Derpy
Intern Writer
Chào các bạn, hôm nay mình muốn chia sẻ một câu chuyện thú vị nhưng cũng đầy thách thức trong thế giới công nghệ cao, đó là về công nghệ in thạch bản EUV (Extreme Ultraviolet) thế hệ mới, đặc biệt là High-NA EUV. Đây được xem là bước tiến tiếp theo để cải thiện độ chính xác của các mẫu mạch và khả năng chồng lớp, nhưng đi kèm với đó là những yêu cầu cực kỳ khắt khe về kiểm soát môi trường bên trong máy quét.
Thực ra, vấn đề nhạy cảm chính không chỉ nằm ở hệ thống quang học đâu. Ngay cả những phân tử nhỏ xíu, mà ở các module xử lý chân không khác có thể dễ dàng quản lý, thì ở đây lại có thể bám vào các bề mặt phản xạ, làm thay đổi liều lượng hiệu quả và dần dần gây ra lỗi. Để quản lý rủi ro này thành công, chúng ta cần một kỷ luật mới trong việc tìm nguồn cung ứng vật liệu và sự hợp tác chặt chẽ của toàn bộ chuỗi giá trị bán dẫn, chứ không chỉ riêng phần cứng bên trong máy quét.
**Chi phí khổng lồ và hạ tầng "khủng"**
Việc áp dụng công cụ High-NA EUV đã thay đổi cách các nhà sản xuất bán dẫn đánh giá rủi ro sử dụng. Các bạn hình dung nhé, một máy quét EUV đơn lẻ đã là một khoản đầu tư lên tới chín con số rồi. Theo những quan sát trong ngành về công nghệ in thạch bản thế hệ mới, một máy quét EUV có thể có giá khoảng 150 triệu USD (tương đương khoảng 3,825 tỷ VNĐ), và các mẫu cao cấp hơn thì còn đắt đỏ hơn nữa. Điều này tạo ra thách thức lớn về khả năng chi trả cho toàn bộ chuỗi giá trị bán dẫn.
Hạ tầng hỗ trợ những cỗ máy này cũng khiến rủi ro trở nên thực tế hơn rất nhiều. Điện năng, hệ thống làm mát và tích hợp cơ sở vật chất không còn là những chi tiết phụ trợ nữa, mà trở thành yếu tố then chốt quyết định việc mở rộng sản xuất. Các phân tích về quá trình chuyển đổi sang High-NA đã chỉ ra rằng một nhà máy sản xuất chip (fab) có thể cần công suất điện năng lên tới hơn 150 megawatt (MW). Con số này tương đương với nhu cầu điện của một thành phố nhỏ, cho thấy mọi hệ thống con đều phải hoạt động với độ tin cậy cao để xứng đáng với khoản đầu tư khổng lồ đó.
**Kỹ thuật kiểm soát môi trường chân không**
Trong môi trường chân không của máy, ô nhiễm phân tử phần lớn là do chính các vật liệu bên trong gây ra. Những "thủ phạm" dai dẳng nhất thường là các chất bay hơi từ polymer, chất đàn hồi, keo dán, vỏ cáp, chất bôi trơn và lớp phủ. Nó còn bao gồm cả những vật liệu cấu trúc tưởng chừng trơ nhưng lại có thể gây ra vấn đề khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, bức xạ EUV và môi trường hạt tích điện. High-NA EUV làm tăng mức độ nhạy cảm này bởi vì thông lượng photon cao hơn và yêu cầu hình ảnh khắt khe hơn sẽ làm giảm khả năng chịu đựng đối với sự mất phản xạ hoặc trôi truyền dần dần.
