Tại sao Trung Quốc vẫn tụt hậu hàng chục năm trong ngành chip dù đã đầu tư hàng chục tỷ USD?

Trong ngành công nghiệp bán dẫn, vốn đầu tư là yếu tố quan trọng nhưng chưa đủ để bảo đảm vị thế dẫn đầu trên trường quốc tế.

Trung Quốc đã chi hàng chục tỷ USD để phát triển ngành bán dẫn tự chủ, tạo nên các công ty như Huawei's HiSilicon, SMIC và YMTC với khả năng thiết kế và sản xuất chip tầm cỡ thế giới.

Tuy đạt được những thành tựu đáng kể, các công ty Trung Quốc vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn thiết bị sản xuất chip của Mỹ hay châu Âu, đặc biệt trong công nghệ tiên tiến. Goldman Sachs thậm chí cho rằng năng lực sản xuất chip của Trung Quốc chậm hơn ASML tới 20 năm.

Hiện thực này dễ hiểu khi nhìn vào việc các nhà sản xuất chip Trung Quốc như CXMT, HuaHong, SMIC và YMTC có thể sản xuất chip logic 7nm và chip nhớ cạnh tranh toàn cầu, nhưng vẫn phụ thuộc hoàn toàn vào phần mềm thiết kế tự động điện tử (EDA) và thiết bị sản xuất từ châu Âu, Nhật Bản và Mỹ. Sự phụ thuộc này khiến họ dễ bị ảnh hưởng bởi các biện pháp kiểm soát xuất khẩu từ phương Tây.

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

Năm ngoái, Trung Quốc đã khởi động quỹ đầu tư Big Fund thứ ba, nhắm tài trợ cho các công ty sản xuất hóa chất siêu tinh khiết, wafer silicon và các công ty phát triển, chế tạo công cụ sản xuất chip.

Tuy nhiên, năm nay họ đã mở rộng phạm vi quỹ Big Fund III trị giá 50 tỷ USD để bao gồm cả công cụ EDA và mô phỏng. Dù có nhiều hướng để Trung Quốc dùng số tiền này xây dựng công cụ sản xuất tiên tiến, nhưng quá trình sẽ tốn thời gian – một nguồn lực quý giá trong bối cảnh ngành bán dẫn của họ đang chịu các hạn chế từ chính phủ Mỹ.

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

Công nghệ quang khắc - nút thắt chưa thể vượt qua của Trung Quốc

Thiết kế công cụ quang khắc cực kỳ phức tạp vì nó kết hợp quang học, kỹ thuật chính xác, hệ thống điều khiển và khoa học vật liệu, tất cả hoạt động trong dung sai nanometer ở các công nghệ sản xuất hiện đại.

SMEE, nhà sản xuất công cụ quang khắc tiên tiến nhất của Trung Quốc, đang tụt hậu rõ rệt so với các nhà lãnh đạo toàn cầu như ASML hay Nikon. Công ty này ra mắt máy quang khắc ArF DUV nhúng SSA/800-10W có khả năng khắc tia 28nm vào cuối năm 2023, nhưng chưa liệt kê trên trang web và không rõ họ đã giao công cụ nào cho các nhà sản xuất chip thực tế như HuaHong hay SMIC, những công ty 28nm lớn mạnh chưa.

Theo trang web của SMEE, hệ thống quang khắc tiên tiến nhất hiện tại 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 Nikkei, nhưng catalog từ Semicon không liệt kê bất kỳ công cụ quang khắc nào, có thể nhằm giữ bí mật các tiến bộ quang khắc khỏi chính phủ Mỹ do phụ thuộc nhiều vào linh kiện sản xuất ngoài Trung Quốc.

Khi nhớ rằng cả SMEE và SiCarrier đều đã phát triển hệ thống quang khắc có thể sản xuất chip trên công nghệ quy trình 28nm, có thể khẳng định cả hai công ty đã tạo ra máy quét DUV nhúng – một cột mốc quan trọng. ASML có máy DUV nhúng với khả năng 5nm, cho thấy tiềm năng to lớn của công nghệ này.

Tuy nhiên, khi công cụ tốt nhất được liệt kê trên trang web của SMEE chỉ là hệ thống quang khắc khô SSA600, tương đương máy ASML đầu những năm 2000, các nhà phân tích Goldman Sachs có lý khi nói SMEE chậm ASML 20 năm. Nhưng liệu SMEE và/hoặc SiCarrier có thể nhảy từ máy 28nm không sản xuất đại trà lên công nghệ tiên tiến hơn?

Các công cụ quang khắc DUV nhúng ArF hiện đại cực kỳ khó chế tạo vì phải tạo độ phân giải cho công nghệ quy trình 5nm (hoặc hơn) sử dụng ánh sáng bước sóng 193nm, vượt giới hạn độ phân giải tự nhiên của bước sóng này.

