Photoresist: lớp vật liệu giúp chip máy tính thu nhỏ

Một lớp polymer mỏng đến mức gần như vô hình lại quyết định đường nét của nhiều mạch điện trên chip. Trong quang khắc, photoresist biến ánh sáng thành hoa văn tạm thời, để hóa chất có thể chuyển hoa văn ấy xuống wafer silicon. Câu hỏi quan trọng là: làm sao một lượng ánh sáng yếu ở bước sóng ngắn vẫn đủ tạo ra những chi tiết nhỏ và chính xác? [1]

Lời giải xuất hiện từ một thay đổi trong hóa học. Thay vì để mỗi photon chỉ gây ra một biến đổi nhỏ, các nhà nghiên cứu tạo ra photoresist có khả năng khuếch đại phản ứng: ánh sáng sinh acid, rồi acid thúc đẩy một chuỗi phản ứng tiếp theo. Phát minh này giúp tận dụng thiết bị quang khắc sẵn có trong giai đoạn ngành bán dẫn cần tiếp tục thu nhỏ linh kiện. [1]

Photoresist làm gì trên wafer?

Wafer silicon được phủ một lớp vật liệu mỏng, sau đó phủ thêm photoresist, tức màng polymer nhạy với ánh sáng. Thiết bị quang khắc chiếu tia tử ngoại có bước sóng xác định qua một mặt nạ mang hoa văn. Vùng photoresist nhận ánh sáng sẽ thay đổi tính chất hóa học, trở nên dễ tan hơn hoặc khó tan hơn trong dung dịch hiện ảnh, tùy loại quy trình. [1]

Sau khi hiện ảnh, phần photoresist còn lại trở thành lớp che tạm thời. Hóa chất khắc loại bỏ những vùng của lớp vật liệu bên dưới không được bảo vệ, nhờ đó hoa văn từ mặt nạ được chuyển xuống wafer. Các vòng phủ, chiếu sáng, hiện ảnh và khắc lặp lại nhiều lần, cùng những bước xử lý khác, để tạo nên mạch tích hợp. Có thể hình dung photoresist như giấy nến dùng một lần, nhưng đường cắt được thay bằng phản ứng của ánh sáng và hóa học. [1]

Vì sao cần ánh sáng bước sóng ngắn?

Cuối thập niên 1970, quang khắc thường dùng ánh sáng tử ngoại gần và tử ngoại trung, trong đó có các bước sóng 365 và 313 nanomet. Các nhà sản xuất nhận ra rằng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn, thuộc vùng tử ngoại sâu, có thể tạo những chi tiết nhỏ hơn. Điều đó rất quan trọng khi ngành bán dẫn muốn đưa nhiều linh kiện hơn lên cùng một diện tích silicon. [1]

Vấn đề nằm ở cường độ nguồn sáng. Trong các thiết bị dùng đèn thủy ngân, mức phát xạ tại 248 nanomet thấp hơn nhiều so với những vùng tử ngoại dài hơn. Photoresist thông thường vì thế không đủ nhạy; kéo dài thời gian phơi sáng sẽ khiến nhà máy vận hành quá chậm. IBM từng dùng photoresist DNQ-Novolac được điều chỉnh cho bước sóng 313 nanomet như một giải pháp chuyển tiếp, nhằm kéo dài thời gian sử dụng thiết bị hiện có. [1]

Khuếch đại hóa học diễn ra ra sao?

Ý tưởng mới là biến một sự kiện hấp thụ photon thành điểm khởi đầu của phản ứng dây chuyền. Photoresist chứa chất tạo acid quang hóa. Khi nhận ánh sáng, chất này giải phóng acid; acid lại xúc tác cho nhiều phản ứng trong polymer. Nhờ vậy, một lượng ánh sáng nhỏ có thể tạo ra biến đổi hóa học lớn hơn tại vùng đã chiếu. [1]

Thử nghiệm ban đầu với polyphthalaldehyde cho thấy nguyên lý này có thể hoạt động, nhưng polymer phân hủy quá mạnh, bay hơi và không chịu được hóa chất khắc. Hướng thực tế hơn dùng polymer PHOST gắn nhóm bảo vệ tBOC. Sau khi phơi sáng, wafer được gia nhiệt. Acid xúc tác việc tách nhóm tBOC, còn các sản phẩm phản ứng tiếp tục hỗ trợ những lần tách tiếp theo. Đó là cơ chế khuếch đại hóa học của photoresist. [1]

Điều gì xảy ra khi đưa vật liệu vào nhà máy?

Hỗn hợp photoresist tBOC cho độ nhạy với tia tử ngoại sâu tăng khoảng 100 đến 200 lần, trong khi mục tiêu ban đầu là cải thiện 30 lần. Kết quả mở ra khả năng dùng nguồn sáng 248 nanomet yếu hơn mà chưa phải thay ngay toàn bộ thiết bị. Năm 1983, IBM thúc đẩy việc áp dụng vật liệu này cho quy trình chế tạo DRAM 1M với quy tắc thiết kế 1 micromet. [1]

Thí nghiệm trong phòng chưa cho thấy hết khó khăn sản xuất. Độ nhạy của photoresist thay đổi mạnh, đôi khi một lớp “da” hình thành trên bề mặt và không thể hiện ảnh đúng, dù phần bên dưới vẫn hoạt động. Các thử nghiệm tại nhà máy cho thấy chất gây rối đến từ không khí. Khi wafer được giữ trong môi trường đã lọc, độ nhạy ổn định hơn và lớp da biến mất. Vì vậy, quy trình sản xuất phải kiểm soát không khí từ lúc phủ photoresist đến khi đưa wafer vào thiết bị quang khắc. [1]

Vì sao phát minh này có ý nghĩa lâu dài?

Photoresist khuếch đại hóa học giải quyết đồng thời bài toán độ nhạy, độ phân giải và tốc độ sản xuất. Nó cho phép ánh sáng 248 nanomet tạo hoa văn nhanh hơn mà không cần nguồn sáng mạnh lên tương ứng, đồng thời giúp các thiết bị quang khắc đắt tiền tiếp tục được khai thác. Đến năm 1986, IBM đã sản xuất hàng triệu chip DRAM 1M phụ thuộc vào photoresist tBOC và quy trình kiểm soát không khí. [1]

IBM ban đầu giữ vật liệu tBOC và cách xử lý không khí như lợi thế riêng. Tuy nhiên, bằng sáng chế năm 1982 chỉ bao phủ vật liệu tBOC cụ thể, không bao trùm toàn bộ ý tưởng photoresist khuếch đại hóa học. Đầu thập niên 1990, các nhà sản xuất thương mại đã đưa những phiên bản photoresist tử ngoại sâu khác ra thị trường. Về sau, IBM chuyển giao các thế hệ vật liệu tiếp theo ra bên ngoài, giúp công nghệ tiếp tục phát triển. Từ đó, lớp polymer mỏng trên wafer không còn là phần phụ của quy trình: nó trở thành một trong những yếu tố đặt giới hạn cho kích thước của mạch điện. [1]