Công nghệ lithography EUV 'cứu' định luật Moore

(PCWorldVN) Intel, TSMC, và nhiều nhà sản xuất chip khác đang đầu tư vào công nghệ lithography siêu cực tím với lịch trình triển khai có thể là ngay trong năm 2018.

• Định luật Moore không còn quan trọng trong thời đại IoT
• Định luật Moore sẽ sụp đổ trong 10 năm tới
• Định luật Moore sẽ đi về đâu
• Củng cố vị thế định luật Moore
• Nếu không có định luật Moore

Ứng dụng siêu cực tím (EUV) vào thực tế: Máy quét EUV ASML NXE:3300B được sử dụng để in bề mặt chip tại viện nghiên cứu SUNY Polytechnic (Albany, New York). Nguồn phát EUV cần để phơi các wafer được sinh ra từ phía dưới máy quét (trong tiền cảnh của bức ảnh này), phần sau của máy được kết nối với một kết cấu cho phép tráng phủ các wafer trước khi tiến vào công đoạn phơi, sau đó lại xử lý chúng khi phơi xong.

Kể cả khi bạn đã mặc bộ đồ bảo hộ kín mít và xâm nhập sâu vào nhà máy Fab 8, việc hình dung ra hết quy mô của nó vẫn là điều cực kì khó. Với vô vàn các hàng máy móc cao vượt đầu người, trung tâm trị giá 12 tỷ USD của GlobalFoundries được xây dựng phía bắc Albany (New York, Mỹ). Nếu chọn đúng thời điểm, bạn sẽ được chứng kiến những chuyến xe chở đầy các tấm silicon (wafer) từ bên ngoài vào các máy gia công – một phần trong quy trình kéo dài tới 3 tháng, cho phép biến những đĩa silicon thô thành các loại chip sử dụng trong điện thoại thông minh, máy tính cá nhân và máy chủ. 

Trong suốt quy trình sản xuất, tấm wafer sẽ được tráng phủ bằng vật liệu nhạy sáng, sau đó được đưa vào một hộp sáng nhỏ trong máy quét. Tại đây, tia laser chiếu qua bề mặt đã được “khắc” sẵn các chi tiết mạch sẽ “in” một phiên bản thu nhỏ của nội dung này lên mặt wafer, tạo ra những đường mạch siêu nhỏ - cần thiết để tạo ra các transistor và mạch nối trên những bộ xử lý hiện đại. Với mỗi chip, quy trình này được lắp đi lặp lại hơn 60 lần. 

Dù không quá nổi bật trong số hàng loạt máy móc hiện đại có mặt tại Fab 8, những cỗ máy quét nói trên đang được xem là giải pháp quan trọng để duy trì tính đúng đắn của định luật Moore – thứ đã tạo tiền đề cho sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn hơn 50 năm qua. Sau nhiều thập kỷ, chu kỳ tăng gấp đôi mật độ các thành phần bên trong mạch tích hợp là hệ quả của những đột phá về mặt công nghệ - phần lớn là kĩ thuật in mạch. Những công nghệ này cũng cho phép các nhà sản xuất chip liên tục thu nhỏ sản phẩm, tích hợp thêm transistor, gia tăng sức mạnh và giảm lượng điện tiêu thụ cũng như giá thành. Các nhà sản xuất cũng có thể duy trì ổn định chu kỳ nghiên cứu, phát triển, đưa sản phẩm ra thị trường hàng năm. Sau nửa thế kỷ, người dùng đã tiến từ chỗ sở hữu chip chỉ với vài ngàn transistor ở những năm 1970 tới hàng tỷ transistor ngày nay. Tuy nhiên, theo thời gian, những công nghệ lithography (in thạch bản) của quá khứ đã dần tụt hậu trước những yêu cầu thời hiện đại. Chính vì thế, GlobalFoundries cùng những nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới khác buộc phải tìm kiếm một hướng tiếp cận mới với nhiều thách thức tiềm ẩn hơn bao giờ hết. 

