Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Youtube Veritasium, với nội dung nói về máy móc và công nghệ dùng để sản xuất chip bán dẫn tiên tiến nhất hiện nay và lý do vì sao nó lại phức tạp, quan trọng, mang tính cách mạng trong công nghệ và có ảnh hưởng lớn đến ngành bán dẫn hiện đại.

Thành phố vi mô của vi mạch và vai trò của transistor
Một vi mạch, khi được quan sát ở cấp độ cực nhỏ, hé lộ một thành phố tính toán dạng nano với hàng trăm tầng, các lớp chồng lên nhau, cùng hàng kilomet dây dẫn kết nối hàng tỷ transistor. Những transistor này chính là các số 1 và 0 – nền tảng hoạt động của máy tính. Khi transistor được thu nhỏ lại, tín hiệu sẽ phải di chuyển quãng đường ngắn hơn, giúp tốc độ xử lý nhanh hơn, đồng thời có thể tích hợp nhiều transistor hơn trên cùng một diện tích, tạo ra những con chip mạnh mẽ hơn.

Trong hơn năm mươi năm, kích thước transistor liên tục giảm, số lượng transistor trên mỗi chip tăng gấp đôi sau mỗi hai năm, một hiện tượng được gọi là Định luật Moore – đặt theo tên đồng sáng lập Intel, Gordon Moore, người đã nhận ra quy luật này từ năm 1965. Quy luật này đã thúc đẩy ngành công nghệ suốt nhiều thập kỷ cho đến khoảng năm 2015, khi quá trình thu nhỏ gặp bế tắc. Bước ngoặt giúp Định luật Moore tiếp tục đến từ một công ty duy nhất, sản xuất ra loại máy móc phức tạp bậc nhất trong lịch sử thương mại, với giá thành lên tới 400 triệu đô la.

Cỗ máy kỳ diệu và những kỳ tích kỹ thuật
Để hình dung tầm vóc của cỗ máy này, hãy tưởng tượng bạn thu nhỏ bằng kích cỡ của một con kiến, sử dụng một tia laser đủ mạnh để nung chảy kim loại và phải bắn trúng một giọt thiếc nóng chảy cỡ một tế bào bạch cầu ba lần liên tiếp trong vòng chỉ 20 micro giây. Đó chính xác là những gì mà cỗ máy này thực hiện, với khả năng bắn trúng 50.000 giọt thiếc mỗi giây mà không hề chệch một phát nào, mỗi giọt bị nung lên hơn 220.000 Kelvin (1) – tức nóng hơn bề mặt Mặt Trời khoảng bốn mươi lần.
(1) Kelvin (K) là đơn vị đo nhiệt độ tuyệt đối trong Hệ đo lường quốc tế (SI), được sử dụng rộng rãi trong khoa học và kỹ thuật. Khác với độ C vốn lấy các hiện tượng quen thuộc như nước đóng băng hay sôi làm mốc, thang Kelvin bắt đầu từ 0 tuyệt đối, tức mức nhiệt thấp nhất có thể tồn tại theo vật lý (tương đương với -273,15 độ C). Thang Kelvin có khoảng chia độ bằng với thang độ C, tức là tăng 1 K tương đương tăng 1 độ C về độ lớn.

Bên trong máy là những tấm gương có bề mặt mịn đến mức, nếu phóng to bằng kích thước Trái Đất, thì gồ ghề lớn nhất trên bề mặt cũng chỉ mỏng hơn cả một lá bài. Hệ thống có thể xếp chồng các lớp chip với độ lệch không quá năm nguyên tử, trong khi các bộ phận chuyển động bên trong đạt gia tốc hơn 20g (g là gia tốc trọng trường của Trái Đất, có giá trị ~9,8 m/s²). Trong suốt ba thập kỷ, hầu hết chuyên gia đều nghĩ việc chế tạo ra loại máy như vậy là bất khả thi, nhưng cuối cùng chỉ có một công ty đã làm được điều đó.

