Bước tiến mới trong việc thu nhỏ kích thước transistor – linh kiện bán dẫn cơ bản – thông qua cải tiến phương pháp quang khắc EUV với khẩu độ số cao
Tác giả: Jan Van Schoot (AMSL)
Hình 1: Hình minh họa kích thước của máy EXE:5000, máy quang khắc sử dụng ánh sáng vùng tử ngoại có bước sóng cực ngắn (extreme ultra violet – EUV) với khẩu độ số cao. (Nguồn: ASML)
Trong suốt nửa thế kỷ qua, chúng ta đã quen với việc coi định luật Moore – số transistor trên một đơn vị diện tích chip hay mật độ transistor tăng gấp đôi sau mỗi hai năm cùng với đó là giảm công suất tiêu thụ năng lượng và tăng cường tốc độ xử lý – như một quy luật tự nhiên, một tiến trình không thể ngăn cản được – như sự tiến hóa hay lão hóa. (Định luật Moore hay dự đoán Moore được đưa ra năm 1965 bởi Gorden Moore (1929-2023) – nhà đồng sáng lập công ty Intel) Tuy nhiên, thực tế diễn ra lại phức tạp hơn nhiều. Để có thể bắt kịp được với định luật Moore thì con người cần đầu tư một lượng lớn thời gian, và trí tuệ. Để hiện thực hoá dự đoán của định luật Moore cần tới hàng nghìn người trên khắp thế giới cùng với vô số máy móc phức tạp nhất trên hành tinh này.
Trong thời gian gần đây, điểm đột phá nhất trong những máy móc liên quan này là việc sử dụng ánh sáng có bước sóng cực ngắn trong vùng tử ngoại (extreme ultra violet – EUV) cho quá trình quang khắc – có thể coi quá trình này là trái tim của quá trình chế tạo chip bán dẫn. Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu và phát triển, công nghệ quang khắc sử dụng EUV đã trở thành công nghệ chính tạo nên hai thế hệ chip mang tính đột phá, góp mặt trong các dòng điện thoại thông minh, máy tính bảng, và các máy chủ cao cấp nhất trong vòng ba năm qua. Tuy nhiên, để có thể bắt kịp với tiến trình của định luật Moore, các nhà sản xuất chip cần phải tiếp tục cải tiến kỹ thuật, thu nhỏ kích thước thiết bị hơn nữa.
Tại ASML, tác giả cùng với các đồng nghiệp đang phát triển một hệ thống quang khắc thế hệ mới được gọi là “quang khắc sử dụng nguồn sáng EUV có khẩu độ số cao” (high numerical-aperture EUV lithography). Hệ thống này đánh dấu một bước tiến lớn trong sự thay đổi của hệ quang học bên trong. EUV khẩu độ số cao dự kiến sẽ sẵn sàng để đưa vào sử dụng trong thương mại vào năm 2024. Hiệu quả của hệ thống này là niềm hy vọng lớn của các nhà sản xuất chip nhằm duy trình đà phát triển của công nghệ đến cuối thập kỷ này.
3 yếu tố chính của quá trình quang khắc
Định luật Moore phụ thuộc vào việc cải thiện hiệu suất của quá trình quang khắc, cho phép các nhà sản xuất chip chế tạo mạch điện với kích thước ngày càng nhỏ. Trong suốt 35 năm qua, các kỹ sư đã thành công giảm độ phân giải của quá trình quang khắc xuống hàng trăm lần thông qua ba yếu tố: bước sóng ánh sáng chiếu (l), hệ số phụ thuộc vào công nghệ (k1), và khẩu độ số (numerical aperture – NA).
Kích thước tới hạn (CD – Critical Dimension) – kích thước nhỏ nhất có thể in được với một mặt nạ hay có thể in lên đế silic để tạo hình linh kiện – tỷ lệ với bước sóng của ánh sáng chia cho khẩu độ số của hệ quang học.
