هنگامی که تراشه Kirin 9000s هواوی وارد بازار شد، کالبدشکافی‌های تخصصی حکایت از رویدادی داشتند که بسیاری از ناظران صنعت نیمه‌هادی، تحت نظارت‌های سنگین صادراتی آمریکا، آن را دور از دسترس می‌دانستند. شرکت تولید نیمه‌هادی بین‌المللی چین (SMIC) توانسته بود موفق به ساخت تراشه‌ای در مقیاس 7 نانومتر شود و از این امر، بدون نیاز به فناوری پیشرفته لیتوگرافی فرابنفش دور (EUV) عبور کند. بر اساس گزارش منتشر شده توسط موسسه سیاست‌گذاری امریکن اینترپرایز (AEI) در آبان 2024، این موفقیت نشان‌دهنده یک شکاف استراتژیک در راهکارهای محدودسازی فناوری آمریکا به حساب می‌آید. با این حال، همان اسنادی که موفقیت فنی SMIC را تایید می‌کنند، محدودیت‌های فیزیکی، اقتصادی و رقابتی روشی را که این دستاورد را ممکن ساخته، یعنی لیتوگرافی چندگانه DUV، نیز به وضوح ترسیم می‌کنند.

چگونه از درز ممنوعیت EUV استفاده کردیم؟

تحلیل‌های انجام‌شده توسط نویسندگان گزارش AEI به یک واقعیت بی‌پرده اشاره دارد: چین برای ساخت تراشه‌های پیشرفته بدون EUV نیازی به ماشین‌آلات نسل آینده ندارد، به شرطی که پایگاه تجهیزات DUV غوطه‌وری (DUVi) خود را گسترش دهد و از ترفند چندگانه‌نمایی (Multipatterning) استفاده کند. این روش اگرچه زمان‌برتر است و بازدهی کمتری دارد، اما از نظر فنی کاملاً امکان‌پذیر است.

فیزیک پشت این موضوع ساده اما کلیدی است. دستگاه‌های EUV از پرتوهای نوری با طول موج 13.5 نانومتر برای حک الگوها روی ویفر استفاده می‌کنند و شرکت ASML تنها سازنده انحصاری این تجهیزات است. چین به دلایل سیاسی از دسترسی قانونی به آن‌ها محروم است. در مقابل، فناوری DUVi از نور با طول موج 193 نانومتر بهره می‌برد. فرض کلیه تحریم‌های صادراتی بر این بود که طول موج بلند DUVi، ساخت تراشه‌های زیر 10 نانومتر را در یک مرحله غیرممکن می‌سازد. این قاعده برای تک‌الگویی صحیح است، اما با روش چندگانه‌نمایی کاملاً دگرگون می‌شود.

در چندگانه‌نمایی، همان لایه سیلیکونی چندین‌بار با الگوهای کمی جابجا شده تابش می‌شود و در نهایت نتایج با هم ترکیب می‌گردند تا جزئیات ریزتری از طول موج نور به دست آید. این تکنیک ابداع جدیدی نیست؛ غول‌های تایوان و کره جنوبی پیش از آنکه EUV برای خطوط تولید انبوه آماده شود، از همین مسیر برای رساندن فناوری به مرز 7 نانومتر استفاده کردند. SMIC نیز همین مسیر ترسیم‌شده را طی می‌کند و از دستگاه‌های پیشرفته NXT:1980Fi استفاده می‌نماید. برای مطالعه دقیق‌تر درباره اصول فیزیکی لیتوگرافی نیمه‌هادی، می‌توانید به ویکی‌پدیا: لیتوگرافی (ریزساخت) مراجعه کنید.

