Qua lớp kính che mặt của bộ đồ siêu sạch, Patrick Whelan chăm chú nhìn mọi thứ đang diễn ra.
Trước mặt ông là một khối thủy tinh sáng lấp lánh, kích thước cỡ bằng lò nướng bánh mì, đã được cắt gọt cẩn thận để giảm dần trọng lượng đến mức lý tưởng. Nhóm của Whelan đang dán nó vào một tấm nhôm lớn, có kích thước bằng bàn café. Bề mặt của cả mặt bàn và khối thủy tinh đều nhẵn mịn một cách kỳ lạ nhờ việc đánh bóng trong nhiều tuần liền để loại bỏ các khuyết điểm nhỏ nhất.
Trong vòng 24 giờ tới, khi lớp keo dính chặt lại, các thành viên trong nhóm sẽ theo dõi cẩn thận vị trí của khối thủy tinh với bề mặt kim loại, đảm bảo chúng hợp nhất với nhau. Ông Whelan nói: "Những thứ này sẽ được đặt khít với nhau với độ chính xác đến từng micromet."
Module này đặc biệt quan trọng. Có tên chuyên môn là reticle - khối thủy tinh này sẽ giữ các tấm mask - nơi ghi lại các đường khắc của con chip - để khắc lên tấm wafer trong khi dịch chuyển qua lại bên dưới máy chiếu tia EUV. Tia sáng siêu cực tím này sẽ chiếu nhiều lần xuống đĩa silicon, đốt cháy lớp chất bán dẫn theo mẫu hình có sẵn.
Cả module kim loại và khối reticle này nặng đến 30kg, nhưng ông Whelan cho biết, nó "tăng tốc còn nhanh hơn máy bay phản lực", vì vậy, chỉ cần một bộ phận bị lỏng, nó sẽ văng tung tóe khắp nơi. Với khoảng cách dịch chuyển chỉ tính bằng nanomet, chỉ cần một chút sai lệch, toàn bộ lô chip sẽ trở thành đồ bỏ.
Đó là một phần những gì diễn ra trong căn phòng sạch của hãng ASML, công ty Hà Lan sản xuất nên những cỗ máy quang khắc bán dẫn phức tạp nhất thế giới – một công cụ cần thiết để tạo nên các bóng bán dẫn, các dây dẫn và những linh kiện cơ bản của các con chip. Mỗi cỗ máy được thèm khát này có giá đến 180 triệu USD và thế hệ mới nhất của nó có thể tạo ra các con chip siêu nhỏ với kích thước chỉ 13nm trong chớp mắt.
Độ chính xác luôn là một ưu tiên cao nhất trong công ty. Khi được lắp ráp hoàn chỉnh, mỗi cỗ máy này sẽ có kích thước như một chiếc xe buýt nhỏ, chứa đến 100.000 cỗ máy cực nhỏ phối hợp với nhau bên trong, bao gồm cả một hệ thống tạo ra bước sóng đặc trưng của tia EUV bằng cách bắn phá các giọt thiếc nóng chảy bằng laser 50.000 lần mỗi giây.
Tăng trưởng liên tục từ những năm 1960 nhưng đến những năm 1990, ngành sản xuất chip thế giới bắt đầu mắc kẹt ở bước sóng ánh sáng 193nm. Không thể thu nhỏ bước sóng xuống thấp hơn nữa, họ bắt đầu tìm đến các thiết kế và kỹ thuật sản xuất chip phức tạp hơn để duy trì Định luật Moore và kéo dài thời kỳ gia tăng hiệu năng lên thêm hai thập kỷ nữa.
Và rồi đến năm 2017, ASML giới thiệu cỗ máy quang khắc dùng tia EUV, loại ánh sáng chỉ có bước sóng 13,5nm. Với bước sóng ngắn đến hơn 10 lần so với trước đây, các nhà sản xuất chip có thể nhồi nhét thêm nhiều bóng bán dẫn nhất từ trước đến nay và tạo nên một cuộc cách mạng mới trong sản xuất chip - các bộ xử lý mạnh hơn, các con chip thiết kế đơn giản hơn, chi phí sản xuất chip rẻ hơn.
