[Перевод] Полупроводниковые войны — американское видение ситуации
Комментарий переводчика.
Данная статья написана известным американским журналистом и аналитиком в сфере полупроводниковых технологий — Диланом Пателом. Она представляет из себя американский взгляд на проблематику полупроводниковых войн с Китаем. Помимо общего интереса, для нас она полезна тем, что через призму американо-китайского противостояния позволяет глубже понять текущие трудности российской микроэлектронной индустрии и, возможно, вынести из данной статьи некоторые полезные заключения.
Дилан Патель
29 января 2023-го года
Пробелы в новых ограничениях на поставку литографического оборудования в Китай — ASML, SMEE, Nikon, Canon, EUV, DUV, ArFi, ArF Dry, KrF и фоторезист
Экономическая холодная война бушует. Десятилетия спонсируемого Китаем корпоративного шпионажа, хакерских атак, демпинга и драконовских ограничений, включая принудительную передачу технологий для доступа на рынок, привели к ответным санкциям на доступ Китая к важнейшей отрасли 21-го века — полупроводникам. В октябре США ввели ограничения на чипы искусственного интеллекта и оборудование для производства полупроводников, но это не полностью решило все проблемы.
За последние несколько месяцев некоторые из них были частично устранены, но самые большие пробелы не были закрыты. США являются лидером в производстве оборудования для изготовления пластин с большей долей рынка в оборудовании для осаждения, травления, контроля процессов, CMP (Chemical mechanical polishing) и ионной имплантации, но многие производители оборудования в США, такие как Applied Materials, Lam Research и KLA, жаловались, что ограничения США позволят зарубежным конкурентам, таким как голландская ASM International и японская Tokyo Electron, увеличить долю рынка и смягчить влияние технологических ограничений.
Кроме того, крупнейший в мире производитель оборудования, ASML, категоричен в отношении несоблюдения технологических ограничений США.
Как европейская компания с ограниченным количеством американских технологий в наших системах, ASML может продолжать поставлять все системы литографии, не относящиеся к EUV, в Китай из Нидерландов.
Питер Веннинк, генеральный директор ASML
И это несмотря на то, что разработка источников излучения для ASML выполняется в Сан-Диего американской компанией Cymer, которую они приобрели.
Кроме того, программное обеспечение, необходимое для работы литографического оборудования, также разработано в США. Хотя у США, безусловно, есть варианты заставить ASML следовать технологическим ограничениям из-за большого количества американских технологий, США выбрали дипломатический путь.
В последние несколько месяцев в США, Японии и Нидерландах ведутся дискуссии об ограничении доступа Китая к литографическому оборудованию. В пятницу стало известно, что три страны согласились на определенные ограничения на литографическое оборудование. Остается вопрос, насколько далеко простираются эти ограничения и что они в себе содержат? Насколько мы понимаем, данные ограничения крайне незначительны и касаются только инструментов ArFi. Это соглашение по-прежнему носит устный характер, но мы считаем, что три страны согласились двигаться вперед на данной основе. Предположительно включены и некоторые другие инструменты, не относящиеся к литографии. Сегодня мы собираемся обсудить множество зияющих дыр в недавно согласованных ограничениях на литографию в отношении оборудования, химических материалов и цепочек поставок компонентов.
Цепочка поставок оборудования
Основным способом ограничения доступа Китая к полупроводниковым технологиям является оборудование. Хотя существует трехстороннее соглашение о блокировании доступа к литографии DUV, нет упоминания о том, насколько они существенны. DUV — это очень широкая технология, которая включает литографию со фторидом криптона (KrF), фторидом аргона (ArF) и иммерсионной литографией со фторидом аргона (ArFi).
Nikon выпустила первый DUV-литограф под названием NSR-1505EX в 1988 году с использованием литографии на базе KrF. Первоначально он имел разрешение 500 нм, но со временем он был модернизирован до 250 нм с точностью совмещения 100 нм. Недавно согласованные ограничения США, Нидерландов и Японии не распространяются на эту старую технологию. С другой стороны, ASML NXT 2100i, выпущенный в 2022 году, имеет точность совмещения 1,5 нм и может использоваться для работы на самых продвинутых техпроцессах.
