Cuộc đua chế tạo cỗ máy quang khắc: Hà Lan dẫn đầu, Trung Quốc, Nhật Bản và Mỹ tìm kiếm lối đi riêng

Trong kỷ nguyên công nghệ số hiện nay, từ những chiếc điện thoại thông minh cho đến các siêu máy tính sử dụng trí tuệ nhân tạo, tất cả đều phụ thuộc vào những con chip bán dẫn ngày càng tinh vi và mạnh mẽ. Trái tim của ngành công nghiệp sản xuất chip chính là máy quang khắc – một thiết bị phức tạp quyết định giới hạn công nghệ. Cuộc đua chế tạo cỗ máy này đang diễn ra vô cùng khốc liệt, với sự thống trị của một công ty châu Âu và những nỗ lực không ngừng của các đối thủ khác.

Những điểm nổi bật:

• Máy quang khắc là thiết bị thiết yếu trong sản xuất chip, đặc biệt là công nghệ EUV cho chip dưới 5nm.
• ASML (Hà Lan) hiện đang độc quyền thị trường máy EUV tiên tiến nhất, với giá 380 triệu USD/máy.
• Trung Quốc gặp khó khăn do lệnh cấm vận EUV, phải sử dụng máy DUV cũ với chi phí cao và năng suất thấp, đồng thời đang nỗ lực tự phát triển máy quang khắc.
• Canon (Nhật Bản) đang phát triển công nghệ thay thế Nanoimprint Lithography (NIL), hứa hẹn chi phí thấp hơn nhưng còn nhiều thách thức.
• Mỹ cũng đang đầu tư mạnh vào trung tâm EUV thế hệ mới (High-NA) để duy trì lợi thế.

ASML: ‘Ông vua’ của ngành quang khắc

ASML, công ty có trụ sở tại Eindhoven, Hà Lan, hiện đang giữ vị trí độc tôn trong lĩnh vực sản xuất máy quang khắc. Họ là công ty duy nhất trên thế giới có khả năng chế tạo và cung cấp các máy quang khắc tia cực tím cực đoan (EUV), công nghệ cần thiết để sản xuất chip với quy trình dưới 5 nanomét (nm).

Để hình dung rõ hơn, trên mỗi vi xử lý hiện đại có hàng tỷ bóng bán dẫn (transistor). Kích thước của bóng bán dẫn được đo bằng nanomét, và kích thước càng nhỏ thì số lượng bóng bán dẫn trên một diện tích càng lớn, giúp chip hoạt động nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Ví dụ, chip 5nm của TSMC có mật độ khoảng 173 triệu bóng bán dẫn trên mỗi milimet vuông.

Sản phẩm tiên tiến nhất của ASML là cỗ máy quang khắc EUV khẩu độ số cao (High-NA EUV), một thiết bị khổng lồ nặng 150 tấn, có kích thước tương đương hai chiếc máy bay Airbus A320 và có giá lên tới 380 triệu USD (khoảng 9.690 tỷ đồng).

Sự thống trị của ASML trong công nghệ này đã khiến họ trở thành tâm điểm của cuộc chiến bán dẫn toàn cầu. Chính phủ Mỹ đã gây áp lực để ngăn cản ASML bán các máy EUV tiên tiến nhất cho các nhà sản xuất chip Trung Quốc, nhằm hạn chế khả năng công nghệ cao của Bắc Kinh.

Nỗ lực tự chủ của Trung Quốc

Do bị hạn chế tiếp cận máy EUV, Trung Quốc đang phải khai thác tối đa các hệ thống quang khắc tia cực tím sâu (DUV) thế hệ cũ mà họ đã nhập khẩu trước đây. Để tạo ra các chi tiết nhỏ hơn khả năng vốn có của DUV, các nhà sản xuất Trung Quốc như SMIC phải sử dụng kỹ thuật in khắc nhiều lớp (multi-patterning) phức tạp. Tuy nhiên, phương pháp này làm tăng độ phức tạp, kéo dài thời gian sản xuất, giảm năng suất và đẩy giá thành lên cao.

