Người Nga muốn tự làm chủ công nghệ bán dẫn EUV trước ASML

Thực tế thì công nghệ mà người Nga ngắm tới gần như là X-ray lithography chứ không còn là EUV nữa.

Việc bị phương tây cấm vận liên tục phần nào là lý do khiến người Nga phải suy nghĩ nghiêm túc về việc tự chủ công nghệ. Mới đây, Nikolai Chkhalo, một nhà khoa học thuộc Học viện Vật lý Vi kiến trúc (một phần của Học viện Khoa học Nga - IPM RAS) vừa trình bày kế hoạch để cường quốc này phát triển công nghệ EUV (hay đúng hơn là X-ray) nội địa không lệ thuộc vào nước ngoài, cụ thể như ASML.

Trước hết, cần nói rõ nhà khoa học này hiểu rõ các thách thức mà ASML từng đối mặt để phát triển thành công EUV. Thực tế công ty Hà Lan mất gần 2 thập kỷ kiên tâm bền chí nghiên cứu (trong khi người Mỹ và Nhật đều cùng bỏ cuộc vào cuối thập niên 90 thế kỷ trước). Nhiều chuyên gia công nghệ trong thập niên 2000 còn quan ngại liệu EUV có thực sự thành hiện thực hay không. Mãi tới tận 2010, ASML mới trình làng được cỗ máy (tiền sản xuất) EUV đầu tiên và tới 2013 mới hoàn tất được phiên bản thương mại.

Trao đổi với trang CNews (tiếng Nga), Chkhalo cho biết: "Lý do mà Mỹ và Nhật cùng thất bại, trong khi đó ngược lại, là sự thành công của ASML, theo quan điểm của chúng tôi, là ASML có khả năng kết hợp tất cả những thành tựu tốt nhất thế giới trong những thành phần quan trọng nhất để đưa vào sản phẩm của họ. Họ đạt được điều này thông qua sự cởi mở vô tiền khoáng hậu của dự án. Dựa trên yếu tố này, chúng tôi có thể kết luận từ góc độ kỹ thuật mà nói, gần như không có một quốc gia đơn độc nào lặp lại được dự án của ASML".

Cần nói thêm rằng ngoài việc tự phát triển ra, ASML còn liên kết với rất nhiều công ty công nghệ khác. Ngoài việc cùng tham gia liên minh EUV LLC (của Mỹ), công ty này còn mua lại Silicon Valley Group (SVG) vào đầu những năm 2000. Về sau ASML mua lại Cymer, một công ty chuyên về các hệ thống quang học. Hiện tại, Carl Zeiss là đối tác thân thiết nhất của ASML chỉ sau IMEC. Nói cho gọn, nền tảng EUV của ASML là cả "một sinh thái" chứ không đơn thuần là một công ty riêng lẻ nào cả.

Vì lẽ đó, việc "copy" lại cách làm của ASML với nhà khoa học Nga là điều không tưởng. "Nhìn chung, đường hướng phát triển của ASML dẫn tới những chi phí trang thiết bị khổng lồ". Các hệ thống TWINSCAN NXE (0.33 NA) của công ty này có giá gần 200 triệu USD, còn TWINSCAN EXE (0.55 NA hay High-NA) gần "đụng nóc" 400 triệu USD. Do đó, Chkhalo đề xuất hướng đi khác có thể xem là "dễ thở" hay "ít chông gai" hơn cách của ASML.

Mô tả sơ lược hệ thống EUV của người Nga, sử dụng bước sóng 11.2 nm nhưng hệ quang học đơn giản hơn ASML 13.5 nm

Hướng đi đó là gì? Trước hết, cần hiểu những thành phần nào quan trọng nhất trong một cỗ máy EUV. Đó là (1) nguồn phát EUV, (2) hệ thống thấu kính quang học và (3) lớp chặn quang (photoresist) dùng để "tương tác" với chùm EUV và giữ lại các chi tiết mạch in IC trên tấm wafer.

Theo Chkhalo thay vì dùng EUV được tạo ra từ các giọt thiếc (Sn) như ASML đang làm, hệ thống của người Nga sẽ dùng Xenon (Xe). Nhờ khác biệt về tính chất vật lý, chùm bức xạ được tạo ra từ việc bắn phá các nguyên tử Xe sẽ đạt bước sóng 11.2 nm, ngắn hơn 13.5 nm từ nguyên tử Sn. Ở cấp độ này, hệ thống kia gần như là "soft" X-ray chứ không phải EUV nữa (nhưng cứ tạm gọi EUV cho dễ nói). Việc chùm bức xạ có năng lượng cao hơn giải quyết được 2 vấn đề.

