máy quang khắc ASML bán ra với giá 150 triệu đôla có một hệ thống bên trong: nguồn sáng EUV - những tia laser bắn những nhịp sáng vào những giọt thiếc nhỏ để tạo ra bước sóng ánh sáng 13.5 nanomet cho những vi xử lý mới nhất
Một lưu ý
bài này chủ yếu tập trung vào cách tiếp cận EUV được công ty Cymer là một công ty con của ASML đưa ra
một công ty laser bán dẫn khác có tên là Gigaphoton là công ty con của Komatsu cũng đang nỗ lực tạo ra ánh sáng EUV đáng tin cậy cho cách tiếp cận riêng
Giới hạn 193 nanomet
thường kỳ thì những kỹ sư xịn nhất của những công ty bán dẫn hàng đầu lại hội họp để thử và quyết định cái họ có thể sử dụng để khắc [etch] thế hệ tiếp theo của chip [máy tính]
các kỹ sư giải quyết những khía cạnh kỹ thuật của các ứng viên [công nghệ], chỉ định những nghiên cứu phát triển cần thiết và sau đó hợp tác - mặc dù là những đối thủ cạnh tranh thường xuyên
từ lâu ngành đã khắc [etch] bằng ánh sáng bước sóng 193 nanomet - thế hệ đã cũ mèm nhưng các kỹ sư đã tìm cách để kéo dài tuổi thọ trong ngành
ví dụ các kỹ sư nhận ra rằng bắn ánh sáng xuyên qua nước siêu tinh khiết lên đĩa wafer sẽ cho phép họ lấy nét và khắc [etch] những chức năng nhỏ hơn - công nghệ này được gọi tên là quang khắc nhúng
sau đó các kỹ sư bắt đầu sử dụng kỹ thuật đa mẫu hình: trước tiên là kỹ thuật gấp đôi mẫu hình - là ta sử dụng những lượt phơi sáng phụ trội để cải thiện mật độ chức năng
nói cách khác là như cho vào máy chạy 2 lần
những cách này đã giúp ngành tiến bộ, nhưng sau rốt họ vẫn cần đi tiếp khỏi 193 nanomet, và ánh sáng EUV sẽ là 13.5 nanomet chiếc phao cứu sinh 150 triệu đôla để đưa ngành đi tiếp
các nhà khoa học và kỹ sư đã nhận ra 2 yêu cầu, đơn giản nhưng cần thiết, cho nguồn sáng EUV thế hệ mới
yêu cầu đầu tiên là nguồn sáng cần có một hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao - là tạo đủ ánh sáng EUV ở bước sóng "chuẩn" 13.5 nanomet
thêm nữa, ánh sáng cần phát xạ theo đúng hướng - chiếu ngược [backward] về phía những đồ quang học thu thập ánh sáng
sau đó, gương - hình dạng gần giống đèn đeo trên trán thợ mỏ [headlamp] - có thể thu thập ánh sáng và gửi nó về phía phần còn lại của hệ thống quang học
và hiển nhiên là máy cần tạo ánh sáng này tương đối hiệu suất, người ta không muốn tiêu tốn quá nhiều điện năng chỉ để ra nguồn sáng
yêu cầu thứ hai là với những mảnh vụn: bắn tia laser vào đồ vật sẽ tạo ra nhiều vụn vỡ - những mảnh nhỏ sẽ tìm đường đậu vào hệ thống quang học và huỷ hoại hiệu năng
để đáp ứng chi phí của những yêu cầu cho quyền sở hữu, một cách phải được tìm ra để giảm thiểu những mảnh vụn này
2 yêu cầu nói dễ vậy những thực ra cực kỳ khó khắc phục
Thất bại của Synchrotron
hành trình laser EUV bắt đầu từ năm 1986 nghiên cứu sinh Hiroo Kinoshita thử nghiệm những bước sóng mới cho ánh sáng, căn bản là tia X-ray để khắc [etch] những bóng bán dẫn lên silic
