GS.TS. Từ Trung Chấn

Viện Khoa học và Giáo dục Đông Nam Á

 

Tóm tắt:

Bài viết trình bày tổng quan công nghệ in thạch bản EUV (Extreme Ultraviolet Lithography) – công nghệ tiên tiến nhất hiện nay trong chế tạo vi mạch bán dẫn kích thước siêu nhỏ (<5nm). Công nghệ EUV do công ty ASML (Hà Lan) độc quyền phát triển và cung ứng, với sự tham gia của nhiều quốc gia trong chuỗi cung ứng toàn cầu. Bài viết phân tích đặc điểm kỹ thuật, cấu trúc hệ thống EUV, vai trò của các thành phần then chốt như laser, hóa chất cản quang, phần mềm thiết kế EDA và nhân lực, đồng thời chỉ ra lý do vì sao EUV hiện vẫn là công nghệ 'không thể thay thế' và chưa quốc gia nào có thể sao chép trong thời gian ngắn.

1. Giới thiệu

Ngành công nghiệp vi mạch đang bước vào kỷ nguyên của công nghệ sản xuất dưới 5nm, trong đó công nghệ in thạch bản EUV là điều kiện tiên quyết. Trái với các thiết bị in thạch bản DUV (Deep Ultraviolet) trước đây sử dụng ánh sáng bước sóng 193nm, EUV sử dụng bước sóng cực ngắn 13.5nm, cho phép tạo ra các chi tiết bán dẫn với mật độ hơn 100.000 transistor/mm².

Cho đến nay, chỉ duy nhất công ty ASML (Hà Lan) làm chủ được công nghệ này. Các hệ thống EUV hiện đại có giá lên tới 100–300 triệu USD, với hơn 100.000 linh kiện cơ điện, cần 5–6 máy bay Boeing để vận chuyển. Mỗi hệ thống đòi hỏi sự kết hợp tinh vi giữa các công nghệ laser, hóa chất, phần mềm và nhân lực kỹ thuật cao.

2. Cấu trúc và hoạt động của hệ thống EUV

2.1 Nguồn sáng EUV

Ánh sáng EUV không thể tạo ra bằng các bóng đèn thông thường. Công nghệ này dựa vào laser CO₂ công suất cao do công ty Trumpf (Đức) cung cấp, với 50.000 xung laser/giây bắn vào các giọt thiếc siêu nhỏ (tin droplets) hai lần. Khi thiếc bị hóa hơi, nó phát ra bức xạ EUV bước sóng 13.5nm.

2.2 Hệ quang học và chiếu sáng

Do bước sóng ngắn, EUV không thể truyền qua thấu kính thủy tinh như trong DUV. Thay vào đó, hệ quang học đặc biệt gồm gương siêu phẳng phủ nhiều lớp dùng để hội tụ ánh sáng lên tấm wafer Silicon. Mọi sai lệch ở cấp độ nano đều có thể làm hỏng quá trình in khắc.

2.3 Vật liệu và hóa chất

- Photoresist thế hệ mới: Chất cản quang có độ phân giải cao, chủ yếu do Nhật Bản sản xuất.

- Hydrogen Fluoride và Fluorinated Polyamide: Cần thiết trong xử lý và tẩy rửa.

- Các vật liệu này hiện chỉ có một số ít quốc gia như Nhật sản xuất được.

2.4 Phần mềm thiết kế

Với hàng trăm ngàn bóng bán dẫn/mm², việc thiết kế mạch yêu cầu các phần mềm EDA (Electronic Design Automation) tiên tiến như từ Cadence, Synopsys (Mỹ). EDA mô phỏng toàn bộ quy trình từ thiết kế, chiếu sáng, hiệu chỉnh đến thử nghiệm.

3. Chuỗi cung ứng toàn cầu của công nghệ EUV

Công nghệ EUV không thể vận hành bởi một quốc gia riêng lẻ. Chuỗi cung ứng bao gồm:

- Máy EUV: ASML – Hà Lan

- Nguồn Laser: Trumpf – Đức

- Photoresist: Nhật Bản

- Phần mềm thiết kế: Mỹ

- Gương phản xạ: Zeiss – Đức

- Bộ điều khiển quang học: Anh, Hà Lan

Do đó, bất kỳ sự gián đoạn hoặc lệnh cấm vận từ một quốc gia nào cũng có thể làm đình trệ toàn bộ quy trình sản xuất chip tiên tiến.

 

 

4. Độ phức tạp và tính độc quyền

- Mỗi hệ thống EUV có hơn 100.000 chi tiết cơ khí, hệ thống laser chứa 457.329 chi tiết riêng biệt.

- Tính tổng thể, mỗi hệ thống EUV tích hợp hơn 45 tỷ chi tiết, yêu cầu kiểm soát cực kỳ nghiêm ngặt.

- Quá trình đặt hàng mất 1–2 năm, và chỉ một số khách hàng như TSMC, Samsung mới đủ điều kiện tiếp cận.

- Ngoài ra, quá trình vận hành cần các kỹ sư có tay nghề cao, đào tạo bài bản, không thể thay thế nhanh chóng.

5. Tình hình thực tế và ngộ nhận

Hiện nay, chỉ có 2 công ty sản xuất chip 3nm và 2nm thành công là:

- TSMC (Đài Loan): Cung cấp cho Apple, Qualcomm, Nvidia...

- Samsung (Hàn Quốc): Sản xuất bán dẫn cho nhiều tập đoàn lớn.

Các công ty như Intel, AMD, Micron, Nvidia dù có nguồn lực tài chính dồi dào vẫn phải phụ thuộc vào hệ sinh thái EUV quốc tế. Một số tuyên bố về việc đã “tự phát triển chip tương đương” hiện vẫn thiếu cơ sở kỹ thuật.

6. Kết luận

Công nghệ in thạch bản EUV là đỉnh cao của kỹ thuật chế tạo vi mạch hiện đại, đòi hỏi hợp tác toàn cầu và đầu tư lâu dài. Việc làm chủ được công nghệ này không chỉ phụ thuộc vào tài chính, mà còn là bài toán tích hợp kiến thức, kỹ năng, công nghệ và chuỗi cung ứng quốc tế. Trong bối cảnh địa chính trị và cấm vận, việc sản xuất chip kích thước siêu nhỏ là thách thức không quốc gia nào có thể vượt qua trong thời gian ngắn.

Tài liệu tham khảo:

1. ASML Official Website: https://www.asml.com

2. IEEE Spectrum, “How EUV Works,” 2021.

3. Trumpf Laser Systems, Technical Overview, 2022.

4. Semiconductor Industry Association (SIA), Global Supply Chain Report 2023.

5. Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS (JM3), Vol. 22, 2024.