Startup Nga tìm ra cách mới để sản xuất chip siêu nhỏ: Nhanh gấp 3.000 lần công nghệ cũ, nhưng ít nhất 3 năm nữa thành sự thật

Một startup Nga được Sáng kiến Công nghệ Quốc gia hậu thuẫn vừa công bố dự án máy quang khắc điện tử đa chùm tia với tuyên bố có thể giảm thời gian xử lý tấm wafer silicon từ một đến hai tuần xuống chỉ còn 5 đến 7 phút, tức nhanh hơn khoảng 3.000 lần so với công nghệ quang khắc điện tử hiện tại.

Nếu được thương mại hóa thành công, đây sẽ là bước ngoặt không chỉ với ngành bán dẫn Nga mà còn với toàn bộ ngành sản xuất chip toàn cầu. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh ngay từ đầu: chiếc máy này hiện chưa tồn tại, và nhóm phát triển ước tính cần ít nhất ba năm nữa mới có nguyên mẫu đầu tiên.

Tại sao lại là máy quang khắc điện tử?

Trong quy trình sản xuất chip, quang khắc là bước quan trọng nhất, nơi các mạch điện siêu nhỏ được "in" lên bề mặt wafer silicon thông qua việc phơi sáng một lớp hóa chất cảm quang.

Các máy quang khắc điện tử thực hiện điều này bằng cách dùng chùm tia điện tử để vẽ trực tiếp từng chi tiết mạch lên bề mặt wafer, không cần mặt nạ quang học. Ưu điểm là độ phân giải cực cao, nhược điểm là tốc độ cực kỳ chậm.

Hãy hình dung một nghệ nhân phải tô màu một bức tranh khổng lồ chứa hàng tỷ chi tiết siêu nhỏ bằng một chiếc bút lông đơn, di chuyển từng điểm một theo trình tự. Đó chính xác là cách máy quang khắc điện tử truyền thống hoạt động, và đó là lý do tại sao mỗi tấm wafer mất từ một đến hai tuần để xử lý xong một lớp phơi sáng duy nhất.

Vì chậm như vậy, máy quang khắc điện tử hiện chủ yếu chỉ được dùng trong nghiên cứu và sản xuất chip số lượng nhỏ, không phù hợp cho sản xuất đại trà.

Giải pháp của các nhà nghiên cứu Nga

Đề xuất của nhóm nghiên cứu Nga do ông Evgeny Givargizov dẫn đầu giải quyết đúng điểm nghẽn này bằng một kiến trúc hoàn toàn khác. Thay vì dùng một chùm tia điện tử đơn di chuyển tuần tự, họ thiết kế một linh kiện gọi là đa cathode, tức một tấm đế duy nhất chứa nhiều nguồn điện tử độc lập hoạt động song song cùng lúc.

Cách hình dung đơn giản nhất: thay vì một cây bút đơn, bạn có hàng nghìn cây bút chạy đồng thời trên cùng một tờ giấy. Phần diện tích cần tô được chia đều cho tất cả các bút, và toàn bộ công việc hoàn thành trong một phần nhỏ thời gian ban đầu.

Điểm kỹ thuật giúp phân biệt đề xuất của Nga với các hệ thống đa chùm tia đang được phát triển ở nơi khác nằm ở cách tạo ra các nguồn điện tử. Các hệ thống nước ngoài thường bắt đầu từ một chùm tia đơn rồi tách nó ra bằng hệ thống gương và màn chắn quang học phức tạp, đòi hỏi hạ tầng kỹ thuật tinh vi và tốn kém.

Thay vào đó, các nhà nghiên cứu của Nga tạo nhiều nguồn điện tử độc lập ngay từ đầu trên cùng một đế chung, giảm đáng kể độ phức tạp, yêu cầu hạ tầng và chi phí thiết bị. Ông Givargizov cho biết nhóm đã chế tạo và kiểm tra thành công đa cathode này với bán kính đầu chỉ 1,5 đến 2 nm, đây là kết quả đạt được trong thực tế chứ không phải lý thuyết, và được mô tả là một trong những kết quả tốt nhất thế giới cho loại máy quang khắc điện tử này.

Dù đã rút ngắn đáng kể thời gian sản xuất chip, khoảng thời gian 5 phút vẫn quá dài so với các máy quang khắc của ASML hiện nay. Để so sánh, các cỗ máy của ASML có thể “in” và sản xuất hàng loạt con chip chỉ trong vài giây hoặc vài chục giây khi phơi sáng toàn bộ tấm wafer silicon.

Vẫn chỉ là lý thuyết

Tuy nhiên, đây là điểm quan trọng nhất cần hiểu rõ. Những gì startup của Nga thực sự đã làm được là chế tạo và kiểm tra thành công linh kiện đa cathode, tức một trong những bộ phận cốt lõi của máy.

Bản thân chiếc máy quang khắc hoàn chỉnh chưa được xây dựng và thậm chí chưa bước vào giai đoạn thiết kế kỹ thuật. Nhóm nghiên cứu ước tính cần khoảng ba năm để hoàn thành nguyên mẫu đầu tiên, với điều kiện tiếp tục được cấp vốn và giai đoạn phát triển kỹ thuật diễn ra suôn sẻ. Thương mại hóa thực sự còn xa hơn nhiều sau đó.

Các chuyên gia trong ngành đánh giá dự án này theo hai hướng khác nhau. Ông Sergey Sazonov, chuyên gia vi điện tử của NTI, nhận định công nghệ đa cathode có tiềm năng thực sự nếu đội ngũ có thể giải quyết được bài toán kiểm soát chính xác nhiều chùm tia điện tử đồng thời ở quy mô công nghiệp.

Tuy nhiên, ông Sergey Varnavsky, chuyên gia kỹ thuật độc lập, đưa ra cảnh báo đáng chú ý hơn: vào thời điểm nguyên mẫu hoàn chỉnh xuất hiện sau ba năm, công nghệ bán dẫn toàn cầu sẽ tiếp tục tiến xa, và có nguy cơ sản phẩm đã lỗi thời trước khi ra mắt thị trường quốc tế. Trong thị trường nội địa Nga ít cạnh tranh do các lệnh cấm vận, thiết bị này có thể vẫn tìm được người dùng, nhưng tham vọng cạnh tranh toàn cầu là câu hỏi khác.

Bất kể kết quả cuối cùng ra sao, dự án này phản ánh một thực tế quan trọng về bối cảnh địa chính trị hiện nay. Nga bị cắt đứt khỏi phần lớn chuỗi cung ứng thiết bị bán dẫn phương Tây từ năm 2022, buộc phải tìm con đường tự phát triển công nghệ thay thế.

Thay vì cố sao chép các thiết kế hiện có, nhóm Givargizov chọn tiếp cận từ hướng hoàn toàn khác, và việc đa cathode đã được chế tạo và kiểm tra thành công là bằng chứng cho thấy hướng đi đó ít nhất là khả thi về mặt khoa học. Ba năm tới sẽ là phép thử thực sự cho khoảng cách giữa bằng chứng khoa học và máy móc công nghiệp hoạt động được.