Giáo sư Tsumoru Shintake thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) đã đề xuất một công nghệ quang khắc cực tím (EUV) vượt qua tiêu chuẩn trong sản xuất chất bán dẫn.
Theo đó, công nghệ in thạch bản EUV dựa trên thiết kế này có thể hoạt động với các nguồn sáng EUV nhỏ hơn, giúp giảm chi phí và cải thiện đáng kể độ tin cậy cũng như tuổi thọ của máy. Công nghệ này cũng tiêu thụ ít hơn một phần mười công suất của các máy in thạch bản EUV thông thường, giúp ngành công nghiệp bán dẫn trở nên bền vững hơn với môi trường.
Công nghệ này đã trở nên khả thi nhờ giải quyết được hai vấn đề trước đây được coi là không thể vượt qua trong lĩnh vực này. Vấn đề đầu tiên liên quan đến hệ thống chiếu quang học mới chỉ gồm hai gương. Vấn đề thứ hai liên quan đến phương pháp mới để hướng ánh sáng EUV hiệu quả vào các mẫu logic trên gương phẳng (mặt nạ quang học) mà không chặn đường dẫn quang.
Các bộ xử lý giúp trí tuệ nhân tạo (AI) trở nên khả thi, các chip công suất thấp được sử dụng trong các thiết bị di động như điện thoại di động và bộ nhớ DRAM mật độ cao được sử dụng trong các máy móc đã trở nên không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta - tất cả các chip bán dẫn tiên tiến này đều được sản xuất bằng phương pháp quang khắc EUV. Tuy nhiên, việc sản xuất chất bán dẫn gặp phải thách thức do mức tiêu thụ điện năng cao và tính phức tạp của thiết bị, làm tăng đáng kể chi phí lắp đặt, bảo trì và tiêu thụ điện năng. Như Giáo sư Shintake đã nói, "Phát minh này là một công nghệ đột phá có thể giải quyết gần như hoàn toàn những vấn đề ít được biết đến này".
Thiết bị do giáo sư Tsumoru Shintake và các cộng sự phát triển chỉ sử dụng hai gương trong cấu hình chiếu sáng quang học, thay vì sáu gương như các hệ thống thông thường hiện nay. Tuy nhiên, thách thức của hệ thống là phải căn chỉnh gương theo một đường thẳng, đảm bảo duy trì hiệu suất cao mà không bị biến dạng như thường thấy với ánh sáng EUV.
Giáo sư Shintake đã giải quyết vấn đề này bằng cách đưa ra một phương pháp quang học chiếu sáng mới, được gọi là 'trường dòng kép', chiếu sáng mặt nạ ảnh gương phẳng bằng ánh sáng EUV từ phía trước mà không làm ảnh hưởng đến đường đi của quang học. Giáo sư Shintake giải thích: "Nếu bạn cầm hai đèn pin, mỗi tay một cái, và hướng chúng theo đường chéo vào một tấm gương trước mặt bạn ở cùng một góc, thì ánh sáng từ một đèn pin sẽ luôn chiếu vào đèn pin đối diện, điều này không thể chấp nhận được trong kỹ thuật in thạch bản. Nhưng nếu bạn di chuyển tay ra ngoài mà không thay đổi góc của đèn pin cho đến khi phần giữa được chiếu sáng hoàn hảo từ cả hai phía, thì ánh sáng có thể được phản xạ mà không va chạm với ánh sáng từ đèn pin đối diện". Vì hai nguồn sáng được định vị đối xứng và chiếu sáng mặt nạ ở cùng một góc, nên trung bình mặt nạ được chiếu sáng từ phía trước. Điều này cũng giảm thiểu hiệu ứng 3D của mặt nạ. Giáo sư Shintake giải thích: "Nó giống như quả trứng của Columbus, thoạt nhìn có vẻ không thể, nhưng khi đã giải quyết được, thì nó trở nên rất đơn giản".
Máy chiếu ở trung tâm của quá trình quang khắc EUV, chuyển hình ảnh mặt nạ quang học lên tấm wafer silicon, chỉ bao gồm hai gương phản chiếu, giống như một kính thiên văn. “Cấu hình này đơn giản đến mức không thể tưởng tượng được, vì máy chiếu thông thường cần ít nhất sáu gương phản chiếu. Điều này trở nên khả thi nhờ việc suy nghĩ lại cẩn thận về lý thuyết hiệu chỉnh quang sai của quang học. Đây là một chiến thắng của vật lý cổ điển trước vật lý lượng tử”, Giáo sư Shintake giải thích. “Hiệu suất đã được xác minh bằng phần mềm mô phỏng quang học (OpTaliX) và được đảm bảo là đủ để sản xuất các chất bán dẫn tiên tiến”.
Công nghệ quang khắc mới cũng cải thiện hiệu suất so với trước, khi cho phép hơn 10% năng lượng EUV ban đầu đến được wafer, so với khoảng 1% trong các thiết lập tiêu chuẩn.
OIST đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ này và dự kiến sẽ đưa vào sử dụng thực tế thông qua các thí nghiệm trình diễn. “Thị trường quang khắc EUV toàn cầu dự kiến sẽ tăng trưởng từ 8,9 tỷ USD vào năm 2024 lên 17,4 tỷ USD vào năm 2030, với tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm khoảng 12%. Bằng sáng chế này có tiềm năng tạo ra lợi ích kinh tế to lớn”, Giáo sư Shintake tóm tắt.
Gil Granot-Mayer, Phó chủ tịch điều hành OIST và là người đứng đầu OIST Innovation, cho biết, "OIST cam kết tạo ra khoa học tiên tiến có tác động đến nhân loại. Sáng kiến này nắm bắt được tinh thần của OIST là khám phá điều không thể và đưa ra các giải pháp độc đáo. Mặc dù chúng tôi vẫn còn một chặng đường dài để phát triển công nghệ này, nhưng chúng tôi cam kết sẽ làm như vậy. Chúng tôi hy vọng rằng công nghệ này từ Okinawa sẽ có tác động mang tính chuyển đổi đối với ngành công nghiệp bán dẫn và giúp giải quyết các vấn đề toàn cầu như tiêu thụ năng lượng và khử cacbon".