Các quy trình chế tạo bán dẫn cơ bản đƣợc nói ở trên chỉ đƣợc áp dụng tới các phần đƣợc lựa chọn của wafer ngoại trừ quy trình ôxi hóa và lắng đọng. Sự lựa chọn các vùng này đƣợc thực hiện bằng một quy trình gọi là photolithography. Photolithography là quy trình truyền một bức ảnh từ một photomask hay cơ sở dữ liệu máy tính (computer database) tới một wafer. Các thành phần cơ bản của photolithography là vật liệu cảm quang (photoresist material) và photomask, photomask đƣợc sử dụng để loại bỏ một số diện tích của vật liệu cảm quang bằng tia cực tím (ultraviolet), trong khi đó bảo vệ phần còn lại của wafer. Mạch tích hợp bao gồm một số lớp khác nhau chồng lên nhau (lớp kim loại; lớp bán dẫn nhƣ silic đa tinh thể, n+, p+,…; và lớp cách điện SiO2,…) để hình thành các thiết bị hoặc phần tử của mạch tích hợp. Mỗi lớp đƣợc xác định vật lý nhƣ là một tập các dạng hình học (tạo ra mask)
Chất cảm quang (photoresist) là một polymer hữu cơ có đặc tính có thể thay đổi khi đƣợc chiếu trong ánh sáng cực tím. Chất cảm quang đƣợc phân thành chất cảm quang âm (negative photoresist) và chất cảm quang dƣơng (positive photoresist). Chất cảm quang dƣơng đƣợc sử dụng để tạo một mặt lạ (mask) ở đó các mẫu (pattern) tồn tại (nơi photomask chắn sáng tia cực tím). Cảm quang âm tạo một mặt lạ nơi các mẫu không tồn tại (nơi mà photomask cho phép tia cực tím đi qua). Bƣớc đầu tiên của quy trình quang khắc là phủ chất cảm quang lên bề mặt đƣợc lấy mẫu. Chất cảm quang đƣợc phủ lên wafer và wafer đƣợc quay với tốc độ vài nghìn vòng/phút để phân tán chất cảm quang đều khắp bề mặt wafer. Độ dày của chất cảm quang chỉ phụ thuộc vào vận tốc quay của wafer. Bƣớc thứ hai là "nƣớng nhẹ" (soft bake) wafer để hòa tan (drive off) các dung môi (solvent) trong chất cảm quang. Bƣớc tiếp theo là chiếu tia cực tím vào wafer. Sử dụng chất cảm quang dƣơng, những diện tích đƣợc chiếu tia cực tím sẽ đƣợc loại bỏ bởi dung môi. Ngƣợc lại, nếu chất cảm quang âm đƣợc sử dụng thì phần diện tích đƣợc chiếu tia cực tím sẽ trở thành trơ với dung môi và phần diện tích còn lại sẽ bị loại bỏ. Quá trình phơi sáng (exposing) rồi loại bỏ có lựa chọn chất cảm quang đƣợc gọi là developing. Các wafer sau quá trình developing sẽ đƣợc "nƣớng mạnh" (hard bake) ở nhiệt độ cao hơn chất cảm quang còn lại bắm chặt vào wafer. Phần diện tích có chất cảm quang sẽ đƣợc bảo vệ khỏi sự phá hủy của plasma hoặc các axít trong quá trình ăn mòn. Khi chức năng bảo vệ của nó đƣợc hoàn thành, chất cảm quang sẽ đƣợc loại bỏ bởi plasma hoặc các dung môi khác mà không phá hủy các lớp dƣới. Quá trình này đƣợc áp dụng cho từng lớp của mạch tích hợp. Hình 3.1-5 thể hiện
Hình 3.1-5 Các bước quang khắc cơ bản trong việc định hình lớp silíc đa tinh thể (a) Phơi sáng (b) Develop (c) Ăn mòn (d) Loại bỏ chất cảm quang
Hình 3.1-5 Các bước quang khắc cơ bản trong việc định hình lớp silíc đa tinh thể (tiếp) (a) Phơi sáng (b) Develop (c) Ăn mòn (d) Loại bỏ chất cảm quang
Quá trình phơi sáng (exposing) các diện tích đƣợc lựa chọn của wafer dƣới ánh sáng qua một photomask đƣợc gọi là sự in (printing). Có ba loại hệ thống in cơ bản đƣợc sử dụng:
- In tiếp xúc (contact printing) - In gần (proximity printing) - In chiếu (projecting printing)
Phƣơng pháp đơn giản và chính xác nhất là in tiếp xúc. Phƣơng pháp này sử dụng một tấm thủy tinh (glass plate) có kích thƣớc lớn hơn kích thƣớc của wafer và có hình ảnh (image) của mẫu cần thực hiện ở trên bề mặt. Tấm thủy tinh này đƣợc gọi là photomask. Hệ thống có độ phân giải cao, năng suất cao (high throughput) và giá thành thấp. Tuy nhiên, do photomask tiếp xúc trực tiếp vào wafer nên photomask bị mài mòn và phải thay thế sau 10-25 lần phơi sáng. Hơn nữa, phƣơng pháp này còn
Trong phƣơng pháp in chiếu (projection printing), khoảng cách giữa photomask và wafer là khá lớn. Các thấu kính (lens) hoặc gƣơng (mirror) đƣợc sử dụng để hội tụ hình ảnh photomask trên bề mặt của wafer. Có hai cách tiếp cận đƣợc sử dụng cho projection printing là scanning và step-and-repeat. Hầu hết các hệ thống projection printing sử dụng phhƣơng pháp step-and-repeat. Phƣơng pháp này đƣợc áp dụng theo hai cách: có sự thu nhỏ (reduction) và không có sự thu nhỏ (nonreduction). Reduction projection printing sử dụng ảnh tỷ lệ (thƣờng là 5X) trên photomask. Một lợi ích của phƣơng pháp này là các khiếm khuyết giảm theo hệ số tỉ lệ. Các hệ thống nonreduction không có lợi ích này và vì thế gánh nặng đƣợc đặt lên các nhà sản xuất photomask để có mật độ khiếm khuyết thấp.
Các hệ thống phơi sáng tia điện tử (Electron beam exposure system) thƣờng đƣợc sử dụng để tạo photomask cho các hệ thống projection printing bởi vì nó có độ phân giải cao (nhỏ hơn 1 μm). Tuy nhiên các tia điện tử có thể đƣợc sử dụng để tạo mẫu cảm quang trực tiếp mà không sử dụng photomask. Ƣu điểm của việc sử dụng tia điện tử nhƣ là hệ thống phơi sáng là độ chính xác và khả năng thay đổi phần mềm (software). Nhƣợc điểm của hệ thống này là giá thành cao và năng suất thấp.