mặt nạ có chứa một hình ảnh mẫu [master image] có một thiết kế chip hoặc phần của một thiết kế chip
là một phần căn bản của câu đố quang khắc, mặt nạ quang có một lịch sử kỳ thú ngay từ đầu
Quang khắc
2 phần còn lại của tiến trình là công cụ phơi sáng và chất cản quang
trong tiến trình quang khắc, công cụ phơi sáng gửi đi ánh sáng công suất cao xuyên qua mặt nạ xuống đĩa wafer
bề mặt đĩa được bọc phủ bởi một chất liệu nhạy sáng [cảm quang] là chất cản quang phản ứng với ánh sáng để sơ đồ chip được in lên đĩa wafer
sau đó sơ đồ có thể được khắc [etch] kỹ, sử dụng thêm những công đoạn nữa
Rubylith
thập niên 1960 người ta dùng một phương pháp gọi tên là in tiếp xúc [contact print] để làm mạch tích hợp
phương pháp rất thô sơ và đơn giản ấy làm ra chip có kích cỡ chức năng 200 micromet
làm ra một mặt nạ ảnh, bấy giờ, giống nghệ thuật mẫu giáo và mang tính thủ công hơn là khoa học
đầu tiên ta có một thiết kế mạch vẽ tay trên giấy vẽ đồ thị để phóng to độ chính xác của thiết kế, hình vẽ to hơn kích thước thực gấp 50, 200 hoặc 500 lần
sau đó ta cắt thiết kế đó lên một loại đặc biệt tấm phim nhiếp ảnh 2 lớp, gọi là rubylith
rubylith có 2 lớp: một lớp phim đỏ chặn ánh sáng được phủ [laminate] lên một lớp thứ hai bằng polyme, thường là mylar [biaxially-oriented polyethylene terephthalate / BoPET]
ta dùng dao để cạo đi lớp phim đỏ mềm hơn của rubylith, để lại lớp polyme
công việc đòi hỏi khéo léo, và những thiết kế thường rất lớn nên người cắt phải coi chừng móng tay của mình khi trèo lên bàn - cần phải đi tất mới
thiết kế rubylith hoàn thiện thường được coi là một tác phẩm nghệ thuật
mới đầu, rubylith được phát triển bởi công ty Yolano cho in màn hình và nghệ thuật đồ hoạ: toàn bộ phương pháp này là từ ngành in - ngành bán dẫn đã lấy về cho mục đích riêng
nên có thể nói là 2 ngành cũng chia sẻ tổ tiên công nghệ: giữa chip M2 mới nhất của Apple và áo in hình phổ thông
bước tiếp theo là thu nhỏ tác phẩm nghệ thuật xuống 500 lần
đây là một bước trung gian sử dụng những camera đặc biệt: mẫu được chiếu qua màn chắn bằng một đèn thuỷ ngân lên một đĩa kính nhiếp ảnh
kết qủa là một vạch ly giác [reticle] 10x chứa một mảnh nhỏ của mặt nạ thành quả - đây gọi là âm bản trung gian [tiếng Đức là Zwischen-negativ]
lúc này, vạch ly giác vẫn lớn gấp 10 lần kích cỡ của kích cỡ mong muốn, ta cần sắp xếp nhiều vạch ly giác theo một mẫu lặp lại lên trên một mặt nạ mẫu [master mask] dùng một lần
năm 1961 công ty David Mann ra mắt một công cụ gọi tên là một máy lặp ảnh
sản phẩm làm 2 việc: đầu tiên là thu nhỏ vạch ly giác xuống kích cỡ thành phẩm
thứ 2 là in thiết kế của vạch ly giác lên trên một tấm nền kính, từ từ từng bước một
camera "dập bước và lặp lại" này chính là công nghệ tiền nhiệm của những máy quét [stepper] wafer
Từ mặt nạ đến mặt nạ
sau đó, mặt nạ mẫu được sử dụng để tạo ra nhiều mặt nạ để in được sử dụng cho công đoạn in tiếp xúc thực tế
gọi là in tiếp xúc vì mặt nạ quang được trực tiếp tiếp xúc với wafer bọc lớp cản quang
ta ấn một mặt nạ xuống tấm wafer trong chân không để áp chặt vào nhau và tránh những lỗi bằng phẳng [flatness error]
bấy giờ chưa có công cụ đo lường, người ta tìm lỗi bằng một công cụ đo lường bằng thép [steel measuring tool] và kính lúp 10x là thiết bị của thợ kim hoàn
Cải thiện
