images
31/01/2022 05:25 pm

[Video] Tại sao ngành bán dẫn lại cần máy quang khắc siêu cực tím (EUV) và cách nó hoạt động

Nguồn: tinhte

Chúng ta đã được nghe nói nhiều về máy quang khắc siêu cực tím ( EUV ) nhưng hẳn anh em vẫn chưa hình dung được quy mô của hệ thống này cũng như cách thức hoạt động của nó.

Chúng ta đã được nghe nói nhiều về máy quang khắc siêu cực tím (EUV) nhưng hẳn anh em vẫn chưa hình dung được quy mô của hệ thống này cũng như cách thức hoạt động của nó. Mới đây, Intel đã chia sẻ một video ngắn gọn chia sẻ về hệ thống này và cũng khoe rằng hãng sẽ là khách hàng đầu tiên của ASML với thế hệ máy EUV High-NA.


Theo chân phóng viên Rob Kelten, chúng ta được đi tham quan một phần của nhà máy sản xuất bán dẫn tiên tiến nhất của Intel là D1X ở Oregon, nơi có đặt hệ thống quang khắc siêu cực tím EUV. Anh nói EUV là một trong những chiếc máy phức tạp nhất mà con người từng chế tạo và nó giúp đẩy định luật Moore đi xa , những con chip đời mới không thể được sản xuất nếu không có EUV.

[​IMG]
ASML là đơn vị duy nhất trên Trái Đất sản xuất máy quang khắc siêu cực tím EUV và chiếc máy này là sản phẩm sau hơn 35 năm nghiên cứu và phát triển bởi ASML cùng nhiều công ty trong ngành công nghiệp bán dẫn như Intel, TSMC, Samsung …

006 ASML EUV transport.jpg

Quảng cáo


Intel cũng như các hãng sản xuất bán dẫn đang tìm cách mở rộng hoạt động sản xuất với nhiều nhà máy mới được khởi công trong năm nay. Tuy nhiên, để một hệ thống EUV đi vào hoạt động và đạt được sản lượng theo mong muốn thì điều này mất nhiều năm. Trong video, có thể thấy để vận chuyển một hệ thống EUV sẽ cần đến 3 chiếc Boeing 747, 40 container và 20 xe tải. Hệ thống EUV khi lắp đặt xong có kích thước tương đương với một chiếc xe bus chở học sinh, chứa hơn 100 ngàn thành phần và nặng gần 200 tấn. Mỗi chiếc máy có hàng trăm triệu đô, mất đến nửa năm để lắp đặt.

Vậy máy EUV được dùng làm gì?


006 Moore's Law.jpg
Gordon Moore - nhà đồng sáng lập kiêm chủ tịch Intel từng dự đoán rằng số lượng bóng bán dẫn trên một con chip sẽ tăng gấp đôi mỗi 2 năm. Điều này vẫn chính xác trong suốt 50 năm và nó trở thành một định luật mang tên ông, được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp bán dẫn.

006 UV litho.jpg
Các hãng sản xuất chip từ lâu đã sử dụng công nghệ quang khắc cực tím (UV) tức chiếu thiết kế mạch của chip từ tấm bình quang (photomask) lên một lớp hóa chất nhạy cảm với ánh sáng (photoresist) phủ trên một chất nền như tấm wafer silicon bằng tia cực tím. Người ta dùng tia cực tím vì phổ tia cực tím có bước sóng ngắn từ 10 nm đến 380 nm, ngắn hơn phổ ánh sáng thấy được và dài hơn so với tia X. Để có thể tăng mật độ bán dẫn trên chip, bước sóng ánh sáng được sử dụng cho máy quang khắc được rút ngắn dần qua thời gian, từ đó có thể tạo ra bóng bán dẫn với kích thước nhỏ hơn.

