Kiina pyrkii kehittämään mikrosirutuotantoaan

Mikrosirut ovat puolijohdekomponentteja, joita käytetään elektroniikkalaitteissa erilaisten tehtävien suorittamiseen. Niistä tärkeimpiä ovat laskenta ja datan tallennus. Ne ovat teknologisen kehityksen kannalta keskeisiä, koska niitä käytetään tekoälymallien kehitykseen, ja sitä kautta lukemattomissa kohteissa kuten asejärjestelmissä ja autoissa. Kauppapolitiikan keskiöön ne nousivat, kun Yhdysvallat alkoi kansallisen turvallisuuden varjolla rajoittaa kehittyneimpien mikrosirujen ja niiden valmistuslaitteiden vientiä Kiinaan. Rintamaan liittyivät myöhemmin myös mm. Alankomaat ja Japani. Tämän seurauksena Kiina on teknologisesti selvästi jäljessä alan kehittyneimpiä maita. Se on kuitenkin investoinut runsaasti sektoriin, mutta investointien vaikutusta on vielä vaikea arvioida.

Mikrosirujen valmistus

Mikrosirut ovat kolmiulotteisia rakenteita, joissa suuri määrä erilaisia elektronisia komponentteja on yhdistetty toisiinsa. Mikrosirua voisi verrata kerrostaloon, johon on rakennettu komponentteja kerros kerrokselta, ja jotka ovat yhteydessä toisiinsa. Kerrokset koostuvat transistoreista, kondensaattoreista ja muista elektroniikan komponenteista. Mikrosirut valmistetaan yleensä halkaisijaltaan 30 senttimetrin kokoiselle pyöreälle piikiekolle. Kiekolle syntyy suuri määrä mikrosiruja, jotka valmistusprosessin lopuksi irrotetaan kiekosta.

Mikrosirujen valmistuksessa kerrosrakenne luodaan pinnoittamalla piikiekko ensin hyvin ohuilla kalvoilla metalleja, sähköneristeitä ja puolijohteita. Kunkin kerroksen mikropiirirakenne luodaan prosessissa, jota kutsutaan fotolitografiaksi. Siinä pinnoitetun kerroksen päälle lisätään fotoresistenttiä ainetta. Kun fotoresistenttiin aineeseen kohdistetaan valoa, se kovettuu. Toisaalta niistä kohdin, missä fotoresistenttiin aineeseen ei ole kohdistettu valoa, se liukenee helposti kemikaalien avulla. Näin pinnoitetun kerroksen päälle muodostuu maski, joka suojaa pinnoitekerrosta seuraavassa vaiheessa. Siinä kerroksen piirirakenne luodaan syövyttämällä pinnoitetta halutuilta alueilta kemiallisessa prosessissa, jota kutsutaan etsaamiseksi. Maski suojaa pinnoitetta etsautumiselta niissä kohdin jossa sitä on, kun taas muualta pinnoite poistuu. Kun kovettunut maski poistetaan ja edellä esitetty prosessi toistetaan, muodostuu mikrosirun kerrosmainen rakenne.

Jotta mikrosirun suorituskykyä voidaan parantaa sekä energiankulutusta ja kokoa pienentää, pyritään sen komponenteista, kuten transistoreista, tekemään mahdollisimman pieniä. Tässä rajoittavaksi tekijäksi tulee fotolitografian resoluutio, eli kuinka tarkkoja rakenteita maskilla pystytään luomaan. Tämä on suoraan verrannollinen litografiassa käytettävän valon aallonpituuteen.

Näkyvän valon aallonpituus on lyhyimmilläänkin 380 nanometriä (nm), joten litografiassa on siirrytty ultraviolettivaloon. Kehittyneimmässä EUV (engl. extreme ultraviolet) -litografialaitteissa käytetään 13,5 nm ultraviolettivaloa, ja sillä on valmistettu kehittyneimpiä 3−7 nm mikrosiruja. EUV-litografialaitteiden jälkeen seuraavaksi korkeimman resoluution DUV (engl. deep ultraviolet) -litografialaitteissa käytetään 193 nm ultraviolettivaloa. Niillä on pääasiassa valmistettu 3−7 nm mikrosiruihin nähden vähemmän kehittyneitä siruja, mutta sen rajoja on venytetty nk. multiple patterning -menetelmällä. Yksinkertaistetusti siinä yllä kuvattu litografia tehdään kullekin mikropiirin kerrokselle yhden kerran sijaan useasti. Tämän menetelmän huono puoli on, että mikrosirun valmistusprosessi kestää pidempään, jolloin mikrosirutehtaan tuotantokapasiteetti pienenee. Ja tätäkin tärkeämpänä toimivien mikrosirujen osuus kaikista valmistetuista siruista on multiple patterning -menetelmällä ollut monesti heikko. Mikrosirun valmistusprosessi on teknisesti haastava, ja osa siruista ei läheskään aina ei toimi toivotulla tavalla. Niinpä valmistusprosessin kaupallisen potentiaalin kannalta oleellista on mikä osuus valmistetuista siruista toimii ja kuinka pitkään valmistusprosessi kestää.

