2. Các công nghệ quang khắc hiện đại
Trong thập kỷ vừa qua, công nghệ quang khắc đã có những bước nhảy vọt nhằm đáp ứng yêu cầu thu nhỏ kích thước xuống mức nanomet. Hai công nghệ quang khắc ánh sáng chủ đạo hiện nay là DUV (Deep Ultraviolet) và EUV (Extreme Ultraviolet), tương ứng với bước sóng ánh sáng ~193 nm và 13.5 nm. Mỗi công nghệ có đặc điểm kỹ thuật và giới hạn riêng, đồng thời các kỹ thuật hỗ trợ như multiple patterning (in nhiều lần) và căn chỉnh mask siêu chính xác đã được phát triển để vượt qua các thách thức về độ phân giải.
So sánh DUV và EUV: Bước sóng, độ phân giải và giới hạn kỹ thuật
DUV (Deep UV) hiện được hiểu là kỹ thuật quang khắc sử dụng bức xạ tử ngoại sâu, điển hình là laser ArF 193 nm. Từ node ~65 nm trở đi, các máy quang khắc DUV đã chuyển sang dùng bể dung dịch (immersion) giữa thấu kính và wafer để tăng chiết suất môi trường, giúp tăng độ phân giải (NA hiệu dụng ~1.35 so với ~0.93 của không khí). DUV 193 nm (ArF immersion lithography) đã phục vụ chế tạo hàng loạt ở các thế hệ 45 nm, 32 nm, 22 nm, 14 nm,… Tuy nhiên, độ phân giải quang học của hệ DUV đã gần đạt giới hạn: ngay cả với kỹ thuật cải tiến (như điều chỉnh quang học OPC, mặt nạ dịch pha, v.v.), một lần phơi của 193 nm khó tạo được pitch nhỏ hơn ~80 nm. Để in được các mẫu <40 nm, người ta buộc phải dùng nhiều lần phơi và khắc chồng (multiple patterning) – tức chia nhỏ hoa văn ra nhiều mask và quy trình lặp lại nhiều bước (sẽ nói rõ hơn bên dưới). Điều này làm quy trình DUV trở nên rất phức tạp và tốn kém ở các node tiên tiến (10 nm/7 nm trở xuống).
EUV (Extreme UV) sử dụng bức xạ tử ngoại cực ngắn 13.5 nm, mở ra khả năng in trực tiếp các chi tiết cực nhỏ chỉ ~10-20 nm. Về nguyên lý, bước sóng EUV ngắn hơn ~14 lần so với 193 nm, nghĩa là có tiềm năng đạt độ phân giải cao hơn nhiều (theo công thức Rayleigh, kích thước tối thiểu tỉ lệ với λ/NA). Thật vậy, với EUV, người ta có thể in một lớp pattern 7 nm chỉ bằng một lần phơi duy nhất, trong khi nếu dùng 193 nm phải phơi và khắc lặp đến ba lần mới đạt được mật độ tương đương. Do đó EUV hứa hẹn đơn giản hóa quy trình và giảm số bước cho các lớp tinh vi nhất. Bên cạnh ưu thế về bước sóng, EUV còn sử dụng hệ gương phản xạ nhiều lớp thay cho thấu kính, vận hành trong môi trường chân không (để tránh hấp thụ tia EUV). Hệ thống quang EUV có độ mở NA ~0.33 (hiện tại) – thấp hơn NA của DUV immersion, nhưng nhờ bước sóng cực ngắn, nó vẫn đạt độ phân giải vượt trội. Thế hệ máy EUV hiện tại (NXE:3400 series) có độ phân giải hiệu dụng khoảng 13 nm, đủ cho các node 7 nm, 5 nm và 3 nm. Dự kiến trong tương lai gần, EUV sẽ được nâng cấp High-NA (~0.55) để tiếp tục tăng độ phân giải cho các node 2 nm, 1 nm.
Tuy nhiên, EUV cũng đối mặt với giới hạn kỹ thuật riêng. Do bước sóng quá ngắn (13.5 nm tương ứng năng lượng photon ~92 eV, cao gấp ~14 lần photon 193 nm), quá trình quang hóa của EUV phức tạp hơn: sinh ra nhiều electron thứ cấp, gây hiệu ứng ngẫu nhiên (stochastic) làm mờ và nhiễu pattern ở mức kích thước vài nm. Vật liệu cản quang cho EUV cũng phải rất mỏng (~20 nm) và nhạy, dẫn đến hiện tượng nhiễu xạ Fresnel và giảm độ sâu tiêu cự. Thêm nữa, khác với DUV dùng mask truyền qua, EUV dùng mask phản xạ đặc biệt (gồm 40 lớp gương molybdenum-silicon). Mask EUV không thể phủ kính pellicle dày (vì hấp thụ tia EUV), khiến nó dễ bị bụi bẩn – chỉ một hạt bụi nhỏ cũng có thể chặn tia và in bóng lên wafer. Hiện các tấm pellicle siêu mỏng cho EUV (độ truyền ~83-85%) đang được phát triển để bảo vệ mask. Về nguồn sáng, máy EUV dùng plasma thiếc (Sn) được kích thích bởi laser CO2, đạt công suất ~250 W (tại điểm hội tụ) ở các máy thế hệ mới, cho phép xử lý 170 wafer/giờ– thấp hơn so với máy DUV (>250 wafer/giờ), đồng nghĩa năng suất fab giảm. Ngoài ra, máy EUV tiêu thụ điện năng khổng lồ (>1 MW mỗi máy) do hiệu suất phát tia rất thấp (~0,02%) so với DUV (~0,1%).
