Trong nỗ lực giảm phụ thuộc vào các thiết bị công nghệ cao từ Mỹ và Thụy Sĩ, ngành vi điện tử Nga đang bước vào một giai đoạn mới.
Tập đoàn Element vừa khởi động dự án thiết kế và xây dựng hệ thống phòng sạch cùng cơ sở hạ tầng phụ trợ để phục vụ việc vận hành và thử nghiệm hệ thống module cụm 8 buồng đầu tiên do Nga tự phát triển. Hệ thống này được sử dụng trong quy trình phủ các lớp kim loại hóa bằng nhôm trong môi trường chân không - một công đoạn cốt lõi để sản xuất vi mạch tích hợp trong nước.
Để vận hành được loại máy móc có độ chính xác cực cao này, Nga phải xây dựng một môi trường chuyên dụng với những tiêu chuẩn vượt xa các công trình thông thường.
Xây dựng trung tâm thử nghiệm tại “Thung lũng Silicon của Nga”
Công ty kỹ thuật OOO Systemnye Resheniya đã giành được hợp đồng thiết kế trị giá 21 triệu rúp từ Viện Nghiên cứu Khoa học Điện tử Phân tử (NIIME), thành viên thuộc Tập đoàn Element.
Theo quy hoạch, trung tâm thử nghiệm sẽ được đặt tại tầng một của một tòa nhà trên phố Viện sĩ Valiev ở thành phố Zelenograd, nơi được ví như Thung lũng Silicon của Nga.
Mục tiêu của dự án là xây dựng cụm công nghiệp đầu tiên của Nga có khả năng phủ lớp kim loại hóa bằng nhôm lên các tấm wafer bán dẫn đường kính 200 mm.
Quy trình này cho phép sản xuất chip theo tiến trình từ 180 nm đến 90 nm, phục vụ nhiều ngành công nghiệp trong nước. Để hỗ trợ dự án, Bộ Công thương Nga dự kiến phân bổ 2 tỷ rúp trong năm 2026 cho việc chế tạo và hoàn thiện hệ thống.
Về mặt công nghệ, thiết bị do Nga phát triển được thiết kế tương đương với các hệ thống nổi tiếng trên thế giới như Applied Materials Endura HP PVD của Mỹ hay Evatec Clusterline 300 của Thụy Sĩ.
Việc tự sản xuất được các hệ thống phức tạp này được kỳ vọng sẽ giúp Nga giảm phụ thuộc vào máy móc phương Tây và tạo nền tảng cho hệ sinh thái sản xuất bán dẫn nội địa.
Một hạt bụi cũng có thể phá hỏng hàng nghìn con chip
Trong ngành bán dẫn, phòng sạch là môi trường có mức độ ô nhiễm gần như bằng không.
Do các cấu trúc của chip được chế tạo ở kích thước nanomet, chỉ một hạt bụi nhỏ bằng một phần mười sợi tóc cũng đủ gây đoản mạch và khiến cả tấm wafer chứa hàng nghìn con chip bị hỏng hoàn toàn.
Vì vậy, không khí trong phòng sạch phải được lọc liên tục và nhân viên kỹ thuật phải mặc đồ bảo hộ kín từ đầu đến chân.
Tại Zelenograd, Systemnye Resheniya sẽ thiết kế ba khu vực chính gồm khu phủ kim loại hóa, khu đo lường - kiểm thử chất lượng và khu bố trí các hệ thống kỹ thuật hỗ trợ.
Theo yêu cầu kỹ thuật, khu vực trực tiếp thực hiện quy trình phủ kim loại phải đạt chuẩn ISO 6 với mật độ hạt bụi cực thấp, trong khi các khu vực phụ trợ đạt chuẩn ISO 8.
Không chỉ kiểm soát độ sạch của không khí, hệ thống còn phải bảo đảm môi trường vận hành gần như không có sai số.
Tài liệu kỹ thuật quy định độ rung của sàn bê tông không được vượt quá 6 µm/s nhằm tránh ảnh hưởng đến hoạt động của máy móc ở cấp độ nano. Cường độ từ trường cũng phải được duy trì dưới 0,1 µT để không gây nhiễu thiết bị đo lường siêu chính xác.
Khí tinh khiết 99,9999%, nhiệt độ được kiểm soát nghiêm ngặt
Để duy trì hoạt động liên tục, toàn bộ hệ thống điện, nước, khí và làm mát phải được nâng cấp đồng bộ.
Nguồn điện phải đạt độ tin cậy cao và được kết nối với hệ thống lưu điện UPS đối với các thiết bị trọng yếu.
Hệ thống cung cấp khí phải sử dụng nitơ và argon đạt độ tinh khiết cấp 6N, tương đương 99,9999%.
Nước làm mát tuần hoàn phải có độ cứng dưới 50 ppm và nhiệt độ được duy trì nghiêm ngặt trong khoảng từ 18-20 độ C.
Tất cả các hệ thống này đều được điều khiển thông qua trung tâm tự động hóa.
11 module hoạt động đồng bộ
Trung tâm thử nghiệm tại Zelenograd sẽ gồm 11 module chức năng riêng biệt nhưng liên kết chặt chẽ với nhau.
Đối với module bảo đảm độ sạch, toàn bộ vật liệu từ gioăng cao su, kết cấu chịu lực, vách kính, tấm panel cách nhiệt cho đến bản lề và hệ thống đóng mở cửa đều phải được thiết kế đặc biệt để duy trì nhiệt độ, độ ẩm, áp suất dương và độ kín tuyệt đối.
Hệ thống thông gió sử dụng nhiều tầng lọc nhằm loại bỏ các hạt bụi có kích thước chỉ 0,3 µm theo tiêu chuẩn ISO 6.
Các bộ lọc HEPA hiệu suất cao được triển khai trên toàn bộ trần phòng sạch. Hệ thống điều hòa trung tâm giữ nhiệt độ ổn định ở mức 22 độ C và độ ẩm trong khoảng 50 ± 10%, giúp hạn chế tĩnh điện và hiện tượng oxy hóa bề mặt kim loại.
Bài học đắt giá về tự chủ công nghệ
Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học Nga Gennady Krasnikov từng nhấn mạnh rằng làm chủ công nghệ phòng sạch là yếu tố cốt lõi để phát triển ngành vi điện tử.
Ông cho biết mục tiêu lâu dài là Nga có thể tự xây dựng các phòng sạch hiện đại phục vụ sản xuất chip tiến trình 14 nm và 10 nm.
Các phòng sạch tiên tiến hiện nay có chi phí đầu tư lên tới hàng chục tỷ USD và cần hàng trăm loại vật liệu siêu sạch đạt độ tinh khiết gần như tuyệt đối.
Theo ông Krasnikov, việc từng cho rằng có thể dễ dàng mua các thiết bị tốt nhất từ phương Tây là một sai lầm chiến lược. Nga hiện đang triển khai nhiều chương trình nhằm tự chủ từ vật liệu, thiết bị đến phần mềm thiết kế tự động.
Dù vậy, phần lớn linh kiện cấu thành sâu bên trong các hệ thống vẫn phải nhập khẩu. Trước tác động của các lệnh trừng phạt, chuỗi cung ứng của Nga đang chuyển dần từ Mỹ và châu Âu sang Trung Quốc và các quốc gia thân thiện khác.
Thách thức này khiến chi phí xây dựng tăng rất cao, lên tới khoảng 600.000 rúp cho mỗi mét vuông diện tích, bởi việc xây dựng phòng sạch thực chất là tạo ra một tổ hợp công nghệ biệt lập với những yêu cầu cực kỳ nghiêm ngặt về chống rung và kiểm soát môi trường.
Linh An