Máy Quang Khắc Là Gì? Có bao nhiêu loại Máy Quang Khắc

Máy quang khắc là gì?

Máy quang khắc (lithography machine) là một thiết bị sử dụng ánh sáng (thường là tia cực tím) để chuyển mẫu từ một mặt nạ (photomask) lên một vật liệu nhạy sáng (photoresist) được phủ trên một bề mặt (thường là tấm silicon). Thiết bị này là công cụ chủ chốt trong quá trình sản xuất vi mạch, giúp tạo ra các mạch điện tử siêu nhỏ với độ chính xác nanomet. 

Các loại máy quang khắc hiện nay

1. Máy quang khắc i-line (365nm)

Đây là loại máy quang khắc dùng ánh sáng có bước sóng dài nhất (365 nanomet), thường được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất chip cũ hoặc mạch điện tử đơn giản. Nhờ cấu tạo đơn giản và chi phí thấp, máy i-line rất phù hợp cho các doanh nghiệp nhỏ hoặc những ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao. Tuy nhiên, nó không thể đáp ứng được yêu cầu của các chip hiện đại có kích thước siêu nhỏ.

2. Máy quang khắc KrF (248nm)

Máy KrF sử dụng tia laser có bước sóng ngắn hơn (248nm) nên có thể tạo ra các đường mạch nhỏ hơn so với i-line. Loại máy này từng là trụ cột trong sản xuất chip 90nm đến 45nm, phổ biến trong các nhà máy sản xuất chip trung cấp như vi điều khiển hoặc bộ nhớ DRAM. Ưu điểm của KrF là độ ổn định cao, giá thành hợp lý, nhưng hiện nay đã dần được thay thế bởi các công nghệ hiện đại hơn.

3. Máy quang khắc ArF (193nm – DUV)

Máy ArF sử dụng ánh sáng cực tím sâu (Deep Ultraviolet – 193nm) cho độ chính xác cao hơn nhiều. Có hai dạng chính là ArF khô và ArF dùng chất lỏng (immersion). Nhờ bước sóng ngắn và kỹ thuật “ngâm nước” giữa ống kính và wafer, loại máy này có thể khắc được các chi tiết siêu nhỏ từ 65nm đến 7nm. Tuy nhiên, để đạt độ chính xác này, các nhà máy phải kết hợp nhiều lần chiếu chồng (multi-patterning), khiến quy trình sản xuất phức tạp và tốn thời gian hơn.

4. Máy quang khắc EUV (13.5nm)

EUV là công nghệ tiên tiến nhất hiện nay, sử dụng tia cực tím có bước sóng chỉ 13.5nm nhỏ hơn gấp nhiều lần so với DUV. Điều này cho phép khắc trực tiếp các mạch siêu nhỏ ở mức 5nm, 3nm và cả 2nm chỉ trong một lần chiếu duy nhất, giúp đơn giản hóa quy trình và tăng hiệu suất sản xuất. Tuy nhiên, loại máy này cực kỳ đắt đỏ (có thể lên đến 200 triệu USD mỗi chiếc) và chỉ có một nhà sản xuất duy nhất trên thế giới là ASML (Hà Lan).

5. Máy quang khắc High-NA EUV (tương lai gần)

High-NA EUV là thế hệ kế tiếp của công nghệ EUV, với độ mở số (Numerical Aperture – NA) cao hơn, giúp cải thiện độ phân giải gấp đôi so với máy EUV hiện tại. Máy này đang được phát triển để phục vụ sản xuất chip dưới 2nm – là bước tiến quan trọng trong hành trình chạm tới giới hạn vật lý của bán dẫn. Dù chưa phổ biến, nhưng đây được xem là công cụ chủ lực cho ngành sản xuất chip trong tương lai.

1. Phủ lớp cảm quang (Photoresist)

Tấm wafer được phủ một lớp vật liệu nhạy sáng – gọi là photoresist. Lớp này sẽ phản ứng khi tiếp xúc với ánh sáng, đóng vai trò như “phim ảnh” để in hoa văn.

2. Chiếu sáng qua mặt nạ (Mask)

Ánh sáng cực tím (DUV hoặc EUV) được chiếu qua một tấm mặt nạ chứa hoa văn mạch điện. Phần ánh sáng đi qua sẽ “vẽ” họa tiết này lên lớp cảm quang trên wafer.

3. Rửa tráng (Developing)

Wafer được đưa vào dung dịch rửa. Phần cảm quang đã tiếp xúc ánh sáng sẽ bị rửa trôi hoặc giữ lại, tùy theo loại vật liệu sử dụng. Kết quả là để lộ hoa văn mạch cần khắc.

4. Khắc (Etching)

Tiếp theo, các phần không được bảo vệ sẽ bị loại bỏ bằng phương pháp khắc – có thể bằng hóa chất hoặc plasma. Đây là bước tạo rãnh dẫn và hình thành cấu trúc vi mạch.

5. Loại bỏ lớp cảm quang còn lại

Cuối cùng, lớp cảm quang còn sót lại được làm sạch hoàn toàn. Lúc này, wafer đã có sẵn các hoa văn mạch và sẵn sàng bước sang các công đoạn tiếp theo như doping, phủ lớp mới hoặc lặp lại quá trình để tạo chip nhiều lớp.

Những ứng dụng nổi bật quang khắc trong công nghệ tiên tiến

Máy quang khắc đóng vai trò cốt lõi trong quá trình sản xuất chip bán dẫn nền tảng cho hầu hết thiết bị điện tử hiện nay. Dưới đây là những ứng dụng tiêu biểu:

🔹Vi xử lý (CPU, GPU)

Công nghệ quang khắc giúp tạo ra hàng tỷ transistor trên một con chip, từ đó nâng cao hiệu năng xử lý, tiết kiệm năng lượng và thu nhỏ kích thước vi xử lý dùng trong máy tính, điện thoại, máy chủ và card đồ họa.

🔹Bộ nhớ (DRAM, NAND Flash)

Với khả năng khắc siêu nhỏ, máy quang khắc cho phép tăng mật độ lưu trữ trên các chip nhớ giúp sản xuất các module RAM tốc độ cao và ổ cứng SSD dung lượng lớn, giá thành ngày càng rẻ.

🔹Thiết bị IoT và cảm biến

Những cảm biến trong thiết bị đeo, nhà thông minh hay thiết bị y tế cần có kích thước cực nhỏ, tiêu thụ ít điện. Quang khắc chính là công nghệ giúp hiện thực hóa các mạch siêu nhỏ này với độ chính xác cao.

🔹Mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC, FPGA)

Trong các lĩnh vực như AI, viễn thông, ô tô tự lái… cần những chip được thiết kế riêng. Máy quang khắc giúp sản xuất hàng loạt các mạch tích hợp chuyên biệt theo yêu cầu, đảm bảo độ chính xác và hiệu suất tối ưu.

FAQ (Câu Hỏi Thường Gặp về Máy Quang Khắc)

Máy quang khắc EUV và DUV khác nhau như thế nào?

EUV dùng bước sóng 13.5 nm, cho độ phân giải rất cao (≤5 nm), chi phí và yêu cầu môi trường khắt khe hơn. DUV (193 nm, 248 nm) phù hợp với node từ 7 nm trở lên, chi phí thấp hơn.

Chi phí đầu tư một hệ thống EUV vào khoảng bao nhiêu?

Gần 150–200 triệu USD cho mỗi hệ thống, chưa bao gồm chi phí xây dựng phòng sạch và vận hành lâu dài.

Làm sao để duy trì độ ổn định của máy quang khắc?

Thường xuyên bảo trì định kỳ, thay bộ lọc không khí HEPA, cân chỉnh tia sáng và kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, độ ẩm.