phòng thí nghiệm Bell sớm theo chân năm 1990 in nửa bước 50 nanomet
những thí nghiệm ban đầu được làm với bức xạ synchrotron - synchrotron là một xếp hạng của bộ tăng tốc hạt nhỏ hình-nhẫn, kế nhiệm cyclotron
synchrotron giữ một chùm hạt liên tục xoay vòng nhiều giờ, phát ra bức xạ - căn bản là họ hàng của máy gia tốc hạt lớn [large hadron collider]
các nhà công nghiệp đã kế hoạch sẽ kết nối một máy synchrotron với nhiều công cụ quang khắc
nhưng các nghiên cứu sinh sớm nhận ra rằng những nguồn sáng này không thực tiễn cho ngành - không phải vì chi phí hay quá đồ sộ mà bởi vì một synchrotron phát ra ánh sáng EUV lên một tầm nhìn quá rộng - không đủ ánh sáng chiếu vào gương thu thập, cho nên không đạt yêu cầu lớn đầu tiên
đồng thời, bảng mục tiêu cũng được đẩy lùi lại: EUV ban đầu là kế hoạch cho bước 100 nanomet, nghĩa là nguồn sáng và độ phân giải in không cần mạnh thế
nhưng sau đó EUV bị gạch lại cho bước 70 nanomet rồi 50 nanomet
sau này EUV còn bị đẩy xa hơn vì nhiều lần chậm trễ
việc này đã gây hiệu ứng domino [cascading] lên toàn bộ thiết kế
hệ thống quang học EUV - làm bởi Carl Zeiss của Đức - cần thay đổi: để tăng độ phân giải in, Zeiss phải thêm những gương vào những hệ thống quang học chiếu hình và rọi sáng
mỗi gương, kể cả được chế tạo hoàn hảo, cũng chỉ có khả năng phản chiếu tối đa 70% ánh sáng EUV đập vào gương - còn lại bị hấp thụ
2 yếu tố cùng nhau khiến cho: để quang khắc EUV hoạt động được ở xưởng, ASML cần một điểm ánh sáng plasma mạnh hơn, đơn-r [single-r] sáng chói hơn, ít nhất 250 watt để cạnh tranh công nghệ laser 193 nanomet đương đại
không phải chỉ vận hành được, ai cũng có thể vơ một đám thiết bị phòng thí nghiệm và đẩy lên trước mặt người dùng, kỹ thuật mới cũng cần cải thiện đáng kể so với kỹ thuật đương đại trên thị trường - nếu không chẳng có lý do gì cho ngành thay đổi
những yêu cầu thương mại của khách hàng đã liên tục đặt ra tiêu chuẩn mới cho những công nghệ này
cho nên, đột phá nữa trong thế hệ ánh sáng EUV đã cần thiết trước khi những tiên phong ngành có thể bắt đầu chuyển đổi nghiêm túc
Nghĩ đến thiếc
các nghiên cứu sinh từ lâu đã thử nghiệm cái gọi là plasma sản xuất bằng laser [LPP / laser produced plasma]
kỹ thuật là ta chiếu một đèn laser vào một đĩa vàng hoặc mục tiêu dây dẫn để tạo nên plasma - plasma được giả định là sẽ phát ra ánh sáng EUV ở bước sóng đúng yêu cầu
cách này có thể hiệu quả, nhưng vấn đề mọi người nghĩ sẽ là "thứ không bao giờ chấp nhận được" [dealbreaker] là vụn vỡ - những mảnh và miếng của mục tiêu sẽ tung bay và vấy bẩn hệ thống quang học, làm thoái hoá hiệu năng
các nghiên cứu sinh đã thử nhiều mục tiêu khác nhau, rút về 3: lithi, thiếc và Xenon
ban đầu, mục tiêu hứa hẹn nhất có vẻ là khí hiếm Xenon: cả dạng khí hoặc dạng băng - và những đèn laser YAG [yttrium aluminum garnet / ytri nhôm thạch lựu] được cấp điện từ một tinh thể
