Sơ lược về quy trình sản xuất thiết bị bán dẫn - Kì 2: Photolithography là gì?
Sản xuất bán dẫn là một quá trình bao gồm nhiều bước như quang khắc, khắc, lắng đọng, v.v. Hôm nay, chúng ta hãy cùng tìm hiểu về quang khắc và các thành phần tạo nên hệ thống quang khắc.
Photolithography = Nhiếp ảnh + Lithography
Trước khi vào photolithograpy, hãy cùng tìm hiểu về lithography. Trong tiếng Hi Lạp cổ, lithos nghĩa là đá, graphein nghĩa là viết. Người xưa vẽ hình lên đá ốp bằng dầu, mỡ, hoặc sáp rồi sau đó tráng một lớp axit lên. Phần vẽ hình sẽ được bảo vệ bằng dầu mỡ, phần còn lại sẽ phản ứng hóa học phản ứng, tạo ra nước. Sau đó, loại mực dầu được phủ lên và chỉ bám vào phần hình vẽ được bảo vệ bởi dầu mỡ. Cuối cùng, những người thợ vẽ lên giấy từ tấm đá vôi, ví dụ như tấm bản đồ Munich dưới đây.
 |
| Bên trái là phiến đá chứa hình ảnh bản đồ thành phố Munich còn bên phải là khi in trên giấy. Nguồn: Wikipedia |
Nhiếp ảnh thì ai cũng biết chính là chụp ảnh, khi chúng ta dùng ánh sáng để ghi lại khoảnh khắc khắc trên những thước phim ngày xưa. Kết hợp cả yếu tố ánh sáng (ảnh) và đá phiến (litho) bao gồm hình vẽ, chúng ta có quang khắc (còn gọi là quang khắc) và đây là một bước quan trọng trong dây Phóng bán Dẫn chuyển bản thiết kế chip từ hình ảnh mẫu (tương đương phiến đá) lên bề mặt tấm bản dẫn (giấy tranh hoặc thước phim).
Đầu tiên, nhà sản xuất sản xuất chip thiết kế lên tấm kim loại chrome bằng tia laser hoặc tia điện tử, tạo nên tấm hình mẫu – mặt nạ quang. Sau đó, tấm hình mẫu được đặt giữa nguồn sáng và tấm bán dẫn. Quá trình này cũng giống như khi chúng ta đứng dưới trời nắng vậy, bóng chúng ta ở trên mặt đất, cũng giống như “bóng” của kim loại chrome với hình vẽ thiết kế, trên bề mặt tấm bán dẫn. Trên bề mặt của tấm bán dẫn có phủ một lớp polymer nhạy sáng. Dưới tác động của ánh sáng, lớp polymer bị thay đổi, có thể trở nên cứng hơn hoặc mềm hơn. Cuối cùng, tấm bán dẫn được tráng bởi dung dịch hòa tan phần polymer mềm, để giữ lại phần cứng polymer, đồng thời cũng là chip thiết kế.
Vậy tại sao con người không trực tiếp chip lên bề mặt bán dẫn? Cũng giống như không vẽ trực tiếp lên giấy cho những bức tranh giống nhau, theo ngày nay, con người sản xuất chip trên khoảng 6 triệu tấm bán dẫn mỗi tháng, và một tấm bán dẫn đường kính 300 mm có thể chứa tới hơn 10 chip đế [1]. Photolithography giúp tiết kiệm thời gian sản xuất cũng như đảm bảo quá trình sao chép thiết kế được chính xác. Kích thước chip cũng là một yếu tố quan trọng. Tấm hình mẫu thường là hình vuông Cạnh 15cm [2]. Tia sáng sau khi đi qua các tấm mẫu sẽ đi qua các kính viễn vọng có thể phóng to hoặc thu nhỏ “bóng” của bản thiết kế. Nói cách khác, với cùng một bản thiết kế và tấm mẫu, chúng ta có thể thay đổi kích thước thu hút trên bề mặt tấm bán dẫn và chi phí điện năng tiết kiệm.
