Ván cược EUV: Cách ASML tạo ra cỗ máy làm chip phức tạp nhất thế giới

Hai thập kỷ nghiên cứu ròng rã và sự hợp tác của hàng nghìn doanh nghiệp đã biến ván cược ấy thành một kỳ quan kỹ thuật của thời hiện đại - cỗ máy giữ vai trò quan trọng bậc nhất trong sản xuất chip.

Năm 2011, Peter Wennink, khi đó là Giám đốc Tài chính của ASML, lên máy bay tới Đài Loan với một nhiệm vụ quan trọng: thuyết phục TSMC rót tiền cho dự án quang khắc siêu cực tím. Sau cả thập kỷ nghiên cứu, công nghệ này vẫn chưa chứng minh được khả năng thương mại hóa.

Nhưng TSMC từ chối đề nghị của Wennink. Nhà máy đúc chip lớn nhất này vẫn đang cân nhắc nhiều phương án khác để thu nhỏ các transistor trên chip nhằm sản xuất chip hiệu năng cao hơn, trong đó có công nghệ chùm tia điện tử. Thay vì sử dụng các photon ánh sáng, công nghệ này sử dụng chùm electron để trực tiếp "vẽ" sơ đồ mạch điện lên wafer. (Về sau công nghệ này không thay thế được máy quang khắc do tốc độ "vẽ" mạch điện chậm hơn).

Đó là một thời điểm đầy rủi ro đối với ASML khi dốc sức theo đuổi một công nghệ sau này sẽ quyết định tương lai ngành bán dẫn nhưng lúc đó không ai nghĩ sẽ thành hiện thực. Ngay cả những khách hàng tiềm năng nhất cũng không đủ tin tưởng để sẵn sàng đầu tư.

Một năm sau, Wennink trở lại Đài Loan với đề xuất khác: thay vì chỉ tài trợ nghiên cứu EUV, các hãng sản xuất chip có thể mua cổ phần ASML. Samsung, TSMC và Intel lần lượt tham gia. Đổi lại khoản đầu tư tổng cộng 3,9 tỷ euro, Samsung mua 3% cổ phần ASML, TSMC mua 5%, còn Intel cam kết mua tới 15%.

Nguồn vốn này giúp ASML tiếp tục theo đuổi một trong những bài toán kỹ thuật khó nhất lịch sử ngành bán dẫn.

Để hiểu vì sao công ty sẵn sàng đánh cược lớn như vậy, cần nhìn vào cuộc chạy đua thu nhỏ transistor - đóng vai trò như công tắc điện tử trong chip, chuyển đổi trạng thái giữa số 0 và số 1, tạo nên nền tảng hoạt động của mọi máy tính và các thiết bị số ngày nay.

Đánh cược vào một công nghệ chưa được chứng minh

Suốt nhiều thập kỷ, Intel, TSMC và Samsung đổ nguồn lực để tích hợp ngày càng nhiều transistor lên một diện tích chip nhỏ hơn. Mỗi thế hệ chip mới mạnh hơn, bé hơn cần những đường mạch nhỏ hơn, dày đặc hơn và chính xác cao hơn.

Một công đoạn quyết định khả năng thu nhỏ đó là quang khắc (lithography). Có thể hình dung đây là quá trình dùng ánh sáng để "in" bản thiết kế vi mạch lên bề mặt phiến wafer làm từ silicon. Một mặt nạ quang học mang họa tiết là các mạch được đặt giữa nguồn sáng và phiến bán dẫn đó. Ánh sáng đi qua mặt nạ, được hệ thống quang học thu nhỏ và hội tụ, rồi chiếu lên lớp hóa chất nhạy sáng phủ trên wafer, để lại những đường nét của vi mạch.

Đi theo những tham vọng thu nhỏ chip thì những đường nét này cũng ngày càng phải nhỏ theo. Ngành bán dẫn từng sử dụng ánh sáng có bước sóng hàng trăm nanomet, sau đó chuyển sang tia cực tím sâu (DUV) với bước sóng 193 nanomet. Nhưng khi các chi tiết vi mạch tiếp tục thu hẹp, công nghệ DUV dần chạm tới giới hạn về độ phân giải.

