Bước đột phá công nghệ có thể tạo ra những con chip silicon nhỏ nhất

Trong khoảng 15 năm tới, chính công nghệ từng tạo ra bức ảnh đầu tiên trên thế giới sẽ cho phép con người chế tạo những vi mạch silicon mạnh nhất và được đóng gói dày đặc nhất mà các định luật vật lý cho phép.

Đó sẽ là một chiến thắng của kỹ thuật và cũng là bước cuối cùng trong hành trình tiến bộ của ngành công nghiệp chip từng được xác lập bởi Định luật Moore, tác giả Christopher Mims viết trên tờ The Wall Street Journal (WSJ).

Theo chuyên gia này, ngành bán dẫn nếu muốn đạt được điều đó cần phải vượt qua thách thức trị giá hàng nghìn tỷ USD và khó đến mức mà nhiều người cho là sản phẩm sẽ chưa thể thương mại hóa trước năm 2040.

Thế nhưng, nếu thiếu bước cuối cùng này, thiết bị điện tử chỉ có thể tăng năng lực bằng cách phình to kích thước.

Những công ty giá trị nhất thế giới đều đang theo dõi sát sao những chuyển biến đang diễn ra. Và đó là lý do vì sao một đổi mới hiện đang được thử nghiệm tại Đại học Johns Hopkins của Mỹ lại thu hút sự quan tâm lớn đến vậy.

ĐỊNH LUẬT MOORE THÚC ĐẨY NGÀNH BÁN DẪN

Định luật Moore cho rằng cứ mỗi hai năm, số lượng transistor (bóng bán dẫn) được tích hợp trong một vi mạch sẽ tăng gấp đôi. Tuy nhiên, điều này chỉ có thể lặp lại một số lần nhất định cho tới khi không còn cách vật lý nào để thu nhỏ transistor hơn nữa, ít nhất là trên các tấm bán dẫn (wafer) silicon – vật liệu được dùng để chế tạo vi mạch.

Công nghệ dẫn đến điểm giới hạn đó là quang khắc (photolithography), tương tự như cách tráng rửa phim ảnh trước đây: Ánh sáng chiếu xuyên qua phim âm bản lên một tờ giấy phủ hóa chất nhạy sáng, tái tạo lại hình ảnh.

Với chip, độ chính xác của “hình ảnh” này được đo bằng hàng chục nguyên tử. Một nguồn sáng có bước sóng cực ngắn, nằm giữa tia cực tím và tia X, chiếu qua một khuôn mẫu hình con chip và lên tấm wafer silicon. Trên bề mặt wafer, một lớp hóa chất gọi là chất cản quang (photoresist) phản ứng với ánh sáng và khắc mẫu đó vào silicon.

Phiên bản tiên tiến nhất của công nghệ này hiện nay, được dùng để sản xuất chip cho các siêu máy tính AI chạy trên nền tảng của Nvidia và có thể cả các mẫu iPhone thế hệ mới của Apple, đạt độ chính xác khoảng 10 nanomet, tương đương khoảng 60 nguyên tử silicon.

Mục tiêu cuối cùng của công nghệ khắc silicon là giảm xuống còn khoảng 5 nanomet. Nếu nhỏ hơn nữa, dòng điện chạy trong chip sẽ không còn giữ được ổn định.

Việc tích hợp nhiều transistor hơn trong không gian nhỏ hơn đồng nghĩa với việc đạt cùng năng lực xử lý nhưng tiêu tốn ít năng lượng hơn, hoặc với cùng mức năng lượng, có thể đạt năng lực xử lý cao hơn. Vì vậy, Định luật Moore đã thúc đẩy cả cuộc cách mạng điện toán di động lẫn sự bùng nổ của các trung tâm dữ liệu AI.

KỲ VỌNG ĐỘT PHÁ CÔNG NGHỆ CHO ĐOẠN KHẮC MẪU

Vấn đề của việc khắc mẫu bằng chùm sáng có độ chính xác ở cấp độ nguyên tử là vật liệu được chiếu sáng cũng phải chính xác ở cấp độ nguyên tử, nếu không mẫu khắc sẽ bị nhòe.

