ThanhDat✔
Intern Writer
Trong nhiều năm qua, nhiều ý kiến cho rằng việc Mỹ hạn chế tiếp cận công nghệ quang khắc EUV sẽ khiến ngành bán dẫn Trung Quốc gặp bế tắc. Tuy nhiên, một số nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Nature cho thấy các nhóm nghiên cứu Trung Quốc đang theo đuổi một hướng tiếp cận khác, thay vì cố gắng sao chép trực tiếp hệ thống EUV.
Máy quang khắc EUV là một trong những thiết bị phức tạp nhất thế giới. Một hệ thống nặng khoảng 180 tấn, có giá hơn 200 triệu USD (khoảng hơn 5,2 nghìn tỷ VNĐ), cần tới 40 container cùng 3 máy bay vận tải để vận chuyển và mất hơn nửa năm để lắp đặt, hiệu chỉnh trước khi vận hành.
Để tạo ra các cấu trúc chỉ vài nanomet trên tấm silicon, EUV sử dụng ánh sáng cực tím có bước sóng 13,5 nanomet. Nguồn sáng này được tạo bằng cách bắn laser công suất cao vào khoảng 50.000 giọt thiếc nóng chảy mỗi giây, mỗi giọt chỉ rộng khoảng 20 micromet. Quá trình này tạo ra plasma có nhiệt độ khoảng 500.000 độ C nhưng hiệu suất chuyển đổi điện năng thành ánh sáng chỉ đạt khoảng 2-3%.
Không chỉ nguồn sáng, hệ thống quang học của EUV cũng cực kỳ phức tạp. Do tia cực tím bị thủy tinh hấp thụ nên thiết bị không thể sử dụng thấu kính thông thường mà phải dùng gương phản xạ nhiều lớp do Zeiss chế tạo với độ phẳng bề mặt đạt khoảng 0,1 nanomet. Nếu phóng đại chiếc gương lên kích thước nước Đức, độ gồ ghề trên toàn bộ bề mặt cũng không được vượt quá 1 mm. Việc chế tạo một bộ gương như vậy mất hơn một năm và chỉ có rất ít cơ sở trên thế giới đủ khả năng sản xuất.
Tuy nhiên, lịch sử phát triển công nghệ cho thấy những bước tiến lớn không phải lúc nào cũng đến từ việc tiếp tục cải tiến công nghệ cũ mà đôi khi đến từ việc thay đổi hoàn toàn cách tiếp cận.
Năm 1873, nhà vật lý Abbe đưa ra giới hạn nổi tiếng cho rằng kích thước nhỏ nhất mà hệ thống quang học có thể tạo ra xấp xỉ bằng một nửa bước sóng ánh sáng. Theo nguyên lý này, ánh sáng xanh tím 405 nanomet chỉ có thể tạo ra cấu trúc khoảng 200 nanomet, còn việc đạt mức 7 nanomet gần như không thể.
Tuy nhiên, nhiều công nghệ sau này đã vượt qua giới hạn đó bằng các phương pháp khác. Khoảng năm 2000, trong khi nhiều hãng Nhật Bản như Nikon và Canon tập trung rút ngắn bước sóng ánh sáng, Lin Benjian của TSMC đề xuất đưa một lớp nước siêu tinh khiết giữa thấu kính và tấm silicon. Giải pháp này sau đó được ASML áp dụng, giúp hệ thống quang khắc ngâm sử dụng ánh sáng 193 nanomet đạt hiệu quả tương đương bước sóng khoảng 134 nanomet.
Một ví dụ khác là công trình của nhà vật lý Stefan Hell. Thay vì cố tạo ra chùm sáng nhỏ hơn, ông sử dụng một chùm sáng thứ hai để triệt tiêu phần ánh sáng ở rìa, chỉ giữ lại vùng trung tâm rất nhỏ. Phương pháp này giúp kính hiển vi quang học đạt độ phân giải chỉ vài nanomet và mang về Giải Nobel Hóa học năm 2014.
Hướng đầu tiên là quang khắc siêu phân giải chùm tia kép. Công nghệ này sử dụng laser xanh tím 405 nanomet có giá chỉ vài nghìn nhân dân tệ. Một chùm tia kích hoạt phản ứng của chất cản quang, còn chùm tia thứ hai triệt tiêu vùng rìa, tạo ra các đường có độ rộng từ 5 đến 7 nanomet, tương đương độ chính xác khoảng một phần tám mươi bước sóng ánh sáng.
Hướng thứ hai là sử dụng thấu kính siêu vật liệu. Thay vì hệ thống quang học đồ sộ như EUV, các nhà nghiên cứu bố trí hàng nghìn cấu trúc nano trên một bề mặt phẳng để điều khiển pha ánh sáng và tạo khả năng hội tụ ở cấp độ nanomet. Theo các bài báo công bố trong nửa đầu năm 2026, công nghệ này đã đạt tiến bộ đáng kể về tính ổn định của quy trình.
Hướng thứ ba là nghiên cứu nguồn sáng vướng lượng tử. Phương pháp sử dụng hiện tượng giao thoa lượng tử trạng thái NOON nhằm nâng cao độ phân giải vượt ngoài khả năng của quang học cổ điển. Công nghệ vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu cơ bản nhưng được đánh giá là một hướng phát triển mới.
So với hệ thống EUV của ASML, các phương pháp này hướng tới thiết bị nhỏ gọn hơn, chi phí thấp hơn và có thể triển khai trong phòng thí nghiệm tiêu chuẩn.
Dù vậy, các công nghệ này đã cho thấy tiềm năng ở nhiều lĩnh vực khác.
Đầu tiên là sản xuất mặt nạ quang khắc. Việc áp dụng công nghệ siêu phân giải vào thiết bị ghi trực tiếp có thể giúp giảm đáng kể chi phí chế tạo mặt nạ, vốn trước đây phải sử dụng hệ thống chùm tia điện tử rất đắt đỏ. Điều này có thể giúp các doanh nghiệp thiết kế chip giảm chi phí thử nghiệm.
Lĩnh vực thứ hai là lưu trữ quang học mật độ cực cao. Năm ngoái, nhóm nghiên cứu của Viện Quang học và Cơ khí Chính xác Thượng Hải đã công bố trên Nature công nghệ siêu phân giải chùm tia kép có khả năng tạo ra đĩa quang dung lượng tới 1 PB, tương đương hơn 1.000 TB. Đến năm 2026 công nghệ này bắt đầu được quảng bá tại các trung tâm dữ liệu trong nước nhằm thay thế thư viện băng từ.
Lĩnh vực thứ ba là chip quang tử. Khi nhu cầu tính toán AI tiếp tục tăng mạnh, đặc biệt sau khi NVIDIA giới thiệu GB300 vào năm 2026, nhu cầu về kết nối quang học cũng gia tăng. Các thiết bị quang tử có cấu trúc vi mô phức tạp nhưng không yêu cầu mức phơi sáng cao như chip silicon truyền thống, khiến công nghệ quang khắc siêu phân giải được xem là phù hợp. Một số doanh nghiệp chip quang tử trong nước đã đẩy nhanh hoạt động huy động vốn trong sáu tháng gần đây.
Cuộc cạnh tranh trong ngành bán dẫn không chỉ xoay quanh một công nghệ hay một doanh nghiệp, mà là sự kết hợp giữa các giới hạn vật lý, chi phí kỹ thuật và tốc độ phát triển của toàn ngành. Trong khi phương Tây tiếp tục duy trì lợi thế ở công nghệ EUV, các nhóm nghiên cứu Trung Quốc đang theo đuổi những hướng đi khác với kỳ vọng tạo ra các giải pháp thay thế trong một số lĩnh vực ứng dụng.
Máy quang khắc EUV là một trong những thiết bị phức tạp nhất thế giới. Một hệ thống nặng khoảng 180 tấn, có giá hơn 200 triệu USD (khoảng hơn 5,2 nghìn tỷ VNĐ), cần tới 40 container cùng 3 máy bay vận tải để vận chuyển và mất hơn nửa năm để lắp đặt, hiệu chỉnh trước khi vận hành.
Để tạo ra các cấu trúc chỉ vài nanomet trên tấm silicon, EUV sử dụng ánh sáng cực tím có bước sóng 13,5 nanomet. Nguồn sáng này được tạo bằng cách bắn laser công suất cao vào khoảng 50.000 giọt thiếc nóng chảy mỗi giây, mỗi giọt chỉ rộng khoảng 20 micromet. Quá trình này tạo ra plasma có nhiệt độ khoảng 500.000 độ C nhưng hiệu suất chuyển đổi điện năng thành ánh sáng chỉ đạt khoảng 2-3%.
Không chỉ nguồn sáng, hệ thống quang học của EUV cũng cực kỳ phức tạp. Do tia cực tím bị thủy tinh hấp thụ nên thiết bị không thể sử dụng thấu kính thông thường mà phải dùng gương phản xạ nhiều lớp do Zeiss chế tạo với độ phẳng bề mặt đạt khoảng 0,1 nanomet. Nếu phóng đại chiếc gương lên kích thước nước Đức, độ gồ ghề trên toàn bộ bề mặt cũng không được vượt quá 1 mm. Việc chế tạo một bộ gương như vậy mất hơn một năm và chỉ có rất ít cơ sở trên thế giới đủ khả năng sản xuất.
Tuy nhiên, lịch sử phát triển công nghệ cho thấy những bước tiến lớn không phải lúc nào cũng đến từ việc tiếp tục cải tiến công nghệ cũ mà đôi khi đến từ việc thay đổi hoàn toàn cách tiếp cận.
Năm 1873, nhà vật lý Abbe đưa ra giới hạn nổi tiếng cho rằng kích thước nhỏ nhất mà hệ thống quang học có thể tạo ra xấp xỉ bằng một nửa bước sóng ánh sáng. Theo nguyên lý này, ánh sáng xanh tím 405 nanomet chỉ có thể tạo ra cấu trúc khoảng 200 nanomet, còn việc đạt mức 7 nanomet gần như không thể.
Tuy nhiên, nhiều công nghệ sau này đã vượt qua giới hạn đó bằng các phương pháp khác. Khoảng năm 2000, trong khi nhiều hãng Nhật Bản như Nikon và Canon tập trung rút ngắn bước sóng ánh sáng, Lin Benjian của TSMC đề xuất đưa một lớp nước siêu tinh khiết giữa thấu kính và tấm silicon. Giải pháp này sau đó được ASML áp dụng, giúp hệ thống quang khắc ngâm sử dụng ánh sáng 193 nanomet đạt hiệu quả tương đương bước sóng khoảng 134 nanomet.
Một ví dụ khác là công trình của nhà vật lý Stefan Hell. Thay vì cố tạo ra chùm sáng nhỏ hơn, ông sử dụng một chùm sáng thứ hai để triệt tiêu phần ánh sáng ở rìa, chỉ giữ lại vùng trung tâm rất nhỏ. Phương pháp này giúp kính hiển vi quang học đạt độ phân giải chỉ vài nanomet và mang về Giải Nobel Hóa học năm 2014.
Ba hướng nghiên cứu mới của Trung Quốc
Trong hai năm gần đây, Viện Quang học và Cơ khí Chính xác Thượng Hải thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Phòng thí nghiệm Chiết Giang, Đại học Bắc Kinh và Đại học Thanh Hoa đã phát triển nhiều hướng nghiên cứu mới thay vì cạnh tranh trực tiếp với hệ thống EUV.Hướng đầu tiên là quang khắc siêu phân giải chùm tia kép. Công nghệ này sử dụng laser xanh tím 405 nanomet có giá chỉ vài nghìn nhân dân tệ. Một chùm tia kích hoạt phản ứng của chất cản quang, còn chùm tia thứ hai triệt tiêu vùng rìa, tạo ra các đường có độ rộng từ 5 đến 7 nanomet, tương đương độ chính xác khoảng một phần tám mươi bước sóng ánh sáng.
Hướng thứ hai là sử dụng thấu kính siêu vật liệu. Thay vì hệ thống quang học đồ sộ như EUV, các nhà nghiên cứu bố trí hàng nghìn cấu trúc nano trên một bề mặt phẳng để điều khiển pha ánh sáng và tạo khả năng hội tụ ở cấp độ nanomet. Theo các bài báo công bố trong nửa đầu năm 2026, công nghệ này đã đạt tiến bộ đáng kể về tính ổn định của quy trình.
Hướng thứ ba là nghiên cứu nguồn sáng vướng lượng tử. Phương pháp sử dụng hiện tượng giao thoa lượng tử trạng thái NOON nhằm nâng cao độ phân giải vượt ngoài khả năng của quang học cổ điển. Công nghệ vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu cơ bản nhưng được đánh giá là một hướng phát triển mới.
So với hệ thống EUV của ASML, các phương pháp này hướng tới thiết bị nhỏ gọn hơn, chi phí thấp hơn và có thể triển khai trong phòng thí nghiệm tiêu chuẩn.
Những ứng dụng tiềm năng và thách thức còn tồn tại
Hạn chế lớn nhất của các công nghệ quang khắc phi truyền thống hiện nay là tốc độ. Trong khi EUV có thể tạo ra hàng tỷ bóng bán dẫn trên wafer silicon 12 inch với tốc độ rất cao, các phương pháp siêu phân giải mới vẫn cần cải thiện đáng kể khả năng quét để phục vụ sản xuất hàng loạt.Dù vậy, các công nghệ này đã cho thấy tiềm năng ở nhiều lĩnh vực khác.
Đầu tiên là sản xuất mặt nạ quang khắc. Việc áp dụng công nghệ siêu phân giải vào thiết bị ghi trực tiếp có thể giúp giảm đáng kể chi phí chế tạo mặt nạ, vốn trước đây phải sử dụng hệ thống chùm tia điện tử rất đắt đỏ. Điều này có thể giúp các doanh nghiệp thiết kế chip giảm chi phí thử nghiệm.
Lĩnh vực thứ hai là lưu trữ quang học mật độ cực cao. Năm ngoái, nhóm nghiên cứu của Viện Quang học và Cơ khí Chính xác Thượng Hải đã công bố trên Nature công nghệ siêu phân giải chùm tia kép có khả năng tạo ra đĩa quang dung lượng tới 1 PB, tương đương hơn 1.000 TB. Đến năm 2026 công nghệ này bắt đầu được quảng bá tại các trung tâm dữ liệu trong nước nhằm thay thế thư viện băng từ.
Lĩnh vực thứ ba là chip quang tử. Khi nhu cầu tính toán AI tiếp tục tăng mạnh, đặc biệt sau khi NVIDIA giới thiệu GB300 vào năm 2026, nhu cầu về kết nối quang học cũng gia tăng. Các thiết bị quang tử có cấu trúc vi mô phức tạp nhưng không yêu cầu mức phơi sáng cao như chip silicon truyền thống, khiến công nghệ quang khắc siêu phân giải được xem là phù hợp. Một số doanh nghiệp chip quang tử trong nước đã đẩy nhanh hoạt động huy động vốn trong sáu tháng gần đây.
Cuộc cạnh tranh trong ngành bán dẫn không chỉ xoay quanh một công nghệ hay một doanh nghiệp, mà là sự kết hợp giữa các giới hạn vật lý, chi phí kỹ thuật và tốc độ phát triển của toàn ngành. Trong khi phương Tây tiếp tục duy trì lợi thế ở công nghệ EUV, các nhóm nghiên cứu Trung Quốc đang theo đuổi những hướng đi khác với kỳ vọng tạo ra các giải pháp thay thế trong một số lĩnh vực ứng dụng.
Sửa lần cuối:
