Thứ Bảy, 20 tháng 5, 2023

quang khắc: ASML (Hà Lan) lấn lướt Nikon và Canon (Nhật Bản)

vào giữa thập niên 1990, hai công ty thống trị lĩnh vực quang khắc (in thạch bản lên đĩa wafer tinh thể silic) đều thuộc về Nhật Bản là Nikon và Canon, cùng nhau nắm ba phần tư thị phần toàn cầu.
Rồi xuất hiện một công ty Hà Lan tên gọi ASML trỗi dậy chiếm lấy ngôi đầu, để ngày nay Nikon và Canon đã hoàn toàn từ bỏ không còn tham vọng cạnh tranh ở những kỹ thuật mới nhất nữa, trong khi ASML là công ty công nghệ giá trị nhất châu Âu.

Quang khắc: những khái niệm cơ bản
Cơ bản thì một máy quét quang khắc là một máy in khắc ảnh nhỏ cỡ nanomet (một phần tỷ mét) in những khuôn mẫu mạch tích hợp lên một tấm nền. Một tấm nền đơn lẻ có thể in được hàng trăm die (die là mảnh silicon có in các bóng bán dẫn tạo ra chip xử lý) những chi tiết mà cuối cùng sẽ có trong những con chip M1 hay A13 của Apple.
Quá trình quang khắc
Đầu tiên ta bọc một tấm nền silicon bằng chất hóa học gọi là một chất cản quang. Rồi ta dùng máy quét để khắc thiết kế mạch tích hợp lên tấm nền. Khắc xong, ta rửa trôi những chỗ chưa bị chất cản quang hun nóng đẩy ra. Xử lý lặp lại như vậy cho đến khi toàn bộ thiết kế mạch được khắc hết (mạch cần khắc nhiều lớp chồng lên nhau).
Có thể nói máy quét quang khắc là thiết yếu nhất trong quá trình xử lý trên.
Quang khắc Nhật Bản thống lĩnh thị trường
Vào thập niên 1960 và 1970 Hoa Kỳ thống lĩnh thị trường thiết bị quang khắc với hai công ty hàng đầu là Perkin Elmer và Geophysics Corporation of America (GCA).
Người Nhật nhìn ra điều này và chính phủ Nhật đã tái tổ chức ngành công nghiệp máy vi tính của họ. Bộ kinh tế, thương mại và công nghiệp Nhật Bản đã tập hợp những nhà sản xuất quang học tài năng nhất quốc gia và ra lệnh họ bắt kịp với người Mỹ, và họ đã làm được.
Dự án quang khắc của Nhật lúc đó vẫn được biết đến dưới cái tên dự án nghiên cứu VLSI. Đó sẽ là câu chuyện cho một thớt khác.
Năm 1980 Nikon trình làng máy quét thương mại đầu tiên. Canon ra mắt máy của mình ngay sau đó. Những cỗ máy có hiệu quả ấn tượng với mức giá phải chăng và hai công ty Nhật Bản nhanh chóng đánh đổ ngôi đầu thị trường của người Mỹ chỉ sau chưa đến một thập niên. Thời điểm đó, kỹ thuật của Nhật Bản trong chế tạo thiết bị quang khắc là vượt trội, hoàn toàn không có đối thủ cạnh tranh xứng tầm.
ASML thành lập năm 1984 là kết quả hợp doanh giữa hai công ty Hà Lan là ASM international và Phillips. Thời kỳ này công nghiệp bán dẫn đang đối mặt nhiều thử thách lớn do nền kinh tế trải qua nhiều thăng trầm. ASML báo lỗ trong sáu năm đầu thành lập do đó đã phải gán cổ phần cho Phillips và hai ngân hàng. Năm 1990 ASML đứng ra độc lập, dù vẫn duy trì mỗi quan hệ mật thiết với Phillips là một cổ đông lớn và trụ sở chỉ cách nhau 20 phút chạy xe. Nhiều nhân viên ASML cũng làm việc tại Phillips. Trụ sở đặt cùng khu với Carl Zeiss của Đức.
