لیتوگرافی نیمه هادی چینی تکامل می یابد: خودکفایی در میان شک و تردید جهانی

جاه طلبی های چین برای توسعه یک صنعت نیمه هادی خودکفا، صحنه اصلی رقابت تکنولوژیکی مداوم بین ایالات متحده و چین است. پیشرفت های اخیر این کشور در فناوری لیتوگرافی نیمه هادی توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است و به همراه آن، شک و تردید گسترده ای از جامعه فناوری جهانی را به خود جلب کرده است. از آنجایی که پکن به دنبال غلبه بر تحریم‌های آمریکا و کاهش اتکا به تجهیزات خارجی تولید تراشه است، منتقدان می‌گویند چین همچنان از استانداردهای پیشرو در صنعت عقب‌تر است. با این حال، زمینه بزرگتر نشان می دهد که پیشرفت چین، هرچند تدریجی، قابل چشم پوشی نیست.

در دنیای پیچیده تولید نیمه‌رساناها، ماشین‌های لیتوگرافی برای ایجاد مدارهای مجتمع (IC) حیاتی هستند و کوچک‌سازی سریع ترانزیستورها را در قلب الکترونیک مدرن ممکن می‌سازند. تسلط بر فناوری لیتوگرافی نقطه عطف مهمی در تلاش های چین برای مستقل شدن بیشتر در زنجیره تامین نیمه هادی خواهد بود، بخشی که به شدت تحت تاثیر تنش های ژئوپلیتیکی و محدودیت های تجاری قرار گرفته است.

لیتوگرافی در تولید نیمه هادی

لیتوگرافی فرآیندی است که برای انتقال الگوها از ماسک نوری به ویفر نیمه هادی استفاده می شود که یک مرحله کلیدی در تولید تراشه است. این فرآیند از نور ماوراء بنفش برای چاپ مدارهای میکروسکوپی استفاده می کند که دقت این فرآیند اندازه ترانزیستورهای روی تراشه را تعیین می کند. ترانزیستورهای کوچکتر معمولاً به معنی آی سی های قدرتمندتر و کارآمدتر هستند.

چالشی که چین در فناوری لیتوگرافی نیمه هادی با آن مواجه است، توسعه ماشین هایی است که می توانند با پیشروهای صنعتی مانند ASML (هلند)، کانن (ژاپن) و نیکون (ژاپن) رقابت کنند. این شرکت‌ها بر عرضه ماشین‌های لیتوگرافی پیشرفته جهان تسلط دارند و از نظر پیچیدگی فناوری سال‌ها جلوتر هستند.

آخرین اطلاعیه چین

در اوایل ماه جاری، وزارت صنعت و فناوری اطلاعات چین (MIIT) از دو سیستم لیتوگرافی تولید داخل رونمایی کرد که امیدوار است توسط سازندگان تراشه چینی مورد استفاده قرار گیرد. یکی یک اسکنر کریپتون فلوراید (KrF) است که قادر به تولید مدارهای مجتمع با قوانین طراحی 130 نانومتری (nm) است و دیگری یک اسکنر فلوراید آرگون (ArF) است که قادر به تولید IC با فرآیند 65 نانومتر است.

اگرچه ممکن است 65 نانومتر در مقایسه با تراشه‌های استاندارد فعلی 5 نانومتری یا حتی 3 نانومتری که در حال حاضر از خطوط تولید جهان خارج می‌شوند، خیلی پیشرفته به نظر نرسد، اما هنوز یک دستاورد قابل توجه است. این بدان معناست که قابلیت های نیمه هادی داخلی چین به طور پیوسته در حال رشد است، به ویژه در مواجهه با تحریم هایی که هدف آن قطع دسترسی چین به سیستم های لیتوگرافی پیشرفته است.

با وجود پیشرفت، چندین جزئیات کلیدی مانند توان عملیاتی، دقت تراز و سازندگان خاص پشت ماشین‌ها به‌طور آشکار در گزارش MIIT وجود نداشت. بدون این داده ها، ارزیابی اینکه چقدر این ماشین ها واقعاً استانداردهای صنعت جهانی را برآورده می کنند دشوار است.

