Trung Quốc đang khám phá những cách thức mới để vượt qua các lệnh cấm quốc tế đối với máy in thạch bản - một thành phần được sử dụng trong sản xuất vi mạch. Trong đó, máy gia tốc hạt (particle accelerators), công cụ có khả năng tạo ra nguồn laser mới, đang được các nhà nghiên cứu Trung QUốc đặt nền móng cho quá trình chế tạo chất bán dẫn trong tương lai.
TRUNG QUỐC RẼ HƯỚNG
Trung Quốc đang có kế hoạch tiến hành để xây dựng một máy gia tốc hạt có chu vi từ 100-150 mét – gần bằng kích thước của hai sân bóng rổ cộng lại. Chùm tia điện tử của loại máy gia tốc này sẽ biến thành nguồn sáng chất lượng cao để sản xuất chip tại chỗ và nghiên cứu khoa học.
Nhóm nghiên cứu từ Đại học Thanh Hoa đang tích cực thảo luận với chính quyền Khu vực mới Xiongan (Xiongan New Area) để chọn địa điểm xây dựng cho dự án tiên tiến này.
Trái ngược với những công ty thương mại như ASML (Advanced Semiconductor Materials Lithography) của Hà Lan, vốn ủng hộ việc giảm kích thước của máy sản xuất chip để dễ dàng xuất khẩu, thì dự án của Trung Quốc nhằm mục đích nội địa hóa sản xuất bằng cách xây dựng một nhà máy khổng lồ chứa nhiều máy in thạch bản xung quanh một máy gia tốc duy nhất.
Sự đổi mới này có thể thúc đẩy sản xuất chip số lượng lớn với chi phí thấp và có khả năng đưa Trung Quốc vào vị thế dẫn đầu trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp chip tiên tiến - còn được biết đến là chip 2nm (nanomet) - và hơn thế nữa.
Hệ thống in thạch bản là một trong những loại máy móc phức tạp nhất từng được con người tạo ra. Hiện nay, tia cực tím (EUV) có bước sóng cực ngắn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất chip có nút 7nm trở xuống. ASML là công ty duy nhất sở hữu công nghệ và do đó thống trị thị trường toàn cầu. Tính đến cuối năm 2022, ASML đã cung cấp 180 hệ thống EUV cho các doanh nghiệp nước ngoài. Theo báo cáo của Bloomberg công bố vào tháng 4, công ty cũng có kế hoạch xuất xưởng 60 EUV trong năm nay.
Trong khi có nhiều nhà nghiên cứu quốc tế kiên trì theo đuổi công nghệ này thì các nhà khoa học Trung Quốc lại hướng đến một con đường khác - máy gia tốc hạt particle accelerators.
Đây là một dự án đã được triển khai từ năm 2017, nhưng những đột phá của Huawei trong lĩnh vực sản xuất chip gần đây mới đưa thông tin rộng rãi đến với công chúng.
“Một trong những ứng dụng tiềm năng nhất của dự án này là làm nguồn sáng cho các máy in thạch bản EUV trong tương lai. Tôi nghĩ đây là lý do tại sao cộng đồng quốc tế đang theo dõi một cách sát sao”, giáo sư Tang Chuanxiang, trưởng dự án từ Đại học Thanh Hoa, cho biết trong một báo cáo trên trang web của trường.
Lý thuyết đằng sau nghiên cứu của nhóm là một cơ chế phát quang mới được gọi là microbunching trạng thái ổn định ( Steady-State Microbunching - SSMB), được đề xuất lần đầu tiên bởi giáo sư Zhao Wu và sinh viên Daniel Ratner tại Đại học Stanford vào năm 2010. Giáo sư Zhao Wu đã đề xuất lý thuyết này vào năm 2010. Sau đó, giáo sư Tang Chuanxiang thành lập một nhóm chuyên trách tại Đại học Thanh Hoa.
Đội ngũ đã tiến hành giai đoạn xác minh đầu tiên tại Nguồn sáng đo lường (MLS) ở Berlin, Đức. Vào năm 2019, thí nghiệm thành công và họ đã xuất bản một bài báo minh họa hiện tượng này trên tạp chí Nature vào năm 2021. Sau đó vào năm 2022, nhóm thiết kế một nguyên mẫu khác tại Đại học Thanh Hoa.
“Là một nguồn sáng hoàn toàn mới, việc xác minh thử nghiệm công nghệ đã được triển khai. Nhưng cần phải chế tạo một thiết bị nghiên cứu nguồn sáng SSMB vững chắc hoạt động ở băng tần EUV. Sau đó, chúng tôi có thể sử dụng thiết bị này để thu hút người dùng khoa học và công nghiệp, đồng thời cải thiện công nghệ SSMB”, ông Tang Chuanxiang từng giải thích trên tạp chí Nature.