phương pháp thủ công thì không tăng quy mô được, chỉ hiệu quả nếu ta đang cố chứng minh ý tưởng [proof of concept] nhưng sản xuất quy mô lớn thì cần thứ gì đó tinh vi hơn
ngành nhận ra rằng cần công nghệ mới để cải thiện xuất lượng và độ chuẩn xác
một trong những cải tiến đầu tiên là một công cụ: một bộ "coordinator graph" mượn của thợ vẽ bản đồ, nhìn giống như một cái bàn nhẹ [light table] để một cách cơ học đặt những điểm dừng trên các trục x và y để giúp cố định bàn tay trên cả hướng và chiều dài của rubylith
sau đó là máy tạo tác [artwork generator] hay còn gọi là máy tạo mẫu [pattern generator] như máy Mann 3600 của công ty David Mann
thập niên 1970 các nhà thiết kế chip có thể vẽ thiết kế bằng phần mềm CAD và sử dụng một camera chiếu để in ra một vạch ly giác [reticle] ở kích cỡ 10x
Độ bền mặt nạ
với phương pháp in tiếp xúc, tiếp xúc liên tục giữa những mặt nạ in và tấm wafer đã khiến chúng nhanh chóng bị mòn [wear out]
nghĩa là ta sẽ phải thay thế mặt nạ nhiều lần nhưng ta phải cũng phải liên tục để ý những khuyết tật in có thể huỷ hoại tấm wafer và ảnh hưởng đến tỷ lệ đạt [hiệu suất / yield]
chip to hơn và việc cắt giảm lỗi trở nên quan trọng hơn, đến mức ta chỉ có thể sử dụng một mặt nạ để đặt tiếp xúc lên 10 đĩa wafer - không được tiết kiệm lắm
để kéo dài tuổi thọ hoạt động của mặt nạ, ngành phải đổi sang những vật liệu kim loại cứng bền hơn như sắt và crom: hiệu quả mang lại hạn chế
cho nên người ta đã hoàn toàn loại bỏ "biến số" tiếp xúc [mặt nạ không tiếp xúc đĩa wafer nữa] - năm 1973 tập đoàn Perkin Elmer đã làm thế khi ra mắt máy Microline là máy gióng thẳng hình chiếu [projection aligner] đầu tiên
trong bài "Nhật Bản năm 1976 dự án VLSI thắng thị trường quang khắc Mỹ" đã nói rằng ngành đã cải thiện được hiệu suất từ 10% lên thành 70% nhờ máy Microline, nhưng chưa giải thích lý do tại sao
đây là lý do
sử dụng một hệ thống các gương và thấu kính để làm sao cho mặt nạ và tấm wafer không tiếp xúc nhau
nhờ thế mặt nạ kính thạch anh giữ được tinh khôi sau nhiều lần phơi sáng
máy Microline có thể chiếu một thiết kế có kích cỡ chức năng 2 micromet lên một đĩa wafer 4 inch với tốc độ 40 wafer một giờ
nhưng khiếm khuyết chết người là máy Microline chiếu một hình ảnh từ một mặt nạ lên toàn bộ đĩa wafer
một khi kích cỡ chức năng [feature size / node capability] thu nhỏ còn 1 micromet, các nhà sản xuất bán dẫn cần thêm chi tiết và toạ độ, và giải pháp máy gióng thẳng hình chiếu không đáp ứng được nữa
GCA, Nikon và Canon đã phát triển, dựa trên những ý tưởng những camera quét và lặp lại [step và repeat] nêu trên để tạo ra máy quét wafer
những máy quét sẽ chiếu những luồng sáng nhỏ lên toàn bộ đĩa wafer, đổi lấy tốc độ và xuất lượng để có độ chính xác - ngày nay những máy quang khắc DUV và EUV vẫn xài cách này
Thẩm tra
cuối thập niên 1970 xuất hiện nhiều công cụ mới được phát triển để bảo vệ, thẩm tra và sửa chữa mặt nạ trong bước phơi sáng wafer
ví dụ tập đoàn KLA ra mắt sản phẩm KLA-100 là một công cụ thẩm tra khuyết tật
và vì mặt nạ đã nhìn xuyên thấu được vì ánh sáng xuyên qua được, ta có thêm nỗi lo phải giữ những hạt lượng tử khỏi nó [mặt nạ], cho nên ngành đã ra mắt những màng xuyên thấu mỏng, gọi tên là pellicle [màng da mỏng]
ta kéo dãn một pellicle lên một khuôn kim loại để nó ngăn những hạt lượng tử lầm lạc khỏi tiếp cận mặt nạ
ngày nay các pellicle là rất cần thiết trong công đoạn quang khắc, không dùng thì có mà điên
