MỸ – Các nhà nghiên cứu tại đại học Cornell (Cornell university) đã sử dụng công nghệ hình ảnh 3D độ phân giải cao để phát hiện các khiếm khuyết ở cấp độ nguyên tử trên chip máy tính, những lỗi có thể làm giảm hiệu suất hoạt động.

Phương pháp chẩn đoán hình ảnh này là kết quả của sự hợp tác giữa tập đoàn sản xuất chất bán dẫn Đài Loan (TSMC – Taiwan semiconductor manufacturing company) và tập đoàn Advanced Semiconductor Materials (ASM). Công nghệ này có khả năng tác động đến đa số các loại thiết bị điện tử hiện đại, từ điện thoại thông minh, ô tô cho đến các trung tâm dữ liệu AI (artificial intelligence) và máy tính lượng tử.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications. Tác giả chính của dự án là nghiên cứu sinh tiến sĩ Shake Karapetyan.

Giáo sư David Muller, người đứng đầu dự án và là Giáo sư kỹ thuật Samuel B. Eckert tại trường kỹ thuật Duffield thuộc đại học Cornell, chia sẻ: “Vì thực sự không còn cách nào khác để quan sát cấu trúc nguyên tử của những khiếm khuyết này, đây sẽ là một công cụ phân tích đặc tính cực kỳ quan trọng để gỡ lỗi và tìm kiếm sai sót trong chip máy tính, đặc biệt là trong giai đoạn phát triển”.

Những khiếm khuyết siêu nhỏ từ lâu đã là một thách thức đối với ngành công nghiệp bán dẫn, đặc biệt là trong bối cảnh công nghệ ngày càng trở nên phức tạp trong khi các thành phần linh kiện đã thu nhỏ lại đến kích thước nguyên tử.

Trọng tâm của nghiên cứu, đồng thời cũng là “trái tim” của chip máy tính, chính là bóng bán dẫn (transistor): một công tắc nhỏ cho phép dòng điện chạy qua một kênh dẫn, được đóng mở bằng một cổng điện từ.

Giáo sư Muller nói rằng: “Bóng bán dẫn giống như một đường ống dẫn các hạt electron thay vì dẫn nước. Có thể hình dung, nếu thành ống gồ ghề, nó sẽ làm dòng chảy chậm lại. Vì vậy, việc đo lường độ nhám của các thành ống này, cũng như xác định bề mặt nào tốt hay xấu, hiện nay đã trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.”

Hình ảnh các lớp silicon, silicon dioxide và hafnium oxide bên trong một kênh dẫn của bóng bán dẫn

Giáo sư Muller có một cái nhìn sâu sắc và độc đáo về thiết kế chất bán dẫn. Từ năm 1997 đến 2003, ông đã làm việc tại bộ phận nghiên cứu và phát triển của viện khoa học Bell Labs (nơi bóng bán dẫn được phát minh) để khám phá các giới hạn vật lý quyết định mức độ thu nhỏ tối đa của một linh kiện này.

Theo Giáo sư Muller, sau khi ra đời vào giữa thế kỷ 20, các bóng bán dẫn ban đầu được xây dựng giống như những khu ngoại ô: phẳng và trải rộng ra bên ngoài. Theo thời gian, khi các chip không còn diện tích bề mặt theo chiều ngang, các nhà thiết kế bắt đầu xếp chồng các bóng bán dẫn theo chiều dọc trong không gian ba chiều, tương tự như các tòa chung cư cao tầng.

Ông Muller nói tiếp: “Vấn đề là những cấu trúc 3D này hiện còn nhỏ hơn cả kích thước của một virus. Và ngày nay, chúng còn nhỏ hơn thế rất nhiều. Nó giống như kích thước của một phân tử bên trong tế bào”.

Một chip hiệu suất cao đơn lẻ hiện nay có thể chứa hàng tỷ bóng bán dẫn. Tuy nhiên, khi kích thước của chúng thu nhỏ lại, việc khắc phục sự cố kỹ thuật trở nên khó khăn hơn.

Nghiên cứu sinh Karapetyan chia sẻ: “Ngày nay, một kênh dẫn của bóng bán dẫn có thể chỉ rộng từ 15 đến 18 nguyên tử, một kích thước cực kỳ nhỏ bé và chúng vô cùng phức tạp. Tại thời điểm này, vị trí của từng nguyên tử đều quan trọng, và việc phân tích đặc tính của chúng là một thách thức.”

Tại viện Bell Labs, Giáo sư Muller cùng đồng nghiệp là nhà khoa học Glen Wilk (Phó Chủ tịch công nghệ tại tập đoàn ASM) đã thử thay thế silicon dioxide (vật liệu làm cổng ‘gate material’ (*) phổ biến thời bấy giờ, vốn gây rò rỉ dòng điện quá mức ở quy mô nhỏ) bằng hafnium oxide. Vài năm sau, Giáo sư Muller và ông Wilk rời viện Bell Labs, nhưng công trình của họ tiếp tục tạo ra tiếng vang lớn trong các công ty bán dẫn, và vật liệu hafnium oxide đã sớm trở thành tiêu chuẩn công nghiệp cho máy tính và điện thoại di động vào giữa những năm 2000.
(*) Gate material: là vật liệu dùng để tạo phần “gate” (tạm dịch là ‘cổng’) trong transitor. Đây là bộ phận đóng vai trò điều khiển dòng điện chạy qua thiết bị bán dẫn.