Tuy nhiên, rủi ro này không chỉ là vấn đề phần cứng bên trong máy quét. Kiểm soát ô nhiễm là một kỷ luật của toàn bộ chuỗi giá trị, phụ thuộc vào cách các bộ phận được chỉ định, chứng nhận, tìm nguồn cung ứng, lắp ráp và bảo trì giữa các nhà cung cấp và hoạt động của nhà máy. Các nguồn ô nhiễm nội bộ phổ biến thường tập trung vào một số loại lặp đi lặp lại trong danh mục vật liệu phần cứng. Chúng ta có thể kể đến các mảnh vụn dễ bay hơi được tạo ra do chu trình nhiệt của các cụm bên trong như bàn gá và tấm chắn; các cặn bẩn quang hóa phát sinh từ quá trình thoát khí của lớp cản quang (resist) di chuyển qua môi trường chân không chung; hydro, nước và hydrocarbon nền được đưa vào qua các rò rỉ, rò rỉ ảo và dòng chảy ngược của bơm; và các hạt mài mòn được tạo ra bởi các thành phần cơ khí hoạt động trong môi trường chân không và các ràng buộc ma sát.
Để đối phó với những nguồn này, phần cứng cần có nhiều giải pháp đa chiều. Bắt đầu từ kiến trúc phân vùng các thể tích chân không, hạn chế độ dẫn giữa các buồng và rút ngắn đường đi từ nơi phát sinh ô nhiễm đến nơi thu giữ. Nó cũng phụ thuộc vào các vòng lặp đo lường và kiểm soát để xử lý thành phần khí dư như một biến số của quá trình chứ không phải là một ghi chú bảo trì đơn thuần.
**Lựa chọn vật liệu cho môi trường khắc nghiệt**
Việc lựa chọn vật liệu bên trong máy quét không chỉ đơn thuần là khả năng tương thích chân không chung chung, mà còn là khả năng tồn tại trong các điều kiện cực đoan kết hợp – bức xạ, gradient nhiệt độ, bề mặt đông lạnh gần một số hệ thống con, tiếp xúc với hydro và các chu trình nung lặp đi lặp lại. Gốm sứ ít thoát khí và kim loại có độ tinh khiết cao rất hữu ích, nhưng các chi tiết nhỏ mới là điều quan trọng, bao gồm độ hoàn thiện bề mặt, độ xốp, khí bị mắc kẹt và tính toàn vẹn của lớp phủ theo thời gian.
Giới hạn nhiệt độ càng thu hẹp bảng màu vật liệu. Nhiệt độ cao có thể làm hóa lỏng nhựa và nhiều hợp kim màu, trong khi nhiệt độ rất thấp có thể gây giòn cho một số vật liệu. Điều này đẩy các nhà thiết kế phải hướng tới các hợp kim chuyên dụng và gốm kỹ thuật cho các ốc vít và giao diện cấu trúc phải duy trì ổn định kích thước trong suốt điều kiện hoạt động.
Điều này định hình lại vai trò của bộ phận mua sắm, biến những bộ phận tưởng chừng tầm thường thành những yếu tố rủi ro lớn. Các nhóm tìm nguồn cung ứng giờ đây đang ở tuyến đầu của việc kiểm soát ô nhiễm, được giao nhiệm vụ tìm kiếm các thành phần như ốc vít và keo dán theo số hiệu bộ phận và với dữ liệu độ tinh khiết vật liệu được chứng nhận. Trọng tâm phải là ngăn chặn thời gian ngừng hoạt động do ô nhiễm bằng cách đảm bảo mọi thành phần đều được xác nhận chống lại các điều kiện khắc nghiệt của hệ thống, dù nhỏ đến đâu.
**Giảm thiểu ô nhiễm vượt ra ngoài quang học**
Hệ thống quang học luôn thu hút sự chú ý, nhưng hệ sinh thái phần cứng rộng lớn hơn mới là yếu tố quyết định liệu chúng có duy trì được các thông số kỹ thuật hay không. Đối với High-NA EUV, việc giảm thiểu ô nhiễm mở rộng qua cấu trúc bơm, vị trí cảm biến và thiết kế chuyển động.
Mục tiêu là giảm thời gian lưu trú của phân tử gần các bề mặt nhạy cảm, đồng thời giảm thiểu sự phát sinh hạt từ chuyển động cơ học và giãn nở nhiệt. Các biện pháp phần cứng chính thường bao gồm hệ thống bơm chân không thông lượng cao với hồ sơ dòng chảy ngược thấp và điều kiện đường dẫn được quản lý tốt; giám sát khí dư tại chỗ để phát hiện nước, hydrocarbon và các mảnh vụn cụ thể của quá trình trước khi chúng tích tụ; robot và các thành phần bàn gá tương thích chân không được thiết kế để giảm mảnh vụn mài mòn và sự bong tróc vi hạt; và hình dạng buồng tránh các vùng tù đọng và giảm sự vận chuyển theo đường nhìn thẳng đến gương và khu vực mặt nạ.