Để thực hiện điều này, máy quét DUV dùng ống kính số khẩu độ cao (NA) từ calcium fluoride (CaF₂) siêu tinh khiết, được đánh bóng bề mặt nhẵn hơn nanomet. ASML khẳng định chỉ vài công ty trên thế giới có khả năng sản xuất quang học chính xác này, và các công cụ tiên tiến của họ gần như độc quyền quang học từ Zeiss. Các công ty Trung Quốc không tiếp cận được quang học của Zeiss.

Hơn nữa, máy quét ArF nhúng kết hợp lớp nước siêu tinh khiết mỏng giữa ống kính và wafer để tăng độ phân giải. Việc này đòi hỏi lớp chất lỏng 1mm chảy với tốc độ lên tới 1m/s không có bọt khí, nhiễu động hay tạp chất, yêu cầu kiểm soát chính xác động lực học chất lỏng và ổn định nhiệt.

Các thành phần cơ khí phải tương thích với độ chính xác quang học: khay đựng wafer và bệ đỡ di chuyển tốc độ cao nhưng vẫn duy trì độ chính xác nanomet bằng ổ đỡ khí hoặc từ trường, với hệ thống phản hồi micro giây để hiệu chỉnh mọi rung động. Phần mềm và cảm biến cũng phải đạt độ chính xác nanomet, vì bất kỳ sai lệch nào về căn chỉnh, chuyển động bệ đỡ hay nhiệt độ đều có thể phá hủy mẫu.

Không phải tất cả các thành phần cơ khí, đo lường hay kiểm tra trong máy ASML đều do công ty tự sản xuất; nhiều linh kiện đến từ bên thứ ba, cho phép các công ty khác mua và sử dụng (cách các công ty Trung Quốc có linh kiện WFE của họ). Tuy nhiên, sao chép phần mềm và firmware của ASML cũng khó khăn như lắp ráp máy chính xác cao.

Các công ty Trung Quốc như SMEE, khi phát triển hệ thống DUV nhúng tương tự (SSA/800-10W), không chỉ phải vượt qua các thách thức kỹ thuật cực độ mà còn phải thay thế hoặc tái tạo từ đầu mọi thành phần bị cấm hoặc hạn chế. Vì vậy, đạt khả năng 28nm được xem là một cột mốc quan trọng.

Việc chuyển sang 16nm hay 7nm không phải là tiến trình tuyến tính đối với ASML hay SMEE, nên không hề dễ dàng hơn. Bước nhảy từ 28nm sang 7nm đòi hỏi 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 trong máy quét DUV mới nhất của ASML được bảo vệ bằng nhiều biện pháp kiểm soát xuất khẩu (cấm xuất khẩu công nghệ cho phép thực thể Trung Quốc sản xuất chip logic 16nm trở xuống), nên SMEE về cơ bản không thể nhận trợ giúp từ bên ngoài.

Khả năng DUV 28nm của ASML (qua Twinscan XT:1930i/1950i) đã hoàn thiện khoảng năm 2010, trong khi khả năng 5nm dựa trên DUV dùng self-aligned quadruple patterning (SAQP), optical proximity correction (OPC) phức tạp, mask và resist mới, được thương mại hóa vào năm 2020 với Twinscan NXT:2000i. Nikon bắt đầu bán NSR-S636E 7nm vào đầu năm 2024.

SMEE vẫn phải hoàn thiện SSA/800-10W và sản xuất số lượng lớn trước khi thử chuyển sang 16nm và 7nm. Với việc gần như không có nhà máy mới tại Trung Quốc nhắm đến 28nm trở xuống, khả năng SMEE đạt sản xuất khối lượng SSA/800-10W còn xa. Do đó, SMEE có lẽ chậm hơn 10 năm so với NXT 2000i của ASML và 15 năm so với các công cụ EUV hiện đại của ASML.

SMEE hay SiCarrier không thể tạo ra đột phá bán dẫn nhanh hơn ASML, nên không thể kỳ vọng máy quét DUV nhúng 7nm hay 5nm trong vòng chưa đầy 10 năm. Dù gián điệp công nghiệp và kỹ thuật đảo ngược các công cụ có thể đẩy nhanh một số phát triển, việc sao chép Twinscan NXT:2000i là bất khả thi vì nó gồm hơn 100.000 bộ phận tiên tiến và cần sao chép toàn bộ hệ sinh thái đi kèm.

Không có đường tắt nào cho NXT:2000i, SMEE và SiCarrier phải đầu tư hàng tỷ vào R&D nội bộ, làm chủ quang học và cơ khí chính xác, hợp tác chặt chẽ với bên thứ ba để phát triển nguyên liệu thô và bộ phận mới, đồng thời phối hợp với các nhà máy trong phát triển công nghệ.

Tóm lại, ngành bán dẫn Trung Quốc có thể đạt tự chủ với các node hiện tại và sản xuất công cụ đẳng cấp thế giới cho lắng đọng, khắc axit, cấy ion, ủ nhiệt và làm sạch, nhưng không thể bắt kịp ASML hay Nikon trong quang khắc sớm. Vì vậy, Trung Quốc sẽ phải dựa vào công cụ quang khắc tiên tiến cho 7nm và 5nm sản xuất tại châu Âu hoặc Nhật Bản ít nhất 10 năm nữa.