Trong nhiều năm qua, máy quang khắc của ASML được xem là một trong những công nghệ cốt lõi của ngành bán dẫn toàn cầu. Đặc biệt, các hệ thống DUV (Deep Ultraviolet) vẫn đóng vai trò quan trọng đối với ngành sản xuất chip Trung Quốc khi nước này chưa thể tiếp cận các hệ thống EUV tiên tiến hơn.

Tuy nhiên, một startup có tên Prinano tại Hàng Châu vừa đưa ra tuyên bố đáng chú ý: sản xuất thành công wafer chip quang học mà không cần sử dụng thiết bị quang khắc DUV truyền thống.

Nếu được chứng minh ở quy mô thương mại, đây có thể trở thành một hướng đi mới giúp giảm chi phí sản xuất và mở ra các lựa chọn thay thế cho một số phân khúc chip chuyên biệt.

Khi quang khắc trở thành nút thắt của ngành bán dẫn

Hiện nay, phần lớn chip bán dẫn trên thế giới được sản xuất thông qua quy trình quang khắc, trong đó ánh sáng được sử dụng để tạo các cấu trúc vi mạch trên wafer silicon.

Các hệ thống EUV của ASML là nền tảng để sản xuất những bộ xử lý tiên tiến nhất hiện nay, từ chip AI đến bộ xử lý smartphone cao cấp. Trong khi đó, các hệ thống DUV vẫn được sử dụng rộng rãi cho nhiều loại chip phổ thông trong lĩnh vực viễn thông, ô tô, công nghiệp và trung tâm dữ liệu.

Đối với Trung Quốc, DUV có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Dù không thể tiếp cận công nghệ EUV, các nhà sản xuất trong nước vẫn dựa vào DUV để duy trì năng lực sản xuất và phát triển nhiều dòng chip phục vụ nhu cầu nội địa.

Chính vì vậy, bất kỳ hạn chế nào liên quan đến thiết bị quang khắc đều có thể ảnh hưởng trực tiếp đến năng lực sản xuất bán dẫn của nước này.

Prinano lựa chọn hướng đi khác

Thay vì sử dụng ánh sáng để tạo mẫu trên wafer như quy trình quang khắc truyền thống, Prinano áp dụng công nghệ Nanoimprint Lithography (NIL), hay còn gọi là công nghệ in nano.

Về nguyên lý, công nghệ này hoạt động tương tự quá trình đóng dấu. Một khuôn nano được ép trực tiếp lên bề mặt wafer để tạo ra các cấu trúc siêu nhỏ ở cấp độ nanomet.

Ý tưởng này không mới và đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, việc thương mại hóa gặp nhiều khó khăn do các vấn đề như:

• Tỷ lệ lỗi cao
• Độ bền khuôn hạn chế
• Khó đảm bảo độ đồng đều trên toàn bộ wafer
• Năng suất thấp hơn quang khắc truyền thống

Prinano cho biết họ đã phát triển hệ thống PL-AS, kết hợp buồng chân không, đệm khí và vật liệu in hai lớp nhằm kiểm soát áp lực đồng đều trên toàn bộ wafer 8 inch.

Theo công ty, công nghệ này có thể tạo ra các cấu trúc nhỏ hơn 10nm, đáp ứng yêu cầu của nhiều ứng dụng chip quang học hiện nay.

Vì sao lại là chip quang học?

Điểm quan trọng cần lưu ý là Prinano không tuyên bố thay thế toàn bộ ngành sản xuất chip.

Mục tiêu của công nghệ này là chip quang học (Photonic Chips), dòng chip xử lý tín hiệu bằng ánh sáng thay vì tín hiệu điện.

Chip quang học đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong:

• Hệ thống truyền dẫn cáp quang
• Hạ tầng viễn thông
• Kết nối tốc độ cao trong trung tâm dữ liệu
• Hệ thống LiDAR cho xe tự hành
• Thiết bị y tế
• Một số nền tảng điện toán lượng tử

Đặc biệt, khi AI và điện toán đám mây tiếp tục phát triển, nhu cầu về băng thông và khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao đang thúc đẩy sự quan tâm đối với công nghệ quang học.

Khác với các bộ xử lý AI hay CPU tiên tiến, chip quang học thường bao gồm nhiều cấu trúc lặp lại như ống dẫn sóng, cách tử nhiễu xạ và bộ cộng hưởng quang học. Đây là những thành phần phù hợp hơn với phương pháp in nano, giúp giảm yêu cầu về độ chính xác căn chỉnh cực cao vốn là thách thức của các chip logic tiên tiến.

Chi phí thấp nhưng vẫn cần thời gian kiểm chứng

Theo thông báo của Prinano, wafer chip quang học 8 inch đầu tiên đã được sản xuất thành công thông qua hợp tác với Shenzhen Litra Technology mà không cần sử dụng hệ thống DUV.

Công ty cũng tuyên bố chi phí sản xuất chỉ bằng khoảng 10% so với quy trình quang khắc DUV truyền thống.

Tuy nhiên, hiện chưa có nhiều dữ liệu được công bố về:

• Tỷ lệ thành phẩm
• Năng suất sản xuất
• Độ ổn định khi vận hành dài hạn
• Sản lượng thương mại
• Các đánh giá độc lập từ bên thứ ba

Trong ngành bán dẫn, khoảng cách giữa một nguyên mẫu hoạt động trong phòng thí nghiệm và một quy trình sản xuất thương mại quy mô lớn thường rất lớn. Nhiều công nghệ tiềm năng có thể mất nhiều năm để chứng minh tính khả thi về mặt kinh tế.

Một tín hiệu đáng chú ý trong cuộc đua bán dẫn

Dù còn nhiều câu hỏi cần được trả lời, động thái của Prinano phản ánh xu hướng rộng lớn hơn đang diễn ra trong ngành bán dẫn.

Khi các rào cản công nghệ và địa chính trị ngày càng gia tăng, các doanh nghiệp không chỉ cạnh tranh ở thiết kế chip mà còn tìm kiếm những phương pháp sản xuất hoàn toàn mới.

Nếu nanoimprint lithography chứng minh được hiệu quả ở quy mô thương mại, công nghệ này có thể mở ra một hướng tiếp cận mới cho các ứng dụng chip quang học, đồng thời góp phần đa dạng hóa các phương thức sản xuất bán dẫn trong tương lai.

Trong bối cảnh AI, Data Center và hạ tầng mạng tốc độ cao tiếp tục phát triển mạnh, những đổi mới trong công nghệ sản xuất có thể đóng vai trò quan trọng không kém so với các đột phá về kiến trúc chip.