Quy trình sản xuất vi mạch – từ cát đến chip
Quy trình sản xuất vi mạch bắt đầu bằng việc tinh luyện silicon dioxide lấy từ cát thành silicon gần như tinh khiết hoàn toàn, rồi nung chảy trong lò chuyên dụng. Một tinh thể mồi nhỏ được nhúng vào silicon nóng chảy, khi được từ từ nâng lên và xoay tròn, các nguyên tử silicon sẽ bám vào tinh thể tạo thành một khối đơn tinh thể lớn. Khối này tiếp tục được cắt thành tối đa 5.000 tấm wafer, mỗi tấm được đánh bóng rồi phủ lên một lớp vật liệu nhạy sáng gọi là photoresist. Khi chiếu sáng qua mặt nạ (hay reticle) chứa họa tiết thiết kế, những vùng photoresist bị sáng chiếu vào sẽ yếu đi và bị rửa trôi, để lại hoa văn trên tấm wafer. Từ đó, hoa văn này sẽ được khắc vào silicon bằng hóa chất hoặc plasma, rồi phủ lên kim loại như đồng để lấp đầy các rãnh đã khắc. Cuối cùng, phần photoresist còn lại được rửa sạch, hoàn thành một lớp chip. Chu trình phủ, chiếu sáng, khắc, phủ kim loại này được lặp lại cho mỗi lớp của chip, với lớp dưới cùng là transistor, các lớp phía trên là dây dẫn kim loại truyền tín hiệu và nguồn điện. Mỗi wafer hoàn thiện có thể tạo ra hàng trăm chip, sau đó được cắt rời, đóng gói và lắp vào các sản phẩm.

Thách thức lớn nhất: Quang khắc và giới hạn vật lý
Bước khó nhất và then chốt nhất là quang khắc (photolithography), khi hình ảnh mặt nạ được chiếu lên tấm wafer bằng ánh sáng. Chính bước này quyết định mức độ nhỏ nhất mà các chi tiết trên chip có thể đạt được. Khi công nghệ cố gắng thu nhỏ các chi tiết, khoảng cách giữa các khe trên mặt nạ tiệm cận bước sóng ánh sáng, dẫn tới hiện tượng giao thoa do nhiễu xạ. Kỹ sư phải tận dụng các mẫu nhiễu xạ này bằng cách thiết kế khe mặt nạ sao cho hình ảnh thu được đúng ý muốn. Khả năng in chi tiết nhỏ phụ thuộc vào khẩu độ số (NA) của hệ thấu kính và bước sóng ánh sáng, theo phương trình Rayleigh. Do khẩu độ số có giới hạn thực tế, ngành công nghiệp đã giảm dần bước sóng ánh sáng sử dụng, cuối cùng chọn ánh sáng cực tím sâu (DUV) 193 nanomet vào cuối những năm 1990. Tuy nhiên, đến năm 2015, việc thu nhỏ hơn nữa trở nên bất khả thi với công nghệ này.

Bước đột phá: Quang khắc tử ngoại cực hạn (EUV) và công nghệ gương đa lớp
Giải pháp đột phá là quang khắc tử ngoại cực hạn (EUV), ý tưởng được nhà khoa học Hiroo Kinoshita tại Nhật đề xuất từ thập niên 1980, sử dụng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn nhiều, tương tự tia X. Tuy nhiên, EUV lại bị hầu hết vật liệu và không khí hấp thụ, buộc phải vận hành trong môi trường chân không và không thể dùng thấu kính thông thường. Kinoshita phát hiện rằng, các gương đa lớp xen kẽ vật liệu vonfram và carbon với độ dày chỉ vài nanomet có thể phản xạ ánh sáng EUV ở bước sóng xác định. Dù hiệu suất phản xạ ban đầu thấp, thí nghiệm này chứng minh quang khắc tia X là khả thi.

Bất chấp nghi ngờ và thất bại, nghiên cứu vẫn tiếp tục. Tại Hoa Kỳ, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, vốn được thành lập cho nghiên cứu hạt nhân, đã phát triển công nghệ gương đa lớp cho quang khắc. Những bài trình bày đầu tiên thường bị hoài nghi, thậm chí bị chế giễu. Tuy nhiên, với sự kết nối giữa phòng thí nghiệm quốc gia, ngành tư nhân và các công ty như Bell Labs, nghiên cứu vẫn được duy trì. Đến năm 1993, công nghệ này được đặt tên là quang khắc tử ngoại cực hạn (EUV) và năm 2000, nguyên mẫu EUV đầu tiên đã in được các chi tiết 70 nanomet, nhưng tốc độ vẫn quá thấp so với nhu cầu thực tế.

Tăng tốc độ và những trở ngại cuối cùng
Để thương mại hóa công nghệ EUV, thách thức đặt ra là phải tăng tốc độ xử lý từ 10 wafer/giờ lên hàng trăm wafer/giờ. Điều này đòi hỏi nguồn sáng EUV mạnh hơn nhiều. Mỗi lần ánh sáng phản xạ qua gương, chỉ khoảng 70% lượng sáng được giữ lại, sau nhiều lần phản xạ chỉ còn một phần nhỏ tới được wafer. Để tăng cường độ sáng, ngành công nghiệp thử nghiệm nhiều loại vật liệu và thiết kế gương, cuối cùng chọn gương đa lớp silicon và molybdenum có hiệu suất phản xạ cao ở bước sóng khoảng 13 nanomet.