Chùm điện tử và đèn laser
thập niên 1970 những thiết kế bán dẫn đã bắt đầu phức tạp đến mức những máy tạo tác cũ không in hết được ra nữa
một mẫu 64k DRAM đã có hơn 10 vạn linh kiện: chiếu hết lên trên một vạch ly giác [reticle] có thể mất đến 1-2 ngày
phương pháp kế tục hiển nhiên nhất là chùm điện tử: căn bản là những bộ gia tốc hạt, bắn đi những chùm điện tử electron vào mục tiêu
thưở đầu được phát triển làm một phương pháp vi quang khắc để tăng độ phân giải, ngành đã nhận ra rằng công nghệ chùm điện tử sẽ thích hợp cho chế tạo mặt nạ ngay ở quy mô 1x
năm 1974 phòng thí nghiệm Bell đã phát triển MEBES [manufacturing electron beam exposure system] bắn một chùm điện tử [electron] quét khắp bàn, giống như màn hình CRT
bàn sẽ di chuyển với tốc độ 0.256 micromet theo hướng x và y
khi một mẫu cần được in lên trên vạch ly giác, chùm được cho xuyên qua, nếu không xuyên thì nó sẽ bị để trống [blank off]
MEBES đã là lựa chọn hàng đầu trong một thập kỷ trước khi ATEQ ra mắt hệ thống chùm laser ion argon
đén laser giá thành rẻ hơn chùm điện tử electron nhưng lại chính xác hơn: 0.05 micromet và ổn định
Sát nhập
thập niên 1970 liên tục tăng trưởng và cải tiến ngành làm mặt nạ: nhiều công nghệ ra mắt được sử dụng đến ngày nay
thập niên 1980 thì bùng nổ kỷ Cambri này đã kết thúc: những kỹ thuật in chùm điện tử và laser mới thì cần đầu tư lớn nhưng cũng giúp làm ra những mặt nạ được in những chức năng sắc nét hơn, vượt quá cả nhu cầu của ngành bấy giờ
chế tạo mặt nạ được phổ thông hoá: một số công ty như Micron đã coi nó là một ngạch để khác biệt hoá [tạo lợi thế cạnh tranh] đã đem công đoạn vào tự làm nội bộ
bấy giờ, ngành bán dẫn lần đầu tiên nếm trải suy thoái kinh tế vĩ mô, ngành làm mặt nạ bên thứ ba đã sát nhập: hàng tá công ty đã thoái khỏi mảng kinh doanh
các công ty đã tập trung không phải vào độ phân giải nhỏ nhất có thể, mà vào tăng tốc xuất lượng, nâng hiệu suất [yield] hoặc hạ giá thành
dài hạn thì làm thế đã giúp tăng khả năng cạnh tranh của các công ty nhưng ngắn hạn thì khó
thời kỳ khó khăn của ngành làm mặt nạ đã tiếp diễn đến thập niên 1990 khi phần còn lại của ngành bán dẫn mới đuổi kịp: kích cỡ chức năng thu nhỏ dưới 1 micromet
thành lập năm 1900 Toppan mới đầu làm những "bone" in dấu nhãn xác thực cho gói thuốc lá và tiền giấy, sau đó kinh doanh thêm vật liệu đóng gói, trang trí và sau rốt những máy điện tử chính xác cao
Toppan tận dụng kinh nghiệm làm những máy lọc cho ngành tinh luyện đường kính - làm những lỗ nhỏ cỡ micromet - để làm những mặt nạ ảnh
năm 2004 Toppan hoàn thành thương vụ sát nhập với công ty làm mặt nạ DuPont Photomasks trụ sở Texas - thương vụ có lẽ sẽ bị chặn nếu diễn ra hôm nay
năm 2022 Toppan tách mảng kinh doanh mặt nạ quang ra thành một tổ chức độc lập ở Nhật Bản: Toppan Photomask
những công ty bên thứ ba khác trong ngành có Compugraphics, tập đoàn Advanced Reproductions và Photronics
Mặt nạ EUV
EUV thu nhỏ bước sóng đèn laser còn 13.5 nanomet - một động thái cần tái thiết kế [re-engineer] cả thập kỷ những kỹ thuật quang khắc trước đó
trước EUV, mặt nạ và vạch ly giác là nhìn xuyên thấu [transmissive] nghĩa là trong suốt [transparent] nhưng EUV thì bước sóng ánh sáng ngắn đến nỗi kể cả kính thạch anh trong suốt thông thường cũng hấp thụ ánh sáng
cho nên các kỹ sư EUV đã đổi sang gương
Chế tạo mặt nạ EUV
