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). Một số sách giáo khoa ở Việt Nam còn dịch thuật ngữ photolithography là quang bản thạch.

Quang Quang kh kh   c c Lê Tun     i i h h   c c B B á á ch ch khoa khoa H H à à N N   i i 2 2 1/30/2006 1/30/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i Quang Quang kh kh   c c M M   c c đ đ í í ch: ch: Quang Quang kh kh   c c l l à à công công đo đo   n n đ đ   c c l l   p p , , c c ó ó vai vai trò trò quan quan tr tr   ng ng b b   c c nh nh   t t trong trong công công ngh ngh   s s   n n xu xu   t t c c á á c c m m   ch ch vi vi đi đ i   n n t t   , , nh nh   m m truy truy   n n h h ì ì nh nh   nh nh tô tô pô pô lên lên phi phi   n n b b á á n n d d   n n , , x x á á c c đ đ   nh nh c c á á c c v v   tr tr í í thao thao t t á á c c ti ti   p p theo theo cho cho h h   u u h h   t t c c á á c c b b   c c công công ngh ngh   . . Kho Kho   ng ng 35 % 35 % gi gi á á th th à à nh nh s s   n n xu xu   t t chip chip đ đ   c c chi chi ph ph í í cho cho c c á á c c công công đo đo   n n quang quang kh kh   c c . . Quang kh Quang kh   c đ c đ   c chia th c chia th à à nh 3 nh 3 giai đo giai đo   n: n: ̈ ̈ Thi Thi   t t k k   m m   t t n n   ̈ ̈ T T   o o m m   t t n n   ̈ ̈ Truy Truy   n n   nh t nh t   m m   t n t n   lên đ lên đ   3 3 1/30/2006 1/30/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i Quang Quang kh kh   c c ( ( ti ti   p p ) ) Giai đo Giai đo   n cu n cu   i quan tr i quan tr   ng nh ng nh   t đ t đ   c tr c tr ì ì nh b nh b à à y theo 3 ph y theo 3 ph   n sau: n sau: a) a) H H   th th   ng ngu ng ngu   n b n b   c x c x   (quang h (quang h   c, c, UV, t UV, t ia X, ia X, tia đi tia đi   n t n t   , v.v , v.v … … ) ) b) b) H H   th th   ng truy ng truy   n n   nh lên m nh lên m   u b u b á á n d n d   n n c) c) C C á á c ch c ch   t c t c   m quang m quang C C á á c n c n   i dung v i dung v   quang kh quang kh   c s c s   đ đ   c tr c tr ì ì nh b nh b à à y ti y ti   p theo ba ph p theo ba ph   n trên n trên 4 4 1/30/2006 1/30/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i Quang Quang kh kh   c c ( ( ti ti   p p ) ) A A – – H H   th th   ng ng ngu ngu   n n b b   c c x x   ̈ ̈ L L à à h h   th th   ng ng t t   o o ra ra ngu ngu   n n b b   c c x x   c c   n n thi thi   t t v v à à đi đi   u u khi khi   n n , , bi bi   n n đ đ   i i b b   c c x x   đ đ ó ó th th í í ch ch h h   p p cho cho vi vi   c c chi chi   u u v v à à o o m m   u u s s   n n xu xu   t t . . ̈ ̈ B B   c c x x   đ đ   c c s s   d d   ng ng hi hi   n n nay nay trong trong s s   n n xu xu   t t v v à à nghiên nghiên c c   u u ch ch   t t   o o m m   ch ch IC IC c c ó ó b b   c c s s ó ó ng ng n n   m m trong trong v v ù ù ng ng nh nh ì ì n n th th   y y , UV, , UV, tia tia X, X, tia tia đi đi   n n t t   . . ̈ ̈ Vi Vi   c c gi gi   m m k k í í ch ch th th   c c đ đ   c c trng trng c c   a a IC IC đòi đòi h h   i i ph ph   i i d d ù ù ng ng c c á á c c b b   c c x x   v v   i i b b   c c s s ó ó ng ng   ng ng   n n hn hn . Hi . Hi   n t n t   ng nhi ng nhi   u x u x   đ đ ó ó ng vai trò quan tr ng vai trò quan tr   ng khi ng khi   gi gi   m. m. ̈ ̈ Ngu Ngu   n n s s á á ng ng thông thông d d   ng ng trong trong công công nghi nghi   p p hi hi   n n nay nay l l à à đ đ è è n n hi hi th th   y y ngân ngân , , v v   i i c c á á c c v v   ch ch đn đn sc sc   