quang khắc thạch bản 157nm chết yểu

từ lâu, động lực kinh tế chính cho ngành bán dẫn là luật Moore - một thước đo nội bộ cho thấy gấp đôi số thiết bị trên một vi mạch tích hợp mỗi 18 tháng
nhìn chung, 3 động lực cho tiến bộ ấy là: thiết kế bán dẫn, tăng kích thước tấm wafer và quang khắc thạch bản
tiến bộ trong kỹ thuật quang khắc là động lực thực sự thúc đẩy sản xuất ra chip nhanh hơn
nhưng đến với thiên niên kỷ mới, dần lộ diện rằng tiến trình cải tiến quang khắc đã bị chậm lại còn nửa
chỉ còn đủ sức cho một tiến bộ cuối cùng

Quang khắc thất bại
trong 2 thập kỷ từ năm 1980, các công cụ quang khắc bán dẫn đã hưởng lợi từ sử dụng bước sóng ngắn hơn hoặc ít nhất ngang bằng kích cỡ chức năng tối thiểu của node [bước] tiến trình
ví dụ năm 1980 ngành sử dụng đèn hồ quang thuỷ ngân g-line có bước sóng 435 nanomet - bấy giờ bước tiến trình tiên tiến nhất là 1.5 micromet tương ứng với nửa nốt cao độ 1500 nanomet - giống như vẽ những đường nét dày bằng ngòi bút chì nhọn, dễ hơn
nửa cuối thập niên 1980 ngành chuyển tiếp sang l-line 365 nanomet khi bước tiến trình tiên tiến là 800 nanomet
tốc độ của luật Moore bắt đầu hà hơi sau gáy ngành bán dẫn
cuối thập niên 1990 ngành chuyển từ sử dụng đèn sang bộ chiếu tia laser cực tím [excimer laser]
năm 1999 ngành bắt đầu sử dụng laser krypton florua 248 nanomet cho tiến trình 180 nanomet
ngành có kế hoạch ra mắt quang khắc argon florua 193 nanomet năm 2001
nhưng lúc ấy thì luật Moore đã quá thăng hoa, từ năm 1987 đến 1999 tiến trình mới của ngành đã tiến bộ từ 800 nanomet xuống còn 180 nanomet
đầu thập niên 1980 kích cỡ chức năng tối thiểu trên vi mạch tích hợp [chip] về căn bản đã thu nhỏ 100 lần
năm 1999 thì kích cỡ tối thiểu của tiến trình mới đã nhỏ hơn bước sóng quang khắc tiên tiến nhất

Thế hệ mới
lúc đó là khi ngành bán dẫn đã hoàn thiện nốt công nghệ laser argon florua 193 nanomet và kế hoạch ra mắt năm 2001
với luật Moore thì bộ laser 193 nanomet sẽ không thích hợp cho tiến trình xử lý từ 100 đến 70 nanomet sẽ ra mắt năm 2003, chỉ 2 năm sau khi laser mới được dùng cho ngành
không sao vì ngành cũng sẽ tiến bộ, nhỉ?
lúc ấy thì ngành cũng đồng ý rằng quang khắc siêu cực tím EUV là tương lai dài hạn
các xưởng fab muốn thiết bị EUV sẵn sàng trong phòng sạch cho bước tiến trình 100 nanomet - đúng kế hoạch để thay thế laser 193 nanomet
nhưng EUV chưa sẵn sàng - một công nghệ hoàn toàn mới phải sử dụng các gương thay vì thấu kính
nguồn sáng EUV rất thiếu sức mạnh và gương thì chưa đủ phẳng và gặp những vấn đề khuyết điểm nghiêm trọng
chuyên gia tiên đoán rằng EUV sẽ không sẵn sàng ít nhất trước năm 2010 - thực tiễn còn lâu hơn thế
vậy xưởng fab sử dụng gì khi chuyển tiếp giữa 193 nanomet và EUV - ấy là khi xuất hiện ý tưởng 157 nanomet

Giới thiệu 157 nanomet
157 nanomet ý định là cầu nối giữa 193nm và EUV - đặc biệt cho bước tiến trình 100 đến 70 nanomet đáng lẽ cần EUV
khác biệt giữa 193 và 157nm chỉ là 36 nanomet tương ứng 20% cắt giảm nhưng đã là giảm hơn nhiều so với khi giảm từ 436 xuống còn 365 nanomet
và quang khắc 157 nanomet cũng sử dụng laser cực tím florua, giả thiết sẽ giống các tiến trình quang khắc 248nm và 193nm và do đó giả thiết rằng việc chuyển đổi sẽ mượt mà dễ dàng vì không thay đổi nhiều
luật Moore cũng thúc đít nhiều người muốn nhanh chóng đưa công nghệ mới này vào các phòng sạch
công cụ 157 nanomet sẽ được vào phòng sạch năm 2003 vừa kịp giờ cho bước tiến trình 100 nanomet

