Bài tiểu luận về quang khắc

Mô tả tổng quan về quá trình quang khắc cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này.

Quang khắc [Type text] Trang 1 1. Photopolymer 1.1 .Giới thiệu Photopolyme là một loại polyme mà khi hấp thụ ánh sáng thì đặc tính của nó sẽ thay đổi. Nguồn quang học để đóng rắn bức xạ có thể là tia cực tím (UV), ánh sáng, laser đã được quan tâm nghiên cứu trong những năm 1990. Những kỹ thuật này dựa trên những phản ứng hóa học đòi hỏi sự kích hoạt của photon trong vùng ánh sáng UV, khả kiến, hồng ngoại , hay proton. Quá trình đóng rắn cũng xảy ra bằng các chuỗi hạt electron, tia X, tia , plasma, sóng siêu âm. Photopolyme thường mềm và rất nhạy sáng. Các polyme này thường được sử dùng nhiều trong nha khoa, tạo mẫu nhanh trong stereolithography và trong các quá trình in 3D. Chất này cũng được sử dụng để sản xuất các hệ thống cảm biến của ADA. 1.2. Tổng hợp photopolymer Photopolyme thường là những hợp chất polyamit mà trong thành phần có nhóm (-CO-NH-). Chúng thường được tổng hợp bằng phương pháp trùng ngưng những amino axit tương ứng. Công thức thu gọn: [ - HN – R – CO - ] n 1.3. Tính chất quang của photopolymer 1.3.1. Năng lượng quang Khi phân tử chất nhạy quang hấp thụ photon ánh sáng thích hợp nó sẽ bị kích thích tạo gốc tự do xúc tác phản ứng quang hóa . Phản ứng quang hóa này xảy ra theo các hình thức: oxy hóa, khử, phân hủy, cộng hợp, trùng hợp hoặc dime hóa, tạo liên kết ngang…. Quang khắc [Type text] Trang 2 Hình 1.1: Quang phổ phát xạ mặt trời Ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì có năng lượng càng cao . Khi chiếu xạ quang, mỗi nguyên tử hay phân tử chỉ hấp thụ một photon, vì vậy, nếu chiếu ánh sáng có bước sóng dài, năng lượng thấp, thì mặc dù có chiếu với cường độ lớn bao nhiêu đi nữa thì phản ứng quang hóa cũng không xảy ra. Chính vì vậy, các loại đèn có bức xạ sóng ngắn như đèn halozen, đèn siêu cao áp thủy ngân, đèn hồ quang, đèn xenon và đặc biệt là bức xạ mặt trời thường được sử dụng làm nguồn cho các phản ứng quang hóa. Hình 1.2 Đèn xenon Quang khắc [Type text] Trang 3 Hình 1.3. Đèn halogen 1.3.2. Các phản ứng quang hóa trong photopolymer  Trùng hợp quang  Chất khơi mào quang Chất khơi mào quang (PI) Al Al là gốc tự do, cation hoặc anion Al + monome (M) Sự polyme hóa hoặc polyme (P) Các chất nhạy quang (PS) (PS)* (PS)* + PI, M, hoặc P Al + (PS) 0  Quá trình khơi mào quang Sự vỡ mảnh quang trực tiếp : (PI) 0 (PI)* gốc tự do, axit Lewis Azo: R – N = N – R R • + N 2 Peroxide: R – O – O – R R • , RO, ROO • , O 2 hv hv hv hv hv Quang khắc [Type text] Trang 4  Trùng hợp quang cation Các hợp chất có cấu trúc vòng, ete, vinyl ete, ortho este, vòng sulfide đều có khả năng trùng hợp cation. Phản ứng trùng hợp quang cation tiến hành bởi những chất khơi mào quang cation.  Khơi mào quang cation - Các muối onium Ar m Z + MX n - Z = I, N 2 , S, Se Ar 3 S + MX n - Ar 2 S + HMX n + những chất khác Axit Lewis: (MX n-1 ): BF 3 , PF 5 , SbF 5 , SnCl 4 , FeCl 3 , . - Các muối aryl diazonium ex, ArN 2 SbF 6 ArF + SbF 5 + N 2 - Các muối diaryl Iodonium Ar 2 I + MX n - ArI + Ar - • + S• + HMX n SH: Trong dung môi cho proton H + Axit Lewis: HMX n : HBF 4 , HPF 6 , HSbF 6 , HAsF 6 , HOSO 2 CF 3  Cơ chế của quá trình trùng hợp cation - Quá trình kích hoạt quang Ar 2 I + MX n - [Ar 2 I + MX n - ]* hv hv SH Quang khắc [Type text] Trang 5 - Chia tách liên kết C-I [Ar 2 I + MX n - ]* ArI + • + Ar• + MX n - - Tương tác dung môi ArI + • + S – H ArI + – H + S• - Mất proton ArI + – H Ar – I + H +  Sự tạo cầu liên kết ngang quang Những hợp chất trong phân tử có cấu trúc như maleimid, chalcone, coumarine, cinnamoyl, acetylene, thyine….khi có tác dụng ánh sáng tử ngoại dể dàng tạo hợp chất dime. - Dime từ axit cinnamic Khi cho chất cinnamoyl clorit tác dụng với polyvinylalcol, ta nhận được polyvinylcinnamat. Polyvinylcinnamat khi có tác dụng của ánh sáng tử ngoại, liên kết đôi trong phân tử phản ứng với nhau tạo thành hợp chất dime.Lợi dụng tính chất này, hãng Kodak đã chế tạo thành công photoresit mang tên Kodak photoresist (KPR:1945). Để tăng độ nhạy sáng của chất photoresit này , người ta cho thêm chất tăng nhạy quang như các chất: 5 – nitroacenaphthene, p, p , - tetramethylamino – benzophenone. Khi có các chất tăng nhạy quang, độ nhạy sáng của photoresist tăng lên 100 – 500 lần. Quang khắc [Type text] Trang 6 - Quá trình quang hóa bởi hợp chất dicromat Hợp chất dicromat khi có tác dụng của ánh sáng, crom(VI) chuyển thành crom(III) và tạo mạng với polyme nền như PVA hay gelatin trở thành hợp chất không tan trong nước. Lợi dụng tính chất này, người ta chế tạo ra cảm quang âm từ gelatin hay PVA với muối bicromat. Cảm quang loại này thường được ứng dụng trong công nghệ in hoa trên vải. PVA + dicromat Gelatin + dicromat Tạo liên kết ngang bởi sự liên hợp  Phân hủy quang - Phân hủy quang của muối diazonium Hợp chất diazo khi có tác dụng của ánh sáng tử ngoại, dể bị phân hủy giải phóng nitơ, tạo thành radical kém bền. Radical này dể phản ứng với môi trường xung quanh như hơi nước, hơi clo…. Tạo thành hợp chất khó tan hơn muối diazo. Lợi dụng tính chất này, người ta chế tạo ra một số loại photoresist. KPR Quang khắc [Type text] Trang 7 p – diazodiphenylamine X=HSO 4 - , TsO - - Phân hủy quang của nhóm o-Napthoquinone diazide [DNQ] Phân hủy quang của nhóm o-Naphthoquinone diazide đã được nghiên cứu từ lâu. Khi bị chiếu sáng, liên kết diazo bị phân hủy, giải phóng nitơ và tác dụng với môi trường chuyển hóa thành axitcacboxylic. Hợp chất này có khả năng tan trong môi trường kiềm. - Phân hủy nhóm aryl azid Các hợp chất hữu cơ azid rất dể bị phân hủy quang, tạo thành hợp chất trung gian nitren. - Các polyme có khả năng suy biến quang Một số loại polyme rất dễ bị phân hủy khi có tác dụng của ánh sáng như tia tử ngoại, tia điện tử, tia X .Lợi dụng tính chất này người ta chế tạo ra một số loại photoresit. Quang khắc [Type text] Trang 8 1.4. Ứng Dụng Photopolymer được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực sơn, màng phủ, vecni trên các nền gỗ, kim loại, nhựa, Ngoài ra còn được sử dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp hình ảnh, công nghệ in ấn, điện tử. 2. Công nghệ Quang Khắc 2.1. Quang Khắc 2.1.1. Định nghĩa 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. Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong công nghiệp bán dẫn và vi điện tử, nhưng không cho phép tạo các chi tiết nhỏ do hạn chế của nhiễu xạ ánh sáng, nên được gọi là quang khắc micro (micro lithography). Đến 1935, Louis Minsk của Eastman Kodak đã phát triển chất cảm quang âm đầu tiên (negative photo-resist). Đến 1940, Otto Suess của Kalle Div đã phát triển chất cảm quang dương đầu tiên (positive photo-resist). Lịch sử Sự kiện In thạch bản Được phát minh bởi Alois Senefelder vào 1796 Chụp ảnh Được phát minh bởi Nicéphore Niépce1826 Quang khắc Được phát minh bởi Louis Poitevin 1855. Louis Minsk của Eastman Kodak đã phát triển chất cảm quang âm đầu tiên 1935. Otto Suess of Kalle Div đã phát triển chất cảm Quang khắc [Type text] Trang 9 2.1.2. Kỹ thuật quang khắc Quang khắc là tập hợp các quá trình quang hóa nhằm thu được các phần tử trên bề mặt của đế có hình dạng và kích thước xác định. Như vậy, quang khắc sử dụng các phản ứng quang hóa để tạo hình. Bề mặt của đế sau khi xử lý được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cảm quang (photoresist). Chất cảm quang có tính chất nhạy quang, bền trong các môi trường kiềm hay axit. Cảm quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo. Cảm quang thường được phủ lên bề mặt tấm bằng kỹ thuật quay phủ (spin-coating). Cảm quang được phân làm 2 loại :  Cảm quang dương: Chất cảm quang sau khi bị ánh sáng chiếu vào sẽ bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa.  Cảm quang âm: Chất cảm quang sau khi ánh sáng chiếu vào thì không bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa. quang dương đầu tiên 1940. Quang khắc [Type text] Trang 10 Hình 2.1 Quy trình chế tạo vi linh kiện bằng kỹ thuật liff-off và kỹ thuật ăn mòn  Kỹ thuật liff-off Kĩ thuật liff - off (Quang khắc bằng chất cảm quang dương): Chất cảm quang dương sau khi được phủ trên đế được chiếu sáng thông qua mặt nạ . Những vùng chất cảm quang không được mặt nạ che (bị chiếu sáng) sẽ bị biến đổi tính chất, tan được trong dung dịch tráng rửa. Còn lại những vùng được mặt nạ che (không bị chiếu sáng) sẽ bám dính trên đế . Tiếp đó vật liệu được bốc bay (bằng phương pháp phún xạ, …) sẽ bám dính lên đế và lớp chất cảm quang . Sau đó phần vật liệu bám trên chất cảm quang sẽ bị loại bỏ (liff-off) bằng cách cho mẫu vào rung siêu âm trong acetone. Phần vật liệu bám trên chất cảm quang cùng lớp cảm quang này sẽ bị rửa trôi, chỉ còn lại lớp vật liệu bám chắc trên đế . . Quang khắc [Type text] Trang 13 Hình 2.3. Các giai đoạn cơ bản của quang khắc 2.2. Quy trình quang khắc Hình 2.4 mô tả các bước trong quy trình quang khắc. phủ cảm quang nhờ một hệ thấu kính hội tụ. Quang khắc [Type text] Trang 12 Hình 2.2 Nguyên lý hệ quang khắc Các giai đoạn cơ bản để tạo quang khắc: -