中国は自給自足型の半導体産業の構築を目指し、ファーウェイ傘下のHiSilicon、SMIC、YMTCなど、世界クラスの半導体を開発・製造する多くの企業を生み出してきました。しかし、中国に拠点を置く半導体製造装置メーカーは存在するものの、先進的なプロセス技術において欧米企業の装置を代替することはできません。ゴールドマン・サックスなど一部の投資家は、中国の半導体製造能力はASMLより約20年遅れていると考えていますが、状況はより楽観的になる兆しも見られます。しかし、中国は本当に半導体製造装置の主要サプライヤーとの結びつきを断ち切ることができるのでしょうか？
西洋のツールで世界クラスの記憶力と論理を実現
中国の半導体工場に配備されているツールのうち、国産の装置はわずか15%～30%に過ぎません（AMECの推定による）。つまり、そこで使用されているツールの70%～85%は、米国、欧州、日本、または韓国の企業から調達されていることになります。
そのためには、中華人民共和国の半導体産業が独自の EDA ツール、エコシステム、ウェーハ製造装置 (WFE) サプライ チェーンを構築することが重要であり、中央政府はこれを十分に理解しています。
中国は昨年、超高純度化学物質やシリコンウエハーを製造する企業、そして半導体製造装置の開発・製造を行う企業への資金提供を目的として、ビッグファンド第3弾の組成を開始しました。しかし今年は、500億ドル規模のビッグファンドIIIの目標をEDAおよびシミュレーションツールにまで拡大しました。中国がこの資金を最先端の製造装置の開発に活用する方法は複数ありますが、米国政府による中国の半導体産業への規制を考えると、時間は貴重な資産となるでしょう。
リソグラフィー以外のあらゆる分野で強力な製品を提供
すべての半導体製造施設では、数百または数千のツールが使用されますが、それらは、堆積 (CVD、ALD、PVD)、リソグラフィ (トラッキング ツールおよびリソグラフィ スキャナーを含む)、エッチング、イオン注入、アニーリング、クリーニング、計測、検査などのさまざまなステップを実行する複数のグループに分けられます。
中国には、フロントエンド生産フロー（実際の半導体製造）のさまざまなステップに対応するウェハ製造装置を開発・製造している企業が数十社あるほか、バックエンド生産（チップパッケージング）用のツールを製造している企業も多数あります。
中国にこれほど多くのWFE企業が存在することは、良い面と悪い面の両方があります。製品面でもアイデア面でも競争がある一方で、小規模な企業はアプライド マテリアルズや東京エレクトロンのような業界大手と競争することができません。それでも、かなり大きな企業も存在します。おそらく最もよく知られている企業は、ACM Research（洗浄、研磨、電気化学めっき、プラズマCVD用の装置）、Advanced Micro‑Fabrication Equipment（AMEC、成膜ツール）、Hwatsing Technology（化学機械平坦化/研磨）、Kingsemi（スピンコーティングおよび現像ツール）、Naura Technology（エッチング、アニールなど）、Shanghai Micro Electronics Equipment（SMEE、リソグラフィーツール、計測、検査ツール）、Piotech（成膜ツール）、およびYuweiTek（光学検査および計測）です。
SiCarrierは、中国の半導体製造装置業界における新星です。同社は今年のセミコン・チャイナで数十種類の製造装置をカタログ発表し、成膜、リソグラフィーからアニール、検査まで、フルスタックのウェーハ製造装置を開発中であると見られています。SiCarrierの主要投資家は、Huawei関連の他の半導体ベンチャーを支援する政府系ファンドである深圳大投資集団です。そのため、多くの観測筋は、SiCarrierは実質的にHuaweiの半導体製造装置部門であると考えています。
