomaa, ja vuoden 2025 alussa oli tiettävästi käytössä ainakin 37 miljardia euroaja todennäköisesti enemmän yliopistotutkimuksen, teollisuuslaitosten, kriittisille toimittajille myönnettävien tukien, taattujen ostojen ja valtion tukeman tulevaisuuden sirujen kysynnän kautta.

Eikä sen ehkä olisi pitänyt tulla täysin yllätyksenä, Huawein EUV-patenttihakemuksen tiettävästi jätettiin joulukuussa 2022..

Samaan aikaan toinen kiinalainen yritys, SMIC, kertoman mukaan onnistui käyttämään vanhempia DUV-koneita 5 nm:n luokan sirujen tuottamiseen ilman EUV:tä—havainnollistaa, kuinka vahva kannustin on ollut "tulemaan toimeen" rajoitetuilla työkaluilla.

Myös toista konseptia tutkittiin: EUV-valon tuottaminen hiukkaskiihdyttimen (synkrotronin) kautta, suunta, josta keskusteltiin jo vuonna 2023 ja joka liittyi tieteellinen julkaisu vuodelta 2022.

Kaikki nämä ponnistelut havainnollistavat sitä valtavaa painoarvoa, jota kiinalaiset instituutiot ja yritykset ovat antaneet joko EUV:n hallinnalle – tai kilpailukykyisten vaihtoehtojen rakentamiselle ilman sitä.

Näiden toimien keskiössä on ollut Huawei, ankarasti pakotteiden alainen kiinalainen teknologiayritys.

”Huawei on sijoittanut työntekijöitä toimistoihin, tuotantolaitoksiin ja tutkimuskeskuksiin ympäri maata tätä varten.”

”Puolijohdetiimeihin määrätyt työntekijät nukkuvat usein paikan päällä, eikä heitä sallita palata kotiin työviikon aikana. Puhelinten käyttö on rajoitettua tiimeillä, jotka käsittelevät arkaluonteisempia tehtäviä.”

Kuinka osaamisen hankinta nopeutti Kiinan EUV-ohjelmaa

Toinen – salaperäisempi – yritys EUV:n vapauttamiseksi on tiettävästi keskittynyt kokemuksen ja inhimillisten kykyjen hankkimiseen, jotka mahdollistivat EUV:n alun perin.

Huippuinsinöörit, mukaan lukien jotkut ASML:ssä työskennelleet ja myöhemmin eläkkeelle jääneet, olivat ensisijaisia ​​rekrytointikohteita. Raporttien mukaan myös muihin ASML:n nykyisiin työntekijöihin on otettu yhteyttä rekrytointitarkoituksessa jo vuonna 2020.

”Yksi ASML:ltä projektiin rekrytoitu kokenut kiinalainen insinööri yllättyi huomatessaan, että hänen anteliaan allekirjoitusbonuksensa mukana tuli väärällä nimellä myönnetty henkilökortti, kertoi yksi hänen rekrytointiinsa perehtyneistä henkilöistä.

Sisällä hän tunnisti muita entisiä ASML-kollegoita, jotka myös työskentelivät salanimien alla, ja häntä ohjeistettiin käyttämään heidän valenimiään työpaikalla salaisuuden säilyttämiseksi.

Näiden rekrytointien kerrotaan olleen osa laajempaa pyrkimystä tuoda huippuosaajia Kiinaan, ja ulkomailla työskenteleville puolijohdeasiantuntijoille tarjottiin allekirjoitusbonuksia ja tukia jo vuosia sitten.

Yksittäisissä tapauksissa näyttää myös tapahtuneen kansallisten sääntöjen joustamista näiden palkattujen asiantuntijoiden kannalta. Esimerkiksi joillekin muiden maiden kansalaisille on kerrottu myönnetyn Kiinan passit ja heidän sallittiin säilyttää kaksoiskansalaisuus, vaikka Kiina virallisesti kieltää kaksoiskansalaisuuden.

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

Kaiken kaikkiaan väitteet, joiden mukaan Kiina "vain varastaa teknologioita", ovat usein nopeasti kasvavan tutkimus- ja insinööriekosysteemin liioittelua. Silti tässä nimenomaisessa tapauksessa päällekkäisyys ASML-liikesalaisuuksien kanssa voisi olla merkittävä.

”Vaikka ASML ei voi valvoa tai rajoittaa entisten työntekijöiden työskentelypaikkoja, kaikkia työntekijöitä sitovat työsopimuksissaan olevat salassapitolausekkeet”, yritys sanoi, ja se on ”onnistuneesti nostanut kanteen liikesalaisuuksien varastamisen johdosta”.

