Bên trong một phòng sạch ở vùng nông thôn bang Connecticut (Mỹ), các kỹ sư đang chuẩn bị lắp đặt một bộ phận quan trọng trong cỗ máy giúp duy trì tiến bộ ngành công nghệ trong ít nhất 10 năm nữa. Chiếc máy là sản phẩm của ASML, công ty Hà Lan đang nắm giữ những công nghệ tiên tiến nhất của ngành quang khắc, vốn đóng vai trò sống còn với sản xuất chip.
Quang khắc là quá trình in sơ đồ mạch lên bề mặt cảm quang của tấm silicon bằng cách chiếu tia sáng về phía tấm nền silicon (wafer) qua một đĩa thủy tinh được vẽ sẵn sơ đồ mạch. Mạch càng nhỏ càng cần những đèn chiếu tia sáng có bước sóng ngắn hơn, trong đó, tia siêu cực tím (EUV) là bước phát triển hiện đại nhất hiện nay.
ASML ra mắt máy quang khắc EUV đầu tiên được sản xuất hàng loạt vào năm 2017, sau hàng chục năm làm chủ công nghệ này.
Hoạt động bên trong máy quang khắc EUV. Video: ASML
Thế hệ máy EUV hiện nay có kích thước như xe buýt và tiêu tốn khoảng 150 triệu USD. Mỗi chiếc có 100.000 bộ phận và tổng chiều dài dây cáp khoảng 2 km. Quá trình vận chuyển linh kiện cho một máy EUV cần 40 container, ba máy bay vận tải và 20 xe tải.
Chỉ có một vài công ty đủ sức mua máy EUV của ASML, phần lớn đều nằm trong tay ba hãng sản xuất chip bán dẫn lớn nhất thế giới: TSMC, Samsung và Intel.
"Đó là cỗ máy phi thường, một sản phẩm mang tính cách mạng và đột phá, đủ khả năng bổ sung sức sống cho ngành công nghiệp bán dẫn nhiều năm tới", Jesus del Alamo, giáo sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Mỹ, nhận xét.
Ở Connecticut, một khối nhôm lớn đã được cắt gọn thành khung để giữ đĩa thủy tinh. Nó được di chuyển với độ chính xác tới từng nanomet trong lúc phản xạ tia EUV để khắc chi tiết có kích thước tương đương vài nguyên tử trên chip silicon.
Linh kiện hoàn thiện sẽ được chuyển tới Veldhoven, Hà Lan, cuối năm nay và dự kiến được lắp lên máy EUV thế hệ tiếp theo vào đầu năm 2022. Intel tuyên bố sẽ sở hữu những chip đầu tiên được sản xuất bởi hệ thống này vào năm 2023.
Các cỗ máy EUV của AMSL đã giữ vững định luật Moore, khái niệm đóng vai trò biểu tượng với tiến bộ kỹ thuật không chỉ trong ngành chế tạo chip, mà còn với ngành công nghệ và nền kinh tế nói chung.
Theo định luật Moore, số lượng bóng bán dẫn (transistor) trong chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 18-24 tháng. Định luật này được đưa ra vào những năm 1960 bởi đồng sáng lập Intel Gordon Moore. Cho đến giữa những năm 2000, ngành công nghiệp sản xuất chip vẫn bắt kịp quy luật bằng cách liên tục thu nhỏ kích thước của bóng bán dẫn và mạch điện trên bề mặt wafer.
Khó khăn trong thu nhỏ bóng bán dẫn khiến các nhà sản xuất chip dần chuyển sang công nghệ 3D nhằm tận dụng không gian phía trên bề mặt wafer thông thường, từ đó tích hợp nhiều bóng bán dẫn lên chip hơn.
Nhiều người cho rằng điều này sẽ chấm dứt định luật Moore, nhưng không ít chuyên gia tin máy quang khắc EUV có thể giúp tiếp tục thu nhỏ kích thước linh kiện và duy trì khái niệm này. "Cái kết của định luật Moore đã bị phóng đại. Tôi nghĩ nó vẫn sẽ tiếp tục trong thời gian dài", del Alamos nói.