Quang khắc thạch bản
công nghệ đã đưa ngành bán dẫn đi suốt 30 năm
khắc thạch bản là một công đoạn liên quan đến 3 hệ thống: công cụ phơi sáng, mặt nạ và chất cản quang
đầu tiên, ta bọc một đĩa wafer trong một chất cảm quang gọi là một chất cản màu hay cản quang
sau đó, ta lấy một hình ảnh chủ được in trên cái gọi là một mặt nạ và gửi ánh sáng năng lượng cao qua mặt nạ đó chiếu lên đĩa wafer
công cụ cho việc ấy được gọi là công cụ phơi sáng - và bên trong máy công cụ ấy là bộ chiếu laser cực tím, hệ thống với rất nhiều thấu kính...
chất cản quang phản ứng lại ánh sáng cho nên thiết kế chip được in lên wafer
sau đó, thiết kế có thể được sử dụng làm một khuôn tô để các công đoạn khắc axit bổ sung

quang khắc thì khác với thế hệ sau, có 3 thành phần khác biệt:
đầu tiên là dùng photon
thứ 2 thì mặt nạ là mặt nạ quang truyền qua được - nghĩa là trong suốt
thứ 3 là sử dụng quang học hình chiếu để thu nhỏ một hình ảnh - thiết kế trên mặt nạ thường lớn gấp 4 đến 5 lần cái mà ta muốn in lên chip - lợi ích là mặt nạ dễ làm hơn
Phát triển 157nm: bộ chiếu laser
năm 1997 ra mắt một phiên bản động cơ bước kích thước micromet ở phòng thí nghiệm Lincoln trường đại học MIT
máy nhỏ hơn nhiều so với hệ thống thương mại nhưng có thể tạo hình những đường nét rộng 80 nanomet, đủ hiệu năng cho bước tiến trình 100 nanomet
phần quan trọng của một máy quang khắc là công cụ phơi sáng, mặt nạ và chất cản quang - đều cần tái thiết kế lại cho 157 nanomet
với công cụ phơi sáng, bao gồm một đèn laser và hệ thống quang học
vì không khí thông thường dễ dàng hấp thụ ánh sáng có bước sóng 157 nanomet, toàn bộ đường đi tia sáng phải được thanh tẩy khỏi không khí và thay thế bằng khí nitơ trơ - việc làm tốn kém cho cả hệ thống
với đèn laser, chuyên gia ngành lúc đầu lo rằng liệu bộ chiếu laser cực tím khí florua 157.63 nanomet có đủ công suất như 248 và 193 nanomet hay không
may mắn, những nhà bán laser nhanh chóng bắt kịp và sản xuất được laser 10 hay thậm chí đến 20 watt