Một hướng đi mới được đặt ra: sử dụng ánh sáng EUV, có bước sóng chỉ 13,5 nanomet, ngắn hơn rất nhiều so với DUV. Về nguyên lý, bước sóng càng ngắn thì càng có thể tạo ra những họa tiết nhỏ và dày đặc hơn trên chip.

Nhưng ý tưởng ấy lại kéo theo hàng loạt vấn đề chưa từng có tiền lệ. Vì bước sóng quá ngắn, ánh sáng EUV bị không khí hấp thụ gần như ngay lập tức, buộc toàn bộ quá trình phải diễn ra trong môi trường chân không. Mà trong chân không, vật liệu có thể giải phóng các phân tử khí, hiện tượng gọi là thoát khí, gây nguy cơ làm nhiễm bẩn hệ thống quang học. Một vấn đề được giải quyết thì lại phát sinh ra loạt vấn đề khác.

Không chỉ vậy, ánh sáng EUV còn đòi hỏi nguồn phát, thấu kính và gương, mặt nạ và chất cản quang hoàn toàn khác với những gì ngành bán dẫn từng sử dụng. Chính phủ Mỹ và các tập đoàn Mỹ dẫn đầu ngành vào những năm 1990 nghi ngờ tính khả thi của EUV. Con đường phát triển EUV từng có sự tham gia của nhiều chính phủ, tập đoàn và phòng thí nghiệm nhưng năm 1996 Mỹ đình chỉ tài trợ cho chương trình nghiên cứu siêu cực tím EUV do "quá nhiều rủi ro"; Intel đã đứng ra thành lập liên minh EUV LLC cùng AMD, Motorola và ba phòng thí nghiệm quốc gia, nhưng đến đầu 2000 EUV LLC chính thức kết thúc. Còn ASML vẫn kiên trì theo đuổi nhiệm vụ bất khả thi này.

Năm 1997, ASML tuyển nhà vật lý Jos Benschop (trước đó ông nghiên cứu ở Đại học Twente và làm việc tại hãng Philips) để khởi động chương trình nghiên cứu công nghệ quang khắc thế hệ mới. Sau khi khảo sát nhiều hướng đi, đến năm 2001, hãng mới quyết định đặt cược vào EUV, trước mắt giao một nhóm theo đuổi công nghệ này.

"Việc chuyển sang môi trường chân không là một cuộc phiêu lưu thực sự", Benschop nhớ lại trong một bài viết kể về lịch sử công nghệ EUV vào năm 2022. Benschop giải thích rằng trong một thời gian dài, ASML đã tập trung vào các rào cản lớn nhất với công nghệ mới: nguồn sáng phát ra tia EUV, mặt nạ quang học đặt giữa nguồn sáng, chất cản quang và hệ thống quang học. Toàn bộ cỗ máy quang khắc nặng bằng hai chiếc máy bay phải được thiết kế lại để thích nghi với những quy luật vật lý mới.

Bài toán tạo ra những chiếc gương gần như hoàn hảo

Thấu kính và gương dùng cho kỹ thuật quang khắc với bước sóng ánh sáng lớn hơn hoàn toàn không phù hợp với ánh sáng EUV, do đó phải được thiết kế lại toàn bộ. Gương kiểu cũ dù đánh bóng đến đâu vẫn gồ ghề, không những không phản xạ được chính xác chùm sáng EUV siêu nhỏ, mà còn hấp thụ luôn cả chùm sáng đó. Làm sao giải quyết bài toán hóc búa này?

ASML buộc phải tìm một giải pháp hoàn toàn khác: dẫn truyền và hội tụ ánh sáng bằng gương trong môi trường chân không. Cùng với đối tác lâu năm là hãng quang học Zeiss của Đức, ASML phải phát triển một loại gương chưa từng có trong sản xuất chip.

