Quang khắc (photolithography) bắt nguồn từ tiếng Latin có nghĩa là kỹ thuật bản in quang học. Trước đây người ta in bằng bản khắc trên đá. Các tờ giấy sẽ được nén lên bản khắc đá. Sau này các nhà máy in sử dụng các tấm chì để thay thế. Trong khi đó kỹ thuật quang khắc tạo bản in bằng ánh sáng.
In ấn kiểu cũ với bản khắc trên đá (Ảnh: Simon Burder)
Thiết bị đó là: Máy quang khắc cực tím EUV là một kỳ quan công nghệ. Một thiết bị phun ra 50.000 giọt thiếc nóng chảy cực nhỏ mỗi giây. Một tia laser công suất cao sẽ phát nổ mỗi giọt hai lần. Lần đầu tiên tạo hình dạng chính xác và lần thứ hai có thể làm nó bốc hơi thành plasma.
Plasma phát ra bức xạ cực tím (EUV) được hội tụ thành chùm và bị dội qua một loạt gương. Những tấm gương nhẵn đến mức nếu được mở rộng theo kích thước của nước Đức, chúng sẽ không có vết lồi cao hơn một milimét.
Cuối cùng, chùm EUV chạm vào một tấm silicon wafer mà bản thân nó là một kỳ quan của khoa học vật liệu. Độ chính xác tương đương với việc bắn một mũi tên từ Trái đất để bắn trúng một quả táo đặt trên Mặt trăng.
Điều này cho phép máy EUV tạo hình các linh kiện bán dẫn vào tấm wafer với kích thước chỉ năm nanomet. Xấp xỉ chiều dài móng tay của bạn mọc ra sau năm giây. Tấm wafer này với hàng tỷ hoặc hàng nghìn tỷ linh kiện bán dẫn cuối cùng được tạo thành chip máy tính.
Minh họa hệ thấu kính bên trong máy quang khắc (Ảnh: Anandtech)
Một chiếc máy EUV được làm từ hơn 100.000 bộ phận, có giá khoảng 120 triệu USD và được vận chuyển trong 40 container hàng hóa.
CHỈ MỘT CÔNG TY CÓ THỂ SẢN XUẤT EUV
Có vẻ khó hiểu khi nhu cầu về một công cụ trị giá 120 triệu đôla vượt xa nguồn cung nhưng chỉ có một công ty có thể sản xuất chúng. Đó là một công ty của Hà Lan có tên ASML, gần như độc quyền sản xuất máy quang khắc để sản xuất chip. ASML có giá trị vốn hóa thị trường hơn 150 tỷ đô la, cao hơn nhiều so với IBM và chỉ thấp hơn một chút so với Tesla.
Công nghệ quang khắc EUV đã được phát triển từ những năm 1980 nhưng chỉ được đưa vào sản xuất hàng loạt trong vài năm gần đây. Công nghệ EUV cho phép các nhà sản xuất chip tiếp tục mở rộng quy mô chip vì bước sóng ngắn hơn của ánh sáng EUV có khả năng in các linh kiện ở quy mô nanomet.
Các công ty khác sản xuất các thế hệ máy quang khắc cũ hơn không sử dụng EUV và chỉ có thể tạo ra các thế hệ chip cũ hơn. Các chip này chỉ có thể phục vụ cho một số ứng dụng đơn giản. Các công ty này bao gồm các công ty như Nikon và Canon. Họ có kinh nghiệm, chuyên môn và thị trường có được từ nhiều thập kỷ tạo ra lợi nhuận trong một ngành công nghiệp cạnh tranh với nhu cầu công nghệ khắc nghiệt.
Máy quang khắc tia cực tím (Ảnh: ASML)
Trung Quốc cũng như nhiều nước khác hầu như không có kinh nghiệm hoặc ngành công nghiệp quang khắc. Bất kỳ công ty nào đang cố gắng phát triển kỹ thuật quang khắc EUV sẽ phải bắt đầu lại từ đầu.
Nó sẽ phải thu hẹp khoảng cách với hàng tỷ đô la, hàng chục năm kinh nghiệm của ASML, kinh nghiệm tích lũy và kiến thức của hàng chục nghìn nhân viên. ASML ước tính công nghệ tiên tiến nhất của họ rất phức tạp, phải mất ít nhất 15 năm để các công ty khác có thể tái tạo.
ASML là một công ty chuyên chế tạo các máy sản xuất chip bán dẫn gần biên giới với Bỉ. Vào cuối năm 2021, nó được vinh danh là công ty công nghệ đại chúng lớn nhất châu Âu theo vốn hóa thị trường và được thúc đẩy bởi nhu cầu về thiết bị và tình trạng thiếu chip toàn cầu. ASML được tách ra từ tập đoàn điện tử khổng lồ Philips của Hà Lan vào năm 1984.
