Cấu trúc hệ thống quang khắc

2. .3 Điện trở Collector

3.6.2.2. Cấu trúc hệ thống quang khắc

Hình 3.10: Cấu trúc hệ quang khắc đơn giản

Một hệ quang khắc bao gồm một nguồn phát tia tử ngoại, chùm tia tử ngoại này được khuếch đại rồi sau đ chiếu qua một mặt nạ (photomask). Mặt nạ là một tấm chắn sáng được in tr n đ 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 đ n được hội tụ trên bề mặt phiến đã phủ cảm quang nh một hệ thấu kính hội tụ.

• Các thiết b chiếu sáng

Quá trình truyền hình ảnh trong thiết b khác được thực hiện nh công cụ chiếu sáng phát ra các tia tử ngoại. Chất lượng của công cụ chiếu sáng được ác đ nh bởi ba thông số: độ phân giải, độ trùng khớp, và năng suất. Độ phân giải là kích thước chi tiết nhỏ nhất c thể truyền một cách chính ác l n màng cảm quang l n đế bán dẫn. Độ trùng khớp là thước đo độ chính ác mà hình vẽ tr n mặt nạ sau c thể trùng khớp với hình vẽ trước đã c tr n phiến.

Giáo án kỹ thuật vi điện tử    Bộ môn công nghệ điện tử

Năng suất là số phiến c thể được chiếu sáng trong một gi với cùng một mặt nạ.

• Mặt nạ

Là một tấm thủy tinh c hình ảnh. Hình ảnh được tạo bằng cách ăn mòn c chọn lọc lớp crom mỏng phủ (khoảng 0 nm) tr n tấm thủy tinh tạo vùng tối và vùng sáng. Khi chiếu ánh sáng qua chỗ nào không c crom thì cho ánh sáng đi qua, chỗ nào c crom sẽ cản ánh sáng.

Hình 3.11: Hình ảnh mặt nạ trong quang khắc

• Thấu kính hội tụ

Là một tấm thủy tinh trong suốt cho ánh sáng uy n qua và hội tụ tại một điểm tr n bề mặt vật liệu phủ cảm quang. Vì ánh sáng sau khi đi qua mặt nạ c phổ rộng và phân tán c thể làm ti u hao năng lượng, vì vậy ta cần phải cho ánh sáng đi qua thấu kính để hội tụ ánh sáng vào đúng v trí cần quang khắc.

• Chất cảm quang

Giáo án kỹ thuật vi điện tử    Bộ môn công nghệ điện tử

Chất cảm quang là một dạng đặc biệt của polyme cảm quang, chúng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang khắc, c khả năng tạo hình ảnh nổi tr n sản ph m và giúp chống lại quá trình ăn mòn tr n bề mặt sản ph m

Chất cảm quang gồm hai loại : Chất cảm quang dương và chất cảm quang âm.

+ Chất cảm quang dương: Bao gồm ba thành phần hợp chất nhạy quang, nhựa và dung môi hữu cơ. Trước khi chiếu sáng, hợp chất nhạy quang không hòa tan trong dung môi. Sau khi chiếu sáng hợp chất nhạy quang hấp thụ bức ạ thay đổi cấu trúc h a học và trở n n hòa tan trong dung môi hữu cơ của n . Sau khi hiện phần được chiếu sáng sẽ b loại bỏ.

+ Chất cảm quang âm: Là chất polymer kết hợpvới chất nhạy quang. Khi được chiếu sáng, hợp chất nhạy quang hấp thụ năng lượng và ảy ra phản ứng khâu mạch polymer, tạo nến sự li n kết chéo giữa các phần tử polymer. Polymer liên kết chéo c trọng lượng phân tử cao hơn và trở n n không hòa tan trong dung môi của n . Sau khi hiển th những phần không b chiếu sáng sẽ b hòa tan .

3.6.3. uá tr nh truyền h nh ảnh

Các bước của quá trình truyền hình vẽ mạch IC từ mặt nạ sang phiến silic có phủ lớp cách điệnSiO2được mi u tả như hình vẽ tr n. Quá trình được thực hiện trong phòng sạch, dưới ánh sáng màu vàng, vì các chất cảm quang không nhạy với ánh sáng c bước song lớn hơn 0.5m. Để cảm quang bám dính tốt bề mặt phiến phải được phủ một lớp l t tăng độ dính bám. Lớp này c tác dụng làm cho bề mặt tương thích về h a đối với chất cảm quang.