g g = 463 nm ( = 463 nm ( g g - - line line ) ) v v à à   i i = 365 nm ( = 365 nm ( i i - - line line ), ), d d ù ù ng ng trong trong c c á á c c công công ngh ngh   IC IC v v   i i chi chi   u u d d à à i i kênh kênh d d   n n 500 500 v v à à 350 nm, 350 nm, tng tng   ng ng . . ̈ ̈ Ngu Ngu   n n c c ó ó c c   ng ng đ đ   m m   nh nh nh nh   t t trong trong v v ù ù ng ng ph ph   UV UV l l à à laser laser m m à à u u trên trên c c s s   Kr Kr ( ( KrF KrF c c ó ó   Kr Kr = 248 nm = 248 nm – – cho cho công công ngh ngh   0,25 0,25 µ m) m) v v à à Ar Ar ( ( ArF ArF c c ó ó   ArF ArF = 193 nm) = 193 nm) nng nng l l   ng ng Kr + NF Kr + NF 3 3 ---------------------- ----------------------   KrF KrF + photon + photon ph ph á á t t x x   ̈ ̈ T T   t t nhiên nhiên , , ph ph   i i c c ó ó c c á á c c h h   th th   ng ng truy truy   n n   nh nh lên lên m m   u u v v à à ch ch   t t c c   m m quang quang th th í í ch ch h h   p p v v   i i t t   ng ng lo lo   i i b b   c c x x   ( ( t t   c c l l à à ph ph ù ù h h   p p v v   i i t t   ng ng b b   c c s s ó ó ng ng ). ). 5 5 1/30/2006 1/30/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i Quang Quang kh kh   c c ( ( ti ti   p p ) ) Ngu Ngu   n laser m n laser m à à u u Laser m Laser m   u không c u không c ó ó t t í í nh đn s nh đn s   c cao nh laser Ar c cao nh laser Ar (kho (kho   ng bi ng bi   n thiên b n thiên b   c s c s ó ó ng ~ 1 nm so v ng ~ 1 nm so v   i < i < 0 0 ,0001 ,0001 nm), nm), nhng th nhng th í í ch h ch h   p l p l à à m ngu m ngu   n s n s á á ng cho quang kh ng cho quang kh   c. c. C C á á c laser m c laser m à à u còn đ u còn đ   c b m b c bm b   i đ i đ è è n halogen n halogen á á p su p su   t t cao nên c cao nên c ó ó m m   t đ t đ   công su công su   t l t l   n (t n (t   i 10 kW/cm i 10 kW/cm 2 2 ) nên d ) nên d   l l à à m h h m h h   i c i c á á c th c th   u k u k í í nh v nh v à à do đ do đ ó ó , , tng đ tng đ   m m é é o c o c   a a   nh. nh. Gi Gi   i h i h   n thay th n thay th   u k u k í í nh l nh l à à 10 10 9 9 xung xung . N . N g g   i ta còn thay ch i ta còn thay ch   t t li li   u l u l à à m th m th   u k u k í í nh t nh t   SiO SiO 2 2 sang CaF sang CaF 2 2 hay MgF hay MgF 2 2 , , đ đ   c bi c bi   t t cho c cho c á á c b c b   c x c x   laser 157 nm. Vt liu Bc sóng (nm) Công sut cc đi (mJ/xung) Tn s (s xung/giây) F 2 157 40 500 ArF 193 10 2000 KrF 248 10 2000 laser 157 nm. 6 6 1/30/2006 1/30/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i Quang Quang kh kh   c c ( ( ti ti   p p ) ) B B – – H H   th th   ng ng truy truy   n n   nh nh lên lên m m   u u b b á á n n d d   n n     c c phân phân th th à à nh nh 3 3 lo lo   i i : : - - In In ti ti   p p x x ú ú c c tr tr   c ti c ti   p p (Contact (Contact printing): printing):     n n é é t cao, t cao, gây x gây x   c m c m   u v u v à à m m   t n t n   - - In In s s á á t t m m   u u ( ( Promixity Promixity printing): Khe h printing): Khe h   nh nh   c c á á ch m ch m   u gi u gi   m m   t n t n   kh kh   i b i b   x x   c, c, nhng đ nhng đ   phân gi phân gi   i th i th   p. Kh p. Kh ó ó truy truy   n đ n đ   c k c k í í ch th ch th    c ~ c ~ µ µ m lên đ m lên đ   n n   u không d u không d ù ù ng ngu ng ngu   n chi n chi   u nh u nh tia X, t tia X, t ia đi ia đi   n t n t   . . - - In In chi chi   u u (Projection (Projection printing): L printing): L à