Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Youtube CNBC, với nội dung nói về cách mà ASML, một công ty công nghệ cao đến từ Hà Lan, đang thay đổi ngành công nghiệp bán dẫn thông qua việc phát triển thế hệ máy quang khắc EUV mới (High-NA EUV), cho phép sản xuất chip nhỏ hơn, nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Bước vào phòng thí nghiệm High NA tại ASML
Bên trong phòng thí nghiệm High NA của ASML là một cỗ máy trị giá 400 triệu đô la, có kích thước lớn hơn một chiếc xe buýt hai tầng, được chế tạo với các thông số kỹ thuật được bảo mật chặt chẽ và độ phức tạp đáng kinh ngạc. Đây là công cụ máy móc tiên tiến nhất trong lịch sử, và cho đến nay chưa từng có đoàn ghi hình nào được phép vào – ngay cả đội ngũ ASML cũng vậy. Trụ sở chính của ASML tại Hà Lan là nơi sản xuất 100% các máy in thạch bản cực tím cực sâu (EUV) (1) trên thế giới, bao gồm cả thế hệ tiếp theo – các cỗ máy High NA.
(1) EUV là viết tắt của Extreme Ultraviolet, nghĩa là tia cực tím cực ngắn, có bước sóng khoảng 13,5 nanomet. Trong lĩnh vực bán dẫn, EUV chủ yếu được nhắc đến trong công nghệ quang khắc EUV (EUV lithography) – công nghệ then chốt để sản xuất các vi mạch hiện đại ở tiến trình rất nhỏ (7 nm, 5 nm, 3 nm và thấp hơn). Nanomet (nm) là đơn vị đo độ dài rất nhỏ, bằng 1 phần tỷ mét (10⁻⁹ m). Nó được dùng chủ yếu khi làm việc với các cấu trúc, hiện tượng và công nghệ ở thang vi mô, nơi đơn vị mét hay milimét trở nên lớn để đo lường.

Để bảo vệ các máy siêu chính xác này khỏi sự ô nhiễm bởi tóc và tế bào da người, cần phải mặc trang phục chống tĩnh điện (bunny suit). High NA (high numerical aperture – khẩu độ số cao) là thế hệ máy EUV mới, và hiện là dòng máy duy nhất có thể in các bản thiết kế dạng nano lên các chip tiên tiến nhất. Những “ông lớn” như Nvidia, Apple, TSMC, Samsung và Intel đều không thể sản xuất chip tiên tiến nếu thiếu EUV, và ASML đã độc quyền thị trường này. Chiếc máy High NA đầu tiên đã được lắp đặt tại nhà máy sản xuất chip của Intel ở Oregon (Hoa Kỳ) vào năm ngoái, và tính đến nay, chỉ có 5 chiếc được chuyển giao trên toàn thế giới. Do kích thước khổng lồ, những cỗ máy này không thể vận chuyển nguyên khối mà phải tháo rời từng phần rồi lắp ráp lại tại điểm đến. Hiện nay, các công ty như Intel, TSMC và Samsung đang dần tăng cường sử dụng để sản xuất hàng triệu con chip, và ASML dự báo trong tương lai, tất cả khách hàng EUV của họ – bao gồm cả Micron, SK Hynix và Rapidus – sẽ sử dụng High NA.

Vai trò của EUV đối với ngành AI và công nghệ bán dẫn
Nếu không có công nghệ EUV và sản xuất logic tiên tiến, phần lớn các ứng dụng AI sẽ không có khả năng phát triển. CNBC đã di chuyển từ phòng thí nghiệm của ASML tại California đến trụ sở chính ở Veldhoven, Hà Lan để ghi lại những hình ảnh chưa từng có về cỗ máy sản xuất chip hiện đại nhất thế giới và phỏng vấn các nhà sáng chế về cách vận hành lẫn những thách thức, bao gồm vấn đề thuế quan, kiểm soát xuất khẩu và các cơ sở đào tạo tại Mỹ sắp mở cửa. Cần phải mặc trang phục chống tĩnh điện, qua buồng khí để loại bỏ mọi tạp chất trên quần áo, đi dọc các hành lang dài nơi từng bộ phận máy móc khổng lồ được di chuyển cẩn trọng. Chỉ riêng trong nhà máy EUV, đã có khoảng 2.000 người làm việc 24/7.

