Mỹ phát triển thế hệ laser BAT mới: Vượt xa công nghệ khắc EUV hiện tại, tăng hiệu suất gấp 10 lần!
Vn-Z.vn Ngày 07 tháng 01 năm 2025, Phòng Thí nghiệm Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) tại Mỹ đang nghiên cứu một loại laser có hiệu suất cao gấp 10 lần so với các laser CO2 truyền thống dùng trong công nghệ khắc EUV, đặt nền móng cho sự phát triển của thế hệ công nghệ khắc EUV tiếp theo.
Theo báo cáo từ Tomhardware, LLNL đang phát triển một loại laser thulium (thulium laser) công suất cấp petawatt (petawatt-class), ứng dụng công nghệ laser thulium khẩu độ lớn (BAT: Big Aperture Thulium). So với tiêu chuẩn công nghiệp hiện tại là laser CO2, công nghệ này có thể cải thiện hiệu suất nguồn sáng EUV lên khoảng 10 lần và có tiềm năng thay thế công nghệ hiện tại trong tương lai.
Petawatt (PW) là một đơn vị đo công suất rất lớn, tương đương watt, thường được sử dụng để mô tả công suất đầu ra của các loại laser năng lượng cao.
LLNL tin rằng bước tiến này có thể mở đường cho các hệ thống khắc “vượt qua EUV” thế hệ mới, cho phép sản xuất các con chip nhỏ hơn, mạnh mẽ hơn, tốc độ chế tạo nhanh hơn và tiêu thụ ít điện năng hơn.
Thách thức năng lượng trong hệ thống khắc EUV hiện tại
Hiện nay, hệ thống khắc EUV tiêu tốn năng lượng rất lớn. Các hệ thống EUV có khẩu độ số thấp (Low-NA) và khẩu độ số cao (High-NA) lần lượt tiêu thụ 1.170 kW và 1.400 kW.
Lượng tiêu thụ năng lượng cao này bắt nguồn từ nguyên lý hoạt động của hệ thống EUV. Một laser năng lượng cao bắn vào các giọt thiếc nhỏ với tần suất hàng chục nghìn lần mỗi giây, tạo ra plasma phát ra ánh sáng có bước sóng 13,5 nm. Quá trình này đòi hỏi cơ sở hạ tầng laser lớn, hệ thống làm mát mạnh mẽ và môi trường chân không để tránh ánh sáng EUV bị không khí hấp thụ, càng làm tăng thêm tiêu hao năng lượng.
Ngoài ra, các gương phản xạ tiên tiến trong công cụ EUV chỉ phản xạ được một phần ánh sáng EUV, buộc phải tăng công suất laser để cải thiện năng suất.
Công nghệ laser BAT: Tương lai đầy hứa hẹn
LLNL hiện đang thử nghiệm công nghệ laser mới BAT, sử dụng vật liệu tăng cường laser là thulium fluoride lithium (Tm:YLF). Công nghệ này có khả năng tạo ra các xung laser siêu ngắn, công suất cấp petawatt với hiệu quả cao, vượt xa các loại laser hiện tại.
nguồn ảnh Lawrence Livermore National Laboratory
Khác với laser CO2 hoạt động ở bước sóng khoảng 10 micromet, hệ thống BAT hoạt động ở bước sóng khoảng 2 micromet. Về lý thuyết, điều này có thể cải thiện hiệu suất chuyển đổi từ plasma sang ánh sáng EUV khi tương tác với các giọt thiếc. Ngoài ra, công nghệ diode bơm của hệ thống BAT, khác với laser CO2 dựa trên khí, mang lại hiệu quả sử dụng năng lượng tốt hơn và quản lý nhiệt vượt trội.
“Các xung năng lượng mà chúng tôi đạt được cao hơn 25 lần so với bất kỳ hệ thống laser nào có bước sóng gần 2 micromet trên thế giới,” nhà vật lý Issa Tamer tại LLNL cho biết.
Trong 5 năm qua, đội ngũ LLNL đã thực hiện các mô phỏng plasma lý thuyết và thử nghiệm laser để chứng minh tính khả thi của dự án. Brendan Reagan, nhà vật lý laser tại LLNL, chia sẻ: “Chúng tôi rất vui khi công việc của mình đã tạo ra tác động đáng kể trong lĩnh vực khắc EUV và hiện chúng tôi đang tiến thêm bước tiếp theo.”
Thách thức trong ứng dụng thực tế
Dù triển vọng của công nghệ BAT là rất lớn, việc ứng dụng vào sản xuất bán dẫn đòi hỏi phải vượt qua những thách thức lớn về cơ sở hạ tầng. Việc phát triển và hoàn thiện công nghệ có thể mất một thời gian dài, tương tự như hệ thống khắc EUV hiện tại, vốn mất hàng thập kỷ để trở nên hoàn thiện.
Công ty phân tích TechInsights từng cảnh báo, đến năm 2030, các nhà máy sản xuất bán dẫn có thể tiêu thụ tới 54.000 GW điện mỗi năm, vượt mức tiêu thụ của cả Singapore hoặc Hy Lạp. Nếu công nghệ khắc EUV thế hệ tiếp theo với khẩu độ số siêu cao (Hyper-NA EUV) ra đời, mức tiêu thụ điện năng thậm chí còn cao hơn nữa.
Do đó, ngành công nghiệp này đang tìm kiếm các công nghệ tiết kiệm năng lượng hơn, và laser BAT của LLNL chắc chắn là một bước đột phá đầy triển vọng cho mục tiêu này.
Theo báo cáo từ Tomhardware, LLNL đang phát triển một loại laser thulium (thulium laser) công suất cấp petawatt (petawatt-class), ứng dụng công nghệ laser thulium khẩu độ lớn (BAT: Big Aperture Thulium). So với tiêu chuẩn công nghiệp hiện tại là laser CO2, công nghệ này có thể cải thiện hiệu suất nguồn sáng EUV lên khoảng 10 lần và có tiềm năng thay thế công nghệ hiện tại trong tương lai.
Petawatt (PW) là một đơn vị đo công suất rất lớn, tương đương watt, thường được sử dụng để mô tả công suất đầu ra của các loại laser năng lượng cao.
LLNL tin rằng bước tiến này có thể mở đường cho các hệ thống khắc “vượt qua EUV” thế hệ mới, cho phép sản xuất các con chip nhỏ hơn, mạnh mẽ hơn, tốc độ chế tạo nhanh hơn và tiêu thụ ít điện năng hơn.
Thách thức năng lượng trong hệ thống khắc EUV hiện tại
Hiện nay, hệ thống khắc EUV tiêu tốn năng lượng rất lớn. Các hệ thống EUV có khẩu độ số thấp (Low-NA) và khẩu độ số cao (High-NA) lần lượt tiêu thụ 1.170 kW và 1.400 kW.
Lượng tiêu thụ năng lượng cao này bắt nguồn từ nguyên lý hoạt động của hệ thống EUV. Một laser năng lượng cao bắn vào các giọt thiếc nhỏ với tần suất hàng chục nghìn lần mỗi giây, tạo ra plasma phát ra ánh sáng có bước sóng 13,5 nm. Quá trình này đòi hỏi cơ sở hạ tầng laser lớn, hệ thống làm mát mạnh mẽ và môi trường chân không để tránh ánh sáng EUV bị không khí hấp thụ, càng làm tăng thêm tiêu hao năng lượng.
Ngoài ra, các gương phản xạ tiên tiến trong công cụ EUV chỉ phản xạ được một phần ánh sáng EUV, buộc phải tăng công suất laser để cải thiện năng suất.
Công nghệ laser BAT: Tương lai đầy hứa hẹn
LLNL hiện đang thử nghiệm công nghệ laser mới BAT, sử dụng vật liệu tăng cường laser là thulium fluoride lithium (Tm:YLF). Công nghệ này có khả năng tạo ra các xung laser siêu ngắn, công suất cấp petawatt với hiệu quả cao, vượt xa các loại laser hiện tại.
nguồn ảnh Lawrence Livermore National Laboratory
Khác với laser CO2 hoạt động ở bước sóng khoảng 10 micromet, hệ thống BAT hoạt động ở bước sóng khoảng 2 micromet. Về lý thuyết, điều này có thể cải thiện hiệu suất chuyển đổi từ plasma sang ánh sáng EUV khi tương tác với các giọt thiếc. Ngoài ra, công nghệ diode bơm của hệ thống BAT, khác với laser CO2 dựa trên khí, mang lại hiệu quả sử dụng năng lượng tốt hơn và quản lý nhiệt vượt trội.
“Các xung năng lượng mà chúng tôi đạt được cao hơn 25 lần so với bất kỳ hệ thống laser nào có bước sóng gần 2 micromet trên thế giới,” nhà vật lý Issa Tamer tại LLNL cho biết.
Trong 5 năm qua, đội ngũ LLNL đã thực hiện các mô phỏng plasma lý thuyết và thử nghiệm laser để chứng minh tính khả thi của dự án. Brendan Reagan, nhà vật lý laser tại LLNL, chia sẻ: “Chúng tôi rất vui khi công việc của mình đã tạo ra tác động đáng kể trong lĩnh vực khắc EUV và hiện chúng tôi đang tiến thêm bước tiếp theo.”
Thách thức trong ứng dụng thực tế
Dù triển vọng của công nghệ BAT là rất lớn, việc ứng dụng vào sản xuất bán dẫn đòi hỏi phải vượt qua những thách thức lớn về cơ sở hạ tầng. Việc phát triển và hoàn thiện công nghệ có thể mất một thời gian dài, tương tự như hệ thống khắc EUV hiện tại, vốn mất hàng thập kỷ để trở nên hoàn thiện.
Công ty phân tích TechInsights từng cảnh báo, đến năm 2030, các nhà máy sản xuất bán dẫn có thể tiêu thụ tới 54.000 GW điện mỗi năm, vượt mức tiêu thụ của cả Singapore hoặc Hy Lạp. Nếu công nghệ khắc EUV thế hệ tiếp theo với khẩu độ số siêu cao (Hyper-NA EUV) ra đời, mức tiêu thụ điện năng thậm chí còn cao hơn nữa.
Do đó, ngành công nghiệp này đang tìm kiếm các công nghệ tiết kiệm năng lượng hơn, và laser BAT của LLNL chắc chắn là một bước đột phá đầy triển vọng cho mục tiêu này.
