Năm 1956, Bell Labs đã phát triển bóng bản dẫn thê rần sử dụng Germanium (Ge). Sau này Silicon (Si) thay thế Ge vì nhiều lý do; Si dễ dàng tương tác với ô-xy (0,), tạo thành lớp SiO, có chức năng như chất cách điện. Lớp 2 này cần thiết cho bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn ô-xít kim loại (MOSFET), vì nó tách công khỏi kênh và đóng vai trò như một lớp che trên các điểm nổi, ngăn chặn sự khuếch tán tạp chất trong vùng mà nó che chắn. Si cũng có sự chênh lệch điện thể cao hơn giữa dãi dẫn và dải hóa trị (band-gab), khiến Si kém có khả năng tạo ra cặp nhiệt, điều này cho thấy các thiết bị Si có ít nhiều hơn ở cùng nhiệt độ. Tại điểm nổi p-n, Si có dòng điện ngược thấp hơn (dòng rò) và điện áp nghịch đảo đỉnh cao hơn. Tình thê Sí có thể chịu nhiệt tốt hơn Ge. Hơn nữa, Si được tìm thấy tự nhiên trong cát và việc xử lý nó đơn giản hơn và ít tốn kém hơn.

Si là một trong những nguyên tố rẻ tiền nhất, nhưng ngành công nghiệp đã biến nó thành một trong những mặt hàng có giá trị nhất, đó là mạch tích hợp (IC). Tất cả các thiết bị điện tử, như PC, máy tính bảng và điện thoại thông minh, đều dựa vào các thành phần bán dẫn. Mặc dù Trung Quốc có ngành khai thác Si lớn nhất thế giới nhưng mỗi năm nước này nhập khẩu IC trị giá khoảng 300 tỷ USD từ Mỹ.

Năm 2019, 32,4% phân khúc thị trường bán dẫn dành cho mạng và thiết bị truyền thông. Vào năm 2021, thị trường bán dẫn toàn cầu dự kiến sẽ đạt 469,4 tỷ USD và tốc độ tăng trưởng hàng năm của chất bán dẫn được dự đoán là 8,4% và dự kiến sẽ đạt 726,73 tỷ USD vào năm 2027 [2]. Các công trình nghiên cứu của VNL đã giúp ASML phát hành máy EUL (NXE:3400B) vào năm 2017; nó có khả năng sản xuất các công nghệ 7-5 nm với công suất 125 tấm bán dẫn mỗi giờ và phiên bản kế nhiệm của nó (NXE:3400C) với công suất 170 tấm bán dẫn mỗi giờ, và phát triên ống kính khẩu độ số cao (EXE: 5000). Năm 2020, doanh thu của ASML lên tới 10,3 tỷ euro, trong đó 18% đến Trung Quốc, 36% đến Đài Loan và 31% đến Hàn Quốc.

Giải pháp thay thế EUV là sử dụng các mặt nạ phức tạp với công nghệ in thạch bản in nano (NIL) tiên tiến; điều này cho phép Kaixia ở Nhật Bản đạt được chip dưới 15 nm, với tốc độ mục tiêu 5 nm vào năm 2025, (2020F) đứng top 15 công ty trên toàn thế giới. Trong quý 3 năm 2021, công ty sản xuất chất bán dẫn Đài Loan (TSMC) giữ hơn 53% ngành công nghiệp đúc bản dẫn trên toàn thế giới, trong khi Samsung giữ 17,1%. TSMC đã đáp lại những lo ngại của Hoa Kỳ về tác động thiếu hụt chip điện tử đối với các ngành công nghiệp khác nhau và nhu cầu tăng cường chuỗi cung ứng, TSMC bắt đầu xây dựng một nhà máy chip trị giá 12 tỷ USD ở Arizona để sản xuất chip 5 nm vào năm 2024. Trung Quốc cổ gắng bắt kịp thông qua các trung tâm nghiên cứu của mình, như synchrotron Thượng Hải cơ sở bức xạ (SSRF), công bố vào năm 2020 đã đạt được mẫu nửa bước sóng 25 nm sử dụng kỹ thuật in thạch bản giao thoa tia X mềm (XIL).

NHỮNG TIẾN BỘ TRONG KỸ THUẬT IN ẢNH IN THẠCH BẢN

Quá trình chế tạo chất bán dẫn có liên quan chặt chẽ đến vật lý quang học, trong đó thấu kính và gương là thành phần chính của bất kỳ hệ thống quang khắc nào. Độ phân giải của hệ thống quang học dựa trên định luật Ernest Abbe (1873), trong đó NA là một số không thứ nguyên biêu thị phạm vi của các góc mà hệ thông chấp nhận hoặc phát ra ánh sáng.

