Trong bối cảnh đó, thông tin về chiếc máy quang khắc DUV 28nm do Shanghai Yu Liang Sheng phát triển và đang được đưa vào giai đoạn chạy thử đã thu hút sự chú ý lớn từ giới chuyên môn. Hiệu chỉnh là một trong những giai đoạn phức tạp nhất của toàn bộ dự án, quyết định liệu cỗ máy có thể tạo ra chip với tỉ lệ đạt chuẩn đủ cao để phục vụ sản xuất thương mại hay không.

Thử nghiệm nhiều mẫu song song

Đó cũng là lý do nhiều chuyên gia cho rằng khoảng cách giữa việc chế tạo được nguyên mẫu và xây dựng một sản phẩm công nghiệp hoàn chỉnh vẫn còn rất lớn.

Một trong những thông tin đáng chú ý từ giới kỹ thuật là Yu Liang Sheng nhiều khả năng không chỉ chế tạo một nguyên mẫu duy nhất. Theo các nguồn tin trong ngành, có ít nhất ba hệ thống đang được triển khai tại ba nhà máy sản xuất chip khác nhau để tiến hành thử nghiệm song song.

Đây là cách làm khá phù hợp với mô hình huy động nguồn lực của Trung Quốc. Thay vì chờ một nguyên mẫu hoàn thiện rồi mới nhân rộng, các nhóm kỹ thuật có thể thu thập dữ liệu từ nhiều môi trường sản xuất khác nhau ngay từ đầu. Mỗi nhà máy sẽ cung cấp một tập hợp thông số riêng về nhiệt độ, độ rung, độ ẩm, quy trình sản xuất và vật liệu sử dụng. Những khác biệt này giúp nhóm phát triển nhanh chóng phát hiện các lỗi tiềm ẩn và rút ngắn chu kỳ cải tiến.

Ở quy mô rộng hơn, dự án quang khắc của Trung Quốc cũng không còn là nỗ lực của một doanh nghiệp riêng lẻ. Nhiều trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ trải dài từ Cáp Nhĩ Tân đến Thâm Quyến đã tham gia phát triển các thành phần khác nhau của hệ thống, từ nguồn sáng, quang học, cơ khí chính xác cho đến thuật toán điều khiển.

Việc nghiên cứu máy của ASML, Nikon hay Canon vẫn được tiến hành, bởi đây là cách nhanh nhất để hiểu những tiêu chuẩn cao nhất của ngành. Tuy nhiên, mục tiêu cuối cùng không đơn thuần là tái tạo những gì các đối thủ đã làm. Công nghệ quang khắc luôn thay đổi theo vật liệu mới, thiết kế mới và phương pháp sản xuất mới. Nếu chỉ sao chép một thế hệ máy đã xuất hiện từ nhiều năm trước, sản phẩm hoàn thiện có nguy cơ tụt hậu ngay khi vừa ra đời.

Lịch sử phát triển của ngành bán dẫn từng nhiều lần chứng minh điều đó. Nikon và Canon từng thống trị thị trường máy quang khắc trước khi ASML vươn lên nhờ tập trung mạnh vào công nghệ DUV. Sau đó, ASML tiếp tục chuyển nguồn lực sang EUV rồi High NA EUV để mở ra một chu kỳ cạnh tranh mới.

Trong lĩnh vực quang học, khẩu độ số (Numerical Aperture, NA) là một trong những thông số quan trọng nhất. EUV thế hệ đầu sử dụng NA khoảng 0,33, trong khi High NA nâng lên 0,55. Chỉ số càng cao, khả năng thu nhận ánh sáng càng lớn và độ phân giải lý thuyết càng được cải thiện.

Dẫu vậy, khoảng cách giữa lý thuyết và sản xuất công nghiệp luôn rất xa. Một công nghệ có thể chứng minh được trong phòng thí nghiệm chưa chắc đã đủ điều kiện để vận hành liên tục hàng ngàn giờ trong nhà máy. Chi phí chế tạo, tuổi thọ linh kiện, độ ổn định của hệ thống hay khả năng bảo trì đều quyết định liệu công nghệ đó có trở thành sản phẩm thương mại hay chỉ dừng lại ở một ý tưởng đầy hứa hẹn.

Ngay cả các hệ thống DUV và EUV do ASML cung cấp cho khách hàng cũng cần trải qua nhiều tháng lắp đặt và hiệu chỉnh sau khi được chuyển tới nhà máy. Theo nhiều tài liệu kỹ thuật và chia sẻ của các kỹ sư trong ngành, để đạt tỉ lệ chip đạt chuẩn ổn định, quá trình này đôi khi kéo dài gần một năm.

Nhiều thách thức còn chờ phía trước

Nguyên nhân xuất phát từ chính cấu trúc của máy quang khắc hiện đại. Một hệ thống DUV gồm hơn 100.000 linh kiện với độ chính xác ở cấp nanomet. Chỉ cần sai lệch rất nhỏ trong quá trình vận chuyển hoặc lắp ráp cũng đủ làm thay đổi tiêu điểm của hệ thống quang học.

Tại nhà máy chế tạo thiết bị, mọi thông số đều được hiệu chuẩn bằng các mẫu chuẩn. Sau khi máy được tháo rời để vận chuyển tới khách hàng, toàn bộ quy trình phải thực hiện lại từ đầu trong điều kiện thực tế của từng nhà máy sản xuất chip.

Điều khiến công việc này trở nên khó khăn là mỗi nhà máy đều có những đặc điểm riêng.

