Photolithography

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG

I. POLYMER CẢM QUANG

1. Giới thiệu

Polymer cảm quang là những loại polymer nhạy cảm với các nguồn ánh sáng.

Nguồn quang học để đóng rắn bức xạ có thể là tia cực tím (UV), ánh sáng, laser đã

được quan tâm nghiên cứu trong những năm 1990. Những kỹ thuật này dựa trên

những phản ứng hóa học đòi hỏi sự kích hoạt của các vùng ánh sáng UV, khả kiến, IR,

hay proton. Quá trình đóng rắn cũng xảy ra bằng các chuỗi hạt electron, tia X, tia ,

plasma, sóng siêu âm.

Photoresist:

Là một dạng đặc biệt của polymer cảm quang, chúng được ứngdụng rộng

rãi trong lĩnh vực quang khắc, có khả năng tạo hình ảnh nổi (relief) trên sản

phẩm và giúp chống lại quá trình khắc ăn mòn trên bề mặt sản phẩm.

Polymer cảm quang nói chung và photoresist nói riêng gồm có 2 loại: loại

tạo ảnh DƯƠNG và loại tạo ảnh ÂM.

Loại tạo ảnh DƯƠNG là hệ gồm các polymer có trọng lượng phân tử lớn,

dưới tác dụng của các bức xạ sẽ chuyển sang các polymer hoặc các

monomer có trọng lượng phân tử thấp hơn, có khả năng hoà tan tốt hơn trong

dung môi thích hợp. Hay polymer ban đầu (có chứa các nhóm chức nhạy

quang) là loại khó hoà tan, dưới tác dụng của bức xạ sẽ hiệu chỉnh nhóm chức

để tan dễ hơn.

Loại tạo ảnh ÂM là các hệ mà ban đầu gồm là hệ dễ hoà tan, sau chuyển

sang dạng khó hoà tan do thực hiện các phản ứng quang polyme hoá tạo mạng

ngang hay được hiệu chỉnh nhóm chức.

2. Ứng dụng

Polymer cảm quang được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực sơn, màng phủ,

vecni trên các nền gỗ, kim loại, nhựa,.. Ngoài ra còn được sử dụng rất nhiều

trong ngành công nghiệp hình ảnh, công nghệ in ấn, điện tử.

1

Photolithography

II. QUANG KHẮC:

1. Khái niệm: Quang khắc hay photolithography là kỹ thuật sử dụng

trong công nghệ bán dẫn và công nghệ vật liệu nhằm tạo ra các chi tiết của vật

liệu và linh kiện với hình dạng và kích thước xác định bằng cách sử dụng bức

xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo ra hình

ảnh cần tạo. Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong công nghiệp bán

dẫn và vi điện tử, nhưng không cho phép tạo các chi tiết nhỏ do hạn chế của

nhiễu xạ ánh sáng, nên được gọi là quang khắc micro (micro lithography).

2. Nguyên lý hệ quang khắc

Một hệ quang khắc bao gồm một nguồn phát tia tử ngoại, chùm tia tử

ngoại này được khuếch đại rồi sau đó chiếu qua một mặt nạ (photomask). Mặt

nạ là một tấm chắn sáng được in trên đó các chi tiết cần tạo (che sáng) để

che không cho ánh sáng chiếu vào vùng cảm quang, tạo ra hình ảnh của chi

tiết cần tạo trên cảm quang biến đổi. Sau khi chiếu qua mặt nạ, bóng của

chùm sáng sẽ có hình dạng của chi tiết cần tạo, sau đó nó được hội tụ trên bề

mặt phiến đã phủ cảm quang nhờ một hệ thấu kính hội tụ.

Mặt nạ

Là một tấm thủy tinh có hình ảnh. Hình ảnh được tạo bằng cách ăn mòn

có chọn lọc lớp crom mỏng phủ (khoảng 70 nm) trên tấm thủy tinh tạo vùng

tối và vùng sáng. Khi chiếu ánh sáng qua chỗ nào không có crom thì cho ánh

sáng đi qua, chỗ nào có crom sẽ cản ánh sáng.

