L ời núi đầ u
3.2. Chế tạo khuụn
Trờn tấm thủy tinh đó xử lý sạch, người ta bốc hơi một lớp Crụm bằng
phương phỏp bay hơi chõn khụng hay phỳn xạ õm cực cú bề dầy 100~300 nm.
Theo phương phỏp cổ điển, để nhận ảnh trờn lớp Cr người ta phải phủ
nhũ tương. Cuối cựng ăn mũn lớp Cr ở những vị trớ khụng cú cảm quang. Màng Cr tẩm thực trong dung dịch : HCl hũa tan trong nước với tỷ lệ 1 :1, cộng thờm Al hoặc bằng dung dịch AlCl3 cựng với hạt Al hoặc kẽm.
Hiện nay, để gia cụng những vật liệu cú độ cứng cao, đũi hỏi độ chớnh
xỏc cao và đặc biệt là những chi tiết mảnh dẻ, dễ biến dạng như màng mỏng,
người ta thường phải sử dụng cỏc hệ thống laser. Hỡnh 2.12 là sơ đồ thực nghiệm của một hệ thống laser xung mà nhúm nghiờn cứu của Khoa Cơ khớ, Trường đại học Cụng nghệ Nagaoka, Nhật bản đó sử dụng để gia cụng màng Al cú chiều dầy 120 nm trờn đế thủy tinh quang học.
Xe trởmẫu X-Y (bước chạy: 4àm) Panme 0.01 Hệgương bỏn thấu Vũng chắn sỏng Φ= 3mm Lens Bơm chõn khụng X Mỏy tớnh điều khiển
Ti: Sapphire Laser
(1.5W; 1kHz; 785nm; 100fs）
Y Z
Dụng cụđo cụng suất
Hỡnh 2.12. Sơ đồ hệ thống gia cụng màng Al trờn đế thủy tinh bằng laser xung
Hệ thống lade xung Ti: Sapphire với bước súng trung tõm 785nm, thời gian xung 100fs và tần số phỏt xung 1 kHz được sử dụng trong cỏc thực nghiệm này. Chựm lade phỏt ra từ nguồn Ti: Sapphire, phản xạqua cỏc gương
phản xạ rồi đi qua vũng chắn sỏng. Sau khi qua vũng chắn sỏng, chựm lade cú
đường kớnh là 3 mm. Sự suy giảm cường độ chựm lade trờn đường truyền tới bề mặt mẫu được điều chỉnh nhờ một hệ gương bỏn thấu. Cụng suất của chựm laser phớa sau hệ gương bỏn thấu được đo bằng dụng cụđo cụng suất. Sau khi
hội tụ (Lens). Hệ thấu kớnh hội tụ cú độphúng đại 100X và chiều dài tiờu cự 12mm, được gắn trờn một hệ panme cú độ phõn giải 0.01mm. Như vậy, vị trớ
tiờu điểm của hệ thấu kớnh hội tụ Lens so với bề mặt mẫu được thay đổi và kiểm soỏt bằng cỏch thay đổi khoảng cỏch từ hệ thấu kớnh hội tụđến bề mặt mẫu nhờ việc điều chỉnh giỏ trị của hệ panme (thay đổi vị trớ của Lens ra xa hoặc gần mẫu thớ nghiệm). Ởđõy, tiờu điểm của hệ thấu kớnh hội tụ luụn luụn nằm ở phớa dưới bề mặt mẫu và sự thay đổi vị trớ của nú so với bề mặt mẫu thực chất là sự thay đổi đường kớnh của đốm lade trờn bề mặt mẫu. Mẫu thớ nghiệm được gắn trờn xe chở mẫu và cựng được dẫn động theo 2 phương X,Y
với bước dịch chuyển là 4μm nhờ 2 động cơ bước. Quỏ trỡnh chuyển động của
2 động cơ này được điều khiển bởi một mỏy tớnh cỏ nhõn và nú cho phộp bề
mặt mẫu di chuyển dưới chựm lade để hoàn thành quỏ trỡnh gia cụng trong khi chựm laser là cố định. Phoi được hỳt ra khỏi vựng gia cụng bằng hệ hỳt chõn khụng. Hỡnh 2.13 là hỡnh ảnh bề mặt vựng gia cụng mẫu cú chiều dầy màng Al là 120 nm bằng hệ thống Ti: Sapphire laser cú bước súng 785 nm, tần số xung 1kHz, năng lượng xung = 30 mJ và thời gian xung là 100 femto giõy.