Kiina on ollut riippuvainen mikrosirujen ja litografialaitteiden tuonnista

Maailmanlaajuisessa mikrosirutuotannossa Kiinalla on noin 20 prosentin markkinaosuus. Sen osuus puolijohteiden valmistuslaitteiden tuotannossa on kuitenkin pienempi, ja se on ollut riippuvainen kehittyneimpien litografialaitteiden tuonnista ulkomailta. Ainoa EUV-litografialaitteita tuottava yritys maailmassa on alankomaalainen ASML. Vuonna 2019 se kuitenkin liittyi Yhdysvaltojen puolijohdetuotteiden vientiä Kiinaan rajoittavaan rintamaan, ja kielsi EUV-laitteiden viennin Kiinaan. Se salli DUV-laitteiden viennin Kiinaan, mutta asetti vuonna 2023 rajoitteita näidenkin laitteiden vientiin. Samana vuonna myös Japani, jonka Nikon ja Canon valmistavat litografialaitteita, rajoitti DUV-laitteiden vientiä Kiinaan.

Yhdysvallat asetti viime vuonna rajoituksia kehittyneimpien mikrosirujen viennille Kiinaan. Suurimmat kehittyneiden mikrosirujen valmistajat, kuten Nvidia ja Intel, ovat yhdysvaltalaisia, ja käytännössä rajoitukset estävät kehittyneimpien mikrosirujen viennin Kiinaan. Niinpä Kiina on enenevissä määrin riippuvainen kotimaisesta sirutuotannostaan. Koska maalla ei ole EUV-litografialaitteita, se on pyrkinyt kehittämään käyttämiensä DUV-litografialaitteiden suorituskykyä. Bloombergin ja TechInsights -medioiden tietojen mukaan kiinalaisvalmistaja SMIC valmisti Huaweille 7 nm sirun DUV-litografialaitteella käyttämällä multiple patterning -menetelmää. Sirua käytettiin Huawein viime vuonna julkaisemassa Mate 60 -älypuhelimessa. Raporttien mukaan sirun valmistus kestää kuitenkin pitkään ja toimivien sirujen suhteellinen osuus on pieni. On mahdollista, että SMIC on pystynyt parantamaan menetelmän tuottoa sen jälkeen, ja kiinalaisyritykset ovat jättäneet patenttihakemuksia muista menetelmistä 5 nm sirujen valmistamiseen DUV-laitteilla. Teollisuudessa kuitenkin nähdään, että kehittyneimpien sirujen valmistamiseen EUV-menetelmä on paras tuoton ja kustannusten kannalta.

Tekoälymallien kehittämisen ja muiden kehittyneiden teknologioiden kannalta Kiinalle on ongelmallista, ettei se pysty tuomaan kehittyneimpiä siruja ja litografialaitteita. Kuviossa 1 on esitetty Kiinan puolijohteiden valmistuslaitteiden ja mikrosirujen tuonnin arvo viime vuosina. Mikrosirujen tuonti on laskenut vuoden 2021 jälkeen, mutta esimerkiksi Yhdysvaltain viime syksynä asettamat mikrosirujen vientirajoitteet eivät näytä vaikuttaneen tuontiin. Tämä voi johtua siitä, että rajoitteet koskevat vain kehittyneimpiä siruja, ja muita siruja yhdysvaltalaisyritykset voivat edelleen viedä. Puolijohteiden tuonnissa oli piikki viime vuoden kesällä ja alkusyksystä. Tämä voi liittyä Alankomaiden asettamiin rajoitteisiin, jonka mukaan DUV-litografialaitteita ei saanut enää viedä ilman vientilisenssiä. Lehdistötietojen mukaan kiinalaisyrityksen hankkivat DUV-laitteita runsaasti ennakoiden ennen rajoitteiden voimaantuloa. Mutta on myös mahdollista, että nousu tuonnista johtuu joistakin muista puolijohteiden valmistuslaitteista.

Kiinan mikrosirujen ja puolijohteiden valmistuslaitteiden tuonnin arvo 2015–2024

Lähteet: Kiinan tulli, Macrobond ja BOFIT.

Yhdysvaltain, Alankomaiden ja Japanin vientirajoitukset ovat pakottaneet Kiinan investoimaan oman puolijohdesektorinsa kaikkiin puoliin: sirujen suunnitteluun, valmistukseen sekä sirujen pakkaukseen, ja puolijohteiden valmistuslaitteisiin. Kiinassa on haettu patentteja EUV-teknologian osiin, mutta on epätodennäköistä, että Kiina pystyy rakentamaan kokonaista EUV-litografialaitetta tulevina vuosina. Kiina on panostanut myös mikrosirujen pakkaamiseen, jossa useista mikrosiruista rakennetaan tehokkaampia laitteita. Siihen liittyvä teknologia Kiinasta jo löytyy, joten tämä on keino kiertää EUV-laitteiden puutetta.

Kiina ilmoitti toukokuussa kolmannen kansallisen puolijohteiden investointirahaston perustamisesta. Varoja rahastolla on 344 miljardia juania (47,3 miljardia dollaria). Samaan aikaan myös Yhdysvallat, EU ja Etelä-Korea ovat ilmoittaneet panostuksistaan puolijohdesektoriin. Tämä tekeekin haastavaksi saavuttaa teknologian eturintamaa.