Nếu như từ trước tới nay, công nghệ lithography trên chất bán dẫn luôn được thực hiện nhờ bức xạ điện từ, thì tới nay các nhà nhà sản xuất lại đang cân nhắc một giải pháp hoàn toàn khác – bức xạ siêu cực tím (Extreme UltraViolet – EUV). Tuy nhiên, món mới này hoàn toàn khác với tia cực tím hiện diện trong các loại máy quét hay từ mặt trời, EUV không thể di chuyển qua không khí và cũng không thể hội tụ qua thấu kính hay gương truyền thống. 

Bên trong cỗ máy: Để phát ra EUV, tia laser CO2 sẽ bắn vào các giọt vật chất nhỏ liên tục để tạo ra plasma. Máy quét EUV trong hình là một trong những mẫu mới nhất của ASML, hiện được đặt tại Veldhoven, Hà Lan.

Thêm vào đó, để tạo ra EUV cũng là điều hết sức khó khăn. Các nhà khoa học phải chiếu một tia laser thành dải liên tục vào một giọt thiếc nhỏ bé. Mục tiêu là những chiếc máy quét được chế tạo để có thể sử dụng được nguồn sáng với bước sóng 13,5 nm – chỉ 1/10 so với những cỗ máy sử dụng nguồn sáng truyền thống tối tân nhất hiện nay. Bước sóng ngắn cho phép các nhà sản xuất chip in các lớp chỉ với một bước duy nhất thay vì phải phơi sáng nhiều lần như trước kia – đồng nghĩa với việc giảm thiểu đáng kể chi phí. Tuy nhiên, để chế tạo ra hệ thống EUV hoàn chỉnh với độ sáng tốt, độ tin cậy đủ cao cho việc sử dụng hàng ngày trong các dây chuyền chế tạo (gần 24 tiếng mỗi ngày, 365 ngày mỗi năm) là thách thức vô cùng lớn đối với kĩ thuật hiện nay. Suốt một thời gian dài, những thử nghiệm tưởng chừng đã thành công với EUV đều gặp phải những rào cản không nhỏ - bất chấp những dự đoán đầy tích cực về tương lai của công nghệ mới này. 

Bên trong máy quét: Để in ra các chi tiết bề mặt với EUV, những kĩ sư không sử dụng thấu kính. Thay vào đó, hàng loạt các gương nhỏ sẽ đưa bức xạ EUV từ nguồn phát của máy quét (phía dưới bên phải) tới một lớp mặt nạ (chứa các chi tiết sẽ được in lên) và chiếu tới wafer. Mặt nạ này và wafer được đưa vào máy quét theo hai đường khác nhau.

Dù vậy, giờ đây EUV dường như đã tới lúc cất cánh. Nguồn sáng lớn nhất sử dụng công nghệ này do nhà sản xuất công cụ lithography bán dẫn Hà Lan ASML Holdings chế tạo được đánh giá là đã tiến tới rất gần giai đoạn sản xuất thương mại. Bản thân AMSL – vốn được xem như đơn vị nắm trong tay chuẩn mực của EUV – cũng đã xuất xưởng các máy quét EUV với hứa hẹn có thể sản xuất hàng loạt bộ xử lý và bộ nhớ tiên tiến nhất kể từ năm 2018. Hiện tại, nhiều nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới cũng đang rất nỗ lực tính toán thời điểm và phương thức triển khai loại máy này vào dây chuyền sản xuất của họ. Tuy nhiên, không thể phủ nhận rằng nhóm này đang đứng trước nhiều rủi ro. Trong bối cảnh định luật Moore đối mặt với những thách thức lớn hơn bao giờ hết, không ai có thể dám chắc rằng ngành công nghiệp bán dẫn – với tổng doanh thu hơn 330 tỷ USD trong năm 2015 – sẽ đi về đâu trong khoảng 5 hay 10 năm tới. Nói cách khác, một thời đại “hậu định luật Moore” là điều hết sức mù mờ. Hiển nhiên, sự suy giảm lợi nhuận là điều có thể đoán trước. Dù vậy, nếu các nhà sản xuất có thể giữ được tính đúng đắn định luật Moore ở một khoảng đủ tốt – chỉ để suy giảm khoảng 15% doanh thu của ngành công nghiệp bán dẫn, họ sẽ vẫn có doanh số gấp đôi tổng doanh thu hàng năm của toàn ngành công nghiệp sản xuất trò chơi điện tử nước Mỹ. 

