Tâm điểm không phải máy quang khắc, mà là đo lường

Sản xuất chip tiên tiến đang phải kiểm tra các cấu trúc ba chiều phức tạp hơn cùng những khuyết tật có kích thước ngày càng nhỏ. Quang khắc EUV sử dụng ánh sáng bước sóng 13,5 nm, trong khi các hệ thống đo lường DUV truyền thống thường làm việc ở 193 nm hoặc 248 nm. Khi kích thước tới hạn, khuyết tật trên mặt nạ và cấu trúc transistor tiếp tục thu nhỏ, thiết bị kiểm tra cần đạt độ phân giải không gian cao hơn nhưng vẫn phải bảo đảm tốc độ, độ ổn định và khả năng đo không gây tổn hại cho mẫu.5532

Điều đang hình thành tại Trung Quốc không phải là một máy quang khắc EUV nội địa đã hoàn tất xác nhận sản xuất hàng loạt. Đúng hơn, đó là một hệ sinh thái xoay quanh đo lường và kiểm tra EUV. Các điểm tham gia có thể trải rộng từ nguồn sáng, gương phản xạ, buồng chân không, detector, bàn chuyển động chính xác đến thuật toán tái tạo hình ảnh và phần mềm kiểm soát quy trình.

Kết quả thương mại hóa thực sự vẫn phụ thuộc vào việc những linh kiện này có thể được tích hợp thành một hệ thống vận hành lâu dài, hiệu chuẩn được và tạo ra vòng phản hồi dữ liệu với quy trình tại nhà máy wafer hay không.

Vì sao transistor GAA cần kiểm tra EUV độ phân giải cao?

Khi ngành bán dẫn chuyển từ FinFET sang transistor gate-all-around (GAA, cổng bao quanh toàn bộ), kênh dẫn, cổng và các lớp giao diện mang đặc trưng ba chiều rõ rệt hơn. Một số cấu trúc quan trọng còn nằm bên dưới lớp phủ hoặc tại các giao diện vật liệu.

Nếu chỉ quan sát bề mặt, phương pháp kiểm tra truyền thống có thể khó xác định đầy đủ kích thước tới hạn, biên dạng thành bên, độ lệch giữa các lớp và khuyết tật bị chôn vùi. Các báo cáo công khai xem GAA là một trong những yếu tố thúc đẩy nhu cầu về phương pháp đo không tiếp xúc, độ phân giải cao hơn.8

Giá trị của EUV 13,5 nm không chỉ nằm ở việc “bước sóng ngắn hơn”. Trong phép đo tán xạ, kích thước khuyết tật và bước sóng chiếu sáng đều ảnh hưởng mạnh đến cường độ tín hiệu. Bước sóng ngắn hơn có thể tăng độ nhạy với khuyết tật cỡ nano, nhưng hiệu quả cuối cùng còn phụ thuộc vào công suất nguồn, hệ quang học, nhiễu detector, vật liệu mẫu và thuật toán tái tạo.18

Các kỹ thuật như đo tán xạ, ảnh nhiễu xạ kết hợp (CDI) và ảnh phản xạ có thể suy ra thông số cấu trúc từ tín hiệu nhiễu xạ, thay vì dùng đầu dò tiếp xúc trực tiếp với wafer. Phòng thí nghiệm Vật lý và Công nghệ quốc gia Mỹ (NIST) đã sử dụng nguồn HHG EUV để bàn đo các cấu trúc đường–khoảng trống nhỏ hơn 50 nm. Một nghiên cứu khác cho thấy đo tán xạ EUV có độ nhạy cấp đơn nanomet với các đặc trưng nằm ngoài mặt phẳng của cấu trúc liên kết hai chiều.3334

Mặt nạ EUV cần được kiểm tra ở “đúng bước sóng”

Mặt nạ EUV không phải một tấm bản trong suốt đơn giản. Nó chứa các màng phản xạ đa lớp với cấu trúc phức tạp. Một số khuyết tật pha có thể khó đánh giá ở bước sóng khác, dù chúng đủ khả năng được in chuyển lên wafer.