1200
Hỡnh 2.13 Hỡnh ảnh bề mặt mẫu được gia cụng bằng femto-second laser.
Khuụn với lớp Cr cú ưu điểm hơn so với khuụn với lớp nhũ tương là nú
cú khả năng chịu cọxỏt lõu hơn. Khuụn nhũ tương thụng thường chỉ sử dụng
được từ 15~20 lần trong khi khuụn với màng Cr cú chiều dầy lớp Cr nhỏ và
nhiờn, khuụn với màng Cr cú nhược điểm là cường độ ỏnh sỏng phản xạ từ
màng Cr quỏ lớn (cú thể tới 70%), làm giảm độ phẩn giải của quỏ trỡnh chiếu sỏng. Phần lớn ỏnh sỏng cực tớm đi qua lớp cảm quang và phản xạ từ bề mặt
đế. Ánh sỏng này hướng về phớa màng Cr và lại bị phản xạ liờn tiếp nhiều lần
như được minh họa trờn hỡnh 2.14, làm giảm độ nột của ảnh.
Để giảm hiệu ứng này, người ta phủ lờn lớp Cr một màng chống phản xạ, hay màng mờ W hoặc Mo.
Hỡnh 2.14 Sự phản xạ từ khuụn cú lớp màng Cr. 2.3.3.3 Chế tạo khuụn màu.
Khỏc với lớp Cr, màng Fe2O3 trong suốt với ỏnh sỏng nhỡn thấy. Đõy là
một ưu điểm của loại khuụn này so với hai loại khuụn ở trờn. Do đú trong quỏ
trỡnh so khuụn, cú thể nhỡn rừ được những phần tử đó được chế tạo ở cỏc
nguyờn cụng trước bị cỏc vựng Fe2O3 che lấp đi. Màng Fe2O3 lại khụng trong suốt với vựng ỏnh sỏng cực tớm. Hiện nay, để tạo màng Fe2O3 trờn tấm thủy
tinh người ta sử dụng cỏc phương phỏp sau:
⇒ Phương phỏp bay hơi chõn khụng Fe2O3
⇒ Phương phỏp nhiệt phõn polyvinhil-Fờrụcen ở 673 K trong mụi
trường ụxi với lưu lượng khoảng 4 cm3/s. Sau 30 phỳt cú thể nhận được lớp Fe2O3 với chiều dầy khoảng 400 nm rất bền vững. Phản ứng nhiệt phõn
Màng Fe2O3 sau khi kết tủa được xử lý nhiệt để cú độ
bỏm dớnh tốt hơn. Màng Fe2O3
cũn cú một tớnh chất đặc biệt là
dưới tỏc dụng của chựm điện tử hay tia laser định xứ cú thể trở
nờn khụng hũa tan trong dung dịch HCl, Do đú cú thể sử dụng thay cảm quang trong trường
hợp quang khắc chựm điện tử. Hỡnh 2.15 P.ứng nhiệt phõn polyvinhil-Fờrụcen
2.3. Quy trỡnh cụng nghệ gia cụng bằng quang khắc truyền thống
Hỡnh vẽ 2.16 là sơ đồ tổng quỏt tiến trỡnh quang khắc tiếp xỳc.
Hỡnh 2.16. Quy trỡnh cụng nghệ quang khắc tiếp xỳc
2.3.1. Phủ màng lờn trờn bề mặt đế Tẩy cảm quang ở mẫu hỏng Tạo màng lờn đế Tẩy cảm quang Sấy lần 1 Tạo lớp cảm quang Xửlý đế Tẩm thực Sấy lần 2 Hiện hỡnh So khuụn và chiếu sỏng Đế Màng kim loại Lớp cảm quang Đế Khuụn Đế Đế Đế Đế Đế Đế Đế
Cảm quang õm Cảm quang dương Ánh sỏng
Phủ màng lờn trờn bề mặt đế thường là cụng đoạn đầu tiờn của quy trỡnh quang khắc. Cụng nghệ phủ màng cú thểđược chia làm 2 nhúm:
Nhúm cụng nghệ phủ màng dựa trờn cỏc phản ứng húa học như:
⇒Cụng nghệ phủbay hơi húa học (Chemical Vapor Deposition (CVD)).
