Mạnh Quân
Writer
Máy quang khắc, còn gọi là wafer stepper hoặc photolithographic tool, là “trái tim” của quá trình sản xuất mạch tích hợp IC. Thiết bị này đảm nhiệm công đoạn quang khắc, tức là tạo ra hàng triệu, thậm chí hàng chục tỷ chi tiết mạch siêu nhỏ trên bề mặt tấm silicon wafer. Chính từ những wafer này, các con chip xử lý, chip nhớ và hầu hết linh kiện điện tử hiện đại được hình thành.
Về nguyên lý, máy quang khắc hoạt động tương tự một máy chiếu hình có độ chính xác cực cao. Ánh sáng, thường là tia cực tím, được chiếu xuyên qua một tấm mặt nạ reticle chứa sơ đồ mạch. Hệ thống thấu kính sau đó thu nhỏ hình ảnh này và “in” nó lên bề mặt wafer đã được phủ lớp vật liệu nhạy sáng gọi là photoresist. Sau các bước xử lý hóa học tiếp theo, hình ảnh mạch được cố định vĩnh viễn trên silicon.
Dựa trên cơ chế vận hành, máy quang khắc có thể chia thành ba nhóm chính. Thế hệ sớm nhất là mask aligner, loại máy in toàn bộ bề mặt wafer chỉ trong một lần chiếu. Cách làm này đơn giản nhưng nhanh chóng bộc lộ hạn chế khi kích thước mạch ngày càng thu nhỏ, đặc biệt là về độ phân giải.
Tiếp theo là máy stepper. Thay vì in cả wafer, stepper chỉ in từng khuôn chip riêng lẻ, sau đó di chuyển sang vị trí kế tiếp và lặp lại quy trình. Cơ chế “bước từng chip” này giúp cải thiện đáng kể độ chính xác, cho phép vượt qua ngưỡng 1 micron, vốn là rào cản lớn của các hệ thống cũ.
Phổ biến nhất hiện nay là máy scanner, hay còn gọi là step-and-scan. Công nghệ này kết hợp nguyên lý của stepper với chuyển động quét liên tục. Thay vì chiếu sáng toàn bộ mặt nạ cùng lúc, ánh sáng chỉ đi qua một khe hẹp gọi là exposure slit. Cách làm này giúp tối ưu tiêu cự, giảm sai lệch quang học và duy trì độ đồng đều trên các wafer kích thước lớn.
Nếu phân loại theo nguồn sáng và mức độ phân giải, máy quang khắc hiện đại được chia theo các thế hệ công nghệ. DUV, tức Deep Ultraviolet, sử dụng laser excimer như KrF với bước sóng 248 nm hoặc ArF với 193 nm. Một biến thể quan trọng của DUV là quang khắc nhúng immersion lithography, trong đó nước siêu tinh khiết được đưa vào giữa thấu kính và wafer để tăng chỉ số khúc xạ. Nhờ đó, công nghệ này có thể in các chi tiết xuống khoảng 32 nm, dù vẫn dựa trên nguồn sáng 193 nm.
Cấp độ cao hơn là EUV, Extreme Ultraviolet, sử dụng bước sóng chỉ 13,5 nm, ngắn hơn khoảng mười lần so với DUV. EUV cho phép tạo ra các cấu trúc dưới 10 nm, mở đường cho những tiến trình chip tiên tiến nhất hiện nay. Do ánh sáng EUV bị không khí và thủy tinh hấp thụ hoàn toàn, toàn bộ hệ thống phải hoạt động trong môi trường chân không và sử dụng gương phản xạ thay cho thấu kính.
Trong EUV, thế hệ đang được sử dụng rộng rãi là Low-NA EUV với độ mở số NA bằng 0,33. Thế hệ tiếp theo là High-NA EUV, có NA lên tới 0,55, đủ khả năng phục vụ các tiến trình dưới 2 nm. Một máy High-NA EUV có giá khoảng 380 triệu USD, tương đương gần 9.500 tỷ đồng Việt Nam theo tỷ giá hiện tại, và khối lượng có thể lên tới 150.000 kg. Con số này phần nào cho thấy mức độ phức tạp và đắt đỏ của công nghệ quang khắc tiên tiến.
Bên cạnh các hệ thống dựa trên ánh sáng truyền thống, ngành bán dẫn cũng đang nghiên cứu nhiều hướng tiếp cận khác. Quang khắc in nano NIL sử dụng phương pháp “đóng dấu” trực tiếp sơ đồ mạch lên wafer thay vì chiếu laser. Công nghệ này tiêu thụ ít hơn khoảng 90% năng lượng so với EUV và có chi phí thấp hơn, nhưng vẫn gặp thách thức lớn về tỷ lệ lỗi và khả năng tích hợp vào dây chuyền sản xuất hiện hữu.
Quang khắc chùm tia điện tử E-beam direct write đi theo hướng ngược lại. Thay vì dùng mặt nạ, chùm electron sẽ “vẽ” trực tiếp mạch lên wafer. Độ chính xác rất cao, nhưng tốc độ chậm khiến công nghệ này chủ yếu dùng cho nghiên cứu, chế tạo mẫu hoặc sản xuất số lượng rất nhỏ.