Vì vậy, actinic inspection thường chỉ việc kiểm tra bằng chính bước sóng 13,5 nm được sử dụng trong quá trình phơi sáng EUV. Cách này giúp đánh giá trực tiếp hơn khả năng in được của khuyết tật. Các nghiên cứu liên quan cho rằng kiểm tra ở 13,5 nm đặc biệt quan trọng để nhận diện những khuyết tật pha trong mặt nạ đa lớp EUV.48

Đây cũng là lý do HHG nhận được nhiều sự chú ý. Nguồn HHG có thể tạo ra ánh sáng EUV với độ kết hợp không gian và thời gian cao, phù hợp với kính hiển vi tán xạ kết hợp, đo nhiễu xạ và chụp ảnh không thấu kính. Tài liệu công khai của Samsung từng giới thiệu hệ thống rà soát khuyết tật mặt nạ EUV sử dụng nguồn HHG độc lập, cho thấy HHG đã bước vào phạm vi thảo luận của các thiết bị chuyên dụng và hệ thống nghiên cứu.42

Bốn hướng nguồn sáng EUV và bài toán đánh đổi

LPP: công suất cao, nhưng độ phức tạp lớn

Nguồn plasma do laser tạo ra (LPP) thường dùng laser công suất cao bắn vào các giọt thiếc lỏng để tạo plasma EUV 13,5 nm. Đây là nguyên lý nền tảng trong hệ thống EUV thương mại của ASML.55

Ưu thế lớn nhất của LPP là công suất đầu ra gần hơn với yêu cầu của quang khắc và các hệ thống kiểm tra thông lượng cao. Đổi lại, hệ thống phải xử lý laser kích thích công suất lớn, điều khiển giọt thiếc, hạn chế mảnh vụn, bảo vệ gương thu sáng khỏi nhiễm bẩn, quản lý nhiệt và duy trì thời gian hoạt động.

Với thiết bị kiểm tra, LPP có thể mở ra dư địa thông lượng lớn hơn. Nhưng với doanh nghiệp mới, đây cũng là hướng đòi hỏi vốn đầu tư, năng lực kỹ thuật và dịch vụ hậu mãi cao nhất.

DPP: ứng viên nhỏ gọn hơn

Nguồn plasma do phóng điện tạo ra (DPP) hình thành plasma EUV thông qua phóng điện. Về lý thuyết, hệ thống có thể nhỏ gọn hơn các cơ sở gia tốc lớn và phù hợp với một số mức công suất của thiết bị đo lường. Các báo cáo liên quan đến Trung Quốc liệt kê DPP là một hướng đang được nghiên cứu trong nước.1726

Tuy nhiên, DPP vẫn phải giải quyết các vấn đề như hao mòn điện cực, mảnh vụn, độ ổn định của plasma, tuổi thọ nguồn và chu kỳ bảo trì. Việc tạo ra ánh sáng 13,5 nm mới chỉ là điều kiện cần; để phù hợp với dây chuyền, nguồn phải vận hành liên tục và ổn định trong thời gian dài.

FEL và synchrotron: mạnh cho nghiên cứu, khó triển khai trên dây chuyền

Laser electron tự do (FEL) và nguồn synchrotron có ưu điểm về độ sáng, độ kết hợp và khả năng điều chỉnh bước sóng. Chúng phù hợp với phép đo tham chiếu, nghiên cứu vật liệu, phân tích mặt nạ và phát triển quy trình.

Nhưng các nguồn này thường phụ thuộc vào cơ sở gia tốc lớn, có kích thước, chi phí và điều kiện vận hành không phù hợp để lắp đặt trực tiếp trên dây chuyền của một nhà máy chip thông thường.

Do đó, trong giai đoạn đầu, nguồn gia tốc nhiều khả năng đóng vai trò “chuẩn tham chiếu” và nền tảng nghiên cứu, cung cấp dữ liệu đối chiếu chất lượng cao cho các hệ thống đo nhỏ gọn hơn, thay vì lập tức thay thế thiết bị sản xuất trên dây chuyền.

SSMB: hướng dài hạn cho công suất trung bình cao

Công nghệ vi bó ổn định (SSMB) do Đại học Thanh Hoa dẫn dắt sử dụng chùm electron trong vòng lưu trữ. Chùm electron được điều biến bằng laser trong bộ uốn từ, sau đó hình thành các vi bó và duy trì cấu trúc này trong quá trình tuần hoàn.

Công trình chứng minh nguyên lý do Thanh Hoa công bố cho thấy cơ chế cơ bản của SSMB đã được trình diễn trong thực nghiệm. Các thiết kế tiếp theo đặt mục tiêu tạo bức xạ EUV 13,5 nm với công suất trung bình cao và băng thông hẹp.124

Điểm hấp dẫn của SSMB là ý tưởng kết hợp tần số lặp cao của vòng lưu trữ với độ sáng của bức xạ kết hợp. Một số tài liệu thiết kế đề xuất mục tiêu trên 1 kW cho mỗi thiết bị, nhưng đây là chỉ tiêu trong đề án và nghiên cứu kỹ thuật, không phải bằng chứng cho một nguồn sáng đã được xây dựng và chứng nhận trong nhà máy wafer.310

Những trở ngại chính gồm độ ổn định của chùm electron, điều biến laser, điều khiển vòng lưu trữ, chất lượng chùm, quy mô cơ sở và chi phí hệ thống. SSMB phù hợp hơn với vai trò một hướng dài hạn có thể thay đổi cách cung cấp EUV công suất cao, thay vì một giải pháp đo để bàn dễ triển khai ngay.

