Huawei patentas: 2 nm lustai be EUV — DUV strategija

Huawei tyliai pateikė patentą, kuriame išdėstomas netikėtas kelias link 2 nm klasės lustų, naudojant vien tik giliai ultravioletinę (DUV) litografiją — tas pačias technologijas, kurios vis dar prieinamos bendrovei nepaisant Vakarų eksporto apribojimų, blokuojančių ekstremalios ultravioletinės (EUV) įrangos tiekimą iš ASML. Šis 2022 m. dokumentas, ilgai buvęs mažai žinomas, gali pakeisti tarptautinį požiūrį į Kinijos puslaidininkių ambicijas, nes rodo, kad inžineriniai sprendimai gali keisti tiek gamybinius, tiek politinius lūkesčius.

Kaip Huawei siekia išspausti DUV iki ribų

Neseniai viešai aptiktas patentas — kurį pirmasis pastebėjo puslaidininkių tyrėjas dr. Frederick Chen — aprašo optimizuotą Self-Aligned Quadruple Patterning (SAQP) darbo eigą. Ši technika, pasak dokumento, orientuota į itin siaurą 21 nm metalo tarpo (metal pitch) ribą, kuri yra kritinė dimensija — jos pasiekimas galėtų priskirti rezultuojančią procesų klasę prie vadinamųjų „2 nm klasės" technologijų, kurias skelbė TSMC ir Samsung. Tokia metal pitch reikšmė tiesiogiai susijusi su tranzistorių tankiu, tarpinių ryšių pločiu ir galutiniu lustų našumu bei energetiniu efektyvumu.

Svarbiausia šiame patente — teiginys, kad DUV ekspozicijų skaičius galima sumažinti iki keturių, kas yra reikšmingas sumažinimas lyginant su tradicinėmis daugkartinės raštų (multi-patterning) schemomis, kurios reikalauja gerokai daugiau žingsnių ir gerokai padidina procesų sudėtingumą. Jei tokį optimizavimą pavyktų įgyvendinti praktiškai, tai leistų Huawei kartu su gamybos partneriu SMIC išgauti smulkesnius bruožus iš esamų litografijos įrenginių, vengiant priklausomybės nuo apribotų EUV skenerių. Ši idėja ne tik techninė, bet ir strateginė: DUV litografija yra pigesnė ir labiau išplatinta, todėl bet koks jos efektyvumo padidinimas turi potencialą paveikti tiek gamybos kaštus, tiek tiekimo grandines.

Ką iš esmės siūlo SAQP optimizavimas

SAQP pagrindas — savarankiškai suderinta keturguba raštų projekcija, kai naudojamos kelios maskų ekspozicijos ir procesiniai žingsniai, siekiant sumažinti efektyvią linijos plotį. Huawei patentas detaliai aprašo etapus, kuriuose keičiami dangų paruošimo sluoksniai, adaptuojama izoliacija tarp metalinių linijų ir optimizuojama etch (ėsdinimo) eiga, kad būtų sumažinta overlay (sulyginimo) paklaida. Patentiniuose sprendimuose minimos korekcijos metrologijai, patobulintos dalelių filtravimo schemos ir integruotos kompensacijos, leidžiančios sumažinti klaidų akumuliaciją tarp ekspozicijų.

Tokia darbo eiga reikalautų itin griežtos procesų kontrolės: cheminio mechaninio plane (CMP) vienodumo, stabilios plėvelių nuolydžių kontrolės ir subnanometrinės overlay metrologijos. Huawei, jeigu planuoja realiai įgyvendinti šiuos žingsnius, turės investuoti į pažangius metrologijos ir defektų mažinimo sprendimus bei glaudų įrangos parametrų valdymą gamybos linijoje. Net ir su tais anksčiau minėtais iššūkiais, patentas rodo, kad bendrovė aktyviai tyrinėja galimybes išplėsti DUV panaudojimą šiuolaikiniams lustų mazgams.

Kodėl patentas yra reikšmingas — ir ką jis neįrodo

Popieriuje ši idėja yra ambicinga: padaryti šuolį nuo neseniai demonstruoto Kirin 9030 (sukonstruoto SMIC N+3 mazge) iki 2 nm kartos pasiūlymo, nepasinaudojant EUV įranga. Tačiau teorija ir patentai — viena, o aukštos apimties gamyba — visai kas kita. Praktiškai pasiekti pakankamą išeigą (yield), stabilumą ir ekonominį efektyvumą yra sunku net turint pažangiausius EUV sprendimus; bandyti tą padaryti su DUV prietaisais reiškia susidurti su keliomis konkrečiomis rizikomis ir technologiniais barjerais.

• Gamybos išeigos rizika: keturguba raštų projekcija sub-3 nm dimensijose yra žinoma kaip itin jautri defektams. Kiekvienas papildomas litografijos žingsnis padidina overlay ir dalelių sukeltų defektų tikimybę, o tokių defektų identifikacija ir taisymas reikalauja aukštos klasės metrologijos sprendimų.
• Kainos spaudimas: keli DUV ekspozicijos žingsniai reiškia didesnes gamybos sąnaudas ir mažesnį per valandą pagaminamų plokštelių kiekį (throughput). EUV vienos ekspozicijos paradigma buvo priimta pramonėje iš esmės dėl to, kad ji sumažina šiuos papildomus kaštus ir sudėtingumą.
• Įrangos apribojimai: net labai optimizuotas SAQP paremtas procesu reikalauja ne tik litografijos, bet ir vienodumo ėsdinimo (etch uniformity), CMP kontrolės bei itin tikslios metrologijos. Tai sritys, kur integruotos dešimtmečių patirties ir įrankių ekosistemos vaidmuo yra esminis.

