báo cáo thí nghiệm công nghệ vi điện tử bài 1 xử lý bề mặt và ăn mòn hóa học bài 2 quang khắc bài 3 tạo màng mỏng kim loại bằng phương pháp phún xạ

Chuẩn bị các hóa chất cho quy trình thực nghiệm − Phiến Si loại p mặt 100 − Aceton, Ethanol, Nước khử ion − Máy quay ly tâm, Máy nung nóng Pha chế các dung dịch và chuẩn bị phiến Si để l

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NỘI DUNG THÍ NGHIỆM Bài 1 Xử lý bề mặt và ăn mòn hóa học

Bài 2 Quang Khắc

Bài 3 Tạo màng mỏng kim loại bằng phương pháp phún xạ

BÀI 1

XỬ LÝ BỀ MẶT VÀ ĂN MÒN HÓA HỌC

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I.1 Mục đích của quá trình xử lý hoá học.

- Làm sạch bề mặt bán dẫn (sau khi gia công cơ học hay sau các công đoạn công nghệchế tạo linh kiện)

- Tẩy bỏ các lớp hư hỏng sau gia công cơ học

- Ăn mòn để tạo các cấu trúc mong muốn

Hình 1.1 Phiến Silic và định hướng các mặt tinh thể thường gặp.

I.2 Cơ chế của quá trình xử lý bề mặt.

Xử lý mẫu bằng phương pháp hoá học chủ yếu dựa trên cơ chế của phản ứng ôxyhoá - khử Yếu tố quyết định ảnh hưởng đến các giai đoạn của phản ứng là tốc độ củaphản ứng nào xảy ra chậm hơn và nó sẽ xác định tốc độ của quá trình xử lý mẫu Có thể

mô tả hai giai đoạn chính của quá trình như sau:

- Sự chuyển rời của các chất tham gia phản ứng tới vùng tiếp xúc Si – dung dịch;

- Phản ứng hoá học

I.3 Xử lý bề mặt phiến Si.

Việc xử lý bề mặt phiến Si phải được thực hiện trước các công đoạn công nghệ nhưôxy hoá, khuếch tán hay epitaxy Bề mặt phiến Si có thể bị bẩn vì hai nguyên nhânchính sau:

- Bề mặt bị bẩn vật lý: bụi, dầu, mỡ

- Bề mặt bị bẩn hoá học: do kết quả của các phản ứng hoá học giữa bề mặt phiến Sivới môi trường dẫn tới các oxide, các sulphide, các carbonat, các ion kim loại nặng đọng lại trên bề mặt.

Như vậy, trên bề mặt phiến Si tồn tại nhiều loại tạp bẩn Vì thế việc xử lý bề mặt sẽbao gồm các quá trình tẩy sạch lần lượt các chất bẩn trên

II THỰC NGHIỆM

II.1 Chuẩn bị các hóa chất cho quy trình thực nghiệm

− Phiến Si loại p mặt (100)

− Aceton, Ethanol, Nước khử ion

− Máy quay ly tâm, Máy nung nóng

Pha chế các dung dịch và chuẩn bị phiến Si để làm sạch

II.2 Qui trình xử lý bề mặt tiêu chuẩn (Standard Cleaning - SC): Phiến đã được oxy hóa (có lớp SiO2)

- Tiếp, đặt tấm Si vào dung dịch Ethanol (giúp trung hòa –

- Đặt tấm Si sạch sau khi rửa vào máy quay khô li tâm 2 min

II.3 Hình ảnh thực tế quá trình thực nghiệm

Hình 1.2 Ngâm phiến Si trong Aceton Hình 1.3 Tiếp tục ngâm trong Ethanol.

Hình 1.4 Rửa phiến Si bằng nước cất để

loại bỏ các hạt bẩn trong phiến

Hình 1.5 Sấy khô phiến

III BÁO CÁO

III.1 Khảo sát lý thuyết

1 Các quy trình xử lý tiêu chuẩn trên thế giới

Bước Hóa chất Thời gian (phút)

2 So sánh với phương pháp thực nghiệm tại phòng thí nghiệm

Quy trình ở phòng thí nghiệm về cơ bản là giống đối với quy trình làm sạch mặt tiêuchuẩn SC, tuy nhiên ở phòng thí nghiệm ở ITIMS không có bước cho vào

axit HNO3 và HF

* Nhận xét:

- Khi vào phòng sạch, sinh viên tuân thủ đúng quy trình vào phòng sạch

- Trong khi thực hành trong phòng sạch thí nghiệm, các quy trình mà sinh viên thực hiệnlàm sạch phiến Si đúng như theo từng bước mà trong bài báo cáo đã nêu

III.2 Câu hỏi kiểm tra:

Câu 1 Để xử lý bề mặt phiến Si, ngoài qui trình SC ở trên người ta còn sử dụng những

phương pháp nào khác? Hãy so sánh các phương pháp đó?

Trả lời: Công đoạn làm sạch bề mặt phiến (silicon) thường được thực hiện nhờ các axit

mạnh, các chất có tính ôxi hoá như HNO3, H2SO4, H2O2 và HF Kỹ thuật làm sạch thường

sử dụng là RCA clean (wet cleaning) bao gồm nhiều bước:

- SC1 (standard clean 1) – loại bỏ màng và các hạt hữu cơ;

- SC2 (standard clean 2) – loại bỏ kim loại;

- HF (hydrofluoric acid) loại bỏ các lớp silicon dioxide;

- SPM (sulfuric peroxide) – loại bỏ các lớp hữu cơ thô

- SPM (sulfuric peroxide) – loại bỏ các lớp hữu cơ thô

Làm sạch tiêu chuẩn RCA Axit HF làm sạch

- SC-1⇒NH4OH:H2O2 =1:1:5, 5

phút, 70-85°C

- phân tán và tạo thành một oxit

mới

- loại bỏ các hạt và chất hữu cơ

- phân hủy nhanh H₂O₂ và NH3 ở

- loại bỏ các tạp chất kim loại và

các hydroxit kim loại không hòa

- thay đổi bề mặt (ưa nước thành

Nhận xét: Phương pháp này tuy có sự phức tạp vì trải qua nhiều bước, nhưng với quy

trình này sẽ giúp loại bỏ toàn bộ các tạp chất, các chất bẩn trên tấm silicon và đạt đượctấm silicon có độ sạch lên tới 99,9999999%

Câu 2 Làm thế nào để pha 450 ml dung dịch HF 1%, từ dung dịch HF 48%.

Trả lời: Pha 450 ml dung dịch HF 1%, từ dung dịch HF 48%

Câu 3: Giải thích mục đích của các bước xử lý hóa đã làm.

Trả lời: Việc xử lý bề mặt sẽ giúp chúng ta loại bỏ những tạp chất vô cơ, hữu cơ hoặc sai

hỏng trên bề mặt tấm silicon trước khi chuyển nó vào những bước công nghệ tiếp theo,

cụ thể như sau:

- Bước 1: Mục đích để làm sạch bề mặt mẫu loại bỏ chất hữu cơ và bụi.

Cụ thể: sử dụng dung dịch acetone để làm sạch mẫu sau đó khử acetone

dư bằng methanol, cuối cùng rửa sạch bằng nước DI

- Bước 2: Mục đích khử ion, làm sạch mẫu

Cụ thể: dùng phương pháp RCA

Phương trình: H2O2 + NH4OH → 2H2O + NH3 + 0.5O2

- Bước 3: Mục đích loại bỏ lớp silic oxit mỏng trên bề mặt

Cụ thể: ở đây ta dùng dung dịch HF (ngâm 2 phút) để ăn mòn rồi rửa

lại bằng nước DI để loại bỏ các chất dư

Phương trình: 4HF + SiO2 > SiF4 ↑+ 2H2O

BÀI 2

QUANG KHẮC I.Mục đích thí nghiệm.

Quá trình quang khắc là tập hợp các quá trình hóa – quang phục vụ cho mục đích tạo racác kích thước và hình dạng cần thiết các phân tử trong mạch tích hợp hay linh kiện

- Trên bề mặt vật liệu được phủ một lớp có cấu trúc nhạy sáng đặc biệt gọi là chất cảm quang (photoresist) có các tính chất sau:

 Nhạy quang

 Bền vững trong các dung môi axit hoặc kiềm

II Cơ sở lý thuyết.

II.1 Bản chất của quá trình quang khắc.

Trên bề mặt vật liệu được phủ một lớp có cấu tạo nhạy sáng đặc biệt gọi là chấtcảm quang ( photoresist )

Hình 2.1 Cảm quang dương và cảm quang âm trong quá trình quang khắc

Chất cảm quang có nhiệm vụ là lớp bảo vệ có hình dạng cần thiết cho bề mặt khỏi

bị tác động của các dung môi hóa học Người ta phân lọai cảm quang thành cảm quangdương và cảm quang âm dựa vào cơ chế phản ứng xảy ra trong cảm quang khi bị chiếusáng và sự thay đổi tính chất trong quá trình chiếu sáng Các cảm quang âm khi bị chiếu

sáng trở nên không bị hoà tan trong các dung môi tương ứng Còn các cảm quang dươngthì ngược lại, khi bị chiếu sáng sẽ hoà tan trong các dung môi.

II.2 Quá trình công nghệ quang khắc.

Một quy trình quang khắc điển hình được biểu diễn trên sơ đồ dưới đây:

Hình 2.2 Quy trình thực hiện quá trình quang khắc

III Thực nghiệm

1 Các bước thực hiện

 Bước 1: Phủ lên phiến Si chất Primer có tác dụng làm chất kết dính để tránh bị trôi

lớp cảm quang Primer được phủ lên tấm Si và quay ly tâm trong 20s, tốc độ 3000rpm

 Bước 2: Sau đó phủ lớp cảm quang (dương)–photoresis một lượng khoảng 5ml và

quay ly tâm trong 20s, 3000rpm Sau đó đặt tấm Slic lên máy nung để sấy trongkhoảng 5 phút

 Bước 3: Sau khi sấy, lớp cảm quang đã khô thì ta tiến hành quá trình quang khắc.

Đặt lớp mặt nạ Cr lên trên phiến Si điều chỉnh cho khoảng cách giữa 2 tấm là đặtsát nhau, chiếu chùm tia UV từ trên xuống

 Bước 4: Đem tấm Si đã quang khắc đem ngâm trong dung dịch để hiện hình để

hiện lớp photoresist trên bề mặt, sau đó rửa lại bằng nước khử ion, quay li tâm vàsấy nhẹ

 Bước 5: Kiểm tra lại tấm Silic đã được quang khắc bằng kính hiển vi.

2 Thực tế

Hình 2.3 Tấm mask sử dụng trong quá

trình quang khắc

Hình 2.5 Rửa phiến bằng nước khử ion

Hình 2.4 Phiến silic sau khi phủ Primer

Hình 2.6 Sấy khô phiến

Hình 2.7 Đặt phiến vào thiết bị phủ chất cảm quang và cho chất cảm quang vào thiết bị

phủ

Hình 2.8 Sấy và đặt tấm silic vào máy quang khắc

Hình 2.9 Thực hiện quy trình quang khắc

Hình 2.10 Kiểm tra trên kính hiển vi

• Nếu tốt, làm tiếp

• Nếu hỏng, tẩy sạch Photoresist bằng acetone, làm lại

• Sấy lần 2: 125 5 min (cho quy trình lift-off, 15 min cho quy trình ăn mòn SiO℃ 2)

• Tẩm thực: HF/NH4F

• Quan sát đến lúc không còn dính ướt trên mẫu thử

• Kiểm tra trên kính hiển vi

Hình 2.13 Hình ảnh chụp sau khi quang khắc

III Báo cáo

Câu 1: Có nhất thiết phải sử dụng lớp primer trước khi phủ lớp cảm quang hay không?

Trả lời: Lớp lót cảm quang (primer) có vai trò làm tăng khả năng kết dính giữa đế và

chất cảm quang Vì thế, không nhất thiết phải sử dụng nó, tuy nhiên nhằm tăng hiệu

16 suất cũng như chất lượng của sản phẩm, nó thường được sử dụng trong quá trình quang khắc

Câu 2: Hãy liệt kê các nguyên nhân có thể khiến quá trình quang khắc không thành

công ?

Trả lời:

− Phủ lớp cảm quang độ dày không đều: Do bề mặt khô không đều, các đường biên có

thể dày hơn

− Xuất hiện các đường sọc: Do trong chất cảm quang có các hạt rắn có đường kính lớn hơn độ dày của lớp phủ

- Chế tạo màng mỏng: Phún xạ là một phương pháp phổ biến để chế tạo màng mỏng của các vật liệu khác nhau, chẳng hạn như:

+ Kim loại

+ Bán dẫn

+ Vật liệu cách điện

II Cơ sở lý thuyết

II.1 Khái niệm và phân loại

Phún xạ (Sputtering) là kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách sử dụng ion khí hiếmđược gia tốc dưới điện trường để bắn phá bề mặt vật liệu

Hình 3.1: Mô tả quá trình Phún xạ

Có ba loại phún xạ chính:

Phân loại:

1 Phún xạ phóng điện phát sáng một chiều (DC discharge sputtering):

 Sử dụng hiệu điện thế một chiều và Argon ở áp suất thấp

 Bia vật liệu đặt trên cathode trong chuông chân không

 Thích hợp cho bia dẫn điện như kim loại, hợp kim

2 Phún xạ phóng điện phát sáng xoay chiều (RF discharge sputtering):

 Sử dụng hiệu điện thế xoay chiều với dòng điện cao tần (thường 13,56MHz)

 Dùng cho bia vật liệu không dẫn điện

 Yêu cầu bộ phối hợp trở kháng và tụ điện để tăng công suất phóng điện

3 Phún xạ magnetron:

 Kết hợp cả phún xạ xoay chiều và một chiều

 Sử dụng nam châm dưới bia để tăng hiệu ứng iôn hóa và giảm sự bắn phá

 Tạo ra sự phóng điện ở áp suất thấp hơn, giảm nhiệt độ đế, và làm tăngđộng năng của các nguyên tử lắng đọng trên màng mỏng

II.2 Nguyên lý

Hình 3.2: Nguyên lý hoạt động chung

Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật phún xạ (Sputtering) để tạo màng mỏng được mô tảnhư sau:

1 Sputtering: Sử dụng ion argon để bắn phá target kim loại và tạo màng mỏng trên

substrate

2 Magnetron sputtering: Áp dụng từ trường vào target để tăng hiệu suất ion hóa và

tăng tốc độ quá trình tạo màng

3 Quá trình hình thành màng mỏng: Nguyên tử từ target bốc hơi, tích tụ lên

substrate, và hình thành màng mỏng

4 Hình thái của màng mỏng: Nhiệt độ, áp suất, và loại khí (ví dụ: Argon + O2) ảnh

hưởng đến tính chất và hình thái của màng

 Loại ion và năng lượng của ion bắn phá lên bia

 Góc đập của ion lên bề mặt cathode

 Phụ thuộc vào áp suất khí làm việc

b) Sự phụ thuộc vào góc tới của sự phún xạ

Hình 3.2: Hệ số phún xạ đạt giá trị cao nhất ở vào khoảng góc tới có giá trị 72º

III Thực nghiệm

Thiết bị phún xạ là Sputter System DS4004 có xuất xứ Hàn Quốc

Hình 3.3: Hệ thống phún xạ Sputter System DS4004

Hình 3.4: Bảng điều khiển mô tả các thành phần của hệ thống phún xạ

Quy trình phún xạ được thực hiện như sau:

B1: đưa phiến vào buồng sơ cấp Hút chân không tới 10-3 Torr Điều khiển rút chân

không trên màn hình điều khiển Thời gian đạt chân không là 2 phút

Hình 3.5: Buồng sơ cấp

B2: Sau khi đã đạt mức chân không thấp, điều khiển thanh trượt để đưa vào buồng thứ

cấp, cài đặt chân không ở mức cao: 5.10-6 Torr

21

B3: Vào khí mang Ar 30 sccm ở thanh điều khiển

B4: Bật plasma, lưu ý phải để áp suất 5mTorr phù hợp Phún xạ Crom trước trong vòng 3

phút Nguồn 100W Sau đó phún xạ Platium trong 8 Phút Khi phún xạ đế được xoay đều

1) Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phún xạ

Trả lời: Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phún xạ có thể được chia thành hai nhóm chính:

- Yếu tố vật lý: bao gồm áp suất khí, dòng điện, điện áp, nhiệt độ và loại vật liệu bia

- Yếu tố kỹ thuật: bao gồm thiết kế buồng phún xạ, cấu hình hệ thống phún xạ và điều kiện hoạt động của hệ thống phún xạ

2) Khi nào sử dụng nguồn DC, khi nào sử dụng nguồn RF trong phún xạ? Tại sao?

Trả lời: Nguồn DC thường được sử dụng trong các trường hợp dùng cho các bia dẫn điện như là hợp kim, kim loại,…

Vì: - Tạo ra chùm ion năng lượng cao, dẫn đến tốc độ phún xạ cao

Hình 3.8: Kết quả đo AFM

- Thích hợp để phún xạ các vật liệu có điểm nóng chảy cao.

Nguồn RF thường được sử dụng trong các trường hợp dùng cho các bia không dẫn điện.Vì: - Giảm thiểu sự bắn phá quá mức bề mặt bia, dẫn đến màng mỏng có chất lượng cao hơn

- Thích hợp để phún xạ các vật liệu nhạy cảm với nhiệt