Vì sao HHG được xem là ứng viên quan trọng cho đo lường thế hệ mới?

Phát sinh điều hòa bậc cao (HHG) tập trung laser femto giây vào khí hoặc môi trường phù hợp để tạo ra các điều hòa trong vùng EUV đến tia X mềm.

So với nguồn plasma thiếc, HHG thường có các ưu điểm sau:

• Có tiềm năng để bàn: không cần cơ sở synchrotron lớn, phù hợp với phòng thí nghiệm và thiết bị đo chuyên dụng;
• Độ kết hợp cao: hỗ trợ ảnh nhiễu xạ kết hợp, đo tán xạ, ptychography và rà soát mặt nạ;
• Bước sóng linh hoạt: có thể lựa chọn dải bước sóng theo vật liệu, cấu trúc và mô hình đo;
• Ít rủi ro mảnh vụn hơn: không dựa vào plasma giọt thiếc, qua đó giảm áp lực kiểm soát nhiễm bẩn liên quan;
• Đặc tính siêu nhanh: phù hợp với phép đo phân giải theo thời gian và nghiên cứu vật liệu.3544

HHG đặc biệt phù hợp với các ứng dụng cần độ kết hợp cao nhưng chưa nhất thiết cần công suất lớn như nguồn quang khắc. NIST đã dùng nguồn HHG để bàn cho đo nhiễu xạ kích thước tới hạn EUV, còn nhiều nghiên cứu xem HHG là hướng nguồn quan trọng cho đo lường và chụp ảnh EUV.3335

Dù vậy, điểm yếu của HHG cũng rất rõ: hiệu suất chuyển đổi và công suất đầu ra thấp, trong khi độ ổn định chùm, khả năng vận hành dài hạn, tần số lặp, tổn hao quang học và thông lượng quét trên diện tích lớn vẫn cần được cải thiện.

Một phân tích kỹ thuật về kiểm tra toàn bộ mặt nạ EUV từng ước tính ứng dụng cụ thể có thể cần nguồn công suất khoảng 1–100 mW. Tuy nhiên, nhu cầu thay đổi theo độ nhạy khuyết tật, diện tích quét, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và thông lượng; không nên xem một con số công suất duy nhất là ngưỡng chung cho mọi thiết bị kiểm tra.51

Các tài liệu công khai cho biết ASML, Intel, Samsung và TSMC từng sử dụng hoặc đánh giá công nghệ đo lường liên quan đến HHG.1824 Điều này nên được hiểu là sự kiểm chứng tiềm năng của HHG trong các ứng dụng chuyên biệt và nghiên cứu, chứ chưa có nghĩa HHG đã thay thế phổ biến nguồn plasma trong mọi thiết bị kiểm tra công suất cao.

Hệ sinh thái nội địa Trung Quốc: từ nguồn sáng đến tích hợp hệ thống

Các báo cáo công khai nêu tên một nhóm doanh nghiệp Trung Quốc gồm Huaxin Aurora (华芯极光), Langdao Technology (朗道科技), Yunqi Jiyao (云栖极耀), Huari Laser (华日激光) và Haoyu Xinguang (皓宇芯光). Những doanh nghiệp này được mô tả là hoạt động ở các khâu nguồn sáng, laser, thiết bị và tích hợp hệ thống; Haoyu Xinguang tập trung vào hướng HHG.17

Trong giới đại học và nghiên cứu, chương trình SSMB của Đại học Thanh Hoa là một trong những hướng nguồn gia tốc được công khai rõ nhất. Thử nghiệm chứng minh nguyên lý từng được thực hiện cùng Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu và Năng lượng Helmholtz Berlin và Viện Vật lý Kỹ thuật Liên bang Đức. Điều đó cho thấy hướng này vẫn cần nền tảng sâu về khoa học gia tốc và đo lường, đồng thời còn hưởng lợi từ hợp tác quốc tế.214

Một hệ sinh thái bền vững còn phải bổ sung nhiều mắt xích ngoài nguồn sáng:

• gương phản xạ đa lớp EUV, buồng chân không và kiểm soát nhiễm bẩn;
• detector, bàn chuyển động chính xác, căn chỉnh, hiệu chuẩn và đo bức xạ;
• mô hình tán xạ, tái tạo hình ảnh, phân loại khuyết tật và phần mềm kiểm soát quy trình;
• phôi mặt nạ, màng bảo vệ, photoresist và cấu trúc kiểm thử quy trình wafer;
• hợp tác với nhà máy wafer để liên hệ kết quả đo với khả năng in, đặc tính điện của linh kiện và tỷ lệ đạt sản phẩm.