những thí nghiệm ban đầu: các nghiên cứu sinh bắn 1 kilowatt laser YAG vào một vòi phun khí Xenon với tốc độ 1 vạn nhịp mỗi giây
các nhà khoa học ở phòng thí nghiệm Sandia sau rốt đã có thể hạn chế những hạt dị vật Xenon thể băng [rắn / ice] khỏi đồ quang học, nhờ sử dụng một vòi phun khí
nhưng plasma Xenon băng cũng phát ra những ion năng lượng cao sẽ huỷ hoại đồ quang học - không ai biết cách xử lý
lựa chọn khả thi thứ 2 là thiếc - plasma thiếc chắc chắn phát ra nhiều ánh sáng EUV ở bước sóng cần thiết - nhưng mức độ hiệu quả chuyển đổi mà ta có từ bắn laser vào một đĩa thiếc thì tệ hại
thêm nữa, sử dụng thiếc làm một nguồn sáng EUV thì nổi tiếng là tạo ra nhiều vụn thiếc - như đề cập thì một lớp thiếc chỉ dày 1.2 nanomet sẽ gây ra 20% sụt giảm hiệu quả của linh kiện thu thập ánh sáng [collector] và giảm 10% tổng xuất lượng của công cụ
thiếc gây thất vọng, nhưng dù sao người ta vẫn tiếp tục thí nghiệm
nhiều công ty trong ngành bắt đầu vọc vạch bắn laser vào những giọt thiếc, thay vì một đĩa thiếc, đã mang lại hiệu quả
năm 2002 tất cả những chuyên gia tiên phong đã họp ở Dallas để nói chuyện, tranh cãi tương lai của lựa chọn laser Xenon và nhận ra rằng Xenon không hứa hẹn kỹ thuật lắm
phương pháp Xenon gặp một cản trở căn bản: độ hiệu quả chuyển đối quá thấp - dưới 1% - không thể tạo ra hơn nhiều chục watt ánh sáng EUV
phương pháp thiếc sẽ tạo một ác mộng vụn vỡ trong lộ trình phát triển: hi vọng với thiết kế đủ khéo léo thì trở ngại có thể vượt qua - không có vấn đề vật lý căn bản nào phía trước
cho nên ngành đã quay xe và hướng đến plasma thiếc
Tạo ra một plasma
vật liệu mục tiêu ban đầu đã là một đĩa thiếc
tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi của đĩa thì thấp
lý do vì mức độ thấp của cái được gọi tên là hiệu quả phổ [spectral efficiency] - tỷ lệ ánh sáng 13.5 nanomet so với năng lượng đặt vào
với đĩa thiếc, hiệu quả phổ chỉ 1% và plasma làm từ thiếc hình dạng đĩa sẽ có một độ mờ [opacity] quá cao, chặn ánh sáng có bước sóng 13.5 nanomet khỏi tiếp cận gương
cho nên một hình dạng mới được đề xuất để tăng hiệu quả phổ: đĩa lõm thay vì đĩa phẳng
bắn một tia laser lên đĩa thiếc lõm sẽ tạo ra ánh sáng 13.5 nanomet với cường độ cao hơn nhiều - hiệu quả phổ và hiệu suất chuyển đổi của nguồn sáng sẽ cải thiện lên một mức chấp nhận được
ở một vấn đề hoàn toàn khác, lấy một đĩa thiếc hoặc kể một dây thiếc làm mục tiêu sẽ tạo ra quá nhiều vụn vỡ hoặc những ion nhanh
để tránh vấn đề này, ta muốn mục tiêu càng nhỏ càng tốt - cho nên những giọt [droplet] mà các công ty đã bắt đầu làm thí nghiệm
các kỹ sư coi đây là thử thách kép: càng nhỏ càng tốt, hình dạng lõm
Giaỉ pháp laser đôi
các kỹ sư đã đưa ra giải pháp là 2 phát bắn từ 2 laser: bắn trúng mỗi mục tiêu không chỉ 1 lần mà 2 lần, 100 000 lần mỗi giây
