Shanghai Yuliangsheng Technology vừa thông báo bắt đầu sản xuất hạn chế máy quang khắc immersion DUV nội địa. Theo kế hoạch, khoảng 5 máy sẽ được bàn giao trong năm nay và khoảng 20 máy trong năm 2027 cho các doanh nghiệp sản xuất chip hàng đầu Trung Quốc như SMIC, Hua Hong Semiconductor và ChangXin Memory Technologies.

Con số này còn rất khiêm tốn nếu đặt cạnh quy mô sản xuất của ASML. Tuy nhiên, điều thu hút sự chú ý của giới bán dẫn quốc tế lại nằm ở ý nghĩa của cột mốc này. Sau nhiều năm bị hạn chế tiếp cận thiết bị quang khắc tiên tiến từ Mỹ, Hà Lan và Nhật Bản, Trung Quốc đã tiến thêm một bước trên hành trình tự chế tạo cỗ máy vốn được xem là "trái tim" của ngành bán dẫn.

Sự kiện ấy cũng khiến hai quan điểm phổ biến nhiều năm qua đứng trước thử thách. Một là công nghệ ở đỉnh cao rất khó được tái tạo trong thời gian ngắn. Hai là các biện pháp bao vây đủ sức duy trì khoảng cách công nghệ lâu dài. Lịch sử phát triển công nghiệp của Trung Quốc cho thấy sức ép từ bên ngoài nhiều lần trở thành động lực thúc đẩy quá trình tự chủ.

Không có công nghệ nào “không thể bắt chước”

Để hiểu vì sao một chiếc máy DUV lại mang nhiều ý nghĩa đến vậy, cần nhìn vào độ phức tạp của chính công nghệ quang khắc.

Máy DUV và EUV là những hệ thống kỹ thuật thuộc nhóm phức tạp nhất thế giới. Mỗi thiết bị gồm hơn 100.000 linh kiện, có kích thước tương đương một chiếc xe buýt hai tầng nhưng lại đòi hỏi độ chính xác ở cấp nanomet, tức một phần tỉ mét. Việc vận chuyển phải tháo rời thành nhiều phần rồi chuyên chở bằng nhiều chuyến Boeing 747 trước khi lắp ráp lại tại nhà máy khách hàng.

Khâu lắp ráp mới chỉ là bước khởi đầu. Toàn bộ hệ thống phải đạt độ phẳng ở cấp nanomet, bởi chỉ một sai lệch rất nhỏ cũng đủ làm hệ thống thấu kính mất tiêu cự và khiến quá trình in mạch điện tử thất bại. Ngay cả những dòng máy đã thương mại hóa nhiều năm của ASML cũng thường mất gần một năm tinh chỉnh trước khi đạt tỉ lệ sản phẩm đạt yêu cầu để sản xuất hàng loạt.

Độ khó ấy thể hiện rõ qua chỉ số Numerical Aperture (NA), đại lượng phản ánh khả năng thu nhận ánh sáng và độ phân giải của hệ thống quang học. EUV thế hệ đầu đạt NA 0,33, còn thế hệ High NA đã nâng lên 0,55. Giá trị càng lớn, khả năng tạo ra những cấu trúc bán dẫn càng nhỏ và chính xác.

Đối với DUV, nguồn sáng có bước sóng 193 nanomet. Công nghệ immersion lithography do tiến sĩ Lâm Bản Kiên phát triển tận dụng chiết suất của nước để rút bước sóng hiệu dụng xuống khoảng 134 nanomet, qua đó kéo dài tuổi thọ của Định luật Moore thêm nhiều năm.

Song khi tiến trình bán dẫn giảm xuống 28 nm, 14 nm rồi 7 nm và 5 nm, giới hạn vật lý bắt đầu xuất hiện. Nhiễu xạ và giao thoa khiến hình ảnh trên mask bị biến dạng, đường thẳng xuất hiện hiệu ứng răng cưa còn góc vuông trở thành góc bo tròn. Phần cứng đã tiến rất gần giới hạn của mình.

Đó là lý do Computational Lithography trở thành một trong những công nghệ quan trọng nhất của ngành bán dẫn. Thay vì chờ phần cứng xử lý sai số, các kỹ sư tính toán trước mọi biến dạng sẽ xảy ra trong quá trình in, rồi chủ động tạo hình ảnh ngược trên mask để bù lại sai lệch. Họ còn bổ sung các họa tiết hỗ trợ vốn không xuất hiện trên wafer cuối cùng nhưng giúp tăng độ tương phản của mạch in.

Đây là hệ thống phần mềm cực kỳ phức tạp, gắn chặt với từng thế hệ máy quang khắc. Vì vậy, các doanh nghiệp Trung Quốc không thể đơn giản sao chép từ ASML mà phải xây dựng toàn bộ nền tảng thuật toán và mã nguồn riêng để phù hợp với thiết bị nội địa.

Ngay cả khi máy đã hoàn thiện, môi trường vận hành vẫn có thể quyết định thành công hay thất bại.

Một câu chuyện nổi tiếng tại nhà máy Intel ở Mỹ cho thấy tỉ lệ sản phẩm đạt yêu cầu liên tục giảm trong khoảng từ 1 đến 2 giờ sáng. Sau quá trình điều tra kéo dài, nguyên nhân được xác định là khí methane từ các trang trại bò sữa gần đó đi vào hệ thống lọc khí của phòng sạch rồi phản ứng với hóa chất sản xuất. Intel cuối cùng phải mua lại và di dời cả ba trang trại.