Cr

2

Photolithography

Các giai đoạn cơ bản để tạo quang khắc:

- Chuẩn bị bề mặt

- Sấy sơ bộ

- Phủ photoresist lên đế

- Chuyển hình ảnh từ mặt nạ lên photoresist

- Rửa, tạo hình ảnh lên photoresist

- Ăn mòn lớp oxit bên dưới photoresist và tách lớp photoresist

3. Ứng dụng của quang khắc

Quang khắc được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp bán dẫn để chế

tạo các vi mạch điện tử. Ngoài ra, quang khắc được sử dụng trong ngành khoa

học và công nghệ vật liệu để chế tạo các chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo các linh

kiện vi cơ điện tử (MEMS). Hạn chế của quang khắc là do ánh sáng bị nhiễu xạ

nên không thể hội tụ chùm sáng xuống kích cỡ quá nhỏ, vì thế nên không thể

chế tạo các chi tiết có kích thước nano (độ phân giải của thiết bị quang khắc tốt

nhất là 50 nm), do đó khi chế tạo các chi tiết nhỏ cấp nanomet, người ta phải

thay bằng công nghệ quang khắc chùm điện tử (electron beam lithography).

3

Photolithography

III. QUI TRÌNH

1. Chuẩn bị bề mặt:

Tách tạp chất trên bề mặt wafer:

Phương pháp:

- Thổi khí nitơ có áp suất cao

- Vệ sinh bằng hóa chất

- Dòng nước có áp suất cao

- Dùng cọ rửa

Sấy tách ẩm

Trên bề mặt các wafer thường có ẩm do đó cần phải loại bỏ bằng cách gia

nhiệt ở khoảng 150~200oC

Phủ lớp primer:

Mục đích: làm tăng khả năng kết dính giữa wafer và photoresist.

Primer thường sử dụng là HMDS (hexamethyldislazane)

2. Phủ photoresist - Coating (Spin Casting)

Ở giai đoạn này nền được quay trên spinner trong môi trường chân không.

Các thông số kiểm soát trong giai đoạn này:

- Tốc độ 3000-6000 vòng/phút

- Thời gian quay: 15-30 giây

- Độ dày lớp phủ: 0.5-15m

Công thức thực nghiệm để tính độ dày lớp phủ photoresist

với k: hằng số của thiết bị quay spinner (80-100)

p: hàm lượng chất rắn trong resist (%)

w: tốc độ quay của spinner (vòng/1000)

4

PhotolithographyPhủ lớp photoresit

Các sự cố thường gặp trong quá trình phủ lớp photoresist:

Sự cố Nguyên nhân Hướng khắc phục

Độ dày không đều

bề mặt khô không đều

các đường biên dày hơn (có

thể dày hơn 20-30 lần)

Có thể đặt 1 vòng tròn ở

đường biên.

Dùng dung môi phun lên

lớp biên để hoàn tan

Xuất hiện các đường sọcDo trong resist có các hạt

rắn có đường kính lớn hơn

độ dày lớp phủ.

Dày ở đường biên Đường sọc trên bề mặt

3. Sấy sơ bộ Pre-Baking (Soft-Baking)

Mục đích: làm bay hơi dung môi có trong photoresist. Trong quá trình sấy

độ dày lớp phủ sẽ giảm khoảng 25%.

Phương pháp thực hiện:

a. Dùng lò đối lưu nhiệt

Điều kiện:

- nhiệt độ: 90-100oC

- thời gian: 20 phút

b. Dùng tấm gia nhiệt

- nhiệt độ: 75-85oC

- thời gian: 45 giây

c. Dùng sóng viba và đèn hồng ngoại.

4. Chiếu (exposure)

Trong giai đoạn này, hệ sẽ được chiếu ánh sáng để chuyển hình ảnh lên nền,

mặt nạ được đặt giữa hệ thấu kính và nền.

Có 3 phương pháp chiếu dựa vào vị trí đặt mặt nạ:

- mặt nạ tiếp xúc

- mặt nạ đặt cách photoresist khoảng cách nhỏ

5

Photolithography

- mặt nạ đặt cách xa photoresist, ánh sáng được chiếu qua hệ thấu kính.

Hình ảnh thu nhỏ 1:4 đến 1:10.