phát bắn đầu tiên sẽ tới từ một xung laser năng lượng thấp - gọi là một "prepulse" [xung sớm]
bắn vào giọt thiếc bằng prepulse này sẽ tạo những sóng áp lực mạnh sẽ làm thay đổi hình thù của giọt thiếc từ một hình cầu trở thành một lá mỏng lõm [concave sheet]
prepulse cần bắn trúng giọt ấy ở vị trí chính xác ở giữa, nếu không lá lõm sẽ nghiêng nhầm hướng và làm hỏng phát bắn thứ 2, và ngoài ra lá lõm có thể phản chiếu phát bắn thứ 2 ngược trở lại máy laser và làm hỏng máy
nếu làm chuẩn, phát bắn prepulse có thể sắp đặt đúng mực và liên tục cho mặt bàn [lá thiếc mỏng] sẵn sàng cho phát bắn sau
phát bắn thứ 2 là xung chính [main pulse] được tạo ra bởi một laser cacbon đi-xit đã được khuếch đại, hoạt động ở bước sóng 10 micromet
phát bắn này mạnh hơn và sẽ tái dựng lại giọt thiếc về hình thù một hạt sồi và bốc hơi giọt thiếc ấy, tạo ra plasma đặc từ chất lỏng mục tiêu
plasma này là cái phát ra ánh sáng 13.5 nanomet ta cần - nóng và đặc hơn plasma ta tạo ra bởi sét, nhưng vẫn thua kém plasma tạo ra bên trong lõi của mặt trời
laser xung sớm là phần quan trọng - những hệ thống được cài đặt ở nhà máy của khách hàng như mới đây là năm 2010 đã gặp khó vượt hơn được 10 watt năng lượng ánh sáng EUV
năm 2016 xung sớm [prepulse] được bổ sung cùng với những đèn laser CO2 mạnh hơn nhiều đã cho phép ASML và Cymer tăng mạnh quy mô của những mức năng lượng nguồn sáng EUV từ 10 lên hơn 200 watt
các nhóm khắp thế giới đã nghiên cứu và mô hình hoá vật lý và động lực học của giọt thiếc khi nó bị bắn bởi 2 laser
đấy là nhiều bài viết và công trình nghiên cứu động lực học dãn nở, xâm thực [hiện tượng xuất hiện các bọt khí trong chất lỏng] và phân mảnh của một giọt thiếc đơn lẻ - vẫn còn nhiều cái cần biết
Cách thức hoạt động
vật lý mà nói, cỗ máy khá đơn giản và chỉ có ít cấu kiện chính: laser CO2 năng lượng cao - bao gồm một máy tạo dao động chủ [master oscillator] và một máy khuếch đại năng lượng [power amplifier] - 2 máy kết hợp được gọi là MOPA
hệ thống vận chuyển chùm [beam transport system] xử lý tiêu điểm của laser và vị trí chùm [beam positioning]
rồi bình chân không, bên trong là khí hydro áp suất thấp, là buồng chứa máy tạo giọt [droplet generator], môđun đo lường để giám sát diễn biến bên trong hệ thống, và gương thu thập EUV thu thập ánh sáng và gửi nó đi đúng hướng
có một lỗ ở giữa gương có hình thù elipxoit này cho laser bắn xuyên qua
laser CO2 cần đạt một mức năng lượng hơn 20 kilowatt, cần nhiều khuếch đại
vì máy rất lớn và đồ sộ, thông thường phải cài đặt bên dưới tầng sàn phòng sạch của xưởng fab
máy tạo giọt sẽ bắt những giọt thiếc vào bình với tốc độ 5 vạn nhịp mỗi giây - tên là giọt [droplet] nhưng không là giọt rơi xuống mà bắn xuyên qua bình với tốc độ 80 mét / giây tương đương 288km/giờ hay 178 dặm/giờ
