Trong vòng 15 năm tới, ngành bán dẫn có thể chế tạo được những con chip mạnh nhất mà các định luật vật lý cho phép, song cũng là giới hạn của hành trình thu nhỏ kéo dài hơn nửa thế kỷ...

Theo Định luật Moore, cứ sau khoảng hai năm, số lượng bóng bán dẫn trên một vi mạch lại tăng gấp đôi. Quy luật này đã đúng suốt hơn nửa thế kỷ, nhưng không ít chuyên gia cho rằng, không thể kéo dài vô hạn. Sẽ đến lúc các bóng bán dẫn không thể thu nhỏ, ít nhất là trên nền silicon, vật liệu đã làm nên nền tảng của ngành vi mạch từ thuở sơ khai.

ĐIỂM KẾT CỦA ĐỊNH LUẬT MOORE 

Theo phân tích được tờ Wall Street Journal dẫn lại, công nghệ sẽ đưa ngành chip đến giới hạn chính là quang khắc. Trong nhiếp ảnh, đây là kỹ thuật để ánh sáng đi qua phim âm bản rồi chiếu lên giấy phủ lớp hóa chất nhạy sáng để tạo hình ảnh.

Còn chế tạo chip, “hình ảnh” đó được tạo ra với độ chính xác ở cấp độ nguyên tử. Một nguồn sáng có bước sóng cực ngắn (nằm giữa vùng tử ngoại và tia X) được chiếu qua mặt nạ mang hình dạng mạch điện, rồi in xuống tấm wafer silicon. Trên bề mặt wafer, một lớp vật liệu gọi là chất cản quang phản ứng với ánh sáng để hoa văn được khắc trên silicon.

Các hệ thống quang khắc tiên tiến nhất hiện nay đã đạt độ chính xác khoảng 10 nanomet. Mục tiêu tiếp theo là tiến xuống ngưỡng 5 nanomet. Còn nếu nhỏ hơn nữa, dòng điện trong chip có thể không còn được kiểm soát ổn định.

Bên cạnh đó, thách thức lớn nằm ở chỗ, nếu chùm sáng dùng để khắc mạch đạt độ chính xác ở cấp độ nguyên tử, thì vật liệu tiếp nhận ánh sáng cũng phải có cấu trúc chính xác tương đương. Chỉ một sai lệch cực nhỏ trong cấu trúc vật liệu cũng có thể làm “nhòe” hoa văn, ảnh hưởng đến toàn bộ cấu trúc vi mạch.

Ở ranh giới cuối cùng ấy, ngành bán dẫn không chỉ đối mặt với giới hạn kỹ thuật, mà còn đứng trước câu hỏi: khi silicon không còn có thể thu nhỏ thêm, động lực tăng trưởng nào sẽ thay thế vai trò lịch sử của Định luật Moore?

ĐỘT PHÁ TẠO NÊN GIỚI HẠN 

Từ những năm 1990, giới hóa học vật liệu đã phát triển một loại cấu trúc đặc biệt mang tên khung kim loại – hữu cơ (metal–organic framework, MOF).

Đây là một mạng tinh thể trong đó các nguyên tử kim loại giữ cố định các phân tử hữu cơ chứa carbon, tạo nên cấu trúc đan xen có độ trật tự gần như hoàn hảo. Một ưu điểm khác là MOF có thể được tạo ra từ nhiều tổ hợp kim loại và phân tử hữu cơ khác nhau, cho phép điều chỉnh tính chất theo nhu cầu.

Nhờ cấu trúc tinh thể trật tự ở quy mô cực nhỏ, MOF được đánh giá tiềm năng cho vai trò chất cản quang lớp vật liệu hóa học trên bề mặt silicon hấp thụ ánh sáng để tạo hoa văn bóng bán dẫn và các kết nối. 

“Điều quan trọng nhất khi thiết kế chất cản quang là phải đảm bảo vật liệu có cấu trúc trật tự ở kích thước cực kỳ nhỏ”, Kayley Waltz, nghiên cứu sinh tại Đại học Johns Hopkins, cho biết.

Nhóm của cô, dưới sự hướng dẫn của các nhà khoa học Michael Tsapatsis và Howard Fairbrother, đã công bố nhiều nghiên cứu tiên phong về ứng dụng MOF trong chế tạo chip. Kayley Waltz thậm chí đã khắc hình chim giẻ cùi xanh, linh vật của trường, lên silicon bằng loại chất cản quang do nhóm phát triển. 

Thành công này giúp cô có cơ hội làm việc tại Micron Technology, một trong những nhà sản xuất chip nhớ hàng đầu thế giới.

Tuy nhiên, để khai thác trọn vẹn độ chính xác ở cấp độ nguyên tử của loại chất cản quang mới này, bản thân chùm sáng dùng trong quá trình quang khắc cũng phải đạt độ sắc nét tương ứng.

Hiện nay, các dòng chip tiên tiến với kích thước đặc trưng khoảng 10 nanomet được sản xuất nhờ nguồn sáng tử ngoại cực sâu (EUV) từ những hệ thống do hãng ASML của Hà Lan chế tạo.

Mỗi chiếc máy có giá lên tới 400 triệu USD và kích thước tương đương một chiếc xe buýt. Đây là những thiết bị phức tạp bậc nhất trong ngành công nghiệp hiện đại, kết tinh của hàng chục năm nghiên cứu quang học, cơ khí chính xác và vật liệu tiên tiến.

Tuy nhiên, để tiếp tục thu nhỏ các chi tiết mạch xuống dưới ngưỡng hiện nay, ngành chế tạo chip có thể buộc phải tiến xa hơn nữa, đó là chuyển từ nguồn sáng tử ngoại cực sâu sang tia X có bước sóng ngắn hơn, cho phép khắc các cấu trúc tinh vi hơn.

Điều đó đồng nghĩa ASML và các công ty cùng ngành sẽ phải phát triển một thế hệ thiết bị hoàn toàn mới, với yêu cầu kỹ thuật khắt khe hơn và chi phí đầu tư còn lớn hơn hiện tại.

Dù vậy, theo Kaiying Wang, nhà nghiên cứu tại Đại học Đông Nam Na Uy, bất kỳ vật liệu nào muốn giành được vị thế trong sản xuất chip đều phải tương thích với hệ thống dây chuyền hiện hữu. Lý do rất rõ ràng: ngành công nghiệp này đã đầu tư hàng nghìn tỷ USD vào cơ sở hạ tầng, thiết bị và quy trình tiêu chuẩn hóa suốt nhiều thập kỷ.