مسیر چین به سمت تولید تراشه های پیشرفته

در حال حاضر، چین هدف خود را برای دستیابی به هاب فناوری 28 نانومتری برای تولید نیمه هادی ها تعیین کرده است. در حالی که این هنوز هم از آخرین فناوری‌های 3 و 5 نانومتری استفاده شده در پیشرفته‌ترین گوشی‌های هوشمند و رایانه‌ها عقب است، تراشه‌های 28 نانومتری برای تعدادی از برنامه‌های کاربردی دیگر مانند زیرساخت‌های الکترونیک خودرو و ارتباطات از راه دور کافی هستند.

ماشین های لیتوگرافی ارائه شده توسط MIIT چین گام های مهمی در جهت دستیابی به این هدف هستند. چین در حال حاضر برای ساخت پیشرفته‌ترین تراشه‌های خود به تجهیزات وارداتی متکی است، اما توانایی تولید تراشه‌های 28 نانومتری در داخل کشور می‌تواند بافر قابل توجهی در برابر تحریم‌ها ایجاد کند. هدف نهایی چین پیشرفت به 5 نانومتر و کمتر است که به آن امکان می دهد در بازار برای پیشرفته ترین تراشه های مورد استفاده در فناوری های پیشرفته مانند هوش مصنوعی (AI)، 5G و محاسبات کوانتومی رقابت کند.

تولیدکنندگان چینی قبلاً توانایی تولید تراشه های 7 نانومتری را با استفاده از تجهیزات وارد شده از ASML، Nikon و Canon نشان داده اند. با روش‌های الگوبرداری متعدد، چین می‌تواند مرزهای فناوری‌های قدیمی‌تر مانند لیتوگرافی عمیق فرابنفش (DUV) را جابجا کند. با این حال، برای تراشه‌های پیشرفته‌تر، این کشور نیاز به توسعه سیستم‌های فرابنفش شدید (EUV) خود دارد، یک مرز فناوری که در حال حاضر تحت سلطه ASML است.

همگام شدن با رهبران جهان: Canon، Nikon و ASML

هنگام بررسی توسعه فناوری لیتوگرافی در چین، مقایسه پیشرفت آن با تکامل تاریخی رهبران جهان مفید است. کانن و نیکون در دهه‌های 1970 و 1980 با توسعه سیستم‌های استپر و تکرارکننده معروف به استپر و سیستم‌ها یا اسکنرهای مراحل بعدی، پیشگام بازار لیتوگرافی بودند. این شرکت‌های ژاپنی در دهه‌های 1980 و 1990 بر این صنعت تسلط داشتند و نیکون نقش کلیدی در فناوری SBI، تلاش ژاپن برای رقابت با فناوری نیمه‌رسانای ایالات متحده، ایفا کرد.

معرفی اسکنر فلوراید آرگون (ArF) نیکون در سال 1999 که قادر به تولید تراشه‌های 110 نانومتری بود، مشابه قابلیت‌هایی است که چین اکنون ترویج می‌کند. نیکون به بهبود این فناوری ادامه داد و تا سال 2004 به تولید 65 نانومتری رسید و لیتوگرافی غوطه‌وری را معرفی کرد که با پر کردن شکاف بین لنز و صفحه با آب، کوچک‌سازی بیشتر را ممکن کرد. لیتوگرافی غوطه وری امروزه استاندارد صنعتی برای تولید تراشه های پیشرفته است.

در حالی که کانن و نیکون پیشگامان اولیه بودند، ASML هلند بر بازار لیتوگرافی پیشرفته تسلط یافت. اسکنر غوطه وری TWINSCAN ArF آن که در سال 2003 معرفی شد، انقلابی در تولید تراشه با سیستم های دو مرحله ای ایجاد کرد که دقت و توان عملیاتی را بهبود بخشید. سپس در سال 2010، ASML اولین اسکنر EUV را برای تولید انبوه فرآیند 5 نانومتری و فراتر از آن توسعه داد.

ASML در حال حاضر 80 درصد از بازار جهانی لیتوگرافی را به دلیل انحصار ماشین‌های EUV در اختیار دارد. این ماشین ها از نور با طول موج 13.5 نانومتر استفاده می کنند که بسیار کوتاه تر از طول موج های 248 نانومتر و 193 نانومتر است که به ترتیب توسط اسکنرهای KrF و ArF استفاده می شود. لیتوگرافی EUV برای تولید پیشرفته ترین تراشه ها با مشخصات کم 3 نانومتر و 2 نانومتر ضروری است.

