Mạnh Quân
Writer
Công nghệ in thạch bản EUV là nền tảng then chốt của sản xuất bán dẫn tiên tiến hiện nay. Tuy nhiên, đi cùng với việc EUV đã được thương mại hóa và triển khai rộng rãi trong hơn một thập kỷ, vẫn tồn tại một nút thắt kỹ thuật quan trọng chưa được giải quyết triệt để: lớp màng bảo vệ, còn gọi là màng chất cản quang EUV (pellicle). Việc sản xuất hàng loạt loại màng này với hiệu năng ổn định vẫn chưa hoàn tất.
Tại Diễn đàn ITF Japan 2025 diễn ra ngày 10/11/2025 tại Tokyo, nhiều báo cáo kỹ thuật đã tập trung vào những thách thức cốt lõi của hệ sinh thái EUV, trong đó màng cản quang được nhấn mạnh như một trong những vấn đề khó nhất. Các nội dung thảo luận không nhằm vào một quốc gia hay doanh nghiệp cụ thể, mà phản ánh tình trạng chung của toàn ngành bán dẫn.
Trong quy trình in thạch bản EUV, mặt nạ quang khắc là bộ phận mang hình mẫu mạch điện cần in lên wafer. Mặt nạ này có giá trị rất cao và cực kỳ nhạy cảm với bụi. Chỉ một hạt ô nhiễm kích thước nano cũng có thể tạo ra lỗi lặp lại trên hàng loạt chip. Vì lý do đó, một lớp màng mỏng được đặt phía trước mặt nạ để ngăn hạt bụi bám trực tiếp lên bề mặt mặt nạ. Nếu hạt bụi bám vào màng, chúng nằm ngoài tiêu điểm quang học và không tạo ra khuyết tật trên wafer.
Khó khăn nằm ở bản chất vật lý của ánh sáng EUV. Ánh sáng dùng trong EUV có bước sóng 13,5 nanomet, rất dễ bị hấp thụ và suy hao. Trong hệ thống EUV, ánh sáng không đi xuyên qua thấu kính như các thế hệ trước, mà liên tục phản xạ trên nhiều lớp gương rồi mới chiếu tới mặt nạ và quay trở lại wafer. Vì vậy, ánh sáng EUV phải đi qua lớp màng bảo vệ nhiều lần. Chỉ cần độ truyền quang của màng không đủ cao, tổng năng lượng đến wafer sẽ giảm mạnh, kéo theo suy giảm năng suất và độ phân giải.
Ngoài ra, nguồn EUV còn phát ra các thành phần ánh sáng không mong muốn như tia cực tím sâu. Để ngăn các thành phần này ảnh hưởng đến lớp chất cản quang trên wafer, hệ thống phải bổ sung thêm các lớp lọc như buồng khóa khí động. Mỗi lớp bổ sung đều làm giảm thêm cường độ ánh sáng hữu ích, khiến yêu cầu đối với màng cản quang càng trở nên khắt khe.
Trong nhiều năm qua, các lộ trình công nghệ cho thấy độ truyền quang của màng EUV đã được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, khi ánh sáng phải đi qua màng nhiều lần, tổng suy hao vẫn rất lớn. Điều này lý giải vì sao dù thiết bị EUV đã được triển khai rộng rãi, lớp màng bảo vệ vẫn chưa đạt trạng thái tối ưu cho sản xuất hàng loạt.
Một hướng nghiên cứu được quan tâm là sử dụng màng làm từ ống nano carbon. Vật liệu này có ưu điểm là rất mỏng và cho phép ánh sáng EUV truyền qua với tỷ lệ cao. Tuy nhiên, môi trường làm việc của EUV lại đặt ra thách thức nghiêm trọng cho loại màng này. Bên trong thiết bị EUV là môi trường chân không có khí hydro, được sử dụng để làm sạch bề mặt gương quang học khỏi các chất bẩn chứa carbon. Các gốc hydro sinh ra trong quá trình này không chỉ làm sạch gương mà còn dần ăn mòn chính các ống nano carbon.
