Để hiểu về thiết bị khắc chùm điện tử JBX-6300FS, chúng ta xét nguyên tắc hoạt động, khác với lithorgraphy dùng chùm ánh sáng, phƣơng pháp EBL dùng chùm điện tử năng lƣợng cao để làm biến đổi tính chất của lớp cảm quang. Khắc hình bằng chùm tia điện tử là một phƣơng pháp công nghệ mới, tạo ra các chi tiết cỡ nm trong mạch điện tử tích hợp (IC). Chùm tia điện tử đƣợc chiếu thông qua các “mặt nạ”- đƣợc tạo ra nhờ các thấu kính điện từ - và truyền hình ảnh của mặt nạ lên đế bán dẫn. Những “mặt nạ” này đƣợc vẽ từ phần mềm AutoCAD, sau đó đƣợc số hoá và truyền sang bộ phận giao tiếp của thiết bị JBX-6300FS, thông qua card kết nối chuyên dụng. Bƣớc sóng λ chùm tia điện tử đƣợc tính thơng qua điện thế tăng tốc V. 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), nhƣ quan sát trên Hình 2.14b.
Thơng thƣờng, các q trình lift-off hay ăn mịn khơ/ƣớt sẽ đƣợc hỗ trợ để tạo khe máng và nguồn cho thiết bị transistor. Đối với quá trình lift-off, nếu chúng ta sử dụng đơn lớp phản chùm điện tử (EB resist), thì chất hồ tan lớp phản điện tử (resist remover) sẽ khó phá vỡ liên kết để tạo ra các khe nm, vì sau khi ngƣng kết lớp Pt lên, lớp này sẽ phủ kín tất cả các cạnh của hình mẫu đơn lớp (patterns). Vấn đề này sẽ đƣợc giải quyết khi sử dụng cấu trúc hai lớp (double-layer EB resist), trong đó lớp phía dƣới có tốc độ hồ tan trong nhanh hơn, tức là sau khi hoà tan hai chất phản chùm điện tử cùng nhau (quá trình developing), thì lớp ở dƣới sẽ ngắn hơn lớp
52
ở trên. Chính điều này làm cho chất hồ tan (remover) có thể xâm nhập vào các lớp phản chùm điện tử, trong quá trình lift-off. Tuy nhiên, kỹ thuật này sẽ gặp nhiều khó khăn khi tạo hình các kích thƣớc dƣới 100 nm, vì khó điều khiển chính xác 2 lớp sau khi chiếu chùm điện tử. Do đó trong nghiên cứu này, chúng tôi phát triển một kỹ thuật mới để tạo hình khe máng nguồn có các kích thƣớc 30, 50, 100 nm bằng cách chiếu trực tiếp chùm điện tử vào bề mặt mẫu đã đƣợc phủ lớp phản chùm điện tử dƣơng (ZEP520A). Lớp ZEP520A đƣợc quay phủ ở tốc độ 2000 rpm, để khống chế độ dày khoảng 100 nm. Sau đó, lớp này đƣợc sấy ở 90oC để đảm bảo độ bám dính cần thiết trên đế. Để tạo hình nhỏ nhất là 30 nm, chúng tơi đã sử dụng đƣờng chùm (beam line) cỡ 8 nm, tƣơng ứng với điện thế khoảng 80 kV, trong điều kiện chân không đạt cỡ 10-6
Pa, dƣới sự hỗ trợ của bơm chân không ion (ionization pump). Thời gian chiếu cho mỗi transistor phụ thuộc vào kích thƣớc thiết kế, ví dụ chiếu cho độ rộng 30 nm, và chiều dài khoảng 2 m, thì cần thời gian khoảng 10 phút. Để chiếu cho tồn bộ diện tích 1×1 cm2, thì thƣờng cần thời gian là 1 ngày hoặc dài hơn, phụ thuộc vào thiết kế tạo hình, nhƣ ví dụ trên Hình 2.15.
2.3.3. Ăn mòn (Etching)
Tùy vào độ phân giải của chi tiết, các thiết bị có thể đƣợc sử dụng cơng nghệ ăn mịn ƣớt (> 3m) hay ăn mịn khơ (< 3m)
Ăn mòn ƣớt: là phƣơng pháp đơn giản nhất và kinh tế nhất để hòa tan các
resist chƣa đóng rắn. Dụng cụ chỉ bao gồm một thùng chứa hóa chất để hịa tan resist chƣa đóng rắn và một mặt nạ. Mặt nạ không tan trong dung môi (hoặc tan chậm hơn rất nhiều) so với phần resist chƣa đóng rắn có tác dụng giữ hình ảnh đúng theo yêu cầu. Tuy nhiên phƣơng pháp này có hai nhƣợc điểm sau:
Thứ nhất, dễ ăn mịn vào lớp ơ-xít bên dƣới lớp phản quang (photoresist) do sự ăn mịn này khơng có định hƣớng làm cho hình ảnh khơng đúng với u cầu.
Thứ hai, sử dụng hóa chất chủ yếu là các a-xít cho nên sẽ gây ảnh hƣởng tới sức khỏe của kỹ thuật viên và gây tác động không mong muốn đến mơi trƣờng.
Đã có nhiều nghiên cứu về q trình ăn mịn màng mỏng PZT. Hầu hết đều sử dụng dung dịch ăn mịn là hỗn hợp của các axít nhƣ HF và HCl [86, 80]. Nguyên
53
tố Zr, Ti, Pb trong màng PZT lần lƣợt bị ăn mịn (hay hịa tan) bởi dung dịch axít HF, HF và HCl, HCl.
A xít HF phản ứng với PZT theo phƣơng trình sau: Pb(Zr,Ti)O3 + H+ + F- + Cl- →
PbFCl↓ + [PbCl4]2- + [ZrF6]2- + [TiF6]2- + H2O (2.4) Cả hai nguyên tố Ti và Zr đều bị ăn mịn bởi a xít HF, tuy nhiên nguyên tố Ti tan trong dung dịch axít HF nhanh hơn so với nguyên tố Zr. Ngoài ra ở phản ứng trên ta thấy cịn hình thành pha rắn PbFCl. Chất rắn này tiếp tục đƣợc hịa tan trong dung dịch axít HCl hay HNO3 theo phƣơng trình phản ứng sau:
PbFCl↓ + H+ → PbCl2 + Pb2+ + HF (2.5)
Ăn mịn khơ: là kỹ thuật ăn mịn có định hƣớng sử dụng các plasma hoặc
hỗn hợp khí có tính phá hủy mạnh (CH4/O2/H2, F2...) để tạo các chi tiết có độ phân giải nhỏ cho các thiết bị. Tùy vào vật liệu ăn mòn ngƣời ta sẽ sử dụng hơi ăn mòn (khơng phản ứng) hay dùng ion hoạt hóa để ăn mịn.