Những năm 1974 - 1975, chính phủ Hà Lan viện trợ cho nước ta một số phòng thí nghiệm phục vụ nghiên cứu khoa học và giảng dạy đại học, thông qua một số trường đại học lớn của họ. Nhờ vậy Bộ môn Vật lý chất rắn, Khoa Toán Lý, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, được Đại học Twente tài trợ xây dựng Phòng thí nghiệm Vi điện tử, nhằm mục đích nghiên cứu và giảng dạy trong lĩnh vực công nghệ chế tạo mạch vi điện tử trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (MOSFET) [1].
Năm 1975 anh Vũ Đình Cự và anh Nguyễn Xuân Chánh sang Đại học Twente làm việc với bạn về kế hoạch triển khai dự án. Sau đó GS Oscar W. Memmerlink sang Hà Nội giảng bài ở Đại học Bách khoa, đồng thời Bộ môn tiến hành cải tạo một số giảng đường ở đầu tầng hai nhà C9 thành Phòng thí nghiệm Vi điện tử. Khó mà nói hết những khó khăn vất vả của Bộ môn những năm đó, khi mới giải phóng, đang lúc "Miền Nam nhận họ, miền Bắc nhận hàng", Bộ môn cử anh Lưu Công Lộ và anh Đỗ Văn An vào Nam mua gạch lát, mua điều hòa nhiệt độ cũ về xây dựng phòng thí nghiệm.
Thế rồi trong cuộc "họp giao ban" giữa tổ trưởng và tổ phó Bộ môn ngay sau nghỉ Tết nguyên đán năm 1976, anh Cự thông báo cho tôi cấp tốc bổ túc tiếng Anh để tháng Năm đi Hà Lan thực tập tiếp thu thiết bị và công nghệ Phòng thí nghiệm Vi điện tử. Tôi rất mừng nhưng cũng không ít lo lắng, vì ở thời điểm đó vợ tôi đang làm nghiên cứu sinh ở CHDC Đức, ở nhà chỉ hai bố con, Hồ Hải lúc đó mới 6 tuổi; tiếng Anh của tôi còn kém, công việc của "nhóm Selen" đang lúc cấp bách, công việc giảng dạy đã hòm hòm, nhưng hai giáo trình viết tay "Vật lý bán dẫn" và "Kỹ thuật chân không" mới đưa cho nhà in Khoa Tại chức đánh máy để in roneo rồi sẽ phải chữa mo-rat...
Từ phải sang: GS Phùng Hồ, GS Memmerlink, NCS Walinga tại Đại học Twente năm 1976. Ảnh tư liệu của GS Phùng Hồ
Nhưng rồi mọi khó khăn đều được giải quyết, đầu tháng Năm tôi và anh Nguyễn Xuân Thắng bay từ Gia Lâm sang Lào rồi lên máy bay của Liên Xô qua Myanmar, Ấn Độ, Kuwait sang Bacu, đến Matxcơva và cuối cùng đến Amsterdam. Nghĩ lại thật buồn cười, bay một chặng đường dài như thế mà trong túi không có một xu. Từ Amsterdam, chúng tôi được đón về Enschede, nơi có Đại học Twente. GS Memmerlink đã đợi sẵn để đưa chúng tôi về trường. Trước khi về ký túc xá, giáo sư đưa chúng tôi qua "tài vụ" lĩnh "lương". Lần đầu tiên có hàng trăm đô bỏ ví, thật là một sự không tưởng đối với chúng tôi ngày ấy. Ngày hôm sau, GS Memmerlink cho chúng tôi mượn mỗi đứa một xe đạp rồi cùng đi đến trường và làm việc ngay.
Chúng tôi mỗi người được giao tìm hiểu, thiết kế, chế tạo một "mạch vi điện tử" rồi đo đạc đánh giá các thông số kỹ thuật, tiến hành một số nghiên cứu trên cơ sở sản phẩm làm ra.
