Quy trỡnh cụng nghệ gia cụng bằng quang khắc

L ời núi đầ u

2.3. Quy trỡnh cụng nghệ gia cụng bằng quang khắc

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 của màng kim loại sẽ cú cỏc dung mụi tương ứng để tẩy rửa chất bẩn trờn bề

mặt chỳng. Hiện nay, cỏc màng kim loại phổ biến nhất được sử dụng trong cụng nghệ quang khắc là Al, Cr, Au, Cr+Ni:

Với màng Al: Bề mặt được xử lý trong hơi TCE (triclo etilen); tẩm thực trong dung dịch Na3PO4 18% hay dung dịch NaOH (3ữ6)%, sau

đú trong HNO3 65%.

Với màng Cr: Bề mặt được xử lý trong hơi TCE ; tẩm thực trong dung dịch HCl (1 phần HCl-3 phần H2O) ở 750C.

Với màng Au: Bề mặt được xử lý trong hơi TCE; tẩm thực trong dung dịch (NH4)2SO4 (1 phần (NH4)2SO4 -10 phần H2O).

Với màng Cr+Ni: Bề mặt được xử lý trong hơi TCE; tẩm thực trong dung dịch H3PO4 loóng (1 phần H3PO4 -3 phần H2O) ở 750C.

2.2.2. Tạo lớp cảm quang

Tạo lớp cảm quang là một trong những cụng đoạn quan trong nhất của quỏ trỡnh quang khắc. Cú 3 phương phỏp phủ chất cảm quang lờn đế là nhỳng

đế vào lớp cảm quang; quay ly tõm và phun cảm quang.

Hiện nay, phương phỏp quay ly tõm được sử dụng phổ biến hơn cả bới lẽ

thiết bị thiết bị tương đối đơn giản và lớp cảm quang cú thể nhận được với độ đồng đều chiều dầy ±10%. Hỡnh 2.20 là sơ đồ mỏy quay ly tõm dựng để tạo lớp cảm quang lờn bề mặt đế.

Hỡnh 2.20 Sơ đồ mỏy phủ lớp cảm quang theo phương phỏp quay ly tõm.

Trong quỏ trỡnh tạo lớp cảm quang, đế 2 được giữ cốđịnh trờn bàn gỏ 3 bằng phương phỏp hỳt chõn khụng. Cảm quang được nhỏ lờn đế với một

lượng nhất định. Khi đế quay cựng với bàn gỏ với tốc độ gúc ω thỡ dưới tỏc dụng của lực ly tõm, chất cảm quang sẽ chảy lan ra toàn bộ bề mặt. Khi đú, ứng với chất cảm quang xỏc định thỡ theo cụng thức 2.199 - [1], chiều dầy h

của lớp cảm quang sẽ được tớnh toỏn và được khống chế thụng qua tốc độ quay của bàn gỏ: h = A(ν/ω)1/3 = KC2/(ω/1000)1/2 (2.1) Trong đú: A - Hệ số tỷ lệ v - Độ nhớt của chất cảm quang (m2/s) ω - Tốc độ quay của bàn gỏ(vũng/phỳt) K - Hệ số của mỏy ly tõm

C - Nồng độ chất khụ trong cảm quang (%) (cú bao nhiờu chất hữu cơ hũa tan trong dung mụi)

Với phương phỏp này, chiều dầy của lớp cảm quang ớt phụ thuộc vào thời gian quay ly tõm mà chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ quay và khoảng cỏch tớnh từ tõm bàn gỏ. Theo hỡnh 2.90 - [1], sự phụ thuộc chiều dầy lớp cảm quang (h) vào cỏc thụng sốnày được thể hiện như sau:

Hỡnh 2.21 Đồ thị phõn bố chiều dầy lớp cảm quang.

Đồ thị trờn hỡnh vẽ 2.21 cho thấy, khi tốc độ quay ly tõm nhỏ thỡ chiều dầy lớp cảm quang khụng đều. Khi tốc độ quay tăng, chiều dầy của lớp cảm quang sẽ nhỏhơn và đều hơn.