à phng ph phng ph á á p đ p đ   c c á á p d p d   ng ph ng ph   bi bi   n hi n hi   n nay. n nay. a s a s   c c á á c c thi thi   t b t b   quang kh quang kh   c c c c ó ó h h   th th   ng c h ng c h   c dò b c dò b   c c – – l l   p l p l   i hay dò b i hay dò b   c c – – qu qu é é t, t, nng su nng su   t in t in truy truy   n n   nh ~ 50 phi nh ~ 50 phi   n/gi n/gi   v v à à gi gi á á th th à à nh trong kho nh trong kho   ng 5 ng 5 – – 10 tri 10 tri   u USD. u USD. 7 7 1/30/2006 1/30/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i Quang Quang kh kh   c c ( ( ti ti   p p ) ) V V   t lý c t lý c   a qu a qu á á tr tr ì ì nh chi nh chi   u s u s á á ng ng – – Nhi Nhi   u x u x   ̈ ̈ H H à à m s m s ó ó ng c ng c   a b a b   c x c x   (v (v í í d d   , , á á nh s nh s á á ng ph ng ph   nh nh ì ì n th n th   y) y) v v   i E i E o o – – biên đ biên đ   , ,   – – pha c pha c   a dao a dao đ đ   ng s ng s á á ng. ng. ̈ ̈ Nguyên lý Huyghen Nguyên lý Huyghen – – Fresnel: Fresnel: B B   t k t k   m m   t đi t đi   m n m n à à o o ( ( trong tr trong tr   ng h ng h   p n p n à à y, n y, n   m trên ph m trên ph   n n trong su trong su   t c t c   a m a m   t n t n   ) ) nh nh   n n á á nh s nh s á á ng đ ng đ   u c u c ó ó th th   tr tr   th th à à nh nh ngu ngu   n s n s á á ng th ng th   c c   p, ph p, ph á á t t á á nh s nh s á á ng v ng v   ph ph í í a tr a tr   c n c n ó ó , v , v   i i pha v pha v à à biên đ biên đ   gi gi   ng nh do ng nh do á á nh s nh s á á ng t ng t   ngu ngu   n s c n s c   p p đa t đa t   i. i. ̈ ̈ N N   u g u g ó ó c m c m   đ đ   c gi c gi   i h i h   n W theo chi n W theo chi   u ngang v u ngang v à à L theo L theo chi chi   u d u d   c, th c, th ì ì t t   i phi i phi   n, n, dao đ dao đ   ng s ng s á á ng đ ng đ   c coi l c coi l à à t t   ng h ng h   p p c c á á c dao đ c dao đ   ng s ng s á á ng đ ng đ   c đ c đ ó ó ng g ng g ó ó p t p t   c c á á c ph c ph   n t n t   (dx) x (dx) x (dy) c (dy) c   a ph a ph   n trong su n trong su   t trên m t trên m   t n t n   : : v v   i A i A – – biên đ biên đ   s s á á ng trên kho ng trên kho   ng c ng c á á ch đn v ch đn v   t t   ngu ngu   n, n,   – – g g ó ó c kh c kh   i c i c   a ph a ph   n trong su n trong su   t c t c   a m a m   t n t n   (W x L) nh (W x L) nh ì ì n t n t   i i ngu ngu   n. T n. T í í ch c ch c   a E(R a E(R ’ ’ ) v ) v à à E*(R E*(R ’ ’ ) cho bi ) cho bi   t c t c   ng đ ng đ   s s á á ng I. ng I. ( ) )(exp)(),( rirEvrE o Φ= σ λ d RR eA iRE RRik ∫∫ Σ − = ' )'( )',( 8 8 1/30/2006 1/30/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i Quang Quang kh kh   c c ( ( ti ti   p p ) ) ̈ ̈ Khi W v Khi W v à à L L   , , c c   ng đ ng đ   s s á á ng I ng I   E E o o 2 2 nh tr nh tr   ng h ng h   p không c p không c ó ó m m   t n t n   ch ch   n s n s á á ng. ng. ̈ ̈ Khi W v Khi W v à à L nh L nh   , b , b iên đ iên đ   t t   ng h ng h   p c p c   a c a c á á c s c s ó ó ng ph ng ph   ng v ng v   i c i c á á c pha kh c pha kh á á c nhau. c nhau. Tr Tr   ng h ng h   p đn gi p đn gi   n nh n nh   t: t: ̈ ̈ N N   u th u th   a mãn đi a mãn đi   u ki u ki   n sau (r n sau (r – – b b á á n k n k í í nh t nh t   tâm v tâm v ù ù ng đ ng đ   c chi c chi   u s u s á á ng trên m ng trên m   u t u t   i i đi đi   m quan s m quan s á á t), t), phng tr phng tr ì ì nh E(R nh E(R ’ ’ ) ) đ đ   c gi c gi   i v i v à à ta s