In thạch bản DUV

Việc sử dụng các bước 193 nm để chế tạo các nút nhỏ hơn, thậm chỉ lớn tới 45 nm, hầu hết yêu cầu các kỹ thuật quang khắc nâng cao độ phân giải (RET) bổ sung, bao gồm: 1) Mặt nạ dịch pha (PSM); 2) Chiêu sáng ngoài trục (OAI); 3) Phân cực nguồn; 4) Tối ưu hóa mặt nạ nguồn (SMO); 5) Hiệu chỉnh độ gần quang học (OPC) [10-12]. Một trong những máy in thạch bản DUV của ASML nổi tiếng là TWINSCAN NXT:1470 sử dụng sóng ánh sáng UV 193 nm, với quang học chiếu 0,93 NA Carl Zeiss Starlith giảm 4X có thể đạt được độ phân giải khoảng 0,57 nm và công suất của máy là khoảng 300 wafer mỗi giờ.

Kỹ thuật in thạch bản EUV

Công trình nghiên cứu được công bố sớm nhất về sử dụng sóng ngắn như tia X mềm cho in thạch bản là của Heuberger vào năm 1983. Trong quy trình DUV, tia cực tím 193 nm đến từ laser Argon Fluoride (ArF), EUV được phát ra từ plasma được tạo ra bằng laser. Các electron hấp thụ năng lượng xung laser và khi chúng dừng lại ở mức năng lượng thấp hơn, phát ra năng lượng (~92 eV), tạo thành ánh sáng EUV ~13,5 nm, được phản chiều về phía mặt nạ quang khắc. Sự kết hợp nhiều lớp này là tối ưu cho bước sóng 13,4 nm, đạt độ phản xạ 68,2%. Samsung công bồ bộ xử lý Low Power Plus (LPP) 7 nm dựa trên EUV đầu tiên, Exynos 9825 được sử dụng cho Galaxy Note 10, tiết kiệm 40% diện tích, 50% điện năng và nâng cao hiệu suất thêm 20%.

Kỹ thuật in thạch bản EUV NA cao

ASML có kế hoạch triển khai NA cao cho nút 2 nm vào năm 2023, giúp quá trình in thạch bản hoàn thành chỉ với một lần vượt qua (mẫu mặt nạ đơn) so với nhiều lần vượt qua mà quy trình 0,33 NA EUV yêu cầu. Điều đó cũng yêu cầu giảm hiệu ứng 3D (bóng) của mặt nạ và đối phó với độ tương phản và nhiều do bằn photon. ASML cũng phải vượt qua các trở ngại khác, bao gồm điện trở, mặt nạ, đường khâu, nguồn điện, độ sâu tiêu cự hạn chế ở 0,55 NA, phân cực thấu kính và chỉ phí.

Quang khắc tia X

Các nhà nghiên cứu tin rằng thể hệ quang khắc tiếp theo sẽ sử dụng tia X để thu được các bước sóng trong khoảng năng lượng photon từ (0,7-1,2) nm đến (1-1,8) keV. Không giống như kỹ thuật in thạch bản DUV và EUV, cho phép gương đạt được mức giảm quang học 4:1 giữa kích thước của mặt nạ và tấm bán dẫn, X-Ray yêu cầu tỷ lệ mặt nạ 1:1 đổi với tâm bán dẫn. Kỹ thuật in khắc tia X đòi hỏi mặt nạ chính xác sử dụng hóa chất nano tiên tiến để tạo ra màng có thể chịu được tần số cao như vậy trong một thời gian đáng kể.

KẾT LUẬN

Ngành công nghiệp chip điện tử đóng vai trò quan trọng trong việc định hình tương lai của công nghệ, kinh tế và chính trị. Bài viết thảo luận về những thành tựu, xu hưởng và dự báo mới nhất của ngành bản dẫn. Nó bao gồm các kỹ thuật quang khắc bản dẫn mới nhất, cấu trúc bóng bán dẫn, những lời hứa và thách thức. Ở cấp độ xử lý chất bán dẫn, quang khắc cực tím (EUL) là xu hướng mới nhất để sản xuất các tính năng dưới 7 nm, trong đó bước sóng ngắn EUL giúp loại bỏ nhu cầu tạo nhiều mẫu. Ở cấp độ vật liệu, bài báo đã đưa ra những tiến bộ gần đây nhất nhằm thay thế vật liệu sản xuất chất bán dẫn truyền thống để cải thiện hiệu suất của bóng bán dẫn. Ở cấp độ kiến trúc thiết bị, việc đạt được các tỉnh năng dưới 2 nm đòi hỏi phải có cấu trúc bóng bán dẫn mới, chẳng hạn như FET forksheet và FET bổ sung (CFET). Nghiên cứu cũng tóm tắt các xu hướng phát triển khác ở cấp độ front-end-of-line (FEOL), mid-of-line (MOL) và back-end-of-line (BEOL). Tất cả các kiến trúc, vật liệu và kỹ thuật chế tạo bóng bán dẫn mới đều phải được phát triển để duy trì tốc độ tích hợp bóng bán dẫn của Moor.