Các nhà khoa học và kỹ sư Trung Quốc đang thu nhỏ một trong những thiết bị sản xuất chip phức tạp và đắt đỏ nhất trong ngành sản xuất chip hiện đại xuống kích thước bàn làm việc và sử dụng nó để chế tạo chip 14nm.

Mặc dù chip 14nm không còn đại diện cho công nghệ tiên tiến nhất khi các nhà máy sản xuất thương mại đã tiến vào lĩnh vực 3nm, chúng vẫn là điểm cân bằng hoàn hảo giữa hiệu suất, chi phí và hiệu quả, cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ tự động hóa công nghiệp đến xe điện và thiết bị đeo thông minh.

Máy quang khắc EUV của Trung Quốc hoạt động như thế nào?

Tại hội nghị học thuật UltrafastX cuối tháng 10, Hefei Lumiverse Technology, có trụ sở tại tỉnh An Huy miền trung Trung Quốc, đã công bố công nghệ nguồn sáng siêu cực tím EUV. Người phát ngôn của công ty cho biết tuần này: "Chúng tôi chuyên về kiểm tra bán dẫn và sản xuất chip lượng tử. Một trong những khách hàng công nghiệp của chúng tôi đã sử dụng nguồn sáng này để sản xuất chip 14nm."

Máy quang khắc EUV của Trung Quốc có thể đặt gọn trên bàn làm việc, và đã được sử dụng để sản xuất chip 14nm

Nguồn sáng EUV là thành phần quan trọng của máy quang khắc được sử dụng để sản xuất chip với quy trình dưới 7nm, nhưng chúng có thể cực kỳ phức tạp, khổng lồ và đắt tiền. Ví dụ, máy NXE:3400B của ASML, công ty dẫn đầu ngành, dài khoảng 12 mét và cao 4 mét.

Phương pháp plasma do laser tạo ra LPP được ASML sử dụng bắn laser vào các giọt thiếc để tạo plasma, tạo ra ánh sáng EUV với bước sóng 13,5nm. Nhưng hệ thống này có giá hơn 100 triệu USD, theo người phát ngôn.

Người phát ngôn bổ sung: "Phương pháp LPP này cũng yêu cầu gương collector chuyên dụng, hiện không thể được sản xuất trong nước ở Trung Quốc." Đây chính là một trong những rào cản lớn nhất mà Trung Quốc phải đối mặt trong bối cảnh bị phương Tây cấm vận công nghệ EUV.

Ngược lại, công nghệ Lumiverse dựa trên phương pháp tạo harmonic bậc cao HHG, một phương pháp hướng laser femto giây có độ chính xác cao vào khí trơ, thường là argon, để tạo ra các harmonic bậc cao, tạo ra ánh sáng EUV coherent. Trên phạm vi quốc tế, ASML và các gã khổng lồ công nghiệp khác như Intel, Samsung và TSMC đã bắt đầu áp dụng công nghệ HHG cho các ứng dụng đo lường và kiểm tra.

Hãng ASML sử dụng nguyên lý LPP (trái) để tạo ra tia EUV công suất cao, trong khi máy EUV của Trung Quốc sử dụng nguyên lý LDP (phải) để tạo ra tia EUV

Những lợi thế của công nghệ này bao gồm chi phí thiết bị và bảo trì thấp hơn đáng kể, cũng như khả năng điều chỉnh bước sóng của ánh sáng được tạo ra trong một phạm vi rộng, từ 1nm đến 200nm, theo người phát ngôn của Lumiverse. Đặc biệt, chi phí của máy này chỉ bằng 1% so với cơ sở laser electron tự do quy mô lớn, một con số ấn tượng cho thấy tiềm năng dân chủ hóa công nghệ EUV.

Không thể phá thế độc tôn của ASML

Tuy nhiên, một hạn chế hiện tại là công suất đầu ra. Việc chuyển đổi năng lượng laser thành ánh sáng đạt được công suất đầu ra EUV 13,5nm không hiệu quả chỉ 1 microwatt, rất khác so với hơn 200 watt cần thiết cho máy quang khắc thương mại. Hiệu suất chuyển đổi chỉ khoảng một phần triệu, trong khi các hệ thống LPP thương mại có thể đạt hiệu suất lên đến 6%. Tuy nhiên, cửa sổ phơi sáng nhỏ có nghĩa là độ sáng trên mỗi đơn vị diện tích có thể so sánh với các máy quy mô lớn.