Phillips hỗ trợ đã giúp ASML duy trì và công ty non trẻ đã xoay xở có được chỗ đứng trên thị trường. Năm 1995 ASML giành được 25% thị phần (ngang với Canon) và tổ chức chào bán chứng khoán lần đầu ra công chúng (IPO). Năm ấy Nikon chiếm 45% thị phần.
Sau đó, ba sự kiện mang tính chuyển tiếp trong ngành công nghiệp đã mang đến cho ASML ngôi vương.
Máy quét nước đôi
Năm 2001 ASML phát triển cho ra đời hệ thống quét nước đôi đầu tiên. Gọi tên như thế vì máy xử lý hai tấm nền cùng một lúc, một để xử lý đo lường, một để xử lý phơi sáng.
Ở bên xử lý đo lường, hệ thống sẽ đo đạc thông tin về tấm nền, ví dụ vị trí trong máy. Máy sẽ dùng thông tin đó đem sang bên xử lý phơi sáng nơi tấm nền được khắc lên dùng ánh sáng tia cực tím.
Hệ thống mới cho phép tăng tốc độ xử lý tấm nền nhưng cũng khiến toàn hệ thống phức tạp hơn đáng kể và Nikon lẫn Canon đã không thể một sớm một chiều bắt chước được công nghệ này. Nhờ vậy ASML nhanh chóng phủ sóng sản phẩm của mình, đến năm 2002 công ty đã chiếm được 50% thị phần thiết bị quang khắc.
Nhúng trong chất lỏng
Bước ngoặt thứ hai trong kỹ thuật quang khắc được gọi tên là in thạch bản nhúng.
Những kỹ thuật in thạch bản trước đây tồn tại một khoảng trống không khí giữa tấm nền và mũi khoan ánh sáng (stepper). In nhúng thay thế khoảng trống không khí đó bằng nước, tức là ta sẽ bắn ánh sáng tia cực tím xuyên qua nước để khắc lên tấm nền. Tức là ta nhúng thấu kính xuống nước.
Kỹ thuật này không mới vì đã được dùng cho kính hiển vi, vẫn được đề cập trong sách giáo khoa phổ thông. Ngành công nghiệp đã không để ý đến chi tiết kỹ thuật này, cho đến khi nhà khoa học Đài Loan tiến sĩ Burn-Jeng Lin chứng minh được tính thực tiễn của quang khắc có thể áp dụng để đạt được node xử lý 45 nanomet.
ASML Nikon và Canon nhanh chóng thương mại hóa kỹ thuật mới trên. ASML nhanh chân chế được cho mình máy quét nước đôi AT:1150i vào năm 2003 và ba năm sau đó máy quét xt:1700i có khả năng quang khắc nhúng số lượng lớn đầu tiên ra đời đã khẳng định vị trị thống lĩnh của công ty Hà Lan trong ngành công nghiệp.
Ngành công nghiệp bán dẫn từ lâu hiểu rằng quang khắc nhúng chỉ là biện pháp khắc phục tạm thời khi mà bước sóng ánh sáng áp dụng hiện nay cuối cùng sẽ bất lực không thể còn tác dụng khi in khắc những thế hệ bóng bán dẫn mới. Ngành đã có nhiều đề xuất cho những lựa chọn mới, chia hai luồng ý tưởng: một là những giải pháp dựa vào tính chất hạt lượng tử như chùm ion hội tụ và chùm electron hội tụ, hai là giải pháp bắn phóng xạ sóng điện từ năng lượng cao x-ray như EUV
chọn EUV, các nhà sản xuất chip xử lý lớn đã quyết định bắt tay nhau lựa chọn ASML để thương mại hóa kỹ thuật này.