⇒Mọc ghộp (Epitaxy).
⇒Phủđiện (Electrodeposition).
⇒Thermal oxidation : Oxi húa nhiệt.
Nhúm cụng nghệ phủ màng dựa trờn cỏc quỏ trỡnh vật lý như: ⇒Physical Vapor Deposition (PVD).
⇒Đỳc (Casting).
Trong ứng dụng của cụng nghệ quang khắc đối với lĩnh vực Cơ khớ (tạo cỏc hệ thống MEMS), người ta thường sử dụng hai phương phỏp vật lý là bốc bay bằng nhiệt và phỳn xạ.
2.3.1. Phủ màng bằng phương phỏp bốc bay bằng nhiệt.
Bốc bay nhiệt là kĩ thuật tương đối cổ điển ỏp dụng cho việc tạo cỏc bề
mặt kim loại cho thủy tinh hay nhựa vớ dụ như phủ nhụm ứng dụng rộng rói cho cỏc tụ điện hay bọc nhựa.... Sơ đồ hệ thống của thiết bị bốc bay nhiệt
Hỡnh 2.17: Hệ thống bốc bay nhiệt.
Mụi trường chõn khụng cao được sử dụng để đảm bảo cỏc tớnh chất kim loại của vật liệu siờu dẫn. Thụng thường buồng chõn khụng được giữ ở ỏp suất 10-6 mbar. Khoảng cỏch từ nguồn tới đế được giữ tỉ lệ với khoảng đường tự do trung bỡnh trong suốt quỏ trỡnh phủ. Trong đú khoảng đường tự do trung bỡnh là khoảng cỏch trung bỡnh từ nguồn bốc tới phõn tử khớ cũn lại trong buồng chõn khụng. Đường đi của sự bay hơi đũi hỏi ỏp suất của khớ dư thấp
hơn 10-4 ngay cả khi một dũng khớ oxy được đưa vào.
Để kiểm soỏt kết cấu màng, tốc độ bốc bay được đưa ra mỏy tớnh để
quan sỏt trực tuyến thụng qua cỏc cảm biến. Tớn hiệu phản hồi qua cỏc đường truyền sẽ điều chỉnh ổn định tốc độ bay hơi.
Tấm đế phủ được giữ bờn trong hoặc phớa trờn một phần tử gia nhiệt và
được giữ ở nhiệt độ thớch hợp thỳc đẩy sự mọc ghộp màng. Do phương phỏp HTS đũi hỏi phải cú ỏp suất oxy cao cho sự hỡnh thành, nờn oxy cần thiết phải
được đưa vào tuy nhiờn việc đú đũi hỏi phải thật khộo lộo. Để trỏnh việc oxy tràn vào buồng ồ ạt thỡ buồng chõn khụng phải thường xuyờn được hỳt chõn
khụng, trong khi đú thỡ cỏc khớ dễ phản ứng phải được đưa vào gần đế.
Baudenbacher, đầu năm 1990 đó đưa ra mụ hỡnh buồng giữkhớ xung quanh đế. Sự gia tăng khớ được hạn chế bởi độ mở nhỏđối với nguồn của mụ hỡnh này
và nú cho phộp bơm với lượng rất nhỏở mỗi phạm vi.
Vỡ chiều cao của vựng được tăng ỏp với oxy cú thể so sỏnh với sự mở
rộng biờn, vớ dụ kớch thước của đế phủ, khỏi niệm này chỉ cú thể ỏp dụng cho chớp cỡ nhỏ (thường là từ 10 đến 20 mm). Núi cỏch khỏc, với sự gia tăng
chiều dày của lớp oxy, thỡ sự bốc hơi kim loại bắt đầu rải ra. Do sự rải qua cỏc vựng phụ thuộc vào khối lượng nguyờn tử do đú cấu trỳc sẽ phụ thuộc rất nhiều vào ỏp suất. Nếu ỏp suất khớ hay chiều dài của quóng đường đi qua lớp
oxy tăng hơn nữa, sự bay hơi sẽ khụng xuyờn qua được chướng ngại vật này và khụng thể đến được đế phủở 2 chếđộ dừng và khụng dừng, nờn khụng cần
thiết phải đầu tư cỏc cửa van lớn cú giỏ thành cao để ngắt kết nối cỏc bơm làm
việc liờn tục khỏi buồng bốc bay.
