Làm thế nào một công ty đặt trụ sở tại một thị trấn nhỏ ở Hà Lan lại có thể tạo ra những cỗ máy duy nhất trên thế giới đủ khả năng in các cấu trúc vi mạch tiên tiến nhất, nền tảng cho những con chip hiện đại?
Tuy nhiên, ASML có trụ sở tại Veldhoven, một đô thị thuộc Hà Lan nằm cách thành phố Eindhoven khoảng 10 phút lái xe với chưa đến 48.000 dân, không thực sự chế tạo những cỗ máy này một mình. Từ đại bản doanh tại Veldhoven, công ty điều phối hàng nghìn nhà cung cấp chuyên biệt, tích hợp các linh kiện do họ sản xuất rồi lắp ráp thành hệ thống hoàn chỉnh bên trong các nhà máy chế tạo chip tiên tiến nhất thế giới. Thế hệ máy mới nhất, mang tên High-NA EUV, có giá khoảng 350 triệu euro mỗi hệ thống.
Các hệ thống quang khắc cực tím bước sóng cực ngắn (EUV) của ASML sử dụng ánh sáng để chiếu những hoa văn siêu nhỏ lên các tấm nền (wafer) silicon. Những hoa văn này được dùng để tạo nên hàng tỷ bóng bán dẫn và các lớp liên kết điện bên trong bộ xử lý của điện thoại thông minh, trung tâm dữ liệu và các bộ tăng tốc AI hiện đại. Hiện nay, không có công ty nào khác trên thế giới bán máy quang khắc EUV thương mại có thể đưa vào sản xuất chip hàng loạt.
Điều này có thể khiến nhiều người nghĩ rằng vị thế của ASML đến từ một phát minh bí mật nào đó. Thực tế, lợi thế của công ty được xây dựng trên hàng nghìn công nghệ phụ thuộc lẫn nhau trải khắp châu Âu, Mỹ và châu Á. Veldhoven chính là nơi tất cả những công nghệ đó được kết hợp để vận hành như một cỗ máy thống nhất.
Sống sót nhờ không tự làm mọi thứ
ASML được thành lập ngày 1/4/1984 với tên gọi ASM Lithography, là liên doanh giữa Philips và ASM International. Mục tiêu ban đầu là thương mại hóa một hệ thống quang khắc wafer do Philips phát triển. Khi đó, công ty non trẻ phải bước vào thị trường mà các đối thủ Nhật Bản như Nikon và Canon đã thống trị từ lâu.
ASML thời kỳ đầu có quy mô nhỏ, nguồn lực tài chính hạn chế và chưa có vị thế rõ ràng trong ngành. Công ty không đủ khả năng tự phát triển mọi thành phần của một hệ thống quang khắc. Thay vào đó, họ tập trung vào kiến trúc tổng thể của cỗ máy và dựa vào các doanh nghiệp bên ngoài để cung cấp những linh kiện chuyên biệt nhất.
Điều khởi đầu như một sự bất đắc dĩ cuối cùng lại trở thành một trong những lợi thế lớn nhất của ASML. Công ty cho biết các hệ thống của mình chứa hàng nghìn bộ phận, phần lớn do đối tác sản xuất. Hệ sinh thái hiện nay của ASML gồm khoảng 5.100 nhà cung cấp và đối tác.
Các doanh nghiệp này không đơn thuần nhận bản vẽ rồi sản xuất linh kiện thương mại. Nhiều công ty đã hợp tác với kỹ sư ASML suốt nhiều năm để phát triển những công nghệ gần như chỉ phục vụ riêng cho các cỗ máy quang khắc của hãng. Một thay đổi nhỏ ở một bộ phận có thể kéo theo việc điều chỉnh nhiều hệ thống khác.
Vì thế, ASML hoạt động giống kiến trúc sư của một mạng lưới công nghiệp khổng lồ hơn là một nhà sản xuất truyền thống. Công ty tự chế tạo một số linh kiện quan trọng, thực hiện khâu tích hợp cuối cùng và phát triển phần lớn phần mềm điều khiển, nhưng năng lực cốt lõi nằm ở việc khiến những công nghệ do các công ty khác nhau sản xuất có thể vận hành như một thể thống nhất.
Ánh sáng bắt đầu từ một giọt thiếc nhỏ xuống
Quang khắc là công đoạn sử dụng ánh sáng để in các mẫu thiết kế lên tấm wafer phủ vật liệu nhạy sáng. Sau khi xử lý, các mẫu thiết kế này sẽ tạo nên từng lớp trong số hàng tỷ bóng bán dẫn và kết nối điện của con chip hiện đại.
Kích thước chi tiết có thể tạo ra phụ thuộc một phần vào bước sóng ánh sáng. Các hệ thống thế hệ trước sử dụng ánh sáng cực tím sâu (DUV) với bước sóng 193 nanomet. Tuy nhiên, những lớp mạch phức tạp nhất của chip tiên tiến đòi hỏi bước sóng ngắn hơn nhiều.
Máy EUV mới nhất của ASML sử dụng ánh sáng có bước sóng chỉ 13,5 nanomet.
Nguồn sáng này không đến từ bóng đèn hay laser công nghiệp thông thường. Hệ thống phải liên tục tạo ra dòng ánh sáng EUV đủ mạnh trong khi vẫn duy trì tốc độ xử lý wafer phù hợp cho sản xuất thương mại.
Bên trong nguồn sáng, một thiết bị sẽ phóng các giọt thiếc nóng chảy cực nhỏ vào buồng chân không. Một xung laser đầu tiên định hình giọt thiếc, sau đó xung laser thứ hai bắn vào với năng lượng đủ lớn để tạo ra plasma phát ra bức xạ EUV.
Theo ASML, mỗi giọt thiếc rộng khoảng 25 micromet và di chuyển với tốc độ khoảng 70 mét/giây.
Quá trình này lặp lại hàng chục nghìn lần mỗi giây. Mỗi giọt thiếc phải xuất hiện đúng vị trí vào đúng thời điểm, trong khi nhiệt lượng, mảnh vỡ và nguy cơ ô nhiễm phải được kiểm soát chặt chẽ. Chỉ một sai lệch nhỏ cũng có thể làm giảm hiệu suất của cỗ máy mà cả dây chuyền sản xuất chip đang phụ thuộc.
Khi kính và không khí đều vô dụng
Tạo ra ánh sáng EUV mới chỉ là bước đầu tiên. Ánh sáng ở bước sóng 13,5 nanomet dễ bị hấp thụ bởi không khí và hầu hết các vật liệu, kể cả kính dùng trong thấu kính thông thường. Vì vậy toàn bộ đường truyền ánh sáng phải hoạt động trong môi trường gần chân không và sử dụng gương thay cho thấu kính.
Những chiếc gương này được sản xuất bởi ZEISS Semiconductor Manufacturing Technology tại Đức. Chúng gồm hơn 100 lớp vật liệu siêu mỏng nhằm phản xạ tối đa ánh sáng EUV. ZEISS mô tả đây là những chiếc gương chính xác nhất thế giới. Đây cũng là một trong những linh kiện khiến việc sao chép công nghệ EUV gần như bất khả thi.
Mức độ chính xác gần như khó tưởng tượng. Theo ZEISS, nếu bề mặt một chiếc gương EUV được phóng to bằng diện tích nước Đức, điểm gồ ghề lớn nhất trên đó chỉ cao khoảng 0,1 mm. Điều đó nghĩa là mặt gương phẳng gần như tuyệt đối, vì bất cứ khuyết tật nào dù nhỏ nhất cũng có thể làm lệch hoa văn được in lên con chip.
Các gương này được lắp vào một hệ thống quang học phức tạp dùng để chiếu sáng mặt nạ và truyền hình ảnh của nó lên wafer. Do ánh sáng EUV mất năng lượng sau mỗi lần phản xạ, hình dạng, lớp phủ và vị trí của từng chiếc gương đều có ý nghĩa sống còn.
Veldhoven – nơi hàng nghìn chi tiết tinh xảo phải khớp với nhau
Nguồn sáng đến từ công ty Cymer ở San Diego, Mỹ, được ASML mua lại năm 2013. ZEISS cung cấp hệ thống quang học từ Đức. Nhiều doanh nghiệp khác đóng góp thiết bị chân không, laser, cảm biến, vòng bi siêu chính xác, điện tử điều khiển và vật liệu đặc biệt.
Từng linh kiện riêng lẻ có thể là kỳ tích kỹ thuật nhưng vẫn thất bại khi được đặt vào hệ thống hoàn chỉnh. Một nguồn sáng mạnh hơn sẽ tạo thêm nhiệt. Nhiệt có thể làm thay đổi vị trí của linh kiện quang học, trong khi dịch chuyển ở cấp độ cực nhỏ lại ảnh hưởng đến độ chính xác khi căn chỉnh các lớp mạch trên chip.
Veldhoven chính là nơi ASML xử lý tất cả những mối liên hệ này.
Các kỹ sư lắp ráp những mô-đun lớn, kiểm tra sự tương tác giữa chúng và phát triển phần mềm điều phối quá trình tạo ánh sáng, di chuyển mặt nạ, định vị wafer, kiểm soát nhiệt độ, áp suất và rung động.