Phòng thí nghiệm tối mật là nơi kết tinh 40 năm nghiên cứu của ASML. Để hoàn thành một hệ thống như vậy, cần tới một năm rưỡi lắp ráp. Haddou, trưởng nhóm kiểm tra và đánh giá chất lượng máy High NA, cho biết bà vẫn không ngừng ngạc nhiên bởi độ phức tạp của máy: càng hiểu càng thấy ấn tượng hơn. Về bản chất, chiếc máy này chuyển họa tiết từ mặt nạ (mask) lên bề mặt wafer – những tấm wafer này sau đó sẽ được cắt, đóng gói và có thể trở thành các linh kiện trong điện thoại thông minh.

Quá trình phát triển và đánh cược của ASML với công nghệ EUV
Ông Jos Benschop gia nhập Philips năm 1984, chỉ hai tuần trước khi ASML ra đời với tư cách là công ty con trong một nhà kho dột nát tại Eindhoven. Sau khi tách ra và lên sàn chứng khoán vào năm 1995, Benschop đã lãnh đạo những công trình đầu tiên của ASML về công nghệ EUV. Việc dồn toàn bộ nguồn lực vào EUV là khoản đầu tư mạo hiểm lớn, nhưng nhìn lại thì đã thành công rực rỡ. Hàng năm, ASML nộp hàng trăm bằng sáng chế liên quan đến EUV. Ông Christophe Fouquet, người gắn bó với ASML hơn 17 năm và vừa nhậm chức CEO hơn một năm trước, cho biết quá trình phát triển EUV kéo dài trên 20 năm, đầy rủi ro và bất định vì không ai chắc chắn công nghệ này sẽ hoạt động hiệu quả.

Đến năm 2018, ASML chứng minh được tính khả thi của EUV, sử dụng quy trình tương tự như máy High NA hiện nay. Các con chip được sản xuất theo dạng lưới trên các tấm wafer silicon mỏng, mỗi tấm có thể lên tới 100 lớp và hàng tỷ bóng bán dẫn. Công nghệ in thạch bản tập trung chiếu các tia sáng cực kỳ chính xác qua lớp mặt nạ lên tấm wafer đã phủ hóa chất nhạy sáng. Các máy DUV (deep ultraviolet) (2) đời cũ hơn mà ASML vẫn sản xuất – sử dụng tia UV sâu có bước sóng 193 nm. Nikon và Canon vẫn còn cạnh tranh ở mảng DUV, nhưng bước đột phá của ASML đến từ việc họ đặt cược hoàn toàn vào EUV – nguồn sáng ngắn hơn mà không công ty nào khác sở hữu. Mức độ đầu tư cần thiết quá lớn và nhiều doanh nghiệp không dám theo đuổi.
(2) DUV là viết tắt của Deep Ultraviolet, nghĩa là tia cực tím sâu, thường dùng trong công nghệ quang khắc (photolithography) để sản xuất vi mạch bán dẫn. DUV sử dụng ánh sáng có bước sóng ngắn, phổ biến nhất là 248 nm (laser KrF) và 193 nm (laser ArF), để khắc các hoa văn mạch điện siêu nhỏ lên wafer silicon.

Sự kỳ công để thu nhỏ bóng bán dẫn và công nghệ tạo sáng EUV
Các chi tiết bóng bán dẫn đã được thu nhỏ tới mức mỏng hơn tóc người 10.000 lần, buộc ASML phải tự phát triển nguồn sáng EUV với bước sóng 13,5 nm – tương đương kích thước của 5 sợi DNA. Loại ánh sáng này quá nhỏ, nên gần như sẽ bị hấp thụ bởi mọi vật liệu; do đó, hệ thống phải hoạt động trong môi trường chân không hoàn toàn. Quy trình tạo sáng bao gồm việc bắn các giọt thiếc nóng chảy với tốc độ 50.000 giọt mỗi giây, sau đó dùng tia laser bắn bay từng giọt, tạo ra plasma nóng hơn cả mặt trời. Plasma này phát ra tia sáng EUV, được thu tập lại bằng các gương quang học do Carl Zeiss sản xuất, rồi tiếp tục dẫn đến giàn quang. Những tấm gương này thuộc loại phẳng nhất từng được chế tạo vì tia EUV sẽ bị vật liệu bình thường hấp thụ hết.

