Các nhà nghiên cứu Trung Quốc lập bản đồ phân tử chất cản quang, tuyên bố giảm 99% lỗi cho chip tiên tiến

Vì sao phát hiện mới về chất cản quang này quan trọng

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc cho biết họ đã quan sát trực tiếp cách các phân tử chất cản quang hoạt động trong các màng chất lỏng dùng trong quang khắc chip, sau đó biến phát hiện đó thành giải pháp sẵn sàng áp dụng tại nhà máy, giúp giảm mạnh lỗi. Nghiên cứu do một nhóm tại Đại học Bắc Kinh phối hợp với các đối tác công nghiệp thực hiện, được công bố trên Nature Communications ngày 30 tháng 9 năm 2025. Nhóm nghiên cứu cho biết quy trình của họ giảm tới 99% lượng polymer dư trên các tấm wafer 12 inch trong điều kiện sản xuất thực tế, một thay đổi có thể nâng tỷ lệ chip đạt chuẩn ở các nút tiến trình 7 nm trở xuống.

Chất cản quang là lớp phủ nhạy sáng dùng để tạo hình các transistor và dây dẫn trên tấm wafer silicon. Trong quá trình quang khắc, máy quét chiếu hình ảnh mạch điện lên chất cản quang. Các vùng được chiếu sáng thay đổi độ hòa tan, sau đó quá trình hiện hình và làm sạch sẽ để lộ hoa văn. Những cặn cực nhỏ hoặc lớp màng mỏng còn sót lại có thể làm chập đường dẫn, đứt tiếp điểm và gây lỗi ở các công đoạn sau. Với các nút tiến trình tiên tiến có đường dẫn hẹp và khoảng cách sít sao, chỉ một cụm phân tử nhỏ nằm sai vị trí cũng có thể khiến một khuôn chip bị hỏng.

Trung Quốc phụ thuộc nhiều vào chất cản quang nhập khẩu, đặc biệt là các sản phẩm cao cấp. Đây là một trong những lý do khiến các nhà máy đúc chip trong nước gặp khó khăn khi cải thiện tỷ lệ thành phẩm ở những nút tiến trình tiên tiến nhất. Kể từ năm 2019, các máy quét cực tím sâu (EUV) hàng đầu của ASML bị chặn bán vào thị trường Trung Quốc, nên các nhà sản xuất chip trong nước đã dùng nhiều lượt tạo hình bằng tia cực tím sâu để đạt các đặc tính thuộc lớp 7 nm. Phương pháp này làm vai trò của chất cản quang trở nên quan trọng hơn, vì tấm wafer trải qua nhiều lần chiếu sáng, hiện hình và làm sạch bằng hóa chất ướt hơn trong hàng chục công đoạn. Giảm được bất kỳ lỗi ngẫu nhiên nào cũng giúp tăng số chip hoạt động tốt trên mỗi tấm wafer.

Các nhà nghiên cứu đã làm gì?

Nhóm Đại học Bắc Kinh áp dụng phương pháp chụp cắt lớp điện tử đông lạnh để khảo sát các màng chất cản quang khi polymer vẫn ở trong môi trường chất lỏng tự nhiên. Phương pháp này làm đông lạnh cực nhanh một mẫu mỏng, cố định các phân tử tại chỗ, rồi dùng kính hiển vi điện tử truyền qua để ghi lại một loạt ảnh ở các góc nghiêng khác nhau. Phần mềm tái dựng những hình ảnh đó thành bản đồ ba chiều với độ phân giải cỡ nanomet. Nhờ cách tiếp cận này, các nhà nghiên cứu quan sát được cách các polymer của chất cản quang sắp xếp và đan rối trong phần chính của màng cũng như tại mặt phân cách khí - lỏng trong quá trình hiện hình và tráng rửa.

