Cuộc Đua Toàn Cầu Để Xây Dựng Cỗ Máy Quan Trọng Nhất Thế Giới

Eindhoven, Hà Lan – ASML hiện đang thống trị thị trường máy quang khắc, thiết bị thiết yếu để sản xuất chip. Tuy nhiên, nhiều công ty đang cạnh tranh để giảm sự phụ thuộc vào ASML thông qua việc phát triển hệ thống của riêng họ.

Hầu hết mọi lĩnh vực liên quan đến chip xử lý cao cấp, từ CPU máy tính đến GPU đào tạo AI, đều phụ thuộc vào ASML. Công ty Hà Lan này là nhà cung cấp duy nhất các công cụ quang khắc cần thiết để sản xuất chip với quy trình dưới 5nm.

Các bộ vi xử lý hiện đại chứa hàng tỷ bóng bán dẫn, trong đó một nanomet (nm) đo kích thước transistor. Kích thước nhỏ hơn cho phép nhiều transistor hơn trên một con chip, tăng tốc độ và hiệu quả. Ví dụ, quy trình 5 nm của TSMC có thể chứa khoảng 173 triệu transistor trên mỗi milimét vuông.

Sản phẩm hàng đầu của ASML là máy quang khắc cực tím EUV khổng lồ, nặng 150 tấn, giá 380 triệu USD, với diện tích tương đương hai chiếc Airbus A320. Tuy nhiên, điều này đặt ASML vào trung tâm của cuộc chiến bán dẫn toàn cầu. Hoa Kỳ đã nỗ lực ngăn chặn công ty Hà Lan bán máy quang khắc cho các nhà sản xuất Trung Quốc, nhằm làm chậm tiến trình công nghệ của Trung Quốc.

Các Phương Pháp Thay Thế để Sản Xuất Chip

Trong nhiều năm, Trung Quốc bị hạn chế mua máy EUV và đã sử dụng hệ thống DUV nhập khẩu. Bằng cách kết hợp nhiều mẫu và chia quá trình khắc thành các giai đoạn, họ có thể in các đặc điểm nhỏ bằng một nửa kích thước. Điều này làm tăng độ phức tạp, làm chậm sản xuất và tăng chi phí.

Trung Quốc cũng đang phát triển các công cụ quang khắc của riêng mình, đầu tư hàng tỷ vào các giải pháp nội địa. SMEE được cho là đang có tiến triển với một máy có khả năng sản xuất chip 28 nm bằng công nghệ DUV.

“Phát triển hệ thống EUV là một thách thức hoàn toàn khác,” Jeff Koch của SemiAnalysis nhận xét. “Ngoài việc làm chủ ánh sáng EUV, Trung Quốc cần thiết lập một chuỗi cung ứng lớn như của ASML, liên quan đến hơn 5.000 nhà cung cấp chuyên dụng.”

Các công ty khác đang tăng tốc các giải pháp của họ. Canon đang đặt cược vào Nanoimprint Lithography (NIL), “in” các mẫu mạch trực tiếp lên wafer, giống như một máy in. Về mặt lý thuyết, NIL có thể tạo chip với độ chính xác nanomet trong một máy nhỏ gọn, chi phí thấp hơn so với máy EUV của ASML.

Trong NIL, một mặt nạ chính với các mẫu mạch khắc được tạo bằng chùm điện tử. Các giọt nhựa lỏng được áp dụng lên wafer trước khi mặt nạ in mẫu. Ánh sáng cực tím làm cứng nhựa, tạo thành các mẫu mạch. Quá trình này lặp lại cho mỗi lớp chip. Canon ước tính phương pháp của họ có chi phí thấp hơn 40% so với các hệ thống tương đương của ASML.

Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức trước khi NIL có thể được sử dụng cho sản xuất hàng loạt. Việc áp dụng nhựa lỏng có thể gây lỗi, làm hỏng wafer. Vì chip được xây dựng theo từng lớp, các mẫu của mỗi lớp phải căn chỉnh chính xác để tránh các lỗi nano phá vỡ kết nối điện. Ngoài ra, số lượng wafer sản xuất mỗi giờ thấp hơn nhiều so với 180 của ASML.

NIL đã thành công ngoài sản xuất chất bán dẫn, đặc biệt là trong màn hình điện thoại thông minh và các bộ phận chính xác cao. Nó cũng đang bước vào sản xuất chip nhớ, nơi tỷ lệ lỗi cao hơn so với chip logic là có thể chấp nhận.

“NIL có thể cùng tồn tại với quang khắc EUV, xử lý sản xuất hiệu quả chi phí khi có thể trong khi hướng tới các chi tiết tinh tế hơn trong tương lai,” Iwamoto Kazunori của bộ phận quang học Canon nói.