Giải pháp của Zeiss là cấu trúc gương phủ nhiều lớp vật liệu siêu mỏng. Khoảng 40 cặp lớp silicon và molybdenum được xếp xen kẽ trên bề mặt, mỗi lớp chỉ dày vài nanomet. Độ dày từng lớp được tính toán để những chùm sáng phản xạ từ các bề mặt khác nhau có thể cộng hưởng, tăng cường khả năng phản xạ tại bước sóng EUV 13,5 nanomet.

Không chỉ phải có cấu trúc nhiều lớp chính xác, bề mặt gương còn phải được gia công với độ hoàn hảo gần như không tưởng. Zeiss đưa ra một phép so sánh: nếu phóng đại bề mặt chiếc gương lên diện tích tương đương nước Đức, những chỗ gồ ghề cao nhất cũng chỉ được phép ở mức khoảng 0,1 mm.

Dẫu vậy, ngay cả những chiếc gương kỳ công ấy vẫn chỉ phản xạ được khoảng 70% ánh sáng EUV. Một cỗ máy EUV cần nhiều gương nối tiếp nhau để dẫn chùm sáng từ nguồn phát, qua mặt nạ chứa bản thiết kế vi mạch rồi hội tụ xuống bề mặt silicon. Sau khoảng một chục lần phản xạ, lượng ánh sáng còn lại có thể chỉ còn 2%.

Đó là lý do ASML cần một nguồn sáng cực mạnh. Bài toán quang học và bài toán nguồn sáng thực chất gắn chặt với nhau: gương càng làm mất nhiều ánh sáng, nguồn phát càng phải mạnh hơn để bảo đảm đủ năng lượng cho quá trình sản xuất chip.

Bài toán tạo ra thứ ánh sáng chưa từng tồn tại

Nếu hệ thống gương là đôi mắt của cỗ máy quang khắc EUV, nguồn sáng chính là trái tim của nó. Và đây mới là một trong những thách thức nan giải nhất.

Đây là một vấn đề nhức nhối, bởi thời gian càng kéo dài ASML càng khó tiếp tục theo đuổi EUV chỉ bằng nguồn lực của mình. Đến năm 2011 - 2012, sau cuộc khủng hoảng tài chính toàn cầu, công ty bắt đầu gặp khó khăn trong việc duy trì nguồn tài chính cho dự án. Trọng trách tìm nguồn đầu tư mới đặt lên vai Peter Wennink, lúc đó là Giám đốc Tài chính và sau này là Tổng Giám đốc của ASML.

Tại Đại hội đồng cổ đông bất thường năm 2012, Peter Wennink thừa nhận ASML không thể đơn phương gánh toàn bộ chi phí phát triển những công nghệ thế hệ tiếp theo. Ông cho biết khách hàng cũng chính là những người thúc giục công ty đẩy nhanh tiến độ EUV, nhưng nếu muốn có công nghệ sớm hơn, họ phải cùng chia sẻ chi phí và rủi ro. Tháng 7/2012, ASML công bố một chương trình chưa từng có tiền lệ: cho phép ba khách hàng lớn nhất là Intel, TSMC và Samsung mua cổ phần của công ty, đồng thời phải cam kết tài trợ các chương trình nghiên cứu trong năm năm tiếp theo, như đã nhắc ở đầu câu chuyện.

Ánh sáng EUV được tạo ra bằng laser, thiếc và plasma (trạng thái vật chất cực nóng, trong đó các nguyên tử bị tách electron). Khi bắn tia laser 50.000 lần mỗi giây vào các giọt thiếc dạng lỏng, plasma sẽ được tạo ra. Và từ khối plasma quý giá đó, ánh sáng EUV sẽ xuất hiện. Để có thể sử dụng cho kỹ thuật quang khắc siêu cực tím, ASML cần nguồn sáng EUV đạt công suất tối thiểu 250 watt, nhưng phát ra thứ ánh sáng có bước sóng 13,5 nanomet, chỉ bằng khoảng 1/7.000 đường kính sợi tóc người. Nguồn sáng như vậy, được tạo ra từ một tia laser cực mạnh, vào thời điểm đó vẫn chưa từng tồn tại trên đời. Bản thân ASML thiếu chuyên gia nội bộ để đạt đến kỳ tích đó, và đã từng hợp tác bất thành với các nhà cung cấp ở Hà Lan, Nhật Bản và Mỹ khi tìm kiếm giải pháp. Cuộc tìm kiếm của họ dừng chân ở San Diego, Mỹ, nơi đặt trụ sở công ty Cymer.