Vậy nên có thể thu nhỏ lại kích thước tới hạn bằng cách sử dụng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn, khẩu độ số lớn hơn, hoặc cả hai phương pháp trên. Giá trị của k1 có thể được giảm xuống thấp tối đa đến giới hạn của cơ học là 0,25 bằng cách cải thiện khả năng kiểm soát quá trình chế tạo.
Thông thường, để tăng độ phân giải, có hai phương pháp chính được áp dụng là tăng khẩu độ số, và cải thiện thiết bị cùng với quy trình để có thể giảm giá trị k1. Chỉ khi các nhà sản xuất chip đã tối ưu hóa hai yếu tố này, họ mới phải chuyển sang giải pháp là giảm bước sóng của nguồn sáng.
Hình 2: Trong 35 năm qua, độ phân giải của công nghệ quang khắc đã được cải thiện lên đến hàng trăm lần. Điều này đạt được một phần nhờ vào việc sử dụng các bước sóng ánh sáng ngày càng ngắn hơn, nhưng cũng đòi hỏi khẩu độ số lớn hơn và các kỹ thuật xử lý tiên tiến hơn. (Nguồn: ASML)
Tuy nhiên, ngành công nghiệp sản xuất chip điện tử đã chứng kiến nhiều bước tiến quan trọng trong việc thay đổi bước sóng quang khắc. Việc giảm bước sóng bắt đầu từ bước sóng 365 nm sử dụng đèn thủy ngân, sau đó chuyển sang 248 nm với laser krypton-flouride (KrF) vào cuối thập niên 90, và tiếp tục giảm xuống 193 nm sử dụng laser argon-flouride (ArF) từ đầu thế kỷ 21. Điểm chung của mỗi thế hệ bước sóng là khẩu độ số của hệ thống quang khắc luôn được cải thiện một cách đáng kể trước khi chuyển sang bước sóng nhỏ hơn.
Ví dụ, khi việc sử dụng bước sóng 193 nm dần bộc lộ giới hạn, một phương pháp cải tiến để tăng khẩu độ số đã được giới thiệu: kỹ thuật quang khắc nhúng (immersion lithography). Kỹ thuật này sử dụng nước để lấp đầy khoảng cách giữa phiến silic và thấu kính, giúp làm tăng khẩu độ số đáng kể từ 0,93 lên 1,35. Kể từ khi được giới thiệu vào khoảng năm 2006, phương pháp quang khắc nhúng sử dụng ánh sáng bước sóng 195 nm đã trở thành phương pháp chủ lực, dẫn đầu các phương pháp trong lĩnh vực quang khắc.
Sự khởi đầu của EUV
Trong bối cảnh nhu cầu cần in các chi tiết nhỏ hơn 30 nm tăng lên, nhưng khẩu độ số của phương pháp quang khắc ở bước sóng 193 nm đã đạt đến tới hạn, việc bắt kịp với dự đoán của định luật Moore trở nên khó khăn hơn bao giờ hết. Để tạo ra các chi tiết có kích thước nhỏ hơn 30 nm, có hai giải pháp được đưa ra là sử dụng nhiều mặt nạ khác nhau (gây tốn kém và phức tạp về mặt kỹ thuật), hoặc thay đổi bước sóng. Sau hơn 20 năm nghiên cứu miệt mài, một bước sóng mới đã có thể được sử dụng trong quang khắc: EUV 13,5 nm.
Hình 3:Trong một buồng chân không, chùm sáng EUV (màu tím) được phản xạ qua một số gương trước khi phản xạ lại qua mặt nạ quang (phía trên cùng chính giữa). Từ đó ánh sáng tiếp tục được phản xạ cho đến khi được chiếu lên phiến (phía dưới cùng chính giữa), mang theo các chi tiết trên mặt nạ quang. Hình minh họa hệ thống được sử dụng trong thương mại hiện nay với khẩu độ số là 0,33. Hệ quang học trong tương lai, với NA bằng 0,55, sẽ rất khác biệt. (Nguồn: ASML)
EUV sử dụng một phương pháp hoàn toàn mới để có thể tạo ra ánh sáng. Quá trình rất phức tạp này liên quan đến việc bắn phá các giọt thiếc đang trong quá trình chuyển động với một laser CO2 rất mạnh. Tia laser làm bay hơi thiếc thành plasma, tạo ra một dải năng lượng photon. Từ dải này, hệ quang học EUV chọn lọc ra bước sóng 13,5 nm và định hướng chùm sáng qua một hệ thống gương trước khi chúng được phản xạ qua mặt nạ để có thể chiếu các chi tiết lên phiến silic. Toàn bộ quá trình này phải được thực hiện trong môi trường chân không siêu cao (mật độ phân tử khí chỉ bằng cỡ 1 phần tỷ lần so với môi trường khí quyển), vì bước sóng 13,5 nm dễ bị hấp thụ bởi không khí. (Ở các thế hệ quang khắc trước, ánh sáng được chiếu trực tiếp qua mặt nạ để chiếu các chi tiết lên phiến. Nhưng EUV lại dễ bị hấp thụ trong không khí nên mặt nạ và các thành phần trong hệ quang học phải có tính phản xạ UV).
Sự thay đổi từ ánh sáng có bước sóng 193 nm sang EUV đã góp phần làm giảm kích thước tới hạn. Quy trình “thiết kế cho sản xuất” (design for manufacturing) – bao gồm việc thiết lập các quy định trong thiết kế các khối mạch để tận dụng giới hạn của phương pháp quang khắc – đóng vai trò quan trọng trong việc làm giảm k1. Giờ đã đến lúc để nâng khẩu độ số từ 0,33 trong thời điểm hiện tại lên 0,55.
Làm cho hệ EUV khẩu độ số cao hoạt động
Việc nâng giá trị khẩu độ số (NA) từ 0,33 trong thời điểm hiện tại đến mục tiêu là 0,55 tất yếu dẫn đến những điều chỉnh tương ứng trong các hệ thống có liên quan. Các hệ thống quang khắc EUV có NA tại phiến và cả ở mặt nạ. Khi NA ở phiến tăng, NA ở mặt nạ cũng tăng theo. Điều này khiến kích thước chùm sáng tới và chùm sáng phản xạ qua mặt nạ trở nên lớn hơn và cần phải được điều chỉnh về góc tới để tránh hiện tượng các chùm sáng chồng chập lên nhau. Các chùm sáng chồng chập sẽ làm mất đi tính đối xứng của các chi tiết nhiễu xạ, dẫn đến những hiệu ứng hình ảnh không mong muốn.
Hình 4: Nếu như góc tới của chùm sáng EUV quá lớn thì độ phản xạ sẽ giảm. (Nguồn: ASML)
Nhưng có một giới hạn cho góc tới này. Bởi vì các mặt nạ phản xạ được sử dụng trong quang khắc EUV thực chất được tạo ra bởi nhiều lớp vật liệu, nên sẽ không thể chắc chắn rằng mặt nạ sẽ phản xạ tốt khi góc phản xạ lớn hơn một giá trị nhất định. Mặt nạ EUV có góc phản xạ lớn nhất là 11°. Các thách thức khác cũng xuất hiện trong quá trình nghiên cứu và phản triển, nhưng vấn đề về góc phản xạ luôn là thách thức lớn nhất.
Hình 5: Góc phản xạ tại mặt nạ của các hệ EUV hiện nay ở giới hạn của nó (bên trái). Tăng khẩu độ số của EUV có thể dẫn đến góc phản xạ quá rộng (giữa). Vậy nên các hệ EUV NA cao sử dụng quang học biến dạng (anamorphic optics), cho phép mở rộng góc theo một hướng (bên phải). Trường sáng thu được khi sử dụng phương pháp này có kích thước chỉ bằng một nửa, vì thế nên các chi tiết trên mặt nạ phải bị biến dạng theo một hướng, nhưng phương pháp này đủ tốt để duy trì nguồn sáng qua hệ máy.