ASML cũng phải mất đến một thập niên cùng rất nhiều tiền tài trợ vượt quá ngân sách ban đầu mới chế tạo ra được những hệ thống áp dụng thực tiễn. Canon không theo đuổi được, còn Nikon đã bỏ cuộc từ năm 2011, lặn không sủi tăm gì nữa.
Nhật Bản thất bại như thế nào?
Phần mềm
Máy móc của ASML càng lúc càng phức tạp. Thống kê từ lâu cho thấy vào năm 2000 các sản phẩm của ASML dùng nhiều hơn 6 lần số chip xử lý và 8 lần nhiều hơn số cảm biến khi so với cũng sản phẩm của họ năm 1989.
Máy khoan ánh sáng năm 1989 máy PAS 5000 chạy tổng cộng 200 triệu dòng mã nguồn bao gồm comment. Máy quét nước đôi năm 2003 chạy 1.25 tỷ dòng mã
Chỉ riêng khoang quét thông tin của máy đã chạy 12.5 triệu dòng mã thiết bị, điều khiển bước di chuyển của các chi tiết máy. Đội viết mã nguồn tuyển hơn 350 nhân viên. Doug Dunn cựu chủ tịch và giám đốc điều hành ASML từng nói, trung bình, đội phần mềm cứ sau bốn năm lại tăng gấp đôi số nhân viên để quản lý số codebase phình to.
ASML đã thành công tận dụng tính phức tạp này và dùng nó làm lợi thế. Họ là một trong những công ty đầu tiên áp dụng ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất uml vào miêu tả và phát triển các chức năng phần mềm
Canon và Nikon chưa bao giờ giỏi phần mềm. Chỉ gần đây công ty Nhật mới bắt đầu áp dụng những thực tiễn phần mềm trìu tượng này.
Dễ thấy thị phần Canon và Nikon lớn vào thời điểm toàn ngành công nghiệp bán dẫn Nhật Bản bắt đầu thâm nhập thị trường toàn cầu. Ngành bán dẫn Nhật ngạo nghễ suốt thập kỷ 1980. Công ty như NEC, Mitsubishi electric, Hitachi và Toshiba thống lĩnh thị trường làm chip, đặc biệt chip bộ nhớ với 90% thị phần 256K DRAM. Những công ty này mua thiết bị quang khắc từ Canon và Nikon.
Từ thập kỷ 1990, những nhà xuất khẩu giá rẻ Nhật trở thành một chủ đề chính trị. Các công ty Nhật sản xuất hàng số lượng lớn và xuất khẩu phá giá ra nước ngoài. Ngành công nghiệp bán dẫn Hoa Kỳ đã thành công vận động hành lang áp đặt hạn chế lên những đối thủ Nhật.
Cùng với tăng giá của đồng yên, Nhật Bản thoái lui, ảnh hưởng Nikon, Canon và Tokyo Electron một nhà cung cấp thiết bị in khắc bán dẫn lớn khác của Nhật Bản.
Tokyo Electron bị buộc phải tìm kiếm cơ hội ra nước ngoài để bù đắp mối làm ăn. Và họ đã thành công.
Nikon và Canon thất bại vì không dám nhìn xa hơn
Hai công ty khởi nghiệp về hệ thống quang học đã phát triển toàn bộ thiết bị quang khắc của mình. Nòng cốt hoạt động của họ luôn xoay quanh những thấu kính ấy. Một khi kỹ thuật bán dẫn đạt đến giới hạn do rào cản vật lý, các kỹ sư bắt đầu phải tìm kiếm những cách khác để vắt cổ chày ra nước.
Còn ASML, nhờ thuê ngoài mảng nghiên cứu phát triển quang học của mình cho Zeiss, ASML đã có thể rảnh tay nhìn vào những chi tiết khác để tối ưu hiệu suất của thiết bị, cho ra một sản phẩm ưu việt mà khách hàng nhận thấy đạt hiệu quả cao hơn cho họ.
