“F4 Vật lý” Bách khoa Hà Nội đón “sóng” bán dẫn thế giới

Công nghệ bán dẫn là ngành mũi nhọn, giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. Thấu hiểu hoạt động nghiên cứu, đào tạo nhân lực chất lượng cao cho lĩnh vực này là vô cùng cấp thiết, nhóm sinh viên Khoa Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội đã phát triển đề tài “Nghiên cứu chế tạo hệ quang khắc đến kích thước micromét phục vụ đào tạo công nghệ bán dẫn”. 

Kết quả nghiên cứu ban đầu của “F4 Vật lý” - Trần Hà Giang (K65), Hoàng Minh Trường (K66), Lại Cảnh Hưng (K66), Nguyễn Hữu Tráng (K66) - đã giành Giải Nhất hạng mục Khoa học Tự nhiên trong Hội nghị Sinh viên NCKH lần thứ 41 cấp Đại học. 

Hướng dẫn nhóm là 2 giảng viên Khoa Vật lý Kỹ thuật: PGS. Đặng Đức Vượng và ThS. Lại Khắc Hoàng.
 

Nghiên cứu chế tạo hệ quang khắc đến kích thước micromét

Ngành bán dẫn gồm tập hợp các thành phần tham gia vào thiết kế, chế tạo linh kiện, thiết bị điện tử dựa trên tinh thể bán dẫn. Hầu như tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế đều được vận hành từ những con chip bán dẫn – từ viễn thông, điện tử đến giao thông vận tải, ngân hàng,...

Các từ khóa “chip”, “bán dẫn” xuất hiện rất thường xuyên trên báo đài trong những năm gần đây. Xu hướng mới này cũng khiến nhiều bậc phụ huynh định hướng con mình theo học ngành đào tạo có liên quan để đảm bảo cơ hội việc làm sau khi tốt nghiệp. 

“Tuy nhiên, hầu hết mọi người vẫn chưa biết thế nào là bán dẫn, chưa hiểu rõ để tạo ra 1 con chip cần có những công đoạn nào. Do đó chúng tôi đã nảy ra ý tưởng tạo ra mô hình thí nghiệm ra giá rẻ để hỗ trợ mọi người tiếp cận, tập trung khai thác công nghệ quang khắc nanomet - trái tim của ngành công nghiệp bán dẫn.” – Trưởng nhóm Trần Hà Giang chia sẻ câu chuyện dẫn đến đề tài.

Cuộc đua phát triển quang khắc đang diễn ra sôi động trên trường quốc tế, mở đường cho kỷ nguyên của các thiết bị điện tử siêu nhỏ và mạnh mẽ. Tháng 3/2024, từ Đại học Bách khoa Hà Nội, nhóm nghiên cứu của 4 sinh viên Vật lý Kỹ thuật đã gia nhập đường đua nghiên cứu này.
 

Quang khắc hay photolithography là kỹ thuật sử dụng trong công nghệ bán dẫn và công nghệ vật liệu nhằm tạo ra các chi tiết của vật liệu và linh kiện với hình dạng và kích thước xác định bằng cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo ra hình ảnh cần tạo. 

Trong đề tài này, nhóm đã nghiên cứu xây dựng bộ thí nghiệm hệ quang khắc cho phép khắc linh kiện đến kích cỡ micromet. Cụ thể, bằng việc sử dụng ánh sáng UV 365 nm chiếu qua mask, hình ảnh được thu nhỏ nhờ quang hệ để chiếu hiện ảnh lên bề mặt cảm quang, từ đó tác động đến lớp cảm quang và cho phép hiện linh kiện mong muốn.

Sinh viên Nguyễn Hữu Tráng cho biết, bộ thí nghiệm nhóm xây dựng sẽ giúp người sử dụng hiểu hơn về quá trình quang khắc trong chế tạo linh kiện bán dẫn cũng như các vi linh kiện, nắm được các bước căn bản của một quá trình quang khắc điển hình từ việc xử lý bề mặt đế, tạo lớp cảm quang, thiết lập thông số quang khắc, hiện ảnh. 

Cấu tạo của bộ thí nghiệm bao gồm: Nguồn sáng UV được nuôi bằng nguồn điện 1 chiều; Hệ gá mask; Hệ quang học thu nhỏ ảnh; Bộ điều khiển các thông số quang khắc có tính năng thay đổi cường độ chiếu sáng và thiết lập được thời gian chiếu sáng; Bộ phận gá phiến. 
 