So sánh 3 phương pháp:

Phương pháp Ưu điểm Khuyết điểm

Mặt nạ tiếp xúc Giá cả hợp lí

Độ phân giải cao: 0.5 m

Làm hư mặt nạ do lớp oxit trên

mặt nạ bị xướt.

Các vết bẩn trên mặt nạ sẽ in

lên phototresit

Mặt nạ đặt cách

photoresist khoảng

cách nhỏ

Giá cả hợp lí

Độ phân giải thấp: 1-2 m

Do ảnh hưởng của nhiễu xạ nên

hạn chế độ chính xác của hình

ảnh.

Độ lặp lại của hình ảnh kém

Mặt nạ đặt cách xa

photoresist

Độ phân giải rất cao: < 0.07 m)

Không gây hư hỏng mặt nạ

Giá thành cao

Bị ảnh hưởng của nhiễu xạ

So sánh các hệ quang khắc:

6

Photolithography

5. Tráng rửa (development)

Dùng hóa chất tách các photoresist chưa đóng rắn.

Đối với photoresist âm:

- chất rửa: xylen

- chất súc lại: n-butylacetate

Đối với photoresist dương:

- chất rửa: (NaOH, KOH), nonionic soln (TMAH)

- chất súc lại: nước

- Tỷ lệ hòa tan của vùng chiếu và vùng không được chiếu là 4:1. Do đó

photoresist dương nhạy hơn photoresist âm.

Thông số kiểm soát trong quá trình rửa: nhiệt độ rửa, thời gian rửa, phương

pháp rửa, chất rửa.

7

Photolithography

Phương pháp rửa:

- phương pháp nhúng: đưa trực tiếp dung dịch rửa

- phương pháp phun

6. Sấy khô Post-Baking (Hard-Baking)

Mục đích: làm cho photoresist cứng hoàn toàn, đồng thời tách toàn bộ dung

môi ra khỏi resist.

Điều kiện sấy:

- nhiệt độ: 49-54oC

- thời gian: 30 phút

7. Ăn mòn Etching

Có hai loại ăn mòn:

- Ăn mòn ướt : sử dụng đối với chi tiết có độ phân giải > 3m

- Ăn mòn khô : sử dụng đối với chi tiết có độ phân giải < 3m

Ăn mòn ướt

Là phương pháp đơn giản nhất và kinh tế nhất để hòa tan các resist chưa

đóng rắn. Phương pháp này được sử dụng nhiều nhất trong việc sản xuất màn

hình TFT LCD, và công suất tạo ra lớn hơn phương pháp ăn mòn khô.

Dụng cụ bao gồm:

- 1 thùng chứa hóa chất để hòa tan resist chưa đóng rắn

- 1 mặt nạ. Mặt nạ này có tác dụng giữ hình ảnh đúng theo yêu cầu. Mặt

không tan trong dung môi hoặc tan chậm hơn rất nhiều so với phần resist

chưa đóng rắn

Nhược điểm của phương pháp:

- Ăn mòn đều không có định hướng nên dễ ăn mòn vào lớp oxit bên dưới

lớp photoresist. Do đó tạo hình ảnh không đúng với yêu cầu

Under-exposure

Over-exposure

8

Photolithography

- Hóa chất sử dụng chủ yếu là các acid nên phải quan tâm đến tác động

đến môi trường.

Ăn mòn khô

Ưu điểm:

- Ăn mòn có định hướng

Có thể chia thành các loại sau:

- Dùng ion hoạt hóa (RIE): có 1 dòng khí được đưa vào buồng từ phía trên

và được hút ra dưới đáy bằng bơm. Khí sử dụng tùy thuộc vào tính chất

của photoresist. Những khí này được sử dụng để tạo ra plasma bằng

nguồn điện có tần số radio 13.56 MHz và vài trăm wat. Plasma được tạo

thành khi khí bị ion hóa. Khi đó, vòng kẹp wafer bắt đầu tích điện âm, trong

khi khí tích điện dương. Sự khác biệt về điện thế làm cho ion khí di chuyển

đến vòng kẹp và nguyên liệu và xảy ra phản ứng hóa học. Các ion dương

cũng gây ăn mòn. Phần ăn mòn hóa học tạo ra sự ăn mòn đẳng hướng

còn ăn mòn tự nhiên sẽ có tác dụng ăn mòn có định hướng. Các thông số

cần kiểm soát trong phương pháp này là: áp suất suất, lưu lượng khí và

công suất RF.