Để thoát khỏi sự phụ thuộc, Trung Quốc đang đầu tư hàng tỷ USD vào việc phát triển các công cụ quang khắc nội địa. Công ty SMEE được cho là đang có những bước tiến với cỗ máy DUV có khả năng sản xuất chip 28nm. Nga cũng vừa công bố chế tạo thành công máy quang khắc DUV 350nm đầu tiên. Tuy nhiên, theo chuyên gia Jeff Koch của SemiAnalysis, “phát triển một hệ thống EUV là thách thức hoàn toàn khác”. Ông cho rằng ngoài việc làm chủ công nghệ ánh sáng EUV phức tạp, Trung Quốc cần xây dựng một chuỗi cung ứng khổng lồ với hàng nghìn nhà cung cấp chuyên biệt như ASML đã làm.

Nhật Bản và công nghệ ‘đóng dấu’ NIL

Các công ty khác cũng đang tìm kiếm giải pháp thay thế cho EUV. Canon của Nhật Bản đang đặt cược vào công nghệ Nanoimprint Lithography (NIL). Thay vì chiếu ánh sáng qua mặt nạ, NIL hoạt động giống như một máy in, “đóng dấu” các mẫu mạch trực tiếp lên tấm wafer silicon bằng một khuôn có độ chính xác nano.

Quy trình NIL bao gồm các bước: tạo khuôn chính, bôi nhựa lỏng lên wafer, ép khuôn lên wafer, dùng tia cực tím làm cứng nhựa, sau đó gỡ bỏ khuôn. Quá trình này lặp lại cho từng lớp của con chip. Về lý thuyết, NIL có thể tạo chip với độ chính xác nano nhưng với cỗ máy nhỏ gọn và chi phí thấp hơn khoảng 40% so với hệ thống EUV của ASML.

Tuy nhiên, NIL cũng đối mặt với nhiều thách thức để có thể sản xuất chip logic hàng loạt: nguy cơ lỗi do nhựa lỏng, yêu cầu căn chỉnh cực kỳ chính xác giữa các lớp, và quan trọng nhất là tốc độ sản xuất còn rất thấp so với mức 180 tấm wafer/giờ của ASML. Hiện tại, NIL đang thành công hơn trong sản xuất màn hình và chip nhớ, nơi yêu cầu về tỷ lệ lỗi có thể chấp nhận được.

Các giải pháp khác và đầu tư của Mỹ

Trong khi đó, Mỹ đang đầu tư gần 1 tỷ USD (khoảng 25,5 nghìn tỷ đồng) vào trung tâm EUV Accelerator với mục tiêu phát triển máy EUV khẩu độ số cao (High-NA EUV) tiên tiến, đảm bảo vị thế dẫn đầu công nghệ.

Để tạo ra tia EUV có bước sóng cực ngắn (13.5nm), cỗ máy High-NA EUV của ASML thực hiện một quy trình vô cùng phức tạp: bắn 50.000 giọt thiếc nóng chảy mỗi giây vào buồng chân không, dùng laser xung kép để biến mỗi giọt thành plasma nóng gần 220.000°C, sau đó dùng hệ thống gương siêu phẳng để hội tụ và chiếu tia EUV qua mặt nạ lên tấm wafer silicon. Toàn bộ quá trình phải diễn ra trong môi trường chân không vì EUV bị hấp thụ bởi không khí. ASML đã mất hai thập kỷ để hoàn thiện công nghệ này. Cuộc đua chế tạo máy quang khắc, cỗ máy quan trọng bậc nhất trong ngành bán dẫn, đang diễn ra vô cùng khốc liệt. ASML hiện đang thống trị tuyệt đối ở phân khúc cao cấp nhất với công nghệ EUV phức tạp và đắt đỏ. Trong khi Trung Quốc nỗ lực tự chủ và các công ty như Canon tìm kiếm giải pháp thay thế, ASML và các đối tác phương Tây vẫn đang tiếp tục đẩy giới hạn công nghệ với thế hệ High-NA EUV, hứa hẹn duy trì cuộc cạnh tranh công nghệ ở mức độ cao trong nhiều năm tới.