Những lựa chọn này rất tốn kém vì chúng có những tác động dây chuyền. Một thay đổi trong vật liệu được sử dụng cho bộ phận xử lý wafer có thể đòi hỏi một thay đổi trong phương pháp nối, điều này đến lượt nó có thể yêu cầu sửa đổi quy trình nung, cuối cùng dẫn đến điều chỉnh các quy trình hiệu chuẩn cảm biến.
**Các chiến lược tiên tiến để kiểm soát ô nhiễm**
Ngay cả với việc kiểm soát vật liệu và kiến trúc chân không cẩn thận, các lớp màng phân tử vẫn hình thành. Sự lắng đọng carbon và ô nhiễm liên quan đến thiếc gần các hệ thống quang học gần nguồn vẫn là những thách thức hoạt động dai dẳng, vì vậy các chiến lược của công cụ dựa vào các cơ chế loại bỏ tại chỗ có thể hoạt động mà không cần tháo rời. Plasma dựa trên hydro và môi trường gốc tự do là trung tâm vì chúng có thể phản ứng với các sản phẩm ô nhiễm bề mặt và thúc đẩy loại bỏ thông qua các sản phẩm phụ dễ bay hơi.
Các nghiên cứu đã được đánh giá ngang hàng đã khám phá các phương pháp plasma hydro công suất thấp nhằm loại bỏ tại chỗ, không phá hủy ô nhiễm liên quan đến thiếc từ các bề mặt gương đa lớp, phản ánh hướng đi trong quản lý ô nhiễm phía nguồn thực tế. Thách thức kỹ thuật là kiểm soát mật độ gốc tự do, năng lượng ion và tính đồng nhất để đảm bảo loại bỏ ô nhiễm mà không làm xói mòn hoặc làm thô các chồng lớp đa lớp mỏng manh.
Pellicle là một chiến trường lớn khác tại chỗ. Đối với High-NA EUV, pellicle phải bảo vệ mặt nạ khỏi các hạt và sự lắng đọng phân tử, đồng thời phải chịu được tải nhiệt cực lớn và tiếp xúc với bức xạ. Thông báo hợp tác của Imec với Mitsui Chemicals về pellicle ống nano carbon cho thấy hướng phát triển đang đi – các màng được thiết kế để có độ truyền EUV cao với tác động hình ảnh tối thiểu, được xác nhận chống lại các điều kiện máy quét khắc nghiệt đối với vật liệu và khung.
Không gian đánh đổi này quen thuộc với bất kỳ ai quản lý các chương trình phần cứng tiên tiến. Độ truyền cao hơn cải thiện thông lượng, nhưng quản lý nhiệt, tính toàn vẹn cơ học và kiểm soát lỗi trong quá trình sản xuất sẽ quyết định liệu pellicle có trở thành vật tư tiêu hao thông thường hay là yếu tố giới hạn năng suất. High-NA EUV làm tăng mức độ rủi ro vì các lỗi bảo vệ mặt nạ nhanh chóng lan truyền thành lỗi wafer – và con đường phục hồi rất tốn kém.
**Kiểm soát ô nhiễm trở thành nút thắt cổ chai tiếp theo**
Chi phí vốn khổng lồ của High-NA EUV đặt toàn bộ chuỗi giá trị bán dẫn dưới áp lực kinh tế dữ dội. Để đảm bảo khả năng kinh tế của quá trình chuyển đổi này, kiểm soát ô nhiễm phải trưởng thành trên toàn bộ hệ sinh thái, đòi hỏi một sự thay đổi cơ bản trong cách các nhà cung cấp vật liệu, nhà sản xuất linh kiện và hoạt động của nhà máy hợp tác để quản lý các rủi ro ở cấp độ phân tử.
