Quang khắc là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa quang khắc

Quang khắc (photolithography) là quy trình sử dụng ánh sáng để chuyển một mẫu thiết kế vi mô từ mặt nạ (mask) lên bề mặt một lớp vật liệu nhạy sáng gọi là photoresist. Kỹ thuật này cho phép tạo ra các hoa văn cực nhỏ trên chất nền, thường là silicon, và được ứng dụng chủ yếu trong sản xuất vi mạch, MEMS và linh kiện nano.

Về nguyên lý, ánh sáng chiếu qua mặt nạ có hình dạng mẫu cần tạo và tác động lên lớp photoresist đã được phủ trên wafer. Quá trình này làm thay đổi tính chất hóa học của photoresist tại những vùng được chiếu sáng, tạo ra sự khác biệt về độ hòa tan với vùng không bị chiếu. Sau đó, dung môi phát triển (developer) sẽ loại bỏ vùng photoresist cần thiết, để lại mẫu chính xác trên bề mặt wafer.

Quang khắc là công nghệ then chốt trong lĩnh vực vi chế tạo. Khả năng tạo hoa văn chính xác ở cấp độ nanomet giúp duy trì mật độ transistor ngày càng cao, phù hợp với định luật Moore. Quá trình này đóng vai trò cốt lõi trong sản xuất các thế hệ chip tiên tiến, cảm biến hình ảnh, và linh kiện điện tử hiện đại.

Nguyên lý hoạt động của quang khắc

Quá trình quang khắc bao gồm nhiều bước được thực hiện theo trình tự nghiêm ngặt để đảm bảo độ chính xác và đồng đều. Đầu tiên, bề mặt wafer được làm sạch và phủ một lớp mỏng photoresist bằng phương pháp quay ly tâm (spin coating). Lớp này có độ dày đồng đều từ vài trăm nanomet đến vài micromet, phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể.

Tiếp theo, wafer được đem đi sấy mềm (soft bake) để làm bay hơi dung môi còn lại trong photoresist. Sau đó, ánh sáng được chiếu qua một mặt nạ (mask hoặc reticle) mang hình mẫu cần tạo. Ánh sáng đi qua mask sẽ tác động lên lớp photoresist theo mẫu thiết kế. Tùy loại photoresist sử dụng, vùng bị chiếu sáng sẽ trở nên dễ hòa tan (positive resist) hoặc khó hòa tan hơn (negative resist).

Sau bước chiếu sáng, wafer được rửa bằng dung môi gọi là developer. Quá trình này sẽ hiện hình ảnh mẫu trên lớp photoresist. Phần còn lại của lớp photoresist sau khi hiện ảnh sẽ đóng vai trò mặt nạ che chắn trong các bước xử lý tiếp theo như khắc plasma hoặc cấy ion. Toàn bộ chu trình đòi hỏi độ chính xác cực cao về vị trí, liều lượng ánh sáng và thời gian xử lý.

Các thành phần chính trong hệ thống quang khắc

Một hệ thống quang khắc tiêu chuẩn bao gồm nhiều thành phần hoạt động đồng bộ để đảm bảo việc truyền mẫu chính xác từ mask lên wafer. Dưới đây là các thành phần cơ bản:

• Wafer: nền silicon hoặc vật liệu khác, là nơi chứa các linh kiện vi điện tử
• Photoresist: vật liệu nhạy sáng có thể thay đổi tính chất hóa học khi bị chiếu sáng
• Mask/Reticle: mặt nạ chứa mẫu thiết kế; mask toàn cỡ dùng cho chiếu song song, reticle thu nhỏ dùng cho chiếu thu phóng
• Nguồn sáng: thường là tia cực tím với bước sóng cụ thể, từ 365 nm đến 13.5 nm (EUV)
• Hệ quang học: gồm thấu kính, gương, và hệ thống chỉnh tia để định hình và dẫn hướng chùm sáng

Bảng dưới đây so sánh vai trò của các thành phần chính:

Thành phần	Chức năng chính
Wafer	Làm nền để tạo mạch tích hợp
Photoresist	Chịu tác động của ánh sáng để tạo hoa văn
Mask/Reticle	Định hình mẫu cần chuyển sang wafer
Nguồn sáng	Cung cấp năng lượng để kích hoạt phản ứng quang hóa
Hệ quang học	Điều chỉnh độ phân giải, vị trí và hình dạng chùm sáng

Phân loại quang khắc theo bước sóng

Kỹ thuật quang khắc được phân loại dựa trên bước sóng ánh sáng sử dụng. Bước sóng càng nhỏ thì khả năng tạo mẫu càng tinh vi, nhờ vào giới hạn nhiễu xạ được giảm thiểu. Trong công nghiệp vi mạch hiện đại, các hệ thống chiếu sáng dùng laser và hệ quang học đặc biệt để đạt độ phân giải cực cao.