Ngoài Canon, Nikon có các giải pháp quang khắc. Đầu những năm 1990, họ cung cấp thiết bị quang khắc cho Intel. Tuy nhiên, khi ASML thương mại hóa quang khắc EUV, Nikon đã tụt lại phía sau. Gần đây, họ được cho là đang quảng bá i-Line, một công nghệ được thương mại hóa lần đầu năm 1990, để thiết kế máy sản xuất chip cho các công ty Trung Quốc.

Tháng 8 năm ngoái, Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) công bố một thiết bị quang khắc EUV giảm đáng kể chi phí sản xuất chất bán dẫn cho quy trình 7 nm và nhỏ hơn. Được phát triển bởi Giáo sư Tsumoru Shintake, thiết bị này đơn giản và rẻ hơn so với các sản phẩm của ASML. Nếu được sản xuất hàng loạt, nó có thể định hình lại ngành công nghiệp thiết bị sản xuất chip.

Đầu năm nay, Hoa Kỳ đã đầu tư gần một tỷ USD vào trung tâm EUV Accelerator để phát triển máy EUV High-NA tiên tiến. Trung tâm sẽ cung cấp quyền truy cập vào EUV NA tiêu chuẩn trong năm nay và EUV High-NA vào năm 2026 cho các thành viên của Trung tâm Công nghệ Bán dẫn Quốc gia Hoa Kỳ (NTSC) và Natcast.

Sức Mạnh của Hệ Thống ASML

Máy tiên tiến nhất của ASML sử dụng công nghệ EUV High-NA. Nó hoạt động bằng cách bắn 50.000 giọt thiếc nóng chảy vào buồng chân không. Mỗi giọt trải qua hai tác động: đầu tiên, một xung laser yếu làm phẳng nó, sau đó một xung laser mạnh làm bốc hơi nó. Điều này biến mỗi giọt thành plasma nóng, đạt gần 220.000 độ Celsius (nóng hơn 40 lần so với bề mặt mặt trời) và phát ra ánh sáng cực tím EUV.

Ánh sáng này được phản xạ bởi một loạt gương siêu mịn với độ không hoàn hảo được đo bằng phần nghìn tỷ mét. Các gương tập trung ánh sáng lên mặt nạ chứa thiết kế mạch của chip. Cuối cùng, tia sáng phản xạ lên một tấm silicon được phủ hóa chất nhạy sáng để in chip.

Mặc dù phức tạp, công cụ của ASML hoạt động theo nguyên tắc giống như một máy chiếu slide cũ: ánh sáng đi qua stencil để chiếu hình ảnh lên bề mặt. Công cụ quang khắc phụ thuộc nhiều vào bước sóng ánh sáng. Giống như một cọ vẽ mảnh hơn cho phép chi tiết tinh tế hơn, bước sóng ngắn hơn cho phép các mẫu nhỏ hơn.

Hơn nữa, một vi mạch, hoặc bóng bán dẫn, được phủ các lớp dây đồng mang dữ liệu và năng lượng. Một bộ xử lý tiên tiến có thể chứa hơn 100 tỷ transistor, chứa hơn 70 lớp và hơn 100 km dây trên một mảnh silicon có kích thước bằng 1,5 tem thư.

Trước EUV, ASML tiên phong các máy quang khắc DUV với bước sóng từ 248 đến 193 nm, tạo các đặc điểm nhỏ đến 38 nm. Tuy nhiên, EUV với bước sóng 13.5 nm hoặc thậm chí 8 nm làm mọi thứ trở nên phức tạp hơn nhiều. Ánh sáng EUV bị hấp thụ bởi không khí, thủy tinh và hầu hết các vật liệu, đòi hỏi chân không và các gương phản xạ chuyên dụng. ASML cho biết họ đã dành hai thập kỷ để hoàn thiện phương pháp bắn laser vào giọt thiếc nóng chảy để tạo ra “chùm tia” khó nắm bắt này.

Mặc dù có công nghệ tiên tiến nhất, ASML đang hướng tới việc thu nhỏ bước sóng hơn nữa để sản xuất chip với các nút quy trình nhỏ hơn. Điều này có nghĩa là thêm nhiều gương, tăng trọng lượng và tiêu thụ năng lượng. Bước sóng ngắn hơn cũng đặt ra các thách thức về tiếng ồn, theo Yasin Ekinci của Viện Nghiên cứu Bán dẫn Paul Scherrer, một trung tâm nghiên cứu bán dẫn Thụy Sĩ.

Bởi Bảo Lâm