Chất tăng độ dính bám thông dụng nhất trong công nghệ vi mạch silic là hexa-methylene-di-siloxane (HMDS). Sau khi phủ lớp dính bám phiến được giữ bằng chân không tr n mâm quay, và ngư i ta nhỏ 2-3cc chất cảm quang lỏng l n giữa phiến. Ngay sau đ phiến được quay với tốc độ vài nghìn vòng trong một phút, trong th i gian khoảng 30 giây. Màng cảm quang nhận được c độ dày đồng đều, khoảng (0.5 1) m, phụ thuộc vào tốc độ quay và độ nhớt của chất cảm quang.

Giáo án kỹ thuật vi điện tử    Bộ môn công nghệ điện tử

Hình 3.12: uá trình truyền hình ảnh trong quang khắc

Sau bước quay phủ, phiến được ủ sơ bộ thư ng nhiệt độ (90÷120)°C, th i gian (60÷120) giây , để làm bay hơi dung môi và tăng độ dính bám của cảm quang l n đế. Tiếp theo phiến được đưa l n hệ quang khắc, được chiếu sáng qua mặt nạ bằng ánh sáng tự ngoại như hình tr n.

Trong trư ng hợp cảm quang dương, các vùng cảm quang lộ sáng sẻ b hòa tan trong dung d ch hiện. Quá trình hiện được được tiến hành bằng cách nhúng phiến vào dung d ch hiện, sau đ ngư i ta rửa phiến và quay khô. Sau khi hiện phiến được ủ lần thứ hai ở nhiệt độ (100÷180)°C để ổn đ nh và tăng độ dính bám của cảm quang.

Tiếp theo, phiến được nhúng vào dung d ch ăn mòn ,dung d ch ăn mòn chỉ ăn mòn lớp cách điện không được bảo vệ mà không ăn mòn cảm quang. Cuối cùng ngư i ta t y bỏ lớp cảm quang bằng dung môi hoặc plasma, để lại hình ảnh trong lớp cách điện giống hệt như hình ánh ăm mẫu tr n mặt nạ.

Với cảm quang âm, quy trình được tiến hành tương tự, tuy nhi n trong trư ng hợp này phần b t y bỏ là phần không b chiếu sáng. Ảnh cuối cùng trong lớp cách điện trái ngược với với hình vẽ tr n mặt nạ.

Giáo án kỹ thuật vi điện tử    Bộ môn công nghệ điện tử

các loại cảm quang mới. Ngoài ra, một số kỹ thuật tăng cư ng độ phân giải cũng đã được nghi n cứu đề uất nhằm mở rộng khả năng của quang khắc đối với những kích thước nhỏ hơn.

Một trong những kỹ thuật quan trọng tăng cư ng độ phân giải đ là kỹ thuật mặt nạ d ch pha. Ý tưởng chủ yếu được trình bày như hình H. .12. Với mặt nạ thông thư ng, điện trư ng c cùng pha ở tất cả vùng sáng ( H.7.12a). Sự nhiễu ạ và độ phân giải hạn chế của hệ quang làm dàn trải điện trư ng tr n phiến ( đư ng dứt nét ). Sự giao thoa giữa các song tán ạ từ các vùng sáng lân cận làm tăng điện trư ng giữa các vùng này. Vì cư ng độ tỉ lệ với bình phương của điện trư ng, rất kh để c thể phân biệt hai hình ảnh ở cạnh nhau. Lớp d ch pha phủ l n vùng sáng lân cận để làm đổi dấu điện trư ng (H.7.12b).

Hình 3.13: Các kỹ thuật tăng độ phân giải

Vì cư ng độ tr n mặt nạ là không đổi, điện trư ng của ảnh tr n tr n phiến c thể b triệt ti u. Do vậy c thể phân biệt hai ảnh cạnh nhau. Việc d ch pha 180°C c thể thực hiện bằng cách sử dụng màng mỏng trong suốt với chiều dày d / 2(n1), trong đ n là chiết suất và là bước s ng phủ l n một vùng sáng . Một kỹ thuật khác để nâng cao độ phân giải là kỹ thuật hiệu chỉnh quang gần .

Giáo án kỹ thuật vi điện tử    Bộ môn công nghệ điện tử

Quá trình truyền hình ảnh trong thiết b khác được thực hiện nh công cụ chiếu sáng. Chất lượng của công cụ chiếu sáng được ác đ nh bởi ba thông số: độ phân giải, độ trùng khớp, và năng suất. Độ phân giải là kích thước chi tiết nhỏ nhất c thể truyền một cách chính ác l n màng cảm quang l n đế bán dẫn. Độ trùng khớp là thước đo độ chính ác mà hình vẽ tr n mặt nạ sau c thể trùng khớp với hình vẽ trước đã c tr n phiến. Năng suất là số phiến c thể được chiếu sáng trong một gi với cùng một mặt nạ.

