Máy quang khắc chip EUV của ASML và công nghệ sản xuất chip trên thế giới
Mỗi máy quang khắc chip EUV của ASML có giá 150 triệu USD và là thành phần quan trọng nhất trong quá trình chế tạo chip bán dẫn hàng đầu thế giới.
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.
Tập đoàn 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.
Thế hệ máy quang khắc chip 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 khắc chip công nghệ 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 quang khắc chip 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.
“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.
Mỹ và đồng mình đã ngăn cản và không cho các công ty sản xuất chip của Trung Quốc trong việc nhập các thiết bị sản xuất chip của ASML cũng như tiếp cận các công nghệ hiện đại. Để khắc phục, trước mắt , các công ty sản xuất chip của Trung Quốc như SMIC đang áp dụng công nghệ cũ bằng máy quang khắc DUV để cạnh tranh với tập đoàn sản xuất chip hàng đầu thế giới TSMC của Đài Loan đang ứng dụng công nghệ EUV
Bằng bằng máy quang khắc DUV, với tiến trình sản xuất chip 45/40nm, thiết kế của mỗi con chip được chia thành 40 lớp mặt nạ (lớp mask) khác nhau. Còn với tiến trình 14nm và 10nm, số lượng mặt nạ chip lên đến 60 lớp. Thậm chí với tiến trình 7nm, số lượng mặt nạ cho mỗi thiết kế chip có thể lên đến con số 80 hoặc 85 lớp. Số lượng lớp mặt nạ nhiều hơn nghĩa là chi phí sẽ bị đội lên.
Thêm vào đó, thời gian sản xuất chip cũng kéo dài hơn. Nếu trước đây, chỉ mất từ 1 đến 1,5 ngày để xử lý một lớp mặt nạ, còn với quang khắc đa mẫu hình ở 7nm, các nhà sản xuất chip mất đến 5 tháng để xuất xưởng các tấm wafer hoàn thiện.
Vấn đề không chỉ có vậy, số lượng mặt nạ tăng lên, kéo theo số lượng lớp phủ lên bề mặt tấm wafer. Càng nhiều lớp phủ, càng khó căn chỉnh các cực bóng bán dẫn trong quá trình sản xuất. Điều này càng khiến quá trình sản xuất chip gặp nhiều lỗi hơn.
Tất cả các yếu tố trên cho thấy bước ngoặt khổng lồ mà máy quang khắc EUV của ASML mang lại cho ngành công nghiệp chip. Với bước sóng rất ngắn, chỉ 13,5nm, ngắn hơn nhiều so với bước sóng 193nm của máy quang khắc DUV, máy quang khắc EUV giải quyết hàng loạt vấn đề mà ngành công nghiệp chip đang gặp phải.
Vấn đề không chỉ có vậy, số lượng mặt nạ tăng lên, kéo theo số lượng lớp phủ lên bề mặt tấm wafer. Càng nhiều lớp phủ, càng khó căn chỉnh các cực bóng bán dẫn trong quá trình sản xuất. Điều này càng khiến quá trình sản xuất chip gặp nhiều lỗi hơn.
Tất cả các yếu tố trên cho thấy bước ngoặt khổng lồ mà máy quang khắc EUV của ASML mang lại cho ngành công nghiệp chip. Với bước sóng rất ngắn, chỉ 13,5nm, ngắn hơn nhiều so với bước sóng 193nm của máy quang khắc DUV, máy quang khắc EUV giải quyết hàng loạt vấn đề mà ngành công nghiệp chip đang gặp phải.