Kiinan ensimmäisen EUV-litografiaprototyypin sisällä

Entisten ASML-työntekijöiden palkkaamisen, EUV-osien käänteisen suunnittelun ja kotimaisten vaihtoehtojen itsenäisen kehittämisen tuloksena näyttää syntyneen prototyyppi, joka on huomattavasti suurempi kuin ASML:n tyypilliset 180 tonnin painoiset, koulubussin kokoiset EUV-järjestelmät – ja jonka kerrotaan vievän koko tehdastilan.

Tämä voi viitata siihen, että prototyyppi on joko tehoa vaativampi, vähemmän kompakti, vähemmän tehokas tai yksinkertaisesti optimoinnin aikaisemmassa vaiheessa kuin ASML:n tuotantosuunnitelmat.

Vanhempien ASML-koneiden pelastetut komponentit sekä ASML-toimittajien käytettyjen osien markkinat olisivat myös voineet auttaa toimivan prototyypin kokoamisessa kotimaisen valmistuksen nopeuttamisen tai laadun paranemisen aikana.

Keskeinen komponentti, joka saattaa vielä puuttua – ja jota on poikkeuksellisen vaikea kopioida vastaavalla suorituskyvyllä – on Zeissin optiikka. Tämän kerrotaan olevan yksi syy siihen, miksi kone ei vielä pysty tuottamaan siruja halutulla tasolla.

Korkean NA:n EUV: Seuraava rintama siruvarustelukilpailussa

Jos EUV:n kehittäminen ASML:ää kesti vuosikymmeniä, kiinalaisen prototyypin ilmaantuminen viittaa siihen, että eron saavuttaminen – ainakin perusjärjestelmän demonstraatiossa – voisi tapahtua paljon nopeammin kuin monet olettivat.

Tämä painostaa länsimaisia ​​puolijohdejohtajia pyrkimään voimakkaammin seuraavaan sukupolveen: High-NA (numeerinen aukko) EUV:hen.

Intelin kaltaiset yritykset testaavat jo korkean NA:n EUV:tä (INTC ), ja Samsung ja TSMC ovat arvioineet sitä. Intel on julkisesti asettanut tuotantomäärien aikatauluilleen vuoden 2028 tienoille, kun taas sekä TSMC että Samsung vaikuttavat varovaisemmilta ja varaavat High-NA EUV:n tuleville alle 2 nm:n solmuille sen sijaan, että kiirehtisivät sen massakäyttöönottoa.

”Mitä suuremmista kulmista optinen järjestelmä poimii valoa, sitä tarkempia yksityiskohtia näytetään. Tämä tarkoittaa, että optiset EUV-järjestelmät ovat yhä suurempia.”

Zeiss kertoo High-NA EUV:stä

Korkean NA:n järjestelmät käyttävät vielä suurempia optisia elementtejä, mikä voi tarjota kestävän edun ASML:lle sen optiikkakumppanin Zeissin kautta.

Lähde: Zeiss

Korkean NA:n EUV-litografiassa käytettävä peili on noin kaksi kertaa suurempi ja kymmenen kertaa painavampi kuin nykyiset EUV-peilit, mikä tekee koko järjestelmästä entistä suuremman, painavamman ja monimutkaisemman.

”Yli 40 000 High-NA-EUV-litografian projektio-optiikan osaa painaa noin kaksitoista tonnia tarkan tarkennuksen varmistamiseksi – seitsemän kertaa vakiintuneen EUV-litografian tilavuus ja paino.”

Mitä se tarkoittaa sijoittajille?

Lyhyellä aikavälillä tämä ei todennäköisesti muuta juurikaan. Kiinan EUV-koneen kerrotaan olevan vasta prototyyppi, eikä ole selvää, missä määrin se perustuu kierrätettyihin tai pelastettuihin ASML-osiin verrattuna kokonaan Kiinassa valmistettuihin komponentteihin.

On kuitenkin vaikea olettaa, että Kiina epäonnistuu loputtomiin. Riittävien asiantuntijoiden, rahoituksen ja ajan turvin ei ole selvää syytä uskoa, että kiinalaiset instituutiot eivät lopulta pystyisi kopioimaan suurta osaa EUV:n kyvyistä – varsinkin kun komponenttien, materiaalien ja metrologian laajempi ekosysteemi kypsyy.

Myös skeptisyyteen siitä, ettei Kiina pysty korvaamaan tiettyä komponenttia, kuten Zeissin peilejä, tulisi suhtautua varoen. Samankaltaiset analyysit aiemmin viittasivat siihen, että Kiina oli yli 15 vuotta jäljessä, mutta nyt on raportoitu prototyypistä.