2.3.2 Phủ màng bằng phương phỏp phỳn xạ
Phỳn xạ là phương phỏp cung cấp nhiệt cho vật liệu bốc bay bằng chựm ion được gia tốc bởi một từ trường tạo ra giữa hai điện cực. Giữa hai điện cực cú một điện trường lớn và khi cú ỏp suất khớ thớch hợp, thỡ khoảng khụng gian giữa hai điện cực xuất hiện plasma chứa ion dương và điện tử. Dưới tỏc dụng của điện trường lớn, cỏc ion dương tăng tốc bắn phỏ bề mặt catốt. Khi năng lượng của cỏc ion này đủ lớn cú khả năng truyền cho cỏc nguyờn tử vật liệu catốt một cụng lớn hơn cụng thoỏt của mỗi nguyờn tử đú thỡ cỏc nguyờn tử
hoặc phõn tử vật liệu catốt thoỏt khỏi bề mặt õm cực. Quỏ trỡnh này được gọi là hiện tượng phỳn xạ.
Phỳn xạ tiờu chuẩn được tạo ra bởi sự trao đổi động lượng giữa cỏc ion và nguyờn tử vật liệu, khi va chạm. Quỏ trỡnh cú thể được miờu tả giống như
quỏ trỡnh va chạm của cỏc viờn bi trong chũ trơi bia với ion là bi cỏi được
đỏnh vào một đỏm bi mục tiờu. Mặc dự lần va chạm đầu tiờn làm cho nguyờn tử đi sõu vào trong cụm nhưng những va chạm liờn tiếp sau đú cú thể làm cho cỏc nguyờn tử gần bề mặt văng ra khỏi cụm nguyờn tử. Lượng nguyờn tử tỏch ra khỏi bề mặt trong một phần tử tới được gọi là hiệu suất phỳn xạ và là một
đại lượng đo quan trọng của hiệu suất quỏ trỡnh phỳn xạ. Cỏc yếu tố khỏc ảnh
hưởng đến hiệu suất phỳn xạ là năng lượng của ion tới, lượng ion và nguyờn tử mục tiờu, và năng lượng liờn kết của cỏc nguyờn tử trong khối rắn.
Cỏc ion trong quỏ trỡnh phỳn xạ được cung cấp bởi nguồn plasma cú trong thiết bị phỳn xạ, hoặc bởi một mỏy gia tốc ion hoặc điện tử. Trong thiết bị phỳn xạ plasma, cỏc kỹ thuật khỏc nhau được sử dụng để biến đổi tớnh chất của plasma, đặc biệt là mật độ ion, để thu được điều kiện phỳn xạ tối ưu, bao
gồm cả việc sử dụng dũng xoay chiều tần số vụ tuyến, trường điện từ, và ứng dụng điện ỏp định thiờn (điện ỏp đỏnh thủng) cho mục tiờu.
Phỳn xạ vật lý cú ngưỡng năng lượng nhỏ nhất bằng hoặc lớn hơn năng lượng ion mà ở đú sự chuyển đổi năng lượng lớn nhất từ ion đến nguyờn tử
mẫu bằng năng lượng liờn kết của bề mặt nguyờn tử. Thụng thường ngưỡng này nằm trong khoảng từ 10-100eV.
Phỳn xạ Catot lưỡng cực: Lợi dụng hiện tượng phỳn xạ để chế tạo màng mỏng và được gọi là phỳn xạ Katụt
lưỡng cực. Lỳc này õm cực là cỏc tấm bằng vật liệu chế tạo màng (gọi là bia)
và đế đặt trờn anụt hoặc gần anụt. Điện ỏp giữa hai điện cực vào khoảng vài kV. Nguyờn lý phỳn xạ katụt lưỡng cực
được minh họa như trờn hỡnh vẽ 2.18 Hỡnh 2.18 Nguyờn lý phỳn xạ katụt
Để nõng cao hiệu suất phỳn xạ, buồng chõn khụng được nạp khớ cụng tỏc
(khớ trơ) ỏp suất thấp. Trờn đường tới anụt, cỏc điện tử bật khỏi katụt cú vận tốc lớn đó ion húa một số phõn tửkhớ trơ do va chạm với nhau. Cỏc ion dương khớ trơ chuyển nhanh về katụt và trực tiếp tham gia quỏ trỡnh phỳn xạ.