Если цель состоит в том, чтобы помешать Китаю заполучить 14 нм, 7 нм или 5 нм техпроцессы, то запрет должен касаться другого уровня оборудования, которое может быть использовано в данных техпроцессах. Например, техпроцессы TSMC 16 и 12 нм имеют минимальный metal pitch 64 нм. Технологический процесс TSMC 7 нм предусматривает минимальный metal pitch 40 нм. 5-нм технологический процесс TSMC имеет минимальный metal pitch 28 нм.
Любой запрет на литографическое оборудование должен учитывать эти минимальные размеры metal pitch в качестве требований к запрещенному оборудованию.
В уравнении критерия Рэлея (CD = k1• λ/NA) CD — это критический размер, наименьший возможный размер элемента. λ — длина волны используемого света. NA — это числовая апертура оптики, определяющая, сколько света она может собрать. Наконец, k1 — это коэффициент, который зависит от многих факторов, связанных с процессом производства чипа. Физический предел литографии k1 = 0,25.
Самовыравнивающаяся четверная схема (SAQP) обычно считается самым экономичным способом расширить поколение литографии DUV. Хотя есть более сложные схемы для литографии, мы будем придерживаться того, что считается сегодня экономически целесообразным. TSMC и китайская компания SMIC достигли 7-нанометрового техпроцесса без EUV, используя SAQP с аргонно-фторидную иммерсионную (ArFi) литографию, но это не предел того, что экономически достижимо.
Минимальный metal pitch 28 нм, используемый в TSMC N5, может быть изготовлен без EUV. SAQP с использованием литографии ArFi (NA = 1,35, λ = 193 нм) может дать этот размер элемента при k1, равном 0,391. Если цель состоит в том, чтобы помешать Китаю перейти на 5-нм технологический процесс, то поставки ArFi должны быть заблокированы. ASML и Nikon могут производить инструменты для литографии ArFi с минимальным metal pitch 28 нм. Хотя это будет не так рентабельно, как EUV, разница не будет настолько существенной для такого государства, как Китай.
Если цель состоит в том, чтобы помешать Китаю достичь массового производства 7 нм техпроцесса, то все инструменты, которые могут обеспечить минимальный metal pitch 40 нм, используемые в техпроцессах 7-нм класса TSMC, должны быть заблокированы. Новые ограничения будут включать литографию ArFi, но их также необходимо расширить. SAQP с использованием сухой литографии со фторидом аргона ArF (NA = 0,93, λ = 193 нм) может дать этот размер элемента с k1 равным 0,385. Опять же, это будет не так экономично, как ArFi DUV »7 нм» от Intel, TSMC и SMIC, но это достижимо, особенно с учетом важности национальной безопасности. Разница в затратах будет значительно меньше, чем у размер субсидий для атомной электростанции в США.
Если цель состоит в том, чтобы помешать Китаю расширить масштабы своего 14 нм техпроцесса, то все инструменты, которые могут обеспечить минимальный metal pitch 64 нм, используемые в таких нодах, как 16-нм и 12-нм TSMC и 14-нм Samsung, должны быть заблокированы. Эти ограничения, соблюдаемые должным образом, должны распространяться не только на инструменты для литографии ArF, но и на некоторые типы инструментов из фторида криптона (KrF). Фторид криптона имеет λ = 248 нм, но было несколько поколений набора линз. В каждом поколении числовая апертура улучшалась с 0,6 до 0,8 и до 0,93.
SAQP, использующий самую передовую литографию KrF (NA = 0,93, λ = 248 нм), может обеспечить этот размер элемента с k1, равным 0,48. SAQP с использованием литографии KrF среднего диапазона (NA = 0,8, λ = 248 нм) может создать этот размер элемента с k1 равным 0,413. Это вполне достижимо с помощью инструментов от ASML, Nikon или Canon. Опять же, экономика здесь не будет оптимальной, но даже удвоение стоимости литографии на узле класса 14 нм приведет только к увеличению стоимости каждой пластины примерно на 19%. Это уже экономически целесообразно с учетом уровня государственных субсидий, которые Китай предоставляет своим компаниям.
Следует отметить, что регулирующие органы также должны учитывать характеристики точности совмещения (overlay) при определении того, какое оборудование следует ограничить для поставок в Китай. В литографии точность совмещения относится к точности выравнивания между различными слоями во время производства. Это позиционная точность, с которой один слой выравнивается по отношению к другому слою. В каждом из наших примеров использовалось самовыравнивающаяся четверная схема (SAQP), что означает, что необходимо выровнять 4 слоя литографии. Таким образом, точность совмещения имеет решающее значение.
