Çin, yarı iletken endüstrisinde kendi kendine yeterli bir ülke olma yolunda önemli adımlar atıyor. Huawei'nin HiSilicon'u, SMIC ve YMTC gibi yerli firmalar, dünya standartlarında çip geliştirme ve üretiminde başarılı olsa da, ileri teknoloji üretim araçları konusunda dışa bağımlılık devam ediyor. Amerikan veya Avrupa şirketlerinin ürettiği gelişmiş ekipmanların yerini dolduracak yerli çözümler henüz tam olarak geliştirilemedi. Bazı analistler, Çin'in çip üretim teknolojisinin ASML gibi liderlerden yaklaşık 20 yıl geride olduğunu belirtiyor. Peki, Çin bu bağımlılıktan ne zaman kurtulabilecek?
Batı Teknolojisiyle Üretilen Dünya Klasmanında Çipler
CXMT, HuaHong, SMIC ve YMTC gibi Çinli çip üreticileri, küresel pazarda rekabetçi olabilecek mantık (7nm sınıfına kadar) ve bellek çiplerini üretebiliyor. Ancak bu firmalar, çip tasarımı için elektronik tasarım otomasyonu (EDA) ve simülasyon yazılımları ile üretim araçlarında Avrupa, Japonya ve ABD'ye bağımlı durumda. Bu durum, Batılı ülkelerin uygulayabileceği ihracat kısıtlamalarına karşı onları savunmasız bırakıyor.
Yerli üretim ekipmanlarının, Çin'deki yarı iletken fabrikalarında kullanılan toplam ekipmanın yalnızca %15 ila %30'unu oluşturduğu tahmin ediliyor. Bu, kullanılan ekipmanların %70 ila %85'inin Amerikan, Avrupa, Japon veya Güney Koreli şirketlerden tedarik edildiği anlamına geliyor.
Bu nedenle, Çin'in kendi EDA araçlarını, ekosistemini ve wafer fabrikası ekipmanları (WFE) tedarik zincirlerini kurması büyük önem taşıyor. Pekin yönetimi de bu durumu tam olarak kavrıyor.
Geçtiğimiz yıl Çin, ultra saf kimyasallar veya silikon wafer üreten firmaları ve çip üretim araçları geliştiren şirketleri finanse etmek amacıyla "Büyük Fon"un üçüncü taksitini devreye soktu. Bu yıl ise 50 milyar dolarlık "Büyük Fon III"ün hedeflerini EDA ve simülasyon araçlarını da kapsayacak şekilde genişletti. Çin'in bu fonları gelişmiş fab araçları oluşturmak için kullanmasının çeşitli yolları var ancak bu süreç zaman alacaktır. ABD hükümetinin ülkenin yarı iletken sektörüne uyguladığı kısıtlamalar göz önüne alındığında, bu durum daha da kritik hale geliyor.
Litoğrafi Hariç Her Alanda Güçlü Teklifler
Her yarı iletken üretim tesisinde yüzlerce, hatta binlerce araç kullanılır. Bu araçlar, depozisyon (CVD, ALD, PVD), litoğrafi (takip araçları ve litoğrafi tarayıcılar dahil), aşındırma, iyon implantasyonu, tavlama, temizleme, metroloji ve denetim gibi farklı adımları gerçekleştiren gruplara ayrılabilir.
Çin'de, ön üretim akışının (gerçek yarı iletken üretimi) çeşitli adımları için wafer fabrikası ekipmanları geliştiren ve üreten düzinelerce firma bulunuyor. Ayrıca çip paketleme için de araçlar üreten şirketler mevcut.
Çin'de bu kadar çok WFE şirketinin olması hem iyi hem de kötü. Bir yandan ürün ve fikirler açısından rekabet söz konusu iken, diğer yandan küçük şirketler Applied Materials veya Tokyo Electron gibi endüstri devleriyle rekabet edemiyor. Ancak oldukça büyük firmalar da mevcut. En bilinen firmalardan bazıları; temizleme, parlatma, elektrokimyasal kaplama ve plazma destekli CVD ekipmanları üreten ACM Research; depozisyon araçları üreten Advanced Micro‑Fabrication Equipment (AMEC); kimyasal mekanik parlatma (CMP) yapan Hwatsing Technology; spin-kaplama ve geliştirme araçları üreten Kingsemi; aşındırma, tavlama gibi işlemler için Naura Technology; litoğrafi, metroloji ve denetim araçları üreten Shanghai Micro Electronics Equipment (SMEE); depozisyon araçları üreten Piotech ve optik denetim ile metroloji alanında YuweiTek.