Để giải quyết vấn đề về góc phản xạ, việc tăng thông số thu nhỏ (demagnification) là điều cần thiết. Đúng như tên gọi, thông số này giúp thu nhỏ các chi tiết đã được phản xạ thông qua mặt nạ. Để bù đắp cho vấn đề góc phản xạ, độ thu nhỏ này phải được tăng lên tới 8x. Điều này dẫn đến một phần ảnh thu được từ mặt nạ sẽ trở nên nhỏ hơn rất nhiều trên phiến. Trường ảnh nhỏ hơn đồng nghĩa với việc sẽ mất thời gian hơn để có thể hoàn thành một con chip. Năng suất sản xuất vì thế giảm sút nghiêm trọng, xuống dưới 100 phiến một giờ – mức năng suất này không thể đảm bảo hiệu quả kinh tế cho quá trình sản xuất chip.
Thực ra sẽ chỉ cần phải tăng độ thu nhỏ theo một chiều – chiều có góc phản xạ lớn nhất. Độ thu nhỏ theo các phương khác có thể được giữ nguyên. Cách tiếp cận này giúp giảm kích thước của trường có thể chấp nhận được trên phiến xuống còn khoảng một nửa so với hiện nay (từ 26×33 mm đến 26×16,5 mm). Cơ sở của hệ thống NA cao này chính là khả năng điều chỉnh độ phóng đại độc lập theo từng phương. Nhà sản xuất các dụng cụ quang học Carl Zeiss đã thực hiện một nỗ lực phi thường trong thiết kế và sản xuất một thấu kính biến dạng (anamorphic lens) với các thông số phù hợp cho thiết kế hệ máy mới.
Để đảm bảo sản lượng với trường sáng có kích thước bằng một nửa, hệ thống đánh dấu (dùng để so vị trí mặt nạ nhằm đảm bảo sự trùng khít của rất nhiều mặt nạ sử dụng trong quá trình chế tạo – trung bình 15-20 mặt nạ được sử dụng) và bộ phận giữ đế cần phải được thiết kế lại. Hệ thống này lần lượt là các bộ phận giữ mặt nạ và phiến, chúng cần phải được di chuyển đồng bộ với nhau trong quá trình quét. Việc thiết kế lại giúp nâng cao độ chính xác lên mức nanomet và tốc độ được cải thiện theo hệ số của bốn.
EUV NA cao trong sản xuất vào năm 2025
Dự kiến vào đầu năm 2024, hệ thống sử dụng nguồn sáng EUV khẩu độ số cao – ASML EXE:5000 sẽ được lắp đặt tại phòng thí nghiệm mới của tác giả, trong khuôn khổ hợp tác với viện nghiên cứu vi điện tử Imec (Bỉ). Phòng thí nghiệm này sẽ tạo điều kiện cho các khách hàng, nhà chế tạo mặt nạ, nhà cung cấp chất cảm quang, và những bộ phận liên quan khác xây dựng hệ thống thích hợp, hướng đến triển khai thành công công nghệ EUV khẩu độ số cao.
Và điều quan trọng hơn cả là hiện thực hóa hệ thống này, vì EUV khẩu độ số cao là một thành phần thiết yếu, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì lộ trình của định luật Moore. Tuy nhiên, việc đạt được tới giá trị khẩu độ số bằng 0,55 vẫn chưa phải là bước cuối cùng. ASML, Zeiss, và cả hệ sinh thái bán dẫn sẽ tiếp tục phát triển các công nghệ tiên tiến hơn, nhanh hơn, với những cải tiến vượt xa trí tưởng tượng hiện tại của chúng ta.
Link bài gốc: https://spectrum.ieee.org/high-na-euv
Người dịch: Ý Nhi
©PR-SEP
PR-SEP Team 