Tại sao Trung Quốc vẫn thua kém hàng chục năm trong ngành chip dù đã rót hàng chục tỷ USD?

Trung Quốc đã chi hàng chục tỷ USD để xây dựng ngành công nghiệp bán dẫn tự chủ, tạo ra những công ty như Huawei’s HiSilicon, SMIC và YMTC có khả năng phát triển và sản xuất chip đẳng cấp thế giới.

Tuy nhiên, mặc dù những thành tựu ấn tượng này, các công ty Trung Quốc vẫn không thể thay thế hoàn toàn thiết bị sản xuất chip của Mỹ hay châu Âu, đặc biệt là trong công nghệ tiên tiến. Thậm chí Goldman Sachs còn cho rằng năng lực sản xuất chip của Trung Quốc đang chậm ASML tới 20 năm.

Điều nghịch lý này có thể được giải thích rõ ràng khi nhìn vào thực tế rằng mặc dù các nhà sản xuất chip Trung Quốc như CXMT, HuaHong, SMIC và YMTC có thể sản xuất chip logic xuống tới 7nm và chip nhớ cạnh tranh trên thị trường toàn cầu, họ vẫn phụ thuộc hoàn toàn vào phần mềm thiết kế tự động điện tử (EDA) và công cụ mô phỏng cùng với thiết bị sản xuất được chế tạo tại châu Âu, Nhật Bản và Mỹ. Sự phụ thuộc này khiến họ trở nên dễ tổn thương trước các biện pháp kiểm soát xuất khẩu từ các quốc gia phương Tây.

Theo ước tính của AMEC, thiết bị sản xuất trong nước chỉ chiếm 15% đến 30% tổng số công cụ được triển khai trong các nhà máy bán dẫn Trung Quốc. Điều này có nghĩa là 70% đến 85% thiết bị họ sử dụng được mua từ các công ty Mỹ, châu Âu, Nhật Bản hoặc Hàn Quốc. Chính vì lẽ đó, việc xây dựng chuỗi cung ứng thiết bị sản xuất wafer (WFE) và hệ sinh thái công cụ EDA riêng trở thành nhiệm vụ tối quan trọng mà chính phủ trung ương hoàn toàn hiểu rõ.

Năm ngoái, Trung Quốc bắt đầu lập quỹ đầu tư Big Fund thứ ba với mục tiêu tài trợ cho các công ty sản xuất hóa chất siêu tinh khiết hoặc wafer silicon, cũng như các công ty phát triển và chế tạo công cụ sản xuất chip.

Tuy nhiên, năm nay họ đã mở rộng mục tiêu của quỹ Big Fund III trị giá 50 tỷ USD để bao gồm cả công cụ EDA và mô phỏng. Mặc dù có nhiều cách để Trung Quốc sử dụng số tiền này để xây dựng công cụ sản xuất tiên tiến, nhưng điều này sẽ mất thời gian – một tài sản quý giá trong bối cảnh các hạn chế được áp đặt lên ngành bán dẫn của họ bởi chính phủ Mỹ.

Mặc dù Trung Quốc có hàng chục công ty như AMEC, Naura Technology, ACM Research phát triển thiết bị cho nhiều công đoạn sản xuất, và một số như SiCarrier được cho là có liên hệ với Huawei đang phát triển bộ công cụ hoàn chỉnh, nhưng điểm nghẽn lớn nhất vẫn là công nghệ quang khắc.

Công nghệ quang khắc – điểm nghẽn chưa thể vượt qua của Trung Quốc

Thiết kế công cụ quang khắc cực kỳ thách thức vì chúng là sự kết hợp của quang học, kỹ thuật chính xác, hệ thống điều khiển và khoa học vật liệu, tất cả đều hoạt động ở độ dung sai nanometer trong các công nghệ chế tạo hiện đại.

SMEE, nhà sản xuất công cụ quang khắc tiên tiến nhất của Trung Quốc, đang tụt hậu đáng kể so với các nhà lãnh đạo toàn cầu như ASML hay Nikon. Công ty này chính thức giới thiệu máy quang khắc ArF DUV nhúng SSA/800-10W có khả năng khắc tia 28nm vào cuối năm 2023, nhưng vẫn chưa liệt kê nó trên trang web và không rõ liệu họ đã xuất xưởng bất kỳ công cụ sản xuất nào cho các nhà sản xuất chip thực tế như HuaHong hay SMIC, những công ty có năng lực 28nm khổng lồ.

