Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử nanô

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ Trần Tiến Phức Khoa Điện - Điện tử 20/12/13 TS Tran Tien Phuc HAI CÁCH TIẾP CẬN CƠ BẢN ĐỂ CHẾ TẠO LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ • Tiếp cận từ xuống (top – down) • Tiếp tục cải tiến công nghệ vi điện tử nhằm giảm kích thước linh kiện, giảm tiêu thụ lượng điện, tăng mật độ tăng khả tiêu tán nhịệt, mở rộng phạm vi hoạt động (nhiệt độ, áp suất…) 20/12/13 • Tiếp cận từ lên (boottom – up) • Chế tạo linh kiện từ việc lắp gép, kết hợp nguyên tử, phân tử riêng biệt dựa vào nguyên lý mới, tạo nên hiệu ứng Thiết bị phương pháp công nghệ linh kiện điện tử nanô theo hướng có nhiều điểm TS Tran Tien Phuc Ba phương pháp công nghệ quan trọng để chế tạo linh kiện điện tử nanô Lắng đọng màng mỏng Lythography Kỹ thuật thêm, bớt vật liệu 20/12/13 TS Tran Tien Phuc Lắng đọng màng mỏng Lónh vực Phương pháp Vật lý Bốc Epitaxy chùm phân tử (MBE) Thổi Hoá học Lắng đọng xung laser (PLD) Cơ chế tác động Nhiệt Xung lượng Tốc độ lắng đọng Cao, tới 75.104Ao/phút Thấp (trừ kim Vừa phải loại tinh khiết) Từ vừa phải đến 2500Ao /phút Phần tử lắng đọng Nguyên tử ion Nguyên tử ion Nguyên tử, ion nhóm Phân tử tiền chất phân ly thành nguyên tử Năng lượng Thấp, 0,1 tới 0,5 eV Có thể cao - 100 eV Thấp tới cao Thấp hay cao với bổ sung plasma Kích thước wafer Lớn tuỳ ý Lớn tuỳ ý Hạn chế Lớn tuỳ ý 20/12/13 TS Tran Tien Phuc Nhiệt CVD CVD hữu kim loại Phản ứng CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LẮNG ĐỌNG MÀNG • Quãng đường tự trung bình  nguyên tử hay phân tử khí  2Nd • d - đường kính phân tử, N - nồng độ chất khí Với chất khí lý tưởng: N=p/kBT kB -hằng số Boltzmann  20/12/13 k BT 2pd TS Tran Tien Phuc Số nguyên tử dư chuyển động bám vào màng hình thành làm giảm độ tinh khiết tính N i  pi 2k B mi T Trong đó, mi khối lượng nguyên tử phân tử Muốn có màng cần độ chân không cực cao (Ultra High Vacuum - UHV, hôn 109mbar) 20/12/13 TS Tran Tien Phuc Bay nhiệt cấy ghép chùm phân tử • Cấy ghép chùm phân tử (Molecular Beam Epitaxy - MBE) phát triển từ kỹ thuật bay nhiệt, kết hợp độ chân không cao (UHV) để tránh nhiễu loạn khí dư nguyên nhân khác • Có thể kết hợp nhiều nguồn để tạo lớp hay điều chỉnh mật độ pha trộn 20/12/13 TS Tran Tien Phuc Lắng đọng xung laser • Lắng đọng xung laser (Pulsed Laser Deposition – PLD) phương pháp chuẩn bị màng mỏng phát triển tốt, đặc biệt thích hợp cho lắng đọng oxit vật liệu nhiều thành phần khác 20/12/13 TS Tran Tien Phuc Lắng đọng phún xạ 20/12/13 Trong buồng chân không vật liệu bia bị ăn mòn mặt catôt (thế âm) chất cho màng mặt anôt (thế dương) Thế vài trăm vôn gây nên mồi phóng điện plasma áp suất khoảng10-1 – 10-3 mbar ion có điện tích dương gia tốc tới bia Những hạt gia tốc bật nguyên tử trung hoà chất lắng đọng tới Phún xạ phát triển thêm nhiều hình thức mới: phún xạ RF áp dụng cho màng không dẫn điện; phún xạ điều khiển từ trường, phún xạ môi trường áp suất cao… TS Tran Tien Phuc Lắng đọng bay hoá học 20/12/13 TS Tran Tien Phuc 10 Maøng Langmuir-Blodgett 20/12/13 TS