Cỗ máy mới nhất của ASML nặng tới 150 tấn – tương đương hai container vận chuyển – và được bán với giá khoảng 350 triệu USD (tức hơn 550 triệu AUD). Đây cũng là thiết bị tiên tiến nhất hiện nay mà con người từng tạo ra trong lĩnh vực này.
Chính năng lực công nghệ vượt trội đó đã đưa ASML trở thành trung tâm của một cuộc cạnh tranh công nghệ toàn cầu. Để ngăn Trung Quốc sản xuất chip AI hiện đại, Mỹ đã cấm ASML bán các thiết bị tối tân nhất cho các hãng sản xuất chip của Trung Quốc. Phía Trung Quốc phản ứng bằng cách rót hàng tỷ USD vào các nỗ lực phát triển công nghệ thay thế nội địa.
Trong khi đó, Canon – đối thủ đến từ Nhật Bản – đang đặt cược vào một công nghệ đơn giản và rẻ hơn để phá vỡ thế độc quyền của ASML. Nhưng nếu như lĩnh vực phần mềm có thể thay đổi vị thế chỉ trong vài tháng, thì trong thế giới máy in thạch bản, cuộc đua tiến bộ diễn ra trong hàng thập kỷ. Vượt mặt ASML sẽ không dễ. Bởi cái đang được tranh giành ở đây không chỉ là thị phần, mà là quyền kiểm soát loại máy định hình tương lai của máy tính, AI và công nghệ nói chung.
Cỗ máy “nóng hơn cả mặt trời” tạo ra chip cho tương lai
Cỗ máy tối tân của ASML thực sự khiến người ta phải kinh ngạc. Nó hoạt động bằng cách bắn 50.000 giọt thiếc nóng chảy vào một buồng chân không. Mỗi giọt thiếc nhận hai lần bắn laser – lần đầu bằng tia yếu để dẹt giọt thiếc như một chiếc bánh, lần thứ hai bằng tia cực mạnh để làm bay hơi hoàn toàn. Kết quả là giọt thiếc biến thành plasma siêu nóng – gần 220.000 độ C, nóng gấp 40 lần bề mặt Mặt Trời – và phát ra ánh sáng cực tím có bước sóng siêu ngắn (EUV).
Tia sáng này được phản chiếu qua một loạt gương siêu nhẵn, đến mức độ nhám được đo bằng phần nghìn tỷ mét. Gương sẽ hội tụ ánh sáng lên một chiếc mặt nạ chứa bản thiết kế mạch điện, rồi phản chiếu tiếp lên tấm silicon phủ chất nhạy sáng, khắc lên đó họa tiết của con chip.
Các thiết bị của ASML là xương sống trong ngành sản xuất chip hiện đại. Những tên tuổi như TSMC, Samsung hay Intel đều dựa vào chúng để sản xuất chip AI và chip điện thoại cao cấp. Không công ty nào khác có thể chế tạo máy in chip đạt chuẩn "7 nanomet" trở xuống (dù thuật ngữ này giờ mang tính tiếp thị hơn là kỹ thuật). Với công nghệ cũ hơn – 14nm trở lên – ASML vẫn chiếm hơn 90% thị phần.
Một con chip có thể ví như chiếc lasagne điện tử – lớp transistor bên dưới, phủ nhiều lớp dây đồng truyền tải dữ liệu và điện năng. Một con chip tiên tiến có thể chứa hơn 100 tỷ transistor, hơn 70 lớp và tới 100 km dây dẫn, tất cả nằm gọn trên tấm silicon nhỏ hơn tem thư. Để chế tạo, máy in thạch bản sẽ khắc lần lượt từng lớp transistor và dây dẫn lên tấm wafer. Mỗi tấm wafer có thể chứa hàng trăm con chip.
Cuộc đua công nghệ đang nóng lên: Mỹ, Trung Quốc và những lựa chọn thay thế
Nguyên lý hoạt động của máy in chip, về cơ bản, giống máy chiếu phim cũ: chiếu ánh sáng qua một tấm khuôn để tạo hình ảnh. Độ phân giải nhỏ nhất mà máy in được phụ thuộc vào hai yếu tố chính. Thứ nhất là bước sóng ánh sáng. Bước sóng càng ngắn, chi tiết in được càng nhỏ. Trước đây, ASML sử dụng ánh sáng cực tím sâu (DUV), với bước sóng 248nm đến 193nm, tạo được chi tiết nhỏ cỡ 38nm.
Để đi xa hơn, ASML chuyển sang dùng ánh sáng EUV với bước sóng 13.5nm – vốn chỉ xuất hiện tự nhiên trong vành nhật hoa của Mặt Trời. Sản xuất EUV trên Trái Đất rất phức tạp. Ánh sáng này bị hấp thụ hoàn toàn bởi không khí, kính và hầu hết vật liệu khác, nên toàn bộ quá trình phải diễn ra trong môi trường chân không, sử dụng gương đặc biệt để điều hướng. ASML mất 20 năm phát triển phương pháp bắn laser vào thiếc nóng chảy để tạo ra luồng sáng hiếm này.