Người phát ngôn bổ sung: "Mặc dù không phù hợp cho sản xuất hàng loạt, nó cho phép sản xuất theo lô nhỏ hoặc xác minh kỹ thuật." Đây chính là điểm quan trọng mà nhiều người có thể hiểu nhầm, công nghệ này không nhằm thay thế hoàn toàn máy ASML trong sản xuất hàng loạt, mà tập trung vào các ứng dụng đặc thù khác.

Ông nói: "HHG-EUV của chúng tôi có thể được sử dụng để kiểm tra real-time, không phá hủy các khuyết điểm photomask và lỗi chồng lớp, qua đó cải thiện tỷ lệ sản phẩm đạt của quy trình quang khắc. Hơn nữa, vì ánh sáng là coherent, nó có thể được sử dụng với các thuật toán imaging nhiễu xạ coherent để thăm dò cấu trúc 3D. Điều này cho phép kiểm tra các kiến trúc transistor quan trọng, chẳng hạn như FinFET ở các nút 14nm và 7nm, và các transistor gate-all-around mới hơn ở nút 3nm."

Những cỗ máy khổng lồ, có giá đến hàng trăm triệu USD của ASML là thiết bị duy nhất có thể tạo ra tia EUV để sản xuất hàng loạt chip cao cấp

Về cơ sở khách hàng, người phát ngôn cho biết khoảng 80% khách hàng của công ty là người dùng học thuật. Các nhà nghiên cứu sử dụng các thiết bị kích thước desktop của công ty để thực hiện các nghiên cứu tiên tiến, ví dụ như khắc các chip lượng tử phức tạp, trong phòng thí nghiệm của riêng họ, bỏ qua nhu cầu về các cơ sở quy mô lớn. Điều này mở ra khả năng nghiên cứu và phát triển chip tiên tiến cho nhiều tổ chức hơn, không chỉ các tập đoàn lớn.

Kể từ khi được thành lập vào cuối năm 2023, công ty đã tập hợp một đội ngũ cốt lõi bao gồm các nhà nghiên cứu từ Kế hoạch Nghìn Tài năng của Trung Quốc và các chuyên gia kỹ thuật có kinh nghiệm quốc tế sâu rộng. Nhà khoa học trưởng của công ty trước đây từng là trưởng bộ phận công nghệ laser EUV tại KMLabs, một công ty có trụ sở tại Mỹ, nơi ông dẫn đầu nhóm phát triển và thương mại hóa laser femto giây EUV dựa trên HHG đầu tiên trên thế giới.

Người phát ngôn cho biết công ty hiện nắm giữ vị trí dẫn đầu quốc tế trong lĩnh vực EUV 13,5nm cụ thể. Mục tiêu tiếp theo là tăng công suất đầu ra lên 1 milliwatt và mở rộng khu vực chiếu sáng để tăng cường hiệu quả kiểm tra, từ đó có thể tham gia thị trường kiểm tra chip.

Ông nói thêm: "Mặc dù các đối thủ cạnh tranh ở nước ngoài như AFS của Đức cũng tuyên bố đầu ra EUV 1mW, công nghệ của họ hoạt động ở bước sóng dài hơn khoảng 50nm, được coi là ít khó khăn hơn để đạt được so với 13,5nm quan trọng cần thiết cho sản xuất chip tiên tiến."

Sự ra đời của công nghệ này đánh dấu một bước tiến quan trọng của Trung Quốc trong việc phát triển công nghệ bán dẫn độc lập, đặc biệt trong bối cảnh các lệnh trừng phạt và hạn chế công nghệ từ phương Tây. Mặc dù vẫn còn khoảng cách đáng kể so với các máy EUV thương mại của ASML về công suất và khả năng sản xuất hàng loạt, máy EUV kích thước desktop này đại diện cho một con đường thay thế có giá trị cho nghiên cứu, xác minh kỹ thuật và sản xuất lô nhỏ.

Nguyễn Hải