Nói cách khác, mức độ nội địa hóa không thể chỉ được đo bằng số doanh nghiệp nghiên cứu nguồn sáng EUV. Cần xem họ đã tạo ra được thiết bị hoàn chỉnh có thể bàn giao hay chưa, hệ thống hiệu chuẩn có ổn định không và dữ liệu sản xuất thực tế đã tạo thành vòng khép kín hay chưa.

Năm cánh cửa khó vượt từ nguyên mẫu đến thiết bị sản xuất

1. Công suất hữu dụng và thông lượng

Công suất do nguồn phát ra không đồng nghĩa với công suất tới được mẫu, được hệ quang học thu nhận và cuối cùng chuyển thành tín hiệu hữu ích. Thiết bị phải cân bằng giữa độ nhạy khuyết tật, diện tích quét, thời gian phơi sáng và nhiễu.

2. Độ ổn định dài hạn

Nhà máy chip cần thiết bị vận hành ổn định qua nhiều ca làm việc và nhiều tháng, không chỉ một hệ thống cho kết quả tốt trong thời gian ngắn. Bước sóng, liều chiếu, hướng chùm, độ kết hợp và đáp tuyến detector đều phải được giám sát, hiệu chuẩn và bảo trì.

3. Tuổi thọ nguồn và hệ thống

Các linh kiện plasma, laser, hệ chân không, gương phản xạ và detector đều ảnh hưởng đến chu kỳ bảo trì. Nhiễm bẩn do mảnh vụn, suy giảm hiệu năng quang học và chi phí thay thế linh kiện then chốt sẽ quyết định tổng chi phí sở hữu.

4. Kết quả đo phải liên hệ được với kết quả wafer

Một hình ảnh có độ phân giải cao chưa phải đích đến. Thiết bị phải chứng minh kích thước tới hạn, sai lệch chồng lớp hoặc đặc trưng khuyết tật đo được có thể dự báo khả năng in thực tế, hiệu năng linh kiện và tỷ lệ đạt sản phẩm. Nếu không, kết quả đo khó được đưa vào quy trình kiểm soát sản xuất.

5. Tích hợp quy trình và phần mềm

Đo lường EUV phải tương thích với mặt nạ, photoresist, màng mỏng, địa hình bề mặt wafer, hệ thống vận chuyển tự động, giao diện dữ liệu và hệ thống kiểm soát quy trình của nhà máy. Chu kỳ khách hàng đánh giá và chứng nhận kéo dài, các phép so sánh và dữ liệu vận hành tại hiện trường thường quan trọng hơn một lần trình diễn trong phòng thí nghiệm.3050

Đánh giá mức độ trưởng thành bằng những chỉ số nào?

Điều đáng theo dõi trong thời gian tới không phải chỉ là một nhóm nghiên cứu có tuyên bố tạo ra ánh sáng 13,5 nm hay chưa. Các chỉ số có thể kiểm chứng gồm:

• dữ liệu vận hành liên tục trong bao lâu;
• công suất hữu dụng tại mẫu và thông lượng quét thực tế;
• khả năng hiệu chuẩn kết quả kiểm tra khuyết tật;
• mức độ tương quan với electron beam, synchrotron hoặc kết quả đo điện trên wafer;
• việc nhà máy wafer đã thử nghiệm dài hạn và chứng nhận thiết bị hay chưa.

Dựa trên thông tin công khai hiện nay, lộ trình hợp lý có thể diễn ra theo từng giai đoạn: HHG trước hết đi vào nghiên cứu, rà soát mặt nạ và các thiết bị đo chuyên dụng; DPP cùng những nguồn plasma nhỏ gọn hơn tìm cơ hội trong một số ứng dụng trực tuyến; synchrotron và SSMB tiếp tục đảm nhiệm nghiên cứu nguồn sáng cao cấp và khoa học đo lường; còn LPP vẫn giữ vai trò quan trọng trong các tình huống đòi hỏi công suất và thông lượng cao nhất.

Vì vậy, hệ sinh thái đo lường EUV của Trung Quốc đã xuất hiện những dấu hiệu ban đầu, từ nghiên cứu nguồn sáng đến phát triển thiết bị và tích hợp hệ thống. Nhưng “hình thành hệ sinh thái” vẫn cách khá xa “sản xuất hàng loạt”. Thước đo quyết định không phải chỉ là tạo ra ánh sáng EUV 13,5 nm, mà là tích hợp nguồn sáng, quang học, detector, thuật toán, vật liệu quy trình và dữ liệu nhà máy wafer thành một công cụ sản xuất có thể vận hành ổn định trong thời gian dài.