Nhưng chặng đường cuối để ASML tạo ra nguồn sáng cho cỗ máy quang khắc EUV cũng lại rơi vào ngõ cụt. Nhiều năm nghiên cứu miệt mài chỉ đem lại mức công suất thấp. "Nhiều khách hàng liên tục nhắc đến lộ trình phát triển nguồn sáng mà chúng tôi đã công bố và nói rằng đây là những gì các ông hứa từ nhiều năm trước, nhưng thực tế vẫn còn cách rất xa. Họ muốn nghiền chúng tôi ra ở SPIE (một hội nghị chuyên ngành quan trọng về quang học và công nghệ quang tử)", Benschop kể lại những ngày tháng ASML ở trung tâm của căng thẳng và nghi ngờ.

"Tôi từng ngây thơ nói rằng EUV sẽ được đưa vào sản xuất hàng loạt năm 2006. Lúc đó tôi phải xấu hổ thừa nhận rằng nó đã chậm tới 13 năm. Nhưng chẳng phải người ta đã từng không tin sẽ có điện thoại ngày nay hay sao?", ông nói.

Mọi chuyện chỉ thay đổi sau khi ASML quyết định thâu tóm Cymer vào năm 2013. Nhờ nguồn lực tài chính và kỹ thuật lớn hơn, công suất nguồn sáng vượt ngưỡng 160 watt, chạm mốc 200 watt, rồi vươn tới cột mốc 250 watt - mức để thương mại hóa chip tiến trình tiên tiến.

Vụ thâu tóm cho phép ASML tập trung nguồn lực giải bài toán vật lý hóc búa nhất: nguồn sáng plasma từ thiếc lỏng. Hệ thống phải dùng laser bắn trúng những giọt thiếc kích thước siêu nhỏ di chuyển với tốc độ tên lửa để bóc tách electron, từ đó tạo ra tia siêu cực tím, đồng thời phải triệt tiêu tối đa các mảnh vỡ kim loại có nguy cơ phá hủy hệ thống gương hội tụ. Giải pháp mang tính cách mạng là sử dụng hai xung laser liên tiếp: một xung mồi làm dẹt giọt thiếc để mở rộng bề mặt tiếp xúc, ngay trước khi xung chính giáng xuống kích nổ tạo plasma.

Cụ thể, một giọt thiếc lỏng được bắn vào buồng chân không và đón một xung ánh sáng đơn để làm tan chảy và dát phẳng nó. Khi giọt thiếc tiếp tục rơi, xung ánh sáng thứ hai mạnh hơn sẽ làm bay hơi giọt thiếc, tạo ra khối plasma cực nóng phát ra ánh sáng ở dải bước sóng hẹp cần thiết cho kỹ thuật quang khắc siêu cực tím. Chùm sáng sau đó được hội tụ bằng cách phản xạ qua chuỗi gương hoàn hảo do Zeiss chế tạo.

Ánh sáng sau đó chiếu tới mặt nạ chứa bản thiết kế vi mạch cần in lên chip. Do họa tiết trên mặt nạ thường lớn gấp nhiều lần kích thước thực tế mong muốn trên chip, ánh sáng tiếp tục được phản xạ qua một hệ thống gương thứ hai. Sau khi phản xạ từ mặt nạ, ánh sáng mang theo họa tiết dưới dạng các chùm tia tỏa ra từ mỗi điểm. Hệ thống gương tiếp theo sẽ bẻ góc các tia này vào trong, để thay vì phân tán rộng, chúng hội tụ lại trên một khoảng cách ngắn hơn. Khi các tia từ mỗi điểm quy tụ lại sớm hơn, hình ảnh chúng tạo ra sẽ có kích thước vật lý nhỏ hơn. Bằng cách lặp lại quá trình này qua nhiều tấm gương được gọt giũa tỉ mỉ, các kỹ sư thu nhỏ họa tiết theo một tỉ lệ cố định trong khi vẫn giữ cho hình ảnh hoàn toàn sắc nét. Sau khi được thu nhỏ bốn lần, chùm sáng mới chạm tới bề mặt tấm silicon.

