Sơ lược về quy trình sản xuất thiết bị bán dẫn – Kì 3: siêu tia cực tím EUV
Kì trước, chúng ta đã tìm hiểu về cách thức hoạt động của photolithography cũng như mối quan hệ mật thiết giữa bước sóng ánh sáng và kích thước nhỏ nhất in trên đế chip (tiến trình hay tech node). Trong bối cảnh người người nhà nhà thi nhau thu nhỏ tiến trình (nào là chip Intel thế hệ Ice Lake 10nm, chip AMD Ryzen thế hệ Zen 2 7nm trên máy tính, hay trên điện thoại là chip Apple A13 hay Qualcomm Snapdragon 865 đều là 7nm, v.v), các nhà khoa học đã hướng tới việc ứng dụng siêu tia cực tím với bước sóng rất ngắn, chỉ 13.5 nm, nhằm đáp ứng nhu cầu đó.
 |
| Nguồn: UCAR |
Siêu tia cực tím là gì?
Siêu tia cực tím hay extreme ultraviolet (EUV) là ánh sáng có bước sóng rất ngắn ở dải tia cực tím. Tia cực tím nằm giữa dải ánh sáng nhìn thấy được (<400nm) và tia X quang (>10nm). Ở kì trước, chúng ta đã nghe về nguồn sáng KrF (248nm) và ArF (193nm) và chúng thường được gọi là deep ultraviolet (DUV) mỗi khi so sánh với EUV. Trong tự nhiên, EUV có thể tìm thấy trong các luồng sáng trên bề mặt mặt trời, đặc biệt là vành nhật hoa (solar corona) trong hiện tượng nhật thực.
Tuy nhiên, con người gặp rất nhiều khó khăn để có thể tạo ra tia EUV, chưa nói đến việc phải duy trì một lượng đủ lớn và đều đặn cho sản xuất. Về lí thuyết, tạo ra tia EUV bị giới hạn bởi phân phối Boltzmann [1]. Theo đó, Boltzmann “nói” rằng nhằm tạo ra mức năng lương cao (13.5nm tương đương 92 eV), nhiệt độ cần phải cao nhằm tăng xác suất tạo ra nó. Hiện nay, có ba cách để tạo ra tia EUV: máy gia tốc hạt synchrotron, luồng plasma tạo bởi laser (laser-produced plasma hay LPP) hoặc tạo bởi phóng điện (discharge-produced plasma hay DPP) [1]. Trong sản xuất thiết bị bán dẫn, LPP được sử dụng để tạo ra EUV. LPP rẻ hơn synchrotron và phù hợp cho sản xuất bán dẫn ở quy mô lớn (DPP rẻ hơn LPP nhưng không phù hợp cho quy mô công nghiệp).
Phân phối Boltzmann có trục tung là xác suất (giảm dần từ trên xuống) và trục hoành là nhiệt độ (tăng dần từ trái sang). Mỗi đường cong tương ứng với một mức năng lượng khác nhau. Năng lương càng thấp (bước sóng dài) thì cần nhiệt độ thấp hơn và có xác suất cao hơn. Ngược lại, mức năng lượng cao thì cần nhiệt độ cao hơn để tăng xác suất. Đó cũng là lí do EUV có trong các luồng sáng trên bề mặt mặt trời, bởi nhiệt độ ở đây rất cao.
Tia EUV từ luồng plasma tạo bởi laser (LPP)
Kể từ thập niên 70, nhiều phòng thí nghiệm ở Mĩ đã bắt đầu sử dụng tia laser chiếu vào kim loại như vàng, nickel, … hay khí trơ như Xenon, nhằm tạo ra các bức xạ (radiation) DUV hay EUV [1]. Năm 1981, G. O’Sullivan và P. K. Carroll báo cáo kim loại thiết (Sn) dưới tác động của tia laser có thể tạo ra các tia EUV có bước sóng khoảng 13.5 nm [1]. Tuy nhiên, kim loại thiết dưới tác động của tia laser tạo ra các bụi kim loại (debris) làm ảnh hưởng đến chất lượng của tia EUV cũng như nhanh hao mòn vật liệu.
Laser dùng trong LPP để tạo ra EUV không hề đơn giản. Hệ thống laser này có công suất 40kW, đủ để cắt được thép. Máy laser này cần đến 1MW để vận hành, tương đương công suất của 4000 tủ lạnh 250W. Máy laser quá lớn để có thể đặt trong phòng sạch (clean room) mà thường đặt ở tầng riêng bên dưới (thường gọi là sub-fab). Trong ảnh là CTO Peter Leibinger của TRUMPF, một công ty đến từ Đức, bên cạnh hệ thống laser [2]
Hiện nay, hệ thống LPP đã có nhiều cải tiến giúp tạo ra lượng tia EUV đủ tốt cho sản xuất bán dẫn. Theo đó, các giọt kim loại thiết với kích thước chỉ 30 microns được bắn vào buồng chân không với tốc độ hàng chục nghìn giọt mỗi giây. Tia laser bắn vào các giọt thiết tạo ra các luồng plasma nhiệt độ cao, và luồng plasma bức xạ ra các tia EUV. Vì tia EUV phát ra tất cả các hướng, gương gom (collecting mirror) sẽ hướng các tia về một hướng [1].
 |
| Sơ đồ miêu tả hệ thống EUV, với nguồn tia laser từ CO2 đặt ở tầng sub-fab, hệ thống dẫn tia laser beam transport, và buồng plasma tạo tia EUV [3]. |
Hệ thống gương
Ở kì trước, chúng ta biết hệ thống photolithography có ba thành phần chính là nguồn sáng, hệ thấu kính, và photomask. Đối với nguồn sáng laser + thiết (EUV 13.5nm), chúng ta không thể dùng thấu kính vì kính và không khí sẽ hấp thụ EUV. Thay vào đó, người ta dùng một loại gương đặc biệt để phản xạ tia EUV nhằm điều khiển đường đi tia sáng trước khi đến tấm bán dẫn (wafer).
 | ||
| Sơ đồ miêu tả đường đi của tia EUV từ buồng plasma đến tấm bán dẫn. Theo đó, tia EUV phản xạ qua các gương Mo/Si trước khi đến photomask (reticle) rồi tiếp tục phản xạ qua các gương trước khi hấp thụ trên bề mặt bán dẫn [3]. |
Ánh sáng khi đến gương sẽ bị hấp thụ một phần trước khi phản xạ. Trong đời sống, gương thường được tráng bạc (Ag) bởi bạc phản xạ rất tốt ở dải ánh sáng nhìn thấy được. Trong hệ thống EUV, người ta thường dùng gương làm từ vật liệu mobyldenum (Mo) và silicon (Si) [4]. Nhưng gương Mo/Si không chỉ đơn giản là làm từ Mo/Si, cấu trúc của nó cực kì đặc biệt nhằm tăng khả năng phản xạ tia EUV – cấu trúc “bánh da lợn”. Bằng cách đan xen các lớp Mo và Si, gương Mo/Si giúp phản xạ đến 70% tia EUV [4]. Con số 70% tuy lớn, nhưng khi tia EUV đi qua 13 gương khác nhau, thì chỉ còn khoảng 1% tia EUV đến được bề mặt tấm bán dẫn.
EUV photomask
Tương tự như việc chuyển đổi từ thấu kính sang gương, tấm hình mẫu photomask cho EUV cũng phải thay đổi. Nếu photomask cho DUV là lớp chrome (Cr) trên tấm kính cứng thì photomask cho EUV là lớp absorber trên gương Mo/Si. Hiện nay, người ta thường dùng TaBN (hợp chất của tantalum, boron và nitrogen) làm lớp hấp thụ (absorber) EUV trên tấm hình mẫu (photomask) [4]. Tương tự như lớp chrome chặn tia sáng đến tấm bán dẫn để hình thành hình dạng của chip, lớp TaBN sẽ hấp thụ tia EUV và chỉ những tia EUV còn lại được phản xạ bởi gương Mo/Si sẽ đến được tấm bán dẫn.
 |
| Mặt cắt tấm gương Mo/Si với 50 lớp Mo xen kẽ Si, với độ dày mỗi lớp là 6.8 nm, nhìn giống bánh da lợn thế nhỉ? |
Cỗ máy 180-tấn EUV “dễ thương” nhưng “thương không dễ”
Vấn đề đầu tiên bao giờ cũng là tiền đâu. Một hệ thống EUV (bao gồm hai hệ thống là laser và photolithography) cần 20 chuyến xe tải hoặc 3 chuyến Boeing 747 để vận chuyển hết 180 tấn phụ tùng thiết bị. Và nó có giá đắt gấp đôi một hệ thống ArF (120 triệu Mỹ kim so với 40~60 triệu) [2]. Mức giá đắt đỏ khiến việc ứng dụng EUV trong sản xuất bán dẫn không được phổ biến. Những ông lớn như Samsung, TSMC, hay Intel đang sử dụng EUV trong sản xuất DRAM thế hệ mới, hay chip tiến trình 7nm và nhỏ hơn.
Đắt hơn nhưng hiệu suất thấp hơn. Hiệu suất của một thiết bị trong dây chuyền sản xuất thường được gọi là throughput hay số tấm bán dẫn mà thiết bị xử lí được trong một giờ (đơn vị wph hay wafers per hour). ArF hiện nay cho throughput lên tới 275 wph [5], trong khi đó EUV cho throughput 160 wph [6]. Nói cách khác, với 6600 tấm bán dẫn, ArF tốn đúng 1 ngày để xử lí trong khi đó EUV cần gần 2 ngày (41.25 giờ) để làm. Ngoài ra, uptime hay thời gian trong năm mà thiết bị được vận hành (downtime là khi thiết bị cần bảo trì, sửa chữa, cập nhật, v.v.) cũng là một yếu tố quan trọng bên cạnh hiệu suất. Hiện nay, EUV có thời gian uptime là khoảng 70~80%, trong khi đó ArF cho uptime > 97% [7]. Tính ra trong 1 năm, EUV có thể xử lí được 1 triệu 121 nghìn tấm bán dẫn còn ArF là 2 triệu 337 nghìn tấm (suy ra từ wph*24*365*uptime). Trả tiền gấp đôi để sản xuất được một nửa, chỉ có thể là EUV photolithography.
Một trong những lí do khiến EUV có uptime thấp là do gương gom trong buồng plasma cần được bảo trì hay sửa chữa thường xuyên. Chất lượng gom và phản xạ tia EUV suy giảm do các bụi kim loại (debris) bám lên gương. Hiện nay, việc này cần mất một ngày để thay thế hoặc lau chùi gương sau mỗi 90 ngày uptime. Nhà sản xuất EUV hàng đầu thế giới, ASML, mong muốn giảm thời gian downtime do gương gom còn 8 tiếng (giảm 1/3) [2].
 |
| Cỗ máy EUV hiệu NXE:3400B của AMSL trong quá trình lắp đặt [2]. |
Để phản xạ tia EUV một cách chính xác, chất lượng lớp Mo/Si phải đều và bề mặt gương Mo/Si cần phẳng và sạch. Việc này cũng giống như việc soi gương hằng ngày, gương bị nứt, chất lượng kém hay có vết bẩn sẽ ảnh hưởng đến hình ảnh của bạn trong gương. Zeiss, một nhà sản xuất thấu kính nhiếp ảnh nổi tiếng thế giới, có thể tạo ra gương Mo/Si phẳng tới 0.1 nm (smoothness), tương đương đường kính nguyên tử hydro. Trong quá trình xếp các lớp Mo và Si để sản xuất gương, các bụi hay lỗi (defects) ảnh hưởng đến độ dày của mỗi lớp như lồi lõm, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng phản xạ EUV và hướng đi tia sáng.
Cuối cùng, pellicle là một màng polymer mỏng trên photomask nhằm bảo vệ mask khỏi bụi, xước, v.v. Có 3 yếu tố nhằm đánh giá chất lượng pellicle là tỉ suất truyền ánh sáng (transmission rate), ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ (thermal load) và độ bền. Hiện nay, ASML là nhà cung cấp độc quyền EUV pellicle (vì AMSL là nhà sản xuất hệ thống EUV lớn nhất thế giới hiện nay mà). EUV pellicle của ASML được làm từ polysilicon, dày 50 nm, tỉ suất truyền là 83%, độ bền ở tia EUV công suất 250W là 3000 tấm bán dẫn (trước khi phải thay pellicle mới) [7]. Trong khi đó, yêu cầu của ngành công nghiệp hiện nay là tỉ suất truyền 90%, 10000 tấm bán dẫn ở công suất 300W của tia EUV thì mới có thể đáp ứng được yếu tố kinh tế [7].
Vậy tại sao EUV lại cần thiết đến thế?
 |
| EUV giúp con người tiếp tục hành trình thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn và chip [3]. |
Khi con người muốn viết nhiều chữ hơn trên một tờ giấy nhỏ hơn, viết chữ nhỏ hơn là một cách. Nhưng bạn sẽ không thể viết chữ nhỏ mãi bằng một nét bút to được, đến một lúc, con người phải tìm đến nét bút nhỏ hơn, mảnh hơn để viết. Công nghệ EUV ra đời giúp con người có thể tiếp tục tạo ra bóng bán dẫn nhỏ hơn, nhét nhiều bóng bán dẫn vào một đế chip hơn, từ đó chip mạnh hơn, và tiết kiệm điện hơn. Những khó khăn và thách thức khi ứng dụng EUV là không thể tránh khỏi. Nhưng với nỗ lực không ngừng nghỉ của các nhà khoa học, con người sẽ chinh phục được EUV và biến EUV thành một điều bình thường, cũng giống như SpaceX và tên lửa tái sử dụng của họ vậy.
If something is important enough, even if the odds are against you, you should still do it.
Elon Musk, nhà sáng lập Paypal, Tesla, và SpaceX
Tham khảo:
- F. Rahman, “EUV Light Sources for Next-Gen Lithography,” Optics and Photonics news, March, 2018. Availalble: The Optical Society.
- A. Thoss, “EUV lithography revisited,” Laser Focus World, August, 2019. Available: Laser Focus World
- M. Lapedus, “Why EUV Is So Difficult,” Semiconductor Engineering, November, 2016. Available: Semiconductor Engineering
- V. Luong, “EUV Lithography,” Arenberg Youngster Seminar, May, 2018. Available: KU Leuven
- “DUV Lithography Systems: TWINSCAN NXT:2000i.” Available : ASML
- “EUV Lithography Systems: TWINSCAN NXE:3400C.” Available: ASML
- M. Lapedus, “EUV Pellicle, Uptime And Resist Issues Continue,” Semiconductor Engineering, September, 2018. Available: Semiconductor Engineering