Hệ thống quang học
một vấn đề lớn với laser là chiều rộng của đường nét vẽ quá lớn
thông thường đây không phải trở ngại vì có thể chỉnh sửa hệ thống quang học với vật liệu kính khác đi và tận dụng cách hệ thống phân tán ánh sáng, giống như một cặp kính cận thị
nhưng ánh sáng 157 nanomet quá dễ bị hấp thụ cho nên nhà thiết kế hệ thống quang học Carl Zeiss chỉ có một lựa chọn cho toàn bộ hệ thống là tinh thể canxi florua
những công ty chuyên kính như Corning và Schott bắt đầu nghiên cứu sản xuất ra đủ số tinh thể này với độ tinh khiết rất cao, gây nhiều khó khăn
chưa hết, tinh thể phải được nuôi tạo theo cách nào đó để giảm thiểu cái gọi tên là lưỡng chiết quang gây ra bởi áp lực
lưỡng chiết quang là hiện tượng khi ánh sáng bị tách thành 2 khi nó thâm nhập một tinh thể, hiện tượng sẽ phân tán ánh sáng 157 nanomet và giảm độ tương phản, dẫn đến quang sai trong hình ảnh
quang sai là không thể chấp nhận được trong sản xuất bán dẫn
khi tinh thể bị biến dạng vì khuyết điểm trong sản xuất, lưỡng chiết quang không mong muốn xảy ra
các công ty kính khắc phục điều này nhưng năm 2001 chỉ ít năm trước khi đưa vào sản xuất thử nghiệm, họ nhận thấy rằng tinh thể luôn luôn sản sinh một số nhất định lưỡng chiết quang cho dù không bị áp lực hay được thả lỏng đến cỡ nào cũng vậy
lưỡng chiết quang bản chất [mặc định] này được đo lường chỉ 11.2 nanomet mỗi centimet tinh thể canxi florua, đủ gây vấn đề
các kỹ sư Zeiss và ASML nghĩ đến ý tưởng bổ sung một vật liệu thấu kính thứ 2 vào hệ thống quang học
tinh thể bari florua, xuất hiện trong tự nhiên là một khoáng vật có tên frankdicksonite, cũng có bản chất lưỡng chiết quang tương tự nhưng ở chiều ngược lại
tuy nhiên, chuỗi cung chưa sẵn sàng cung cấp loại vật liệu mới này - họ đã gặp đủ trở ngại với canxi florua rồi - cho nên ý tưởng bị bỏ qua
sau rốt, các kỹ sư khám phá được rằng lượng lưỡng chiết quang cố hữu sẽ tuỳ thuộc vào chiều hướng mà ánh sáng thâm nhập khối tinh thể
cho nên các kỹ sư tạo những cặp phương hướng tinh thể để triệt tiêu những nhiễu sáng của nhau
ví dụ: một tinh thể thấu kính được đặt theo một phương hướng nhất định - mà ASML gọi tên là '111' - cần được ghép cặp với 2 tinh thể thấu kính phương hướng '100'
tinh thể thấu kinh thứ 2 trong 2 thấu kính '100' cần đặt nghiêng 45 độ so với thấu kinh thứ nhất [trong 2 thấu kính 100]
thủ tục ghép cặp này mang lại hiệu ứng dây chuyền lên phần còn lại của hệ thống
ví dụ trong phần việc bọc thấu kính quang học và nhất là trong phần mềm nhúng của máy sẽ cần được viết lại
nhưng thiết kế khắc phục lưỡng chiết quang cố hữu phức tạp này đã mang lại hiệu quả - Zeiss dưới suối vàng có lẽ cũng sẽ tự hào

Mặt nạ
tại sao ngành khắc thạch bản chọn con số bước sóng ánh sáng 157 nanomet?
193 nanomet có lẽ là công nghệ quang khắc cuối cùng được đưa vào sản xuất quy mô nhưng 157 nanomet mới là công nghệ quang khắc khả dụng cuối cùng vì lý do chất mặt nạ quang
mặt nạ là bản mẫu nửa trong suốt có mang thiết kế chip
hàng thập kỷ, ngành đã làm mặt nạ từ silica hỗn hợp - là kínn silic đi-ôxit tinh khiết
ngành dùng silica hỗn hợp vì vật liệu chịu được thay đổi nhiệt độ lớn
nếu nhiệt độ thay đổi khoảng 1 độ C, cấu trúc của kính chỉ dịch chuyển 0.00005%
cho nên nếu thiết kế chip vẽ trên bản mẫu bằng vật liệu silica hỗn hợp, bao gồm các đường kẻ rộng 50 milimet [kích thước chức năng của mặt nạ sẽ thu nhỏ khi chiếu lên chip/đĩa wafer] thì 1 độ C biến động sẽ gây nhiễu chỉ 25 nanomet - chấp nhận được
157 nanomet là bước sóng cuối cùng mà hỗn hợp silica duy trì được độ trong suốt
kể cả phiên bản thông thường [silica] cũng hấp thụ ánh sáng 157 nanomet
ASML và Corning phải phát triển cái gọi là "silica hỗn hợp đã khử nước" cho phép chỉ 85% ánh sáng cực tím xuyên qua
sử dụng những vật liệu khác để làm mặt nạ - như tinh thể canxi florua sử dụng cho thấu kính - không khả dụng vì những vật liệu ấy sẽ cong và méo trong công đoạn phơi sáng tấm wafer
cho nên, phát minh ra hỗn hợp silica đã khử nước là một đột phá quan trọng cho phép mặt nạ 157 được phát triển
năm 2002 ASML vẫn đang tìm cách sản xuất một vỏ bọc thích hợp - giống một lớp vỏ bảo vệ - để bảo vệ mặt nạ khỏi chất nhiễm bẩn, mặc dù linh kiện đã hứa hẹn cho sản xuất hàng loạt

