ASML và cỗ máy phức tạp nhất thế giới đứng sau cuộc đua chip toàn cầu
05/05/26
Hiện nay, chiếc điện thoại nằm gọn trong túi áo có bộ nhớ lớn hơn khoảng 2 triệu lần và tốc độ xử lý nhanh hơn hàng nghìn lần so với những máy tính cỡ căn phòng từng dẫn đường cho sứ mệnh Apollo lên Mặt Trăng. Phép màu thu nhỏ ấy đến từ khả năng nhồi ngày càng nhiều bóng bán dẫn lên các tấm chip silicon. Mỗi bóng bán dẫn là một công tắc siêu nhỏ, chuyển đổi giữa 0 và 1, thứ ngôn ngữ nền tảng của mọi hệ thống điện toán. Hàng tỷ bóng bán dẫn càng được xếp dày đặc, con chip càng mạnh, càng nhanh và càng tiết kiệm năng lượng.
Đằng sau cuộc thu nhỏ vĩ đại này là ASML, tập đoàn Hà Lan hiện nắm vị trí gần như không thể thay thế trong ngành bán dẫn tiên tiến. Trong bối cảnh chip trở thành điểm nóng địa chính trị giữa Mỹ và Trung Quốc, ASML không trực tiếp sản xuất chip, nhưng chế tạo những cỗ máy các nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới buộc phải có.
Những cỗ máy quang khắc cực tím siêu ngắn, hay EUV, của ASML có kích thước tương đương xe buýt hai tầng. Để vận chuyển được phải cần đến 40 container hàng hóa, 3 máy bay chở hàng và 20 xe tải. Bên trong là hơn 100.000 linh kiện, tất cả phải được căn chỉnh tuyệt đối để tạo ra ánh sáng đúng bước sóng. Mỗi máy có giá hơn 120 triệu USD. Với vốn hóa thị trường trên 400 tỷ USD, ASML đã trở thành một trong những doanh nghiệp giá trị nhất châu Âu.
Ánh sáng trở thành chiếc bút vẽ chip
Công nghệ cốt lõi của ASML là quang khắc, dùng ánh sáng để chuyển mẫu mạch lên wafer bán dẫn. Thập niên 1950, các nhà sản xuất chip từng thử vẽ mẫu mạch trực tiếp lên wafer. Nhưng mọi tiếp xúc vật lý đều có thể làm trầy xước, gây bẩn hoặc làm biến dạng mẫu. Các nhà khoa học tại Bell Labs và quân đội Mỹ nhận ra ánh sáng có thể in mẫu mà không cần chạm vào bề mặt silicon.
Quy trình bắt đầu bằng tấm wafer silicon mỏng, phủ lớp hóa chất nhạy sáng gọi là photoresist. Ánh sáng được chiếu qua mặt nạ chứa mẫu mạch. Những vùng tiếp xúc với ánh sáng sẽ biến đổi, được rửa đi để lộ silicon bên dưới. Wafer sau đó được đưa sang máy khắc, nơi khí chlorine hoặc bromine tích điện ăn mòn phần silicon lộ ra. Các lớp khắc này sẽ được lấp bằng kim loại như tungsten hoặc đồng để kết nối bóng bán dẫn với nguồn điện.
Nhiều thập niên, ngành bán dẫn tiến bộ bằng cách dùng ánh sáng có bước sóng ngày càng ngắn. Quang khắc đời đầu dùng đèn hơi thủy ngân. Các máy hiện đại hơn dùng laser từ khí argon và fluorine. Đến năm 2010, laser bước sóng 193 nanomet có thể tạo ra chi tiết 22 nanomet qua nhiều lần phơi sáng.
Khi bóng bán dẫn nhỏ hơn nữa, ánh sáng 193 nanomet trở thành chiếc đục cùn. Sóng ánh sáng dài dễ uốn quanh các chi tiết cực nhỏ, khiến rìa mẫu bị mờ. Muốn tiếp tục thu nhỏ chip, ngành bán dẫn cần ánh sáng cực tím siêu ngắn ở mức 13,5 nanomet.
Máy EUV của ASML tạo ra thứ ánh sáng này bằng quy trình tựa như khoa học viễn tưởng. Trong buồng chân không, các giọt thiếc lỏng siêu nhỏ được thả rơi. Xung laser đầu tiên bắn vào giọt thiếc làm dẹt ra. Ngay sau đó, xung laser mạnh hơn bắn tiếp, biến thiếc thành plasma cực nóng. Plasma này phát ra ánh sáng EUV ở bước sóng 13,5 nanomet.
Ánh sáng EUV không thể đi qua thấu kính thủy tinh như trong quang khắc truyền thống, vì gần như mọi vật liệu rắn đều hấp thụ ánh sáng ở bước sóng ngắn như vậy. Vì thế, máy phải dùng gương. Những tấm gương này có độ hoàn hảo phi thường. Nếu phóng bề mặt gương lên kích thước của nước Đức, sai số chỉ được tính bằng milimet.