Những đường cong và góc cạnh: EUV hứa hẹn tạo ra những đường nét in mạch chi tiết hơn hẳn so với công nghệ đa khuôn mẫu (Multiple Pattern) như trên quy trình chế tạo với ánh sáng có bước sóng 193nm hiện nay. Đường thẳng trong hình ảnh dưới đây có thể đạt độ rộng chỉ 24nm.

ASML và một số đối tác đã bắt đầu những dự án nghiên cứu về lithography siêu cực tím từ cuối thập niên 90 của thế kỉ trước. Anton van Dijsseldonk được ghi nhận là người đầu tiên đến với dự án quan trọng này. “Khi ấy, hồi kết của định luật Moore đã được dự báo trước” – ông hồi tưởng – “Ngành công nghiệp bán dẫn tìm mọi cách để đưa ra những công nghệ, giải pháp mới nhằm duy trì nhịp độ phát triển. Họ cũng gặp nhiều khó khăn trong việc cải thiện lớp phủ - khả năng đưa một tấm wafer trở lại máy quét để in chính xác những chi tiết mẫu vào đúng vị trí cần thiết sau khi đã di chuyển qua nhiều công đoạn trong dây chuyền sản xuất. Nhiều bên cũng tìm kiếm những giải pháp thay thế, nhưng EUV thực sự là lựa chọn kì lạ nhất”. 

EUV mở ra “lối thoát” cho định luật Moore.

Trong giai đoạn sơ khai của EUV, các nhà nghiên cứu hầu như đã phải tận dụng mọi thứ mà họ có thể nghĩ đến để tạo ra tia X quang – từ laser cho tới các hệ thống gia tốc hạt. Tuy nhiên, giải pháp cuối cùng thực sự khả thi lại chỉ có plasma. Để tạo ra được điều này, các kĩ sư đã phải đốt cháy loại vật chất phù hợp với tia laser hoặc dòng điện đủ mạnh để có thể tách các electron ra khỏi nguyên tử mà chúng đang gắn kết. Khi đó, plasma sẽ sinh ra EUV trong quá trình vật chất nói trên nguội trở lại trạng thái ban đầu của nó. Mục tiêu (lặp đi lặp lại) với nguồn sáng gốc plasma như vậy thường ở mức 250W tại điểm hội tụ trung gian – nơi ánh sáng EUV thoát khỏi nguồn phát và đi vào máy quét. Mức ánh sáng này sẽ cho phép máy quét hoàn tất gia công khoảng 125 tấm wafer mỗi giờ - tức là mới chỉ đạt khoảng ½ so với các máy tiến tiến sử dụng bức xạ 193nm hiện nay. 

Để phát ánh sáng EUV, các kỹ sư đã sử dụng plasma tạo ra từ tia laser – thông qua việc bắn khoảng 50.000 giọt thiếc siêu tinh khiết, có kích thước siêu nhỏ, qua một khoang chân không mỗi giây. Mỗi hạt này sẽ được “bắn” bởi tia laser CO2 công suất cao. Tia laser này được tạo ra bởi một chuỗi khuếch đại – với thiết kế gần tương tự như máy cắt kim loại. Khi tia laser chạm tới giọt thiếc, nó sẽ làm giọt kẽm này nóng lên tới mức tạo ra plasma sinh EUV. Bức xạ này sẽ được hàng loạt gương phản chiếu đưa tới máy quét sau đó. Do phương thức này sinh ra bức xạ EUV đồng thời với vô số mảnh thiếc vụn, các kĩ sư đã phải thổi khí hydro liên tục để giữ sạch bề mặt gương. 

Nguyên lý phát bức xạ EUV.