TÌM KIẾM GIẢI PHÁP CHO TƯƠNG LAI?
Lý thuyết SSMB sử dụng năng lượng được giải phóng bởi các hạt tích điện trong quá trình gia tốc để hoạt động như một nguồn sáng. Kết quả mang đến băng thông hẹp, góc tán xạ nhỏ và ánh sáng EUV thuần túy liên tục.
Các hạt tích điện phát ra ánh sáng khi chúng được gia tốc và các máy gia tốc sử dụng hiện tượng này là một trong những nguồn ánh sáng nhân tạo sáng nhất hiện có.
“Thách thức chính nằm ở việc hướng dẫn sự phân bố electron trong vòng lưu trữ của máy gia tốc, khiến chúng đạt được bức xạ đồng bộ tập thể. Thiết bị này có thể tạo ra bức xạ chất lượng cao từ sóng terahertz ở bước sóng 0,3mm đến sóng EUV ở bước sóng 13,5nm”, giáo sư Zhao cho biết trong một báo cáo học thuật tại Tsinghua vào tháng 10/2022. “Không giống như laser điện tử tự do tạo ra xung laser có công suất cực đại cao, nguồn SSMB tạo ra ánh sáng liên tục với công suất trung bình cao”, ông Zhao giải thích thêm.
Đặc điểm này đã mang đến triển vọng ứng dụng rộng rãi của SSMB.
So với công nghệ ASML EUV hiện tại, SSMB là nguồn sáng lý tưởng hơn. Nó có công suất trung bình và sản lượng sản xuất chip cao hơn với chi phí đơn vị thấp hơn.
ASML mang đến nguồn EUV từ plasma được tạo ra bằng laser, trong đó các xung laser mạnh được chiếu tới các giọt thiếc lỏng nhỏ. Tia laser nghiền nát các giọt nước và tạo ra ánh sáng xung EUV trong quá trình va chạm. Sau quá trình lọc và lấy nét phức tạp, nguồn sáng EUV có công suất khoảng 250W sẽ được tạo ra. Trước khi chạm tới con chip, chùm tia EUV trải qua phản xạ từ 11 gương, mỗi gương gây tổn thất năng lượng khoảng 30%. Kết quả là công suất của chùm tia khi chạm tới tấm bán dẫn sẽ nhỏ hơn 5W. Điều này có thể trở thành vấn đề khi sản xuất chuyển sang 3nm hoặc 2nm.
Trong khi đó, công nghệ SSMB tránh được những lo ngại như vậy. Chùm SSMB đạt được công suất đầu ra cao hơn là 1000W và do băng thông hẹp nên cần ít gương phản chiếu hơn, điều này tự nhiên tạo ra công suất đầu cuối cao hơn.
Giáo sư Pan Zhilong, thành viên nhóm nghiên cứu cho biết: “Một nguồn sáng SSMB-EUV đã được thiết kế tại Đại học Thanh Hoa, với công suất EUV được thiết kế cao hơn 1kW và một số công nghệ chính gần như đã sẵn sàng”.
Vào tháng 2 năm nay, Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Hà Bắc đã tổ chức một cuộc họp đặc biệt tại Xiongan để thảo luận về cách phát triển các công ty công nghệ ở quận mới. Giáo sư Pan Zhilong đã có mặt tại cuộc họp, thể hiện rõ hơn nỗ lực của nhóm trong việc đưa SSMB vào hoạt động trong ngành.
Việc thành lập một nhà máy sản xuất chip phụ thuộc vào nguồn vốn và các chi tiết kỹ thuật khác nhau. Nhưng quan trọng hơn, những ý tưởng mới có thể mang lại những hướng đi kỹ thuật mới.
Giáo sư Tang Chuanxiang tin rằng công nghệ này có thể giúp Trung Quốc thoát khỏi các lệnh trừng phạt quốc tế trong tương lai, nhưng ông từ chối nói về tiến trình cụ thể của máy in thạch bản dựa trên SSMB.
“Vẫn còn một chặng đường dài trước khi chúng tôi phát triển độc lập máy in thạch bản EUV, nhưng các nguồn sáng EUV dựa trên SSMB mang đến một giải pháp thay thế cho công nghệ nằm trong diện cấm. Nó cũng đòi hỏi sự đổi mới công nghệ liên tục dựa trên các nguồn sáng SSMB EUV và hợp tác với các ngành công nghiệp thượng nguồn và hạ nguồn để xây dựng một hệ thống in thạch bản có thể sử dụng được”, ông Tang bổ sung thêm.
Giáo sư Tang Chuanxiang cũng lưu ý, việc hiện thực hóa các nguồn sáng SSMB-EUV sẽ cung cấp các công cụ mới cho nghiên cứu tiên phong trong khoa học vật liệu, vật lý cơ bản, hóa sinh và nhiều lĩnh vực quan trọng khác.
