Không phải Intel, công ty ít tên tuổi này mới là người kéo dài tuổi thọ cho Định luật Moore

Việc thu hẹp kích thước bóng bán dẫn theo Định luật Moore đã trở thành kim chỉ nam cho ngành công nghiệp chip cũng như toàn ngành công nghệ trong hàng chục năm qua. Nhưng mỗi khi bóng bán dẫn được thu hẹp lại, các nhà sản xuất chip lại tiến gần hơn đến giới hạn sản xuất của mình. Nhưng một công ty ít tên tuổi đang giúp kéo dài tuổi thọ của cả Định luật Moore cũng như khả năng sản xuất của các nhà sản xuất chip.

Công ty đó là ASML, có lẽ là một trong những công ty ít người biết đến nhất dù những gì họ làm ra có thể làm thay đổi cả thế giới công nghệ. Đó là vì họ đang nắm đến 85% thị phần của một thị trường cũng không được nhiều người chú ý đến – các máy quang khắc để sản xuất chip. 15% thị phần còn lại thuộc về các công ty nhiều người biết đến hơn, hãng Canon và Nikon.

Một trong những công đoạn quan trọng nhất của quá trình sản xuất chip chính là việc tạo nên các đường khắc vô cùng nhỏ - chỉ bằng vài chục phần triệu bề rộng của sợi tóc người – trên bề mặt chất bán dẫn, để từ đó tạo nên các điện cực cũng như các cổng điều khiển dòng điện qua các cực đó.

Để tạo nên những đường khắc vô cùng nhỏ đó một cách chính xác, các nhà sản xuất chip cần một "con dao" thật sắc bén và nhỏ không kém. Đó chính là ánh sáng. Chính vì vậy, quá trình tạo nên các đường khắc này được gọi là quang khắc. Đây chính là công đoạn cần đến các máy chế tạo chip của ASML.

Thành phần chủ yếu bên trong cỗ máy chế tạo chip của ASML là các những thấu kính với độ chính xác cao, cùng với những bộ điều khiển ánh sáng đi qua các thấu kính đó. Những cỗ máy của ASML tuân theo một công thức để tạo ra các vết cắt như ý muốn – công thức Rayleigh:

Trong đó CD là viết tắt của Critical Dimension – hay kích thước tới hạn – khoảng cách nhỏ nhất mà hệ thống có thể in được. λ là bước sóng ánh sáng sử dụng, NA là viết tắt của Numerical Aperture – hay số khẩu độ của hệ các ống kính trong cỗ máy quang khắc và k1 là hệ số phân giải.

Để kéo dài sự sống của định luật Moore, thu hẹp con chip kích thước con chip, điều cần thiết là giảm kích thước tới hạn hay giảm CD. Để làm được điều này, nhà sản xuất có thể sử dụng ánh sáng bước sóng ngắn hơn, tăng số khẩu độ của hệ các ống kính và giảm hệ số phân giải k1.

Từ đầu những năm 2000, sau nhiều bước nhảy về bước sóng ánh sáng sử dụng trong quá trình quang khắc, nhiều nhà sản xuất bắt đầu sử dụng phổ biến tia cực tím sâu (Deep UltraViolet hay DUV) với bước sóng 193nm khi chuyển sang chip 90nm.

Trong hơn một thập kỷ sau đó, cho dù bước sóng được giữ nguyên, nhưng các máy chế tạo chip của ASML và các đối thủ như Nikon và Canon đã tìm được cách tạo ra các vết cắt nhỏ hơn nữa, bằng cách bổ sung thêm thấu kính và gia tăng khẩu độ của cả hệ kính hoặc nhúng ướt bằng nước, cũng như giảm hệ số k1. Nhưng khi ngành công nghiệp chip đạt tới tiến trình 28nm, giới hạn của bước sóng DUV 193nm bắt đầu xuất hiện, với các vết cắt mà công nghệ này tạo ra không thể nhỏ hơn 50nm.

Tuy nhiên Intel và nhiều hãng gia công chip khác như TSMC và GlobalFoundries đã tìm ra một cách "lách luật" để vượt qua giới hạn này. Đó là kỹ thuật multiple patterning (đa bố cục mẫu chip) – giờ đây bố cục mẫu chip (patterning) trên tấm wafer thay vì được in trong một lần chiếu sáng, sẽ được in thành nhiều lần. Do vậy, bố cục mẫu chip cuối cùng được chia thành nhiều phần, mỗi lần chỉ in một phần của nó phù hợp với khoảng cách giới hạn của DUV, để cuối cùng thu được mẫu chip mong muốn.