ta s   c c ó ó đi đi   u ki u ki   n n nhi nhi   u x u x   Fresnel Fresnel : : ̈ ̈ Nhi Nhi   u x u x   Fresnel Fresnel (t (t r r   ng g ng g   n n – – near field near field ) t ) t h h   ng đ ng đ   c d c d ù ù ng trong c ng trong c á á c h c h   th th   ng ng truy truy   n n   nh b nh b   ng c ng c á á ch ch in tr in tr   c ti c ti   p p ho ho   c c in s in s á á t m t m   u u . . [ ][ ] )cos(2 2121 2 2 2 12121 2121 Φ−Φ++=++= ΦΦΦΦ EEEEeEeEeEeEI iiii 222 rgW +>> λ 9 9 1/30/2006 1/30/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i Quang Quang kh kh   c c ( ( ti ti   p p ) ) ̈ ̈ Phng ph Phng ph á á p in chi p in chi   u l u l à à phng ph phng ph á á p công nghê quang kh p công nghê quang kh   c ch c ch   y y   u hi u hi   n nay, do n nay, do c c ó ó c c á á c u đi c u đi   m sau: m sau:     phân gi phân gi   i cao i cao     sâu tiêu đi sâu tiêu đi   m m     ch ch í í nh x nh x á á c cao c cao Th Th   tr tr   ng r ng r   ng ng H H à à m truy m truy   n bi n bi   n đi n đi   u ngu u ngu   n b n b   c x c x   chi chi   u u Nng su Nng su   t cao t cao ̈ ̈ i i   u ki u ki   n n nhi nhi   u x u x   Fraunhofer Fraunhofer ( ( tr tr   ng xa ng xa – – far field v far field v à à trên trên c s c s   đ đ ó ó : m : m á á y in y in   nh theo phng ph nh theo phng ph á á p p in chi in chi   u u ) ) ̈ ̈ C C   ng đ ng đ   s s á á ng t ng t   i b i b   m m   t m t m   u trong nhi u trong nhi   u x u x   Fraunhofer Fraunhofer v v   i I i I e e (0) (0) – – c c   ng đ ng đ   t t   i (W/cm i (W/cm 2 2 ), ), v v à à : : 222 rgW +<< λ ()() 22 22 )0(),( yxe II g LW IyxI ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = λ g xW g xW I x λ π λ π 2 2 sin ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = g xL g xL I y λ π λ π 2 2 sin ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = 10 10 1/30/2006 1/30/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i Quang Quang kh kh   c c ( ( ti ti   p p ) ) Rayleigh đ Rayleigh đ   ngh ngh   tiêu chu tiêu chu   n h n h   p lý đ p lý đ   đ đ á á nh gi nh gi á á đ đ   phân gi phân gi   i i l l à à Theo đ Theo đ   nh ngh nh ngh ĩ ĩ a, g a, g ó ó c m c m   s s   c c   a th a th   u k u k í í nh l nh l à à suy ra: , k suy ra: , k 1 1 – – h h   s s   th th   c c nghi nghi   m, c m, c ó ó gi gi á á tr tr   (0,6 (0,6 ÷ ÷ 0,8) ph 0,8) ph   thu thu   c v c v à à o h o h   quang kh quang kh   c v c v à à ch ch   t c t c   m quang. m quang.     tng đ tng đ   phân gi phân gi   i c i c   n gi n gi   m m   ho ho   c tng NA c tng NA (t (t   c c l l à à tng k tng k í í ch th ch th   c th c th   u k u k í í nh) nh) Nhng n Nhng n   u tng NA u tng NA , ta l , ta l   i l i l à à m gi m gi   m m m m   t đ t đ   sâu sâu tiêu đi tiêu đi   m (Depth of Focus m (Depth of Focus – – DOF), v DOF), v   i k i k 2 2 – – h h   s s   th th   c nghi c nghi   m: m: (v (v ì ì đ đ   i v i v   i c i c á á c g c g ó ó c c   nh nh   ) ) V V í í d d   : H : H   chi chi   u s u s á á ng v ng v   i ngu i ngu   n KrF n KrF 2 2 ( (   = 248 nm) v = 248 nm) v à à NA = 0.6, c NA = 0.6, c á á c h c h   s s   k k 1 1 = 0,75 v = 0,75 v à à k k 2 2 = 0,5, ta = 0,5, ta c c ó ó đ đ   phân gi phân gi   i R i R   0,3 0,3 µ µ m v m v à à DOF DOF   0,35 0,35 µ µ m. m. α λ sin 61,0 n R = α sinnN A ≡ N A k N A R λλ 1 61,0 == () () 2 2 2 2 N A k N A DOF λλ =±= Nu DOF ln, nh vn nét tuy  các đ cao khác nhau (các lp khác nhau)  