Kết hợp các hình ảnh với thí nghiệm quy trình, nhóm nghiên cứu xác định được một nguồn cặn khó nhận ra. Các chuỗi dài có thể thắt nút ở mặt trên của màng, gần mặt phân cách, rồi mắc lại trong các hốc của hoa văn khi tráng rửa và sấy khô. Dựa trên bản đồ thu được, nhóm đã xây dựng quy trình nhằm hạn chế polymer đan rối tại mặt phân cách. Họ cho biết thay đổi này loại bỏ gần như toàn bộ lỗi liên quan đến cặn trong môi trường công nghiệp trên các tấm wafer 12 inch.

Từ sinh học đến sản xuất chip: chụp cắt lớp điện tử đông lạnh là gì?

Chụp cắt lớp điện tử đông lạnh, thường viết tắt là cryo ET, bắt nguồn từ sinh học cấu trúc, nơi phương pháp này được dùng để ghi hình protein và tế bào trong hình dạng tự nhiên. Mẫu được thủy tinh hóa, tức nước và dung môi đông thành trạng thái giống thủy tinh mà không tạo tinh thể có thể làm biến dạng cấu trúc. Sau đó, một loạt ảnh điện tử chụp ở các góc nghiêng khác nhau được tái dựng thành thể tích ba chiều. Ưu điểm chính là các phân tử được giữ nguyên vị trí thay vì bị làm khô hoặc nhuộm, những thao tác có thể làm xê dịch hoặc phá hỏng cấu trúc mỏng manh. Áp dụng cryo ET vào vật liệu bán dẫn giúp các nhà nghiên cứu quan sát polymer vốn thường chuyển động và sắp xếp lại trong dung dịch, lần đầu tiên ghi lại chúng ngay khi tạo thành các mạng lưới gây lỗi.

Vì sao polymer đan rối gây lỗi?

Trong quá trình hiện hình, các vùng được chiếu sáng hòa tan, còn những vùng không được chiếu sáng vẫn ở lại để bảo vệ lớp màng bên dưới. Các chuỗi đan rối bắc qua cả hai vùng có thể để lại những lớp màng mỏng sau khi hiện hình, một lỗi thường gọi là cặn bẩn. Trong các rãnh và lỗ tiếp điểm, những nút polymer có thể mắc lại và không bị cuốn đi khi tráng rửa, tạo thành cặn gây cản trở quá trình khắc hoặc lắng đọng kim loại ở các bước sau. Đây là những nguyên nhân kinh điển làm giảm tỷ lệ thành phẩm. Chúng làm tăng độ nhám cạnh đường dẫn, tạo cầu nối vi mô giữa các đường dẫn và buộc phải làm lại. Nếu quá nhiều cấu trúc bị ảnh hưởng, cả tấm wafer sẽ bị loại bỏ. Kích thước hình học càng nhỏ, vấn đề càng nghiêm trọng, vì chỉ vài nanomet vật liệu dư cũng có thể lấp kín một khe hở hoặc làm thay đổi kích thước tới hạn.

Công nghệ này có thể thay đổi tỷ lệ thành phẩm ở các nút tiên tiến ra sao?

Tỷ lệ thành phẩm là tỷ lệ chip đạt chuẩn ở cuối quy trình sản xuất so với tổng số khuôn chip được tạo hình trên một tấm wafer. Ở mức 7 nm trở xuống, một hệ thống trên chip hiện đại có thể chứa hàng chục tỷ transistor và cần hàng trăm công đoạn sản xuất. Lỗi ngẫu nhiên tích tụ rất nhanh. Nếu điều chỉnh chất cản quang loại bỏ được một nguồn cặn phổ biến trên nhiều lớp, tác động sẽ nhân lên xuyên suốt quy trình. Điều đó có thể nâng tỷ lệ thành phẩm cuối cùng thêm vài điểm phần trăm, một cải thiện lớn về chi phí trên mỗi khuôn chip đạt chuẩn trong kinh tế học ngành đúc chip.

