Trung Quốc sắp xây dựng nhà máy chip khổng lồ vận hành bằng máy gia tốc hạt

Trung Quốc đang khám phá giải pháp mới để vượt qua các hạn chế đối với xuất khẩu công nghệ sản xuất chip.

Theo báo Bưu điện Hoa Nam Buổi sáng, kế hoạch này đã được triển khai bằng việc xây dựng một máy gia tốc hạt có chu vi 100 - 150 mét, gần bằng kích thước của hai sân bóng rổ. Chùm tia điện tử của máy gia tốc sẽ biến đổi thành nguồn sáng chất lượng cao để ứng dụng 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 đặc khu kinh tế mới Xiongan để chọn địa điểm xây dựng dự án tiên tiến này.

Khác với những công ty thương mại như Công nghệ in thạch bản vật liệu bán dẫn tiên tiến (ASML) của Hà Lan, vốn ủng hộ giảm kích thước máy sản xuất chip để xuất khẩu, 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 phục vụ một máy gia tốc duy nhất.

Sự đổi mới này có thể thúc đẩy sản xuất chip số lượng lớn với chi phí thấp, có khả năng đưa Trung Quốc trở thành nhà tiên phong trong sản xuất công nghiệp chip tiên tiến, trong đó có chip 2nm (nanomet) và hơn thế nữa.

Máy 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 dưới 7nm.

ASML là công ty duy nhất sở hữu công nghệ này trên thị trường. Tính đến cuối năm 2022, ASML đã cung cấp 180 hệ thống EUV cho thế giới. Theo báo cáo công bố hồi tháng 4 của Bloomberg, công ty này cũng có kế hoạch xuất xưởng 60 EUV trong năm nay.

Trong khi nhiều nhà nghiên cứu theo đuổi công nghệ này, các nhà khoa học Trung Quốc lại khám phá một giải pháp khác. Dự án này đã được triển khai từ năm 2017, nhưng do những đột phá của Huawei trong lĩnh vực sản xuất chip nên gần đây công nghệ này mới được công bố rộng rãi.

Giáo sư Tang Chuanxiang, trưởng dự án tại Đại học Thanh Hoa, cho biết : “Một trong những ứng dụng tiềm năng của nghiên cứu này là tạo ra nguồn sáng cho các máy in thạch bản EUV trong tương lai. Tôi nghĩ đây cũng là lý do tại sao cộng đồng quốc tế đang đặc biệt quan tâm đến dự án này”,

Lý thuyết đằng sau nghiên cứu này là cơ chế phát quang mới - được gọi là sự dính chùm tiểu vi trạng thái ổn định (SSMB). Cơ chế này do Giáo sư Zhao Wu tại Đại học Stanford và sinh viên của ông, Daniel Ratner, đề xuất vào năm 2010. Lý thuyết SSMB sử dụng năng lượng do các hạt tích điện trong quá trình gia tốc để hoạt động như một nguồn sáng. Kết quả là băng thông hẹp, góc tán xạ nhỏ và ánh sáng EUV trong suốt liên tục.

Các hạt tích điện phát ra ánh sáng trong quá trình 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 phân bổ electron trong máy gia tốc hạt tròn, 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”, ông Zhao cho biết trong một báo cáo học thuật tại Đại học Thanh Hoa vào tháng 10/2022.

Ông nhấn mạnh 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. Đặc điểm này giúp SSMB có triển vọng ứng dụng rộng rãi.

So với công nghệ ASML EUV hiện tại, SSMB là nguồn sáng lý tưởng hơn. Nó có công suất trung bình cao hơn và sản lượng sản xuất chip cao hơn với chi phí thấp hơn.

ASML tạo ra nguồn EUV từ plasma bằng laser, trong đó các xung laser mạnh được chiếu tới các giọt thiếc lỏng nhỏ. Tia laser nghiền nát các giọt thiếc này và tạo ra ánh sáng xung EUV trong quá trình tác động. Sau quá trình lọc và làm tụ phức tạp, công nghệ này sẽ tạo ra nguồn sáng EUV có công suất khoảng 250W.

Trước khi tiếp xúc với chip, chùm tia EUV này trải qua quá trình phản xạ từ 11 chiếc gương, mỗi chiếc gương sẽ 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 chip 3nm hoặc 2nm.

Trong khi đó, công nghệ SSMB đã khắc phục được những lo ngại này. Chùm SSMB đạt công suất đầu ra cao hơn 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.

Lý thuyết này đã được đề xuất vào năm 2010. Sau đó, vào năm 2017, ông Tang thành lập một nhóm chuyên nghiên cứu tại Thanh Hoa. Nhóm đã tiến hành giai đoạn xác minh đầu tiên tại Berlin, Đức. Vào năm 2019, thí nghiệm đã 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.

Thành viên nhóm nghiên cứu, Giáo sư Pan Zhilong cho biết: “Nguồn sáng SSMB-EUV đã được thiết kế tại Đại học Thanh Hoa, với công suất EUV cao hơn 1kW và một số công nghệ chủ chốt gần như đã sẵn sàng”.

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 đặc khu mới này.

Ông Tang tin rằng công nghệ mới có thể giúp Trung Quốc thoát khỏi các lệnh trừng phạt trong tương lai. Tuy nhiên, ông không đề cập đến tiến trình cụ thể của máy in thạch bản dựa trên SSMB.

“Vẫn còn 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 cho chúng tôi một giải pháp thay thế cho các công nghệ bị trừng phạt. Điều này 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 nói.

Ông Tang cũng lưu ý rằng 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 các ngành khác.