Huỳnh Công Tú

Ở thời điểm hiện tại, ASML (Hà Lan) là hãng dẫn đầu thị trường thiết bị quang khắc, đặc biệt trong mảng EUV. Các hệ thống máy quang khắc hiện đại là những cỗ máy tinh vi bậc nhất mà con người chế tạo, với giá thành và quy mô khổng lồ. Đồng thời, cuộc cạnh tranh công nghệ giữa các nhà cung cấp thiết bị (ASML, Nikon, Canon) và sự trỗi dậy của những phương pháp quang khắc thay thế (X-ray, nanoimprint) cũng là điểm đáng chú ý.

Máy quang khắc EUV của ASML – kỳ quan công nghệ hiện đại

Máy quang khắc EUV do ASML sản xuất (dòng TWINSCAN NXE và sắp tới là EXE High-NA) được coi là “trái tim” của các fab bán dẫn tiên tiến. Chúng có cấu trúc khổng lồ – nặng gần 200 tấn (kích cỡ tương đương một chiếc xe tải lớn) và khi vận chuyển cần đến 3 chiếc Boeing 747 để chở linh kiện​. Mỗi hệ thống gồm hàng trăm ngàn bộ phận, trong đó có những thành phần chủ chốt như: nguồn laser CO2 40kW bắn vào các giọt thiếc tạo plasma phát EUV, bộ gương nhiều lớp của Zeiss với độ chính xác bề mặt tính bằng từng nguyên tử, buồng chân không, bàn stage di động siêu nhanh, và hệ thống căn chỉnh, kiểm soát quang học phức tạp. Nhờ hợp tác với Zeiss (Đức) và các đối tác, ASML đã thương mại hóa EUV sau hơn 20 năm nghiên cứu, đến mức MIT Technology Review gọi đây là “cỗ máy cứu rỗi Định luật Moore”​.

Về khả năng, máy EUV hiện đại (ví dụ NXE:3400C) có thể đạt độ phân giải khoảng 13 nm, năng suất ~170 wafer/giờ​. Độ chính xác vị trí chùm tia ở cấp sub-nm. Mỗi wafer thường cần phơi ~20-30 lớp khác nhau, do đó fab tiên tiến thường phải trang bị nhiều máy EUV (ví dụ ~10 máy cho 45k wafer/tháng với 10 lớp EUV mỗi wafer)​. Tính đến năm 2022, ASML đã xuất xưởng khoảng 140 hệ thống EUV trên toàn thế giới​. Khách hàng chính bao gồm TSMC, Samsung, Intel – những hãng duy nhất đủ khả năng đầu tư những cỗ máy đắt đỏ này. ASML hiện gần như độc quyền trong lĩnh vực EUV (Nikon và Canon không có sản phẩm cạnh tranh trực tiếp)​.

Giá thành và quy mô sản xuất thiết bị: Mỗi máy EUV có giá khoảng $150–200 triệu USD (model mới nhất NXE:3600D lên tới $200M​). Với dòng máy EUV thế hệ tiếp theo (High-NA), chi phí còn tăng vọt – dự kiến khoảng $300–400 triệu mỗi máy​. Chẳng hạn, ASML EXE:5000 (High-NA NA=0.55) có giá niêm yết ~$370M​. Đây thực sự là những thiết bị công nghiệp đắt nhất thế giới. Không chỉ đắt tiền, việc sản xuất chúng cũng cực kỳ giới hạn: năm 2020 ASML xuất xưởng 31 máy EUV​, năm 2022 đạt 54 máy​ – tức mỗi tuần chỉ khoảng một chiếc được hoàn thiện. Toàn cầu hiện chỉ có vài trăm máy EUV hoạt động, tập trung ở một số ít công ty/tập đoàn. Điều này tạo nên thế độc tôn của ASML; đồng thời các quy định xuất khẩu nghiêm ngặt cũng biến EUV thành mặt hàng nhạy cảm địa chính trị (ví dụ chính phủ Hà Lan và Mỹ cấm bán EUV cho Trung Quốc​).

Máy quang khắc DUV (193 nm) tuy “khiêm tốn” hơn EUV nhưng vẫn là trụ cột của nhiều nhà máy. ASML, Nikon và Canon đều sản xuất máy DUV với giá rẻ hơn (khoảng vài chục triệu USD mỗi máy). ASML chiếm ~60% thị phần DUV​, Nikon ~20-30%, còn lại Canon. Những máy DUV ArF immersion thế hệ NXT của ASML có tốc độ có thể >250 wafer/giờ, rất thích hợp cho các lớp ít đòi hỏi. Giá một máy ArF immersion khoảng 50–70 triệu USD (theo cấu hình). Nhờ có nhiều nhà cung cấp, thị trường DUV cạnh tranh hơn và các hãng Trung Quốc như SMEE cũng đang nỗ lực phát triển máy DUV nội địa. Dẫu vậy, ở ngưỡng công nghệ tiên tiến nhất, DUV không thể thay thế EUV do hạn chế vật lý, nên các nhà sản xuất chip buộc phải đầu tư EUV dù chi phí cao.

Các đối thủ cạnh tranh và công nghệ thay thế (X-ray, nanoimprint)

Trong lịch sử, nhiều công nghệ quang khắc thế hệ mới được nghiên cứu với mục tiêu vượt qua giới hạn của quang khắc quang học truyền thống. Một vài cái tên nổi bật gồm quang khắc tia X, quang khắc chùm điện tử, quang khắc ion hội tụ và in nano (nanoimprint)​. Tuy nhiên, hầu hết những công nghệ này đều chưa thể thay thế photolithography do các rào cản về kỹ thuật hoặc kinh tế, và photolithography (hiện thân là DUV/EUV) vẫn tiếp tục cải tiến để duy trì vị trí chủ đạo​.