Cuối cùng là DSA, tức tự lắp ghép định hướng. Đây là một kỹ thuật dựa trên hóa học, tận dụng khả năng tự sắp xếp của vật liệu polymer để tạo ra các cấu trúc có mật độ cực cao. DSA được kỳ vọng giúp giảm chi phí quang khắc trong tương lai, nhưng hiện vẫn đang trong giai đoạn phát triển và chưa sẵn sàng cho sản xuất đại trà.
Về nguyên lý, máy quang khắc hoạt động tương tự một máy chiếu hình có độ chính xác cực cao. Ánh sáng, thường là tia cực tím, được chiếu xuyên qua một tấm mặt nạ reticle chứa sơ đồ mạch. Hệ thống thấu kính sau đó thu nhỏ hình ảnh này và “in” nó lên bề mặt wafer đã được phủ lớp vật liệu nhạy sáng gọi là photoresist. Sau các bước xử lý hóa học tiếp theo, hình ảnh mạch được cố định vĩnh viễn trên silicon.
Dựa trên cơ chế vận hành, máy quang khắc có thể chia thành ba nhóm chính. Thế hệ sớm nhất là mask aligner, loại máy in toàn bộ bề mặt wafer chỉ trong một lần chiếu. Cách làm này đơn giản nhưng nhanh chóng bộc lộ hạn chế khi kích thước mạch ngày càng thu nhỏ, đặc biệt là về độ phân giải.
Tiếp theo là máy stepper. Thay vì in cả wafer, stepper chỉ in từng khuôn chip riêng lẻ, sau đó di chuyển sang vị trí kế tiếp và lặp lại quy trình. Cơ chế “bước từng chip” này giúp cải thiện đáng kể độ chính xác, cho phép vượt qua ngưỡng 1 micron, vốn là rào cản lớn của các hệ thống cũ.
Phổ biến nhất hiện nay là máy scanner, hay còn gọi là step-and-scan. Công nghệ này kết hợp nguyên lý của stepper với chuyển động quét liên tục. Thay vì chiếu sáng toàn bộ mặt nạ cùng lúc, ánh sáng chỉ đi qua một khe hẹp gọi là exposure slit. Cách làm này giúp tối ưu tiêu cự, giảm sai lệch quang học và duy trì độ đồng đều trên các wafer kích thước lớn.
Nếu phân loại theo nguồn sáng và mức độ phân giải, máy quang khắc hiện đại được chia theo các thế hệ công nghệ. DUV, tức Deep Ultraviolet, sử dụng laser excimer như KrF với bước sóng 248 nm hoặc ArF với 193 nm. Một biến thể quan trọng của DUV là quang khắc nhúng immersion lithography, trong đó nước siêu tinh khiết được đưa vào giữa thấu kính và wafer để tăng chỉ số khúc xạ. Nhờ đó, công nghệ này có thể in các chi tiết xuống khoảng 32 nm, dù vẫn dựa trên nguồn sáng 193 nm.
Cấp độ cao hơn là EUV, Extreme Ultraviolet, sử dụng bước sóng chỉ 13,5 nm, ngắn hơn khoảng mười lần so với DUV. EUV cho phép tạo ra các cấu trúc dưới 10 nm, mở đường cho những tiến trình chip tiên tiến nhất hiện nay. Do ánh sáng EUV bị không khí và thủy tinh hấp thụ hoàn toàn, toàn bộ hệ thống phải hoạt động trong môi trường chân không và sử dụng gương phản xạ thay cho thấu kính.
Trong EUV, thế hệ đang được sử dụng rộng rãi là Low-NA EUV với độ mở số NA bằng 0,33. Thế hệ tiếp theo là High-NA EUV, có NA lên tới 0,55, đủ khả năng phục vụ các tiến trình dưới 2 nm. Một máy High-NA EUV có giá khoảng 380 triệu USD, tương đương gần 9.500 tỷ đồng Việt Nam theo tỷ giá hiện tại, và khối lượng có thể lên tới 150.000 kg. Con số này phần nào cho thấy mức độ phức tạp và đắt đỏ của công nghệ quang khắc tiên tiến.
Bên cạnh các hệ thống dựa trên ánh sáng truyền thống, ngành bán dẫn cũng đang nghiên cứu nhiều hướng tiếp cận khác. Quang khắc in nano NIL sử dụng phương pháp “đóng dấu” trực tiếp sơ đồ mạch lên wafer thay vì chiếu laser. Công nghệ này tiêu thụ ít hơn khoảng 90% năng lượng so với EUV và có chi phí thấp hơn, nhưng vẫn gặp thách thức lớn về tỷ lệ lỗi và khả năng tích hợp vào dây chuyền sản xuất hiện hữu.
Quang khắc chùm tia điện tử E-beam direct write đi theo hướng ngược lại. Thay vì dùng mặt nạ, chùm electron sẽ “vẽ” trực tiếp mạch lên wafer. Độ chính xác rất cao, nhưng tốc độ chậm khiến công nghệ này chủ yếu dùng cho nghiên cứu, chế tạo mẫu hoặc sản xuất số lượng rất nhỏ.
Cuối cùng là DSA, tức tự lắp ghép định hướng. Đây là một kỹ thuật dựa trên hóa học, tận dụng khả năng tự sắp xếp của vật liệu polymer để tạo ra các cấu trúc có mật độ cực cao. DSA được kỳ vọng giúp giảm chi phí quang khắc trong tương lai, nhưng hiện vẫn đang trong giai đoạn phát triển và chưa sẵn sàng cho sản xuất đại trà.