Có thể hình dung các bước sóng dài hơn hoạt động giống như một chiếc đục cùn, chỉ thích hợp cho đẽo gọt thô chứ không thể tạc nên những chi tiết tinh tế. Công nghệ quang khắc bắt buộc phải rút ngắn bước sóng xuống tận dải siêu cực tím để đạt độ phân giải quang khắc cần thiết cho các tiến trình tiên tiến nhất. Bước sóng siêu ngắn chỉ 13,5 nanomet có thể tạo ra các họa tiết chuẩn xác hơn chỉ sau một lần phơi sáng duy nhất. Nếu không có EUV, hoạt động sản xuất chip ở tiến trình 5 nanomet có thể đòi hỏi tới 100 bước phơi sáng khác nhau.

Với thành tựu này, cuối cùng một cỗ máy EUV có thể vận hành trên thực tế đã trong tầm tay của ASML.

Một mạng lưới 5000 công ty khắp thế giới

Thành công của ASML không chỉ đến từ những đột phá kỹ thuật hay quyết tâm theo đuổi một hướng đi dài hạn. Đằng sau cỗ máy EUV còn là một mạng lưới hợp tác công nghiệp có quy mô hiếm thấy.

Khi được hỏi về "bí mật của ASML là gì" trong một cuộc phỏng vấn tại Đại học Eindhoven (Hà Lan) năm 2024, cựu Giám đốc Công nghệ ASML Martin van den Brink nhấn mạnh vai trò của sự hợp tác, cả bên trong lẫn bên ngoài công ty. Một cỗ máy EUV chứa khoảng 100.000 linh kiện độc quyền, trong đó chỉ 20% được sản xuất nội bộ, phần còn lại là từ nhà cung ứng bên ngoài. Hầu hết các nhà cung ứng này không được công chúng biết đến, gồm khoảng 1.600 công ty ở Hà Lan, 1.400 ở Bắc Mỹ và 1.400 nữa ở châu Á.

Chính phủ cũng góp một phần công lao không nhỏ vào thành công của ASML. Hà Lan và Liên minh Châu Âu từng hỗ trợ tài chính cho công ty trong những năm tháng gian khó ban đầu. Về sau thì mối quan hệ hợp tác giữa ASML và gã khổng lồ sản xuất chip TSMC tất nhiên cũng có tính quyết định.

Ngày nay, ASML nắm giữ vị trí "yết hầu" của ngành bán dẫn toàn cầu: hãng là nhà cung cấp duy nhất các hệ thống quang khắc EUV. Các tập đoàn hàng đầu như TSMC, Samsung hay Intel đều phải dựa vào thiết bị của ASML để duy trì cuộc đua ở những tiến trình chip tiên tiến. Mỗi máy EUV của hãng có giá bán hơn 120 triệu USD. Với giá trị vốn hóa thị trường vượt mức 400 tỉ USD, ASML là một trong những công ty giá trị nhất châu Âu.

Trên hết, ASML đã chiến thắng nhờ sự kiên nhẫn. Quá trình phát triển cỗ máy EUV mất nhiều thập kỷ, thế nhưng họ chưa từng bỏ cuộc. Đó là một nghịch lý kỳ lạ: ASML trở thành cỗ máy thầm lặng vận hành nền kinh tế số cho toàn cầu, nhưng ngày nay trong nền kinh tế ấy, các báo cáo tài chính hàng quý và những cổ đông thiếu kiên nhẫn lại là bên đẩy nhanh tốc độ, khiến cho không gian dành cho những nghiên cứu có tầm nhìn dài hạn như ASML từng làm ngày càng bị thu hẹp. Với ASML, một kỳ tích phi thường luôn cần đến nền tảng khoa học vững chắc, sự kiên nhẫn hàng thập kỷ, chứ không có chỗ cho các mong muốn nóng vội.

Hải Minh - Mỹ Hạnh tổng hợp