Công nghệ in mạch EUV: Ánh sáng 13,5nm tạo ra chip 2nm
Công nghệ in mạch EUV (Extreme Ultraviolet Lithography) là công nghệ khắc mạch bán dẫn sử dụng ánh sáng cực tím có bước sóng 13,5 nanomet, bị hấp thụ gần như hoàn toàn bởi mọi vật liệu. Đây là công nghệ cho phép các hãng sản xuất chip tạo ra các nút xử lý tiến trình 5nm, 3nm và 2nm, mỗi thế hệ nhỏ hơn đáng kể so với công nghệ DUV 193nm mà trước đó giữ vai trò chủ lực.
Khác biệt cốt lõi của EUV so với DUV nằm ở chỗ ánh sáng này không truyền qua kính mà phản xạ trên gương. Vì mọi vật liệu đều hấp thụ 13,5nm, toàn bộ đường đi của ánh sáng phải nằm trong chân không và hệ thống quang học chỉ có thể dùng gương phản xạ, không có bất kỳ thấu kính nào.
Vì sao DUV 193nm không còn đủ
Trước EUV, ngành bán dẫn dùng khẩu ArF nước ngọt ở 193nm. Khi khoảng cách giữa hai đường dẫn cần khắc nhỏ hơn khoảng 38nm, người ta buộc phải in nhiều lần với các mặt nạ khác nhau rồi ghép lại, một kỹ thuật gọi là đa lớp in. Mỗi lần in thêm làm tăng thời gian sản xuất, độ khác biệt giữa các lớp và tỉ lệ lỗi.
EUV giải quyết đúng điểm nghẽn này. Vì bước sóng 13,5nm ngắn hơn ArF khoảng 14 lần, giới hạn kích thước nhỏ nhất giảm tương ứng và nhiều lớp in cùng một lần chiếu làm giảm chi phí trên mỗi wafer.
Theo công thức giới hạn nhiễu của Rayleigh, kích thước nhỏ nhất tỉ lệ với bước sóng và tỉ lệ nghịch với độ mở số quang (NA). Nâng NA của hệ thống lên giúp giải quyết trực tiếp bài toán đó, thay vì phải bán thêm một lớp in nữa.
Cách tạo ra ánh sáng 13,5nm
EUV không có nguồn sáng laser trực tiếp nào phát ra được bước sóng này. Kỹ thuật được dùng là plasma sinh bởi laser, viết tắt là LPP. Quy trình gồm ba bước: một tia laser CO2 bắn vào những giọt thiếc nóng chảy có đường kính khoảng 25 micromet đang di chuyển với tốc độ khoảng 70 m/s; cú va chạm làm giọt thiếc bốc hơi và ion hóa thành plasma; plasma nóng phát ra bức xạ liên tục ở vùng 13,5nm.
Điểm khó của bước này là phải giữ giọt thiếc ở kích thước và tốc độ chính xác tuyệt đối. Sai một phần trăm là plasma không đạt nhiệt độ cần thiết. Đó là lý do ASML phải phát triển hệ thống định vị giọt bằng tia laser riêng.
Hiệu suất toàn năng của nguồn EUV vẫn là điểm yếu lớn. Tại hội nghị EUV năm 2009, SK Hynix công bố hiệu suất chỉ khoảng 0,02%, tức phải cấp khoảng 1 MW công suất điện để thu được 200 W tại điểm tiêu cực, trong khi khâu chiếu sáng nước ngọt chỉ cần khoảng 165 kW. Thấp hơn hai mươi lần là con số kinh tánh năng lượng luôn được viện dẫn khi nói về EUV.
Gương đa lớp Mo/Si và vấn đề phản xạ
Vì không thể dùng thấu kính, hệ thống quang học EUV dựa trên gương phản xạ đa lớp, xen kẽ các lớp molypden và silic. Cơ chế phản xạ dựa trên hiện tượng giao thoa Bragg, cho phép hiệu suất phản xạ đạt khoảng 75% ở 13,5nm khi góc chiếu đúng thiết kế.
Con số 75% nghe có vẻ cao nhưng lại là vấn đề lớn nhất của công nghệ. Một máy quang nghịp EUV dùng sáu gương chiếu gương, mỗi tấm hấp thụ khoảng 30% ánh sáng. Qua cả sáu lần phản xạ, tổng cộng mất khoảng 96% công suất ánh sáng trước khi tới tấm wafer.
Hiệu suất phản xạ còn phụ thuộc góc chiếu. Đồ thị góc phản xạ cho thấy khi đi lệch khỏi vùng thiết kế NA 0,33, hiệu suất giảm mạnh, dẫn tới hiệu ứng apodization làm cường độ ánh sáng không đồng đều trên toàn vùng chiếu. Đây là lý do phải dùng công nghệ hiệu chỉnh quang học phức tạp.
So sánh các nền tảng máy quang nghịp EUV
| Nền tảng | Độ mở số | Nút tiến trình | Sản lượng | Liều chiếu sáng |
|---|---|---|---|---|
| NXE 3600D | 0,33 | 5nm và 3nm | Từ 160 tấm mỗi giờ | 30 mJ/cm2 |
| NXE 3800E | 0,33 | 2nm | Từ 220 tấm mỗi giờ | 30 mJ/cm2 |
| EXE 5000 | 0,55 | Dưới 2nm | Từ 110 tấm mỗi giờ | 50 mJ/cm2 |
| EXE 5200B | 0,55 | Dưới 2nm, độ phân giải 8nm | Từ 175 tấm mỗi giờ | 50 mJ/cm2 |
Hệ High-NA là thế hệ máy thế hệ mới với độ mở số nâng từ 0,33 lên 0,55, cho phép độ phân giải 8nm và in một lần cho các nút dưới 2nm. Đổi lại, bán kính năng lượng tốt hơn phải đánh đổi bằng liều chiếu sáng cao hơn khoảng 1,7 lần và sản lượng thấp hơn.
Phiên bản EXE 5200B cải thiện đáng kể so với thế hệ đầu, với sản lượng tăng lên mức tối thiểu 175 tấm mỗi giờ và độ tương phản hình ảnh cao hơn 40% so với hệ NXE.
Chi phí và các hãng sử dụng
Giá một máy quang nghịp EUV thông thường vào khoảng 180 triệu USD. Máy High-NA có giá khoảng 360 triệu USD, và thế hệ siêu High-NA trong tương lai có thể vượt mức 720 triệu USD. Với mức giá này, chi phí khắc trên mỗi tấm wafer là con số mà các hãng thiết kế chip phải tính kỹ trước khi chọn nút tiến trình.
Các hãng đang sử dụng EUV cho sản xuất số lượng lớn gồm TSMC, Samsung, Intel, SK Hynix và Micron. Với khoảng thời gian chuẩn bị một nhà máy kéo dài nhiều năm, quyết định dùng EUV hay chưa là quyết định chiến lược dài hạn, không phải quyết định kỹ thuật đơn lẻ.
Uu điểm rõ ràng của EUV là giảm số lần in cho mỗi lớp mạch, giảm tổng thời gian sản xuất và giảm lỗi do sai lệch giữa các lớp. Đổi lại, chi phí thiết bị, hiệu suất nguồn sáng và độ phức tạp của hệ thống gương là những rào cản thực tế mà ngành vẫn đang giải quyết.
Nguồn tham khảo: trang sản phẩm hệ thống quang nghịp EUV của ASML, thông số kỹ thuật máy TWINSCAN EXE:5000 High-NA, bài giải thích nguyên lý ánh sáng và laser trong quang nghịp, phần gương và thấu kính của ASML, cùng bài viết Extreme ultraviolet lithography trên Wikipedia và bài Multiple patterning trên Wikipedia.