Chi phí cũng sẽ là yếu tố quyết định khả năng triển khai EUV vào các dây chuyền sản xuất hàng loạt chip thương mại cũng như thời điểm điều này diễn ra. Dĩ nhiên, chi phí của EUV sẽ không rẻ - khi những mẫu máy mới nhất của ASML có thể vượt mốc 100 triệu Euro/chiếc – gấp đôi so với các máy quét 193 nm hiện nay. Nó cũng to như một chiếc xe bus và phải tốn nhiều chuyến bay mới có thể chở hết một chiếc. Để vận hành một máy, các nhà sản xuất sẽ phải đảm bảo nguồn điện khoảng 1,5 megawatt – vượt xa so với máy 193 nm.

Cuộc cách mạng của giọt vật liệu: Để tạo ra bức xạ EUV, giọt thiếc trước hết được làm phẳng bằng tia laser đầu tiên, rồi chuyển thành dạng plasma bằng tia thứ hai ngay sau đó.

Hiển nhiên rằng, việc so sánh đơn thuần các thông số sẽ không thể hiện toàn diện những phức tạp trong tính toán chi phí sản xuất. Những hệ thống lithography bán dẫn 193nm hiện đại nhất vào lúc này có thể tạo ra mạch chip với độ rộng chỉ bằng một phần nhỏ của bước sóng 193 nm. Trong đó, hai giải pháp đã cải tiến đáng kể năng lực của thế hệ thiết bị này. Thứ nhất, đó là việc đưa nước vào giữa lớp wafer silicon và thấu kính bắn tia sáng vào nó. Thứ hai, cơ chế đa khuôn mẫu cho phép tách quy trình “in”, bổ sung thêm thành hai hoặc ba bước (ví dụ như để tạo một hàng lỗ, wafer có thể chạy hai lượt qua máy, mỗi lượt in một nửa số lỗ như vậy). Do vị trí của tấm wafer có thể được xác định với độ chính xác cực cao, việc in đa khuôn mẫu sẽ cho phép các kĩ sư tạo ra những chi tiết mạch với khoảng cách nhỏ hơn rất nhiều so với nếu chỉ in một lần duy nhất. Việc kéo dài thời gian như vậy sẽ khiến chi phí tăng lên. 

Vào lúc này, GlobalFoundries sử dụng ba khuôn mẫu cho việc sản xuất các chip 14nm tại Fab 8. Nói cách khác, với những lớp mạch quá cầu kỳ, chip sẽ chạy thêm hai lần qua máy quét – cũng như những thiết bị có liên quan khác. Với thế hệ chip 7nm, hãng sẽ tăng cường thêm một khuôn mẫu nữa. Hiện tại, quy trình sản xuất chip 7nm đang được thử nghiệm tại viện nghiên cứu SUNY Polytechnic tại Albany – trong mối quan hệ hợp tác với IBM. GlobalFoundries cũng hi vọng có thể tung ra chip 7nm vào năm 2018 mà chưa viện tới EUV. Tuy nhiên, chắc chắn hãng vẫn sẽ cần tới lựa chọn dự phòng này cho tương lai. Trong đó, câu hỏi lớn dành cho Gomba và các đồng nghiệp nằm ở chi phí triển khai EUV sẽ tăng lên tới đâu. Dĩ nhiên, để tìm ra câu trả lời là điều không dễ dàng gì khi có quá nhiều “ẩn số” – bao gồm cả cơ hội cải tiến độ sáng nguồn phát EUV, khả năng vận hành liên tục của các hệ thống máy quét EUV… 

Giáo sư Michael Liehr (trái) của viện nghiên cứu SUNY Polytechnic và Bala Haran (phải) của IBM Reseach đánh giá wafer 7nm mới.