Nhưng thành công này không hề dễ dàng. Tia EUV khó điều khiển đến mức trong suốt nhiều năm trời, các chuyên gia đều dự báo rằng ASML sẽ không bao giờ làm ra được một cỗ máy như vậy. Ngay cả các đối thủ của họ, hãng Nikon và Canon cũng đã từ bỏ việc nghiên cứu về loại máy này nhiều năm trước.
Điều này giúp ASML trở thành nhà cung cấp duy nhất đối với máy quang khắc tia EUV - các cỗ máy chỉ được lắp ráp 55 chiếc mỗi năm và chúng gần như được bán ngay lập tức.
"Về cơ bản, định luật Moore đang suy tàn và nếu không có cỗ máy này, nó sẽ đi đời." Wayne Lam, giám đốc nghiên cứu của hãng CCS Insight cho biết. "Bạn gần như không thể làm nổi các bộ xử lý hàng đầu hiện nay nếu không có EUV."
Ngành công nghiệp chip luôn song hành cùng khả năng điều khiển ánh sáng trong công nghệ quang khắc. Ý tưởng của nó rất đơn giản. Các thành phần chính của con chip – dây dẫn và bóng bán dẫn – được thiết kế thành các mẫu hình , hay còn gọi là các "mask". Sau đó, các mẫu hình này được đặt lên bề mặt đĩa silicon được phủ chất cản quang và chiếu ánh sáng qua nó. Ánh sáng làm cứng lớp chất cản quang và bảo toàn lớp silicon bên dưới, trong khi đó khắc sâu xuống các vùng còn lại trên bề mặt tấm silicon.
Vào những năm 60, các nhà sản xuất chip dùng ánh sáng khả kiến với bước sóng 400nm, sau đó họ chuyển sang dùng tia cực tím ở 248nm và đến những năm 90, các nhà sản xuất chip đều dừng lại ở mức 193nm – còn được gọi là tia cực tím sâu DUV. Nhưng đến lúc này, các nhà sản xuất chip cảm thấy không chắc chắn về khả năng giảm bước sóng xuống hơn nữa.
Họ thử nghiệm nhiều giải pháp khác nhau, ví dụ các chùm ion, hoặc các chùm electron, thậm chí cả tia X-quang. Cuối cùng ý tưởng đuọc chọn là tia siêu cực tím EUV với bước sóng 13,5 nm – rất gần với tia X-quang.
Nhưng nếu dùng tia EUV, sẽ cần phải có một thế hệ máy quang khắc hoàn toàn mới. Các máy hiện tại dùng thấu kính thủy tinh truyền thống để hội tụ ánh sáng vào tấm wafer. Nhưng tia EUV lại bị thủy tinh hấp thụ. Điều này có nghĩa là để hội tụ được nó, bạn phải phát triển các loại gương cong giống như trên kính thiên văn vũ trụ.
Tồi tệ hơn, không khí cũng hấp thụ tia EUV, nghĩa là bên trong máy quang khắc phải là một không gian chân không hoàn toàn. Và tất nhiên cần phải có một nguồn sáng EUV đáng tin cậy – lúc đó không ai biết chắc phải làm thế nào.
Sau 3 năm cân nhắc, vào năm 2000, ASML quyết định đặt cược vào canh bạc này và cố gắng làm chủ tia EUV. Thời điểm đó, ASML chỉ là một hãng nhỏ, nhưng nếu thành công, nó sẽ biến họ thành người khổng lồ.
Vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật mà bản thân ASML không thể tự giải quyết được. May mắn thay, hãng Zeiss, đối tác lâu năm và cũng là nhà sản xuất thấu kính thủy tinh hàng đầu của Đức, đã làm ra được loại thấu kính và gương siêu chính xác dành cho các kính thiên văn tia X – loại ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn cả EUV.
