L ời núi đầ u
2.5. Quang khắc bằng chựm điện tử
Tương tự như phương phỏp quang khắc bằng tia X, quang khắc bằng
chựm điện tử sử dụng chựm điện tử cú năng lượng cao làm thay đổi tớnh chất của cỏc chất cảm quang phủ trờn bề mặt phiến. Tuy nhiờn, ELB cú điểm khỏc
là chựm điện tử cú kớch thước rất nhỏ và cú thể điều khiển quột trờn bề mặt mẫu. Vỡ vậy, EBL cú thể vẽ trực tiếp hỡnh ảnh chi tiết lờn trờn bề mặt chất
cảm quang (giống như laser) mà khụng cần thụng qua khuụn (mask). Cấu tạo của thiết bị EBL gần giống như một kớnh hiển vi điện tử quột, cú nghĩa là tạo
chựm điện tử cú năng lượng cao, sau đú khuếch đại và thu hẹp nhờ hệ thấu kớnh hội tụ. Hỡnh vẽ 2.23 là sơ đồ nguyờn lý cấu tạo của một hệ thống quang khắc bằng chựm điện tử.
Chựm điện tử của cỏc hệ thống EBL mạnh cú thể cú kớch thước từ vài
nanomột đến hàng trăm nanomột, vỡ vậy EBL là một cụng cụ phổ biến trong cụng nghệ nanụ để tạo ra cỏc chi tiết, cỏc linh kiện cú kớch thước nhỏ với độ
chớnh xỏc cực cao. Tuy nhiờn, do năng suất gia cụng rất thấp nờn hiện nay,
phương phỏp này chủ yếu được sử dụng để chế tạo khuụn cho phương phỏp
quang khắc truyền thống và quang khắc bằng tia X.
Tại Việt nam, hiện nay cụng nghệ quang khắc chủ yếu được ứng dụng để
chế tạo cỏc linh kiện điện tử. Vật liệu nền và đế trong lĩnh vực này thường là Si và SiO2. Vỡ vậy, việc nghiờn cứu ứng dụng cụng nghệ quang khắc trong
CHƯƠNG III
CHẾ TẠO MẶT NẠ VÀ THÂN THƯỚC KÍNH BẰNG CễNG NGHỆ QUANG KHẮC – ĂN MềN
3.5. Yờu cầu kỹ thuật của mặt nạvà thõn thước kớnh
Thõn thước kớnh và mặt nạ phải được làm từ vật liệu trong suốt (cú khả năng cho ỏnh sỏng chiếu qua) với ỏnh sỏng phỏt ra từ đầu đọc. Trờn bề mặt
thõn thước và mặt nạ được tạo lưới vạch sỏng tối xen kẽ nhau với chiều dầy vạch sỏng tối là bằng nhau. Với thõn thước, lưới vạch sỏng tối được tạo liờn tục dọc theo chiều dài của thõn thước cũn trờn bề mặt của mặt nạ, lưới vạch sỏng tối chỉđược tạo liờn tục trờn 4 cửa sổđặt lệch pha nhau 1/4 chu kỳ T.
Ty le 100/1 Ty le 100/1 40 àm Mang Al day 300nm 20 7.5 5 5 100 90 4 3 15 3.42 3 6.85 10.27 18 40 àm
Hỡnh 3.1 Bản vẽ thiết kế của thõn thước và mặt nạ với T = 0.04
Với mục đớch tạo ra cỏc thước kớnh cú độ phõn giải 0.01, luận văn đó tiến hành thiết kế chế tạo thõn thước và mặt nạ cú bước vạch T = 0.04 (sử dụng
phương phỏp đếm 1/4 xung để đạt độ phõn giải tương ứng là 0.01). Bản vẽ
thiết kế của thõn thước và mặt nạ được thể hiện trờn hỡnh vẽ 3.1.
Trong khuụn khổ của luận văn, thõn thước và mặt nạ được chế tạo từ thủy tinh quang học. Luận văn tập trung vào nghiờn cứu và chế tạo lưới vạch sỏng tối bằng phương phỏp quang khắc và ăn mũn lớp màng nhụm (Al) trờn nền thủy tinh quang học.