Tôi không nhớ anh Thắng được giao mạch gì, còn tôi được giao cho một linh kiện chứa hai cổng logic NAND, mỗi cổng có hai đầu vào, mạch này gồm tám transistor và bốn điốt bảo vệ. Ngoài ra, tôi còn được giao một tụ điện MOS riêng [2] để nghiên cứu "phương pháp C-V chuẩn tĩnh" (để khảo sát đặc tính điện của cấu trúc bán dẫn – BTV).
Công việc của tôi theo từng bước như sau:
Tìm hiểu thêm về kỹ thuật số, vi điện tử số...
Tính toán kích thước cực cửa (gate) của các transistor.
Thiết kế tô-pô toàn mạch (tức xác định layout các linh kiện điện tử được bố trí và kết nối với nhau để tạo thành một mạch hoàn chỉnh - BTV), trong đó có một số "đường nối" phải "chôn ngầm"... Đây là khâu khá khó, đòi hỏi tư duy và tưởng tượng.
Trên cơ sở tô-pô của mạch, thiết kế các mặt nạ quang khắc (mask - khuôn in các cấu trúc vi mạch lên bề mặt phiến silic) dùng để chế tạo transistor hiệu ứng trường. Mạch được chế tạo bằng công nghệ tiên tiến nhất thời bấy giờ, sử dụng silic đa tinh thể pha tạp mạnh làm cực cửa thay vì nhôm. Quy trình cần 5 mặt nạ quang khắc, đòi hỏi các mẫu hình phải được thiết kế và căn chỉnh hết sức chính xác. Chỉ một sai sót nhỏ cũng có thể khiến cả mẻ chế tạo phải bỏ đi.
Vẽ mặt nạ quang khắc trên giấy ruby với hệ số phóng đại 400 lần bằng máy vẽ tọa độ (coordinatography). Kích thước "chip" 1mm x 1mm, mặt nạ trên giấy ruby có kích thước 400mm x 400mm.
Chụp ảnh thu nhỏ 400 lần và dùng thiết bị quang học repeater để tạo thành bộ khuôn phục vụ chế tạo chip. Ngày ấy, phiến silic dùng trong phòng thí nghiệm có đường kính hơn 20 mm, nên bộ khuôn có kích thước 20 × 20 mm, đủ để bố trí 400 chip.
Tiến hành các khâu của quy trình công nghệ planar - epitaxy [3], bao gồm quá trình ô-xi hóa, quang khắc, ăn mòn, khuếch tán tạp chất, bốc hơi nhôm làm đường dẫn...
Cắt rạch phiến Silic để tách rời từng chip bằng "dao kim cương"
Hàn chip lên đế có các chân điện cực
Hàn dây vàng có đường kính 40 micron từ các điểm cực trong mạch ra các chân trên đế.
Đóng mũ bọc kín chip trong vỏ bảo vệ.
Với sự hướng dẫn của cán bộ phòng thí nghiệm tôi đã hoàn thành xuất sắc quy trình thiết kế và chế tạo được mạch vi điện tử MOS mà GS Memmerlink giao cho. Có thể nói rằng lần đầu tiên một công dân của nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa với sự giúp đỡ hướng dẫn của GS Memmerlink và các cán bộ của Phòng thí nghiệm Vi điện tử của Đại học Twente, đã thiết kế và chế tạo thành công một mạch vi điện tử MOS, mà ngày nay ta hay gọi là con chip. Trên con chip đầu tiên đó, tôi đã khắc ba chữ cái "HNH", tức "Hà Nội Hồ".