Một ví dụ thường được các kỹ sư nhắc tới là trường hợp của Intel. Trong một giai đoạn, tỉ lệ chip đạt chuẩn của một nhà máy bất ngờ giảm mạnh vào cùng một thời điểm mỗi đêm. Sau quá trình điều tra kéo dài, nguyên nhân được xác định là khí methane phát sinh từ các trang trại bò gần đó, ảnh hưởng đến môi trường sản xuất ở mức rất nhỏ nhưng đủ để làm thay đổi kết quả quang khắc.

Một trường hợp khác xảy ra tại Fab 21 của TSMC ở bang Arizona. Sau mỗi lần dừng máy rồi khởi động lại, chỉ vài giọt nước ngưng tụ trên lớp keo chuyên dụng đã khiến hình dạng các đường mạch bị sai lệch trong khoảng hai giờ đầu vận hành.

Những ví dụ này cho thấy hiệu chỉnh máy quang khắc chưa bao giờ đơn thuần là căn chỉnh ống kính hay thay đổi thông số vận hành. Độ rung của nền móng, chất lượng nguồn điện, nhiệt độ phòng sạch, độ ẩm, áp suất không khí, thành phần hóa học trong môi trường, thậm chí các yếu tố tưởng như chẳng liên quan cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng.

Đối với nguyên mẫu DUV 28nm của Yu Liang Sheng, từng thông số đều phải được đo đạc, điều chỉnh rồi kiểm chứng nhiều lần. Quá trình này tiêu tốn rất nhiều thời gian nhưng gần như không có con đường nào khác.

Nguồn sáng DUV có bước sóng 193nm. Khi áp dụng công nghệ ngâm nước để tăng khả năng hội tụ, bước sóng hiệu dụng được giảm xuống khoảng 134nm. Tuy nhiên, khi cần in các cấu trúc chỉ còn vài chục nanomet, hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa ánh sáng vẫn tạo ra nhiều sai lệch.

Những đường mạch vốn được thiết kế vuông vức trên bản vẽ có thể trở thành các đường cong hoặc răng cưa sau khi ánh sáng đi qua hệ thống quang học.

Đó là lý do quang khắc tính toán (Computational Lithography) trở thành thành phần không thể thiếu trong mọi hệ thống DUV hiện đại.

Thuật toán sẽ mô phỏng toàn bộ quá trình truyền ánh sáng trước khi thực hiện quang khắc. Dựa trên kết quả tính toán, phần mềm chủ động điều chỉnh hình dạng của các họa tiết trên mặt nạ quang. Khi ánh sáng đi qua, những biến dạng được tạo ra trước sẽ bù trừ cho sai lệch vật lý phát sinh trong quá trình chiếu, giúp cấu trúc cuối cùng trên wafer gần sát với thiết kế ban đầu.

Một kỹ thuật khác là bổ sung các hoa văn hỗ trợ cực nhỏ trên mặt nạ. Những chi tiết này sẽ cải thiện sự phân bố ánh sáng, tăng độ tương phản và giúp đường mạch chính hiện lên sắc nét hơn dù bản thân các hoa văn hỗ trợ sẽ không xuất hiện trên wafer sau cùng.

Đây là lĩnh vực đòi hỏi sự kết hợp giữa vật lý quang học, toán học, khoa học máy tính và kinh nghiệm sản xuất thực tế. Chỉ một thay đổi nhỏ trong thuật toán cũng có thể ảnh hưởng đến tỉ lệ chip đạt chuẩn.

Sau các biện pháp kiểm soát xuất khẩu của Mỹ và Hà Lan, nhiều hệ thống DUV được mua trước đây gặp khó khăn trong việc tiếp tục nhận các bản cập nhật phần mềm từ ASML. Điều đó buộc các nhóm kỹ sư trong nước phải tự phát triển công cụ mô phỏng, tối ưu thuật toán và xây dựng hệ sinh thái phần mềm tương thích với phần cứng nội địa.

Đây là công việc ít được chú ý hơn so với chế tạo máy quang khắc, nhưng lại có vai trò quyết định đối với hiệu quả vận hành lâu dài.

Dự án DUV của Yu Liang Sheng phản ánh rõ cục diện cạnh tranh hiện nay giữa Mỹ và Trung Quốc. Washington tiếp tục siết chặt việc xuất khẩu các thiết bị, phần mềm và vật liệu bán dẫn tiên tiến nhằm kéo dài khoảng cách công nghệ. Bắc Kinh lại tận dụng khoảng thời gian đó để xây dựng năng lực nội địa trong toàn bộ chuỗi giá trị, từ thiết kế chip, vật liệu, thiết bị cho tới sản xuất.

Những vòng đàm phán thương mại gần đây chủ yếu mang tính điều chỉnh chiến thuật hơn là thay đổi mục tiêu dài hạn. Mỗi bên đều muốn có thêm thời gian để củng cố vị thế của mình trước khi bước vào giai đoạn cạnh tranh tiếp theo.

Trong bối cảnh ấy, việc Yu Liang Sheng triển khai nhiều nguyên mẫu, chấp nhận chu kỳ hiệu chỉnh kéo dài và đầu tư đồng thời vào phần cứng lẫn phần mềm cho thấy Trung Quốc đang theo đuổi chiến lược xây dựng năng lực nền tảng thay vì chỉ tìm cách giải quyết những nhu cầu trước mắt.

Trung Quốc sẽ tiến thêm một bước đáng kể trên hành trình tự chủ thiết bị bán dẫn khi DUV 28 nm đạt tỉ lệ sản xuất ổn định.

Cuộc cạnh tranh Mỹ - Trung trong ngành chip khó có thể kết thúc trong một vài năm tới. Lịch sử phát triển công nghệ cho thấy lợi thế của bất kỳ quốc gia hay doanh nghiệp nào cũng đều có giới hạn. Những bước tiến hôm nay là nền móng để xác định liệu tham vọng có thể trở thành hiện thực hay không.