C hai phương pháp chiếu sáng chủ yếu, in b ng tối (shadow) và in chiếu (projection). Trong phương pháp in b ng, mặt nạ và phiến c thể tiếp úc trực tiếp với nhau ( in tiếp úc) hoặc c thể ở rất gần nhau (in cận).

Trong trư ng hợp in tiếp úc, phiến silic được phủ lớp cảm quang tiếp úc trực tiếp với mặt nạ, và lớp cảm quang được chiếu sáng tử ngoại qua mặt nạ. Trong trư ng hợp này độ phân giải đạt được gần bằng 1m. Nhược điểm cơ bản của phương pháp in tiếp úc là bề mặt dễ b hỏng do bụi dính trên phiến khi tiếp úc làm vỡ hình vẽ tr n mặt nạ.

Hình 3.14: Phương pháp chiếu in bong

Để hạn chế việc hư hỏng mặt nạ, ngư i ta dung kỹ thuật in cận, khi giữa mặt nạ và phiến c khoảng cách nhỏ, cỡ 10-50 m trong th i gian chiếu sang. Tuy nhi n khoảng cách nhỏ này cũng sinh ra hiện tượng tán ạ tại mép hình vẽ tr n mặt nạ, c nghĩa là khi ánh sáng đi qua mép hình vẽ tr n mặt nạ, uất hiện các vân và một phần ánh sáng c thể uy n qua phần bong tối kết quả là độ phân giải chỉ khoảng 2-5 m.

Giáo án kỹ thuật vi điện tử    Bộ môn công nghệ điện tử

3.6.6. Các giai đoạn trong quá tr nh quang khắc

Làm sạch và khô bề mặt Sấy sơ bộ lần hai (Hard

Bake) Phủ lớp tăng cư ng độ bán dính Tráng rửa lớp cảm quang được chiếu sáng Phủ lớp cảm quang bằng quay li tâm

Sây sau khi hiện ảnh

Sấy sơ bộ (Solf Bake) Ổn đ nh hình ảnh đả tạo

thành

Đ nh v mặt nạ và chiếu sáng

Công đoạn của công nghệ tiếp theo

Hình 3.16:Các bước trong quá trình quang khắc Bước 1:

+ Làm sạch và khô bề mặt đế: C nhiều cách để tách tạp chất tr n bề mặt đế như: thổi khí nitơ c áp suất cao, vệ sinh bằng h a chất,dòng nước c áp suất cao và dùng cọ rửa. Sau đ sấy tách m bằng cách gia nhiệt ở nhiệt độ từ 150ºC đến 200ºC trong th i gian 10 phút.

Bước 2:

+ Phủ lớp tăng cư ng độ bám dính: Vai trò của lớp này là làm tăng khả năng kết dính giữa đế và chất cảm quang. Lớp tăng cư ng độ bám dính thư ng sử dụng là HMDS (he amethyldisla ane)

Giáo án kỹ thuật vi điện tử    Bộ môn công nghệ điện tử

+ Phủ cảm quang bằng phương pháp quay li tâm: Trong giai đoạn này đế được quay tr n máy quay li tâm trong môi trư ng chân không. Các thông số kỹ thuật trong giai đoạn này là:

- Tốc độ 3000-6000 vòng/phút - Th i gian quay: 15-30 giây - Độ dày lớp phủ: 0.5-15m

Công thức thực nghiệm để tính độ dày lớp phủ cảm quang 2

w

kp t  Trong đ :

k: hằng số của thiết b quay spinner (80-100) p: hàm lượng chất rắn trong chất cảm quang (%) w: tốc độ quay của máy quay (vòng/1000)

Hình 3.17: Sơ đồ hệ quay li tâm trong phủ cảm quang

Giáo án kỹ thuật vi điện tử    Bộ môn công nghệ điện tử

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

Bước 5:

+ Đ nh v trí mặt nạ và chiếu sáng: Trong giai đoạn này hệ sẽ được chiếu sáng và chuyển hình ảnh l n nền, mặt nạ được đặt giữa hệ thấu kính và nền c ba phương pháp chiếu dựa vào v trí đặt mặt nạ:

- Mặt nạ tiếp úc

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

- Mặt nạ đặt cách a chất cảm quang, ánh sáng được chiếu qua hệ thấu kính

Giáo án kỹ thuật vi điện tử    Bộ môn công nghệ điện tử

Bước 6:

+ Tráng rửa: Dùng h a chất tách cảm quang chưa đ ng rắn. Tỷ lệ hòa tan của vùng chiếu và vùng không được chiếu là :1. Do đ cảm quang dương nhạy hơn cảm quang âm. Các thông số kiểm soát trong quá trình rửa: nhiệt độ, th i gian, phương pháp và h a chất để rửa. Phương pháp rửa bao gồm hai phương pháp: phương pháp nhúng (đưa trực tiếp dung d ch rửa) và phương pháp phun

Bước 7:

+ Sấy sau khi hiện ảnh: Mục đích của bước này là làm cho lớp cảm quang cứng hoàn toàn. Đồng th i tách toàn bộ dung môi ra khỏi chất cảm quang

Giáo án kỹ thuật vi điện tử    Bộ môn công nghệ điện tử

3.7. Ăn mòn Mục đích:

+ Sau khi cưa cắt thỏi Silic đơn tinh thể thành các phiến bán dẫn, các h a chất ăn mòn được sử dụng để lau, làm bong tạo bề mặt phẳng quang học và loại bỏ sai hỏng.

+ Trước khi o i h a nhiệt hay cấy epita y các phiến bán dẫn được làm sạch bằng h a chất để loại bỏ nhiệm b n trong quá trình vận chuyển và bảo quản +Mở ra các cựa sổ mới sau quá trình quang khác.

Phân loại:

Kỹ thuật ăn mòn được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ bán dẫn và các hệ thống vi cơ điện tử. C hai phương pháp ăn mòn

- Ăn mòn ướt: Sử dụng dung d ch ăn mòn - Ăn mòn khô: Dùng plasma hoặc phun ạ

3.7.1. Ăn mòn ướt Cơ chế: Đế bán dẫn Dung d ch ăn mòn (1) Chất phản ứng (2) Phản ứng (3) Sản Ph m Màng

Hình 3.19: Cơ chế ăn mòn ướt

Ăn mòn ướt được sử dụng rộng rãi trong công nghệ bán dẫn. Sau khi cưa cắt thỏi Silic đơn tinh thể thành các phiến bán dẫn, các h a chất ăn mòn được sử dụng để lau, làm bong tạo bề mặt phẳng quang học và loại bỏ sai hỏng. Trước khi o i h a nhiệt hay cấy epita y các phiến bán dẫn được làm sạch bằng h a chất để loại bỏ nhiệm b n trong quá trình vận chuyển và bảo quản. Ăn mòn ướt đặc biệt thích hợp khi cần ăn mòn toàn bộ bề mặt phiến c lớp phủ là silic đa tinh thể, o ide, kim loại và các hợp chất nhóm III- V.

Giáo án kỹ thuật vi điện tử    Bộ môn công nghệ điện tử

- Giai đoạn 1: Các chất phản ứng khuếch tán đến bề mặt. - Giai đoạn 2: Phản ứng ảy ra tr n bề mặt.

- Giai đoạn 3: Sản ph m phản ứng được đưa ra khỏi bề mặt bằng quá trình khuếch tán.

Việc khuấy dung d ch và nhiệt độ dung d ch sẻ ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn . Trong công nghệ chế cạo IC thông thư ng quá trình ăn mòn ướt được thực hiện bằng cách nhúng phiến vào dung d ch h a hoặc bằng cách phun dung d ch ăn mòn ướt l n phiến. Trong trư ng hợp thứ nhất phiến được nhúng trong dung d ch ăn mòn và ngư i ta dung khuấy cơ học, để ăn mòn đồng đều và c được tốc độ ăn mòn thích hợp. Kỹ thuật ăn mòn bằng các phun dung d ch l n phiến ngày càng được dung nhiều vi tốc độ ăn mòn tăng rất mạnh và độ đồng đều cao do đ chất phản ứng luôn được cung cấp tới bề mặt phiến.

Độ đồng đều tốc độ ăn mòn ác đ nh bởi công thức ax min ax min .100 m etch m R R U R R    (%) 3.7.1.1. Ăn mòn silic

Quá trình ăn mòn ướt vật liệu bán dẫn thông thư ng ảy ra theo hai giai đoạn: oxy hóa và hòa tan lớp o ide. Dung d ch ăn mòn silic thông dụng nhất là hỗn hợp a it nitoric( HNO3) và axit hydrofluoric (HF) hòa tan trong nước hoặc trong a itacetic (CH C3 OOH).

3

HNO o y h a silic tạo lớp SiO2theo phản ứng:

3 2 2 2

4 O 2 4

Si HNO Si  H O NO