Phỳn xạ Katụt 3 cực: Phỳn xạ 3 cực đó khắc phục được nhược điểm cuả phương phỏp lưỡng cực bằng cỏch tạo nhiều ion dương khớ trơ hơn để tham gia bắn phỏ vật liệu màng. Nguyờn lý phỳn xạ katụt lưỡng cực được minh họa
như trờn hỡnh vẽ 2.18 Katụt Bia Plasma Đế Anụt
Dưới tỏc dụng của điện trường, cỏc điện tử bức xạ từ õm cực núng đỏ tăng tốc chuyển vận theo hỡnh xoắn ốc để đến anot hỡnh xuyến. Trong hộp chứa khớ trơ, cỏc điện tử va chạm và ion húa khớ trơ. Cỏc điện tử chuyển về anot và cỏc ion khớ trơ chuyển vận bắn phỏ bề mặt katot đểthăng hoa vật liệu màng. So với phỳn xạ lưỡng cực, phỳn xạ ba cực cũn cú cỏc ưu điểm khỏc
như vận tốc húa hơi cao hơn nhiều; tạo được màng hỗn hợp bằng cỏch sử
dụng đồng thời nhiều bia vật liệu khỏc nhau.
Phỳn xạkatot được ỏp dụng tốt với vật liệu kim loại và ỏ kim. Tuy nhiờn tốc độ tạo màng theo phỳn xạ katụt vẫn quỏ thấp, thời gian tạo màng do đú
quỏ dài. Một nhược điểm nữa là năng lượng của chựm điện tử khụng cao, tuy
nhiờn nhược điểm này cú thể được khắc phục thụng qua hai cấu hỡnh mới là phỳn xạ DC-magnetron và RF-Magnetron.
Phỳn xạ Magnetron sử dụng từ trường của nam chõm điện để giữ điện tử
trong từ trường của nam chõm do đú gia tăng mật độ của điện tử, điện tử
1. hộp chứa cực núng đỏ và khớ trơ 2.Buồng chõn khụng 3 Đế 4. Cuộn cảm 5. Katụt 6. Anụt hỡnh xuyến 7. Âm cực bức xạđiện tử 8.Đường nạp khớ trơ
9.Đường thoỏt khớ tới bơm
khuếch tỏn
chuyển động trong điện trường theo đường xoắn ốc do đú tốc độ tới bia lớn.
Phương phỏp phỳn xạ magnetron (phỳn xạ từ trường) tạo ra một năng lượng cao, với mật độ điện tử rất lớn do đú tạo ra sự xếp chặt trong cấu trỳc màng, nờn màng phủ cú chất lượng rất cao. Nhược điểm của phỳn xạ từ trường là thời gian phủ dài.
2.3.1. Xử lý đế
Bề mặt đế cú thể bị bẩn do bụi, bỏm dầu mỡ hoặc do kết quả của cỏc phản ứng hoỏ học giữa bề mặt đế thủy tinh với mụi trường. Vỡ thế việc xử lý bề mặt sẽ bao gồm cỏc quỏ trỡnh tẩy sạch cỏc hợp chất hữu cơ và vụ cơ hiện hữu trờn bề mặt đế. Qỳa trỡnh xử lý đếảnh hưởng rất lớn đến độ bỏm dớnh của cảm quang lờn đế.
Với cỏc đế bỏn dẫn (silicon), quỏ trỡnh xử lý bề mặt phiến bằng phương
phỏp hoỏ học chủ yếu dựa trờn cơ chế của phản ứng ụxy hoỏ - khử trong đú
diễn ra quỏ trỡnh vận chuyển của chất tham gia phản ứng tới vựng tiếp xỳc Si - dung dịch và quỏ trỡnh phản ứng hoỏ học. Cụng đoạn làm sạch bề mặt phiến Si thường được thực hiện nhờ cỏc axit mạnh, cỏc chất cú tớnh ụxi hoỏ như
HNO3, H2SO4, H2O2 và HF.
Với đế cú bề mặt được phủ cỏc màng kim loại thỡ tựy thuộc vào vật liệu