Tâm điểm không phải máy quang khắc, mà là đo lường

Sản xuất chip tiên tiến đang phải kiểm tra các cấu trúc ba chiều phức tạp hơn cùng những khuyết tật có kích thước ngày càng nhỏ. Quang khắc EUV sử dụng ánh sáng bước sóng 13,5 nm, trong khi các hệ thống đo lường DUV truyền thống thường làm việc ở 193 nm hoặc 248 nm. Khi kích thước tới hạn, khuyết tật trên mặt nạ và cấu trúc transistor tiếp tục thu nhỏ, thiết bị kiểm tra cần đạt độ phân giải không gian cao hơn nhưng vẫn phải bảo đảm tốc độ, độ ổn định và khả năng đo không gây tổn hại cho mẫu.5532

Điều đang hình thành tại Trung Quốc không phải là một máy quang khắc EUV nội địa đã hoàn tất xác nhận sản xuất hàng loạt. Đúng hơn, đó là một hệ sinh thái xoay quanh đo lường và kiểm tra EUV. Các điểm tham gia có thể trải rộng từ nguồn sáng, gương phản xạ, buồng chân không, detector, bàn chuyển động chính xác đến thuật toán tái tạo hình ảnh và phần mềm kiểm soát quy trình.

Kết quả thương mại hóa thực sự vẫn phụ thuộc vào việc những linh kiện này có thể được tích hợp thành một hệ thống vận hành lâu dài, hiệu chuẩn được và tạo ra vòng phản hồi dữ liệu với quy trình tại nhà máy wafer hay không.

Vì sao transistor GAA cần kiểm tra EUV độ phân giải cao?

Khi ngành bán dẫn chuyển từ FinFET sang transistor gate-all-around (GAA, cổng bao quanh toàn bộ), kênh dẫn, cổng và các lớp giao diện mang đặc trưng ba chiều rõ rệt hơn. Một số cấu trúc quan trọng còn nằm bên dưới lớp phủ hoặc tại các giao diện vật liệu.

Nếu chỉ quan sát bề mặt, phương pháp kiểm tra truyền thống có thể khó xác định đầy đủ kích thước tới hạn, biên dạng thành bên, độ lệch giữa các lớp và khuyết tật bị chôn vùi. Các báo cáo công khai xem GAA là một trong những yếu tố thúc đẩy nhu cầu về phương pháp đo không tiếp xúc, độ phân giải cao hơn.8

Giá trị của EUV 13,5 nm không chỉ nằm ở việc “bước sóng ngắn hơn”. Trong phép đo tán xạ, kích thước khuyết tật và bước sóng chiếu sáng đều ảnh hưởng mạnh đến cường độ tín hiệu. Bước sóng ngắn hơn có thể tăng độ nhạy với khuyết tật cỡ nano, nhưng hiệu quả cuối cùng còn phụ thuộc vào công suất nguồn, hệ quang học, nhiễu detector, vật liệu mẫu và thuật toán tái tạo.18

Các kỹ thuật như đo tán xạ, ảnh nhiễu xạ kết hợp (CDI) và ảnh phản xạ có thể suy ra thông số cấu trúc từ tín hiệu nhiễu xạ, thay vì dùng đầu dò tiếp xúc trực tiếp với wafer. Phòng thí nghiệm Vật lý và Công nghệ quốc gia Mỹ (NIST) đã sử dụng nguồn HHG EUV để bàn đo các cấu trúc đường–khoảng trống nhỏ hơn 50 nm. Một nghiên cứu khác cho thấy đo tán xạ EUV có độ nhạy cấp đơn nanomet với các đặc trưng nằm ngoài mặt phẳng của cấu trúc liên kết hai chiều.3334

Mặt nạ EUV cần được kiểm tra ở “đúng bước sóng”

Mặt nạ EUV không phải một tấm bản trong suốt đơn giản. Nó chứa các màng phản xạ đa lớp với cấu trúc phức tạp. Một số khuyết tật pha có thể khó đánh giá ở bước sóng khác, dù chúng đủ khả năng được in chuyển lên wafer.