現時点では、中国企業はエッチング、デポジション、洗浄、CMP、コーティング／現像において、特に成熟したレガシープロセス技術（例えば28nm以降）において強力な現地技術を有しています。実際、AMECによると、同社の装置は5nmノードのチップ製造に使用可能です。しかし、注意すべき点があります。中国製のWFE装置の多くは、既に輸出規制の対象となっているか、まもなく対象となります。さらに重要なのは、リソグラフィーが中華人民共和国にとって依然として最も重要なボトルネックとなっていることです。
20年遅れ？
リソグラフィーツールの設計は、光学、精密工学、制御システム、材料科学が交差する位置にあり、すべてが現代の製造技術においてナノメートルレベルの許容範囲で動作するため、非常に困難です。
中国最先端リソグラフィー装置メーカーであるSMEEは、ASMLやニコンといった世界的リーダーに大きく遅れをとっている。同社は2023年後半に28nm対応の液浸ArF DUVリソグラフィー装置「SSA/800-10W」を正式に発表したが、ウェブサイトにはまだ掲載されておらず、28nmクラスの膨大な生産能力を持つ華鴻やSMICといった半導体メーカーに実際に生産装置を出荷したかどうかも不明だ。SMEEのウェブサイトによると、同社が保有する最高のリソグラフィー装置は、2000年代初頭から中期にかけての90nm、110nm、280nmプロセス技術に対応したSSA600シリーズのドライスキャナーだという。
SiCarrier社も28nmクラスの製造ノードが可能なリソグラフィー装置を開発中である（日経の報道による）が、セミコンのカタログにはリソグラフィーツールは掲載されていなかった。これは、同社のリソグラフィー装置が中国国外で製造された部品に大きく依存しているため、米国政府からリソグラフィー開発を秘密にしておくためだろう。
SMEEとSiCarrierはいずれも28nmクラスのプロセス技術でチップを製造できるリソグラフィーシステムを開発していることを踏まえると、両社が液浸DUVスキャナーの開発に成功したと言えるでしょう。これは大きなマイルストーンです。ASMLは5nm対応の液浸DUV装置を保有しており、この技術の大きな可能性を如実に示しています。
しかし、SMEEのウェブサイトで最も優れているのは、2000年代初頭のASMLの装置に匹敵するドライリソグラフィシステムであるSSA600シリーズであることから、ゴールドマン・サックスのアナリストがSMEEはASMLより20年遅れていると断言するのも無理はない。しかし、SMEEとSiCarrierは、量産できない28nm対応装置から、より高度な装置へと飛躍できるのだろうか？ 仮説を立ててみよう。
液浸DUVリソグラフィーは難しい
最新の ArF 液浸 DUV リソグラフィーツールは、その波長の自然な解像度の限界をはるかに超える 193 nm 波長の光を使用して、5nm クラス (場合によってはそれ以上) のプロセステクノロジに十分な解像度を実現する必要があり、設計が非常に困難です。
これを克服するために、液浸DUVスキャナーは、超高純度フッ化カルシウム（CaF₂）を原料とし、表面粗さをサブナノメートルに研磨した高開口数（NA）レンズを採用しています。ASMLは、この精度の光学系を製造できる企業は世界でも数社しかなく、同社の先進的なツールにはほぼ例外なくZeiss製の光学系が使用されていると主張しています。中国企業はZeiss製の光学系を入手できません。
さらに、ArF液浸スキャナーは、解像度を向上させるために、レンズとウェハの間に高純度の薄い水層を組み込んでいます。このため、気泡、乱流、汚染のない状態で、最大1m/sの速度で流れる1mm厚の流体層を維持する必要があり、流体力学と熱安定性の精密な制御が求められます。
機械部品は光学精度に匹敵する必要があります。ウェーハステージとレチクルステージは高速で移動しますが、エアベアリングまたは磁気浮上を用いてサブナノメートルの精度を維持し、マイクロ秒単位の遅延で動作するフィードバックシステムによってドリフトや振動を補正する必要があります。ソフトウェアとセンサーは、アライメント、ステージの動き、温度のずれによってパターンが破壊される可能性があるため、ナノメートル単位のオーバーレイ誤差に対応する必要があります。