Ví dụ tìm thấy chất hóa học mới tối ưu hơn làm chất cản quang và mặt nạ quang học, hay công đoạn xử lý tấm nền hai bước của máy quét nước đôi.

Cộng tác giữa các ngành công nghiệp
Hợp tác giữa nghiên cứu phát triển và công nghiệp đóng vai trò lớn trong trỗi dậy của ASML. Mảng nghiên cứu phát triển, khối ASML Phillips và Zeiss đã hưởng lợi nhờ liên kết gần với một trung tâm nghiên cứu công nghiệp thiết yếu, trung tâm vi điện tử liên trường đại học IMEC tổ chức phi lợi nhuận chính phủ tài trợ thành lập năm 1984 tại Bỉ, một trong những trung tâm nghiên cứu bán dẫn tiên tiến nhất châu Âu.
IMEC đã làm cầu nối hợp tác đa ngành bằng cách giúp những công ty khác nhau trong ngành bán dẫn cùng phát triển các tiêu chuẩn và ý tưởng mới. Tiếp cận này giúp ASML am hiểu cách thức khách hàng sử dụng sản phẩm của mình và cách thức thiết bị tương tác với thiết bị từ các nhà cung cấp khác.
Kể cả không có IMEC, ASML vẫn là công ty có tinh thần hợp tác, bằng chứng ở số lượng bài nghiên cứu xuất bản chung của khối ASML Phillips Zeiss với các nhà làm chip các nhà làm thiết bị các nhà làm chất hóa học. Canon và Nikon mặt khác thiếu sót, thể hiện ở số lượng xuất bản bài nghiên cứu của Nikon cho thấy hầu hết họ làm một mình.
Khảo sát cho thấy các công ty Nhật có trao đổi thông tin với các đối tác ngoài nhưng chỉ với những người họ đã làm việc lâu năm cùng. Thậm chí khi ấy trao đổi thông tin cũng không lớn, khách hàng chỉ giao tiếp với người làm thiết bị một khi có sự cố nghiêm trọng, không phải khi họ xuất hiện ý tưởng cải tiến sản phẩm. Sự khác biệt đã rõ.
Chi tiết thú vị là Canon và Nikon lấy ngôi đầu vào thập kỷ 1980 cũng nhờ họ đã chia sẻ dự án nghiên cứu VLSI nhắc ở trên, dù dự án đó là theo mệnh lệnh của chính phủ Nhật Bản bắt buộc các đối thủ cạnh tranh sừng sỏ trong nước phải hợp tác và giải quyết những vấn đề cả ngành công nghiệp gặp phải.

Hợp tác với giới nghiên cứu
Nhắc lại kỹ thuật quang khắc nhúng đã góp phần đẩy Canon và Nikon khỏi vị trí đầu thị trường. Dù Burn-Jeng Lin khám phá lý thuyết dẫn đến in thạch bản nhúng, bước ngoặt phát triển hệ thống thương mại thực tế là của một nhà nghiên cứu Hoa Kỳ tại đại học công nghệ Massachusetts là Mordechai Rothschild đã thử nghiệm áp dụng những tiêu chuẩn và sắp đặt công nghiệp.
Mối liên kết giữa ngành công nghiệp và giới học thuật ở Nhật Bản đặc biệt yếu ớt nếu đem so với phương Tây. Chuyên viên ngành công nghiệp không muốn tiết lộ bí quyết kinh doanh cho các trường đại học, giáo sư ở các trường tập trung hơn vào khoa học và khái niệm cơ bản, không có nhiều động cơ đặc biệt để tìm ứng dụng trong công nghiệp.
Các trường đại học Nhật đã bắt đầu cải tổ vấn đề này vào giữa thập niên 2000, lập các tổ chức xác lập bản quyền công nghệ để kiếm doanh thu từ bằng sáng chế từ những phát hiện mới. MIT, Stanford và Berkeley đã làm tương tự từ lâu

Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét