Gần đây, Giáo sư Tsumoru Shintake từ Đại học sau đại học Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) đã đề xuất một công nghệ quang khắc cực tím (EUV) mang tính cách mạng không chỉ vượt ra ngoài ranh giới của ngành sản xuất chất bán dẫn hiện tại mà còn mở ra một chương mới trong tương lai của ngành.
Sự đổi mới này cải thiện đáng kể tính ổn định và khả năng bảo trì vì thiết kế đơn giản của nó chỉ cần hai gương và một nguồn sáng chỉ 20W, do đó giảm tổng mức tiêu thụ điện năng của hệ thống xuống dưới 100kW, chỉ bằng một phần mười mức tiêu thụ điện năng của các công nghệ truyền thống (thường yêu cầu hơn 1MW (=1000kW) để hoạt động). Hệ thống mới duy trì độ tương phản rất cao trong khi giảm hiệu ứng 3D của mặt nạ, đạt được độ chính xác ở cấp độ nanomet cần thiết để truyền chính xác các mẫu logic từ mặt nạ quang học sang các tấm wafer silicon.
Cốt lõi của cải tiến này là sử dụng nguồn sáng EUV nhỏ gọn và hiệu quả hơn, giúp giảm đáng kể chi phí trong khi cải thiện đáng kể độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị. Đặc biệt đáng chú ý là mức tiêu thụ điện năng của nó chỉ bằng một phần mười so với máy quang khắc EUV truyền thống, mở đường cho sự phát triển xanh và bền vững trong ngành công nghiệp bán dẫn.
Chìa khóa cho bước đột phá công nghệ này nằm ở việc giải quyết hai vấn đề đã tồn tại từ lâu trong ngành: một là thiết kế hệ thống chiếu quang học tối giản và hiệu quả, chỉ bao gồm hai gương được cấu hình cẩn thận; hai là phát triển phương pháp mới có thể dẫn ánh sáng EUV chính xác đến vùng hoa văn logic trên gương phẳng (mặt nạ quang học) mà không bị cản trở, đạt được khả năng tối ưu hóa đường đi quang học chưa từng có.
Những thách thức của công nghệ in thạch bản EUV
Bộ xử lý giúp trí tuệ nhân tạo (AI) trở nên khả thi, chip tiết kiệm điện năng cho các thiết bị di động như điện thoại di động và chip cho bộ nhớ DRAM mật độ cao - tất cả các chip bán dẫn tiên tiến này đều được sản xuất bằng công nghệ quang khắc EUV.
Tuy nhiên, việc sản xuất chất bán dẫn phải đối mặt với các vấn đề về mức tiêu thụ điện năng cao và độ phức tạp của thiết bị, làm tăng đáng kể chi phí lắp đặt, bảo trì và tiêu thụ điện. Phát minh công nghệ của Giáo sư Tsumoru Shintake là phản ứng trực tiếp đối với thách thức này và ông gọi đó là thành tựu đột phá "gần như giải quyết hoàn toàn các vấn đề tiềm ẩn này".
Các hệ thống quang học truyền thống dựa vào sự sắp xếp đối xứng của thấu kính và khẩu độ để đạt được hiệu suất tối ưu, nhưng các đặc điểm đặc biệt của ánh sáng EUV - bước sóng cực ngắn và dễ hấp thụ bởi vật liệu - khiến mô hình này không còn phù hợp nữa. Ánh sáng EUV cần được phản xạ bởi gương lưỡi liềm và ngoằn ngoèo trong không gian mở, làm giảm một số hiệu suất quang học. Công nghệ mới của OIST, thông qua hệ thống gương kép đối xứng trục được sắp xếp theo đường thẳng, không chỉ khôi phục hiệu suất quang học tuyệt vời mà còn đơn giản hóa đáng kể cấu trúc hệ thống.
Giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng
Vì năng lượng EUV bị suy giảm 40% tại mỗi lần phản xạ gương, theo tiêu chuẩn công nghiệp, chỉ có khoảng 1% năng lượng nguồn sáng EUV đến được wafer thông qua 10 gương được sử dụng, điều này có nghĩa là cần có công suất phát sáng EUV rất cao. Để đáp ứng nhu cầu này, tia laser CO2 điều khiển nguồn sáng EUV cần rất nhiều điện, cũng như rất nhiều nước làm mát.
Ngược lại, bằng cách giới hạn số lượng gương ở tổng số chỉ bốn từ nguồn sáng EUV đến wafer, hơn 10% năng lượng có thể được truyền đi, nghĩa là ngay cả một nguồn sáng EUV nhỏ có công suất hàng chục watt cũng có thể hoạt động hiệu quả. Điều này có thể làm giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng.
Vượt qua hai thách thức lớn
So với các tiêu chuẩn công nghiệp hiện có, mô hình OIST đã cho thấy những lợi thế đáng kể với thiết kế hợp lý (chỉ có hai gương), yêu cầu nguồn sáng cực thấp (20W) và tổng mức tiêu thụ điện năng (dưới 100kW) ít hơn một phần mười so với các công nghệ truyền thống. Sự đổi mới này không chỉ đảm bảo chuyển mẫu với độ chính xác ở cấp độ nanomet mà còn làm giảm hiệu ứng 3D của mặt nạ, cải thiện hiệu suất tổng thể.
Đặc biệt, bằng cách giảm số lượng phản xạ gương xuống còn bốn lần, hệ thống mới đạt được hiệu suất truyền năng lượng hơn 10%, cho phép ngay cả các nguồn sáng EUV nhỏ cũng có thể hoạt động hiệu quả, do đó giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng. Thành tựu này không chỉ giảm gánh nặng cho laser CO2 mà còn giảm nhu cầu về nước làm mát, thể hiện rõ hơn khái niệm bảo vệ môi trường.
Giáo sư Tsumoru Shintake cũng phát minh ra phương pháp quang học chiếu sáng "trường song song", giải quyết khéo léo vấn đề nhiễu đường truyền quang và đạt được bản đồ mẫu chính xác từ mặt nạ quang học đến tấm wafer silicon. Ông ví nó như việc điều chỉnh góc của đèn pin để chiếu sáng gương theo cách tốt nhất, tránh va chạm ánh sáng và tối đa hóa hiệu quả chiếu sáng, thể hiện sự sáng tạo và trí tuệ phi thường của ông.