Ảnh hưởng của chất cản quang không chỉ giới hạn ở khâu chiếu sáng và hiện hình. Độ chọn lọc khi khắc, hư hại do plasma và các bước làm sạch bằng hóa chất ướt đều phụ thuộc vào cách mạng lưới polymer hình thành và phân rã. Nhóm nghiên cứu cho biết cùng một biện pháp kiểm soát mặt phân cách giúp giảm cặn trong quang khắc cũng làm giảm lượng lỗi truyền sang các bước khắc và làm sạch. Điều đó sẽ giúp ổn định kích thước tới hạn và độ nhám đường dẫn, từ đó cải thiện độ biến thiên và hiệu năng của thiết bị.

Ít vòng làm lại hơn, nhiều khuôn chip đạt chuẩn hơn trên mỗi tấm wafer

Các nhà máy đúc chip thường đưa tấm wafer trở lại các bước làm sạch hoặc áp dụng kỹ thuật sửa chữa để cứu vãn tỷ lệ thành phẩm. Mỗi vòng như vậy đều tốn thêm thời gian, chi phí và rủi ro. Nếu lượng cặn giảm 99%, nhu cầu thực hiện các công đoạn bổ sung sẽ giảm. Nhờ đó, công suất thiết bị được giải phóng, thời gian chu kỳ rút ngắn và mức tiêu thụ hóa chất giảm. Với khách hàng, ít lỗi tiềm ẩn hơn đồng nghĩa với độ tin cậy cao hơn trong giai đoạn chạy rà và khi sử dụng thực tế. Với nhà thiết kế chip, độ phân tán của chiều rộng đường dẫn và tiếp điểm hẹp hơn giúp dự đoán thời gian và công suất tiêu thụ chính xác hơn.

Công nghệ này nằm ở đâu trong chiến lược chip của Trung Quốc?

Vật liệu và quang khắc giữ vị trí trọng tâm trong nỗ lực giảm phụ thuộc vào nhà cung cấp nước ngoài của Trung Quốc. Chất cản quang là một điểm yếu rõ rệt. Các nhà cung cấp trong nước đã đạt tiến bộ với sản phẩm tầm trung dùng cho thiết bị KrF và ArF, nhưng phân khúc cao cấp vẫn do các công ty Nhật Bản, Mỹ và Hàn Quốc chi phối. Ước tính của ngành cho thấy thị trường chất cản quang Trung Quốc đạt khoảng 11,4 tỷ nhân dân tệ năm 2024 và dự kiến tiếp tục tăng trưởng trong năm 2025. Nhu cầu chất cản quang toàn cầu năm ngoái được định giá gần 2,7 tỷ USD và có thể đạt 4,5 tỷ USD vào năm 2031, phản ánh số lớp ngày càng tăng và quy tắc thiết kế ngày càng chặt chẽ.

Các nhà hoạch định chính sách đã đưa vật liệu vào vòng tài trợ mới nhất của Quỹ Đầu tư Công nghiệp Mạch tích hợp Quốc gia. Các nhà phân tích cho biết Giai đoạn Ba dành hơn 50 tỷ nhân dân tệ cho hóa chất, chất cản quang và các quy trình liên quan, bên cạnh đầu tư vào công cụ và thiết bị. Xây dựng các quy định chung là một phần trong nỗ lực đó. Cơ quan Quản lý Tiêu chuẩn hóa Trung Quốc đã ban hành quy cách thử nghiệm quốc gia cho chất cản quang cực tím cực ngắn. Các phương pháp thử nghiệm chung giúp trường đại học và doanh nghiệp so sánh kết quả, đánh giá nhà cung cấp và chuẩn bị cho sản xuất thử nghiệm.