Самые совершенные EUV-степперы от ASML имеют точность совмещения 1,1 нм. Предыдущая версия, 3400C, которая была основным инструментом EUV, поставленным в 2021 году, имеет точность совмещения 1,5 нм. Это хуже, чем имеет самый продвинутый DUV-литограф от ASML, 2100i. На сегодня мы не будем слишком углубляться в то, где, по нашему мнению, приемлемая граница характеристик точности совмещения для экпортного контроля для техпроцессов 14 нм, 7 нм и 5 нм, поскольку это было бы перебором для большинства читателей.
Цепочка поставок химических материалов
Следующим пробелом в новых экспортных ограничениях является цепочка поставок химикатов, а именно, фоторезиста. В данной статье мы глубоко погрузились в фоторезисты, но если кратко, то литографический процесс требуют фоторезистов для создания элементов на пластине. Подавляющее большинство фоторезистов в мире производится горсткой японских компаний. Американская компания Dupont занимает далекое 4-е место среди конкурентов. Химические составы фоторезиста во многих случаях требовали тонкой настройки с конечными клиентами для типа литографии, техпроцессов, типов элементов и размеров элементов. Кроме того, оборудование, используемое для нанесения, проявления и спекания фоторезиста, также полностью японское.
Любая страна в мире может быть заблокирована от любой литографии и, следовательно, от производства полупроводников, если Япония ограничит поставки фоторезистов. Полное отсутствие ограничений в отношении фоторезистов представляет собой существенную брешь, которую не предусмотрели правительственные постановления.
Только в SMIC имеется уже более сотни DUV-литографов. Они могут быть использованя для создания различных техпроцессов. SMIC может достичь производительности более 100 000 пластин в месяц на базе 7 нм мощностей только с помощью своих существующих DUV-литографов. Это больше, чем объём производства продвинутых техпроцессов (<=7 нм) у Samsung и Intel вместе взятых. Если бы все DUV-литографы в различных китайских компаниях, таких как HuaHong, Shanghai Huali, YMTC, CXMT, GTA Semi, Nexchip, Yandong, Nexperia, CR Micro, Sien, Fulsemi, SEMC, NSEMI, были бы переиспользованы SMIC, 7-нанометровые мощности, которые они могли бы создать, превзошли бы даже 7 нм TSMC.
Недостаточно только заблокировать поставки нового оборудования в Китай, если цель состоит в том, чтобы ограничить их производство передовых полупроводников. Поставка фоторезистов также должна быть ограничена, поскольку правительства западных стран не знают, в каких техпроцессах используются существующие DUV-литографы.
Цепочка поставок компонентов
И последний недостаток — цепочка поставок компонентов. DUV-литографы должны регулярно обслуживаться с использованием запасных частей от ASML, Nikon и Canon. Обслуживание также должно быть заблокировано, если цель состоит в том, чтобы сдержать мощность Китая на передовых техпроцессах.
Хотя лидер Китая в области производства литографического оборудования, SMEE, уже находится в санкционном списке, SMEE поставила рабочие инструменты для литографии I-Line. Их литография DUV со фторидом аргона (ArF) еще не готова к frontend-производству. Это не значит, что они не могут догнать. Многие фирмы в цепочке поставок литографии ASML, такие как Zeiss, продолжают расширяться в Китае за счет совместных предприятий и передачи технологий. Учитывая военно-гражданское слияние в Китае, эти технологии легко могли попасть в SMEE.
Наконец, поставка оборудования, требуемого для создания масок, также не имеет ограничений, что также является дырой.
Отсутствие комплексного подхода в ограничениях на цепочку поставок оборудования в Китай является серьезной дырой в трехстороннем соглашении между США, Японией и Нидерландами. Если цель состоит в том, чтобы ограничить доступ Китая к 5 нм, 7 нм и 14 нм техпроцессам, KrF и ArF литографическое оборудование, фоторезисты и подкомпоненты должны также подвергнуться ограничениям. Иначе Китай сможет реконфигурировать имеющееся оборудование и ускорить внутреннюю разработку литографов.
