Đã tạo được tia EUV, nhưng tại sao máy quang khắc Trung Quốc vẫn thua ASML, hóa ra vì thiếu bộ phận này

Trung Quốc đã hoàn thành một kỳ tích công nghệ mà nhiều chuyên gia từng cho là bất khả thi: chế tạo thành công nguyên mẫu máy quang khắc EUV và tạo ra ánh sáng cực tím hoạt động. Đây là bước đột phá đáng kinh ngạc khi hầu hết thế giới tin rằng Trung Quốc cần hơn một thập kỷ nữa mới đạt được mốc này.

Tuy nhiên, mặc dù đã vượt qua rào cản “làm được hay không”, nguyên mẫu của Trung Quốc vẫn được mô tả là “thô sơ” so với máy của ASML và chưa thể sản xuất chip nào. Nguyên nhân chính nằm ở một bộ phận then chốt mà Trung Quốc vẫn chưa làm chủ được: hệ thống quang học từ Carl Zeiss của Đức – nhà cung cấp chính của ASML.

Mặc dù Viện Quang học Trường Xuân thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã đạt được bước tiến quan trọng khi tích hợp ánh sáng cực tím vào hệ thống quang học của nguyên mẫu và giúp nó hoạt động được vào đầu năm 2025, hệ thống quang học này vẫn cần cải tiến đáng kể trước khi có thể đạt mức thương mại.

Tại sao hệ thống quang học của Carl Zeiss lại quan trọng đến vậy?

Để hiểu tại sao hệ thống quang học của Zeiss lại quan trọng đến vậy, cần nhận ra bản chất đặc biệt của ánh sáng EUV. Ánh sáng này có bước sóng cực ngắn chỉ 13,5nm và bị hấp thụ bởi hầu hết mọi vật liệu, kể cả không khí và thủy tinh. Do đó, không thể sử dụng thấu kính như các máy quang khắc DUV truyền thống. Vì vậy, hãng Zeiss phải tạo ra một hệ thống hoàn toàn dựa trên gương phản xạ hoạt động trong môi trường chân không – một kỳ công kỹ thuật đáng kinh ngạc.

Hệ thống quang học này cao 1,5m, nặng 3,5 tấn và được tạo thành từ hơn 35.000 chi tiết. Nhưng con số ấn tượng nhất không phải kích thước hay trọng lượng, mà là độ chính xác điên rồ của các gương. Nếu phóng to một gương EUV lên bằng diện tích nước Đức, điểm nhô cao nhất trên bề mặt sẽ chỉ 0,1 milimét. Đây là mức độ chính xác ở tầm nguyên tử – bất kỳ sai lệch nhỏ nào cũng sẽ làm méo mó ánh sáng và phá hỏng hình ảnh chip.

Hệ thống quang học EUV bao gồm nhiều thành phần phức tạp: laser hồng ngoại bắn vào thiếc nóng chảy tạo plasma, bộ thu ánh sáng (collector) hứng tia EUV, sau đó ánh sáng đi qua tiêu điểm trung gian trước khi được hệ thống chiếu sáng (illuminator) chiếu lên mặt nạ quang khắc (mask). Cuối cùng, hệ quang học chiếu (projection optics) thu nhỏ hình ảnh và in lên tấm wafer. Các gương siêu chính xác mà hãng Zeiss chế tạo ra được sử dụng trong hệ thống Projection Optics (hệ thống quang chiếu) – trái tim của cỗ máy EUV – nhằm thu nhỏ và chiếu hình ảnh từ tấm mask xuống tấm wafer.

Mỗi gương không phải là tấm phản xạ đơn giản mà là một cấu trúc đa lớp tinh vi với hơn 100 lớp được phủ chính xác ở cấp độ nguyên tử. Các lớp molybdenum và silicon này chỉ dày vài nm và phải được sắp xếp với độ đồng đều gần như tuyệt đối để phản xạ ánh sáng EUV với tổn thất tối thiểu. Zeiss chỉ ra rằng việc chế tạo chỉ một gương như vậy mất nhiều tháng, và số lượng chuyên gia có thể xử lý mức độ chính xác này cực kỳ hiếm.