3.6. Chế tạo khuụn
Trong cụng nghệ sản xuất cỏc linh kiện bỏn dẫn, hiện nay người ta thường chế tạo khuụn quang khắc bằng cỏch phủ màng Cr lờn bề mặt thủy tinh quang học, sau đú dựng laser cắt bỏ những phần khụng cần thiết. Tuy nhiờn, trong
điều kiện thực tế khi làm luận văn, khuụn được chế tạo bằng cỏch in cỏc vạch mực đen cú kớch thước giống kớch thước của vạch nhụm trờn nền giấy búng kớnh bằng mỏy in laser Scitex Dolev 800V, sau đú dỏn bản in lờn trờn bề mặt thủy tinh quang học đó được xử lý tẩy rửa bề mặt. Hỡnh ảnh tổng thể của khuụn sử dụng cho quỏ trỡnh quang khắc thõn thước và mặt nạ trong được thể
chụp trờn hỡnh 3.2.
Hỡnh 3.3a và 3.3b là hỡnh ảnh bề mặt bản in khuụn của thõn thước và mặt nạ tại vị trớ cỏc cửa sổ của mặt nạ bằng kớnh hiển vi số với độ phúng đại 3000 lần X3000 VHX digital microscope-Keyence.
Hỡnh 3.3a Hỡnh ảnh bề mặt bản in khuụn của thõn thước
Kết quả quan sỏt và đo lường khuụn cho thấy kớch thước vạch đen và
trắng là tương đối đồng đều trờn suốt chiều dài thõn thước và cỏc cửa sổ của mặt nạ. Thõn thước được chụp ảnh và đo lường trờn suốt chiều dài với bước chụp là 20 mm cũn mặt nạ được chụp ảnh và đo lường tại tõm của 4 cửa sổ.
Hỡnh 3.4 là đồ thị biểu thị kết quả đo chiều dầy vạch và bước vạch trờn khuụn của thõn thước và mặt nạ.
Hỡnh 3.4 Kết quả đo khuụn của thõn thước và mặt nạ.
Kết quả đo cho thấy chiều rộng trung bỡnh của vạch đen (vạch mực) là 20 àm (giống với thiết kế), tuy vậy bước vạch trờn khuụn là T = 40.6 àm, lớn
hơn so với bước vạch thiết kế (thiết kế T = 40àm). Điều này cú thể là do sai số của bước dịch chuyển của đầu in và độ phõn giải của mỏy in laser Scitex Dolev 800V.
3.7. Quy trỡnh cụng nghệlàm thõn thước và mặt nạ
Thõn thước và mặt nạ được làm từ vật liệu ban đầu là thủy tinh quang học dạng tấm cú kớch thước là 110x20x1mm3. Quy trỡnh cụng nghệ làm thõn
thước và mặt nạđược tiến hành qua 3 bước:
⇒ Tẩy rửa đế thủy tinh
⇒ Bốc bay nhụm lờn bề mặt đế thủy tinh quang học
3.3.1 Quy trỡnh tẩy rửa chi tiết.
Bề mặt đế thủy tinh quang học cú thể bị bẩn do bị bụi, dầu, mỡ bỏm 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. Với đế là thủy tinh quang học, luận văn đó tiến hành tẩy rửa đế qua 3 bước:
⇒ Bước 1: Ngõm cỏc tấm đế trong dung dịch bóo hũa của cỏc chất (K2Cl2O7+H2SO4) trong 10 phỳt.
⇒ Bước 2: Làm sạch cỏc tấm đế bằng nước sạch và Acetone.
⇒ Bước 3: Sấy khụ cỏc tấm thủy tinh tại 110°C trong 10 phỳt. Hỡnh 3.5 là hỡnh ảnh một số thiết bị sử dụng trong quỏ trỡnh tẩy rửa đế.