EUV tạo ra lợi thế rất lớn. Ở node 7 nanomet, công nghệ này có thể gộp ba hoặc bốn chu kỳ quang khắc cũ thành một chu kỳ duy nhất. Nếu không có EUV, sản xuất chip 5 nanomet có thể cần tới 100 bước khác nhau. Nói cách khác, EUV ngoài giúp chip nhỏ hơn, còn làm quy trình sản xuất chip tiên tiến bớt phức tạp và khả thi hơn về kinh tế.
Từ kẻ đến sau thành người dẫn đầu
Năm 1984, ASML ra đời từ dự án gặp khó bên trong Philips, tập đoàn điện tử tiêu dùng Hà Lan. Thập niên 1970, Philips nắm khoảng 20% thị trường điện tử toàn cầu và là nhà sản xuất chip lớn. Khi đó, máy quang khắc dùng bước sóng trên 400 nanomet để tạo chi tiết khoảng 1.000 nanomet.
Philips muốn phát triển máy quang khắc riêng, dựa trên thế mạnh về quang học và cơ khí chính xác. Nhưng đến đầu thập niên 1980, dự án lâm vào thế khó. Tập đoàn muốn cắt giảm chi phí, trong khi các kỹ sư ước tính cần hơn 280 triệu USD theo giá trị hiện nay để hoàn tất phát triển và sản xuất máy. Philips sau đó tách dự án thành liên doanh với ASM International, đặt tên là Advanced Semiconductor Materials Lithography, sau này rút gọn thành ASML.
Những năm đầu, ASML rất chật vật. Tập đoàn không có thị phần, không có danh tiếng, phải cạnh tranh với Nikon và Canon, hai ông lớn Nhật Bản đã có vị trí vững chắc. Sản phẩm đầu tiên, PAS 2000, thất bại về thương mại. Máy dùng áp suất dầu để di chuyển bàn giữ wafer, giúp chuyển động mượt nhưng dễ rò rỉ. Tại hội nghị đầu tiên ASML tham dự, một lãnh đạo trong ngành nói thẳng rằng cuộc đua đã kết thúc, không còn chỗ cho họ.
ASML sau đó chọn hướng khác với các đối thủ Nhật. Trong khi Nikon và Canon tự kiểm soát phần lớn linh kiện quan trọng, ASML thuê ngoài các bộ phận then chốt như quang học và động cơ, tập trung vào lắp ráp, tích hợp và tối ưu hệ thống. Cách làm này từng bị giới kỹ sư châu Âu chế giễu, nhưng ASML khi ấy thiếu vốn, thiếu thời gian và không thể tự làm mọi thứ. Về sau, chính điểm yếu này trở thành lợi thế vì thiết kế mô-đun giúp máy dễ sửa, dễ nâng cấp và tận dụng được tri thức từ nhiều nhà cung ứng.
Năm 1988, ASML gần như sụp đổ. ASM International rút lui, Philips cũng tính chuyện đóng cửa. ASML được cứu bởi Gerd Lorenz, thành viên HĐQT Philips, người lo ngại châu Âu ngày càng phụ thuộc vào châu Á trong công nghệ chiến lược. Năm 1991, cú thoát hiểm thực sự đến khi ra mắt PAS 5500. Dù không nhất thiết chính xác hơn máy Nikon, PAS 5500 có thể sửa nhanh tại chỗ nhờ thiết kế mô-đun, giúp giảm thời gian ngừng máy. Ưu điểm này thuyết phục IBM đặt hàng, đưa ASML bước ra thị trường toàn cầu.
Những liên minh quyết định
Bước ngoặt lớn tiếp theo đến từ Mỹ. Năm 1997, Extreme Ultraviolet Limited Liability Company được thành lập để cứu nghiên cứu EUV khỏi nguy cơ bị cắt ngân sách. Trước đó, nghiên cứu nền tảng về EUV diễn ra tại ba phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, Sandia và Lawrence Berkeley. Năm 1996, khi ngân sách Bộ Năng lượng Mỹ bị cắt, Intel dẫn dắt việc thành lập liên minh mới để bảo toàn công trình nghiên cứu. Trong sáu năm hoạt động, tổ chức này đầu tư hơn 270 triệu USD vào phát triển EUV.
Ban đầu, liên minh chỉ mở cho công ty Mỹ. ASML, Canon và Nikon đều bị loại. Nhưng sau đó, các thành viên lo ngại nếu chỉ phụ thuộc vào Silicon Valley Group, nhà sản xuất thiết bị Mỹ chỉ có 5% thị phần, trong khi ASML có khoảng 20%. Cuối cùng, ASML được tham gia với điều kiện lập trung tâm nghiên cứu tại Mỹ và cam kết lấy 55% linh kiện cho các hệ thống bán tại Mỹ từ nhà cung ứng Mỹ. Các đối thủ Nhật Bản vẫn bị chặn lại.