Cuối cùng, sự mở rộng thành công mà High-NA EUV hứa hẹn phụ thuộc vào việc toàn bộ chuỗi giá trị coi kiểm soát ô nhiễm là trách nhiệm chung vì sự thành công về kỹ thuật và lợi nhuận tài chính.
Nguồn: https://www.eetimes.com/molecular-contamination-the-hardware-reality-of-high-na-euv/
Thực ra, vấn đề nhạy cảm chính không chỉ nằm ở hệ thống quang học đâu. Ngay cả những phân tử nhỏ xíu, mà ở các module xử lý chân không khác có thể dễ dàng quản lý, thì ở đây lại có thể bám vào các bề mặt phản xạ, làm thay đổi liều lượng hiệu quả và dần dần gây ra lỗi. Để quản lý rủi ro này thành công, chúng ta cần một kỷ luật mới trong việc tìm nguồn cung ứng vật liệu và sự hợp tác chặt chẽ của toàn bộ chuỗi giá trị bán dẫn, chứ không chỉ riêng phần cứng bên trong máy quét.
**Chi phí khổng lồ và hạ tầng "khủng"**
Việc áp dụng công cụ High-NA EUV đã thay đổi cách các nhà sản xuất bán dẫn đánh giá rủi ro sử dụng. Các bạn hình dung nhé, một máy quét EUV đơn lẻ đã là một khoản đầu tư lên tới chín con số rồi. Theo những quan sát trong ngành về công nghệ in thạch bản thế hệ mới, một máy quét EUV có thể có giá khoảng 150 triệu USD (tương đương khoảng 3,825 tỷ VNĐ), và các mẫu cao cấp hơn thì còn đắt đỏ hơn nữa. Điều này tạo ra thách thức lớn về khả năng chi trả cho toàn bộ chuỗi giá trị bán dẫn.
Hạ tầng hỗ trợ những cỗ máy này cũng khiến rủi ro trở nên thực tế hơn rất nhiều. Điện năng, hệ thống làm mát và tích hợp cơ sở vật chất không còn là những chi tiết phụ trợ nữa, mà trở thành yếu tố then chốt quyết định việc mở rộng sản xuất. Các phân tích về quá trình chuyển đổi sang High-NA đã chỉ ra rằng một nhà máy sản xuất chip (fab) có thể cần công suất điện năng lên tới hơn 150 megawatt (MW). Con số này tương đương với nhu cầu điện của một thành phố nhỏ, cho thấy mọi hệ thống con đều phải hoạt động với độ tin cậy cao để xứng đáng với khoản đầu tư khổng lồ đó.
**Kỹ thuật kiểm soát môi trường chân không**
Trong môi trường chân không của máy, ô nhiễm phân tử phần lớn là do chính các vật liệu bên trong gây ra. Những "thủ phạm" dai dẳng nhất thường là các chất bay hơi từ polymer, chất đàn hồi, keo dán, vỏ cáp, chất bôi trơn và lớp phủ. Nó còn bao gồm cả những vật liệu cấu trúc tưởng chừng trơ nhưng lại có thể gây ra vấn đề khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, bức xạ EUV và môi trường hạt tích điện. High-NA EUV làm tăng mức độ nhạy cảm này bởi vì thông lượng photon cao hơn và yêu cầu hình ảnh khắt khe hơn sẽ làm giảm khả năng chịu đựng đối với sự mất phản xạ hoặc trôi truyền dần dần.
Tuy nhiên, rủi ro này không chỉ là vấn đề phần cứng bên trong máy quét. Kiểm soát ô nhiễm là một kỷ luật của toàn bộ chuỗi giá trị, phụ thuộc vào cách các bộ phận được chỉ định, chứng nhận, tìm nguồn cung ứng, lắp ráp và bảo trì giữa các nhà cung cấp và hoạt động của nhà máy. Các nguồn ô nhiễm nội bộ phổ biến thường tập trung vào một số loại lặp đi lặp lại trong danh mục vật liệu phần cứng. Chúng ta có thể kể đến các mảnh vụn dễ bay hơi được tạo ra do chu trình nhiệt của các cụm bên trong như bàn gá và tấm chắn; các cặn bẩn quang hóa phát sinh từ quá trình thoát khí của lớp cản quang (resist) di chuyển qua môi trường chân không chung; hydro, nước và hydrocarbon nền được đưa vào qua các rò rỉ, rò rỉ ảo và dòng chảy ngược của bơm; và các hạt mài mòn được tạo ra bởi các thành phần cơ khí hoạt động trong môi trường chân không và các ràng buộc ma sát.