Lọ đựng K2Cl2O7+H2SO4 Bể nước sạch Thiết bị sấy khụ mẫu Hỡnh 3.5 Cỏc dụng cụ dựng làm sạch đế
3.3.2 Cụng đoạn bốc bay nhụm lờn bề mặt thủy tinh quang học.
Màng nhụm trờn bề mặt tấm thủy tinh quang học được hỡnh thành bằng
phương phỏp bốc bay chõn khụng. Cỏc thụng số kỹ thuật chớnh của quỏ trỡnh bốc bay nhụm được thể hiện trong bảng sau :
Áp suất [àbar] Cụng suất [Watt] Chiều dầy màng [àm] Thời gian phủ Al [phỳt] 5.10-6 200 0,3 5 3.3.3 Quy trỡnh cụng nghệ làm thõn thước và mặt nạ
Sau khi đế thủy tinh quang học được tẩy rửa và phủ màng nhụm với bề
dầy khoảng 300 nm, đế được tiến hành quang khắc và ăn mũn. Quy trỡnh cụng nghệ quang khắc và ăn mũn màng nhụm trờn nền thủy tinh quang học đối với
thõn thước và mặt nạđược minh họa như hỡnh vẽ 3.6.
Hỡnh 3.6 Quy trỡnh cụng nghệ làm thõn thước và mặt nạ. Tẩy CQ ở mẫu hỏng Xửlý đế (SC) Tẩy photoresist Sấy lần 1 T=90oC, 10min Phủ cảm quang Phủ lớp primer Khuụn Tẩm thực Sấy lần 2 Hiện hỡnh So khuụn và chiếu sỏng Đế thủy tinh Al Đế thủy tinh Cảm quang Al Đế thủy tinh Đế thủy tinh Đế thủy tinh Al Cảm quang Al
Trong quy trỡnh cụng nghệ quang khắc thõn thước và mặt nạ, chất cảm quang
được sử dụng là cảm quang
dương cú ký hiệu OIR907-12. Chất cảm quang được phủ
theo phương phỏp quay ly
tõm với chiều dầy khoảng 1,2àm (ứng với tốc độ quay của bàn mang phụi là 4000vũng/phỳt).
Thõn thước được phủ cảm quang
Hỡnh 3.7. Thiết bị phủ cảm quang
Sau khi phủ cảm quang, chất cảm quang
được sấy ở nhiệt độ 95°C trong khoảng 60 giõy.
Trong cụng đoạn chiếu sỏng, thiết bị được sử dụng cú ký hiệu PEM 800 với bước súng λ= 365 nm. Cụng đoạn chiếu sỏng
được thực hiện trong khoảng 5~6 giõy (vỡ cường
độ sỏng E khụng đổi nờn
cụng đoạn này được kiểm soỏt bằng thời gian chiếu sỏng). Hỡnh vẽ 3.8 là hỡnh
ảnh thiết bịPEM800.
Sau cụng đoạn chiếu sỏng, phần chất cảm quang bị chiếu sỏng sẽ bị biến
đổi cấu trỳc thành hợp chất cú nhúm chức –COOH. Vỡ vậy, cụng đoạn hiện hỡnh sẽ được thực hiện bằng cỏch nhỳng mẫu vào trong dung dịch NaOH khoảng 45~60 giõy. Khi đú, phần bị chiếu sỏng sẽ bị hũa tan trong NaOH.
Sau cụng đoạn hiện hỡnh, mẫu được sấy lần 2 ở nhiệt độ 120°C trong khoảng 15 phỳt nhằm mục đớch đúng rắn chất cảm quang và hỡnh thành lớp bảo vệ màng nhụm.
Sau khi hỡnh thành lớp bảo vệ, những phần màng nhụm khụng được bảo vệ bới chất cảm quang đó húa rắn (cỏc vạch sỏng-cho ỏnh sỏng truyền qua) sẽ
bị ăn mũn bằng hỗn hợp dung dịch cỏc dung dịch axit HNO3 (65 %): H3PO4
(80%): CH3COOH (100%): H2O cú tỉ lệtương ứng = 1: 15: 3: 3 theo thể tớch. Tiếp theo cụng đoạn ăn mũn, thõn thước và mặt nạ sẽ được tẩy bỏ lớp bảo vệ bằng phương phỏp phun hơi axit HNO3 (nồng độ 100 %) trong khoảng
10 phỳt. Sau đú, cỏc mẫu thớ nghiệm được rửa sạch cỏc dung dịch axit, muối bằng nước sạch. Lỳc này, trờn bề mặt mẫu chỉ cũn những vạch nhụm với chiều dầy 20 àm và bước vạch T = 40 àm như thiết kế.