تسلط ASML در آخرین آمار فروش منعکس شده است. تنها در سه ماهه دوم سال 2024، ASML هشت سیستم EUV، 32 سیستم غوطه وری ArF و تعدادی از فناوری های قدیمی مانند سیستم های KrF و i-line را به فروش رساند. از سوی دیگر، کانن و نیکون عمدتاً بر روی سیستم‌های KrF و i-line کمتر پیشرفته‌تر تمرکز می‌کنند که در خدمت فناوری‌های پیشرفته مورد استفاده در دستگاه‌های ارتباطی، نیمه هادی‌های قدرت و بسته‌بندی هستند.

برترین بازیکن لیتوگرافی چین: SMEE

Shanghai Micro Electronics Equipment (SMEE) تولید کننده داخلی پیشرو تجهیزات لیتوگرافی در چین است. SMEE که در سال 2002 تأسیس شد، ماشین‌هایی را توسعه داده است که قادر به تولید تراشه‌هایی با قوانین طراحی از 280 نانومتر تا 65 نانومتر هستند و احتمالاً سازنده ماشین‌هایی است که اخیراً توسط MIIT تبلیغ شده است. در حال حاضر، سیستم های SMEE در بخش های کم تقاضا مانند نیمه هادی های قدرت و LED ها استفاده می شود، اما این شرکت به دنبال ورود به بازار پیشرفته تر است.

SMEE همچنین در حال کار بر روی لیتوگرافی غوطه وری از سال 2020 است که گام مهمی برای دستیابی به تولید 28 نانومتری است. گزارش شده است که SMEE یا یکی دیگر از شرکت های چینی، Naura Technology، ممکن است به زودی یک سیستم لیتوگرافی 28 نانومتری را عرضه کند، اما هنوز هیچ اعلام قطعی وجود ندارد. Naura همچنین در مورد تکنیک‌های الگوسازی پیشرفته، مانند الگوسازی چهارگانه خود تراز، تحقیق کرده است که می‌تواند به چین کمک کند تا ویژگی‌های تراشه را بدون دسترسی به EUV کوچک‌تر کند.

تاثیر تحریم های آمریکا

یکی از محرک های اصلی تلاش چین برای استقلال نیمه هادی ها، فهرست رو به رشد تحریم های اعمال شده توسط ایالات متحده است. در چند سال گذشته، ایالات متحده با موفقیت هلند را تحت فشار قرار داده است تا ASML را از فروش پیشرفته ترین سیستم های EUV خود به شرکت های چینی منع کند. اخیراً، ایالات متحده همچنین تلاش کرد تا از سرویس‌دهی ASML به سیستم‌های غوطه‌وری ArF که قبلاً به مشتریان چینی فروخته بود، جلوگیری کند.

این محدودیت ها مانع مهمی در برابر جاه طلبی های نیمه هادی چین است. بدون دسترسی به فناوری غوطه وری EUV یا ArF، تولید تراشه هایی با فرآیند 7 نانومتری یا کمتر برای سازندگان چینی دشوار خواهد بود. با این حال، این تحریم ها به چین انگیزه قوی برای سرعت بخشیدن به توسعه صنعت لیتوگرافی داخلی خود داد.

عقب ماندگی تکنولوژیکی چین

اگرچه چین هنوز به سطح برتری سیستم های EUV ASML نرسیده است، پیشرفت مداوم آن در لیتوگرافی را نمی توان نادیده گرفت. شرکت‌های چینی توانایی تولید تراشه‌ها در فرآیند 65 نانومتری را نشان داده‌اند و توانایی آن‌ها در رقابت با ماشین‌های نسل قدیمی Canon و Nikon آنها را به بازیگران جدی در سطح پایین‌تر بازار تبدیل می‌کند.

چند سال آینده بسیار مهم خواهد بود زیرا چین تلاش های خود را برای توسعه تراشه های 28 نانومتری و در نهایت 7 نانومتری یا کوچکتر با تجهیزات تولید داخل افزایش می دهد. موفقیت به غلبه بر موانع فنی، حمایت مستمر دولت و توانایی جذب مهندسان و محققان ماهر بستگی دارد.

فناوری لیتوگرافی چین هنوز راه درازی در پیش دارد، اما در حال پیشرفت است. برای رقبا در صنعت نیمه هادی، از خود راضی بودن توصیه نادرستی است. داستان پیشرفت فناوری اغلب یکی از پیشرفت‌های فزاینده است و عزم پکن برای ایجاد یک صنعت نیمه هادی مستقل به این معنی است که جهان از نزدیک شاهد اقدامات بعدی چین خواهد بود.