ناوگان ماشین‌آلات: ستون فقرات تولید چین

مقیاس انباشت ماشین‌آلات DUV در چین، هسته اصلی یافته‌های گزارش AEI را تشکیل می‌دهد:

  • چین در سال 2024 حدود 90 دستگاه پیشرفته DUVi (آرگون-فلوراید) به ارزش 5 تا 7 میلیارد دلار وارد کرد.
  • مدل NXT:1980Fi، پیشرفته‌ترین ابزار نوری ASML محسوب می‌شود. از آنجا که این دستگاه‌ها در دسته‌بندی EUV قرار نمی‌گیرند، مشمول محدودیت‌های صادراتی نسل آینده نشدند و به‌طور قانونی پیش از اعمال ممنوعیت‌های جدید بر DUVi، وارد شدند.
  • کل ناوگان جهانی NXT:1980Fi بالغ بر 300 تا 400 دستگاه است. سهم 90 دستگاهی چین معادل 20 تا 25 درصد از ظرفیت نصب‌شده جهانی مؤثرترین ابزار DUVi است.

این تمرکز سخت‌افزاری، در کنار تیمی از مهندسان فرآیند با تجربه که طی یک دهه روی تکنیک‌های چندگانه‌نمایی کار کرده‌اند، یک قابلیت تولید عملیاتی در مرز فناوری‌های پیشرفته ایجاد کرده است. هدف اعلام‌شده هواوی برای سال 2026، تولید 1.6 میلیون تراشه منطقی رده‌بالا جهت پشتیبانی از شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی است.

محدودیت‌های بی‌رحم: بازدهی، هزینه و توان عملیاتی

اولین مانع جدی لیتوگرافی چندگانه DUV، محدودیت‌های مکانیکی و زمانی است. اگر دستگاه‌های EUV بتوانند الگوها را در یک پرتاب روی ویفر حک کنند، کالبدشکافی‌های مؤسسه TechInsights روی تراشه 7 نانومتری SMIC نشان می‌دهد که تجهیزات DUV به لایه‌های ماسک بیشتری نیاز دارند و فرآیند ساخت هر تراشه به 3 یا 4 مرحله الگوبرداری مجزا تبدیل می‌شود. گزارش AEI تأیید می‌کند که این زنجیره تولید را 3 تا 4 برابر طولانی‌تر از رقبای EUV می‌کند که مستقیماً منجر به کاهش بازدهی و افزایش هزینه نهایی هر قطعه می‌گردد.

ریاضیات بازدهی خط‌کشی‌های دقیقی دارد. پروژه توسعه 5 نانومتری SMIC همان منطق چندگانه‌نمایی را یک پله جلوتر می‌برد و در حال حاضر بازدهی 20 درصدی را ثبت کرده است. برای رسیدن به هدف 1.6 میلیون قطعه سالم هواوی، چین باید حدود 8 میلیون تراشه را در شرایط فعلی استخراج کند. تجمیع این تعداد ویفر در خطوط تولید کنونی، فشار مضاعفی بر ناوگان DUV وارد می‌کند.

محدودیت بعدی، هزینه ساخت هر تراشه است. هر مرحله اضافی الگوبرداری به معنای مصرف بیشتر مواد شیمیایی، استهلاک سریع‌تر ماسک‌های نوری و زمان ماشین‌آلات بیشتر است. این موضوع حاشیه سود خطوط تولید را به شدت تحت تأثیر قرار می‌دهد و رقابت با کارخانه‌های تاپ‌سازان که از EUV استفاده می‌کنند را دشوارتر می‌سازد.

چشم‌انداز آینده: آیا می‌توان از موانع فیزیکی عبور کرد؟

صنعت نیمه‌هادی در حال تماشای یک تغییر موازنه است. چین نشان داده است که با تکیه بر مهندسی معکوس، انباشت سرمایه و چابکی در تولید، می‌تواند شکاف تکنولوژیک ناشی از تحریم‌ها را تا حد قابل‌توجهی پنهان کند. با این حال، دیوارهای فیزیکی نور و اقتصاد مقیاس قابل دستکاری نیستند. در سال‌های آینده، موفقیت چین در گرو ارتقای اینترفیسی، بهبود نرم‌افزاری الگوهای چندگانه و توسعه دستگاه‌های داخلی دروازه نوری خواهد بود. تا آن زمان، بازار تراشه‌های پیشرفته با تقابل دو مدل اقتصادی روبه‌رو می‌شود: مدل سرعت و خلوص در برابر مدل مقیاس و سازگاری. آینده این تقابل، سرنوشت زنجیره تأمین تکنولوژی را برای یک دهه آینده تعیین خواهد کرد.