TSMC cũng từng gặp một sự cố tương tự tại Fab 21 ở Arizona. Một máy quang khắc liên tục gặp lỗi trong hai giờ đầu sau khi khởi động. Các kỹ sư phát hiện chỉ năm giọt nước rơi xuống lớp keo đặc biệt cũng đủ làm vật liệu giãn nở thêm vài nanomet trước khi nước bốc hơi hoàn toàn.

Những ví dụ ấy cho thấy tinh chỉnh máy quang khắc chưa bao giờ chỉ là câu chuyện của bản thân thiết bị. Độ rung, nhiệt độ, áp suất và thành phần hóa học của không khí trong nhà máy đều có thể ảnh hưởng tới kết quả cuối cùng.

Mẫu máy của Yuliangsheng được thiết kế cho tiến trình khoảng 28 nm và còn có khả năng kết hợp multi patterning để hướng tới các tiến trình tiên tiến hơn. Quá trình thử nghiệm tại SMIC và các đối tác sẽ phải kéo dài để so sánh với "Golden Machine", đồng thời điều chỉnh cả phần cứng lẫn phần mềm theo điều kiện vận hành thực tế.

Thông tin từ giới chuyên môn cho biết nhiều nguyên mẫu có thể được chuyển tới các nhà máy khác nhau để thử nghiệm song song. Cách tiếp cận này phản ánh sự thận trọng vốn là yêu cầu bắt buộc của một công nghệ ở cấp độ đỉnh cao.

Khi bao vây công nghệ lại trở thành động lực tự cường

Thực tế thì máy DUV không phải trường hợp đầu tiên cho thấy Trung Quốc tăng tốc sau khi chịu sức ép công nghệ.

Năm 1964, trong bối cảnh Liên Xô chấm dứt hỗ trợ kỹ thuật và Mỹ duy trì chính sách bao vây, Trung Quốc vẫn thử thành công vũ khí hạt nhân. Tiếp đó là chương trình không gian với vệ tinh Đông Phương Hồng 1, tên lửa Trường Chinh, trạm Thiên Cung cùng các sứ mệnh thăm dò Mặt Trăng và Sao Hỏa.

Ở lĩnh vực hàng không quân sự, Trung Quốc từng bước phát triển J20, J16 và J10C, đồng thời nội địa hóa động cơ, radar AESA và vật liệu composite. Trong hàng không dân dụng, C919 cũng trải qua nhiều năm thử nghiệm trước khi bước vào khai thác thương mại, tạo thêm một lựa chọn bên cạnh Boeing và Airbus.

Một ví dụ khác là chương trình phản ứng nhiệt hạch EAST. Thiết bị này nhiều lần lập kỷ lục thế giới về thời gian duy trì plasma nhiệt độ cực cao, giúp Trung Quốc tiến gần nhóm dẫn đầu trong lĩnh vực mà Mỹ và châu Âu từng chiếm ưu thế tuyệt đối.

Mỗi lĩnh vực có những đặc điểm khác nhau, nhưng đều phản ánh một xu hướng khá nhất quán. Khi khả năng tiếp cận công nghệ bên ngoài bị thu hẹp, Trung Quốc thường tăng đầu tư cho nghiên cứu, huy động nguồn lực quy mô lớn và chấp nhận chi phí cao để xây dựng năng lực trong nước.

Yuliangsheng cũng đi theo con đường đó. Công ty được thành lập năm 2022 với vốn đăng ký 1 tỉ nhân dân tệ, có nhà nước nắm cổ phần kiểm soát và liên kết với SiCarrier thuộc hệ sinh thái Huawei. Hơn 90% nhân sự làm việc trong nghiên cứu phát triển, trong đó trên 60% có trình độ thạc sĩ hoặc tiến sĩ. Việc Mỹ đưa doanh nghiệp này vào Entity List năm 2024 càng cho thấy vai trò chiến lược của dự án.

Khoảng cách giữa Yuliangsheng và ASML vẫn còn đáng kể. Hiệu suất, độ ổn định và độ tin cậy của các hệ thống thương mại hàng đầu thế giới là kết quả tích lũy qua nhiều thập niên. Máy DUV nội địa vẫn cần thêm thời gian để chứng minh năng lực trong sản xuất quy mô lớn.

Điều đáng chú ý nằm ở xu hướng dịch chuyển của toàn bộ hệ sinh thái. Các lệnh hạn chế xuất khẩu buộc Trung Quốc đầu tư mạnh hơn vào quang khắc tính toán, chuỗi cung ứng linh kiện và khả năng tích hợp thiết bị. Những mắt xích từng phụ thuộc gần như hoàn toàn vào công nghệ nước ngoài đang dần được thay thế bằng năng lực nội địa.

Cuộc cạnh tranh công nghệ giữa Mỹ và Trung Quốc đã bước sang một giai đoạn mới. Một bên tìm cách kéo dài lợi thế bằng các biện pháp kiểm soát xuất khẩu, bên còn lại tập trung xây dựng hệ sinh thái độc lập.

Hiện tại chưa bên nào thể hiện rõ ràng ưu thế cuối cùng. Nhưng các nước phương Tây có lẽ đã nhận ra, bao vây công nghệ chưa chắc duy trì được khoảng cách như kỳ vọng. Trong nhiều trường hợp, chính sức ép ấy lại thúc đẩy đối thủ đầu tư nhiều hơn, tích lũy năng lực nhanh hơn và từng bước viết lại những giới hạn từng được xem là rất khó vượt qua.