Vì vậy, actinic inspection thường chỉ việc kiểm tra bằng chính bước sóng 13,5 nm được sử dụng trong quá trình phơi sáng EUV. Cách này giúp đánh giá trực tiếp hơn khả năng in được của khuyết tật. Các nghiên cứu liên quan cho rằng kiểm tra ở 13,5 nm đặc biệt quan trọng để nhận diện những khuyết tật pha trong mặt nạ đa lớp EUV.48

Đây cũng là lý do HHG nhận được nhiều sự chú ý. Nguồn HHG có thể tạo ra ánh sáng EUV với độ kết hợp không gian và thời gian cao, phù hợp với kính hiển vi tán xạ kết hợp, đo nhiễu xạ và chụp ảnh không thấu kính. Tài liệu công khai của Samsung từng giới thiệu hệ thống rà soát khuyết tật mặt nạ EUV sử dụng nguồn HHG độc lập, cho thấy HHG đã bước vào phạm vi thảo luận của các thiết bị chuyên dụng và hệ thống nghiên cứu.42

Bốn hướng nguồn sáng EUV và bài toán đánh đổi

LPP: công suất cao, nhưng độ phức tạp lớn

Nguồn plasma do laser tạo ra (LPP) thường dùng laser công suất cao bắn vào các giọt thiếc lỏng để tạo plasma EUV 13,5 nm. Đây là nguyên lý nền tảng trong hệ thống EUV thương mại của ASML.55

Ưu thế lớn nhất của LPP là công suất đầu ra gần hơn với yêu cầu của quang khắc và các hệ thống kiểm tra thông lượng cao. Đổi lại, hệ thống phải xử lý laser kích thích công suất lớn, điều khiển giọt thiếc, hạn chế mảnh vụn, bảo vệ gương thu sáng khỏi nhiễm bẩn, quản lý nhiệt và duy trì thời gian hoạt động.

Với thiết bị kiểm tra, LPP có thể mở ra dư địa thông lượng lớn hơn. Nhưng với doanh nghiệp mới, đây cũng là hướng đòi hỏi vốn đầu tư, năng lực kỹ thuật và dịch vụ hậu mãi cao nhất.

DPP: ứng viên nhỏ gọn hơn

Nguồn plasma do phóng điện tạo ra (DPP) hình thành plasma EUV thông qua phóng điện. Về lý thuyết, hệ thống có thể nhỏ gọn hơn các cơ sở gia tốc lớn và phù hợp với một số mức công suất của thiết bị đo lường. Các báo cáo liên quan đến Trung Quốc liệt kê DPP là một hướng đang được nghiên cứu trong nước.1726

Tuy nhiên, DPP vẫn phải giải quyết các vấn đề như hao mòn điện cực, mảnh vụn, độ ổn định của plasma, tuổi thọ nguồn và chu kỳ bảo trì. Việc tạo ra ánh sáng 13,5 nm mới chỉ là điều kiện cần; để phù hợp với dây chuyền, nguồn phải vận hành liên tục và ổn định trong thời gian dài.

FEL và synchrotron: mạnh cho nghiên cứu, khó triển khai trên dây chuyền

Laser electron tự do (FEL) và nguồn synchrotron có ưu điểm về độ sáng, độ kết hợp và khả năng điều chỉnh bước sóng. Chúng phù hợp với phép đo tham chiếu, nghiên cứu vật liệu, phân tích mặt nạ và phát triển quy trình.

Nhưng các nguồn này thường phụ thuộc vào cơ sở gia tốc lớn, có kích thước, chi phí và điều kiện vận hành không phù hợp để lắp đặt trực tiếp trên dây chuyền của một nhà máy chip thông thường.

Do đó, trong giai đoạn đầu, nguồn gia tốc nhiều khả năng đóng vai trò “chuẩn tham chiếu” và nền tảng nghiên cứu, cung cấp dữ liệu đối chiếu chất lượng cao cho các hệ thống đo nhỏ gọn hơn, thay vì lập tức thay thế thiết bị sản xuất trên dây chuyền.

SSMB: hướng dài hạn cho công suất trung bình cao

Công nghệ vi bó ổn định (SSMB) do Đại học Thanh Hoa dẫn dắt sử dụng chùm electron trong vòng lưu trữ. Chùm electron được điều biến bằng laser trong bộ uốn từ, sau đó hình thành các vi bó và duy trì cấu trúc này trong quá trình tuần hoàn.

Công trình chứng minh nguyên lý do Thanh Hoa công bố cho thấy cơ chế cơ bản của SSMB đã được trình diễn trong thực nghiệm. Các thiết kế tiếp theo đặt mục tiêu tạo bức xạ EUV 13,5 nm với công suất trung bình cao và băng thông hẹp.124

Điểm hấp dẫn của SSMB là ý tưởng kết hợp tần số lặp cao của vòng lưu trữ với độ sáng của bức xạ kết hợp. Một số tài liệu thiết kế đề xuất mục tiêu trên 1 kW cho mỗi thiết bị, nhưng đây là chỉ tiêu trong đề án và nghiên cứu kỹ thuật, không phải bằng chứng cho một nguồn sáng đã được xây dựng và chứng nhận trong nhà máy wafer.310

Những trở ngại chính gồm độ ổn định của chùm electron, điều biến laser, điều khiển vòng lưu trữ, chất lượng chùm, quy mô cơ sở và chi phí hệ thống. SSMB phù hợp hơn với vai trò một hướng dài hạn có thể thay đổi cách cung cấp EUV công suất cao, thay vì một giải pháp đo để bàn dễ triển khai ngay.