Thực nghiệm cho thấy, nếu không có biện pháp bảo vệ, cấu trúc màng ống nano carbon có thể xuống cấp nhanh chóng sau thời gian chiếu EUV cường độ cao. Để cải thiện độ bền, các phương án phủ thêm lớp kim loại mỏng đã được thử nghiệm. Cách làm này giúp kéo dài tuổi thọ màng, nhưng đồng thời làm giảm độ truyền ánh sáng EUV. Như vậy, một mâu thuẫn cơ bản xuất hiện: tăng độ bền thì giảm hiệu suất quang học, còn tăng độ truyền quang thì tuổi thọ lại không đáp ứng yêu cầu sản xuất.
Hiện nay, các kết quả công bố cho thấy màng ống nano carbon có thể đạt độ truyền quang cao sau một lần chiếu, nhưng tuổi thọ mới chỉ dừng ở mức vài nghìn đến hơn mười nghìn wafer. Trong khi đó, sản xuất bán dẫn tiên tiến thường yêu cầu tuổi thọ màng cao hơn nhiều để đảm bảo hiệu quả kinh tế và ổn định vận hành. Khoảng cách này cho thấy việc thương mại hóa hoàn toàn màng EUV vẫn còn nhiều việc phải làm.
Thực tế sản xuất phản ánh rõ vấn đề này. Một số dây chuyền EUV vẫn vận hành trong điều kiện không sử dụng màng bảo vệ, chấp nhận việc phải vệ sinh mặt nạ thường xuyên hơn. Cách làm này giúp tránh suy hao ánh sáng, nhưng lại làm tăng thời gian dừng máy và rủi ro hư hại mặt nạ. Khi số lớp EUV trong một con chip ngày càng tăng, cách tiếp cận này bộc lộ nhiều hạn chế.
Sau gần mười năm kể từ khi EUV được đưa vào sản xuất, công nghệ này đã trở thành trụ cột của các tiến trình tiên tiến. Tuy vậy, lớp màng cản quang EUV vẫn là một bài toán mở. Đây không phải là vấn đề của riêng một quốc gia hay một doanh nghiệp, mà là giới hạn kỹ thuật chung của ngành vật liệu, quang học và chế tạo chính xác.
Trong bối cảnh nhu cầu về EUV tiếp tục tăng mạnh cùng với trí tuệ nhân tạo và các tiến trình ngày càng nhỏ, việc phát triển thành công màng cản quang EUV có độ truyền cao, tuổi thọ dài và khả năng sản xuất hàng loạt sẽ mang ý nghĩa chiến lược. Ai giải được bài toán này sẽ không chỉ cải thiện hiệu suất của EUV, mà còn góp phần định hình tương lai của toàn bộ ngành công nghiệp bán dẫn.
Tại Diễn đàn ITF Japan 2025 diễn ra ngày 10/11/2025 tại Tokyo, nhiều báo cáo kỹ thuật đã tập trung vào những thách thức cốt lõi của hệ sinh thái EUV, trong đó màng cản quang được nhấn mạnh như một trong những vấn đề khó nhất. Các nội dung thảo luận không nhằm vào một quốc gia hay doanh nghiệp cụ thể, mà phản ánh tình trạng chung của toàn ngành bán dẫn.
Trong quy trình in thạch bản EUV, mặt nạ quang khắc là bộ phận mang hình mẫu mạch điện cần in lên wafer. Mặt nạ này có giá trị rất cao và cực kỳ nhạy cảm với bụi. Chỉ một hạt ô nhiễm kích thước nano cũng có thể tạo ra lỗi lặp lại trên hàng loạt chip. Vì lý do đó, một lớp màng mỏng được đặt phía trước mặt nạ để ngăn hạt bụi bám trực tiếp lên bề mặt mặt nạ. Nếu hạt bụi bám vào màng, chúng nằm ngoài tiêu điểm quang học và không tạo ra khuyết tật trên wafer.
Khó khăn nằm ở bản chất vật lý của ánh sáng EUV. Ánh sáng dùng trong EUV có bước sóng 13,5 nanomet, rất dễ bị hấp thụ và suy hao. Trong hệ thống EUV, ánh sáng không đi xuyên qua thấu kính như các thế hệ trước, mà liên tục phản xạ trên nhiều lớp gương rồi mới chiếu tới mặt nạ và quay trở lại wafer. Vì vậy, ánh sáng EUV phải đi qua lớp màng bảo vệ nhiều lần. Chỉ cần độ truyền quang của màng không đủ cao, tổng năng lượng đến wafer sẽ giảm mạnh, kéo theo suy giảm năng suất và độ phân giải.