Sản phẩm của ASML đóng vai trò trung tâm trong cuộc cạnh tranh địa chính trị giữa Mỹ và Trung Quốc, khi Washington đang tìm mọi cách ngăn Bắc Kinh tiếp cận được những máy quang khắc này. Chính phủ Mỹ gây áp lực với Hà Lan nhằm ngăn nước này cấp giấy phép xuất khẩu cần thiết để ASML chuyển giao máy quang khắc cho khách hàng Trung Quốc.
"Không thể chế tạo chip tối tân nếu thiếu máy của ASML. Phần lớn quá trình này là kết quả của nhiều năm thử nghiệm công nghệ và không dễ tiếp cận chúng. Mỗi linh kiện trong EUV đều cực kỳ phức tạp", Will Hunt, nhà phân tích tại Đại học Georgetown của Mỹ, cho hay.
Công nhân lắp ráp một máy quang khắc EUV. Ảnh: ASML
Chế tạo bộ vi xử lý đòi hỏi những kỹ thuật tiên tiến nhất thế giới. Chip bán dẫn bắt đầu từ khối tinh thể silicon hình trụ, được cắt gọn thành từng tấm wafer mỏng và tráng lớp vật liệu nhạy sáng, sau đó liên tục được phơi trước những tia sáng có tạo hình nhất định. Những phần không tiếp xúc ánh sáng được loại bỏ bằng chất hóa học để tạo ra mạch điện tử. Các wafer sau đó được cắt để tạo ra những chip riêng lẻ.
Thu nhỏ linh kiện vẫn là cách chắc chắn nhất để tăng sức mạnh xử lý của mỗi chip, vì electron di chuyển hiệu quả hơn với những linh kiện cỡ nhỏ và tăng số lượng linh kiện trên chip cũng giúp tăng năng lực tính toán tổng thể.
EUV sử dụng tia sáng với bước sóng 13,5 nanomet, so với mức 193 nanomet của công nghệ cực tím sâu (DUV) trước đó.
Cần hàng chục năm để giải quyết những thách thức kỹ thuật với EUV. Tạo ra tia sáng với bước sóng này cũng là vấn đề lớn. ASML áp dụng phương thức chiếu tia laser công suất cao vào một giọt thiếc siêu nhỏ tới 50.000 lần/giây để tạo ra chùm tia sáng mạnh.
Thấu kính thông thường hấp thụ ánh sáng EUV, khiến cỗ máy phải dùng những tấm gương phủ vật liệu đặc biệt với độ chính xác cực cao để điều chỉnh hướng tia sáng. Bên trong máy, tia EUV phản xạ qua nhiều tấm gương trước khi chiếu vào đĩa thủy tinh chứa sơ đồ mạch.
"Thật sự không ai muốn dùng EUV. Nó xuất hiện chậm tới 20 năm và có mức giá cao gấp 10 lần dự kiến. Tuy nhiên, đây là công cụ duy nhất hiện nay để chế tạo những kiến trúc cực kỳ sát nhau", David Kanter, nhà phân tích thuộc công ty Real World Technologies, cho hay.
Cỗ máy mới của ASML bổ sung thêm phương pháp chế tạo những chi tiết nhỏ hơn, đó là khẩu độ số lớn, cho phép tăng độ phân giải hình ảnh bằng cách cho ánh sáng đi qua thấu kính ở nhiều góc khác nhau. Điều này đỏi hỏi những tấm gương lớn hơn đáng kể, cùng phần mềm và phần cứng mới để kiểm soát chính xác linh kiện.
Thế hệ máy EUV hiện nay của ASML có thể tạo ra những chip có độ phân giải 13 nanomet, trong khi thế hệ tiếp theo có thể khắc những chi tiết với kích thước chỉ 8 nanomet.
Khách hàng nổi bật nhất của ASML hiện nay là TSMC, nhà cung cấp chip cho hàng loạt tập đoàn lớn như Apple, Nvidia và Intel. Bản thân Intel đã chậm trễ trong ứng dụng EUV và bị các đối thủ vượt mặt, buộc họ chuyển một phần hoạt động sản xuất cho TSMC.
Công ty Hà Lan không cho rằng tiến bộ công nghệ dựa trên máy quang khắc của họ sẽ chậm lại trong tương lai gần. "Tôi không muốn nói về cái kết của định luật Moore", Martin van den Brink, Giám đốc công nghệ ASML, nói.
Điệp Anh (theo Wired)