Các loại quang khắc phổ biến theo bước sóng:

• G-line: bước sóng 436 nm (tia thủy ngân), sử dụng cho các mẫu lớn, ít chính xác
• I-line: bước sóng 365 nm, nâng cao độ phân giải
• Deep UV (DUV): bước sóng 248 nm (KrF) hoặc 193 nm (ArF), cho phép tạo mẫu dưới 100 nm
• Extreme UV (EUV): bước sóng 13.5 nm, dùng trong công nghệ chip 5 nm và nhỏ hơn

Độ phân giải $R$ của một hệ thống quang khắc có thể ước lượng bằng công thức Rayleigh: $R = k_1 \cdot \frac{\lambda}{NA}$ trong đó $\lambda$ là bước sóng ánh sáng, $NA$ là khẩu độ số của hệ quang học, và $k_1$ là hệ số công nghệ phụ thuộc vào cấu hình hệ thống. Để cải thiện độ phân giải, người ta giảm bước sóng, tăng khẩu độ số hoặc tối ưu mặt nạ.

Vai trò trong công nghệ bán dẫn

Quang khắc là công đoạn trung tâm và lặp đi lặp lại trong chuỗi quy trình sản xuất vi mạch tích hợp. Mỗi lớp của một con chip – từ các lớp kim loại dẫn điện đến lớp transistor logic – đều được định hình bằng kỹ thuật quang khắc. Một chip hiện đại có thể trải qua 30–50 chu kỳ quang khắc, mỗi chu kỳ tương ứng với một lớp mạch điện riêng biệt.

Độ chính xác của từng bước quang khắc quyết định mật độ transistor, năng suất, tốc độ xử lý và tiêu thụ điện năng của sản phẩm cuối cùng. Sai số nhỏ trong căn chỉnh (alignment) có thể dẫn đến lỗi logic, làm giảm hiệu suất hoặc khiến chip không hoạt động. Do đó, hệ thống quang khắc hiện đại phải kiểm soát được các yếu tố như rung, nhiệt, ánh sáng tán xạ và bụi ở cấp độ nanomet.

Các nhà sản xuất bán dẫn lớn như Intel, TSMC, và Samsung sử dụng quang khắc để tạo ra các thế hệ chip từ 10 nm, 7 nm cho đến 3 nm. Công nghệ quang khắc càng tiên tiến thì khả năng sản xuất chip hiệu năng cao, kích thước nhỏ, tiêu hao năng lượng thấp càng lớn. Xem thêm tại IBM Research về công nghệ chip 2 nm dựa trên quang khắc EUV.

Quang khắc EUV (Extreme Ultraviolet)

Quang khắc EUV là bước nhảy vọt trong công nghệ chế tạo bán dẫn, sử dụng ánh sáng có bước sóng 13.5 nm – nhỏ hơn nhiều so với các hệ thống deep UV (193 nm). Nhờ bước sóng ngắn, EUV có thể tạo mẫu ở mức dưới 7 nm mà không cần kỹ thuật patterning nhiều lần (multiple patterning), giảm đáng kể độ phức tạp và chi phí xử lý.

Tuy nhiên, việc vận hành hệ thống EUV đòi hỏi các điều kiện đặc biệt:

• Toàn bộ hệ thống phải hoạt động trong chân không tuyệt đối, vì ánh sáng EUV bị hấp thụ bởi không khí
• Không sử dụng thấu kính thủy tinh thông thường, thay vào đó là hệ gương đa lớp phản xạ
• Yêu cầu nguồn sáng cực mạnh – dùng plasma sinh ra bởi laser CO₂

Bảng so sánh giữa DUV và EUV:

Tiêu chí	DUV (193 nm)	EUV (13.5 nm)
Độ phân giải	~20 nm (với multiple patterning)	< 10 nm
Số bước xử lý	Nhiều (khó kiểm soát lỗi)	Ít hơn, đơn giản hơn
Chi phí thiết bị	Thấp hơn	Rất cao
Nhà cung cấp	Nhiều hãng	ASML (độc quyền)

EUV hiện đang được triển khai trong sản xuất chip 5 nm, 3 nm và là chìa khóa để tiến tới các thế hệ 2 nm hoặc nhỏ hơn trong tương lai gần.

Các kỹ thuật nâng cao trong quang khắc

Khi bước sóng ánh sáng không thể tiếp tục giảm vì giới hạn vật lý, các kỹ thuật cải tiến được phát triển để tăng độ phân giải mà không cần thay đổi bước sóng. Những kỹ thuật này cho phép duy trì định luật Moore trong giai đoạn chuyển tiếp giữa DUV và EUV.

Một số kỹ thuật nâng cao gồm:

• Immersion lithography: sử dụng chất lỏng có chiết suất cao (thường là nước tinh khiết) giữa thấu kính và wafer để tăng khẩu độ số $NA$
• Multiple patterning: chia mẫu ra thành nhiều bước quang khắc và căn chỉnh chồng lớp chính xác
• Phase-shift mask (PSM): cải thiện độ tương phản bằng cách điều chỉnh pha ánh sáng truyền qua mask
• Optical proximity correction (OPC): điều chỉnh mẫu mask để bù cho hiệu ứng nhiễu xạ

Những phương pháp này được kết hợp với thuật toán mô phỏng quang học và học máy để tối ưu hóa mẫu thiết kế và đảm bảo hoa văn được tạo ra giống như mong muốn, ngay cả khi vượt qua giới hạn nhiễu xạ cổ điển.

Hạn chế và thách thức kỹ thuật

Dù mang lại độ phân giải cao và độ chính xác tuyệt vời, quang khắc vẫn đối mặt với nhiều thách thức trong triển khai quy mô lớn:

• Chi phí đầu tư rất cao, đặc biệt là với hệ thống EUV
• Độ chính xác về vị trí cần đạt mức nanomet khi chồng lớp (overlay)
• Hiệu ứng nhiễu xạ khiến hình ảnh trên wafer không hoàn toàn giống mask
• Vật liệu photoresist phải đáp ứng yêu cầu phân giải, độ nhạy và độ bền cao cùng lúc

Bên cạnh đó, năng suất thấp của hệ thống EUV do nguồn sáng yếu cũng là trở ngại. Việc bảo trì, căn chỉnh, và hoạt động trong môi trường chân không yêu cầu trình độ kỹ thuật cao và hệ thống hỗ trợ phức tạp. Các nhóm nghiên cứu đang phát triển resist thế hệ mới, mô hình học sâu cho thiết kế mask, và giải pháp quang học thích nghi để vượt qua những giới hạn này.

Ứng dụng ngoài bán dẫn

Quang khắc không chỉ giới hạn trong ngành sản xuất chip mà còn có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như công nghệ MEMS (vi cơ điện tử), lab-on-a-chip, cảm biến sinh học và quang học tích hợp. Kỹ thuật này giúp chế tạo các cấu trúc vi mô có hình dạng và độ chính xác theo thiết kế, phù hợp cho các hệ thống vi lưu (microfluidics) hoặc cảm biến quang học.

Ví dụ:

• Chế tạo vi kênh để phân tích hóa học trong thiết bị y sinh
• Tạo thấu kính vi mô cho máy ảnh di động hoặc thiết bị AR/VR
• In cấu trúc nano để tạo bề mặt chống bám nước, chống phản xạ

Tại các trung tâm nghiên cứu như MIT hoặc Caltech, quang khắc đang được ứng dụng để tạo ra nền tảng cảm biến y tế, cảm biến sinh học tích hợp, và robot mềm có cấu trúc microfluidic bên trong.

Kết luận

Quang khắc là công nghệ cốt lõi trong ngành vi điện tử, cho phép chế tạo các linh kiện điện tử với độ phân giải cao, mật độ lớn và hiệu năng tối ưu. Từ công nghệ G-line cổ điển đến EUV hiện đại, quá trình này đã tiến hóa không ngừng để đáp ứng yêu cầu thu nhỏ ngày càng khắt khe của ngành công nghiệp.

Trong tương lai, sự kết hợp giữa quang khắc và các công nghệ mô phỏng, trí tuệ nhân tạo, vật liệu mới sẽ giúp vượt qua giới hạn vật lý hiện tại. Quang khắc sẽ tiếp tục là trụ cột trong tiến trình phát triển công nghệ nano, y học chính xác và các hệ thống điện tử thế hệ tiếp theo.