Để tăng độ bỏm dớnh của màng nhụm trờn bề mặt thủy tinh quang học, mẫu được thiờu kết tại 120°C trong mụi trường N2 lỏng khoảng 10 phỳt trước khi hoàn thiện quy trỡnh cụng nghệ quang khắc-ăn mũn thõn thước và mặt nạ.
3.8. Cỏc kết quảđạt được
Với quy trỡnh cụng nghệ như trờn hỡnh 3.6, luận văn đó tiến hành quang khắc – ăn mũn thành cụng loạt thõn thước và mặt nạ. Hỡnh 3.9 là hỡnh ảnh tổng thể của thõn thước và mặt nạ trong lần chế tạo thứ 2.
Trong lần chế tạo đầu tiờn, kớch thước vạch đen và trắng in trờn khuụn bị
sai so với thiết kế. Do vậy, kớch thước vạch và bước vạch trờn thõn thước và mặt nạ cũng bị sai giống như trờn khuụn. Hỡnh vẽ 3.10 và 3.11 là ảnh chụp bề
mặt khuụn và thõn thước bằng X3000 VHX digital microscope-Keyence.
Hỡnh 3.10 Hỡnh ảnh bề mặt khuụn .
Kết quả đo lường kớch thước vạch của mặt nạ và thõn thước trong lần chế tạo này được thể hiện như trờn hỡnh vẽ 3.12.
0 20 40 60 80 100 120 1 2 3 4 5 Cỏc vị trớ đo K ớc h thư ớc c ủa v ạc h (à m)
Vach trang cua mask Vach trang cua thuoc Vach den cua Mask Vach den cua thuoc
Hỡnh 3.12 Kết quả đo kớch thước vạch của khuụn (Mask) và thõn thước
Kết quả cho thấy sự sai khỏc về kớch thước cỏc vạch đen và trắng trờn mặt nạ so với kớch thước cỏc vạch đen và trắng trờn trờn thõn thước là rất nhỏ.
Điều này cho thấy khả năng chế tạo thõn thước kớnh bằng phương phỏp quang khắc – ăn mũn cú thể đạt độ chớnh xỏc cao. Tuy vậy, độ lớn của vạch đen và
trắng là khỏc nhau rất nhiều và khụng thể sửa chữa, điều chỉnh được. Vỡ vậy,
thõn thước và mặt nạđược chế tạo lại lần 2. Khi chế tạo lần 2, khuụn được in cú kớch thước vạch và bước vạch tương đối chớnh xỏc như đó minh họa trờn hỡnh 3.3 và 3.4. Ảnh chụp bề mặt thõn thước và mặt nạ được thể hiện như trờn hỡnh 3.13 và hỡnh 3.14. Hỡnh 3.13 Hỡnh ảnh bề mặt của thõn thước
Hỡnh 3.14 Hỡnh ảnh bề mặt mặt nạ tại 4 cửa sổ.
Kết quả quan sỏt và đo lường sản phẩm sau khi quang khắc cho thấy
kớch thước vạch đen và trắng là tương đối đồng đều trờn suốt chiều dài thõn
thước và cỏc cửa sổ của mặt nạ. Thõn thước được chụp ảnh và đo lường trờn suốt chiều dài với bước chụp là 20 mm cũn mặt nạ được chụp ảnh và đo lường tại tõm của 4 cửa sổ. Hỡnh 3.15 là đồ thị tổng hợp kết quả đo chiều dầy vạch và bước vạch của thõn thước và mặt nạ trờn khuụn và sản phẩm.
0 10 20 30 40 50 0 1 2 3 4 Vị trớ đo K ớc h t hư ớc (à m ).