Làm vậy cũng có nghĩa chi phí thiết kế và gia công chip sẽ tăng lên nhưng nó thực sự giúp định luật Moore kéo dài giới hạn của mình thêm nhiều năm nữa. Nhưng không gì là mãi mãi, khi các nhà sản xuất chip bắt đầu tích cực chuyển sang tiến trình 10nm và nhỏ hơn nữa, công nghệ tia DUV thực sự chạm phải giới hạn cuối cùng của mình.

Lúc này, ngành công nghiệp sản xuất chip bắt đầu hướng tới một bước sóng mới, tia siêu cực tím sâu EUV Extreme UltraViolet, với bước sóng vô cùng ngắn so với DUV, chỉ 13,5nm. Tuy nhiên, bước sóng cực ngắn của EUV lại là một con ngựa bất kham với nhiều thách thức mới: Nó bị hấp thụ trong không khí và các ống kính.

Đến lúc này, thành quả hơn một thập kỷ nghiên cứu của ASML bắt đầu đơm hoa, kết trái. ASML đã chế tạo được các cỗ máy quang khắc chip sử dụng tia EUV bằng cách tạo nên những buồng chân không gần như tuyệt đối và một hệ thống gương phản chiếu siêu chính xác của hãng Zeiss, Đức. Mức độ sai sót của các đường khắc trên con chip chỉ được tính bằng picomet – hay 1/1000 của nanomet.

Hình vẽ dưới đây cho thấy sự chính xác vượt trội của công nghệ tia EUV so với kỹ thuật multiple patterning trong quang khắc chip.

Những cỗ máy quang khắc EUV của ASML nhanh chóng cho thấy tầm quan trọng của mình. Sau khi thử nghiệm quá trình sản xuất chip trên máy quang khắc EUV của ASML vào năm ngoái, sự thành công của quá trình thử nghiệm khiến TSMC đặt hàng đến 18 cỗ máy quang khắc của hãng sản xuất Hà Lan này. Và đơn hàng này cũng không hề rẻ. Với mức giá đến 120 triệu USD mỗi cỗ máy, TSMC phải trả cho ASML hơn 2 tỷ USD để được sở hữu những cỗ máy này.

Nhưng các cỗ máy quang khắc EUV của ASML thực sự tương xứng với mức giá của nó, cũng như khả năng kéo dài sự sống của Định luật Moore. Với các cỗ máy này, TSMC không chỉ có thể sản xuất hàng loạt các chip tiến trình 7nm mới với hiệu năng cao hơn, mà còn sẵn sàng ra mắt các chip 5nm bằng những cỗ máy này trong thời gian tới.

Không chỉ giúp tạo ra những con chip cao cấp hơn, những cỗ máy quang khắc EUV của hãng ASML thực sự có thể tạo nên thay đổi cho cả ngành công nghiệp chip. Trước đây, sản xuất chip với kỹ thuật đa bố cục mẫu sẽ cần đến nhiều lớp bố cục mẫu khác nhau, ví dụ đối với các chip tiến trình 7nm, sẽ cần đến 27 lớp bố cục mẫu, trong khi đó việc chuyển sang EUV sẽ rút ngắn quá trình chế tạo xuống còn 14 lớp.

Không chỉ rút ngắn thời gian chế tạo chip, điều này sẽ giúp tiết kiệm nhiều chi phí liên quan như dung dịch rửa mẫu và có thể tác động tiêu cực đến các công ty cung cấp các hóa chất này như Applied Materials, Lam Research và Photonics. Bên cạnh đó, một số nhà cung cấp thiết bị và vật liệu khác trong chuỗi cung cấp ngành bán dẫn cũng bị tác động tiêu cực từ sự tiến bộ của công nghệ chế tạo chip mới này.

Không chỉ vậy, thành công từ cỗ máy quang khắc EUV của ASML còn tác động tiêu cực đến hai đối thủ chính của họ, Nikon và Canon, những người đã từ bỏ việc phát triển công nghệ chế tạo chip bằng tia EUV vì sự phức tạp trong các thách thức công nghệ của nó.

Quả thật, sự thống trị tuyệt đối của những cỗ máy quang khắc EUV mà ASML đang có ngày nay là thành quả của 20 năm nghiên cứu với hàng tỷ USD tiền đầu tư được rót vào – một nửa khoản đầu tư đó đến từ chính các nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới hiện nay. Intel, tsmc và Samsung đều cùng tham gia đầu tư vào ASML với số tiền tương ứng 4,1 tỷ Euro, 838 triệu Euro và 503 triệu Euro để phát triển công nghệ EUV.

Tất cả đã giúp ngành công nghiệp bán dẫn trị giá hàng trăm tỷ USD kéo dài thêm Định luật Moore và tăng trưởng của cả ngành.