Trường đại học và doanh nghiệp thúc đẩy vật liệu mới

Các trường đại học và công ty khởi nghiệp Trung Quốc cũng đang theo đuổi những hợp chất mới cho kỷ nguyên cực tím cực ngắn. Tháng 7, một nhóm của Đại học Thanh Hoa công bố chất cản quang polytelluoxane, đưa các nguyên tử tellurium vào mạch chính của polymer để tăng khả năng hấp thụ ở bước sóng 13,5 nm. Liên kết Te-O dễ bị phân cắt hơn khi chiếu sáng, có thể tăng độ nhạy trong khi duy trì khối lượng phân tử thấp để cải thiện độ phân giải. Nếu có thể mở rộng quy mô vật liệu này, đây có thể là hướng đi trong nước để tạo hình bằng cực tím cực ngắn với sự cân bằng tốt hơn giữa độ nhạy, độ nhám đường dẫn và lượng khí thoát ra.

Về phía doanh nghiệp, một đơn vị vật liệu của SiCarrier đã giới thiệu chất cản quang cụm kim loại, được các bằng sáng chế mô tả là dựa trên các cụm oxit thiếc, với khả năng tạo hình được tuyên bố trong khoảng từ 3 nm đến 50 nm. Những tuyên bố này cần được kiểm chứng độc lập trên dây chuyền đúc chip, nhưng cho thấy một xu hướng rộng hơn. Các công ty Trung Quốc đang tham gia cuộc đua chất cản quang trong khi các nhà sản xuất thiết bị mở rộng lựa chọn quang khắc trong nước. Một công ty mới tách ra từ Tập đoàn Thiết bị Vi điện tử Thượng Hải đã giới thiệu máy quang khắc bước cho chất bán dẫn hợp chất, hệ thống ủ laser và thiết bị kiểm tra. Trung Quốc vẫn chưa được tiếp cận các máy quét cực tím cực ngắn tiên tiến của ASML, nhưng hệ sinh thái trong nước đang nỗ lực lấp những khoảng trống về vật liệu, đo lường và phần mềm thiết kế.

Bước đột phá này là gì và không phải là gì

Kết quả của Đại học Bắc Kinh xử lý một vấn đề rất cụ thể: hành vi của polymer trong chất cản quang ở màng chất lỏng và tại mặt phân cách với không khí trong quá trình hiện hình và tráng rửa. Bằng cách ghi hình trực tiếp các cấu trúc đó và điều chỉnh cách chúng hình thành, nhóm nghiên cứu đề xuất một phương pháp giảm một nguồn nhiễm bẩn phổ biến. Điều này có giá trị vì giúp rút ngắn quá trình tinh chỉnh và giảm thử sai, hai nguyên nhân thường xuyên gây chậm trễ khi nhà máy đưa một nút tiến trình mới vào vận hành.

Đây không phải giải pháp thay thế các máy quét, mặt nạ và chất cản quang hiện đại nhất cần thiết để đạt được những kích thước hình học nhỏ nhất. Quang khắc cực tím cực ngắn đặt ra nhiều thách thức vượt xa vấn đề cặn. Nguồn sáng có độ sáng hạn chế, nhiễu lượng tử gây biến thiên ngẫu nhiên ở cạnh đường dẫn, còn chất cản quang phải cân bằng giữa độ nhạy với độ nhám đường dẫn và nguy cơ sụp hoa văn. Mặt nạ cần có màng bảo vệ chịu được ánh sáng năng lượng cao, trong khi việc kiểm soát nhiễm bẩn rất khắt khe. Kiểm soát mặt phân cách sẽ hữu ích, nhưng các nhà máy Trung Quốc vẫn bị giới hạn bởi những thiết bị họ có thể mua và sản xuất.

Các tuyên bố này cũng cần được kiểm chứng rộng rãi. Mức giảm 99% đo được trong một môi trường có thể không áp dụng cho mọi loại chất cản quang hay mọi lớp. Mật độ hoa văn, dung dịch hiện hình, dung dịch tráng rửa và hóa chất khắc khác nhau tương tác theo những cách phức tạp. Bước tiếp theo là tái lập kết quả tại nhiều nhà máy và với nhiều quy trình, đồng thời thu thập dữ liệu ở cấp thiết bị để chứng minh việc giảm cặn giúp tăng tỷ lệ thành phẩm cuối cùng và độ tin cậy.