Để đối phó với những nguồn này, phần cứng cần có nhiều giải pháp đa chiều. Bắt đầu từ kiến trúc phân vùng các thể tích chân không, hạn chế độ dẫn giữa các buồng và rút ngắn đường đi từ nơi phát sinh ô nhiễm đến nơi thu giữ. Nó cũng phụ thuộc vào các vòng lặp đo lường và kiểm soát để xử lý thành phần khí dư như một biến số của quá trình chứ không phải là một ghi chú bảo trì đơn thuần.
**Lựa chọn vật liệu cho môi trường khắc nghiệt**
Việc lựa chọn vật liệu bên trong máy quét không chỉ đơn thuần là khả năng tương thích chân không chung chung, mà còn là khả năng tồn tại trong các điều kiện cực đoan kết hợp – bức xạ, gradient nhiệt độ, bề mặt đông lạnh gần một số hệ thống con, tiếp xúc với hydro và các chu trình nung lặp đi lặp lại. Gốm sứ ít thoát khí và kim loại có độ tinh khiết cao rất hữu ích, nhưng các chi tiết nhỏ mới là điều quan trọng, bao gồm độ hoàn thiện bề mặt, độ xốp, khí bị mắc kẹt và tính toàn vẹn của lớp phủ theo thời gian.
Giới hạn nhiệt độ càng thu hẹp bảng màu vật liệu. Nhiệt độ cao có thể làm hóa lỏng nhựa và nhiều hợp kim màu, trong khi nhiệt độ rất thấp có thể gây giòn cho một số vật liệu. Điều này đẩy các nhà thiết kế phải hướng tới các hợp kim chuyên dụng và gốm kỹ thuật cho các ốc vít và giao diện cấu trúc phải duy trì ổn định kích thước trong suốt điều kiện hoạt động.
Điều này định hình lại vai trò của bộ phận mua sắm, biến những bộ phận tưởng chừng tầm thường thành những yếu tố rủi ro lớn. Các nhóm tìm nguồn cung ứng giờ đây đang ở tuyến đầu của việc kiểm soát ô nhiễm, được giao nhiệm vụ tìm kiếm các thành phần như ốc vít và keo dán theo số hiệu bộ phận và với dữ liệu độ tinh khiết vật liệu được chứng nhận. Trọng tâm phải là ngăn chặn thời gian ngừng hoạt động do ô nhiễm bằng cách đảm bảo mọi thành phần đều được xác nhận chống lại các điều kiện khắc nghiệt của hệ thống, dù nhỏ đến đâu.
**Giảm thiểu ô nhiễm vượt ra ngoài quang học**
Hệ thống quang học luôn thu hút sự chú ý, nhưng hệ sinh thái phần cứng rộng lớn hơn mới là yếu tố quyết định liệu chúng có duy trì được các thông số kỹ thuật hay không. Đối với High-NA EUV, việc giảm thiểu ô nhiễm mở rộng qua cấu trúc bơm, vị trí cảm biến và thiết kế chuyển động.
Mục tiêu là giảm thời gian lưu trú của phân tử gần các bề mặt nhạy cảm, đồng thời giảm thiểu sự phát sinh hạt từ chuyển động cơ học và giãn nở nhiệt. Các biện pháp phần cứng chính thường bao gồm hệ thống bơm chân không thông lượng cao với hồ sơ dòng chảy ngược thấp và điều kiện đường dẫn được quản lý tốt; giám sát khí dư tại chỗ để phát hiện nước, hydrocarbon và các mảnh vụn cụ thể của quá trình trước khi chúng tích tụ; robot và các thành phần bàn gá tương thích chân không được thiết kế để giảm mảnh vụn mài mòn và sự bong tróc vi hạt; và hình dạng buồng tránh các vùng tù đọng và giảm sự vận chuyển theo đường nhìn thẳng đến gương và khu vực mặt nạ.
