Mùa thu năm 2022, làn sóng cấm vận của phương Tây nhắm vào ngành công nghiệp bán dẫn Nga bắt đầu siết chặt. Các tập đoàn chip lớn ngừng cung cấp linh kiện, thiết bị sản xuất và phần mềm thiết kế cho các doanh nghiệp Nga. Thế nhưng quyết định đó đã kích hoạt một hướng đi mà Nga đã âm thầm chuẩn bị từ trước đó một năm.
Vào mùa thu năm 2021, Bộ Công Thương Nga mở hai gói thầu lớn để phát triển thiết bị quang khắc nội địa. Gói thứ nhất nhắm đến công nghệ 130nm với tiềm năng nâng cấp lên 65nm sau này.
Gói thứ hai, bảo thủ hơn về mặt kỹ thuật nhưng cấp thiết hơn về mặt thực tế, nhắm đến công nghệ 350nm. Trung tâm Công nghệ Nano Zelenograd, viết tắt là ZNTC, là đơn vị duy nhất nộp hồ sơ dự thầu cho gói 350nm và giành hợp đồng trị giá 7,51 tỷ ruble. Đây là điểm khởi đầu của hành trình kéo dài 4 năm để tạo ra chiếc máy quang khắc chip đầu tiên do Nga sản xuất.
Tuy nhiên, ZNTC nhanh chóng nhận ra mình thiếu một mảnh quan trọng: kinh nghiệm chế tạo phần cơ khí chính xác cho hệ thống quang học. Câu trả lời đến từ Belarus, nơi doanh nghiệp Planar vẫn còn lưu giữ khối lượng lớn kiến thức tích lũy từ thời Liên Xô trong lĩnh vực quang khắc.
Planar từng tự mình làm chủ công nghệ 500nm vào năm 1992 và cho ra đời máy EM-5784 vào năm 2017. Chính chiếc máy đó trở thành nền tảng kỹ thuật trực tiếp để ZNTC phát triển và nội địa hóa thành Progress STP-350 theo tiêu chuẩn linh kiện Nga.
Cỗ máy quang khắc STP-350
Đến mùa xuân năm 2025, ZNTC hoàn thiện Progress STP-350 và đưa ra bán thương mại. Về mặt vật lý, đây là khối thiết bị nặng 3.500 kg, cao 2,5 mét, rộng 2 mét, bao gồm một mô-đun quang cơ chính và một mô-đun điều khiển. Trường làm việc của máy là 22 x 22mm, tức là kích thước tối đa của một chip có thể được in lên wafer trong một lần chiếu sáng.
Điểm khác biệt kỹ thuật đáng chú ý nhất so với các thế hệ máy cũ là việc thay thế đèn thủy ngân truyền thống bằng laser trạng thái rắn bước sóng 365nm. Laser này cho độ sáng và độ kết hợp cao hơn, giúp tăng độ chính xác in mạch, đồng thời có tuổi thọ lên đến 10.000 giờ, dài hơn nhiều so với đèn thủy ngân vốn cần thay định kỳ vài năm một lần. Năng suất của máy đạt 63 tấm wafer silicon đường kính 150mm mỗi giờ, hoặc 43 tấm với đường kính 200mm.
Để đạt được các thông số đó, nhóm kỹ sư ZNTC phải giải quyết bốn thách thức kỹ thuật cùng lúc. Thứ nhất là độ chính xác tiêu điểm: chùm laser phải duy trì tiêu điểm với sai lệch không quá 0,5 micron trên toàn bộ bề mặt tấm wafer, nếu không hình mạch sẽ bị biến dạng. Thứ hai là độ sạch của mặt nạ quang học: bất kỳ hạt bụi nào bám lên mặt nạ đều được sao chép nguyên vẹn lên hàng nghìn chip phía dưới, gây lỗi hàng loạt.
Thứ ba là độ đồng đều của lớp photoresist, chất cảm quang phủ lên wafer phải mỏng dưới 1 micron với độ dày đồng đều tối đa, bởi bất kỳ chênh lệch nhỏ nào cũng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mạch in. Thứ tư là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng: khi chiếu qua mặt nạ, ánh sáng có xu hướng “chảy” ra ngoài rìa của hình mẫu, buộc kỹ sư phải cố tình biến dạng trước hình mẫu trên mặt nạ để khi ánh sáng đi qua, hình in trên wafer mới trở lại đúng như thiết kế ban đầu.
Tại sao lại là công nghệ 350nm?
Một câu hỏi tự nhiên xuất hiện: tại sao Nga đầu tư vào công nghệ 350nm, thứ xuất hiện từ thời chip Pentium Pro giữa thập niên 1990? Câu trả lời nằm ở đặc tính vật lý của transistor lớn. Chip 350nm có transistor dày và lớn hơn nhiều so với chip 5nm hay 7nm hiện đại, khiến chúng gần như miễn nhiễm với bức xạ ion hóa và xung điện từ EMP. Transistor nhỏ ở các tiến trình hiện đại rất dễ bị phá hủy bởi các hiện tượng này.
Ngoài ra, chip 350nm hỗ trợ điện áp vận hành lên đến 100V, đáp ứng nhu cầu của các hệ thống điều khiển động cơ, nguồn điện và radar quân sự. Ở các tiến trình siêu nhỏ, mức điện áp cao như vậy sẽ phá hủy mạch ngay lập tức. Đây chính là lý do các hệ thống điều khiển tên lửa, máy bay và radar ưu tiên độ tin cậy tuyệt đối hơn là tốc độ xử lý tối đa.
Về giá bán, phiên bản cơ bản của Progress STP-350 có giá khoảng 392 triệu ruble chưa bao gồm thuế. Khi chọn thêm dịch vụ bảo hành mở rộng hai năm và bảo hành bổ sung năm năm, tổng chi phí tăng lên 561 triệu ruble. Thời gian sản xuất và giao hàng là 18 tháng kể từ ngày đặt cọc 50% giá trị hợp đồng.
Theo đánh giá của các chuyên gia trong ngành vi điện tử Nga, mức giá này cạnh tranh hơn đáng kể so với các thiết bị quang khắc 350nm ngoại nhập cùng thế hệ, vốn đắt hơn từ hai đến ba lần. Khách hàng đầu tiên nhận máy là công ty Otraslevye Resheniya thuộc tập đoàn Element, với chiếc Progress STP-350 hoàn thiện được bàn giao vào cuối năm 2024 và đã hoàn tất quy trình tích hợp vào dây chuyền sản xuất.
