Các báo cáo gần đây cho rằng Trung Quốc đã phát triển hệ thống khắc quang cực tím sâu (DUV) ngâm riêng của mình đã gây chấn động ngành công nghiệp bán dẫn toàn cầu, cho thấy Bắc Kinh có thể đang thu hẹp một trong những khoảng cách công nghệ khó khăn nhất do các biện pháp kiểm soát xuất khẩu của Mỹ duy trì.
Tuy nhiên, các chuyên gia Hàn Quốc cảnh báo rằng việc chế tạo máy móc chỉ là bước đầu tiên. Trung Quốc vẫn có thể cần nhiều năm để chứng minh rằng thiết bị có thể hoạt động đáng tin cậy, xử lý các tấm bán dẫn với tốc độ cạnh tranh và mang lại sản lượng chip khả thi về mặt thương mại.
Tuy nhiên, tiến trình ổn định của Bắc Kinh hướng tới sự tự chủ về bán dẫn không nên bị đánh giá thấp, Bộ trưởng Công nghiệp Hàn Quốc Kim Jung-kwan cho biết hôm thứ Năm. Ông gọi bước tiến được báo cáo là "đáng kinh ngạc và nhanh hơn dự kiến". “Trung Quốc đang tiến bộ từng bước trong lĩnh vực bán dẫn bất chấp lợi nhuận hạn chế của nhiều nhà sản xuất chip Trung Quốc được hỗ trợ mạnh mẽ từ nhà nước,” ông Kim cho biết.
Rào cản về công nghệ in thạch bản
Công nghệ DUV ngâm là một công nghệ đã trưởng thành, được các nhà sản xuất chip hàng đầu sử dụng trong nhiều năm, chủ yếu thông qua các hệ thống do tập đoàn thiết bị khổng lồ ASML của Hà Lan cung cấp. Công nghệ này chiếu ánh sáng xuyên qua một lớp nước mỏng để in các mẫu mạch tinh vi hơn so với các hệ thống DUV khô thông thường. Việc sản xuất chip tiên tiến hơn ngày càng phụ thuộc vào thiết bị cực tím và EUV khẩu độ số cao của ASML.
Do bị cấm mua các hệ thống in thạch bản tiên tiến, các nhà sản xuất chip Trung Quốc chủ yếu dựa vào thiết bị DUV khô cũ hơn từ ASML. Những máy móc này được cho là lạc hậu hơn khoảng tám thế hệ so với các mẫu mới nhất và chủ yếu được sử dụng để sản xuất các chip cũ trên quy trình 20 đến 28 nanomet.
Các công ty Trung Quốc được cho là đã tận dụng các thiết bị cũ hơn để sản xuất chip loại 7 nanomet thông qua kỹ thuật in đa mẫu, mặc dù năng suất và hiệu quả kinh tế sản xuất của chúng vẫn chưa rõ ràng.
Một hệ thống DUV ngâm được phát triển trong nước có thể giúp Trung Quốc tiến tới các nút quy trình nhỏ hơn. Tuy nhiên, theo Shim Dae-yong, giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học Dong-A và cựu phó chủ tịch SK hynix chuyên về bộ nhớ băng thông cao, việc xác định xem thiết bị có phù hợp cho sản xuất hàng loạt ổn định hay không có thể mất ít nhất hai đến ba năm.
“Công nghệ in thạch bản được coi là khó khăn nhất trong số khoảng 800 bước tham gia vào quá trình sản xuất chip, bao gồm cả lắng đọng, khắc và làm sạch,” Shim nói.
“Có máy móc không có nghĩa là công việc đã hoàn thành. Ngay cả SK hynix cũng cần hai đến ba năm để tinh chỉnh quy trình và đạt được năng suất đáng kể sau khi áp dụng thiết bị DUV ngâm ArF của ASML.”
Độ khó tăng lên khi các nhà sản xuất chip chuyển sang kích thước dưới 30 nanomet. Ở kích thước đó, DUV yêu cầu đa mẫu, chia mẫu mạch thành nhiều lần phơi sáng phải được căn chỉnh với độ chính xác cực cao thông qua các bước xử lý bổ sung.
Phương pháp này cho phép ngành công nghiệp sản xuất chip có kích thước 14 nanomet, 10 nanomet và thậm chí 7 nanomet trước khi EUV được đưa vào sản xuất hàng loạt. Nhưng các bước bổ sung đã làm tăng độ phức tạp, chi phí và nguy cơ lỗi.
“Việc mở rộng quy mô với DUV cực kỳ khó khăn, và một khi chúng tôi đạt đến giới hạn của nó, chúng tôi đã chuyển sang EUV,” ông Shim nói. SK hynix cũng trải qua quá trình học hỏi tương tự sau khi áp dụng EUV và đã mở rộng việc sử dụng dần dần khi công nghệ được ổn định, ông nói thêm.
Hệ thống của Trung Quốc cuối cùng có thể sản xuất ra các chip tiên tiến, nhưng năng suất ban đầu có thể chỉ đạt từ 10 đến 20%, ông Shim cho biết. Sản xuất hàng loạt thường yêu cầu năng suất ít nhất 70%, trong khi sản xuất có lợi nhuận thường đòi hỏi mức độ gần 90%.
Năng suất và hiệu suất vẫn là yếu tố quan trọng.
Kim Hyung-jun, giáo sư danh dự tại Đại học Quốc gia Seoul và người đứng đầu Quỹ Bán dẫn Thông minh Thế hệ Tiếp theo do nhà nước lãnh đạo, đã đưa ra đánh giá tương tự.
Máy móc mới được phát triển của Trung Quốc được cho là một hệ thống một giai đoạn ban đầu, so với kiến trúc hai giai đoạn được sử dụng trong thiết bị của ASML. Hệ thống hai giai đoạn có thể đo và căn chỉnh một tấm wafer trong khi tấm khác đang được chiếu xạ, giúp cải thiện năng suất.
“Điều quan trọng là năng suất – thiết bị có thể xử lý các tấm bán dẫn nhanh đến mức nào,” ông Kim nói. “Vì đây là thiết bị một giai đoạn, nên sẽ mất một thời gian đáng kể trước khi Trung Quốc có thể đạt được kết quả có ý nghĩa.”
Việc sử dụng thiết bị cũ hơn hoặc kém hiệu quả hơn để sản xuất chip tiên tiến đòi hỏi nhiều bước xử lý hơn, làm tăng thời gian sản xuất và chi phí cho mỗi chip có thể sử dụng được.
Tuy nhiên, Trung Quốc có thể bù đắp những bất lợi đó thông qua nguồn vốn nhà nước, mua sắm của chính phủ và các chính sách khuyến khích các nhà sản xuất điện tử sử dụng chất bán dẫn sản xuất trong nước.
“Họ có thể thiếu năng suất, và việc sản xuất một chip tiên tiến bằng các thiết bị cũ có thể trở nên cực kỳ tốn kém,” ông Kim nói. “Nhưng nếu chính phủ yêu cầu các nhà sản xuất điện tử sử dụng chip trong nước và tạo ra một chu kỳ tài trợ cho ngành công nghiệp, các công ty có thể tiếp tục xây dựng quy mô.”
Thiết bị khắc quang cũng không thể chỉ đơn giản được lắp đặt và vận hành như một công cụ độc lập. Các nhà sản xuất chip thường dành nhiều năm làm việc với các nhà cung cấp thiết bị như ASML, Tokyo Electron và Applied Materials để tinh chỉnh các điều kiện quy trình, tích hợp các giai đoạn sản xuất và ổn định năng suất.
Do đó, Trung Quốc sẽ cần phát triển không chỉ máy khắc quang mà còn cả hệ sinh thái xung quanh bao gồm vật liệu, linh kiện, phần mềm, bảo trì và chuyên môn về quy trình.
Các nhà sản xuất chip Hàn Quốc đang đẩy mạnh tiến độ
Trong khi Trung Quốc đang nỗ lực thiết lập chuỗi cung ứng bán dẫn độc lập, Samsung Electronics và SK hynix đã bắt đầu hướng tới công nghệ bộ nhớ thế hệ tiếp theo.
Chip DDR5 của ChangXin Memory Technologies, được cho là sản xuất bằng quy trình DRAM 1a thế hệ thứ tư, và các sản phẩm HBM3 của hãng này được coi là tương đương với các công nghệ được các nhà sản xuất bộ nhớ Hàn Quốc giới thiệu vài năm trước.
Samsung đang mở rộng doanh số bán HBM4 đồng thời phát triển HBM4E và zHBM, một kiến trúc ba chiều xếp chồng bộ nhớ băng thông cao trực tiếp lên bộ xử lý AI để rút ngắn khoảng cách truyền dữ liệu.
SK hynix đang phát triển công nghệ liên kết lai, HBM5 và iHBM, nhằm mục đích cải thiện khả năng tích hợp và giải quyết những thách thức ngày càng tăng về nhiệt độ của bộ nhớ AI thế hệ tiếp theo.
Do đó, sự tiến bộ về công nghệ in thạch bản được báo cáo của Trung Quốc có thể không gây ra mối đe dọa tức thời nào đối với các nhà sản xuất chip Hàn Quốc. Nhưng các chuyên gia cho rằng sự sẵn sàng chấp nhận lợi nhuận thấp và chi phí cao trong khi xây dựng năng lực trong nước có thể giúp thu hẹp dần khoảng cách công nghệ.