Quang khắc và giới hạn phân giải

Ánh sáng qua khe rộng thì hình sáng trên chất cản quang vẫn gọn. Mỗi khe cho một vệt sáng riêng, hai vệt cách nhau rõ ràng. Khi khe hẹp lại, ánh sáng bị bẻ cong và loe ra hai bên. Hiện tượng đó gọi là nhiễu xạ. Khe càng hẹp thì ánh sáng càng loe. Hai khe vẫn cách nhau như cũ, nhưng hai vệt loe đã chồng lên nhau. Chúng nhòe thành một vệt, và chất cản quang không còn phân biệt được hai nét. Vậy nhiễu xạ đặt giới hạn cho nét nhỏ nhất in được.

Để đo khả năng của máy, ta in một lưới gồm nhiều đường song song. Khoảng cách từ mép trái đường này đến mép trái đường kế bên gọi là bước lưới. Một nửa khoảng cách đó là nửa bước lưới. Lưới càng mịn thì nửa bước lưới càng nhỏ. Nửa bước lưới nhỏ nhất mà máy còn in tách được gọi là độ phân giải. Con số này càng nhỏ thì máy càng tốt. Vì thế khi so các máy quang khắc, ta so nửa bước lưới nhỏ nhất của chúng.

Nửa bước lưới nhỏ nhất được tính từ ba đại lượng. Đại lượng đầu là bước sóng của ánh sáng. Bước sóng càng ngắn thì nhiễu xạ càng yếu và nét càng nhỏ. Đại lượng thứ hai là khẩu độ số, gọi tắt là NA. Khẩu độ số cho biết thấu kính gom được ánh sáng loe ở góc rộng đến đâu. Gom được càng nhiều thì nét in càng nhỏ. Đại lượng thứ ba là hệ số quy trình, ta gọi là k₁. Nó phản ánh mức tối ưu của chất cản quang, mặt nạ và cách chiếu. Nửa bước lưới nhỏ nhất bằng k₁ nhân bước sóng, rồi chia cho khẩu độ số.

Trong bốn thế hệ này, máy đầu dùng KrF, bước sóng hai trăm bốn mươi tám nanô mét. Nửa bước lưới nhỏ nhất của nó cỡ một trăm mười nanô mét. Máy ArF có bước sóng ngắn hơn, một trăm chín mươi ba nanô mét. Loại khô, không có nước, đạt cỡ sáu mươi lăm nanô mét. Rồi người ta thêm lớp nước giữa thấu kính và tấm silicon. Nước đưa khẩu độ số vượt một, nửa bước lưới còn cỡ ba mươi tám nanô mét. Cuối cùng, EUV dùng bước sóng mười ba phẩy năm nanô mét, ngắn hơn hẳn. Nhờ đó nửa bước lưới chỉ còn cỡ mười ba nanô mét.

Công thức cho thấy ta có thể giảm k₁ để nét nhỏ hơn. Nhưng với một lần chiếu, k₁ không thể nhỏ hơn không phẩy hai mươi lăm. Dưới mức đó, hai nét sát nhau không còn tách được, hình mất nét. Ta tính ngược k₁ từ nửa bước lưới thật của bốn thế hệ máy. Máy ArF ngâm nước sát sàn nhất, hai máy kia cách sàn xa hơn. Máy EUV cũng chưa chạm sàn, còn dư địa. Vậy chiếu một lần đã đến gần giới hạn.

Một lần chiếu không in nổi lưới dày hơn sàn của nó. Vì vậy người ta tách lưới dày thành hai mặt nạ. Mỗi mặt nạ chỉ có các đường thưa gấp đôi. Lần chiếu thứ nhất in một nửa số đường rồi khắc. Lần chiếu thứ hai in nửa còn lại, nằm xen giữa các đường đầu. Ghép hai lần lại, ta có lưới dày gấp đôi. Mỗi lần chiếu sau phải chồng khít với lần trước.

Cách thứ hai chỉ chiếu một lần. Lần chiếu đó tạo các đường lõi thưa. Ta phủ một màng mỏng đều quanh mỗi lõi. Màng bao cả hai bên và phía trên của lõi. Khắc bớt phần màng nằm ngang để chỉ còn màng ở hai bên lõi. Phần màng còn lại gọi là spacer. Bỏ lõi đi, các spacer tạo lưới dày gấp đôi lưới lõi. Lặp vòng này thêm một lần thì lưới dày gấp bốn lưới lõi ban đầu.

Bề rộng ngang nhỏ nhất của đường trên chip bắt đầu từ nửa bước lưới nhỏ nhất của máy. Muốn bề rộng đó nhỏ hơn, ta giảm bước sóng, tăng khẩu độ số hoặc chiếu nhiều lần. Ngay cả khi đã có EUV, nhiều lớp vẫn phải chiếu nhiều lần. Hình này vẽ trường hợp chiếu một lần, không dùng spacer. Sau khi chiếu, khắc chuyển nét đã in xuống màng và silicon. Bề rộng đường trên chip khi đó bằng nửa bước lưới đã in. Vậy quang khắc là yếu tố giới hạn hàng đầu của bề rộng đường trên chip.