in thạch bản (lithography) – Bí mật của cuộc cách mạng silicon

Suốt chiều dài lịch sử công nghệ điện tử- số hóa, có một công nghệ “in” giúp khắc các khoang rỗng vào các phiến silicon, từ đó tạo ra các “bóng bán dẫn” trong những chiếc CPU bé tí tẹo ngày nay.

Bạn vẫn biết trong công nghệ nano, ta có hai cách tiếp cận với việc chế tạo các vật liệu ở kích thước nano: bottom-up cho phép bạn tạo ra các vật liệu nano bằng cách phát triển chúng từ các nguyên tử qua các quá trình lắng đọng, kết tụ và phát triển (ví dụ như các phương pháp hóa, …); top-down cho phép bạn tạo ra các cấu trúc nano bằng cách “phá hoại” các vật thể khối lớn, đơn giản như ta ăn mòn hay đập phá. Quang khắc nằm trong cách tiếp cận thứ hai.

Quang khắc là gì?

Quang khắc là kỹ thuật sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cản quang phủ trên bề mặt để tạo ra hình ảnh cần tạo..

Cây đàn kích cỡ hàng micromet
Cây đàn kích cỡ hàng micrometlithography

Ứng dụng của quang khắc

  • Chế tạo vi mạch điện tử trên phiến Si
  • Chế tạo các linh kiện vi cơ điện tử (MEMS)
  • Chế tạo các chi tiết vật liệu nhỏ trong ngành khoahọc và công nghệ vật liệu.

Quy trình công nghệ in thạch bản – Lithography

Bước đầu tiên là ta đặt 1 lớp vật liệu cản quang (màu xanh dương) lên bề mặt silicon. Tính chất vật liệu này sẽ bị thay đổi khi bị ánh sáng chiếu vào.

Bước tiếp theo là ta dùng chùm ánh sáng (thông thường là tia laser) vẽ lên bề mặt của lớp cản quang, biến chúng thành vật liệu khác có màu cam. Tùy loại cảm quang, nếu là positive resist (dương kháng) thì phần bị vẽ sẽ bị ăn mòn bởi loại hóa chất tráng rửa (cột bên trái).

Kế đến ta cho vào lò chân không, nung nóng kim loại đến mức bay hơi và ngưng tụ lại trên bề mặt tấm silicon (màu tím).

Bước cuối cùng là loại bỏ lớp cản quang bằng một loại hóa chất chuyên biệt, chỉ để lại phần kim loại trên bề mặt silicon.

Nguyên lý hệ quang khắcky thuat in quang khac photolithography

Bạn có thể tham khảo kỹ thuật in 3D lithophane với hiệu ứng 3D tương tự: https://blogin3d.com/cach-tao-anh-3d-tu-1-buc-hinh-duy-nhat.html#_Anh_3D_xuyen_sang_lithophane

Sản xuất chip nhớ trong thực tế

Chip (bộ nhớ, logic, vv.) được chế tạo bởi hai nhóm nhà sản xuất. Nhóm đầu tiên thiết kế và sản xuất các chip logic và thường được nhắc tới với tên Nhà Sản Xuất Thiết Bị Tích Hợp (Integrated Device Manufacturers – IDM). Hai trong số những công ty IDM lớn nhất ấy là Intel và Samsung. Nhóm thứ hai bao gồm các nhà sản xuất theo hợp đồng. Họ không thiết kế các con chip nhưng lại sản xuất chip cho các công ty khác. Một ví dụ nổi tiếng ấy là TSMC (Công ty hữu hạn chế tạo chất bán dẫn Đài Loan), đơn vị sản xuất chip cho những công ty như NVIDIA, Apple, AMD, Qualcomm, vv.
Những nhà sản xuất ấy chịu trách nhiệm cho toàn bộ quá trình chế tạo con chip (lúc đó nó được gọi là đĩa bán dẫn – wafer), một giai đoạn quan trọng trong quá trình này có tên gọi là Lithography (giai đoạn phơi sáng). Các cỗ máy của ASML phơi đĩa bán dẫn bằng bước sóng cực nhỏ để có thể tạo ra các bóng bán dẫn siêu nhỏ và các lớp kim loại cho những IC. Không có cỗ máy của ASML, chúng ta có thể quên đi niềm vui từ những con chip tốc độ, nhỏ bé với chi phí cực thấp mình vẫn sử dụng hằng ngày.
Về cách thức ASML giúp duy trì định luật Moore, hãy để tôi giới thiệu phương trình Rayleigh cho bạn:
CD = k1 λ / NA
Trong đó CD (Critical Dimension – Chiều Cốt Lõi) là kích thước tính năng (feature size) nhỏ nhất mà hệ thống có thể in ra được, λ là bước sóng của ánh sáng được sử dụng, NA là khẩu độ ống kính của hệ thống và k1 được coi là hệ số phân giải (resolution factor) chịu trách nhiệm cho tất cả các biến số khác trong quá trình. Tăng hệ số phân giải (từ đó giữ cho định luật Moore vẫn tồn tại được) và rồi chuyển sang việc sử dụng bước sóng ánh sáng ngắn hơn, tăng khẩu độ và / hoặc giảm k1. Sử dụng ánh sáng DUV (Deep UV) (λ = 193 nanomet), ASML có thể tạo ra được CD nhỏ hơn nhờ vào việc tăng NA (nhiều ống kính khác nhau hoặc ngâm vào nước) và sử dụng nhiều thủ thuật đúc khuôn khác nhau. Dù vậy, sau một hồi, bạn chỉ có thể cải thiện được một số thứ bằng ánh sáng DUV mà thôi.
Nếu nhìn lại phương trình Rayleigh, rõ ràng việc tiếp theo là giảm bước sóng (λ). Mong muốn được giữ cho Định Luật Moore tồn tại của ASML đã giúp họ đưa ra được ánh sáng EUV (Extreme UV) (λ = 13.5 nm). Tuy vậy, EUV tạo ra hàng tỷ thách thức mới mà người ta chưa từng phải đối mặt trước đó (không khí cũng như ống kính hấp thụ EUV nhé, từ đó người ta phải tận dụng chân không và cả những tấm gương nữa), một vài điều tôi sẽ không kể chi tiết trong này đâu.

Trên thực tế thì đây là một quá trình phức tạp, và các nhà máy cần hơn một chục cỗ máy khổng lồ để chế tạo chip, có giá hơn 70 triệu Mỹ cành cho mỗi máy. Có thể nói đây chính là các cỗ máy in tiền nghĩa đen của Intel, khi mà việc cần làm là đưa tấm silicon vào để in ra các con chip Intel bé xíu với giá trên trời.

May in silicon chip dien tu

Hiện nay, có vài kỹ thuật gia công cơ khí chính xác cao, CNC, EDM… có thể tạo hình vật thể với kích thước nano. Còn với các vật thể ở mức độ nhỏ 0.3mm- 3mm… người ta sử dụng các máy in 3D resin: https://blogin3d.com/may-in-3d-resin.html

avatar
  Subscribe  
Notify of