Vào thập niên 1990, các nhà hóa học đã phát minh ra một vật liệu kỳ lạ gọi là khung kim loại – hữu cơ. Đây là một cấu trúc gần như hoàn hảo gồm các hình dạng xen kẽ, trong đó các nguyên tử kim loại giữ các phân tử hữu cơ gốc carbon dài hơn trong một dạng mạng lưới tinh thể.

Quan trọng nhất, mô hình này có khả năng tự tổ chức khi trong điều kiện phù hợp, mô hình tự động hình thành cấu trúc tinh thể đều đặn. Các nhà hóa học phát hiện ra vật liệu này đã được trao giải Nobel cho phát minh.

Những đặc tính này khiến khung kim loại – hữu cơ trở thành chất cản quang lý tưởng, tức lớp hóa chất trên wafer silicon hấp thụ ánh sáng để tạo ra mẫu khắc transistor và các kết nối. Một lợi thế khác là có thể tạo ra loại vật liệu này từ nhiều loại kim loại và phân tử hữu cơ khác nhau.

Chìa khóa để thiết kế một chất cản quang từ khung kim loại – hữu cơ là gì? “Đảm bảo bạn có một cấu trúc đều đặn và cực kỳ nhỏ”, bà Kayley Waltz, nghiên cứu sinh tiến sĩ năm thứ năm tại Đại học Johns Hopkins, cho biết. Gần đây, nhóm nghiên cứu của cô cùng các đối tác đã phối hợp công bố một loạt bài báo tiên phong về kỹ thuật chế tạo chip sử dụng khung kim loại - hữu cơ làm chất cản quang.

Để tận dụng độ chính xác nguyên tử của chất cản quang mới này, chùm sáng cũng cần được tinh chỉnh sắc nét hơn. Những con chip tiên tiến nhất hiện nay với cấu trúc 10 nanomet được tạo ra bằng nguồn sáng cực tím có bước sóng siêu ngắn từ các cỗ máy do công ty Hà Lan ASML sản xuất. Mỗi máy có giá lên tới 400 triệu USD và có kích thước lớn như một chiếc xe buýt thành phố.

Để khắc các cấu trúc nhỏ hơn nữa, ASML hoặc một trong những đối thủ mới nổi sẽ phải tìm cách chuyển từ tia cực tím siêu ngắn sang tia X, vốn có bước sóng còn ngắn hơn.

RÀO CẢN THƯƠNG MẠI HÓA

Thông tin từ WSJ cho biết, nhiều nhóm nghiên cứu khác cũng đang thúc đẩy tìm kiếm các loại hóa chất cản quang khác để trở thành lựa chọn cuối cùng cho các hãng bán dẫn.

Tuy nhiên, bất kỳ vật liệu nào chiến thắng cuối cùng cũng phải tương thích với các quy trình chế tạo vi mạch hiện có bởi hàng tỷ USD đã được đầu tư vào đó, theo ông Kaiying Wang của Đại học Đông Nam Na Uy. Ông cho rằng, thách thức nằm ở việc “làm thế nào để tích hợp quy trình này vào ngành công nghiệp bán dẫn trưởng thành hiện nay”.

Trước thách thức kỹ thuật khổng lồ khi tích hợp khung kim loại – hữu cơ vào sản xuất chip thương mại, có lẽ thế giới sẽ chưa thể thấy sản phẩm này trong các nhà máy chế tạo chip trước năm 2040, theo kỹ sư hóa học Michael Tsapatsis của Đại học Johns Hopkins. Dù vậy, đà tiến công nghệ hiện nay có lẽ đủ để đưa con người đến đích.

Sau năm 2040, theo vị này, nếu muốn các cấu trúc trên chip nhỏ hơn nữa và thiết bị trở nên mạnh hơn, có lẽ sẽ phải từ bỏ silicon hoàn toàn. Tin tốt cho nhóm từ Đại học Johns Hopkins là các khung kim loại – hữu cơ mà họ tiên phong phát triển có độ chính xác cao đến mức các vi mạch tương lai làm từ các vật liệu lạ khác có thể vẫn tạo mẫu được.

Những gì đến sau vi mạch silicon, chẳng hạn máy tính lượng tử bỏ túi hay transistor chỉ dày một nguyên tử, có thể xa lạ với chúng ta ngày nay giống như vi mạch từng xa lạ vào thập niên 1960, khi Định luật Moore mới bắt đầu.