Chất kháng
chất kháng để giữ thiết kế chip lên bề mặt wafer bằng cách hấp thụ ánh sáng cực tím từ mặt nạ. Khó khăn lớn nhất ở đây là những chất hoá học
những chất kháng thông dụng sử dụng 248 và 193 căn bản là hydrocacbon đã chỉnh sửa
nhưng hydrocacbon với độ dày thông thường thì đã hấp thụ quá nhiều ánh sáng 157 nanomet
cho nên ta hoặc phải làm lớp chất kháng dày lên - khoảng 60 đến 90 nanomet - dẫn đến mất tính chính xác - hoặc phải tìm cách khác
một số vật liệu mới này rất độc và được tổng hợp từ những chất gây ung thư
quan trọng hơn, không có vẻ gì là ngành có thể công nghiệp hoá và thương mại hoá một phương án chất kháng hoàn chỉnh kịp thời gian cho thế hệ bước xử lý 90/100 nanomet
ngành đành chọn cách làm chất kháng mỏng đi và đó là lúc mà tiến bộ ngừng trệ khi 157 kết thúc

Đình trệ và chấm dứt
đội phát triển khắc thạch bản 157 nanomet đã xoay xở khắc phục được nhiều khó khăn kỹ thuật này
tuy nhiên, sau rốt thì họ đã thất bại một thử thách căn bản nữa
đầu thập niên 2000 quang khắc nhúng 193 nanomet, hay gọi là công nghệ 193i, đã nhanh chóng nổi lên làm ứng viên thế hệ kế tục có thể thay thế 193
khắc thạch bản nhúng là gửi tia sáng cực tím xuyên qua một dung dịch chất lỏng để cải thiện cấu hình in [khắc] của máy
đột nhiên, ngành nhận thấy có đến 3 công nghệ khắc thạch bản thế hệ kế cận khả dụng là 193i, 157 và EUV - quá nhiều lựa chọn
SEMATECH - cộng đồng ngành công nghiệp bán dẫn Bắc Mỹ - đã liên lạc với những đại diện hàng đầu của mỗi trong số 3 công nghệ ấy để bảo vệ phương án tiếp cận mới trong một cuộc thi mang phong cách của chương trình truyền hình "Thương vụ bạc tỷ"
157 hoá ra là phương án kém thuyết phục nhất, thủ cựu nhưng không thử cựu bằng 193i là công nghệ không cần quá nhiều kỹ thuật mới
quan trọng là, một dung dịch lỏng để nhúng 157 thích hợp cho thương mại hoá vẫn chưa được khám phá, trong khi 193i thì chỉ cần dùng nước cất [UPW nước siêu tinh khiết]
và trong khi kỹ thuật 157 nanomet đã ra mắt, kỹ thuật vẫn chưa đủ để áp dụng quy mô cho bước xử lý 100 nanomet
quan trọng là, tỷ lệ đạt trên những lượng tinh thể canxi florua chấp nhận được cho thấu kính vẫn chi trong khoảng 1%
cuối cùng, yếu tố giá thành
máy khắc thạch bản chiếm hơn nửa tổng giá vốn của một xưởng fab
máy 157 nanomet ước tính đắt gấp đôi máy 193 nanomet
tháng 5 năm 2003 công ty Intel tuyên bố bỏ qua 157 khỏi kế hoạch, lấy lý do kỹ thuật
ngành lưỡng lự một thời gian nữa sau hụt hẫng ấy,ví dụ vẫn tổ chức một hội thảo quốc tế thường niên về khắc thạch bản 157 nanomet ở Yokohama tháng 8 năm 2003
tháng 9 năm 2003 ASML chào bán mẫu máy MicraScan 7 cho khách hàng tiên phong và đơn vị hợp tác thường xuyên IMEC
nhưng trong vòng 1 năm sau tuyên bố của Intel thì các nhà sản xuất bán dẫn khác cũng ngừng phát triển công nghệ 157

Kết
những nhà cung cấp các công cụ khắc thạch bản, vật liệu quang học, chất kháng [cản] quang, chất bọc chống phản chiếu, vỏ bọc, mặt nạ, vỏ mặt nạ, những công cụ đo lường và công cụ thẩm tra - tổng cộng, họ đã đầu tư hàng trăm triệu đôla vào phát triển những công nghệ quang khắc 157 nanomet
ngành rẽ sang 193i trong ngắn hạn và EUV trong dài hạn
năm 2006 ASML ra mắt máy quang khắc nhúng TWINSCAN đầu tiên
quang khắc đã trao cho ngành bán dẫn những năm hoàng kim và ngành đã cố níu kéo công nghệ ấy với bước sóng 157 nanomet
kể từ thất bại cuối ấy, ngành khắc thạch bản đã tập trung duy nhất vào mục tiêu mang EUV ra thị trường
các xưởng fab chip sẽ phải duy trì cho đến ngày EUV xuất hiện