“Để có thể thu nhỏ hình ảnh, nhóm nghiên cứu đã khai thác tính năng ngược của kinh hiển vi: Thay vì đặt mẫu tại giá đỡ thì chỗ đó đặt vật cần khắc, nơi mắt nhìn ảnh hiển vi sẽ được thay thế bằng hệ chiếu sáng và mặt nạ, từ đó chiếu sáng qua mặt nạ tạo ảnh trên bàn dịch chuyển.” – Thành viên Lại Cảnh Hưng chia sẻ về một trong những điểm mới nhóm triển khai trong đề tài. 

Bách khoa Hà Nội góp sức đào tạo bán dẫn – vi mạch

Để tạo ra nguồn nhân lực chất lượng, các yêu cầu về cơ sở vật chất, trang thiết bị phục vụ cho đào tạo cũng cần được đặc biệt chú trọng. Nhóm sinh viên Vật lý mong muốn sản phẩm nghiên cứu của mình sẽ đóng góp cho hoạt động đào tạo thực hành của Nhà trường. Có được hệ quang khắc đơn giản nhưng khá đầy đủ tính năng được tạo ra từ chính sinh viên Bách khoa sẽ giảm chi phí phải đầu tư một hệ thống quang khắc đắt đỏ nhập khẩu từ nước ngoài. 

Theo trưởng nhóm Trần Hà Giang, nhóm nghiên cứu sẽ tối ưu kết quả nghiên cứu bằng việc chiếu trực tiếp hình ảnh các chi tiết qua máy chiếu, thí nghiệm sử dụng hệ quang khắc lớn (telescope),...“Trong tương lai, nhóm hy vọng kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng ở nhiều cơ sở giáo dục trên khắp Việt Nam, góp phần thúc đẩy lĩnh vực đào tạo bán dẫn – vi mạch của đất nước.” 
 

Chia sẻ về khó khăn trong quá trình nghiên cứu, cả nhóm cho rằng áp lực lớn nhất là yếu tố thời gian. Từ lúc triển khai ý tưởng đến khi đưa kết quả tham dự Hội nghị, nhóm chỉ có thời gian vỏn vẹn 2 tháng. Áp lực thời gian khiến cả nhóm phải cố gắng hết công suất, tranh thủ từng chút thời gian rảnh sau giờ học để cùng nhau nghiên cứu. 

Ngoài ra, nhóm còn đối mặt với tình huống thiếu hóa chất khi thực hiện thí nghiệm.

“Trước vấn đề nhóm gặp phải, PGS. Đặng Đức Vượng và ThS. Lại Khắc Hoàng đã nhanh chóng tư vấn giải pháp, hỗ trợ chúng tôi mua hóa chất và thiết bị cần thiết để kịp thời tiếp tục thực hiện thí nghiệm.” - Trần Hà Giang kể lại. 

Nhóm nghiên cứu bày tỏ sự biết ơn và niềm yêu mến với hai thầy hướng dẫn – những người đã đưa nhóm đến với “trái ngọt” nghiên cứu đầu tiên. 

“Chúng tôi đã được thầy Vượng, thầy Hoàng hướng dẫn kỹ càng kỹ năng sử dụng các phần phềm thiết kế như Solid, Freecad, mô phỏng mạch trên phầm mềm Fritzing, Proteus và lập trình trên Arduino,…” – Sinh viên Hoàng Minh Trường biết ơn sự dạy dỗ của các thầy đã củng cố năng lực học tập, nghiên cứu vững chắc cho cả nhóm.

Với sự đồng hành của PGS. Đặng Đức Vượng và ThS. Lại Khắc Hoàng, “F4 Vật lý” tự tin có thể phát triển kết quả nghiên cứu ngày càng vững chắc, chinh phục những cuộc thi lớn trong tương lai. 
 

Là "huyết mạch" của nền kinh tế số, ngành bán dẫn có vai trò chủ chốt, quan trọng và là tiêu điểm, thu hút nhiều ngành công nghiệp trên thế giới. Năm bắt xu hướng này, trong nhiều năm qua, Đại học Bách khoa Hà Nội đã liên tục phát triển 2 chuyên ngành đào tạo trực tiếp và 7 ngành đào tạo gần về thiết kế, sản xuất, đóng gói và kiểm thử, hỗ trợ ứng dụng chip bán dẫn như: Điện tử Viễn thông; Thiết kế vi mạch; Hệ thống nhúng; Điện/Tự động hóa; Cơ điện tử; Kỹ thuật máy tính/Khoa học máy tính; Vật lý kỹ thuật; Vật liệu/Vật liệu điện tử; Công nghệ Vi điện tử và nano.