Vì sao HHG được xem là ứng viên quan trọng cho đo lường thế hệ mới?

Phát sinh điều hòa bậc cao (HHG) tập trung laser femto giây vào khí hoặc môi trường phù hợp để tạo ra các điều hòa trong vùng EUV đến tia X mềm.

So với nguồn plasma thiếc, HHG thường có các ưu điểm sau:

• Có tiềm năng để bàn: không cần cơ sở synchrotron lớn, phù hợp với phòng thí nghiệm và thiết bị đo chuyên dụng;
• Độ kết hợp cao: hỗ trợ ảnh nhiễu xạ kết hợp, đo tán xạ, ptychography và rà soát mặt nạ;
• Bước sóng linh hoạt: có thể lựa chọn dải bước sóng theo vật liệu, cấu trúc và mô hình đo;
• Ít rủi ro mảnh vụn hơn: không dựa vào plasma giọt thiếc, qua đó giảm áp lực kiểm soát nhiễm bẩn liên quan;
• Đặc tính siêu nhanh: phù hợp với phép đo phân giải theo thời gian và nghiên cứu vật liệu.3544

HHG đặc biệt phù hợp với các ứng dụng cần độ kết hợp cao nhưng chưa nhất thiết cần công suất lớn như nguồn quang khắc. NIST đã dùng nguồn HHG để bàn cho đo nhiễu xạ kích thước tới hạn EUV, còn nhiều nghiên cứu xem HHG là hướng nguồn quan trọng cho đo lường và chụp ảnh EUV.3335

Dù vậy, điểm yếu của HHG cũng rất rõ: hiệu suất chuyển đổi và công suất đầu ra thấp, trong khi độ ổn định chùm, khả năng vận hành dài hạn, tần số lặp, tổn hao quang học và thông lượng quét trên diện tích lớn vẫn cần được cải thiện.

Một phân tích kỹ thuật về kiểm tra toàn bộ mặt nạ EUV từng ước tính ứng dụng cụ thể có thể cần nguồn công suất khoảng 1–100 mW. Tuy nhiên, nhu cầu thay đổi theo độ nhạy khuyết tật, diện tích quét, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và thông lượng; không nên xem một con số công suất duy nhất là ngưỡng chung cho mọi thiết bị kiểm tra.51

Các tài liệu công khai cho biết ASML, Intel, Samsung và TSMC từng sử dụng hoặc đánh giá công nghệ đo lường liên quan đến HHG.1824 Điều này nên được hiểu là sự kiểm chứng tiềm năng của HHG trong các ứng dụng chuyên biệt và nghiên cứu, chứ chưa có nghĩa HHG đã thay thế phổ biến nguồn plasma trong mọi thiết bị kiểm tra công suất cao.

Hệ sinh thái nội địa Trung Quốc: từ nguồn sáng đến tích hợp hệ thống

Các báo cáo công khai nêu tên một nhóm doanh nghiệp Trung Quốc gồm Huaxin Aurora (华芯极光), Langdao Technology (朗道科技), Yunqi Jiyao (云栖极耀), Huari Laser (华日激光) và Haoyu Xinguang (皓宇芯光). Những doanh nghiệp này được mô tả là hoạt động ở các khâu nguồn sáng, laser, thiết bị và tích hợp hệ thống; Haoyu Xinguang tập trung vào hướng HHG.17

Trong giới đại học và nghiên cứu, chương trình SSMB của Đại học Thanh Hoa là một trong những hướng nguồn gia tốc được công khai rõ nhất. Thử nghiệm chứng minh nguyên lý từng được thực hiện cùng Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu và Năng lượng Helmholtz Berlin và Viện Vật lý Kỹ thuật Liên bang Đức. Điều đó cho thấy hướng này vẫn cần nền tảng sâu về khoa học gia tốc và đo lường, đồng thời còn hưởng lợi từ hợp tác quốc tế.214

Một hệ sinh thái bền vững còn phải bổ sung nhiều mắt xích ngoài nguồn sáng:

• gương phản xạ đa lớp EUV, buồng chân không và kiểm soát nhiễm bẩn;
• detector, bàn chuyển động chính xác, căn chỉnh, hiệu chuẩn và đo bức xạ;
• mô hình tán xạ, tái tạo hình ảnh, phân loại khuyết tật và phần mềm kiểm soát quy trình;
• phôi mặt nạ, màng bảo vệ, photoresist và cấu trúc kiểm thử quy trình wafer;
• hợp tác với nhà máy wafer để liên hệ kết quả đo với khả năng in, đặc tính điện của linh kiện và tỷ lệ đạt sản phẩm.