ASMLがリソグラフィー、計測、検査装置に使用している機械部品のすべてが自社製というわけではありません。多くはサードパーティ製であるため、他社もそれらを調達して使用することができます（中国企業はWFE用の部品を大量に調達しているためです）。しかし、ASMLのソフトウェアとファームウェアを複製することは、高精度機械の組み立てと同じくらい困難です。
SMEEのような中国企業は、SSA/800-10Wのような同様の液浸DUVシステムの開発に取り組んでいますが、極めて困難なエンジニアリング上の課題に直面しながらも成功を再現するだけでなく、禁止または制限されているすべてのコンポーネントをゼロから交換または再設計する必要があります。だからこそ、28nmクラスの性能に到達することさえも大きなマイルストーンと見なされているのです。
しかし、ASMLやSMEEにとって16nmや7nmへの移行は直線的な進歩ではなく、劇的に容易になるわけではありません。実際、28nmから7nmリソグラフィーへの移行には、全く新しいレベルの技術、制御、そして精度が求められ、複雑さと資本集約度は飛躍的に高まります。ASMLの最新DUVスキャナーに使用されている技術は、様々な輸出規制によって保護されており（中国企業が16nmクラス（およびそれ以下）のロジックチップを製造できる技術を中国に輸出することは禁止されています）、SMEEは実質的に外部からの支援を受けることができません。
ASMLの28nmクラスのDUV機能（Twinscan XT:1930i/1950i経由）は2010年頃に成熟していましたが、自己整合四重パターニング（SAQP）、複雑な光近接効果補正（OPC）、新しいマスク、新しいレジスト（もちろんその他もろもろ）を使用したDUVベースの5nmクラスの機能は、2020年にTwinscan NXT:2000iによって商用サポートされました。ニコンは7nm対応のNSR-S636Eの販売を2024年初頭に開始しました。
SMEEは、16nmおよび7nmへの移行を試みる前に、SSA/800-10Wの成熟度を高め、量産体制を確立する必要があります。中国で28nm以下の技術をターゲットとする新規工場が事実上存在しないことを考えると、SMEEがSSA/800-10Wの量産体制に近づいている可能性は低いでしょう。結果として、SMEEはASMLのNXT 2000iより10年以上、ASMLの最新EUV装置より15年以上遅れていると考えられます（EUVは全く異なる技術開発分野であり、20年以上を要した多くの革新を必要とするため、この記事ではEUVについては触れません）。
今後10年以上、先進ノード向けの国産ツールは存在しない
SMEEやSiCarrierがASMLよりも速く半導体のブレークスルーを実現できるはずはないので、どちらの企業も10年以内に7nmまたは5nmの液浸DUVスキャナーを開発できるとは考えにくい。業界スパイ活動や中国企業が既に保有するツールのリバースエンジニアリングによって一部の開発は加速する可能性があるものの、ASMLのTwinscan NXT:2000iを複製することは不可能だ。10万点を超える最先端部品を使用しているだけでなく、そのプロセスにはこの装置を支えるエコシステム全体の複製が必要となるからだ。
NXT:2000i クラスのマシンを実現するための近道はないため、SMEE と SiCarrier は社内の研究開発に数十億ドルを投資し、光学および精密機械の能力を習得し、サードパーティと緊密に連携して新しい種類の原材料と部品を開発し、ファブと協力してその開発を考慮に入れる必要があります。
つまり、中国の半導体産業は今後数年で成熟ノードで自給自足を達成し、堆積、エッチング、イオン注入、アニール、洗浄といった分野で世界トップクラスの装置を生産できるようになるかもしれないが、中国企業がリソグラフィー分野でASMLやニコンにすぐに追いつくことは不可能だ。そのため、中国は少なくとも今後10年間は、7nmまたは5nmクラスの技術に対応した欧州や日本製の先進的なリソグラフィー装置に頼らざるを得なくなるだろう。
アントン・シロフはTom's Hardwareの寄稿ライターです。過去数十年にわたり、CPUやGPUからスーパーコンピュータ、最新のプロセス技術や最新の製造ツールからハイテク業界のトレンドまで、あらゆる分野をカバーしてきました。