Sau đó tôi đã đo đạc các thông số kỹ thuật, và tiến hành những nghiên cứu hệ MOS theo phương pháp C-V chuẩn tĩnh trên tụ MOS. Cuối cùng, tôi làm một báo cáo bằng tiếng Anh về những công việc đã làm, những kết quả nghiên cứu đã thu được đưa GS Memmerlink góp ý. Giáo sư rất hài lòng, hỏi tôi rằng, khi tôi làm nghiên cứu sinh ở Liên Xô tôi làm đề tài gì, tôi trả lời rằng tôi làm về "Nhiễu xạ điện tử chậm (LEED)", giáo sư rất ngạc nhiên, bởi vì những nghiên cứu đó phải tiến hành trong môi trường chân không siêu cao, với áp suất khí dư thấp hơn 10 -10 mmHg. Hôm sau ông dẫn chúng tôi tới thăm một phòng thí nghiệm đang lắp đặt, không biết nghiên cứu vấn đề gì nhưng có những hệ chân không với buồng chân không bằng thép không gỉ sáng loáng, với những "roong" (vòng đệm - BTV) chân không bằng đồng đỏ nguyên chất, có thể đốt nóng buồng chân không lên nhiệt độ cao để loại khí. Nhìn những hệ chân không to đùng bằng thép tháo lắp được với độ chân không siêu cao như vậy tôi thèm lắm, vì ở thời điểm đó tại Hà Nội anh em trong "nhóm Selen" đang cậy cục nhờ xưởng cơ khí nhà máy phân đạm Hà Bắc gia công cho một hệ chân không, chỉ mong đạt được áp suất cỡ 10-5 mmHg!
Kết thúc đợt thực tập ở Hà Lan khoảng giữa tháng 8/1976, chúng tôi bay sang Berlin, tôi thì thăm vợ tôi, anh Thắng thì thăm bạn bè. Tôi không thể ở lâu, đầu tháng Chín tôi phải về đón con trai từ nhà em gái tôi ở Sơn La về học vỡ lòng.
Đưa con về, sắp xếp cho con đi học xong, tôi lên Bộ môn gặp anh Cự, báo cáo với anh về kết quả chuyến đi, tôi đưa anh Cự tập báo cáo tôi viết bằng tiếng Anh và bốn năm mạch vi điện tử đã đóng gói.
Khi tôi từ Hà Lan về thì nhân lực Bộ môn tăng lên đáng kể: anh Chu Hảo chuyển từ Viện Vật lý về ngay trước khi tôi đi Hà Lan, Nguyễn Đức Chiến, Nguyễn Văn Thực, Trần Kim Lan... ở trường Điện Leningrad về, Võ Thạch Sơn cũng ở Leningrad về nhưng đã làm việc ở "phòng nghiên cứu chế tạo tinh thể Si" của Nguyễn Xuân Thắng một thời gian nay chuyển sang. Các bạn này đều học theo chuyên ngành linh kiện bán dẫn. Khi đó, đề tài chế tạo bản selen dùng trong kỹ thuật in ảnh điện của "nhóm Selen" chúng tôi đã đạt nhiều kết quả khả quan và đang được gấp rút đưa vào sản xuất. Tôi còn nảy manh nha một ý tưởng mới: ứng dụng bản selen để tạo ảnh X-quang trên giấy thường, thay cho phim X-quang truyền thống. Hướng nghiên cứu này được gọi là xeroradiography.
Phòng Vi điện tử 1977. Các thành viên (từ phải sang): Phùng Hồ, Nguyễn Văn Thực, Koy, Nguyễn Đức Chiến, Lưu Công Lộ, Chu Hảo, Võ Thạch Sơn, Nguyễn Xuân Chánh, Holleman. Ảnh tư liệu của GS Phùng Hồ
Vì vậy tôi đề nghị với anh Cự chọn một người phụ trách và một ê-kíp lo xây dựng Phòng thí nghiệm Vi điện tử, tôi chỉ tham gia khi hai chuyên gia Hà Lan sang lắp đặt thiết bị máy móc và vận hành thử.
"Nhóm Vi điện tử" do anh Chu Hảo phụ trách được hình thành từ đó. Năm 1977 hai chuyên gia Hà Lan Holeman và Koy cùng hai bà vợ sang Hà Nội lắp đặt thiết bị công nghệ chế tạo mạch vi điện tử MOS.