Nói cách khác, mức độ nội địa hóa không thể chỉ được đo bằng số doanh nghiệp nghiên cứu nguồn sáng EUV. Cần xem họ đã tạo ra được thiết bị hoàn chỉnh có thể bàn giao hay chưa, hệ thống hiệu chuẩn có ổn định không và dữ liệu sản xuất thực tế đã tạo thành vòng khép kín hay chưa.

Năm cánh cửa khó vượt từ nguyên mẫu đến thiết bị sản xuất

1. Công suất hữu dụng và thông lượng

Công suất do nguồn phát ra không đồng nghĩa với công suất tới được mẫu, được hệ quang học thu nhận và cuối cùng chuyển thành tín hiệu hữu ích. Thiết bị phải cân bằng giữa độ nhạy khuyết tật, diện tích quét, thời gian phơi sáng và nhiễu.

2. Độ ổn định dài hạn

Nhà máy chip cần thiết bị vận hành ổn định qua nhiều ca làm việc và nhiều tháng, không chỉ một hệ thống cho kết quả tốt trong thời gian ngắn. Bước sóng, liều chiếu, hướng chùm, độ kết hợp và đáp tuyến detector đều phải được giám sát, hiệu chuẩn và bảo trì.

3. Tuổi thọ nguồn và hệ thống

Các linh kiện plasma, laser, hệ chân không, gương phản xạ và detector đều ảnh hưởng đến chu kỳ bảo trì. Nhiễm bẩn do mảnh vụn, suy giảm hiệu năng quang học và chi phí thay thế linh kiện then chốt sẽ quyết định tổng chi phí sở hữu.

4. Kết quả đo phải liên hệ được với kết quả wafer

Một hình ảnh có độ phân giải cao chưa phải đích đến. Thiết bị phải chứng minh kích thước tới hạn, sai lệch chồng lớp hoặc đặc trưng khuyết tật đo được có thể dự báo khả năng in thực tế, hiệu năng linh kiện và tỷ lệ đạt sản phẩm. Nếu không, kết quả đo khó được đưa vào quy trình kiểm soát sản xuất.

5. Tích hợp quy trình và phần mềm

Đo lường EUV phải tương thích với mặt nạ, photoresist, màng mỏng, địa hình bề mặt wafer, hệ thống vận chuyển tự động, giao diện dữ liệu và hệ thống kiểm soát quy trình của nhà máy. Chu kỳ khách hàng đánh giá và chứng nhận kéo dài, các phép so sánh và dữ liệu vận hành tại hiện trường thường quan trọng hơn một lần trình diễn trong phòng thí nghiệm.3050

Đánh giá mức độ trưởng thành bằng những chỉ số nào?

Điều đáng theo dõi trong thời gian tới không phải chỉ là một nhóm nghiên cứu có tuyên bố tạo ra ánh sáng 13,5 nm hay chưa. Các chỉ số có thể kiểm chứng gồm:

• dữ liệu vận hành liên tục trong bao lâu;
• công suất hữu dụng tại mẫu và thông lượng quét thực tế;
• khả năng hiệu chuẩn kết quả kiểm tra khuyết tật;
• mức độ tương quan với electron beam, synchrotron hoặc kết quả đo điện trên wafer;
• việc nhà máy wafer đã thử nghiệm dài hạn và chứng nhận thiết bị hay chưa.

Dựa trên thông tin công khai hiện nay, lộ trình hợp lý có thể diễn ra theo từng giai đoạn: HHG trước hết đi vào nghiên cứu, rà soát mặt nạ và các thiết bị đo chuyên dụng; DPP cùng những nguồn plasma nhỏ gọn hơn tìm cơ hội trong một số ứng dụng trực tuyến; synchrotron và SSMB tiếp tục đảm nhiệm nghiên cứu nguồn sáng cao cấp và khoa học đo lường; còn LPP vẫn giữ vai trò quan trọng trong các tình huống đòi hỏi công suất và thông lượng cao nhất.

Vì vậy, hệ sinh thái đo lường EUV của Trung Quốc đã xuất hiện những dấu hiệu ban đầu, từ nghiên cứu nguồn sáng đến phát triển thiết bị và tích hợp hệ thống. Nhưng “hình thành hệ sinh thái” vẫn cách khá xa “sản xuất hàng loạt”. Thước đo quyết định không phải chỉ là tạo ra ánh sáng EUV 13,5 nm, mà là tích hợp nguồn sáng, quang học, detector, thuật toán, vật liệu quy trình và dữ liệu nhà máy wafer thành một công cụ sản xuất có thể vận hành ổn định trong thời gian dài.