Bí quyết nằm ở các lớp phủ xen kẽ silicon và molybden dày vài nanomet trên bề mặt tấm gương. Khi kết hợp theo một mẫu hình đặc biệt, nó sẽ phản chiếu lại 70% tia EUV chiếu đến bề mặt.
Vấn đề là phải làm nhẵn nó đến mức hoàn hảo. Cỗ máy của ASML sẽ cần đến 11 tấm gương để phản chiếu qua lại tia EUV và hội tụ nó vào tấm bán dẫn. Với mục tiêu là khắc được các con chip kích thước nanomet, nên toàn bộ bề mặt của chúng cũng phải siêu nhẵn – một khiếm khuyết siêu nhỏ trên bề mặt tấm gương cũng có thể làm tia EUV chệch hướng và phá hỏng con chip.
Có một phép so sánh thế này: nếu tấm gương cho cỗ máy của ASML rộng bằng nước Đức, các điểm khiếm khuyết trên bề mặt của nó cũng không được cao quá 2mm.
Nhưng vẫn còn một thách thức lớn nhất của cỗ máy này: làm chủ tia EUV. Để tạo ra loại tia sáng này, bạn phải tạo ra một khối plasma, dạng tồn tại của vật chất ở nhiệt độ siêu cao. Sau nhiều thử nghiệm dùng laser bắn phá Lithium, họ chuyển sang dùng thiếc, loại kim loại có thể tạo ra các vụ bùng phát lớn hơn.
Đến đầu những năm 2000, nhờ hợp tác với các hãng Cymer và hãng laser Trumpf, ASML có thể phát triển được cỗ máy Rube Goldberg, về cơ bản nó như một thùng nhiệt để thiếc luôn ở trạng thái lỏng. Chỗ thiếc này được cho vào một cái vòi để bắn ra các giọt thiếc – bằng "1/3 đường kính sợi tóc người" – vào trung tâm của cỗ máy. Khi đến trung tâm của buồng tạo ánh sáng, một xung laser được bắn thẳng vào giọt thiếc này.
Với nhiệt độ trong lõi vụ bắn phá này có thể đạt tới mức 500.000 độ K, giọt thiếc sẽ tạo thành khối plasma phát ra tia EUV. Cỗ máy sau đó lặp lại quá trình này, tiếp tục bắn phá và phá hủy các giọt thiếc khác với tốc độ chóng mặt – 50.000 lần mỗi giây – để tạo ra nguồn sáng EUV ổn định.
Nhưng lúc này họ lại phát hiện ra một vấn đề khác. Các ion bắn ra từ vụ nổ giọt thiếc sẽ làm mờ hệ thống quang học. Để làm sạch các ion này, họ có thể bơm hydro vào buồng tạo ánh sáng, giúp phản ứng với các ion thiếc và hấp thụ chúng.
Trong khi phải khắc phục các rào cản kỹ thuật, ASML đã chậm tiến độ đề ra. Ban đầu họ dự tính sẽ sản xuất hàng loạt vào năm 2006. Nhưng năm đó, họ chỉ làm ra được 2 nguyên mẫu. Chúng khắc được các mẫu hình sắc nét hơn so với bất kỳ máy quang khắc nào trong lịch sử nhưng chậm kinh khủng. Nguồn sáng vẫn còn quá yếu, và bạn không thể sản xuất với tốc độ cao với nguồn sáng như vậy.
Đến lúc này, cỗ máy đã trở nên phức tạp đến khó tưởng tượng nổi. Nó chứa các cánh tay robot để dịch chuyển tấm wafer, các động cơ tăng tốc tấm giữ mẫu hình khắc chip cùng hơn 100.000 linh kiện, 3.000 sợi cáp nối, 40.000 bu lông và khoảng 2km ống dẫn.