Sau khi ánh sáng EUV đi qua hệ thống thấu kính, nó chiếu vào wafer silicon phủ hóa chất nhạy sáng để “in” các bản thiết kế nhỏ cực kỳ chính xác – TSMC ví như chiếu tia laser từ mặt trăng để trúng vào đồng xu đặt trên Trái Đất. Năm 2024, số lượng máy EUV chỉ chiếm chưa đến 8% tổng số đơn vị ASML bán ra (44 máy so với 374 máy DUV), nhưng lại chiếm tới 38% doanh thu bán thiết bị do mỗi chiếc mấy này có giá lên tới 220 triệu đô la. Tuy vậy, nhờ các bước tiến công nghệ, chi phí sản xuất chip ngày càng giảm. ASML không tự động tăng giá máy EUV, vì quy luật Moore (3) quy định chi phí tiếp tục phải giảm, tạo điều kiện để mở rộng sang các công nghệ chip thế hệ mới hơn.
(3) Quy luật Moore (Moore’s Law) là một nhận định mang tính kinh nghiệm trong ngành bán dẫn, do Gordon Moore, đồng sáng lập Intel, đưa ra năm 1965. Quy luật này cho rằng số lượng transistor trên một vi mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi sau mỗi khoảng 18–24 tháng, trong khi chi phí trên mỗi transistor giảm xuống.

Đột phá với High NA: Cấu hình, hiệu suất và thách thức năng lượng
Việc phát triển các máy High NA trị giá 400 triệu đô la bắt đầu từ khoảng năm 2016. Quy trình EUV cơ bản không thay đổi, nhưng điểm khác biệt lớn nhất ở máy High NA là khẩu độ thấu kính rộng hơn, hay còn gọi là high numerical aperture (4), cho phép thu nhận ánh sáng từ các góc lớn hơn. Nhờ đó, những mẫu chip nhỏ hơn có thể được in chỉ bằng một lần chiếu, trong khi các máy NA thấp trước đây phải chiếu nhiều lần với nhiều mặt nạ, làm quy trình phức tạp thêm và giảm hiệu suất. High NA nhờ nâng cao độ phân giải và cắt giảm số lượng mặt nạ, vừa tiết kiệm thời gian vừa giảm chi phí, dù giá thành máy tăng chủ yếu do thấu kính và kích thước tổng thể lớn hơn. Các thiết bị này tiêu thụ lượng điện khổng lồ; ASML ghi nhận đã giảm 60% mức tiêu thụ điện trên mỗi wafer so với năm 2018, nhưng cơn sốt AI có thể kéo theo áp lực tiêu thụ điện lớn nếu không có cải tiến mới về hiệu suất.
(4) High Numerical Aperture là thuật ngữ dùng để chỉ hệ quang học có khẩu độ số (Numerical Aperture – NA) lớn, cho phép thu và hội tụ ánh sáng ở góc rộng hơn, từ đó đạt độ phân giải cao hơn. Trong lĩnh vực quang khắc bán dẫn, NA càng lớn thì chi tiết mạch điện có thể khắc càng nhỏ, giúp tiếp tục thu nhỏ transistor và tăng mật độ tích hợp trên chip.

Các cỗ máy của ASML có thể in khoảng 200 wafer mỗi giờ liên tục, với mục tiêu nâng lên hàng vài trăm wafer/giờ. Tại một hội nghị gần đây, Intel cho biết đã sản xuất chip trên 30.000 wafer bằng High NA, đạt độ ổn định gấp đôi so với phiên bản cũ. Samsung cũng báo cáo đã rút ngắn chu kỳ sản xuất 60%. Công nghệ High NA giúp tăng mật độ thiết bị trên mỗi wafer và giảm nhu cầu in nhiều lớp, nhờ vậy nâng cao hiệu suất và sản lượng chip.

Kết hợp giữa DUV và EUV, ảnh hưởng của kiểm soát xuất khẩu và thị phần tại Trung Quốc
Thông thường, quy trình sản xuất chip đòi hỏi phải dùng nhiều công nghệ in thạch bản khác nhau cho các lớp vật liệu khác nhau, phần lớn vẫn dùng DUV. Máy DUV đời cũ, giá từ 5-90 triệu đô la một chiếc, hiện vẫn chiếm hơn nửa doanh thu của ASML, thích hợp cho chip kém phức tạp như chip dùng trong xe hơi. ASML tiếp tục xuất khẩu nhiều máy DUV sang Trung Quốc, mặc dù các biện pháp kiểm soát xuất khẩu do chính quyền Trump khởi xướng đã chặn quyền tiếp cận máy EUV, nhằm kìm hãm sự phát triển của chip cao cấp và công nghệ AI tại đây. Trung Quốc vẫn đang tiến bộ ở các node vốn không cần EUV (ví dụ tiến trình 7nm cho smartphone), cùng lúc đó, việc tích trữ máy DUV chưa bị kiểm soát chặt. Đỉnh điểm, doanh số bán hàng cho Trung Quốc từng chiếm tới 49% toàn bộ hoạt động của ASML, nhưng đến cuối năm 2024 con số này còn 30%.

