Čína dosáhla významného průlomu ve vývoji litografické EUV technologie, která je klíčová pro výrobu těch nejpokročilejších čipů na světě. Tento vývoj, vedený bývalým vědeckým pracovníkem nizozemské společnosti ASML, může zásadně změnit globální polovodičový průmysl a narušit technologickou dominanci západu.

Strategický význam EUV technologie

Litografické EUV stroje představují nejpokročilejší technologii pro výrobu polovodičů s uzly menšími než 7 nanometrů. Tato technologie využívá extrémní ultrafialové záření (EUV) o vlnové délce pouhých 13,5 nanometrů k vytváření neuvěřitelně jemných struktur na křemíkových destičkách.

EUV litografický stroj je zjednodušeně řečeno extrémně přesná „tiskárna“ na čipy. Jak taková „tiskárna“ funguje? Velmi zjednodušeně:

Stroj vystřeluje paprsky vysoce výkonného laseru na miniaturní kapičky tekutého cínu (30x menší než lidský vlas). Laser každou sekundu zasáhne až 50 000 kapiček a každou kapičku zasáhne dvakrát. Při prvním zásahu se cín promění v plazmu a při druhém zásahu, tentokrát do plazmy, je vyzařováno extrémní ultrafialové záření (EUV). EUV záření je tak speciální, že ho pohlcuje téměř všechno včetně vzduchu, proto celý proces musí probíhat ve vakuu. Světlo se poté odráží od série ultra-přesných zrcadel (vyleštěných s přesností na úrovni atomů). „Tisk“ čipů pak probíhá na křemíkové destičce. EUV světlo nejdříve prochází přes šablonu (masku) s obrazcem budoucího čipu, který se následně promítne na křemíkovou destičku pokrytou materiálem, který je vysoce citlivý na světlo. Tam, kde světlo dopadne, se materiál chemicky změní. Po osvícení se z destičky chemicky vyvolá obraz čipu (podobně jako fotografie). Neosvícené části se odleptají od těch osvícených. Tento proces se pak opakuje a masky čipů se na sebe vrství. Výsledkem jsou tranzistory a obvody o velikosti pouhých několika nanometrů.

Proč je tento proces tak složitý?

• Přesnost: Stroj musí trefit správné místo s přesností nanometrů
• Rychlost: Stroj musí „potisknout“ stovky křemíkových destiček denně
• Čistota: Jediné zrnko prachu může zničit celý proces
• Energie: Spotřebuje tolik elektřiny jako malé město

Představte si, že byste měli nakreslit detailní mapu celého města na hlavičku špendlíku, a to 50x za sekundu, ve tmě, pomocí světla, které pohlcuje i vzduch. To je úroveň složitosti EUV.

Společnost ASML má absolutní monopol na výrobu EUV litografických strojů, přičemž jeden stroj nejnovější generace High-NA EUV stojí 380 milionů dolarů.

Od roku 2019 čelí ASML vývozním regulacím, které uvalily Spojené státy americké na Čínu a zakazují společnosti prodávat nejpokročilejší EUV stroje do Číny. Tento krok vytvořil kritickou překážku pro čínský polovodičový průmysl.

Lin Nan: Klíčová postava čínského průlomu

V čele čínského výzkumného týmu stojí Lin Nan, který dříve působil jako vedoucí vědecký pracovník v ASML. Lin se vrátil do Číny v roce 2021 v rámci národního programu pro získávání zahraničních talentů a založil zde na Šanghajském institutu optiky a přesné mechaniky (Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics) výzkumnou skupinu pokročilé fotolitografické technologie.

Před působením v ASML byl Lin školen u Anne L’Huillierové, nositelky Nobelovy ceny za fyziku z roku 2023. Tato kombinace mezinárodních zkušeností a hlubokých znalostí technologie a fyziky se ukázala jako klíčová pro čínský pokrok.

Technologický průlom

Čínský tým Harbinského technologického institutu vyvinul efektivnější zdroj EUV světla, který je založen na technologii LDP (Laser-induced Discharge Plasma), která se zásadně liší od metody LPP (Laser-Produced Plasma), kterou používá ASML.

Technologie LPP (ASML)

• Využívá výkonné CO₂ lasery k ostřelování kapiček tekutého cínu
• Vytváří plazmu generující EUV záření
• Vyžaduje složité řízení pomocí FPGA čipů
• Účinnost přeměny energie je pod 5 %
• Vysoké provozní náklady a velké rozměry

Technologie LDP (Čína)

• Laser odpařuje malé množství cínu mezi elektrodami
• Vysoké napětí vytváří plazmu generující EUV záření
• Jednodušší konstrukce a nižší náklady
• Účinnost přeměny energie je kolem 20 %
• Kompaktní rozměry

Současný stav

Společnost Huawei již testuje komponenty potřebné pro EUV stroje ve svém zařízení v Tung-kuanu. Zobrazený snímek ukazuje optický interferometr, jeden z mnoha prvků potřebných k výrobě EUV litografického stroje.

Překlad čínského textu na stroji zní: „EUV litografická objektivová sestava a vyrovnávací interferometr – Institut optiky, přesné mechaniky a fyziky v Čchang-čchun (Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics). Přítomnost více interferometrů na fotografii naznačuje přípravu na sériovou výrobu.

Klíčové milníky:

• Současnost: Probíhající testování prototypu
• Q3 2025: Plánované zahájení zkušební výroby
• 2026: Cílový termín pro zahájení masové výroby
• Výrobní schopnosti: Technologie by měla umožnit výrobu čipů s 3nm uzlem

Patent SMEE

Další významný posun představuje patent společnosti Shanghai Micro Electronics Equipment (SMEE), předního čínského výrobce litografických zařízení. Patent s označením „generátor extrémního ultrafialového záření“ byl podaný v březnu 2023 a je stále posuzován čínským úřadem pro duševní vlastnictví.