Bước vạch của thõn thước trờn khuụn Bước vạch của mặt nạ trờn khuụn Bước vạch của thõn thước trờn sản phẩm Bước vạch của mặt nạ trờn sản phẩm Chiều dầy vạch tối của thõn thước trờn khuụn Chiều dầy vạch tối của mặt nạ trờn khuụn Chiều dầy vạch tối của thõn thước trờn sản phẩm Chiều dầy vạch tối của mặt nạ trờn sản phẩm
Kết quả đo lường cho thấy bước vạch trờn mặt nạ và thõn thước tại mọi vị trớ của cả khuụn và sản phẩm là khỏ giống nhau (T ≈ 40,6àm). Tuy nhiờn, chiều rộng trung bỡnh của vạch đen trờn khuụn khỏc khỏ nhiều so với chiều rộng vạch đen trờn sản phẩm (chiều dầy vạch đen trờn khuụn ≈ 20 àm trong khi chiều rộng vạch đen trờn sản phẩm ≈ 23àm) và mộp của vạch đen trờn sản phẩm cú dạng răng cưa. Điều này cú thể là do cỏc nguyờn nhõn sau :
Chiếu sỏng chưa đủ: Đõy là nguyờn nhõn dẫn đến hiện hỡnh khụng hoàn toàn (phẩn chất cảm quang cần thay đổi tớnh chất mới chỉ được biến đổi một phần) và do vậy, phần diện tớch màng nhụm bịăn mũn sẽ nhỏhơn so với vạch sỏng trờn khuụn.
Ảnh hưởng của nhiễu xạ và tỏn xạ : Như đó phõn tớch ở chương 2, khi
khoảng trống g giữa bề mặt khuụn và bề mặt chất cảm quang đủ lớn sẽ xảy ra hiện tượng nhiễu xạ và tỏn xạ. Trong cụng đoạn chiếu sỏng, khoảng trống này khụng thể hạn chế đến giỏ trị giới hạn gmin (khoảng trống nhỏ nhất khụng gõy ra hiện tượng tỏn xạ, nhiễu xạ) do sai số về chiều dầy của đế và màng lớn hơn
nhiều lần bước súng của tia cực tớm). Khi xảy ra hiện tượng nhiễu xạ và tỏn xạ, cường độ sỏng trờn bề mặt chất cảm quang bị suy giảm từ giữa vạch sỏng
trờn khuụn vào đến mộp của vạch. Đõy là lý do dẫn đến chỉ một phần diện tớch chất cảm quang ở vựng giữa vạch sỏng bịthay đổi tớnh chất trờn cả chiều dầy lớp cảm quang và do vậy, chỉ những vựng chất cảm quang bị thay đổi hoàn toàn tớnh chất mới được hiện hỡnh nhờ thuốc hiện NaOH.
Chất lượng khuụn khụng đảm bảo: Do cỏc vạch tối trờn khuụn được tạo nờn bằng mực in nờn mật độ của cỏc hạt mực tại mộp cỏc vạch tối trờn khuụn
là khụng đồng đều. Đõy là nguyờn nhõn làm cho ỏnh sỏng cực tớm trong suốt
đối với một số vựng diện tớch ở mộp vạch mực (vạch tối trờn khuụn). Chớnh vỡ vậy mà sản phẩm của cụng đoạn hiện hỡnh cũng như cụng đoạn ăn mũn sẽ bị răng cưa ở mộp của vạch.
Chiều dầy của lớp màng nhụm khụng đều và thời gian ăn mũn quỏ lõu.
Khi đú, trong thời gian đầu thỡ những vựng màng nhụm khụng được bảo vệ sẽ
bị ăn mũn theo phương vuụng gúc với đế. Tuy nhiờn, nếu ngõm quỏ lõu trong dung dịch axit thỡ ngay cả những vựng màng nhụm được che phủ bới lớp cảm
quang đó húa rắn cũng bị ăn mũn theo phương song song với bề mặt đế. Do chiều dầy lớp màng nhụm khụng đều nờn khụng gian màng nhụm bị hũa tan là khỏc nhau dọc theo chiều dài của mộp vạch. Do đú tốc độ ăn mũn nhụm
dọc theo chiều dài của mộp vạch là khỏc nhau dẫn đến mộp vạch bịrăng cưa.
...
Khi bước vạch trờn thõn thước và mặt nạ đều nhau và chiều dầy của vạch đen và trắng khụng bằng nhau thỡ tớn hiệu ra của phần tử thu nhận và xử
lý tớn hiệu hệ thống đo vẫn biến thiờn theo đỳng chu kỳ T, tuy nhiờn hỡnh