SiCarrier, Çin'in yarı iletken ekipmanları sahnesinde yükselen bir yıldız. Şirket, bu yıl Semicon China'da onlarca fab aracından oluşan bir katalog sundu ve depozisyondan litoğrafiye, tavlamadan denetime kadar tam bir wafer fabrikası ekipmanı yelpazesi geliştirdiği düşünülüyor. SiCarrier'ın ana yatırımcısı, Huawei ile ilişkili diğer yarı iletken girişimlerini destekleyen devlet destekli bir fon olan Shenzhen Major Investment Group. Bu nedenle birçok gözlemci, SiCarrier'ı aslında Huawei'nin bir çip üretim aracı kolu olarak görüyor.
Şu an için Çinli firmalar, özellikle olgun ve eski teknoloji süreçlerinde (örneğin 28nm ve üstü) aşındırma, depozisyon, temizleme, CMP ve kaplama/geliştirme alanlarında güçlü yerel çözümler sunuyor. Hatta AMEC'in araçları, şirkete göre 5nm sınıfı düğümlerde çip üretimi için kullanılabiliyor. Ancak burada bir çekince var: Çin'de üretilen WFE ekipmanlarının çoğu, Batılı şirketlerden alınan ve hali hazırda ihracat kontrolüne tabi olan veya kısa süre içinde tabi olacak bileşenler kullanıyor. Daha az önemli olmayan bir nokta ise, litoğrafinin hala Halk Cumhuriyeti için en kritik darboğaz olmaya devam etmesi.
20 Yıl Geride mi?
Litoğrafi araçlarının tasarımı son derece zorlu bir süreçtir. Bu araçlar, optik, hassas mühendislik, kontrol sistemleri ve malzeme bilimi gibi alanların kesişim noktasında yer alır ve modern üretim teknolojilerinde nanometre düzeyindeki toleranslarda çalışır.
Çin'in en gelişmiş litoğrafi araç üreticisi SMEE, ASML veya Nikon gibi küresel liderlerin oldukça gerisinde. Şirket, 2023'ün sonlarında 28nm uyumlu DUV (Derin Ultraviyole) litografi makinesi SSA/800-10W'yi tanıttı ancak bu makineyi web sitesinde henüz listelemiyor ve HuaHong veya SMIC gibi gerçek çip üreticilerine (28nm sınıfı kapasiteleri geniş olan) herhangi bir üretim aracı gönderip göndermediği belirsiz. SMEE'nin web sitesine göre en gelişmiş litoğrafi sistemleri, 2000'lerin başı ila ortalarına ait olan 90nm, 110nm ve 280nm işlem teknolojilerine yetenekli SSA600 serisi kuru tarayıcılardır.
SiCarrier da 28nm sınıfı üretim düğümleri için litografi makineleri geliştiriyor. Ancak Semicon'daki katalogda litografi araçları yer almıyordu; belki de litografi geliştirmelerini ABD hükümetinden gizli tutmak amacıyla, zira bu geliştirmeler Çin dışındaki bileşenlere büyük ölçüde dayanıyor.
Hem SMEE hem de SiCarrier'ın şimdiye kadar 28nm sınıfı işlem teknolojilerinde çip üretebilen litografi sistemleri geliştirdiğini göz önünde bulundurarak, her iki şirketin de DUV tarayıcıları başarıyla üretebildiği söylenebilir ki bu büyük bir kilometre taşıdır. ASML'nin 5nm uyumlu DUV makineleri, bu teknolojinin muazzam yeteneğini gözler önüne seriyor.