Na základě popisu se SMEE pokouší patentovat zdroj EUV záření, který funguje na principu LPP (Laser-Produced Plasma), což je stejná technologie, kterou používá ASML. To naznačuje, že Čína paralelně vyvíjí více přístupů k EUV technologii.

SMEE v současnosti vyrábí DUV stroje pro 90nm, 110nm a 280nm procesy, s plánovaným pokrokem směrem k 28 nanometrům.

Masivní investice a národní priorita

Čína již do vývoje EUV systémů zainvestovala přibližně 41 miliard dolarů. Tato investice odráží státní strategickou prioritu dosažení technologické soběstačnosti v polovodičovém průmyslu.

Kromě Šanghajského institutu optiky se na výzkumu podílejí:

• Harbinský technologický institut: Vývoj alternativního přístupu k EUV světelnému zdroji pomocí LDP technologie
• SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment): Patent na generátory EUV záření a snaha vyrobit kompletní litografický systém
• Univerzita Čching-chua: Projekt SSMB-EUV pro velkoplošný světelný zdroj
• SMIC: Integrace EUV technologie do výrobních procesů
• Institut optiky, přesné mechaniky a fyziky v Čchang-čchun: Vývoj optických komponentů včetně interferometrů

Ekonomické důsledky

Absence EUV technologie má přímý dopad na konkurenceschopnost čínských výrobců čipů. Odhaduje se, že 5nm čipy vyrobené od SMIC by byly o 50 % dražší než od TSMC při použití stejné litografické technologie.

Tato ekonomická nevýhoda podtrhuje kritickou důležitost vývoje domácí EUV technologie. Bez přístupu k moderním EUV strojům musí čínské společnosti spoléhat na starší DUV technologii s vícenásobným vzorováním, což je časově náročnější, nákladnější, méně efektivní z hlediska výtěžnosti a omezující pro dosažení nejpokročilejších výrobních uzlů.

Technické výzvy

Přestože čínský pokrok je významný, zbývá překonat několik kritických výzev:

1)  Výkon světelného zdroje

Současné LDP prototypy produkují pouze 50-100 W, zatímco pro komerční využití je potřeba minimálně 250 W.

2)  Přesnost komponent

Výroba vysoce přesných zrcadel s vícevrstvým povlakem molybden-křemíku zůstává technickou výzvou. Tyto zrcadla musí být vyleštěny s přesností na úrovni atomů. Čínský Institut optiky, přesné mechaniky a fyziky v Čchang-čchun sice vyvíjí optické komponenty, ale německá společnost Zeiss si udržuje významný náskok.

3)  Stabilita a spolehlivost

Optimalizace časování výbojových pulsů a zajištění dlouhodobé stability systému vyžaduje další vývoj.

4)  Integrace do výrobních procesů

Začlenění nové technologie do existujících polovodičových výrobních linek bude vyžadovat roky validace a optimalizace.

Sankce jako katalyzátor inovací

Paradoxně se ukazuje, že americké sankce namířené na omezení přístupu Číny k pokročilým technologiím působí jako silný katalyzátor domácích inovací. Jak poznamenává analytická společnost Doomberg, „Čína vyhrává čipovou válku díky sankcím, nikoli navzdory nim.“

Sankce donutily Čínu:

• Mobilizovat obrovské finanční zdroje pro výzkum a vývoj
• Přilákat špičkové talenty ze zahraničí
• Urychlit vývoj alternativních technologických řešení
• Vybudovat nezávislý dodavatelský řetězec

Kdyby se Číně podařilo prolomit EUV technologii mohlo by to narušit monopol ASML. Čína by se stala jedinou zemí mimo Nizozemsko, která by byla schopna vyrábět nejpokročilejší litografické stroje. Čína by tak mohla vyrábět nejpokročilejší čipy bez závislosti na západních dodavatelích. Technologická nezávislost Číny by fundamentálně změnila rovnováhu v globální soutěži.

Výhled do budoucnosti

Pokud by Čína úspěšně zvládla přechod od prototypů k sériové výrobě, mohlo by to představovat zásadní zlom v globálním polovodičovém průmyslu.

Čína vytyčila klíčové milníky:

• 2025: Ověření schopnosti generovat stabilní výkon EUV záření v průmyslovém měřítku
• 2026: Zahájení sériové výroby EUV strojů a výroby 5nm čipů
• 2027 – 2028: Eventuální dosažení 3nm výrobních uzlů
• 2030: Možný pokrok k 2nm nebo dokonce pokročilejším technologiím

Závěr

Čínský průlom v EUV litografii, pod vedením bývalého vědeckého pracovníka ASML, představuje významný technologický milník s potenciálem přetvořit globální polovodičový průmysl. Kombinace masivních investic, špičkových talentů, více technologických přístupů a paradoxního efektu západních sankcí vytváří ideální podmínky pro narušení desetiletí trvající západní technologické dominance.

Tento vývoj má hluboké důsledky nejen pro technologický průmysl, ale i pro globální geopolitickou rovnováhu. Západní strategie omezit Číně přístup k technologiím se může ukázat jako kontraproduktivní, pokud povede k urychlení vývoje alternativních technologií a oslabení vlastní tržní pozice.

Polovodičový průmysl tak stojí na prahu transformační změny. Následující roky ukážou, zda se Číně podaří překonat zbývající překážky a stát se skutečným konkurentem v nejpokročilejších polovodičových technologiích.

Zdroje: techpowerup.com, globalsmtasia.com, doomberg.com, scmp.com, scmp.com