Theo trang web của SMEE, hệ thống quang khắc tốt nhất mà họ có là máy quét khô dòng SSA600, có khả năng xử lý các công nghệ quy trình 90nm, 110nm và 280nm, tương đương công nghệ từ đầu đến giữa thập niên 2000.

SiCarrier cũng đang phát triển máy quang khắc có khả năng sản xuất node 28nm theo báo cáo của Nikkei, nhưng catalog từ Semicon không bao gồm bất kỳ công cụ quang khắc nào, có lẽ để giữ bí mật các phát triển quang khắc khỏi chính phủ Mỹ vì chúng phụ thuộc nhiều vào linh kiện được sản xuất bên ngoài Trung Quốc.

Khi nhớ rằng cả SMEE và SiCarrier cho đến nay đều đã phát triển hệ thống quang khắc có khả năng sản xuất chip trên công nghệ quy trình 28nm, có thể nói an toàn rằng cả hai công ty đều đã quản lý để xây dựng máy quét DUV nhúng, đây là một cột mốc quan trọng. ASML có máy DUV nhúng có khả năng 5nm, điều này cho thấy khả năng to lớn của công nghệ này.

Tuy nhiên, khi điều tốt nhất được liệt kê trên trang web của SMEE là hệ thống quang khắc khô dòng SSA600, có thể so sánh với máy của ASML từ đầu những năm 2000, các nhà phân tích từ Goldman Sachs hoàn toàn có quyền nói rằng SMEE chậm ASML 20 năm. Nhưng liệu SMEE và/hoặc SiCarrier có thể nhảy vọt từ máy có khả năng 28nm mà họ không thể xuất xưởng với số lượng lớn, đến thứ gì đó tiên tiến hơn không?

Các công cụ quang khắc DUV nhúng ArF hiện đại cực kỳ khó thiết kế vì chúng phải tạo ra độ phân giải đủ cho các công nghệ quy trình 5nm (và có thể vượt xa hơn) bằng cách sử dụng ánh sáng bước sóng 193nm, vượt xa giới hạn độ phân giải tự nhiên của bước sóng đó.

Để vượt qua điều này, máy quét DUV dựa vào ống kính số khẩu độ cao (NA) được làm từ calcium fluoride (CaF₂) siêu tinh khiết, được đánh bóng bề mặt đến độ nhám nhỏ hơn nanomet. ASML khẳng định rằng chỉ một số ít công ty trên thế giới có khả năng sản xuất quang học với độ chính xác này, và các công cụ tiên tiến của họ hầu như độc quyền sử dụng quang học từ Zeiss. Các công ty Trung Quốc không có quyền truy cập vào quang học của Zeiss.

Ngoài ra, máy quét ArF nhúng kết hợp một lớp nước siêu tinh khiết mỏng giữa ống kính và wafer để tăng cường độ phân giải. Điều này đòi hỏi duy trì lớp chất lỏng 1mm chảy với tốc độ lên tới 1m/s không có bọt khí, nhiễu động hoặc tạp chất, đòi hỏi kiểm soát chính xác về động lực học chất lỏng và ổn định nhiệt.

Các thành phần cơ khí phải khớp với độ chính xác quang học: các khay đựng tấm wafer và bệ đỡ di chuyển với tốc độ cao nhưng phải duy trì độ chính xác cấp độ nanomet bằng cách sử dụng ổ đỡ khí hoặc từ trường và có hệ thống phản hồi hoạt động với độ trễ micro giây để sửa chữa bất kỳ rung động nào. Phần mềm và cảm biến phải hoạt động với lỗi cấp độ nanomet, vì bất kỳ sai lệch nào về căn chỉnh, chuyển động của bệ đỡ hoặc nhiệt độ đều có thể phá hủy mẫu.

Không phải tất cả các thành phần cơ khí mà ASML sử dụng trong máy quang khắc, đo lường hoặc kiểm tra đều được xây dựng bởi công ty này; nhiều được sản xuất bởi bên thứ ba, vì vậy các công ty khác có thể mua và sử dụng chúng (đây là cách các công ty Trung Quốc có được hàng tải linh kiện cho WFE của họ). Tuy nhiên, sao chép phần mềm và firmware của ASML cũng thách thức như lắp ráp một máy có độ chính xác cao.

