Quang khắc

3.1.4.1 Định nghĩa

Quang khắc (hay photolithography) là kĩ thuật sử dụng trong công nghệ bán dẫn và công nghệ vật liệu, nhằm tạo ra các chi tiết của vật liệu với hình dạng và kích thƣớc xác định, bằng cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt vật liệu. Do ảnh hƣởng của nhiễu xạánh sáng nên phƣơng pháp quang khắc không cho phép tạo các chi tiết nhỏ hơn micro mét, vì vậy phƣơng pháp này còn đƣợc gọi là quang khắc micro (micro photolithography).

3.1.4.2.Kỹ thuật quang khắc

Quang khắc là tập hợp các quá trình quang hóa nhằm thu đƣợc các phần

tử trên bề mặt của đế có hình dạng và kích thƣớc xác định. Nhƣ vậy, quang khắc sử dụng các phản ứng quang hóa để tạo hình.

Bề mặt của đế sau khi xử lý đƣợc phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cảm quang (photoresist). Chất cảm quang có tính chất nhạy quang, bền trong các môi trƣờng kiềm hay axit. Cảm quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dƣới các tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo. Cảm quang thƣờng đƣợc phủ lên bề mặt tấm bằng kỹ thuật quay phủ (spin-coating).

Cảm quang đƣợc phân làm 2 loại:

 Cảm quang dƣơng: 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.

Hình 3.3. Quy trình chế tạo vi linh kiện bằng kỹ thuật liff – off

và kỹ thuật ăn mòn

quang dƣơng sau khi đƣợc phủ trên đế đƣợc chiếu sáng thông qua mặt nạ (a). Những vùng chất cảm quang không đƣợc mặt nạ che (bị chiếu sáng) sẽ bị biến đổi tính chất, tan đƣợc trong dung dịch tráng rửa. Còn lại những vùng đƣợc mặt nạche (không bị chiếu sáng) sẽ bám dính trên đế (b). Tiếp đó vật liệu đƣợc bốc bay (bằng phƣơng pháp phún xạ, …) sẽ bám dính lên đế và lớp chất cảm quang (c). 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 (d).

Kĩ thuật ăn mòn (Quang khắc bằng cảm quang âm): Là sự ngƣợc lại củaquy trình quang khắc dƣơng. Ban đầu vật liệu sẽ đƣợc bay bốc lên đế, sau đó phủ chấtcảm quang âm. Mẫu đƣợc cho vào chiếu sáng thông qua mặt nạ (a), những vùng cảmquang không đƣợc chiếu sáng sẽ tan trong dung dịch tráng rửa, chỉ còn lại những vùng cảm quang bị chiếu sáng (b). Sau đó phần vật liệu bám dính trên đế sẽ bị ăn mòn bằng chùm tia điện tử (c), lớp chất cảm quang còn lại sẽ bị rửa trôi bằng cồn để lại phần chitiết vật liệu cần tạo bên dƣới (d).

Việc ăn mòn vật liệu bám dính trên đế khó và phức tạp hơn việc rửa trôi lớp cảm quang đóng rắn rất nhiều vì quy trình ăn mòn là quy trình bắn phá các điện tử lên bề mặt mẫu. Vì vậy, nếu không kiểm soát tốt quy trình này thì các hạt điện tử có thể bắn phá đế gây ra thủng đế. Trong kĩ thuật liff - off ngoài việc sử dụng cảm quang dƣơng cho mặt nạ dƣơng ngƣời ta còn dùng cả tính chất âm của cảm quang âm (photoresist revert) cho mặt nạ âm.

3.1.4.3.Nguyên lý hệ quang khắc

Hình 3.5 mô tả nguyên lý của một hệ quang khắc, gồm một nguồn phát tia tử ngoại, chùm tia tử ngoại này đƣợc khuếch đại rồi sau đó chiếu qua một mặt nạ. Mặt nạ là một tấm chắn sáng đƣợc in trên đó các chi tiết cần tạo (che

sáng) để che không cho ánh sáng chiếu vào vùng cảm quang, tạo ra hình ảnh của chi tiết cần tạo trên cảm quang biến đổi. Sau khi chiếu qua mặt nạ, bóng của chùm sáng sẽ có hình dạng của chi tiết cần tạo, sau đó nó đƣợc hội tụ trên bề mặt phiến đã phủ cảm quang nhờ một hệ thấu kính hội tụ.[16].

Hình 3.4. Nguyên lý hệ quang khắc

3.1.4.4.Ứng dụng của quang khắc

Quang khắc là kỹthuật đã đƣợc phát triển từ đầu thế kỷ 20, và đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp bán dẫn để chế tạo các vi mạch điện tử trên các phiến Si. Ngoài ra, quang khắc đƣợc sử dụng trong ngành khoa học và công nghệ vật liệu để chế tạo các chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo các linh kiện

vi cơ điện tử (MEMS). Hạn chế của quang khắc là do ánh sáng bị nhiễu xạ nên không thể hội tụ chùm sáng xuống kích cỡ quá nhỏ, vì thế nên không thể chế tạo các chi tiết có kích thƣớc nanô (độ phân giải của thiết bị quang khắc tốt nhất là 50 nm), do đó khi chếtạo các chi tiết nhỏcấp nanomet, ngƣời ta phải thay bằng công nghệkhắc chum điện tử(electron beam lithography)[17]

3.1.4.5.Quy trình quang khắc

Hình 3.5mô tả các bƣớc trong quy trình quang khắc.

Hình 3.5.Các bước trong quy trình quang khắc

Bƣớc 1: Làm sạch và khô bề mặt đế: Có nhiều cách để tách tạp chất trên bề mặt đế nhƣ: Thổi khí nitơ có áp suất cao, vệ sinh bằng hóa chất, dòng nƣớc có áp suất cao và dùng cọ rửa. Sau đó sấy tách ẩm bằng cách gia nhiệt ở nhiệt độ từ 150o

C đến 200oC trong thời gian 10 phút.

Bƣớc 2: Phủ lớp tăng cƣờng độ bám dính (primer). Vai trò của lớp này là làm tăng khả năng kết dính giữa đế và chất cảm quang. Lớp tăng cƣờng độ bám dính thƣờng sử dụng là HMDS (hexamethyldislazane).

Làm sạch và khô bề mặt đế

Phủ lớp tăng cƣờng độ bám dính

Phủ lớp cảm quang bằng quay ly tâm

Sấy sơ bộ (Solf Bake)

Định vị mặt nạ và chiếu sáng Công đoạn công nghệ tiếp theo

Ổn định hình ảnh đã tạo thành Sấy sau khi hiện ảnh Tráng lớp cảm quang đƣợc chiếu

sáng

Bƣớc 3: Phủ lớp cảm quang bằng phƣơng pháp quay li tâm. Ởgiai đoạn này đế đƣợc quay trên máy quay li tâm trong môi trƣờng chân không. Các thông số kĩ thuật trong giai đoạn này: tốc độ quay (3000 - 6000 vòng/phút), thời gian quay (15 - 30 s), độ dày lớp phủ (0.5 ÷ 15 μm)

Công thức thực nghiệm để tính độ dày lớp phủ cảm quang:

𝑡 = 𝑘𝑝2 𝜔(3.1) Với k: hằng số của thiết bị quay li tâm (80-100)

p: hàm lƣợng chất rắn trong chất cảm quang (%) 𝜔: Tốc độ quay của máy quay li tâm (vòng/1000)

Hình 3.6. Sơ đồ hệ quay ly tâm

Các sự cố thƣờng gặp trong quá trình phủ lớp cảm quang:

Sự cố Nguyên nhân Hƣớng khắc phục

Độ dày không đều - Bề mặt khô không đều - Các đƣờng biên dày hơn (có thể dày hơn 20- 30 lần)

- Có thể đặt một vòng tròn ở đƣờng biên. - Dùng dung môi phun lên lớp biên để hoàn tan Xuất hiện các đƣờng sọc Do trong chất cảm

quang có các hạt rắn có đƣờng kínhlớn hơn độ dày lớp phủ.

- Làm sạch chất cảm quang trƣớc khi quay phủ.

Bước 4: Sấy sơ bộ (Soft-Bake). Mục đích của bƣớc này là làm bay hơi dung môi có trong chất cảm quang. Trong quá trình sấy, độ dày lớp phủ sẽ giảm khoảng 25%. Phƣơng pháp thực hiện:

Dùng lò đối lƣu nhiệt Dùng tấm gia nhiệt Dùng sóng viba và đèn hồng ngoại - Nhiệt độ: 90-100oC

- Thời gian: 20 phút

- Nhiệt độ: 75-85oC - Thời gian: 45 giây

Bƣớc 5: Định vị mặt nạ và chiếu sáng. Trong giai đoạn này, hệ sẽ đƣợc chiếu ánh sáng để chuyển hình ảnh lên nền, mặt nạ đƣợc đặt giữa hệ thấu kính và nền. Có 3 phƣơng pháp chiếu dựa vào vị trí đặt mặt nạ (hình 3.7):

- Mặt nạ tiếp xúc

- Mặt nạ đặt cách chất cảm quang một khoảng cách nhỏ

- Mặt nạ đặt cách xa chất cảm quang, ánh sáng đƣợc chiếu qua hệ thấu kính.