Giáo sư Muller chia sẻ: “Tôi có thể khẳng định rằng những bài báo chúng tôi đã công bố về cách sử dụng kính hiển vi điện tử để phân tích đặc tính của các vật liệu này đã được rất nhiều chuyên gia trong ngành bán dẫn nghiên cứu cực kỳ kỹ lưỡng. Khi chúng tôi quay trở lại dự án này, điều đó đã được thể hiện rất rõ ràng. Công nghệ hiển vi đã tiến một bước rất dài. Thời đó, giống như việc lái những chiếc máy bay cánh kép thô sơ, còn giờ đây, chúng đã trở thành những chiếc máy bay phản lực hiện đại.”

“Chiếc phản lực” trong trường hợp này chính là phương pháp chụp ảnh điện tử ptychography (electron ptychography). Đây là một phương pháp hình ảnh điện toán sử dụng bộ phát hiện mảng điểm ảnh của kính hiển vi điện tử (EMPAD – electron microscope pixel array detector) (*), một công nghệ được đồng phát triển bởi nhóm của Giáo sư Muller, để thu thập các mẫu tán xạ chi tiết của các hạt electron sau khi chúng xuyên qua các bóng bán dẫn. Bằng cách so sánh sự thay đổi của các mẫu này từ vị trí quét này sang vị trí khác, các nhà khoa học có thể tái tạo một hình ảnh với độ sắc nét phi thường. Bộ phát hiện này chính xác đến mức nó đã cho phép tạo ra những hình ảnh có độ phân giải cao nhất thế giới, hiển thị các nguyên tử với chi tiết chưa từng thấy, một thành tựu đã được kỷ lục thế giới Guinness công nhận.
(*) Electron microscope pixel array detector (EMPAD): là một bộ cảm biến (detector) thế hệ mới được gắn vào kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hoặc kính hiển vi điện tử quét truyền qua (STEM). EMPAD có khả năng ghi lại dữ liệu với độ chi tiết và tốc độ mà các camera truyền thống không thể làm được.

Lỗi “mouse bites”
Hơn 25 năm sau dự án với sự hỗ trợ từ tập đoàn TSMC và phòng thí nghiệm phân tích doanh nghiệp của họ, đội ngũ của Giáo sư Muller và ông Wilk đã quyết định hợp tác một lần nữa, sử dụng công nghệ EMPAD để “nhìn” thấu vào bên trong các chất bán dẫn hiện đại.

Nghiên cứu sinh Karapetyan chia sẻ: “Có thể hình dung kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh này giống như việc giải một bản đồ câu đố lớn, xét cả về khía cạnh thu thập dữ liệu thực nghiệm lẫn quá trình tái cấu trúc bằng điện toán”.

Khi tất cả dữ liệu được thu thập, tái thiết lập và vị trí của các nguyên tử đã được theo dõi, các nhà nghiên cứu đã có thể phát hiện ra độ nhám trên bề mặt tiếp giáp trong các kênh dẫn, hé lộ những gì mà nghiên cứu sinh Karapetyan gọi là lỗi “mouse bites”. Độ nhám này nảy sinh từ các khiếm khuyết hình thành trong quá trình tăng trưởng tối ưu hóa. Các cấu trúc mẫu, được nuôi cấy tại trung tâm điện tử nano Imec, là phương pháp lý tưởng để thử nghiệm kỹ thuật hình ảnh này.

Nghiên cứu sinh Karapetyan nói rằng: “Việc chế tạo các thiết bị hiện đại ngày nay cần hàng trăm, hàng nghìn bước khắc hóa học, lắng đọng và xử lý nhiệt; mỗi bước đơn lẻ đó đều tác động lên cấu trúc của linh kiện. Trước đây, cần quan sát các hình ảnh chiếu để cố gắng suy luận điều gì thực sự đang xảy ra. Giờ đây, đã có một công cụ thăm dò trực tiếp để quan sát sau mỗi bước thực hiện và nắm bắt kết quả tốt hơn”. Ví dụ: Khi đặt nhiệt độ cao ở một mức độ cụ thể, kết quả hình ảnh thực tế của nó sẽ được ghi nhận.

Khả năng chẩn đoán hình ảnh mới này có tiềm năng tác động đến hầu hết mọi thiết bị sử dụng chip máy tính hiện đại, từ điện thoại di động, máy tính xách tay cho đến các trung tâm dữ liệu. Đồng thời, đây cũng là một bước tiến lớn cho việc gỡ lỗi các công nghệ thế hệ tiếp theo như máy tính lượng tử, những hệ thống yêu cầu sự kiểm soát cấu trúc vật liệu ở mức độ phi thường mà hiện nay con người vẫn chưa thấu hiểu hoàn toàn.

Nghiên cứu sinh Karapetyan kết luận: “Với công cụ này, có thể thực hiện thêm nhiều nghiên cứu khoa học và kiểm soát kỹ thuật tốt hơn”.

Để xem các tin bài khác về “Chụp ảnh điện tử”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online