Tóm lại, DUV 193 nm hiện vẫn được dùng phổ biến cho nhiều lớp mạch lớn vì tốc độ cao và máy móc sẵn có, nhưng khi cần cấu trúc nhỏ nhất (lớp poly, kim loại mức dưới), các hãng đã bắt đầu chuyển sang EUV 13.5 nm để tránh lạm dụng kỹ thuật nhiều lần in chồng. EUV có lợi thế đơn giản hóa bước in các node tiên tiến – ví dụ ở 7 nm, thay vì phơi 3 lần với DUV (LELELE – triple patterning), chỉ cần 1 lần phơi với EUV cho cùng một mật độ. Nhưng EUV cũng đặt ra thách thức về vật liệu, thiết bị và thông số vận hành khác so với DUV. Hiện tại, cả hai công nghệ ArF immersion DUV và EUV thường được kết hợp trong sản xuất: EUV dùng cho các lớp cần độ phân giải cao nhất, còn DUV vẫn dùng cho các lớp ít đòi hỏi hơn, nhằm tối ưu chi phí.
Kỹ thuật Multiple Patterning và căn chỉnh mask (overlay)
Khi độ phân giải của một lần quang khắc đơn lẻ chạm giới hạn, ngành bán dẫn đã sáng tạo ra phương pháp multiple patterning – tức sử dụng nhiều lần quang khắc nối tiếp để tạo ra mật độ pattern cao hơn khả năng quang học ban đầu. Ý tưởng chung là: thay vì in toàn bộ hoa văn dày đặc trong một mask, ta chia nhỏ mẫu đó ra nhiều mask khác nhau, mỗi mask chứa một phần hoa văn với mật độ thưa hơn (dễ in hơn). Sau đó tiến hành phơi và khắc tuần tự từng mask một, sao cho các pattern bổ sung lẫn nhau và chồng khớp để tạo ra tổng thể hoa văn ban đầu trên wafer. Bằng cách này, hai lần phơi có thể tăng gấp đôi mật độ đường mạch (double patterning), thậm chí ba lần (triple patterning) tăng gấp ba. Kỹ thuật multiple patterning bắt đầu được sử dụng từ node ~20 nm khi một lần phơi 193 nm không đủ in các chi tiết ~40 nm. Ví dụ, ở node 14 nm/10 nm (sử dụng quang khắc ArF 193 nm), hầu hết các lớp kim loại và tiếp xúc đều phải in bằng double patterning hoặc self-aligned quadruple patterning (SAQP) để đạt kích thước mong muốn.
Có nhiều biến thể multiple patterning, như LELE (Litho-Etch-Litho-Etch) lặp 2 lần hoặc 3 lần, hay Spacer patterning (tạo vách ngăn tự căn chỉnh). Dù phương pháp nào, một thách thức kỹ thuật lớn là căn chỉnh (mask alignment/overlay) giữa các lần in. Mỗi lần phơi sau phải khớp chính xác với pattern của lần trước trên wafer. Sai số chồng lớp chỉ khoảng vài phần trăm so với kích thước pattern – ví dụ ở 7 nm, overlay tolerance cỡ <±3 nm. Để đạt được điều này, các máy scanner thế hệ mới có hệ căn chỉnh quang học và hiệu chỉnh nhiễu rất tiên tiến. Tuy nhiên, càng nhiều lớp in chồng thì rủi ro lệch càng cao và tích lũy. Kỹ thuật tự căn chỉnh (self-aligned) ra đời nhằm giảm phụ thuộc vào align quang học: ví dụ SAQP dùng một lần in tạo khung, sau đó lắng đọng và ăn mòn nhiều bước để nhân đôi đường mà không cần align nhiều mask. Mặc dù vậy, multiple patterning vẫn làm quy trình kéo dài và tăng chi phí (mỗi lần in thêm là thêm bước phủ, khắc, rửa…). Ở 7 nm, việc phải dùng tới 3 mask cho một lớp kim loại quan trọng khiến chi phí và độ phức tạp tăng vọt. Chính vì thế, sự ra đời của EUV được mong đợi để giảm bớt nhu cầu multiple patterning. Thực tế tại 7 nm, TSMC và Samsung đã chuyển một số lớp sang EUV để tránh double/triple patterning bằng DUV. Từ 5 nm trở đi, EUV trở thành bước chủ đạo cho các lớp critical, cắt giảm đáng kể số lượng mask và công đoạn so với trước đây.
Tóm lại, multiple patterning là giải pháp tình thế giúp kéo dài tuổi thọ của quang khắc 193 nm vượt giới hạn tự nhiên của nó, cho phép đạt đến node 10 nm/7 nm bằng thiết bị hiện có. Tuy nhiên, nhược điểm là quy trình phức tạp, nhiều bước lặp, đòi hỏi căn chỉnh siêu chính xác, dẫn đến chi phí sản xuất tăng cao. EUV xuất hiện đã giải quyết phần nào bài toán này: một lớp EUV có thể thay thế cho 2-3 lớp DUV trước kia. Dù vậy, ở các node rất nhỏ (ví dụ 3 nm, 2 nm), multiple patterning có thể quay lại ngay cả với EUV, dưới dạng EUV double patterning, nếu một lần phơi EUV không đủ đạt yêu cầu. Khi đó, ngành công nghiệp có thể phải kết hợp cả hai: EUV + multiple patterning – một viễn cảnh tốn kém mà các hãng đang cố trì hoãn bằng cách nâng cấp công nghệ (như phát triển EUV nguồn mạnh hơn, NA cao hơn).