Hệ thống quang khắc
Một hệ thống quang khắc bao gồm nguồn sáng, hệ thần kính và mặt nạ quang. Và kết quả của bước quang khắc này, đó chính là các bóng bán dẫn, các đường dẫn, mà kích thước của nó được quyết định bởi:
CD = k*𝛌/NA
trong đó, CD hay kích thước tới hạn là kích thước chiều rộng, k là hệ số trong sản xuất, thường là 0,4, 𝛌 là bước sóng của nguồn sáng và NA hay khẩu độ số là khẩu độ. Xuyên suốt lịch sử phát triển thiết bị điện tử, con người luôn cố gắng thu nhỏ kích thước bán dẫn hoặc CD, từ đó tăng mật độ bán dẫn, tăng tốc độ lý, giảm tiêu thụ năng lượng, v.v. bước sóng, tăng khẩu độ là một trong những phương pháp Giải quyết bài toán thu nhỏ kích thước.
Nguồn sáng
Thay đổi nguồn sáng giúp thay đổi bước sóng. Cho đến mùa thu năm 90, đèn thủy ngân (đèn Hg) vẫn là nguồn sáng chính, cho ra các tia sáng ở bước sóng 436 nm (kí hiệu là g-line), 405 nm (h-line) và 365 nm (i -đường kẻ). Đèn thủy ngân được phát minh vào cuối thế kỷ 19, hoạt động bằng cách phóng tia điện vào hơi thủy ngân [3].
Với trục tung là kích thước/bước sóng (nm), trục hoành là dòng thời gian ứng với các công nghệ nguồn sáng, biểu đồ miêu tả quá trình thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn (cổng logic) cũng như đường kết nối trong de chip (M1) qua time [4]
Năm 1982, tập đoàn IBM, Mỹ giới thiệu công nghệ laser excimer. Laser Excimer hoạt động bằng cách kích thích khí độc (Argon, Krypton, hay Xenon) và khí halogen (Chlorine hay Fluorine) bằng tia điện khuyến khích tạo ra các hợp chất ở trạng thái kích thích (kích thích). Khi các hợp chất này trở về trạng thái bình thường, chúng tỏa ra năng lượng dưới dạng ánh sáng sáng có bước sóng định nhất [5]. Trong các sản phẩm xuất bán dẫn, người ta thường sử dụng excimer KrF (bước sóng 248 nm) và ArF (193 nm), từ đó giảm bước sóng so với đèn ngân hàng.
Bước sang thập niên 2010, con người tiếp tục đưa ra giới hạn kích thích bóng dẫn đến cực hạn bằng cách giới thiệu công nghệ cực tím (EUV) trong quang khắc. EUV sử dụng bước sóng 13,5 nm, cho phép người sản xuất xuất thiết bị bán dẫn ở bước sóng dưới 10 nm.
 |
| Lộ trình phát triển tiến trình của bộ xử lí (logic), bộ nhớ (memory) và ổ lưu trữ (storage) trước và sau khi có EUV. Nguồn: ASML |
Hệ thấu kính
Cũng giống như nhiếp ảnh, thấu kính cực kì quan trọng giúp “hình ảnh” được truyền chính xác từ tấm hình mẫu đến tấm bán dẫn.
 | ||
| Sơ đồ hệ thống photolithography với hệ projection lens. Nguồn: Nikon [6] |
Tại sao không đặt hình mẫu ngay trên bề mặt tấm bán dẫn, vừa không cần hệ thống thấu kính, vừa cho “hình ảnh” chính xác? Nếu tấm hình mẫu được đặt ngay trên tấm bán dẫn thì chúng được gọi là contact lithography hay proximity lithography. Kĩ thuật này có ưu điểm là độ chính xác cao (high resolution), nhưng nhiều nhược điểm như tạo bụi (defects) trên bề mặt tấm bán dẫn hay tấm hình mẫu do tiếp xúc trực tiếp, không có khả năng phóng to thu nhỏ do không có thấu kính, năng suất thấp. Bằng cách đặt thêm hệ thống thấu kính giữa tấm hình mẫu và tấm bán dẫn, projection lithography có bỏ các nhược điểm trên, nhưng lại giảm độ chính xác. Chính vì thế, hệ thấu kính projection lens rất phức tạp, nhằm giúp truyền tia sáng đến tấm bán dẫn một cách chính xác. Trong nhiếp ảnh, nếu hình ảnh bị méo thì chúng ta có thể “photoshop” cho thẳng rồi up Facebook. Còn trong bán dẫn, hình ảnh mà méo thì chỉ có cách bỏ chip đi mà mua chip mới thôi.
 |
| Hình trên là bằng sáng chế của Nikon cho ống kính tele 800mm f/5.6 với 16 thấu kính có mức giá gần 18 nghìn đô Mỹ [7]. Còn hình dưới là hệ projection lens của Nikon cho photolithography với 25 thấu kính cho nguồn sáng ArF [8]. |
Photomask
Sản xuất chip cũng giống như xây nhà. Bản thiết kế chip sẽ gồm nhiều tầng (layer) khác nhau, với tầng dưới cùng thường là bóng bán dẫn (transistors), các tầng trên là các đường dẫn kết nối (interconnects) các bóng bán dẫn với nhau và ra bên ngoài để tạo thành mạch điện (circuit). Chip hiện nay thường cần khoảng 30 tầng, tương ứng với 30 tấm photomask. Photomask hiện nay là một lớp kim loại chrome được khắc laser theo thiết kế và được đặt trên một lớp kính.
 |
| Hình ảnh một photomask, trong đó có 4×5 đế chip. Mỗi lần chiếu sáng, sẽ có 20 đế chip được in lên bề mặt wafer. |
Ở thời kì đầu của sản xuất bán dẫn, photomask không làm từ chrome và tấm kính cứng mà làm từ vật liệu polymer là rubylith, vốn được dùng trong nghệ thuật thời đó. Tuy nhiên, rubylith là vật liệu mềm, cộng với kĩ thuật contact lithography thời đó khiến bề mặt của photomask nhanh gặp lỗi (defects), khiến vòng đời sử dụng của rubylith khá ngắn và ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng. Đến thập niên 70, con người chuyển sang dùng photomask từ chrome trên kính. Cùng giai đoạn này, nhà sản xuất cũng chuyển từ contact lithography sang projection lithography, giúp gia tăng vòng đời của photomask cũng như đảm bảo chất lượng của photomask sau nhiều lần dùng [9].
 | |
| Bên phải là mô hình 3D của chip và bên trái là mặt cắt dọc của một đế chip. Màu xám nhạt của tầng đường dẫn kết nối chính là kim loại đồng (Cu) còn màu đen là vật liệu cách điện (dielectric) [10]. |
Tuy nhiên, chrome photomask cũng không thể tránh khỏi việc có bụi trên bề mặt. Đầu thập niên 80, con người phát triển pellicle, một lớp màng polymer mỏng trên bề mặt lớp chrome. Khi có các hạt bụi bám trên pellicle, độ dày của pellicle được tính toán để làm sao cho hạt bụi nằm ngoài vùng sắc nét (out of the focal plane), từ đó hình ảnh hạt bụi không được in lên bề mặt tấm wafer [9].
Photolithography là một bước quan trọng trong quá trình sản xuất chip, giúp hình thành các bóng bán dẫn, các kết nối của đế chip. Xuyên suốt quá trình phát triển của photolithography, con người đã tạo ra nhiều bước đột quá như kĩ thuật projection lens, chuyển từ photomask rubylith sang chrome, hay gần đây nhất là phát triển công nghệ extreme ultraviolet (EUV), giúp tạo ra những con chip dưới 10nm. Kì tới, chúng ta sẽ cũng tìm hiểu về công nghệ EUV và xem nó “thần thánh” tới mức nào nhé.
Tham khảo:
- Clive Maxfield, “How many silicon chips are there on a 300 mm wafer?”. Available: EE Times
- “Photomask”. Available: Applied Materials
- F. M. Perkin, “Mercury vapour lamps and action of ultra violet rays,” Trans. Faraday Soc., vol. 6, pp. 199-204, 1911. https://doi.org/10.1039/TF9110600199
- Le-Gratiet, et. al., “Patterning critical dimension control for advanced logic nodes,” Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS, 2015.
- von Bergmann H., Stamm U., “Principles of Excimer Lasers.” in Excimer Laser Technology, Basting D., Marowsky G. (Ed.). Berlin: Springer, 2005. https://doi.org/10.1007/3-540-26667-4_5
- “A host of Nikon technologies enables semiconductor production.” Available: Nikon
- “Nikon’s patent for a 800mm f/5.6 lens.” Available: Nikon Rumors
- T. Matsuyama, Y. Ohmura, and D.M. Williamson, “The Lithographic Lens: its history and evolution,” Proc. of SPIE , vol. 6154, 2006. https://doi.org/10.1117/ 12.656163
- Rizvi, S. (Ed.), Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Boca Raton, FL: CRC Press, 2005. https://doi.org/10.1201/9781420028782
- Teshima, and J. J. Clarke, “From transistors to bumps: Preparing SEM cross-sections by combining site-specific cleaving and broad ion milling.” Available: Semiconductor Digest