Ancak, SMEE'nin web sitesinde listelenen en iyi şeyin, ASML'nin 2000'lerin başındaki makinelerine rakip olan kuru SSA600 serisi litografi sistemi olması göz önüne alındığında, Goldman Sachs analistlerinin SMEE'nin ASML'den 20 yıl geride olduğunu söylemekte haklı oldukları düşünülebilir. Peki, SMEE ve/veya SiCarrier, toplu olarak üretemediği 28nm uyumlu bir makineden daha gelişmiş bir seviyeye nasıl atlayabilir? Teorik olarak inceleyelim.
Duyarlı DUV Litoğrafisi Zorlu Bir Süreç
Modern ArF (Argon Florür) duyarlı DUV litoğrafi araçları, inanılmaz derecede karmaşıktır. Çünkü bu araçlar, 193nm dalga boyundaki ışığı kullanarak 5nm sınıfı (ve ötesi) işlem teknolojileri için yeterli çözünürlüğü sağlamalıdır. Bu, söz konusu dalga boyunun doğal çözünürlük sınırının çok ötesindedir.
Bunu aşmak için duyarlı DUV tarayıcıları, ultra saf kalsiyum florürden (CaF₂) yapılmış, nanometre altı yüzey pürüzsüzlüğüne parlatılmış yüksek sayısal açıklığa (NA) sahip lensler kullanır. ASML, bu hassasiyette optik üretebilen dünya çapında yalnızca birkaç şirketin olduğunu iddia ediyor ve gelişmiş araçları neredeyse yalnızca Zeiss'ın optiklerini kullanıyor. Çinli şirketlerin Zeiss optiklerine erişimi yok.
Ek olarak, ArF duyarlı tarayıcılar, lens ile wafer arasında ince bir yüksek saflıkta su tabakası içerir. Bu, çözünürlüğü artırmak için kullanılır. Bu, kabarcık, türbülans veya kirlilik olmadan saniyede 1 metreye kadar hızlarda akan 1 mm'lik bir akışkan katmanını korumayı gerektirir. Bu da akışkanlar dinamiği ve termal kararlılık üzerinde hassas kontrol gerektirir.
Mekanik bileşenler, optik hassasiyetle uyumlu olmalıdır: Wafer ve retikül aşamaları yüksek hızlarda hareket eder ancak hava yatakları veya manyetik levitasyon kullanarak nanometre altı hassasiyeti korumalıdır. Ayrıca sapmaları veya titreşimleri düzeltmek için mikro saniye gecikme süresinde çalışan geri bildirim sistemlerine sahip olmalıdırlar. Yazılım ve sensörler, nanometre düzeyinde bir kaplama hatasıyla hareket etmelidir, çünkü hizalama, aşama hareketi veya sıcaklıktaki herhangi bir sapma deseni bozabilir.
ASML'nin litoğrafi, metroloji veya denetim makinelerinde kullandığı tüm mekanik bileşenler şirket tarafından üretilmez; birçoğu üçüncü taraflarca üretilir. Bu sayede diğer şirketler de bu bileşenleri tedarik edip kullanabilir (bu, Çinli şirketlerin WFE için toplu bileşenler elde etme yoludur). Ancak ASML'nin yazılım ve donanım yazılımını kopyalamak, yüksek hassasiyetli bir makine monte etmek kadar zorludur.
SMEE gibi Çinli firmalar, benzer duyarlı DUV sistemleri (SSA/800‑10W gibi) geliştirmeye çalışırken, yalnızca aşırı mühendislik zorlukları karşısında başarıyı kopyalamakla kalmamalı, aynı zamanda yasaklanmış veya kısıtlanmış her bileşeni sıfırdan değiştirmeli veya yeniden oluşturmalıdır. Bu nedenle, 28nm sınıfı yeteneğe ulaşmak bile önemli bir kilometre taşı olarak kabul ediliyor.