lý do vì ta muốn có một khoảng tách biệt lớn giữa mỗi giọt rộng-30-micromet: chỉ 1.6 milimet - để đảm bảo cho plasma thiếc sản sinh từ mỗi giọt sẽ khỏi chạm lẫn nhau
theo đúng nghĩa đen là phải dùng một đèn laser bắn trúng 5 vạn viên đạn một giây, mỗi viên 2 lần
hiệu suất chuyển đổi kết quả từ thiết kế này là 6% cải thiện lớn so với những laser YAG ban đầu
cuối cùng thì thiết kế đã cho phép những máy EUV của ASML đạt mức năng lượng 250 watt ổn định cần thiết để đạt mức hoạt động 125 wafer mỗi giờ mà khách hàng mong muốn
thậm chí, đã có lộ trình hướng đến 450 watt trong tương lai
khi các nghiên cứu sinh và nhà công nghiệp làm theo hướng thiếc, họ đã nhận ra rằng cần tìm cách nào đó để linh kiện quang học thu thập ánh sáng phải trụ được hơn 100 tỷ nhịp xung tương đương 3 vạn giờ tuổi đời hoạt động
gương thu thập ánh sáng nhiều lớp sẽ không chịu đe doạ bởi chỉ những hạt [particle] vụn thiếc mà còn những ion năng lượng cao và hạt trung tính từ plasma
sau rốt Zeiss và ASML đã quyết định bơm khí hydro vào bình chân không để làm một khí đệm [buffer gas]
khí hydro cũng làm mát plasma, chặn một phần những ion thiếc, và những lớp khắc [etch] khỏi bề mặt những gương
bài viết về quang học EUV của Carl Zeiss cũng nói qua về cái này
Kết
Nikola Tesla từng nói về "bạn thù" Thomas Edison: "Edison cho đến nay là thành công nhất và, có lẽ, người cuối cùng thực hiện phương pháp điều tra thuần tuý bằng thực nghiệm... mọi thứ ông ấy đạt được là kết quả của đeo đuổi thử nghiệm, và những thí nghiệm thường được thực hiện ngẫu nhiên [nhưng với] quyết tâm và nguồn lực lớn"
"phương pháp của ông ấy thì thiếu hiệu quả đến cùng cực, phải thử rất rộng thì mới có thể tìm thấy bất cứ cái gì trừ khi cực kỳ may mắn xảy ra... một ít lý thuyết và tính toán đã có thể tiết kiệm cho ông ấy 90% công sức"
phát biểu đã miêu tả khác biệt giữa tạo ra những đèn laser Argon Flor cho 193 nanomet và đèn laser EUV
với laser argon flor thì những công nghệ cơ bản cần thiết đã được phát triển rồi: ngành bán dẫn chỉ đơn thuần "cày" [grind] qua nhiều phiên bản theo phong cách "thử nghiệm và sai lầm" [trial and error] để tìm ra cách khả thi
với EUV thì cách cày "thử nghiệm và sai lầm" ấy không thể làm được: ta đã ở trên lãnh thổ xanh cỏ [green grass territory] - chỉ có kiến thức sâu sắc về vật lý và động lực học căn bản mới có thể giúp hé lộ cách tốt nhất để xử lý những vấn đề hiệu suất năng lượng và giảm nhẹ vụn vỡ, trong khi đạt được nhu cầu thương mại trong ngành
theo đúng nghĩa đen, đầu tiên họ đã tính toán chính xác độ mờ, nhiệt độ, kích cỡ giọt, mật độ ion, thời gian phát xạ [emission duration]... trước nhiều năm - sau đó họ mới xây dựng một cỗ máy để đạt được trong thực tế - thành tích hạ cánh xuống mặt trăng thời hiện đại
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét