Các nhà khoa học Trung Quốc công bố đột phá trong vật liệu quang khắc tiên tiến

Theo South China Morning Post, các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa công bố một thành tựu khoa học được xem là mang tính bước ngoặt trong công nghệ quang khắc – lĩnh vực then chốt trong sản xuất chip bán dẫn.

PHÁT HIỆN ĐỘT PHÁ TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU QUANG KHẮC

Nhóm nhà khoa học đến từ Đại học Bắc Kinh, phối hợp cùng một số viện nghiên cứu và doanh nghiệp trong nước, cho biết họ đã đạt được đột phá trong việc quan sát và hiểu rõ hành vi phân tử của vật liệu quang khắc – một hợp chất nhạy sáng được sử dụng trong quá trình chế tạo mạch tích hợp.

Theo bài báo được công bố trên tạp chí khoa học hàng đầu Nature, công trình này đã giúp các nhà nghiên cứu lần đầu tiên hình dung được cấu trúc nano của các phân tử polymer trong lớp màng lỏng của photoresist và tại ranh giới khí – lỏng. Đây là bước tiến quan trọng trong việc làm rõ cơ chế hình thành khuyết tật trong quá trình tạo mẫu mạch siêu nhỏ, vốn từ lâu vẫn là một “hộp đen” trong công nghệ quang khắc hiện đại.

Photoresist đóng vai trò sống còn trong các quy trình như photolithography và photoengraving – những bước công nghệ dùng ánh sáng để tạo các hoa văn vi mô trên bề mặt tấm wafer silicon. Tuy nhiên, hơn 90% lượng photoresist mà Trung Quốc sử dụng hiện nay vẫn phải nhập khẩu, chủ yếu từ các nhà cung cấp Nhật Bản như JSR, Tokyo Ohka Kogyo, Shin-Etsu Chemical và Fujifilm Electronic Materials. Sự phụ thuộc này khiến ngành công nghiệp bán dẫn Trung Quốc dễ bị tổn thương trước các lệnh cấm vận và hạn chế xuất khẩu của phương Tây.

Tờ Science and Technology Daily – cơ quan truyền thông thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ Trung Quốc – đánh giá phát hiện này là “một bước đi mang tính đột phá nhằm giải quyết nút thắt kỹ thuật quan trọng đang kìm hãm khả năng cải thiện hiệu suất sản xuất chip ở quy trình 7 nanomet và thấp hơn”. Theo nhóm nghiên cứu, việc hiểu rõ hành vi của vật liệu trong lớp màng lỏng sẽ giúp giảm đáng kể tỷ lệ khuyết tật trong quá trình in mẫu, đồng thời nâng cao năng suất và độ ổn định của sản xuất hàng loạt.

BƯỚC TIẾN CHIẾN LƯỢC HƯỚNG TỚI TỰ CHỦ CÔNG NGHỆ BÁN DẪN

Trong bài báo, các nhà nghiên cứu cho biết họ đã ứng dụng phương pháp cryo-electron tomography (kính hiển vi điện tử đông lạnh ba chiều) để quan sát trực tiếp các cấu trúc nano của polymer trong môi trường dung dịch. Kỹ thuật này giúp loại bỏ các yếu tố nhiễu và ô nhiễm trong quá trình phân tích, cho phép thu được hình ảnh có độ phân giải cao ở cấp độ phân tử.

Kết quả, nhóm đã xác định được các đặc điểm cấu trúc ảnh hưởng đến sự hình thành khuyết tật trong lớp màng quang khắc, từ đó đề xuất phương án cải thiện quy trình nhằm loại bỏ các tạp chất trên toàn bộ tấm wafer kích thước 12 inch. Theo công bố, phương pháp mới này giúp cải thiện hơn 99% khả năng kiểm soát khuyết tật, mở ra triển vọng áp dụng rộng rãi trong các khâu quang khắc, khắc khía (etching) và làm sạch ướt (wet cleaning) của quy trình sản xuất chip tiên tiến.

Giáo sư Peng Hailin, chuyên gia hóa lý tại Đại học Bắc Kinh và là trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: “Thành tựu này không chỉ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về cơ chế hoạt động của photoresist mà còn đặt nền tảng cho việc phát triển vật liệu mới có thể tương thích với quy trình sản xuất chip tiên tiến trong nước. Việc kiểm soát khuyết tật hiệu quả hơn sẽ là chìa khóa để tăng năng suất và giảm chi phí cho các nhà máy bán dẫn Trung Quốc.”

Trong bối cảnh các công ty như ASML (Hà Lan) – nhà cung cấp thiết bị quang khắc hàng đầu thế giới – bị cấm bán máy quang khắc cực tím (EUV) cho Trung Quốc từ năm 2019 theo yêu cầu của Mỹ, việc tự chủ về vật liệu và công nghệ nền tảng như photoresist được xem là ưu tiên hàng đầu trong chiến lược công nghệ quốc gia.

Tại triển lãm WeSemiBay Semiconductor Ecosystem Expo diễn ra ở Thâm Quyến đầu tháng này, công ty Skyverse Technology – đơn vị trực thuộc nhà sản xuất thiết bị bán dẫn SiCarrier, được chính quyền địa phương hậu thuẫn – đã giới thiệu một loại photoresist mới có khả năng sử dụng trong quy trình EUV, cho thấy nỗ lực mạnh mẽ của Trung Quốc trong việc xây dựng chuỗi cung ứng khép kín cho ngành bán dẫn.

Dù vậy, giới chuyên môn cho rằng để đạt được tự chủ hoàn toàn vẫn là một hành trình dài. Việc phát triển và thương mại hóa các loại photoresist có thể dùng cho EUV lithography ở cấp độ 5 nm và thấp hơn đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu khoa học cơ bản, phát triển thiết bị và kiểm soát quy trình sản xuất. Tuy nhiên, phát hiện mới từ Đại học Bắc Kinh được đánh giá là bước đi nền tảng, mang lại niềm tin cho tham vọng của Trung Quốc trong việc thoát khỏi sự phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài.

“Đây là một thành tựu mang tính biểu tượng,” một chuyên gia trong ngành nhận định. “Nó cho thấy Trung Quốc đang dần lấp đầy khoảng trống trong các khâu quan trọng nhất của sản xuất chip, từ vật liệu, thiết bị đến quy trình – điều vốn được xem là ‘điểm nghẽn’ trong nhiều năm qua”.