Năm 2001, ASML mua lại Silicon Valley Group sau khi công ty này gặp khó khăn dòng tiền. ASML từ đó trở thành nhà sản xuất thiết bị duy nhất còn lại ở tuyến đầu EUV. Mắt xích quan trọng khác là imec tại Bỉ, nơi cho phép các công ty thử nghiệm máy trong môi trường gần với sản xuất thực tế. ASML dùng imec để trình diễn nguyên mẫu EUV trước các khách hàng tiềm năng, đặc biệt là TSMC. Mối quan hệ này có nền tảng lịch sử vì khi công ty Đài Loan này thành lập năm 1987, Philips từng nắm 27,5% cổ phần TSMC.
Cách tiếp cận mở giúp ASML vượt lên. Trong khi Canon và Nikon kín tiếng hơn, ASML xây dựng mạng lưới hơn 5.000 nhà cung ứng, biến chuỗi cung ứng thành cỗ máy đổi mới. Khoảng 80% chi tiêu của ASML dành cho các công ty ở châu Âu và Trung Đông, giúp giảm rủi ro từ hạn chế xuất khẩu, thuế quan và căng thẳng địa chính trị.
Thập niên 2000, trước khi EUV thương mại hóa, ASML cũng thắng một trận quan trọng. Khi ánh sáng 193 nanomet không còn đủ sắc, Nikon đặt cược vào nguồn sáng 157 nanomet. Nhưng công nghệ này đòi hỏi thấu kính calcium fluoride, loại tinh thể hiếm, giòn, đắt tiền và dễ nứt dưới nhiệt. Hướng đi ấy cuối cùng trở thành ngõ cụt.
ASML tránh được sai lầm này nhờ lời khuyên từ Burn Lin của TSMC. Tập đoàn chuyển sang quang khắc nhúng, vẫn dùng ánh sáng 193 nanomet nhưng đặt lớp nước giữa thấu kính và wafer. Lớp nước làm ánh sáng khúc xạ, tăng độ hội tụ và giúp in mạch nhỏ hơn mà không cần loại thấu kính hoàn toàn mới.
ASML còn đưa ra kiến trúc TWINSCAN với hai bàn wafer. Một wafer được đo ở hậu trường trong khi wafer khác đang được in, loại bỏ thời gian chết trong quy trình sản xuất. Năm 2005, khi Nikon từ bỏ dự án 157 nanomet, ASML đã chiếm 53,2% thị trường. Máy của ASML có thể bán với giá khoảng 55 triệu USD, gần gấp đôi thiết bị tương đương của Nikon ở mức 30 triệu USD.
Canh bạc tỷ USD và vị thế không thể thay thế
EUV vẫn là vực sâu ngốn tiền. Đến năm 2015, ASML chi hơn 1 tỷ USD/năm cho R&D, hơn gấp đôi mức năm 2010. Theo một số ước tính, đến năm 2014, toàn ngành đã đầu tư hơn 20 tỷ USD vào EUV mà chưa có bảo đảm thu hồi vốn.
Năm 2012, ASML bán 23% cổ phần cho ba khách hàng lớn nhất là Intel, TSMC và Samsung. Khoản vốn này giúp tập đoàn tiếp tục theo đuổi EUV và mua Cymer, nhà cung cấp nguồn sáng quang khắc, với giá 2,5 tỷ USD. Sau thương vụ này, ASML cải thiện kỹ thuật bắn laser vào giọt thiếc bằng cách chuyển từ một xung sang hai xung, giúp tăng hiệu suất và độ ổn định.
TSMC đóng vai trò đặc biệt trong chặng cuối. Năm 2014, TSMC sản xuất chip đầu tiên cho Apple, khi tập đoàn này đã trở thành khách hàng lớn nhất và gây áp lực đòi chip mạnh hơn. ASML và TSMC làm việc sát đến mức Anthony Yen, lãnh đạo bộ phận EUV của TSMC, gọi hai bên là “một đội”. Mục tiêu là đạt 500 wafer/ngày trong vòng một tháng.
Đến năm 2019, TSMC bắt đầu tăng sản lượng đại trà quy trình 7 nanomet dùng EUV. Cuối năm đó, những chiếc điện thoại đầu tiên sử dụng chip EUV xuất hiện vào. Nikon gần như rút khỏi cuộc đua. Lợi thế cuối cùng của ASML nằm ở tri thức ngầm, thứ không thể sao chép chỉ bằng bản vẽ. Trong nhiều thập niên, tập đoàn giữ chân các kỹ sư chủ chốt, trong đó có Martin van den Brink, người gia nhập ASML năm 1984, được giao trọng trách lớn khi mới 29 tuổi và sau này trở thành chủ tịch kiêm CTO cho đến khi nghỉ hưu năm 2024.
ASML vì thế trở thành trường hợp hiếm của châu Âu, gã khổng lồ công nghệ nắm vị trí không thể thay thế trong chuỗi giá trị toàn cầu. Tập đoàn không trực tiếp sản xuất iPhone, máy chủ AI hay siêu máy tính. Nhưng không có máy của ASML, những con chip đứng sau các thiết bị ấy khó có thể tồn tại ở quy mô hiện tại.
shared via worksinprogress,
