LITHOGRAPHY – CÔNG NGHỆ IN ẤN Ở CẤP ĐỘ NGUYÊN TỬ

Hùng Vũ

Sun, 24 Aug 2025

Bạn có bao giờ thắc mắc: Làm sao để hàng tỷ transistor có thể nằm gọn trong một miếng silicon chỉ nhỏ bằng đầu ngón tay? Điều đó hoàn toàn không thể xảy ra nếu không có lithography – quy trình “vẽ” lên bề mặt silicon với độ chính xác tuyệt đối, giúp xác định mọi cấu trúc vi mô như gate, contact, via hay metal line.

1. Lithography là gì?

Lithography là quy trình truyền thiết kế vi mạch từ một tấm mask (mặt nạ) xuống bề mặt wafer silicon, thông qua một lớp vật liệu gọi là photoresist. Quá trình này gần giống như in một bản thiết kế siêu nhỏ lên silicon.

Lý do lithography quan trọng đến vậy là vì:
Càng in được những chi tiết nhỏ hơn → càng nhồi được nhiều transistor hơn → chip càng mạnh, tiết kiệm điện và nhỏ gọn hơn.

2. Các bước chính trong quy trình Lithography

Phủ lớp cảm quang (Spin-Coating)

Wafer được quay ly tâm để phủ đều một lớp photoresist – loại vật liệu sẽ phản ứng với ánh sáng để tạo ra hình ảnh mong muốn.

Chiếu sáng (Exposure)

Tia sáng cực tím (UV hoặc EUV) được chiếu xuyên qua mask – tấm chứa thiết kế của mạch – để tác động lên lớp resist.

Nướng sau chiếu (Post-Exposure Bake)

Wafer được nung nhẹ để ổn định cấu trúc hoá học sau khi tiếp xúc với ánh sáng.

Hiển thị hình ảnh (Developing)

Tùy vào loại resist, vùng đã tiếp xúc ánh sáng sẽ bị loại bỏ hoặc giữ lại – giúp tạo nên các phần “rỗng” hoặc “lồi” đúng theo bản thiết kế.

Kiểm tra & Chuyển sang khắc (Inspection / Etching)

Sau khi có hình ảnh rõ nét trên photoresist, wafer sẽ được kiểm tra và đưa sang bước etching để khắc hình ảnh này xuống lớp vật liệu bên dưới.

3. Hai loại Photoresist phổ biến

• Positive Resist: vùng bị chiếu sáng sẽ bị loại bỏ, tạo ra vùng trống theo hình mask.
• Negative Resist: vùng bị chiếu sáng sẽ được giữ lại, vùng không chiếu sẽ bị rửa trôi.

Việc chọn loại resist phù hợp phụ thuộc vào thiết kế cụ thể và yêu cầu về độ chính xác hình ảnh.

4. Các công nghệ Lithography hiện đại

DUV (Deep Ultraviolet Lithography)

• Sử dụng tia laser Argon Fluoride (ArF) với bước sóng 193 nm.
• Áp dụng phổ biến cho các chip có kích thước transistor từ ~20nm trở lên.
• Để đạt chi tiết nhỏ hơn, có thể kết hợp với:
• Immersion Lithography: dùng nước giữa lens và wafer để tăng độ phân giải.
• Multiple Patterning: chia hình ảnh ra nhiều lần in để tạo chi tiết mảnh hơn.

EUV (Extreme Ultraviolet Lithography)

• Sử dụng tia EUV có bước sóng 13.5 nm – nhỏ hơn nhiều so với DUV.
• Cho phép in trực tiếp các chi tiết <5nm mà không cần nhiều lần pattern.
• Tuy nhiên, rất đắt đỏ và phức tạp:
• Yêu cầu chân không tuyệt đối,
• Hệ gương đặc biệt,
• Nguồn sáng plasma cực kỳ mạnh.
• Mỗi máy EUV có giá có thể lên tới hơn 150 triệu USD!

5. Một số kỹ thuật hỗ trợ Lithography

• Mask Alignment: căn chỉnh chính xác giữa các lớp thiết kế khi in chồng.
• OPC (Optical Proximity Correction): hiệu chỉnh hình mask để bù lại hiệu ứng méo quang học khi chiếu sáng.
• Double / Triple Patterning: chia hình ảnh ra in 2–3 lần để đạt chi tiết nhỏ hơn.
• DSA (Directed Self-Assembly): sử dụng các vật liệu có khả năng tự sắp xếp theo mẫu định trước để hỗ trợ patterning.

6. Những thách thức lớn trong Lithography

Giới hạn độ phân giải (Resolution Limit)

Ánh sáng chỉ có thể in được những chi tiết lớn hơn bước sóng của nó → với DUV (193nm), rất khó in chi tiết <20nm → cần chuyển sang EUV hoặc kết hợp nhiều kỹ thuật phụ trợ.

Lỗi chồng lớp (Overlay Error)

Nếu các lớp bị in lệch nhau dù chỉ vài nanomet → có thể gây ngắn mạch hoặc hỏng mạch logic.

Bụi và lỗi bề mặt (Defect & Particles)

Chỉ cần một hạt bụi nhỏ xíu cũng có thể khiến cả die (chip) bị lỗi – dẫn đến tỷ lệ hỏng cao.

Chi phí cực kỳ đắt đỏ

Việc thiết kế và sản xuất một bộ mask cho lithography có thể tiêu tốn hàng triệu USD, chưa kể đến chi phí bảo trì máy và phòng sạch.

7. Kết luận

Lithography là trung tâm của ngành bán dẫn.
Đây là trái tim công nghệ nơi mà mỗi nanomet đều phải chính xác tuyệt đối – bởi chỉ cần sai lệch 1 chút cũng khiến chip không thể hoạt động.

Không có lithography → không có chip.
Không có chip → không có điện thoại, máy tính, AI, hay thậm chí cả máy bay và xe điện.

8. Bạn có muốn khám phá sâu hơn?

Bạn đã từng nhìn thấy một máy EUV khổng lồ hoạt động như phi thuyền chưa?
Bạn có biết Intel và TSMC đang chạy đua để in chip 1.8nm thế nào?

Hãy chia sẻ cảm nghĩ hoặc đặt câu hỏi về lithography, OPC, EUV – IC Academy luôn sẵn sàng cùng bạn tìm hiểu!