Tầm quan trọng của Zeiss đối với ASML là tuyệt đối. ASML đã đầu tư 1,5 tỷ Euro vào Carl Zeiss SMT và mua lại 24,9% cổ phần vào năm 2016, nhận được hàng tỷ Euro cổ tức kể từ đó. Trong cùng thời kỳ, doanh thu của Zeiss SMT đã tăng vọt từ 1,2 tỷ euro năm 2016 lên 4,1 tỷ euro năm 2024.

Không có Zeiss, hoạt động của ASML sẽ dừng lại hoàn toàn – đó là lý do tại sao mối quan hệ này được mô tả là phụ thuộc tuyệt đối. Ngay cả ASML, công ty duy nhất làm chủ công nghệ EUV trên thế giới, cũng không thể tự sản xuất gương mà phải dựa hoàn toàn vào Zeiss.

Khoảng cách giữa “hoạt động được” và “sản xuất được”

Trung Quốc hiện đang thiếu 3 yếu tố then chốt để tạo ra hệ thống quang học tương đương. Thứ nhất là công nghệ mài, đánh bóng và phủ gương ở độ chính xác mà Zeiss đã thành thạo. Thứ hai là hệ thống đo kiểm đủ chính xác để “biết mình đã sai bao nhiêu” – khả năng đo lường và kiểm tra chính các sản phẩm mình tạo ra với độ chính xác nm. Thứ ba là kiến thức tích lũy qua nhiều thập kỷ về kiểm soát chất lượng, xử lý sai lệch và duy trì sản xuất ổn định với tỷ lệ lỗi chấp nhận được.

Các viện nghiên cứu Trung Quốc như CIOMP và Viện Hàn lâm Khoa học đã làm cho máy hoạt động được, nhưng các gương hiện tại vẫn còn nhiễu, độ phản xạ thấp và độ căn chỉnh chưa đủ ổn định cho sản xuất chip. Không có gương Zeiss chất lượng cao, nguyên mẫu của Trung Quốc không thể đạt được năng suất và thông lượng ở mức thương mại – đó chính là khoảng cách giữa “hoạt động được” và “sản xuất được chip”.

Tầm quan trọng chiến lược của công nghệ này giải thích tại sao Huawei được cho là đã cố gắng thu hút các kỹ sư từ Zeiss SMT của Đức vào cuối năm 2024, đề nghị mức lương gấp 3 lần để có được chuyên môn của họ về quang học tiên tiến. Đây là một phần trong chiến dịch tuyển dụng rộng khắp mà Trung Quốc khởi động từ năm 2019 với mức thưởng ký hợp đồng từ 420.000 đến 700.000 USD, nhắm vào các chuyên gia bán dẫn làm việc ở nước ngoài.

Mua Hàng với Shopee

Tuy nhiên, ngay cả khi có thể thu hút được nhân tài, việc sao chép công nghệ Zeiss vẫn là thách thức khổng lồ. Ngay cả khi có được gương cũ của ASML để nghiên cứu, việc phân tích cấu trúc chi tiết mà không phá hủy nó là cực kỳ khó khăn. Trung Quốc thiếu thiết bị sản xuất chuyên dụng, thiếu kinh nghiệm tích lũy về xử lý sai lệch, và thiếu chuỗi cung ứng vật liệu và linh kiện hỗ trợ mà Zeiss đã xây dựng qua nhiều thập kỷ.

Jeff Koch, nhà phân tích tại SemiAnalysis và cựu kỹ sư ASML, nhận định Trung Quốc đã đạt “tiến bộ có ý nghĩa” nếu nguồn sáng đủ công suất và đáng tin cậy. Ông khẳng định điều này hoàn toàn khả thi về mặt kỹ thuật, chỉ là vấn đề thời gian. Trung Quốc có lợi thế là công nghệ EUV thương mại hiện đã tồn tại, nên họ không phải bắt đầu từ con số không như ASML đã làm hai thập kỷ trước.

Trung Quốc đã vượt qua rào cản “bất khả thi” khi tạo ra được ánh sáng EUV và có hệ thống hoạt động. Câu hỏi thực sự bây giờ không còn là “có làm được không” mà là “bao lâu thì đạt mức thương mại”. Với mục tiêu chính phủ đặt ra là năm 2028 và dự đoán thực tế là năm 2030, Trung Quốc vẫn cần nhiều năm nữa để làm chủ bộ phận then chốt này – hệ thống quang học mà ngay cả ASML cũng phải phụ thuộc hoàn toàn vào Zeiss.