Phƣơng pháp Ƣu điểm Khuyết điểm

Mặt nạ tiếp xúc

- Giá cả hợp lí

- Độ phân giải cao: 0,5 μm

- Làm hƣ mặt nạ do lớp oxit trên mặt nạ bị xƣớc. - Các vết bẩn trên mặt nạ sẽ in lên lớp chất cảm quang. Mặt nạ đặt cách chất cảm quang mộtkhoảng cách nhỏ - Giá cả hợp lí - Độ phân giải thấp: 1-2 μm - Do ảnh hƣởng của nhiễu xạ nên hạn chế độ chính xác của hình ảnh. - Độ lặp lại của hình ảnh kém

Mặt nạ đặt cách xa chất cảm quang

- Độ phân giải rất cao: < 0,07 μm) - Không gây hƣ hỏng mặt nạ - Giá thành cao - Bị ảnh hƣởng của nhiễu xạ Hình 3.7. Các phương pháp định vị mặt nạ và chiếu sáng

Bước 6: Tráng rửa: Dùng hóa chất tách các chất cảm quang chƣa đóng

rắn. Tỷ lệ hòa tan của vùng chiếu và vùng không đƣợc chiếu là 4:1. Do đó cảm quang dƣơng nhạy hơn cảm quang âm. Các thông số kiểm soát trong quá trình rửa: nhiệt độ, thời gian, phƣơng pháp và hóa chất để rửa. Phƣơng pháp rửa bao gồm hai phƣơng pháp: phƣơng pháp nhúng (đƣa trực tiếp dung dịch rửa) và phƣơng pháp phun.

Cảm quang âm Cảm quang dƣơng

- Chất rửa: xylen

- Chất súc lại: n-butylacetate

- Chất rửa: (NaOH, KOH), nonionic soln (TMAH)

Bước 7: Sấy sau khi hiện ảnh. Mục đích của bƣớc này là làm cho lớp cảm quang cứng hoàn toàn, đồng thời tách toàn bộ dung môi ra khỏi chất cảm quang.[1]

3.1.4.6. Các phương pháp khắc hình khác a) Khắc hình bằng chùm tia điện tử

Khắc hình bằng chùm tia điện tử là một phƣơng pháp công nghệ mới, tạo ra các chi tiết cực kỳnhỏ trong mạch điện tửtích hợp (IC). Chùm tia điện tử đƣợc chiếu thông qua các “mặt nạ” đƣợc tạo ra nhờ các thấu kính điện từvà truyền hình ảnh của mặt nạ lên đế bán dẫn.

Hình 3.8. Thiết bị khắc hình chum tia điện tử

Bƣớc sóng chùm tia điện tử đƣợc tính thông qua điện thế tăng tốc V: 𝜆 =12,3

𝑉 (3.2) Nhƣng cƣờng độ chùm tia điện tử phải đạt cỡ hàng chục mA mới đảm

bảo đƣợc năng suất khoảng hơn 10 phiến đế mỗi giờ (tất cả các kiểu chiếu véc tơ hay dò bƣớc - quét).

b) Khắc hình bằng tia X

Thiết bị khắc hình bằng tia X dùng nguồn bức xạ synchrotron, các điện tử đƣợcgia tốc và chuyển động vòng nhờcác nam châm định hƣớng trƣớc khi có đủnănglƣợng đến va đập vào các đối âm cực, làm phát ra tia X bƣớc sóng 𝜆~10𝐴 . Các máyin quang khắc kiểu dò bƣớc đƣợc dùng đồng thời, với các chùm tia X khác nhau cùngphát ra từ nguồn bức xạ synchrotron. Đối với các máy in dùng mặt nạ sát mẫu vớikhoảng cách g nhỏ, độ phân giải phụ thuộc 𝐼𝑚 = ~ 𝜆𝑔 1 2 .

Hình 3.9. Sơ đồ hệ thống khắc hình bằng tia X

c) Quang khắc ướt

Quang khắc ƣớt đƣợc thực hiện bằng cách nhúng hệ trong chất lỏng chiết suất n > 1. Sơ đồ quang khắc ƣớt đƣợc mô tả trên hình 2.10.

Ƣu điểm của phƣơng pháp này:

- Độ phân giải tăng theo tỉ lệ chiết suất n của chất lỏng. Ví dụ nếu dùng nƣớc có chiết suất n = 1,44 đối với bƣớc sóng 𝛌= 193 nm, độ phân giải tăng từ 90nm đến 64 nm

- Độ sâu tiêu điểm DOF tăng lên ở các kích thƣớc đặc trƣng lớn hơn, ngay cả so với các kích thƣớc đặc trƣng của quang khắc thô.[4]

Hình 3.10. Sơ đồ quang khắc ướt