để chế tạo một mặt nạ EUV, đầu tiên ta phải tạo ra một mảnh mặt nạ trống [mask blank] về căn bản là một gương EUV để trống thuần khiết mà không có dữ liệu thiết kế chip nào trên ấy
dựa theo tiêu chuẩn SEMI P37-0613 thì khoảng 6.35 milimet tương đương dày 1 phần 4 inch và rộng 142x142 milimet
phủ lên trên cùng là lớp gương: một bộ phản chiếu "brag" nhiều lớp có 40-50 cặp lớp xen kẽ giữa molybden và silic
lớp gương nằm bên trên của cái phải là một chất nền rất bền nhiệt
theo những tiêu chuẩn SEMI thì chất nền chỉ có thể co dãn 6-10 phần một tỷ cho mỗi độ Kevin biến nhiệt, nếu không sẽ bị lỗi in
ấy là giả thiết rằng tấm nền UV hiện tại hoặc là kính cực kỳ ít dãn nở hoặc là ULE của công ty Corning được sử dụng cho kính viễn vọng không gian Hubble hoặc Zerodur của công ty kính Schott AG ở Đức được sử dụng cho kính viễn vọng Keck II
sau đó, một lớp [layer] bọc [capping] bảo vệ [protective] làm từ rutheni dày 2.5 nanomet sẽ được áp vào - bảo vệ lớp gương khỏi hư hại trong những công đoạn làm mặt nạ sau đó
ở đáy dưới cùng của vạch ly giác, bên dưới tấm nền, ta có một lớp crom nitrat - không rõ là hóa trị mấy - dày 70-100 nanonmet, để kẹp chắc vạch ly giác trong bước phơi sáng wafer
người ta gọi lớp để kẹp giữ này là "electrostatic chuck"
sau rốt, để biến mảnh trống ấy thành cái gì đó hữu dụng, ta phải "in bản mẫu" [pattern] nó bằng cách sử dụng một lớp "bộ hấp thụ" [absorber] làm từ Tantal ở trên cùng của lớp bọc - căn bản thì vai trò tương tự như "in bản mẫu" trong những mặt nạ kính thạch anh DUV
Không khuyết tật
ASML yêu cầu Carl Zeiss là mảnh trống mặt nạ chỉ được có 0.003 khuyết tật mỗi cm vuông - trong khi vạch ly giác rộng 142x142 milimet
không khuyết tật là một trong những thử thách chính của quang khắc EUV - cần bảo vệ vạch ly giác khỏi những hạt dị vật [particle], có thể phát hiện được những khuyết tật vạch ly giác và cuối cùng là có thể sửa chữa được những khuyết tật ấy nếu tìm ra - cần những công cụ
đây là vấn đề rất quan trọng - không thể thương mại hóa công việc "làm" một mặt nạ EUV nếu ta không có kèm hệ sinh thái những công cụ đo lường và sửa chữa
giữa các tiêu chuẩn P37-1101 và P38-1102 có hơn 30 cấu hình mà gương EUV phải đáp ứng - những công cụ liên quan để đo lường bao gồm: giãn nở kế, giao thoa kế đo độ phẳng, một kính hiển vi điện tử truyền qua và một phản xạ kế EUV
một vấn đề lớn là nhiều công cụ hiện tại thì không đủ nhạy để phát hiện khi có sai sót xảy ra - đặc điểm cực hạn của công nghệ đã góp phần gây khó cho việc thẩm nghiệm
ví dụ cố gắng kiểm tra những cấu trúc của lớp gương xem có khuyết tật không là việc cực khó vì... nó phản xạ rất nhạy
những công cụ dựa trên UV chỉ có thể xâm nhập 2-13 lớp gương trong số 40 lớp - cho nên nếu kỹ thuật viên tìm ra một cục u bướu trên bề mặt của lớp gương, họ không thể thực sự tìm ra nơi khuyết tật nguyên nhân gây ra nằm ở đâu bên dưới những lớp [gương] ấy
Kết
trong suốt nửa thế kỷ, ngành bán dẫn đã đi từ những nghệ thuật cắt tay và thủ công [craft] trong rubylith sang những gương EUV làm từ những vật liệu như tantal
cấu trúc mà nói, ngành làm mặt nạ cũng đã thay đổi nhiều với những thương vụ sát nhập thành một số ít những tay chơi rất tiên tiến kỹ thuật - phản ảnh chung của toàn bộ ngành bán dẫn
quang khắc sẽ đi về đâu, không ai biết, nhưng chắc chắn mặt nạ ảnh và những vạch ly giác sẽ đi cùng
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét