Nga dấn thân vào lĩnh vực "khó đến cực đoan": Rất tốn tiền, 1 hạt bụi rơi vào là hỏng, nhưng thành quả thu về thì vô giá

Trong nỗ lực nhằm thoát khỏi sự phụ thuộc hoàn toàn vào các thiết bị công nghệ cao của Mỹ và Thụy Sĩ, ngành vi điện tử Nga đang chứng kiến một bước ngoặt quan trọng.

Tập đoàn Element vừa chính thức khởi động dự án thiết kế và xây dựng hệ thống phòng sạch cùng cơ sở hạ tầng phụ trợ chuyên dụng. Đây là bước chuẩn bị bắt buộc để vận hành và thử nghiệm hệ thống module cụm 8 buồng đầu tiên do Nga tự chế tạo, phục vụ quy trình phủ các lớp kim loại hóa bằng nhôm trong môi trường chân không – điều kiện cốt lõi để sản xuất các vi mạch tích hợp nội địa.

Tuy nhiên, để một cỗ máy có độ chính xác siêu vi như vậy hoạt động ổn định, nó đòi hỏi một không gian vận hành chuyên dụng với những tiêu chuẩn khắt khe vượt xa các công trình xây dựng thông thường.

Bước đi chiến lược tại thủ phủ công nghệ Zelenograd

Công ty kỹ thuật OOO Systemnye Resheniya đã xuất sắc vượt qua các đối thủ cạnh tranh để giành được hợp đồng thiết kế trị giá 21 triệu rúp từ Viện Nghiên cứu Khoa học Điện tử Phân tử (NIIME), một thành viên chủ chốt thuộc Tập đoàn Element.

Theo tài liệu quy hoạch, trung tâm thử nghiệm dành cho cụm thiết bị đặc chủng này sẽ được đặt tại tầng 1 của một công trình trên phố Viện sĩ Valiev tại thành phố vệ tinh Zelenograd, nơi vốn được mệnh danh là Thung lũng Silicon của nước Nga.

Mục tiêu tối hậu của tổ hợp công nghệ tại Zelenograd là triển khai thành công cụm công nghiệp đầu tiên của Nga có khả năng phủ các lớp kim loại hóa bằng nhôm lên bề mặt tấm bán dẫn đường kính 200 mm.

Quy trình này cho phép sản xuất các vi mạch tích hợp theo tiến trình công nghệ từ 180 nm đến 90 nm, đáp ứng nhu cầu về chíp xử lý cho nhiều ngành công nghiệp nội địa. Để bảo chứng cho tầm vóc quốc gia của dự án, Bộ Công thương Nga đã phân bổ khoản ngân sách 2 tỷ rúp vào năm 2026 cho quá trình chế tạo và hoàn thiện hệ thống này.

Về mặt công nghệ, hệ thống cụm sản xuất nội địa mới của Nga được thiết kế tương đương trực tiếp với các dòng máy công nghiệp đang thống trị thị trường thế giới là Applied Materials 0230-70040 Endura HP PVD của Mỹ và Evatec Clusterline 300 của Thụy Sĩ.

Việc chế tạo thành công một hệ thống phức tạp như vậy ở trong nước giúp nước Nga bẻ gãy sự phụ thuộc vào máy móc nhập khẩu phương Tây, đồng thời tạo ra một đòn bẩy công nghệ độc lập để thúc đẩy toàn bộ hệ sinh thái sản xuất vi chíp nội địa phát triển bứt phá.

Rào cản từ những hạt bụi vô hình ở ranh giới nanomet

Đối với những người không chuyên về kỹ thuật, khái niệm phòng sạch trong ngành công nghiệp vi điện tử là một không gian được thiết kế để duy trì mức độ ô nhiễm hạt ở ngưỡng tiệm cận bằng không.

Khi chế tạo chip, các chi tiết cấu thành có kích thước siêu nhỏ được tính bằng đơn vị nanomet. Ở quy mô này, một hạt bụi lơ lửng trong không khí có kích thước chỉ bằng một phần mười sợi tóc cũng mang sức tàn phá khủng khiếp, đủ để gây ra hiện tượng đoản mạch và biến toàn bộ tấm bán dẫn chứa hàng ngàn con chíp thành phế phẩm. Chính vì lý do đó, không khí bên trong phòng sạch phải được lọc tuần hoàn liên tục, và toàn bộ nhân viên kỹ thuật bắt buộc phải mặc trang phục bảo hộ chuyên dụng kín từ đầu đến chân khi làm việc.

Trong khuôn khổ dự án tại Zelenograd, công ty Systemnye Resheniya phải gánh vác trách nhiệm thiết kế ba phân khu chức năng chính bao gồm khu vực phủ các lớp kim loại hóa, khu vực đo lường kiểm thử chất lượng và khu vực bố trí các hệ thống thiết bị kỹ thuật hỗ trợ phía sau.

Bản hồ sơ thiết kế yêu cầu các phòng sản xuất sạch phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn quốc tế. Cụ thể, không gian buồng máy trực tiếp diễn ra quy trình phủ kim loại phải đạt tiêu chuẩn ngặt nghèo ISO 6, nơi số lượng hạt bụi bị giới hạn ở mức cực thấp, trong khi các khu vực phụ trợ xung quanh như đo lường và hạ tầng kỹ thuật được phép dao động ở tiêu chuẩn ISO 8.

Không dừng lại ở độ sạch của không khí, môi trường vận hành của các thiết bị có độ chính xác cao cũng được đẩy lên mức tối đa để đảm bảo sai số vận hành bằng không.