Bàn đặt wafer phải di chuyển với tốc độ rất cao nhưng vẫn duy trì độ chính xác ở cấp nanomet. Hàng loạt cảm biến liên tục đo vị trí và gửi dữ liệu để hệ thống điều khiển hiệu chỉnh theo thời gian thực.
Vì sao đối thủ không thể sao chép?
Một đối thủ hoàn toàn có thể nghiên cứu nguyên lý hoạt động chung của hệ thống EUV. Các khái niệm như plasma, quang học phản xạ hay chiếu sáng wafer đều được công bố công khai. Thách thức nằm ở việc biến các nguyên lý đó thành một cỗ máy có thể hoạt động ổn định suốt nhiều năm và xử lý khối lượng lớn wafer mỗi ngày.
ASML cùng các đối tác đã tích lũy hàng chục năm dữ liệu thử nghiệm, thất bại và kinh nghiệm sản xuất. Họ hiểu loại vật liệu nào sẽ biến dạng sau hàng nghìn giờ gia nhiệt, lớp phủ nào sẽ xuống cấp trong điều kiện cụ thể và kiểu rung động nào chỉ xuất hiện sau thời gian vận hành kéo dài. Phần lớn tri thức này được tích hợp vào phần mềm, quy trình sản xuất và kinh nghiệm của các nhóm kỹ sư.
Một đối thủ mới cũng phải tái tạo toàn bộ mạng lưới công nghiệp xung quanh cỗ máy: từ gương EUV, nguồn sáng công suất lớn, hệ thống chân không, cảm biến cho đến hàng nghìn linh kiện hỗ trợ khác. Nói cách khác, thách thức không nằm ở việc sao chép một cỗ máy, mà là tái tạo cả một hệ sinh thái công nghiệp được xây dựng trong hơn 40 năm.
Cỗ máy 350 triệu euro còn khó hơn nữa
Thế hệ mới nhất của ASML nâng khẩu độ số (Numerical Aperture – NA) từ 0,33 lên 0,55. Công nghệ này được gọi là High-NA EUV. Khẩu độ lớn hơn cho phép hệ thống đạt độ phân giải cao hơn, giúp các nhà sản xuất in ra những chi tiết nhỏ hơn và giảm số bước xử lý cần thiết cho một số mẫu thiết kế.
ASML cho biết các hệ thống High-NA có thể tạo ra các chi tiết với độ phân giải khoảng 8 nanomet, phục vụ các quy trình chip logic và bộ nhớ thế hệ tương lai. Intel là khách hàng đầu tiên nhận được nền tảng mới này.
Mức giá khoảng 350 triệu euro không chỉ phản ánh chi phí phần cứng. Nó còn bao gồm hàng chục năm nghiên cứu, năng lực sản xuất chuyên biệt, phần mềm điều khiển, đầu tư của nhà cung cấp và toàn bộ hạ tầng hỗ trợ triển khai hệ thống.
Đó là lý do vì sao một công ty nằm trong một đô thị nhỏ của Hà Lan lại nắm giữ năng lực công nghiệp quan trọng bậc nhất thế giới.
ASML không gom tất cả kỹ năng vào một nhà máy duy nhất. Thay vào đó, công ty xây dựng một mạng lưới nơi hàng nghìn chuyên gia giải quyết từng phần của cùng một bài toán vật lý, còn Veldhoven là nơi mọi mảnh ghép buộc phải hoạt động cùng nhau như một cỗ máy hoàn chỉnh.
Hiện nay, các cỗ máy này vẫn được vận chuyển đi từ Hà Lan dưới dạng nhiều mô-đun riêng biệt trước khi được lắp ráp lại bên trong các nhà máy sản xuất chất bán dẫn tại Mỹ, châu Âu và châu Á. Mỗi hệ thống sau đó sẽ trải qua quá trình hiệu chuẩn, giám sát, bảo trì và nâng cấp kéo dài để duy trì độ chính xác tuyệt đối trong quá trình sản xuất chip.
Những cấu trúc vi mạch nhỏ nhất mà con người từng chế tạo vẫn bắt đầu từ những giọt thiếc nóng chảy trong buồng chân không, những tấm gương được đánh bóng đến độ chính xác gần như không thể đo đếm, và một cỗ máy được lắp ráp tại một thị trấn chưa đầy 50.000 dân ở Hà Lan. Đó là minh chứng cho thấy trong ngành bán dẫn hiện đại, lợi thế cạnh tranh không còn nằm ở một phát minh đơn lẻ, mà ở khả năng kết nối hàng nghìn công nghệ khác nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh.
Một cỗ máy quang khắc cực tím của ASML dùng để sản xuất chip. Ảnh: Space Daily