Tran Tien Phuc 11 Lithographi Dữ liệu vi cấu trúc (CAD) Bộ viết chùm tia điện tử/ viết chùm tia laser DUV lithography EUV lithography Tia X lithography EBP lithography IBP lithography Viết trực tiếp Mặt nạ cho lithography tiếp xúc, gần chiếu Nền phủ chất cản / ĂÊn mòn hoá ướt / khô Vi cấu trúc chất 20/12/13 TS Tran Tien Phuc 12 Lithographi quan điểm loại xạ sử dụng • UV (Ultra Violet) 365 nm – 436 nm • DUV (Deep Ultra Violet) có bước sóng 175-250nm • EUV (External Ultra Violet) có bước sóng 11-14nm • Tia X (X ray) có bước sóng dải 1-10nm • EBP (Electron Beam Projection) chùm tia điện tử • IBP (Ion Beam Projection) 20/12/13 TS Tran Tien Phuc 13 Lithographi - khuôn (mask) xác định lên mẫu - wafer Nguyên tắc chung hệ thống Một nguồn xạ chiếu lên mẫu qua khuôn (mask) xen Quá trình chiếu xạ xử lý cách chọn lọc vùng wafer để hình thành lớp cấu trúc theo thiết kế Sử dụng ánh sáng-> to Lithographi Sử dụng điện tử -> Lithographi điện tử Sử dụng ion -> Lithographi ion 20/12/13 TS Tran Tien Phuc 14 Lithographi quan điểm vị trí khuôn (mask) so với mẫu (wafer) • Khuôn tiếp xúc với mẫu khả phân giải (Minimum Feature Size-MFS) là: MFS  d.λ • Khuôn gần mẫu với khỏang cách d độ phân giải giảm MFS  (d  g)λ • Khuôn chiếu lên mẫu thông qua ảnh nên độ phân giải tốt tùy theo độ mở hệ thống quang hoïc λ MFS  0,61 20/12/13 NA TS Tran Tien Phuc 15 Ưu nhược điểm kỹ thuật top down Ưu điểm Công nghiệp điện tử có nhiều kinh nghiệm thiết bị để chế tạo vi chip.Có thể tiếp tục cải tiến để chế tạo cấu trúc vùng nm (tia X, tia điện tử, tia ion) 20/12/13 Khuyết điểm Những thay đổi cần có khó tốn kém, làm giảm tốc độ chế tạo tuổi thọ thiết bị sản xuất tính chất hủy thể TS Tran Tien Phuc 16 Kỹ thuật bottom-up Viết trực tiếp để phân tử tự xếp 20/12/13 TS Tran Tien Phuc 17 Kỹ thuật bottom-up dựa vào dòng đường hầm • Dùng kính hiển vi lực nguyên tử để lấy hay đặt vào nguyên tử vị trí theo thieát keá 20/12/13 TS Tran Tien Phuc 18 20/12/13 TS Tran Tien Phuc 19 Đặt từng nguyên tử hay phân tử vào mẫu 20/12/13 TS Tran Tien Phuc 20 10 Lấy nguyên tử, phân tử khỏi mẫu 20/12/13 TS Tran Tien Phuc 21 Khắc ăn mòn vật lý theo hướng nằm ngang 20/12/13 TS Tran Tien Phuc 22 11 Ưu nhược điểm kỹ thuật bottom-up Ưu điểm Sắp xếp nguyên tử phân tử thành cấu trúc nanô nhỏ với kích thước khoảng hàng nanômét thông qua phản ứng hóa học chọn lọc kỹ thuật đầu dò quét 20/12/13 Khuyết điểm Khó chế tạo cấu trúc khác liên kết theo thiết kế với mục đích xác định trước Không thích hợp cho việc chế tạo hàng loạt linh kiện điện tử vi chip TS Tran Tien Phuc 23 12 ...Ba phương pháp công nghệ quan trọng để chế tạo linh kiện điện tử nanô Lắng đọng màng mỏng Lythography Kỹ thuật thêm, bớt vật liệu 20/12/13... kỹ thuật top down Ưu điểm Công nghiệp điện tử có nhiều kinh nghiệm thiết bị để chế tạo vi chip.Có thể tiếp tục cải tiến để chế tạo cấu trúc vùng nm (tia X, tia điện tử, tia ion) 20/12/13 Khuyết... tinh khiết) Từ vừa phải đến 2500Ao /phút Phần tử lắng đọng Nguyên tử ion Nguyên tử ion Nguyên tử, ion nhóm Phân tử tiền chất phân ly thành nguyên tử Năng lượng Thấp, 0,1 tới 0,5 eV Có thể cao