Ancak, 16nm veya 7nm'ye geçiş ASML veya SMEE için doğrusal bir ilerleme değildir, bu nedenle işler anlamlı derecede kolaylaşmaz. Aslında, 28nm'den 7nm litoğrafiye geçiş, katlanarak artan karmaşıklık ve sermaye yoğunluğu ile tamamen yeni teknoloji sınıfları, kontrol ve hassasiyet gerektirir. ASML'nin en yeni DUV tarayıcılarında kullanılan teknolojiler çeşitli ihracat kontrolleriyle korunmaktadır (bu da Çinli kuruluşların 16nm sınıfı (ve altı) mantık çiplerini üretmelerini sağlayan teknolojilerin Çin'e gönderilmesini yasaklıyor). Bu nedenle, SMEE dış dünyadan herhangi bir yardım alamıyor.
ASML'nin 28nm sınıfı DUV yeteneği (Twinscan XT:1930i/1950i aracılığıyla) yaklaşık 2010 civarında olgunlaşmıştı. Öte yandan, kendi kendine hizalanan dörtlü desenleme (SAQP), karmaşık optik yakınlık düzeltmesi (OPC), yeni maskeler ve yeni dirençler (tabii ki diğer unsurlarla birlikte) kullanan DUV tabanlı 5nm sınıfı yeteneği, 2020 civarında Twinscan NXT:2000i ile ticari olarak desteklenmişti. Nikon, 7nm uyumlu NSR-S636E modelini 2024 başlarında satışa sundu.
SMEE'nin SSA/800-10W ile olgunluğa ulaşması ve yüksek hacimde üretmesi, daha sonra 16nm ve 7nm'ye doğru ilerlemeye çalışmadan önce gereklidir. Çin'de yeni inşa edilen fabrikaların neredeyse hiçbiri 28nm ve altı teknolojileri hedeflemediği için, SMEE'nin SSA/800-10W'yi toplu olarak üretmeye yakın olması pek olası değil. Sonuç olarak, SMEE muhtemelen ASML'nin NXT 2000i'sinden 10 yıldan fazla, ASML'nin çağdaş EUV (Aşırı Ultraviyole) araçlarından ise 15 yıldan fazla geridedir (EUV'ye bu makalede değinmeyeceğiz çünkü bu, 20 yılı aşkın süren yenilikler gerektiren tamamen farklı bir teknoloji geliştirme dalıdır).
Gelecek 10 Yıl ve Ötesinde Gelişmiş Düğümler İçin Yerli Araç Yok
SMEE veya SiCarrier'ın yarı iletkenlerde ASML'den daha hızlı atılımlar yapması mümkün değil. Bu nedenle, önümüzdeki 10 yıl içinde 7nm veya 5nm duyarlı DUV tarayıcıları geliştirmelerini beklememek gerekir. Endüstri casusluğu ve Çinli şirketlerin zaten sahip olduğu araçların tersine mühendisliği bazı gelişmeleri hızlandırabilse de, ASML'nin Twinscan NXT:2000i'sini kopyalamak, yalnızca 100.000'den fazla en son teknoloji parçası içerdiği için değil, aynı zamanda sürecin bu makinenin arkasındaki tüm ekosistemin kopyalanmasını gerektireceği için de imkansızdır.
NXT:2000i sınıfı makinelere götüren kestirme yollar olmadığı için, SMEE ve SiCarrier milyarlarca doları Ar-Ge'ye yatırmak, optik ve hassas mekanik yeteneklerini ustalaştırmak, yeni sınıf hammaddeler ve parçalar geliştirmek için üçüncü taraflarla daha yakın çalışmak ve geliştirme süreçlerini dikkate almak için fabrikalarla işbirliği yapmak zorundadır.
Kısacası, Çin'in yarı iletken endüstrisi önümüzdeki yıllarda olgun düğümlerle kendi kendine yeterliliğe ulaşabilir ve hatta depozisyon, aşındırma, iyon implantasyonu, tavlama ve temizleme için dünya standartlarında araçlar üretebilir. Ancak Çinli şirketlerin litoğrafi alanında ASML veya Nikon ile yakın zamanda rekabet etmesi mümkün görünmüyor. Bu nedenle, Çin en az önümüzdeki 10 yıl boyunca Avrupa veya Japonya'da üretilen 7nm veya 5nm sınıfı teknolojiler için gelişmiş litoğrafi araçlarına güvenmek zorunda kalacaktır.