Các chuyên gia mô tả ASML như một nút thắt cổ chai: Công ty tuyên bố họ có từ 80 đến 85% thị phần tổng thị trường cho các hệ thống quang khắc. Khi nói đến loại máy quang khắc làm chip tiên tiến nhất, được gọi là kỹ thuật quang khắc cực tím (EUV), thị phần đó đã tăng lên 100%.
Chris Miller, phó giáo sư lịch sử quốc tế tại Đại học Tufts, người đang viết một cuốn sách về lịch sử địa chính trị của chip máy tính cho thấy định giá của ASML đã tăng lên hơn 300 tỷ đô la và giá cổ phiếu của nó đã tăng hơn gấp đôi kể từ đầu năm 2020.
Ngày càng có nhiều đồn đoán rằng nó có thể trở thành công ty đầu tiên của châu Âu được định giá trên 1 nghìn tỷ đô la.
Việc chuyển đổi sang EUV kéo dài và tốn kém. Công ty đã phải thuyết phục khách hàng của mình - bao gồm Intel, Samsung và TSMC (công ty sản xuất chất bán dẫn Đài Loan) mua cổ phần của công ty để có đủ tiền tài trợ cho nghiên cứu.
Vào thời điểm nó có thể ra mắt các máy EUV thương mại đầu tiên vào năm 2017, quá trình này đã tiêu tốn 9 tỷ đô la. Nhưng phần thưởng là rất lớn. Hiện đây là công ty duy nhất có thể cung cấp máy EUV cho sản xuất loại chip tiên tiến nhất trong điện thoại và máy tính cho những gã khổng lồ trong ngành.
Tính đến tháng 9 năm 2021, công ty đã bán được 125 máy EUV. Nghe có vẻ không nhiều, nhưng không có nhiều công ty có khả năng sản xuất loại chip tiên tiến nhất bằng cách sử dụng những chiếc máy này.
Minh họa bên trong một máy quang khắc EUV (Ảnh: ASML)
Vào tháng 4 năm 2021, một báo cáo của hiệp hội công nghiệp bán dẫn và Tập đoàn tư vấn Boston cảnh báo rằng các quy tắc xuất khẩu đã khuyến khích Trung Quốc phát triển các nhà sản xuất máy móc thiết bị chip thay thế của riêng mình. Thiết bị điện tử vi mô Thượng Hải là một công ty được xác định sẽ thay thế ASML tại Trung quốc.
Đây là một mối quan tâm đối với ASML, theo Giám đốc điều hành Peter Wenninck, người trong một cuộc phỏng vấn với Politico đã nói rằng "trong thời gian 15 năm nữa họ sẽ có thể tự làm tất cả". Nhưng Dassen tuyên bố rằng nếu công ty bị khóa ở một phần của thế giới, thì phần còn lại của thế giới sẽ vẫn cần chip. Ông nói: "Tại ASML, chúng tôi không thực sự quan tâm đến những con chip đang được sản xuất ra sao, miễn là chúng đang được tạo ra.
Do căng thẳng thương mại giữa Washington và Bắc Kinh, công ty đã bị chặn bán các máy móc tiên tiến nhất của mình cho Trung Quốc. Mặc dù quốc gia này hiện chỉ bán 7,6% số chip trên thế giới, nhưng theo Hiệp hội Công nghiệp Chất bán dẫn, con số này đang tăng nhanh và chip là một trong bảy công nghệ mà Bắc Kinh nhắm đến để phát triển. Nỗ lực ngăn chặn Trung Quốc khỏi chuỗi cung ứng toàn cầu đã tạo ra lo ngại rằng nước này sẽ gấp rút phát triển phiên bản ASML của riêng mình.
Thị trường quang khắc cực tím (EUV) dự kiến sẽ đạt tốc độ CAGR là 15% trong giai đoạn dự báo từ năm 2021 đến năm 2026. Kỹ thuật quang khắc cực tím EUV sử dụng ánh sáng có bước sóng chỉ 13,5 nm, giảm gần 14 lần so với bước sóng của các kỹ thuật quang khắc khác sử dụng ánh sáng 193 nm. EUV cho phép sản xuất linh kiện bán dẫn chính xác và hiệu quả hơn ở quy mô nhỏ xung quanh kích thước 7nm hoặc thậm chí 5nm.
Video minh họa quá trình quang khắc khi sản xuất chip
Video ASML giới thiệu về máy quang khắc