Các bước tiếp theo của nghiên cứu và ngành

Một số cột mốc sẽ cho thấy liệu tiến bộ này có thực sự làm thay đổi sản xuất hay không. Thứ nhất, các nhà máy đúc chip độc lập và nhà cung cấp vật liệu có thể thử nghiệm quy trình trên các cấu trúc phổ biến dùng ArF nhúng và EUV khô, đồng thời công bố cửa sổ quy trình. Thứ hai, các nhà máy đúc chip có thể báo cáo mức giảm công đoạn làm lại, cũng như cải thiện về độ nhám cạnh đường dẫn và độ biến thiên kích thước tới hạn khi áp dụng phương pháp này cho các lớp quan trọng. Thứ ba, các nhà cung cấp thiết bị và hóa chất có thể đề xuất thông số máy và công thức hóa chất tích hợp biện pháp kiểm soát mặt phân cách vào các công thức quy trình trọn gói để khách hàng áp dụng mà không cần thay đổi lớn.

Các tín hiệu chính sách tại Trung Quốc cho thấy nước này sẽ tiếp tục đầu tư vào vật liệu chất cản quang. Tiêu chuẩn thử nghiệm quốc gia cho chất cản quang cực tím cực ngắn sẽ giúp việc so sánh hiệu năng và đánh giá các lô hàng dễ dàng hơn. Các chương trình đại học, trong đó có nghiên cứu polymer gốc tellurium tại Thanh Hoa, duy trì nguồn nhân lực cho lĩnh vực này. Các công ty đang bắt đầu giới thiệu nhiều loại máy quét, hệ thống kiểm tra và chất cản quang mới tại các diễn đàn công khai, cho thấy sẽ có thêm các dự án thử nghiệm. Bên ngoài Trung Quốc, các chương trình được chính phủ hậu thuẫn tại Mỹ, châu Âu, Nhật Bản và Hàn Quốc đang đầu tư hàng tỷ USD vào nghiên cứu chip. Cạnh tranh trong khoa học chất cản quang có thể sẽ gay gắt hơn khi mỗi khu vực tìm cách kiểm soát nhiều hơn các vật liệu trong chuỗi cung ứng.

Những điểm chính

• Đại học Bắc Kinh và các đối tác dùng phương pháp chụp cắt lớp điện tử đông lạnh để ghi hình các phân tử chất cản quang trong màng chất lỏng và tại các mặt phân cách, sau đó thiết kế một quy trình mà nhóm nghiên cứu cho biết đã giảm tới 99% lượng polymer dư trên các tấm wafer 12 inch.
• Nghiên cứu được công bố trên Nature Communications ngày 30 tháng 9 năm 2025, nhắm tới tổn thất về tỷ lệ thành phẩm ở các nút tiến trình 7 nm trở xuống, nơi những cặn nhỏ có thể khiến khuôn chip bị hỏng.
• Trung Quốc vẫn phụ thuộc vào chất cản quang cao cấp nhập khẩu và không được tiếp cận các máy quét cực tím cực ngắn tiên tiến của ASML do các biện pháp kiểm soát xuất khẩu.
• Trung Quốc đã hỗ trợ lĩnh vực vật liệu bằng nguồn tài trợ và tiêu chuẩn, trong đó có quy cách thử nghiệm quốc gia mới dành cho chất cản quang cực tím cực ngắn.
• Đại học Thanh Hoa công bố chất cản quang cực tím cực ngắn gốc tellurium, còn các công ty Trung Quốc giới thiệu chất cản quang cụm kim loại và thiết bị quang khắc nội địa, dù nhiều tuyên bố vẫn cần được kiểm chứng độc lập.
• Bước đột phá giúp hiểu và kiểm soát tốt hơn hành vi của chất cản quang tại mặt phân cách, nhưng không loại bỏ nhu cầu về máy quét tiên tiến, mặt nạ và chất cản quang thế hệ mới.