Yếu tố thứ hai là khẩu độ số (NA) của hệ gương – thước đo khả năng thu gom và hội tụ ánh sáng. Hệ thống mới nhất của ASML – EUV khẩu độ cao – sử dụng gương có khẩu độ 0.55, cho phép in chi tiết nhỏ tới 8nm. Hãng còn nghiên cứu công nghệ “siêu khẩu độ” (hyper-NA), với khẩu độ trên 0.75. Khẩu độ cao giúp gương bắt được ánh sáng từ nhiều góc hơn, tăng độ chính xác, nhưng cũng khiến máy cồng kềnh hơn. Khi nâng khẩu độ từ 0.33 lên 0.55, gương đã to gấp đôi và nặng gấp 10 lần – tới vài trăm kg. Nếu tiếp tục tăng khẩu độ, vấn đề tiêu thụ năng lượng sẽ trở nên nghiêm trọng.
Giá thành cũng là rào cản lớn. Dù không công bố cụ thể, ASML cho biết hệ EUV mới gần như gấp đôi giá dòng trước. Nếu làm ra được máy siêu khẩu độ, giá còn cao hơn nữa. Dù công ty chưa chắc sẽ sản xuất, trưởng bộ phận công nghệ Jos Benschop tin rằng máy hyper-NA có thể xuất hiện trong vòng 5–10 năm tới, tùy theo nhu cầu thị trường.
Một số nhà nghiên cứu đã tính đến bước tiếp theo – ánh sáng bước sóng 6nm. Để làm được điều này, họ cần đột phá ở cả nguồn sáng, quang học và vật liệu nhạy sáng (photoresist). Nhưng bước sóng càng ngắn thì vấn đề "nhiễu hạt" càng rõ rệt – các chuyển động ngẫu nhiên của hạt có thể làm mờ chi tiết. Dù vậy, Yasin Ekinci từ Viện nghiên cứu Paul Scherrer (Thụy Sĩ) vẫn coi đây là “kế hoạch B” nếu hyper-NA không thành công.
Trong lúc ASML dẫn đầu công nghệ quang học, Trung Quốc – bị cắt khỏi các thiết bị tối tân – đang tận dụng tối đa các dòng máy DUV cũ (28nm trở lên) mà họ còn được mua. Một chiến thuật là in nhiều lần (multi-patterning): chia nhỏ thiết kế thành nhiều bước, cho phép in chi tiết nhỏ hơn gấp 2 đến 4 lần. Dù hiệu quả, kỹ thuật này làm chậm quá trình và tăng độ phức tạp.
Trung Quốc cũng đang phát triển máy in chip của riêng mình. Công ty nhà nước SMEE đã đạt bước tiến với máy DUV cho chip 28nm. Nhưng để chế tạo được máy EUV, họ cần làm chủ không chỉ ánh sáng EUV mà còn cả chuỗi cung ứng khổng lồ với hơn 5.000 nhà cung cấp mà ASML hiện đang sở hữu.
Vị thế thống trị của ASML trong lĩnh vực in chip cao cấp vì thế vẫn vững chắc. Tuy nhiên, Canon – hãng từng dẫn đầu ngành – đang theo đuổi một lối đi khác: in nổi nano (nanoimprint lithography – NIL), một công nghệ khắc mạch bằng cách dập trực tiếp khuôn lên wafer như máy in.
Quy trình NIL bắt đầu bằng việc tạo một khuôn chủ bằng chùm tia điện tử. Sau đó, dung dịch nhựa được nhỏ lên tấm wafer, khuôn ép xuống để in mạch, rồi dùng tia cực tím làm cứng lớp nhựa. Cuối cùng khuôn được gỡ ra, và quy trình này lặp lại với mỗi lớp chip. Canon ước tính công nghệ của họ rẻ hơn 40% so với máy EUV tương đương của ASML.
Tuy nhiên, để NIL trở thành công nghệ chủ đạo, nhiều thách thức cần vượt qua. Các lỗi in – do hạt bụi hoặc khuyết tật khuôn – có thể lặp lại trên toàn bộ wafer. Khâu căn chỉnh cũng cực kỳ khó, vì mỗi lớp mạch phải khớp hoàn toàn với lớp trước. Lệch chút xíu là có thể gây lỗi kết nối điện. Canon khẳng định đạt độ chính xác cấp nanomet, nhưng duy trì điều này khi sản xuất đại trà là chuyện khác. Ngoài ra, còn vấn đề năng suất: máy EUV cao cấp của ASML có thể xử lý hơn 180 wafer mỗi giờ, một số mẫu cũ đạt gần gấp đôi. Máy NIL mới nhất của Canon chỉ đạt 110 wafer mỗi giờ, chưa phù hợp cho sản xuất số lượng lớn – ít nhất là ở thời điểm hiện tại.
Hiện tại, NIL tỏ ra hữu ích hơn ở lĩnh vực khác như màn hình điện thoại hay linh kiện chính xác cao. Công nghệ này đang dần thâm nhập vào mảng chip nhớ – nơi người ta dễ chấp nhận lỗi hơn so với chip logic. Ông Iwamoto Kazunori – trưởng bộ phận quang học của Canon – tin rằng NIL có thể song song tồn tại với EUV, đảm nhận các bước đơn giản với chi phí thấp, tránh những phần đòi hỏi độ chính xác cực cao.
Những đổi mới như vậy có thể giúp thế giới chế tạo chip nhanh hơn, tiết kiệm điện hơn – phục vụ làn sóng AI thế hệ mới. Nhưng nếu không cẩn trọng, ASML có thể đánh mất danh hiệu “cỗ máy quan trọng nhất thế giới”.