X-ray lithography: Từng được kỳ vọng trong thập niên 1980-90 như ứng viên cho thời “hậu quang học”, do tia X có bước sóng rất ngắn (0,4–4 nm) cho độ phân giải lý thuyết cực cao. Quang khắc tia X dùng chùm tia X mềm (thường ~1 nm) chiếu qua mask đặc biệt (mask phải làm bằng màng rất mỏng, hoa văn bằng vàng hoặc tungsten) để in lên resist dày. Dù tránh được hiện tượng nhiễu xạ, kỹ thuật này gặp loạt vấn đề: nguồn phát tia X đủ mạnh rất đắt (phải dùng synchrotron hoặc plasma đặc biệt), mask tia X khó chế tạo và dễ hỏng (vì không có pellicle, tia X cũng khó xuyên qua vật liệu dày), và resist cho tia X yêu cầu độ nhạy cao nhưng không được quá mỏng. Kết quả, quang khắc tia X mãi ở giai đoạn nghiên cứu, chưa từng thương mại hóa lớn. Một số dự án đã dừng lại khi EUV tỏ ra khả thi hơn vào những năm 2000. Hiện nay, X-ray lithography hầu như không nằm trong lộ trình công nghiệp chính, dù vẫn có thể dùng trong phòng thí nghiệm để tạo các nanostructure đặc thù.

Nanoimprint lithography (NIL): Khác với các phương pháp chiếu xạ, nanoimprint mang tính cơ học: một khuôn mẫu (stamp) được in trực tiếp lên lớp resist lỏng để tạo hoa văn giống như con dấu. Canon và Toshiba đã phát triển thiết bị NIL với lời hứa hẹn là giải pháp rẻ hơn EUV nhiều​. Ưu điểm NIL là không bị giới hạn nhiễu xạ, có thể tạo pattern rất nhỏ (~10 nm hoặc nhỏ hơn) một cách “quang học miễn phí” – tức không cần nguồn sáng đắt tiền hay hệ thấu kính. Thêm vào đó, NIL lý thuyết có thể tạo pattern nhiều lớp cùng lúc nếu khuôn được thiết kế phù hợp, tăng tốc độ. Tuy nhiên, nhược điểm chí mạng của NIL nằm ở khâu căn chỉnh và khuyết tật. Khi phải in nhiều lớp chồng lên nhau (chip logic có >50 lớp), việc ép khuôn có thể gây lệch, biến dạng pattern giữa các lớp do co kéo cơ học​. Mỗi lớp in lặp đòi hỏi căn chỉnh nano giữa khuôn và wafer, rất khó đạt độ chính xác như quang học (vốn dùng hệ thống laser align). Hơn nữa, quá trình tiếp xúc khuôn với resist dễ làm phát sinh hạt bụi, khuyết tật, và khuôn mòn dần theo thời gian. Hiện nay, NIL đang tìm chỗ đứng trong các lĩnh vực photonics, MEMS, biochips – nơi chỉ cần in 1-2 lớp và không đòi hỏi overlay chặt​. Còn trong sản xuất vi mạch nhiều lớp, NIL chưa thể cạnh tranh với quang khắc EUV vốn tuy đắt nhưng đảm bảo năng suất và độ tin cậy cao hơn​. Các chuyên gia đánh giá NIL sẽ là bổ trợ cho những mảng chuyên biệt, hơn là thay thế hoàn toàn quang khắc truyền thống.

Các hãng thiết bị khác: Trong mảng quang khắc truyền thống, Nikon và Canon từng là đối thủ lớn của ASML thời kỳ máy DUV. Nikon đã cung cấp máy cho Intel tới node 45 nm, nhưng rồi bị ASML vượt lên. Hiện Nikon vẫn bán máy DUV (193 nm) cho một số hãng bộ nhớ và các node kém tiên tiến, còn Canon tập trung vào thị trường niche (máy cho packaging, MEMS). Ở mảng EUV, cả Nikon và Canon đều đã từ bỏ, dẫn đến thế độc quyền của ASML. Về dài hạn, cả hai hãng Nhật Bản có thể hướng đến thế hệ “sau EUV” như NIL (Canon) hoặc nghiên cứu các giải pháp e-beam multi-beam. Ngoài ra, những công ty như Mapper (Hà Lan) trước đây từng phát triển máy multi-beam e-beam nhằm cạnh tranh EUV (ý tưởng dùng hàng ngàn chùm điện tử song song để in nhanh), nhưng dự án đã phá sản vì chưa kịp đạt hiệu quả mong muốn khi EUV đã ra mắt.

Tổng kết lại, ASML với EUV hiện không có đối thủ ngang tầm, nhưng ngành bán dẫn luôn cảnh giác và đầu tư vào các công nghệ thay thế phòng trường hợp EUV chạm giới hạn. X-ray lithography và nanoimprint lithography là hai trong số các hướng đã và đang được thăm dò, mỗi hướng có ưu và nhược riêng. Cho đến khi một công nghệ mới chứng minh được tính vượt trội, quang khắc quang học (DUV/EUV) vẫn sẽ là lựa chọn chủ đạo cho sản xuất chip.