006 Intel High-K Trigate.jpg
Với công nghệ UV, bước sóng ánh sáng bị hạn chế ở 193 nm (theo công nghệ quang khắc cực tím sâu DUV) và từ đó giới hạn vật lý của bóng bán dẫn được đặt ra và định luật Moore cũng vì thế mà lung lay. Intel đã tìm cách theo đuổi định luật Moore bằng nhiều công nghệ đáng chú ý như High-K metal gate - một công nghệ có từ tiến trình 45 nm sử dụng vật liệu có tên là hafnium để thay thế cho silicon dioxide được dùng làm điện môi cho cổng (gate) của bóng bán dẫn để giảm rò electron hay tri-gate 3D transistor - bóng bán dẫn thiết kế 3 cổng 3D khởi đầu với tiến trình 22 nm và strained silicon - một phương pháp gây biến dạng silicon, kéo căng các nguyên tử silicon ra ngoài khoảng cách liên nguyên tử bình thường của chúng. Ngoài ra, Intel cùng các nhà sản xuất chip khác đã sử dụng các pháp như tạo mẫu hình đôi (double patterning) hoặc 4 (quadruple patterning) để dùng DUV với bước sóng 193 nm để sản xuất chip với tiến trình gần 10 nm. Đây cũng là thủ pháp giúp khai thác tối đa năng lực của DUV.

Thế nhưng nếu không thể thu nhỏ hơn nữa bóng bán dẫn thì định luật Moore sẽ không còn đúng nữa. Vậy nên để khiến bóng bán dẫn nhỏ hơn thì ngành công nghiệp cần một chiếc máy quang khắc có thể dùng các bước sóng ngắn hơn so với 193 nm của DUV. EUV là câu trả lời khi chiếc máy này dùng bước sóng 13,5 nm, so với máy quang khắc UV thông thường thì bước sóng này nhỏ hơn 10 lần.

Máy EUV hoạt động như thế nào?


006 Laser generator.jpg

Quảng cáo


Khác với DUV với nguồn sáng dựa trên laser excimer, EUV dùng phổ siêu cực tím không có sẵn trong tự nhiên và cần được tạo ra nhân tạo. Bên dưới sàng nơi đặt những chiếc máy EUV là một hệ thống laser, phát ra tia laser có năng lượng lớn hơn 15 lần so với tia laser dùng để cắt thép. Chùm laser được phát từ hệ thống dưới sàng qua các thất kính lên máy EUV. Tại đây, một thiết bị sẽ bắn ra một hạt thiếc với đường kính bằng 1/3 so với đường kính của sợi tóc người.

006 Tin shot by laser.jpg
Tia laser siêu mạnh sẽ bắn phá hạt thiếc này với cường độ 50 ngàn lần/giây khiến hạt thiếc chảy ra và kim loại bốc hơi thành plasma - trạng thái cơ bản thứ 4 của vật chất. Thiếc plasma giải phóng ánh sáng với bước sóng trong dải siêu cực tím.

006 Scanner.jpg
Một hệ thống thu sáng sẽ thu lại các ánh sáng có bước sóng 13,5 nm và truyền ánh sáng này đến một máy quét nơi ánh sáng được cho dội lại đi qua một loạt các thấu kính siêu chính xác từ đó chia ánh sáng thành những tia nhỏ.

006 Etched.jpg
Từ đây thì thiết kế hình học của chip như bán dẫn, dây dẫn và các thành phần khác sẽ được khắc lên tấm wafer silicon.

Sự thật thú vị

Quảng cáo


006 Optical precision.jpg
Độ chính xác của hệ thống quang học trong máy EUV? Thử hình dung độ chính xác này tương đương với việc một phi hành gia đang đứng trên mặt trăng và dùng bút laser chiếu lên đầu ngón tay của một người đứng trên Trái Đất.

006 High-NA.jpg
ASML - hãng sản xuất máy EUV duy nhất trên thế giới hiện đang phát triển phiên bản cải tiến với độ phân giải cao bảng khắc cao hơn. Đây là thế hệ máy EUV High-NA với khẩu độ số cao (0.55 so với 0.33), bước sóng tia cực tím tiếp tục được rút ngắn xuống còn 8 nm từ đó có thể tạo ra bán dẫn với kích thước còn nhỏ hơn nữa. Intel sẽ là khách hàng đầu tiên của ASML nhận được những chiếc máy High-NA EUV và những hệ thống này sẽ được Intel dùng cho kỷ nguyên chip Angstrom.

Bài viết liên quan