Các công ty Trung Quốc như SMEE, cố gắng phát triển hệ thống DUV nhúng tương tự (như SSA/800-10W), không chỉ phải sao chép trước những thách thức kỹ thuật cực độ, mà còn phải thay thế hoặc tái tạo từ đầu mọi thành phần bị cấm hoặc hạn chế. Đây là lý do tại sao việc đạt được khả năng 28nm cũng được coi là một cột mốc quan trọng.

Tuy nhiên, việc chuyển sang 16nm hay 7nm không phải là tiến trình tuyến tính đối với ASML hay SMEE, vì vậy nó không trở nên dễ dàng hơn một cách có ý nghĩa. Thực tế, bước nhảy từ quang khắc 28nm sang 7nm liên quan đến các lớp công nghệ, điều khiển và độ chính xác hoàn toàn mới, với độ phức tạp và cường độ vốn tăng theo cấp số nhân.

Các công nghệ liên quan trong máy quét DUV mới nhất của ASML được bảo vệ bởi nhiều biện pháp kiểm soát xuất khẩu khác nhau (cấm xuất khẩu công nghệ cho phép các thực thể Trung Quốc sản xuất chip logic 16nm trở xuống sang Trung Quốc), vì vậy về cơ bản, SMEE không thể nhận được bất kỳ sự giúp đỡ nào từ thế giới bên ngoài.

Khả năng DUV 28nm của ASML (qua Twinscan XT:1930i/1950i) đã trưởng thành vào khoảng năm 2010, trong khi khả năng 5nm dựa trên DUV của họ sử dụng self-aligned quadruple patterning (SAQP), optical proximity correction (OPC) phức tạp, mask mới và resist mới (cùng với những thứ khác, tất nhiên), được hỗ trợ thương mại vào năm 2020 với Twinscan NXT:2000i. Nikon bắt đầu bán NSR-S636E có khả năng 7nm vào đầu năm 2024.

SMEE vẫn phải hoàn thiện được SSA/800-10W và sản xuất nó với số lượng lớn trước khi cố gắng chuyển sang 16nm và 7nm. Nếu xét việc hầu như không có nhà máy mới xây dựng nào ở Trung Quốc nhắm đến công nghệ 28nm trở xuống, không chắc SMEE gần với sản xuất khối lượng SSA/800-10W. Kết quả là, SMEE có lẽ chậm hơn 10 năm so với NXT 2000i của ASML, và chậm hơn 15 năm so với các công cụ EUV hiện đại của ASML.

Không có cách nào để SMEE hay SiCarrier có thể tạo ra những đột phá bán dẫn nhanh hơn ASML đã làm, vì vậy không nên mong đợi công ty nào đưa ra máy quét DUV nhúng 7nm hay 5nm trong vòng chưa đầy 10 năm. Mặc dù gián điệp công nghiệp và kỹ thuật đảo ngược các công cụ mà các công ty Trung Quốc đã có có thể tăng tốc một số phát triển, việc sao chép Twinscan NXT:2000i của ASML là không thể không chỉ vì nó có hơn 100.000 bộ phận tiên tiến nhất, mà còn vì quy trình sẽ đòi hỏi sao chép toàn bộ hệ sinh thái đằng sau máy này.

Vì không có đường tắt nào có thể dẫn đến máy cấp NXT:2000i, SMEE và SiCarrier phải đầu tư hàng tỷ vào R&D nội bộ, làm chủ khả năng quang học và cơ khí chính xác, làm việc chặt chẽ hơn với các bên thứ ba để phát triển các lớp nguyên liệu thô và bộ phận mới, đồng thời hợp tác với các nhà máy để tính đến các phát triển của họ.

Tóm lại, trong khi ngành công nghiệp bán dẫn Trung Quốc có thể đạt được tự chủ với các node mature trong những năm tới và thậm chí có thể sản xuất các công cụ đẳng cấp thế giới cho lắng đọng, khắc axit, cấy ion, ủ nhiệt và làm sạch, không có cách nào các công ty Trung Quốc có thể bắt kịp ASML hay Nikon trong quang khắc trong thời gian sớm. Vì lẽ đó, Trung Quốc sẽ phải dựa vào các công cụ quang khắc tiên tiến cho công nghệ 7nm hay 5nm được sản xuất tại châu Âu hoặc Nhật Bản trong ít nhất 10 năm nữa.