2.3.3. Sấy cảm quang lần 1

Cụng đoạn sấy cảm quang lần 1 nhằm mục đớch làm bay hơi dung mụi

nhiệt độ (140ữ150)0C (nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ đúng rắn của chất cảm quang) trong khoảng 10ữ15 phỳt.

2.3.4. So khuụn và chiếu sỏng

Cỏc nguồn sỏng được sử dụng trong kỹ thuật quang khắc phải cú phổ

thớch hợp với phổ nhạy quang của chất cảm quang. Phần lớn sử dụng đốn thủy ngõn thạch anh cao ỏp. Nếu chất cảm quang nhạy cả với ỏnh sỏng đốn cú dõy đốt thỡ cú thể đơn giản húa thiết bị chiếu sỏng nhưng lại đũi hỏi tiến hành tất cả cỏc bước trong phũng tối. Trường hợp cảm quang chỉ nhạy với một bước súng nhất định thỡ cú thể thao tỏc ở ỏnh sỏng vàng.

Với mỗi thiết bị định sẵn thỡ giỏ trị E khụng đổi, vỡ vậy ta chỉ cú thể

khống chế bằng thời gian chiếu sỏng.

Muốn chiếu sỏng để tạo tạo cỏc hỡnh ảnh lờn lớp cảm quang phải tiến

hành so khuụn, nghĩa là tạo tiếp xỳc chớnh xỏc giữa khuụn và chất cảm quang. Với khuụn đầu tiờn trong bộ khuụn thỡ chỉ cần đảm bảo mộp tấm đế trựng với một trong hai hướng của khuụn. Thao tỏc so khuụn chỉ bắt đầu khi quang khắc lặp lại với cỏc khuụn tiếp theo và hỡnh vẽ trờn cỏc khuụn là khỏc nhau. Bản chất của thao tỏc so khuụn là sao cho hỡnh trờn đế nhận được ở lần quang khắc trước trựng với hỡnh trờn khuụn sau.

Thụng thường so khuụn được tiến hành bằng phương phỏp quan sỏt trực tiếp qua kớnh hiển vi. Ảnh trờn đếđược trựng với ảnh trờn khuụn nhờ hai trục

điều chỉnh vuụng gúc và một trục điều chỉnh quay. Nhờ cỏc dấu so khuụn mà cú thể đạt được độ chớnh xỏc của thao tỏc so khuụn

Ngoài ra, trong quỏ trỡnh chiếu sỏng cần chỳ đến một hiệu ứng quang nữa: ỏnh sỏng đi xuyờn qua lớp cảm quang, bị tỏn xạ trong lớp cảm quang, đạt tới đế, bị phản xạ lại và quay trở lại lớp cảm quang, sau đú lại bị phản xạ từ

bề mặt khuụn, quỏ trỡnh này lặp đi lặp lại nhiều lần làm giảm độ nột của ảnh.

Quỏ trỡnh hiện hỡnh sau khi chiếu sỏng chớnh là quỏ trỡnh tẩy bỏ khỏi mẫu những vựng cảm quang bị chiếu sỏng - với cảm quang dương và những vựng cảm quang khụng được chiếu sỏng - với cảm quang õm. Vỡ vậy, với mỗi loại cảm quang sẽ sử dụng một loại dung dịch hiện hỡnh tương ứng.

Quỏ trỡnh hiện cảm quang dương là quỏ trỡnh tương tỏc húa học giữa cỏc sản phẩm của quỏ trỡnh quang phõn với dung dịch kiềm. Vỡ vậy thuốc hiện đối với cảm quang dương thường là cỏc dung dịch NaOH, KOH, Na3PO4 rất

loóng. Đặc điểm của quỏ trỡnh hiện cảm quang dương là sự hiện quỏ cú tỏc dụng xấu, bởi lẽ nếu vựng được chiếu sỏng bị ngõm quỏ lõu trong thuốc hiện