Những lựa chọn này rất tốn kém vì chúng có những tác động dây chuyền. Một thay đổi trong vật liệu được sử dụng cho bộ phận xử lý wafer có thể đòi hỏi một thay đổi trong phương pháp nối, điều này đến lượt nó có thể yêu cầu sửa đổi quy trình nung, cuối cùng dẫn đến điều chỉnh các quy trình hiệu chuẩn cảm biến.
**Các chiến lược tiên tiến để kiểm soát ô nhiễm**
Ngay cả với việc kiểm soát vật liệu và kiến trúc chân không cẩn thận, các lớp màng phân tử vẫn hình thành. Sự lắng đọng carbon và ô nhiễm liên quan đến thiếc gần các hệ thống quang học gần nguồn vẫn là những thách thức hoạt động dai dẳng, vì vậy các chiến lược của công cụ dựa vào các cơ chế loại bỏ tại chỗ có thể hoạt động mà không cần tháo rời. Plasma dựa trên hydro và môi trường gốc tự do là trung tâm vì chúng có thể phản ứng với các sản phẩm ô nhiễm bề mặt và thúc đẩy loại bỏ thông qua các sản phẩm phụ dễ bay hơi.
Các nghiên cứu đã được đánh giá ngang hàng đã khám phá các phương pháp plasma hydro công suất thấp nhằm loại bỏ tại chỗ, không phá hủy ô nhiễm liên quan đến thiếc từ các bề mặt gương đa lớp, phản ánh hướng đi trong quản lý ô nhiễm phía nguồn thực tế. Thách thức kỹ thuật là kiểm soát mật độ gốc tự do, năng lượng ion và tính đồng nhất để đảm bảo loại bỏ ô nhiễm mà không làm xói mòn hoặc làm thô các chồng lớp đa lớp mỏng manh.
Pellicle là một chiến trường lớn khác tại chỗ. Đối với High-NA EUV, pellicle phải bảo vệ mặt nạ khỏi các hạt và sự lắng đọng phân tử, đồng thời phải chịu được tải nhiệt cực lớn và tiếp xúc với bức xạ. Thông báo hợp tác của Imec với Mitsui Chemicals về pellicle ống nano carbon cho thấy hướng phát triển đang đi – các màng được thiết kế để có độ truyền EUV cao với tác động hình ảnh tối thiểu, được xác nhận chống lại các điều kiện máy quét khắc nghiệt đối với vật liệu và khung.
Không gian đánh đổi này quen thuộc với bất kỳ ai quản lý các chương trình phần cứng tiên tiến. Độ truyền cao hơn cải thiện thông lượng, nhưng quản lý nhiệt, tính toàn vẹn cơ học và kiểm soát lỗi trong quá trình sản xuất sẽ quyết định liệu pellicle có trở thành vật tư tiêu hao thông thường hay là yếu tố giới hạn năng suất. High-NA EUV làm tăng mức độ rủi ro vì các lỗi bảo vệ mặt nạ nhanh chóng lan truyền thành lỗi wafer – và con đường phục hồi rất tốn kém.
**Kiểm soát ô nhiễm trở thành nút thắt cổ chai tiếp theo**
Chi phí vốn khổng lồ của High-NA EUV đặt toàn bộ chuỗi giá trị bán dẫn dưới áp lực kinh tế dữ dội. Để đảm bảo khả năng kinh tế của quá trình chuyển đổi này, kiểm soát ô nhiễm phải trưởng thành trên toàn bộ hệ sinh thái, đòi hỏi một sự thay đổi cơ bản trong cách các nhà cung cấp vật liệu, nhà sản xuất linh kiện và hoạt động của nhà máy hợp tác để quản lý các rủi ro ở cấp độ phân tử.
Cuối cùng, sự mở rộng thành công mà High-NA EUV hứa hẹn phụ thuộc vào việc toàn bộ chuỗi giá trị coi kiểm soát ô nhiễm là trách nhiệm chung vì sự thành công về kỹ thuật và lợi nhuận tài chính.
Nguồn: https://www.eetimes.com/molecular-contamination-the-hardware-reality-of-high-na-euv/