Tài liệu kỹ thuật quy định vận tốc rung trung bình bình phương của hệ thống sàn bê tông chịu lực không được phép vượt quá ngưỡng 6 µm/s nhằm tránh làm lệch hướng máy móc khi thao tác ở cấp độ nano. Đồng thời, các chỉ số về trường điện từ trong phòng cũng phải được cô lập tuyệt đối dưới mức 0,1 µT để tránh gây nhiễu loạn các thiết bị đo lường sai số siêu nhỏ.

Để đảm bảo phòng sạch vận hành trơn tru suốt ngày đêm, dự án bao gồm một đợt nâng cấp toàn diện các hệ thống cơ điện phụ trợ. Đơn vị thi công phải đưa ra những giải pháp công nghệ tiên tiến cho hệ thống cấp điện, bao gồm yêu cầu đảm bảo độ tin cậy nguồn cấp hạng hai và phải kết nối trực tiếp với bộ lưu điện UPS cho các hệ thống trọng yếu.

Hệ thống cung cấp khí chuyên dụng phải cung cấp dòng khí nitơ và khí argon đạt độ tinh khiết hóa học tuyệt đối lên tới cấp 6N (99,9999%).

Hệ thống làm mát nhà xưởng phải sử dụng nguồn nước tuần hoàn chuyên dụng có độ cứng dưới mức 50 ppm và duy trì nhiệt độ nghiêm ngặt từ 18 đến 20 độ C. Tất cả các hệ thống này sẽ được điều khiển bởi một bộ não tự động hóa trung tâm.

Đòi hỏi sự đồng bộ khắt khe từ cấu trúc module

Theo thiết kế chi tiết, trung tâm thử nghiệm vi mạch tại Zelenograd sẽ được cấu thành từ 11 module chức năng độc lập nhưng phối hợp đồng bộ với nhau. Đối với module "Đảm bảo cấp độ sạch", kết cấu của công trình phải sử dụng các loại vật liệu đặc chủng để duy trì điều kiện vi khí hậu ổn định.

Các chi tiết từ gioăng cao su định hình, phần tử chịu lực, hệ vách kính hộp, cho đến các tấm panel cách nhiệt sandwich, bản lề cửa và hệ thống tay co cửa tự động đều phải được thiết kế phối hợp đồng bộ để giữ vững thông số về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất dương nội khu cũng như độ kín khít tuyệt đối của phòng.

Song song đó, module thông gió cũng phải đối mặt với những tiêu chuẩn vận hành khắc nghiệt. Hệ thống thiết bị xử lý không khí bao gồm các tầng lọc đa cấp, đảm bảo lọc sạch hiệu quả các hạt bụi xuống tới kích thước siêu vi chỉ 0,3 µm đối với tiêu chuẩn ISO 6.

Để đạt được cấp độ này, các màng lọc hiệu suất cao HEPA sẽ được ứng dụng rộng rãi trên toàn bộ hệ thống trần phòng sạch. Hệ thống điều hòa trung tâm còn được trang bị các cơ chế điều tiết nhiệt độ thông minh giúp duy trì ổn định nền nhiệt độ phòng ở mức lý tưởng là 22 độ C, đồng thời giữ độ ẩm tương đối ổn định trong khoảng nghiêm ngặt từ 50 ± 10% để tránh hiện tượng tĩnh điện hoặc ôxy hóa bề mặt kim loại.

Thử thách chuỗi cung ứng và bài học đắt giá về tự lực

Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học Nga, ông Gennady Krasnikov, từng nhấn mạnh tầm quan trọng cốt lõi của việc làm chủ công nghệ xây dựng phòng sạch đối với sự phát triển của ngành vi điện tử.

Ông chia sẻ rằng ước mơ lớn nhất là nước Nga có thể tự lực xây dựng được các phòng sạch đạt tiêu chuẩn hiện đại để phục vụ sản xuất các thế hệ chíp tiến trình 14 nm và 10 nm.

Các phòng sạch tiên tiến ngày nay có thể tiêu tốn chi phí đầu tư lên tới hàng chục tỷ USD và cần tới hàng trăm loại vật liệu siêu sạch đạt độ tinh khiết tuyệt đối. Thời kỳ Liên Xô, quy trình sản xuất này từng được thiết lập theo chu trình khép kín, nhưng sau đó đã bị đình chỉ.

Ông thừa nhận việc từng nghĩ có thể bỏ tiền ra mua thiết bị tốt nhất của phương Tây là một sai lầm chiến lược, và hiện tại nhà nước đã triển khai các chương trình quy mô lớn để tự chủ từ vật liệu, thiết bị cho đến phần mềm thiết kế tự động hóa.

Về mặt linh kiện cấu thành sâu bên trong, phần lớn doanh nghiệp Nga vẫn phải sử dụng nguồn hàng nhập khẩu từ nước ngoài. Do các lệnh cấm vận, toàn bộ chuỗi cung ứng của Nga đang có sự chuyển dịch mạnh mẽ từ Mỹ và châu Âu sang thị trường Trung Quốc và các quốc gia thân thiện khác.

Thách thức này đã đẩy chi phí xây dựng lên rất cao, có thể chạm ngưỡng 600.000 rúp cho mỗi mét vuông diện tích, do việc chuẩn bị mặt bằng thực chất là xây dựng một tổ hợp công nghệ chuyên dụng mang tính biệt lập với những yêu cầu khắt khe về chống rung và kiểm soát môi trường.