Ngoài ra, nguồn EUV còn phát ra các thành phần ánh sáng không mong muốn như tia cực tím sâu. Để ngăn các thành phần này ảnh hưởng đến lớp chất cản quang trên wafer, hệ thống phải bổ sung thêm các lớp lọc như buồng khóa khí động. Mỗi lớp bổ sung đều làm giảm thêm cường độ ánh sáng hữu ích, khiến yêu cầu đối với màng cản quang càng trở nên khắt khe.
Trong nhiều năm qua, các lộ trình công nghệ cho thấy độ truyền quang của màng EUV đã được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, khi ánh sáng phải đi qua màng nhiều lần, tổng suy hao vẫn rất lớn. Điều này lý giải vì sao dù thiết bị EUV đã được triển khai rộng rãi, lớp màng bảo vệ vẫn chưa đạt trạng thái tối ưu cho sản xuất hàng loạt.
Một hướng nghiên cứu được quan tâm là sử dụng màng làm từ ống nano carbon. Vật liệu này có ưu điểm là rất mỏng và cho phép ánh sáng EUV truyền qua với tỷ lệ cao. Tuy nhiên, môi trường làm việc của EUV lại đặt ra thách thức nghiêm trọng cho loại màng này. Bên trong thiết bị EUV là môi trường chân không có khí hydro, được sử dụng để làm sạch bề mặt gương quang học khỏi các chất bẩn chứa carbon. Các gốc hydro sinh ra trong quá trình này không chỉ làm sạch gương mà còn dần ăn mòn chính các ống nano carbon.
Thực nghiệm cho thấy, nếu không có biện pháp bảo vệ, cấu trúc màng ống nano carbon có thể xuống cấp nhanh chóng sau thời gian chiếu EUV cường độ cao. Để cải thiện độ bền, các phương án phủ thêm lớp kim loại mỏng đã được thử nghiệm. Cách làm này giúp kéo dài tuổi thọ màng, nhưng đồng thời làm giảm độ truyền ánh sáng EUV. Như vậy, một mâu thuẫn cơ bản xuất hiện: tăng độ bền thì giảm hiệu suất quang học, còn tăng độ truyền quang thì tuổi thọ lại không đáp ứng yêu cầu sản xuất.
Hiện nay, các kết quả công bố cho thấy màng ống nano carbon có thể đạt độ truyền quang cao sau một lần chiếu, nhưng tuổi thọ mới chỉ dừng ở mức vài nghìn đến hơn mười nghìn wafer. Trong khi đó, sản xuất bán dẫn tiên tiến thường yêu cầu tuổi thọ màng cao hơn nhiều để đảm bảo hiệu quả kinh tế và ổn định vận hành. Khoảng cách này cho thấy việc thương mại hóa hoàn toàn màng EUV vẫn còn nhiều việc phải làm.
Thực tế sản xuất phản ánh rõ vấn đề này. Một số dây chuyền EUV vẫn vận hành trong điều kiện không sử dụng màng bảo vệ, chấp nhận việc phải vệ sinh mặt nạ thường xuyên hơn. Cách làm này giúp tránh suy hao ánh sáng, nhưng lại làm tăng thời gian dừng máy và rủi ro hư hại mặt nạ. Khi số lớp EUV trong một con chip ngày càng tăng, cách tiếp cận này bộc lộ nhiều hạn chế.
Sau gần mười năm kể từ khi EUV được đưa vào sản xuất, công nghệ này đã trở thành trụ cột của các tiến trình tiên tiến. Tuy vậy, lớp màng cản quang EUV vẫn là một bài toán mở. Đây không phải là vấn đề của riêng một quốc gia hay một doanh nghiệp, mà là giới hạn kỹ thuật chung của ngành vật liệu, quang học và chế tạo chính xác.
Trong bối cảnh nhu cầu về EUV tiếp tục tăng mạnh cùng với trí tuệ nhân tạo và các tiến trình ngày càng nhỏ, việc phát triển thành công màng cản quang EUV có độ truyền cao, tuổi thọ dài và khả năng sản xuất hàng loạt sẽ mang ý nghĩa chiến lược. Ai giải được bài toán này sẽ không chỉ cải thiện hiệu suất của EUV, mà còn góp phần định hình tương lai của toàn bộ ngành công nghiệp bán dẫn.