Todėl, nors patentas ir signalizuoja ketinimus bei inžinerinį išradingumą, daugelis pramonės analitikų liko skeptiški, ar vien DUV pagrįstas procesas gali atitikti EUV paremtus 2 nm mazgus ekonominiais ir išeigos rodikliais. Net jei pagrindiniai technologiniai elementai atrodytų įgyvendinami laboratorinėje aplinkoje, masto didinimas — ypač komerciniame gamybos kontekste — dažnai išryškina naujas problemas, kurių neišsprendžia vien tik patento aprašymas.

Strateginės pasekmės: technologijos, sankcijos ir savarankiškumas

Jeigu Huawei ir SMIC galėtų įdiegti komerciškai perspektyvų SAQP pagrįstą 2 nm mazgą, tai būtų reikšmingas technologinis atsakas į eksporto apribojimus ir svarbus žingsnis Kinijos siekyje tapti puslaidininkių tiekimo grandinės savarankiškumo centru. Net jei masinė gamyba neįvyktų, šis patentas veikia kaip strateginis pareiškimas: Kinija ir jos įmonės tęstų inovacijas ir ieškotų būdų apeiti sankcijas, išspausti naujas galimybes iš esamos įrangos ir išplėsti vietinės pramonės galimybes.

Tokia perspektyva turi kelias sluoksnines pasekmes: technologinę, nes kavos namų tipo sprendimai gali sukelti greitesnę vietinės ekosistemos plėtrą; ekonominę, nes vietiniai sprendimai gali sumažinti tam tikrų komponentų importo poreikį; ir geopolitinę, nes nuolatinė pažanga gali pakeisti derybines pozicijas technologijų tiekimo srityje. Reikia pabrėžti, kad siekti pažangos DUV srityje taip pat reiškia dideles investicijas į metrologiją, defektų mažinimą, chemiją, procesų inžineriją bei tiekimo grandinės stabilizavimą — visa tai būtina, kad sprendimas taptų ne tik įdomiu eksperimentu, bet ir rimta alternatyva.

Kokia yra realistinė sėkmės tikimybė

Įvertinant industrijos istoriją, pasiekti konkurencingą 2 nm klasės pasiūlymą be EUV yra technologiškai sudėtinga misija. Sėkmė reikalautų reikšmingų proveržių trijose srityse: gamybos išeigos inžinerijoje (yield engineering), process control (procesų kontrolėje) ir metrologijos bei defektų kontrolės technologijose. Be to, reikalinga ir tiekimo grandinės parama — specialios cheminės medžiagos, tikslūs antirefleksiniai sluoksniai, nauji masks (maskų) sprendimai ir pan. Vien tik patentas neišsprendžia šių tarpusavyje susijusių klausimų, bet jis gali būti pirmas žingsnis plataus masto R&D plano dalyje.

Labai svarbu pabrėžti ir ekonominę pusę: net jei techniškai būtų įmanoma išgauti smulkesnes linijas naudojant DUV, bendros gamybos sąnaudos gali likti aukštesnės nei EUV pagrįstų linijų, ypač jei įvertintume papildomas sąnaudas dėl didesnio defektų lygio, prastesnio per valandą gamybos pajėgumo ir sudėtingesnės proceso valdymo infrastruktūros. Tad komercinio sėkmės vertinimas turi apimti tiek techninius, tiek finansinius kriterijus.

Ką verta stebėti toliau

Stebėkite tris pagrindinius indikatorius: bet kokią viešą SMIC ar Huawei gamybos kelio žemėlapio (roadmap) skelbimą ar pavyzdžius, demonstruojančius 21 nm metalo tarpą; nepriklausomų ekspertų ir recenzuotų analizų augimą, nagrinėjančių patento procesų eigą ir praktinį pritaikomumą; bei ženklus apie investicijas į metrologiją, defektų mažinimą ir susijusius įrankius Kinijoje. Šie signalai padės atskirti, ar tai tik pozicijos formavimas ir viešųjų ryšių priemonė, ar pradžia realaus ir svarbaus gamybinio alternatyvaus kelio prieš EUV.

Be to, verta stebėti tiek žaliavų tiekimo, tiek užsakomųjų paslaugų sektoriaus reakcijas: ar atsiras pakankamai daugėjantis katalogas cheminių ir įrenginių sprendimų, skirtų DUV-optimizuotiems procesams; ar užsienio tiekėjai reaguos technologine parama ar apribojimais; ir ar kils naujų tarptautinių susitarimų ar sankcijų, galinčių turėti įtakos šių procesų plėtrai. Tokie kontekstiniai veiksniai gali būti lemiami, nes puslaidininkių gamyba nėra tik techninis, bet ir geopolitinis ir ekonominis žaidimas.

Apibendrinant, Huawei pateiktas patentas yra reikšmingas ženklas: jis rodo kūrybišką inžinerinį požiūrį ir strateginį mąstymą, bandant išnaudoti esamą DUV įrangą smulkesniems mazgams. Tačiau pereiti nuo patento iki konkurencingos gamybos linijos reiškia daugybę tolimesnių žingsnių, investicijų ir procesinių proveržių. Rinkos ir technologijų stebėtojai turėtų vertinti tiek teorinį potencialą, tiek praktinius apribojimus — ir atidžiai sekti, kurios idėjos virs realiomis gamybos alternatyvomis prieš EUV.