Sự bùng nổ nhu cầu chip, đặc biệt từ AI, đã giúp ASML tăng giá trị cổ phiếu lên mức cao nhất lịch sử, dù một số bất ổn gần đây do thuế quan khiến giá có phần giảm nhẹ. Tác động của thuế quan vẫn còn chưa rõ ràng, càng phức tạp bởi mạng lưới nhà cung cấp toàn cầu của ASML và các thách thức hậu cần. Một máy High NA hoàn chỉnh được lắp ráp từ bốn bộ phận sản xuất tại Connecticut, Đức, Hà Lan và California, sau đó chuyển về Veldhoven để ráp thử, rồi tách ra từng phần, gửi đi các nhà máy chip khắp thế giới (chủ yếu tại châu Á, nay Hoa Kỳ cũng tăng dần). Việc vận chuyển một máy cần tới bảy chuyến Boeing 747 cùng 25-30 xe tải chuyên dụng.

Thị phần ASML tại Mỹ, quá trình vận hành và đào tạo kỹ sư vận hành
Ở Mỹ, tỷ trọng doanh thu của ASML năm 2024 đạt khoảng 17% và đang tăng nhanh nhờ các khoản đầu tư lớn của Intel ở Ohio, Arizona và của TSMC tại Arizona. Lực lượng nhân sự ASML đã tăng từ 32.000 người năm 2022 lên 44.000 người ở thời điểm hiện tại, riêng tại Mỹ là 8.500 người. Trong số 60 văn phòng toàn cầu, có 18 văn phòng tại Mỹ, bao gồm cả các đơn vị sản xuất và nghiên cứu ở Connecticut, San Diego và San Jose. Tại San Jose, các máy đo quang học gồm 25 chùm điện tử giúp kiểm tra hiệu suất các tấm wafer.

Arizona đang trở thành trung tâm lớn cho High NA, với các máy đầu tiên chuyển đến khu sản xuất mở rộng của Intel. Intel là đối tác quan trọng của ASML, tiên phong đẩy mạnh công nghệ EUV và bây giờ là High NA. Dù Intel đóng vai trò then chốt với tham vọng tự chủ chip tại Hoa Kỳ, TSMC vẫn dẫn đầu về node chip tiên tiến nhất, với nhà máy tại Arizona đã đi vào sản xuất hàng loạt sử dụng máy EUV thế hệ ban đầu. Để lắp đặt một máy EUV duy nhất đòi hỏi hơn 2.000 mối nối điện, hơn 2 km dây cáp, 100.000 linh kiện và 40.000 bu-lông.

Với tốc độ phổ cập EUV ngày càng nhanh tại Arizona, ASML sắp khai trương trung tâm đào tạo đầu tiên tại Mỹ, dự kiến đào tạo 1.200 học viên mỗi năm. Trước đây, các chương trình đào tạo chỉ tổ chức tại Hà Lan, Đài Loan và Hàn Quốc. Khi lĩnh vực sản xuất chip tiếp tục phát triển mạnh, ASML đã bắt đầu phát triển thế hệ máy kế tiếp – Hyper NA – với numerical aperture còn lớn hơn, hứa hẹn in các chi tiết nhỏ hơn và năng lực vượt trội. Dù có thông tin máy này có thể giá tới 700 triệu đô la, lãnh đạo ASML chưa xác nhận, chỉ nói rằng giá thành sẽ tiếp tục tăng tương ứng với mỗi bước tiến công nghệ. ASML dự đoán Hyper NA sẽ được các khách hàng cần đến sau khoảng 10 năm tới, tức vào giai đoạn từ 2032-2035 theo lộ trình công nghệ.

Tương lai của High NA và vị thế độc quyền của ASML
Trước mắt, ASML tập trung tăng tốc sản xuất High NA, nâng công suất lên 20 máy/năm chỉ trong vài năm tới. Dù hiện tại ASML đang nắm thế độc quyền với công nghệ then chốt trong ngành bán dẫn, họ vẫn không ngừng cảnh giác, nỗ lực duy trì vị thế dẫn đầu khi ngành sản xuất chip chuyển mình trong kỷ nguyên AI.

Để xem các tin bài khác về “Bán dẫn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: CNBC