Sau khi hoàn thành công việc lắp đặt thiết bị, chúng tôi đã dùng bộ 5 mặt nạ quang khắc của tôi chế tạo ở Hà Lan mang về để thử nghiệm chế tạo một "mẻ". Thiết bị công nghệ chạy thông suốt, có thể nói năm 1977 ở Bộ môn Vật lý chất rắn ĐH Bách khoa Hà Nội đã hình thành Phòng thí nghiệm Vi điện tử, đã chế tạo được mạch vi điện tử MOSFET, nhưng vì chưa có các thiết bị cho các khâu tiếp theo như: thiết bị rạch cắt phiến Silic, hàn chip, hàn dây, đóng mũ... nên chúng tôi chỉ có thể xác định một vài thông số nhờ các mũi dò đặt lên mạch vi điện tử còn nằm trên phiến Silic, nhờ kính hiển vi.
Sau đó nhóm nghiên cứu vi điện tử còn thực hiện tiếp một số đợt công nghệ và mong đợi phía Hà Lan viện trợ bổ sung thêm thiết bị và vật liệu tiêu hao, nhưng tuyệt nhiên không có phản hồi... Tuy thế Phòng thí nghiệm Vi điện tử vẫn được xem là một thành tựu nổi trội trong thuyết minh đề nghị thành lập Viện Vật lý Kỹ thuật trực thuộc Bộ Đại học và giáo dục đào tạo vào năm 1985. Khi thành lập Viện Vật lý Kỹ thuật, Bộ môn Vật lý chất rắn được chia thành ba "đơn vị": Bộ môn Vật lý Chất rắn (do tôi làm tổ trưởng Bộ môn), Phòng thí nghiệm chuyên đề Phân tích Cấu trúc (do anh Nguyễn Xuân Chánh làm trưởng phòng) và Phòng thí nghiệm chuyên đề Vi điện tử do anh Chu Hảo làm trưởng phòng.
Tuy Phòng thí nghiệm Vi điện tử đã thành một trong 7 thành viên của Viện Vật lý Kỹ thuật, nhưng nguồn viện trợ bổ sung từ phía Hà Lan vẫn im hơi lặng tiếng nên lĩnh vực vi điện tử MOS vẫn không được cải thiện chút nào. Anh Nguyễn Xuân Chánh giải thích sự cố này là vì khi GS Memmerlink giảng bài ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội có một số người tham dự mặc quân phục, nên phía Hà Lan nghi ngờ chúng ta xây dựng phòng thí nghiệm phục vụ mục đích quân sự nên họ chủ động cắt viện trợ.
Tôi thì cho rằng sự cố cắt viện trợ từ phía Hà Lan là do hành động trả đũa bằng cấm vận do Mỹ phát động khi ta tiến quân vào Campuchia giải cứu nhân dân Khơ-me khỏi nạn diệt chủng năm 1979. Vì nghĩ như vậy, năm 2019 trong lễ kỷ niệm 40 năm giải phóng thủ đô Phnom penh, khi nghe thủ tướng Hun sen nói bằng tiếng Việt rằng: "Ngoài sự hy sinh xương máu, nhân tài, vật lực, Việt Nam còn chịu đựng sự hy sinh to lớn về chính trị, Việt Nam đã phải chịu đựng mấy chục năm bao vây cấm vận của thế giới", tôi đã liên tưởng đến Phòng thí nghiệm Vi điện tử của chúng tôi mà viết một câu rằng: "Phòng thí nghiệm Vi điện tử sơ sinh đã chết yểu do sự phong tỏa cấm vận của Mỹ, có thể nói rằng Phòng thí nghiệm Vi điện tử đã hy sinh vì nghĩa lớn". Nhưng xét một cách toàn diện hơn, thì với sự bắt đầu của Phòng thí nghiệm khá là "xôm trò", mà qua mấy chục năm không phát triển lên được, ta không thể đổ lỗi hoàn toàn cho nguyên nhân khách quan.
Bình tĩnh nghiền ngẫm lại tôi thấy chúng ta có những thiếu sót.
