Mai Nhung
Writer
Trong thế giới công nghệ hiện đại, từ chiếc điện thoại thông minh trong túi bạn đến các siêu máy tính xử lý trí tuệ nhân tạo (AI), tất cả đều phụ thuộc vào những con chip bán dẫn ngày càng nhỏ và mạnh mẽ. Và trái tim của ngành công nghiệp sản xuất chip chính là máy quang khắc (photolithography machine) – cỗ máy phức tạp quyết định giới hạn của công nghệ. Hiện tại, cuộc đua chế tạo cỗ máy quan trọng này đang diễn ra vô cùng khốc liệt, với sự thống trị gần như tuyệt đối của một công ty châu Âu và nỗ lực vươn lên của các đối thủ.
Những điểm chính:
Hầu hết mọi lĩnh vực liên quan đến chip xử lý cao cấp đều phụ thuộc vào ASML, công ty có trụ sở tại Eindhoven, Hà Lan. ASML là công ty duy nhất trên thế giới hiện nay có khả năng chế tạo và cung cấp các máy quang khắc tia cực tím cực đoan (EUV) – công nghệ bắt buộc để sản xuất chip theo các tiến trình dưới 5 nanomét (nm).
Để hình dung, trên mỗi vi xử lý hiện đại có hàng tỷ bóng bán dẫn (transistor). Kích thước của bóng bán dẫn được đo bằng nanomét (một phần tỷ mét). Kích thước càng nhỏ, 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). Đây là một cỗ máy khổng lồ, nặng 150 tấn, 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 về công nghệ này cũng đặt ASML vào vị trí trung tâm của cuộc chiến bán dẫn toàn cầu. Chính phủ Mỹ đã gây áp lực, ngăn cản ASML bán các máy EUV tiên tiến nhất cho các nhà sản xuất chip Trung Quốc, nhằm hạn chế năng lực công nghệ cao của Bắc Kinh.
Nỗ lực 'tự chủ' của Trung Quốc
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 (tỷ lệ chip thành phẩm thấp) 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, "phát triển một hệ thống EUV là thách thức hoàn toàn khác," chuyên gia Jeff Koch của SemiAnalysis nhận định. 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
Một số công ty khác đang tìm kiếm giải pháp thay thế 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 (mask) có độ chính xác nano.
Quy trình NIL 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 (throughput) 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.
Nikon, đối thủ một thời của ASML, gần đây được cho là đang thúc đẩy công nghệ i-Line (công nghệ cũ từ năm 1990) để cung cấp máy gia công chip cho các hãng Trung Quốc. Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) cũng nghiên cứu thiết kế máy EUV đơn giản và rẻ hơn.
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 (nóng hơn bề mặt Mặt Trời 40 lần), 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 (được Mỹ hậu thuẫn) 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.
#Cuộcchiếnbándẫn
Những điểm chính:
- Máy quang khắc là thiết bị then chốt 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 dùng máy DUV cũ với chi phí cao, năng suất thấp và 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.
Hầu hết mọi lĩnh vực liên quan đến chip xử lý cao cấp đều phụ thuộc vào ASML, công ty có trụ sở tại Eindhoven, Hà Lan. ASML là công ty duy nhất trên thế giới hiện nay có khả năng chế tạo và cung cấp các máy quang khắc tia cực tím cực đoan (EUV) – công nghệ bắt buộc để sản xuất chip theo các tiến trình dưới 5 nanomét (nm).
Để hình dung, trên mỗi vi xử lý hiện đại có hàng tỷ bóng bán dẫn (transistor). Kích thước của bóng bán dẫn được đo bằng nanomét (một phần tỷ mét). Kích thước càng nhỏ, 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). Đây là một cỗ máy khổng lồ, nặng 150 tấn, kích thước tương đương hai chiếc máy bay Airbus A320 và có giá lên tới 380 triệu USD (khoảng 9.690 tỷ đồng).
Nỗ lực 'tự chủ' của Trung Quốc
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 (tỷ lệ chip thành phẩm thấp) 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, "phát triển một hệ thống EUV là thách thức hoàn toàn khác," chuyên gia Jeff Koch của SemiAnalysis nhận định. 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
Một số công ty khác đang tìm kiếm giải pháp thay thế 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 (mask) có độ chính xác nano.
Quy trình NIL 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 (throughput) 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.
Nikon, đối thủ một thời của ASML, gần đây được cho là đang thúc đẩy công nghệ i-Line (công nghệ cũ từ năm 1990) để cung cấp máy gia công chip cho các hãng Trung Quốc. Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) cũng nghiên cứu thiết kế máy EUV đơn giản và rẻ hơn.
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 (nóng hơn bề mặt Mặt Trời 40 lần), 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 (được Mỹ hậu thuẫn) 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.
#Cuộcchiếnbándẫn