Không chỉ GlobalFoundries và IBM mạnh tay đầu tư cho EUV, từ 2012, Intel, Samsung, TSMC cũng đã đầu tư tới hơn 1,38 tỷ Euro cho việc nghiên cứu và phát triển thế hệ công nghệ lithography tiếp theo của ASML. Hiện tại, ASML đang duy trì đội ngũ 4.000 kĩ sư phục vụ cho việc phát triển EUV. Trong khi đó, mỗi nhà sản xuất chip, các viện nghiên cứu đều có những chương trình phát triển của riêng mình. Thực tế, những khoản đầu tư không lồ không phải chỉ do việc phát triển EUV là điều khó khăn mà còn bởi tư duy của các nhà sản xuất chip vào lúc này đều coi đây là chìa khoá mở ra cánh cửa tương lai của họ. Nếu hỏi Anthony Yen – người đã dẫn dắt việc phát triển công nghệ lithography siêu cực tím tại TSMC về độ quan trọng của EUV đối với định luật Moore, người đàn ông này sẽ không do dự khi thốt lên rằng “Cực kì quan trọng, 100% quan trọng, Rất rất quan trọng!”. Theo lộ trình dự kiến, TSMC sẽ bắt đầu triển khai EUV từ năm 2020 – với tham vọng sản xuất các dòng chip 5nm. 

Tuy nhiên, các kĩ sư vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức về mặt kĩ thuật. Trong đó, xếp đầu bảng là việc bảo vệ khuôn - nơi đặt các vân mạch sẽ được in lên bề mặt các tấm wafer, một hạt bụi dù nhỏ tới mức mắt thường không thấy được cũng có thể đủ lớn để “xoá xổ” hàng trăm transistor trên wafer.

Việc triển khai một công nghệ mới như in thạch bản siêu cực tím là điều không dễ dàng gì đối với các nhà sản xuất chip – nhất là ở diện rộng.

Công nghệ quang học đóng vai trò rất lớn, quyết định khả năng thành công của EUV.

Câu hỏi đặt ra là liệu công nghệ EUV có được hoàn thiện để kịp thời cứu vãn định luật Moore hay không – kể cả là trước mắt hay về lâu dài. Theo chuyên gia in thạch bản Chris Mack, việc có thể ứng dụng công nghệ EUV vào thực tiễn kịp trước năm 2018 cho các nhà sản xuất chip là điều hết sức khó khăn. Trong khi đó, để triển khai một thế hệ sản xuất chip mới thường mất nhiều năm. Vì vậy, việc tiến thẳng tới các dây chuyền với EUV trong chỉ vài năm là điều hết sức mạo hiểm. 

Tuy nhiên, theo các chuyên gia, hi vọng triển khai kịp lúc vẫn là điều hoàn toàn khả thi. Vào lúc này, các nhà sản xuất đang rất nỗ lực trong việc đảm bảo thu nhỏ quy trình sản xuất  đi theo đúng lịch trình trong khi chi phí luôn trong tầm kiểm soát. Điều này diễn ra trong bối cảnh khoảng cách thời gian giữa các thế hệ chip kế thừa ngày càng kéo dài hơn, bản thân quy trình sản xuất chip cũng không thu nhỏ nhanh chóng như trước kia. Chính những khó khăn này được xem là yếu tố sẽ trì hoãn, giúp cho EUV có đủ thời gian hoàn thiện, đạt tới mốc đủ để triển khai thực tế, tạo ra những thay đổi cho phép cắt giảm chi phí trước khi định luật Moore đi vào ngõ cụt của giá thành sản xuất.  

Liệu kĩ thuật in thạch bản siêu cực tím có thể giúp định luật Moore trường tồn với thời gian?

Tương tự như những gì từng xảy ra trong quá khứ, số phận của định luật Moore sẽ xoay quanh không chỉ độ tinh xảo trong các đường in mà còn ở những nỗ lực của các nhà vật lý, các kĩ sư trong việc cải thiện biến trở và mạch điện tử. Không khó để nhận ra rằng, ngay cả những ánh chớp liên tục từ plasma thiếc cũng vẫn chưa đủ để dự đoán được điểm dừng của cuộc cách mạng công nghệ vĩ đại nhất thế giới mà chúng ta đang chứng kiến. Tuy nhiên, chắc chắn nó sẽ giúp các nhà sản xuất được “thở phào” thêm một thời gian nữa khi con đường phía trước đã bớt phần tăm tối.  

PC World VN 10/2016 

(Theo IEEE Spectrum)