Thứ nhất chúng ta chưa hiểu thấu đáo lĩnh vực chế tạo mạch vi điện tử, mà ngày nay ta hay nói là chế tạo chip. Hồi đó mới chỉ chú trọng vào các quy trình công nghệ planar mà quên mất các công đoạn thiết kế mạch. Việc ứng dụng các mạch vi điện tử, các con chip phụ thuộc đầu tiên vào khả năng thiết kế mạch theo đòi hỏi của bài toán thực tế đặt ra. Đây là một khâu rất khó, rất đa dạng và phong phú, mà lại rất yếu trong Bộ môn Vật lý chất rắn chúng tôi. Đáng lẽ ngay trong thời kỳ đầu nhóm Vi điện tử phải chú ý tự học tự bồi dưỡng để bắt kịp trào lưu của thế giới từ "thiết kế thủ công", học tập tiến đến thiết kế bằng máy tính... Việc này tất nhiên là khó, nhưng không phải không làm được. Năm 1992 khi tôi đang giảng dạy ở Algeria năm thứ hai, người ta yêu cầu tôi dạy cho sinh viên môn " thiết kế mạch tuyến tính" và hướng dẫn một luận văn tốt nghiệp về lĩnh vực vi điện tử. Đúng là rất choáng nhưng tôi đã vượt qua ngon lành.
Thứ hai chúng ta quên mất một nhiệm vụ quan trọng của Phòng thí nghiệm Vi điện tử là "phục vụ công tác giảng dạy". Khi chúng ta "chạy" được Phòng thí nghiệm Vi điện tử phải nói là ta đã bắt mạch rất trúng xu thế phát triển của thời đại về khoa học và công nghệ. Khi tôi sang Hà Lan thực tập thì chiều dài kênh dẫn trong MOSFET là hàng chục micron, khi anh Nguyễn Đức Chiến sang Pháp làm tiến sĩ thì chiều dài kênh "dưới micron", khi anh Nguyễn Hữu Lâm làm tiến sĩ ở Pháp thì luận án của anh ấy là các "chấm lượng tử"... kích thước tính bằng nanomet. Nhưng trong giảng dạy, trong đào tạo ta chưa có một sự thay đổi nào đáng kể. Thậm chí có những sai lầm "động trời" trong giáo trình Vật lý đại cương - Phần 3 về giải thích hoạt động của hai linh kiện cơ bản là điốt và transistor bán dẫn tồn tại 22 năm mà không ai đả động đến, ngoài tôi ra!
Bây giờ nghe tin có những công ty nước ngoài sẽ đầu tư lớn vào lĩnh vực bán dẫn, thậm chí có cả những cơ sở chế tạo chip, liệu Viện Vật lý Kỹ thuật, Bộ môn Vật liệu điện tử đã sẵn sàng đáp ứng nhiệm vụ đào tạo nhân lực khi có yêu cầu?!
Gần nửa thế kỷ trôi qua từ thời điểm chúng tôi bàn đến Phòng thí nghiệm Vi điện tử, bốn người đi Hà Lan hồi ấy giờ còn lại một mình tôi. Tôi bồi hồi nhớ lại một thời Bộ môn Vật lý chất rắn mới thành lập, một thời nhiệt tình, hăng say, năng nổ và không ít ngây thơ vụng dại.
---
Chú thích:
[1] MOSFET là transistor hiệu ứng trường, dùng điện áp để điều khiển dòng điện, khác với transistor lưỡng cực (BJT) dùng dòng điện để điều khiển dòng điện; dù có ý tưởng từ trước, MOSFET chỉ được chế tạo thành công năm 1960, muộn hơn transistor đầu tiên ra đời năm 1947.
[2] Tụ điện MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) là một cấu trúc linh kiện điện tử gồm ba lớp: điện cực cổng (Metal/Poly-Si), một lớp oxit cách điện mỏng (Oxide, thường là SiO₂) và chất bán dẫn nền (Semiconductor).
[3] Epitaxy-planar: công nghệ chế tạo transistor trên các lớp silic tinh khiết và bề mặt phẳng, công nghệ nền tảng dẫn tới sự ra đời của vi mạch tích hợp hiện đại.