Pitkällä aikavälillä (5–10 vuotta) Kiina voisi rakentaa rinnakkaisen puolijohdetoimitusketjun, joka on itsenäinen paitsi valimotasolla, myös laitevalmistustasolla.

Aluksi edistynyt kotimainen tuotanto todennäköisesti priorisoisi kotimaista kysyntää, mikä vähentäisi edistyneiden sirujen, valmistustyökalujen ja tukikomponenttien myyntiä Kiinaan.

Ajan myötä tämä voi painaa länsimaisten puolijohdelaitevalmistajien ja -toimittajien liikevaihtoa ja katteita, mikä heikentää niiden kykyä investoida uudelleen aiemmalla tutkimus- ja kehitystasolla.

Vielä huolestuttavampaa ASML:n ja muiden laitevalmistajien – ja jopa valimoiden – kannalta on se, että Kiinassa valmistetut edistyneet sirut voisivat lopulta kilpailla suoraan ulkoisilla markkinoilla, erityisesti laajenevien BRICS-maiden ja SCO:n (Shanghai Cooperation Organization) kaupallisten verkostojen kautta.

Yhteenveto

Kiinalaisen EUV-prototyypin ilmestyminen vuosia aiemmin kuin monet odottivat on todellinen virstanpylväs. Se viittaa siihen, että vientirajoitukset ja pakotteet eivät todennäköisesti tule pysyvästi rajoittamaan teknologista kapasiteettia alalla, jolla länsimailla on pitkään ollut rakenteellinen etu.

Parhaimmillaan rajoitukset voivat hidastaa edistystä; pahimmillaan ne voivat nopeuttaa sitä luomalla noin 1.5 miljardin ihmisen suojatut kotimarkkinat, joilla on vahva valtion tuki ja teollinen kapasiteetti.

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

Kaiken kaikkiaan se vahvistaa sitä, että Kiinasta on kehittymässä merkittävä teknologiamahti, ei pelkästään maailman suurin teollisuuskeskus.

Joidenkin analyysien mukaan Kiina johtaa nyt suurta osaa edistyneistä tieteen aloista, joka kyseenalaistaa yksinkertaisen narratiivin, jonka mukaan edistystä tapahtuu vain jäljittelemällä – vaikka liikesalaisuuksia ja immateriaalioikeuksia koskevat kiistat ovatkin edelleen tämän kilpailun todellinen piirre.

Vaikka Kiinan läpimurto muuttaa pitkän aikavälin näkökulmaa, sijoittajien, jotka haluavat välitöntä ylivoimaa puolijohdealalla, on edelleen katsottava nykyisen markkinajohtajan puoleen.

Puolijohdeyritys – TSMC

Kiinan nousu teknologiamahdiksi on strategisesti merkittävä, mutta toistaiseksi Kiinan puolijohdevalmistuslaitteet näyttävät edelleen jäävän jälkeen – tai vain lähestyvän – edistyneimpiä länsimaisia ​​järjestelmiä.

Joten valimoliiketoiminnassa prosessikuri, tuoton oppiminen ja operatiivinen kokemus tulevat todennäköisesti olemaan ratkaisevia tulevalla vuosikymmenellä.

Puolijohdetuotantoa hallitsevat viime kädessä niche-osaaminen ja kyky massatuotantoon mittakaavassa kustannusten alentamiseksi. Yksikään yritys ei ole hallinnut tätä mallia paremmin kuin TSMC, taiwanilainen johtava ultra-edistyneen siruvalmistuksen yritys.

TSMC tuottaa pääasiassa piisiruja, mukaan lukien tehokkaimmat 3 nm:n ja tulevat 2 nm:n luokan noodit. Ja koska se valmistaa edistyneimpiä (ja kalleimpia) siruja, se saa hallitsevan osan maailmanlaajuisista valimoliikevaihdosta.

Lähde: Eric Flaningam

TSMC laajentaa myös tuotantokapasiteettiaan Yhdysvalloissa. erityisesti Arizonan tehtaisiinsa tehtyjen merkittävien investointien ansiosta.

Koska korkean NA-arvon omaavien EUV-laitteiden kehitys on jo käynnissä, TSMC saattaa pysyä askeleen edellä kiinalaisia ​​kilpailijoitaan, kuten SMIC:tä, vielä vuosia – erityisesti saannon, luotettavuuden ja suurten volyymien valmistuskypsyyden osalta.

Ja vaikka TSMC on kilpaillut ankarasti Samsungia, Inteliä ja muita toimijoita vastaan, se on edelleen asemassa puolustamaan johtoasemaansa kasvavaa kiinalaista kilpailua vastaan ​​– ainakin lähitulevaisuudessa.

Viimeisimmät TSMC:n (TSM) osakeuutiset ja kehityskulut