Một thách thức khác là tạo ra nguồn sáng EUV ổn định với công suất và bước sóng phù hợp. Nhiều phương pháp được thử nghiệm, trong đó hiệu quả nhất là dùng tia laser cực mạnh bắn vào các giọt thiếc để tạo plasma phát sáng EUV. Việc tạo các giọt thiếc đúng kích cỡ, hình dạng, tốc độ và bắn tia laser vào đúng thời điểm là một thử thách kỹ thuật cực lớn. Ngoài ra, các hạt thiếc còn sót lại có thể làm bẩn gương, nên buồng máy được bơm đầy khí hydro để thu giữ các hạt thiếc, với lưu lượng và áp suất được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sạch sẽ và ổn định nhiệt độ.

Khi tần suất tạo giọt và bắn laser tăng lên, công suất EUV cũng tăng, nhưng kéo theo các vấn đề mới như sinh nhiệt lớn, làm dịch chuyển gương và lệch lớp in. Đối tác ZEISS đã phát triển hệ thống cảm biến để theo dõi và điều chỉnh vị trí, góc nghiêng của gương với độ chính xác cực cao ở cấp nanomet và picoradian. Việc giữ ổn định như vậy trong khi tăng quy mô sản xuất liên tục là một trận chiến không ngừng nghỉ.

ASML: Người dẫn đầu và chiến thắng định mệnh
Việc tài trợ cho nghiên cứu cũng là vấn đề sống còn. ASML, một công ty Hà Lan tách ra từ Philips, trở thành trung tâm dẫn dắt công nghệ EUV. Khi các đối thủ dần bỏ cuộc, ASML hợp tác với ZEISS về quang học và tập trung hoàn thiện nguồn sáng. Để duy trì nghiên cứu với chi phí khổng lồ, ASML đã nhận được đầu tư từ các khách hàng lớn như Intel, Samsung và TSMC, với tổng số tiền hàng tỷ đô la.

Sau vô số rào cản kỹ thuật, bước đột phá xuất hiện khi các kỹ sư chia việc bắn tia laser thành nhiều xung liên tiếp, xung đầu làm dẹt giọt thiếc, xung sau làm bốc hơi hoàn toàn, giúp tối ưu hóa lượng sáng EUV và hạn chế bụi bẩn. Những cải tiến khác như bổ sung một lượng nhỏ oxy vào buồng chân không giúp giữ gương luôn sạch, cho phép máy hoạt động liên tục với sản lượng cao.

Đến năm 2016, máy EUV của ASML đã sẵn sàng thương mại hóa và trở thành nền tảng không thể thiếu cho ngành bán dẫn hiện đại. Các máy này có khẩu độ số NA 0.33 (low NA) và 0.55 (high NA), trong đó loại high NA cho phép in chi tiết nhỏ hơn nữa. Quy trình sản xuất diễn ra trong môi trường siêu sạch, còn sạch hơn cả phòng mổ bệnh viện, việc lắp ráp đòi hỏi hàng ngàn linh kiện chính xác được cung cấp từ khắp thế giới.

EUV: Động lực phát triển công nghệ bán dẫn hiện đại
Những cỗ máy EUV này hiện là nền tảng cho toàn ngành bán dẫn, với các con chip trong điện thoại thông minh và vô số thiết bị hiện đại đều được sản xuất bằng công nghệ này. Mỗi hệ thống lớn và phức tạp đến mức phải vận chuyển bằng hàng trăm container, xe tải và thậm chí cả máy bay vận tải chuyên dụng. Bất chấp bao năm hoài nghi và thất bại, sự kiên định và đổi mới đã tạo ra một công nghệ từng bị xem là bất khả thi, với ASML ở vị trí trung tâm. Hành trình phi thường kéo dài hàng chục năm này, với các bước đột phá về vật lý, kỹ thuật và sản xuất, là minh chứng rõ ràng rằng tiến bộ thường phụ thuộc vào những người dám thách thức mọi giới hạn của cái gọi là “hợp lý”. Chính sự kiên trì của họ đã giúp Định luật Moore tiếp tục tồn tại và định hình nên diện mạo công nghệ của thế giới hiện đại.

Để xem các tin bài khác về “Bán dẫn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Veritasium