(A) bước sóng ngắn hơn cho phép "vẽ" mạch in rõ ràng hơn. Đây là lý do tại sao dùng DUV khó sản xuất các tiến trình dưới 7 nm (vì DUV dùng bước sóng 153 nm, dày gấp 14 lần EUV). (B) hệ thấu kính dùng cho Xe sẽ ít phức tạp hơn vì nó không cần hệ số NA cao như ASML (0.27 vs. 0.33) để đạt độ phân giải tương đương. Do đó trên lý thuyết, hệ thống X-ray này sẽ không đòi hỏi sự phức tạp cao như EUV của ASML.

So sánh thông số giữa hệ thống của người Nga và TWINSCAN NXE 3400C của ASML

Ngoài ra một yếu tố khác cần nói đến là tính kinh tế của các cỗ máy. Các hệ thống TWINSCAN NXE hiện có năng suất hơn 160 wafer/giờ (wph). Tuy ASML lẫn các trang media hầu như bỏ qua chi tiết này nhưng nó là yếu tố chính giúp ASML duy trì sự độc tôn hiện nay trên thị trường EUV. Vì để có thể hạ chi phí gia công wafer xuống thì cách đơn giản nhất là tăng năng suất lên.

Và để đạt con số 160 wph, ASML đã thiết kế một hệ thống cơ khí không những chính xác mà còn bền bỉ tới mức chúng có thể chịu sức ép trọng lực tới 32G! Để tiện so sánh một lần phóng tên lửa lên vũ trụ chỉ tạo ra lực ép tới 3G, một người khoẻ mạnh có thể chịu tối đa tới 6G (phi công siêu kỳ cựu có thể tới 9G trong vài giây). PS: bớt mơ hão có thể du lịch hay khám phá vũ trụ nếu sức khoẻ của bạn cùi bắp nhé! Thì có thể thấy các chi tiết cơ khí của ASML phải bền bỉ tới mức nào!

Hệ cơ khí chính xác nhưng cực bền bỉ có thể chịu được áp lực 32G liên tục hàng tháng của ASML

Quay lại người Nga, tuy trên lý thuyết trình độ cơ khí chính xác của họ không phải kém cỏi (kém thì đã không xây được trạm không gian), nhưng để có thể làm được hệ thống giống như ASML đang có thì rất trầy da tróc vảy. Thế nên với cỗ máy EUV Xenon mà Chkhalo dự kiến chế tạo, năng suất chỉ ở mức 60 wph (hay 1 wafer/phút). Hệ cơ khí đơn giản hơn đồng nghĩa với nghiên cứu và làm ra nó sẽ ít phức tạp hơn, tốn ít thời gian hơn và giá thành sẽ rẻ hơn. Chưa kể người Nga cần tự chủ khả năng sản xuất chip, chứ không phải "đua bơi" sản lượng nên làm được con chip thôi đã tốt lắm rồi...

Vậy khi nào hệ thống này có thể xuất hiện được? Câu trả lời là chưa chắn chắn vì như ASML cũng đã phải trì hoãn rất nhiều lần. Được biết việc xây dựng hệ thống trên đã bắt đầu từ tháng 10/2022. Trước mắt chúng sẽ dùng để sản xuất các chip 7 nm và dự kiến có thể đi vào hoạt động trong 2028. Song lộ trình hoàn toàn có thể bị chậm đi trước các rủi ro chưa xác định được.

Ngoài ra, trong một diễn biến không liên quan tới người Nga, song trước quan hệ chính trị giữa Nga và Trung Quốc đang thắt chặt vì cấm vận của phương tây, không loại trừ khả năng 2 quốc gia này sẽ hợp tác về bán dẫn để cùng cắt giảm chi phí và thời gian nghiên cứu. SMEE, một công ty có thể gọi là "ASML của Trung Quốc" cũng chuyên cung cấp các thiết bị lithography, hồi tháng 03/2023 vừa đệ đơn đăng ký bản quyền công nghệ liên quan tới EUV - thiết kế một thiết bị phát EUV plasma dựa trên laser (tương tự ASML). Vấn đề ở chỗ SMEE thực ra còn ở rất xa, các sản phẩm của công ty này mới đáp ứng tới tiến trình 90 nm. Họ đã có kế hoạch ra mắt các sản phẩm đáp ứng 28 nm nhưng chưa rõ thời gian triển khai hàng loạt. Thế nên công nghệ EUV của SMEE khi nào đi vào thực tế vẫn là dấu hỏi lớn.

SSA600-20, hệ thống lithography tiên tiến nhất hiện có của SMEE, sản xuất được các chip 90 nm

Câu hỏi đặt ra nếu người Nga và Trung Quốc cùng bắt tay phát triển EUV thì sẽ thế nào? Người Nga có lợi về trình độ khoa học sẵn có còn Trung Quốc mạnh về việc sản xuất quy mô lớn. Suy cho cùng cả 2 đều không được phương tây chào đón thì đến với nhau xem chừng không phải là không được.