Tồi tệ hơn tất cả chúng đều liên kết với nhau. Chỉ một trong số chúng gặp trục trặc, cả cỗ máy có thể không hoạt động. Điều này buộc Zeiss và ASML phải phát triển hàng loạt cảm biến để phát hiện bất kỳ thay đổi nhỏ nào và dùng phần mềm để căn chỉnh lại vị trí của các tấm gương.
EUV. Chúng hoạt động với tốc độ 30.000 vòng mỗi phút và có thể hút ra từng phân tử khí trong cỗ máy.
Các vấn đề vẫn liên tiếp xuất hiện. Mỗi khi khắc phục được vấn đề này, vấn đề khác lại nảy sinh và lại càng phức tạp hơn. Nhiều nhà quan sát trong ngành công nghiệp chip cho rằng, với việc ASML phải dời thời hạn hết lần này đến lần khác như vậy, nhiều khả năng họ sẽ thất bại.
"Đến 95% nguồn tiền thông minh (chỉ các nhà đầu tư lớn) nghĩ rằng sẽ không có cách nào máy quang khắc EUV có thể chạy được." C.J. Muse, nhà phân tích ngành công nghiệp bán dẫn của Evercore cho biết.
Trong lúc ASML vật lộn với công nghệ EUV, phần còn lại của ngành bán dẫn cũng tìm kiếm nhiều thủ thuật khác nhau để khai thác tối đa hiệu suất của máy quang khắc DUV. Ví dụ phủ lớp nước lên con chip, để khúc xạ ánh sáng và hội tụ nó vào các đường khắc nhỏ hơn, hoặc kỹ thuật khắc chip nhiều lần để tạo ra các đường khắc sắc nét hơn. Dù cách làm này khiến kỹ thuật sản xuất chip trở nên phức tạp hơn, nhưng các con chip đã thu nhỏ xuống mức 20nm.
Vào những năm 2010, các nghiên cứu khoa học cơ bản bắt đầu mang lại thành quả cho ASML. Một ý tưởng được đề xuất là việc bắn laser 2 lần vào mỗi giọt thiếc. Trong khi lần bắn laser đầu tiên sẽ làm phẳng giọt thiếc thành hình bánh kếp, lần bắn laser thứ hai – chỉ một phần triệu giây sau đó – sẽ làm sản sinh nhiều EUV hơn.
Nỗ lực nghiên cứu khoa học cũng mang đến nhiều thành tựu tình cờ. Khi khả năng nung nóng giọt thiếc được cải thiện, quá trình này hóa ra lại tạo ra nhiều mảnh vụn nhiều hơn hydro có thể làm sạch. Sau đó họ phát hiện ra, những chiếc gương không thoái hóa nhanh như sau khi được bảo dưỡng. Hóa ra oxy trong không khí giúp đảo ngược quá trình thoái hóa của gương. Do vậy ASML quyết định đưa vào một chút oxy trong cỗ máy của mình để hấp thụ các mảnh vụn này.
Đến giữa năm 2017, công ty bắt đầu phát triển một nguyên mẫu có thể khắc chip với tốc độ phù hợp với ngành bán dẫn: 125 tấm wafer mỗi giờ. Thành quả nghiên cứu hơn hai thập kỷ dần được đền đáp. Năm đó ASML bắt đầu xuất xưởng các cỗ máy giúp cách mạng hóa quá trình sản xuất chip.
Khi thị trường nhận thấy ASML là nhà cung cấp độc quyền cho cỗ máy tiên tiến này, cổ phiếu của họ bắt đầu cất cánh với tốc độ chóng mặt. Với mức giá 549 USD/cổ phiếu, giá trị vốn hóa của ASML gần bằng Intel.
Nhiều người cho rằng, thành công lớn nhất của ASML không nằm ở cỗ máy quang khắc EUV, mà ở các thiết bị đo lường. Ví dụ như module gắn kết giữa thủy tinh và kim loại được dùng để giữ các tấm Reticle chứa mask của chip trong quá trình quang khắc.
Sau khi mỗi khối thủy tinh được gọt giũa cẩn thận, nó lại được đặt trên các cỗ máy để mài nhẵn nó trong hàng trăm giờ qua nhiều tuần liên tục. Sau mỗi lần như vậy, họ lại đo lường toàn bộ khối thủy tinh để xem đã loại bỏ được bao nhiêu khiếm khuyết, dù chỉ có kích thước vài mciron.
Người quản lý máy móc của ASML, Guido Capolino cho biết: "Chúng tôi thu nhỏ xuống từng nanomet và angstrong (mỗi angstrong bằng 0,1nm) cho mỗi lần". Thủy tinh rất quan trọng đối với bộ phận Reticle, nó không bị biến dạng dưới nhiệt độ cao như kim loại. Nhưng nó lại rất khó gọt giũa.
Nếu có ai đó không được hưởng lợi từ cuộc cách mạng EUV này – ít nhất là trong ngắn hạn – chắc hẳn là Trung Quốc. Lo ngại rằng Trung Quốc có thể là một mối đe dọa về công nghệ đối với họ, cả chính quyền ông Trump và Biden đều gây sức ép để Hà Lan ngăn ASML bán các cỗ máy quang khắc EUV cho các khách hàng ở đó.
Nhiều báo cáo cho biết, việc không thể tiếp cận máy quang khắc EUV khiến nỗ lực chạy đua phát triển chip công nghệ cao của Trung Quốc phải dừng lại. Thay vào đó, các nhà sản xuất chip Trung Quốc giờ đây tập trung vào việc mở rộng sản xuất chip trên tiến trình cũ hơn nhiều. Với cuộc khủng hoảng chip hiện tại, việc mở rộng sản xuất loại chip cũ này vẫn có thể mang lại lợi nhuận nhất định.
Liệu Trung Quốc có thể tự sản xuất các máy quang khắc EUV được không? Nhiều nhà quan sát trong ngành nghi ngờ về khả năng này. ASML với kinh nghiệm và sự hợp tác từ nhiều đối tác khác của Đức, Nhật phải mất gần 20 năm mới có thể phát triển thành công cỗ máy này. Trong khi đó, với tình trạng tương đối cô lập như hiện nay của Trung Quốc, khả năng thành công càng khó khăn hơn nữa.
Tuy vậy, có thể trong tương lai không xa, các nhà sản xuất chip Trung Quốc có thể mua được nó – khi nó bắt đầu trở nên cũ kỹ và lạc hậu hơn trong vài năm tới – đó cũng là lúc cả ngành công nghiệp chip bắt đầu chuyển sang các cỗ máy thế hệ mới hơn.
Trên thực tế, ASML đã bắt tay vào nghiên cứu một phiên bản nâng cấp của thiết bị này. giúp tạo ra các đường khắc sắc nét hơn nữa nhờ hệ số mở cao hơn, cho phép khắc được các bán dẫn linh kiện bán dẫn có chiều rộng dưới 10nm. Máy quang khắc EUV hệ số mở cao này sẽ có gương lớn hơn, nghĩa là toàn bộ cỗ máy cũng lớn hơn. Intel có thể là khách hàng đầu tiên của cỗ máy quang khắc thế hệ mới, dự kiến bán ra từ năm 2025.
ASML và nhiều nhà quan sát cho rằng, các cỗ máy quang khắc của họ có thể giúp kéo dài định luật Moore đến năm 2030, nhưng điều tiếp theo sẽ là gì? Nhiều chuyên gia trong ngành cho rằng ASML có thể hội tụ tia EUV xuống các đường khắc kích thước nhỏ hơn nữa, bên cạnh đó, các nhà thiết kế chip cũng đang tìm cách cải thiện các con chip của mình mà không cần phải thu nhỏ tiến trình, ví dụ chồng chất các lớp chíp theo dạng 3 chiều.
Nhưng liệu công nghệ quang khắc nào sẽ đến sau EUV, vẫn chưa ai biết được.