Hình 4: Cấu tạo buồn RIE

- Dùng hơi để ăn mòn. Tuy nhiên phương pháp này chỉ dùng để ăn mòn

silic. Phương pháp này tương tự như phương pháp dùng ion, khác biệt

duy nhất là các ion không phản ứng với nguyên liệu được ăn mòn.

9

Photolithography

8. Tách lớp photoresist Stripping

Màn hình LCD được rửa và sấy khô. Dùng dung dịch kiềm hoặc khí để hòa tan

photoresist và dùng một lớp khác để chuyển hình ảnh lên màn hình.

a. Dùng hóa chất tách photoresist:

- Sử dụng hóa chất nóng hòa tan photoresist

- Các hóa chất thường sử dùng: acid sulfuric, acid phosphoric và hydrogen

peroxide

Ưu điểm: tách photoresist nhanh

Nhược điểm: giá thành hóa chất cao, tác động đến môi trường

b. Phương pháp khô (dùng khí)

Phương pháp này không độc hại do sử dụng khí oxy plasma để oxy hóa hoàn

toàn photoresist nên còn được gọi là tro hóa photoresist. Lượng khí tạo thành

sẽ được tách bằng bơm chân không.

CxHy (resist) + O2 ® CO + CO2 + H2O

Phương pháp tốt nhất là sử dụng hơi isopropyl alcohol có độ tinh khiết

>70% được gia nhiệt từ 80-100oC. Khi đó tách photoresit được tách ra và tạo bề

mặt sạch.

10

Photolithography

CHƯƠNG 2: MEMS (Micro-Electro Mechanical System)

I. GIỚI THIỆU:

MEMS là sự tích hợp của các yếu tố cơ (mechanical elements), cảm biến

(sensors), bộ kích hoạt (actuators) và các yếu tố điện chung (electronics) trên

một nền Silicon (Substrate) bằng công nghệ vi chế tạo (micro-fabrication tech).

Trong khi những thành phần có thuộc tính điện tử (electronics) được chế

tạo dùng công nghệ mạch tích hợp (IC) như: CMOS, bipolar, BICMOS, thì những

thành phần vi cơ (micro-mechanical components) được chế tạo dùng quá trình vi

cơ (micro-machining) phù hợp đó là cắt đi có chọn lựa những phần wafer Si

hoặc thêm vào những lớp có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và cơ điện.

• Vi cơ điện tử: là một công nghệ phát sinh từ công nghệ bán dẫn vi mạch.

Ở Mỹ, Công nghệ vi cơ điện tử viết tắt là MEMS viết tắt từ danh từ Micro

Electron Mechanical Systems, ở Âu châu và Nhật Bản gọi là MST (Micro

11

Photolithography

System Technology). Vi cơ điện tử (MEMS) dựa trên phương pháp gia

công cơ học của vật liệu bán dẫn (micro-machining) . Vi cơ điện tử gia

công linh kiện có độ lớn từ mm đến micromet, công nghệ kế tiếp phát triển

từ công nghệ vi cơ điện tử là công nghệ siêu vi cơ điện tử gọi là NEMS.

• Dựa trên các quy trình và vật liệu IC truyền thống:

- Bản in quang, oxit hoá nhiệt, khuếch tán chất pha, cấy ion, LPCVD (Low

Pressure Chemical Vapor Deposition), PECVD (Plasma Enhanced Chemical

Vapor Deposition), sự làm bay hơi, khắc, khắc ướt, khắc plasma, khắc ion phản

ứng.

- Si, SiO2, SiN, Al

II. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VI CƠ

Ngoài ra, các quy trình và vật liệu bổ sung được sử dụng trong MEMS:

- Khắc ướt không đẳng hướng của Si đơn tinh thể, khắc ion phản ứng sâu

(DRIE – Deep Reactive Ion Etching), in quang dùng tia X, mạ điện, màng mỏng

LPCVD lực nhỏ, mặt nạ phim dày, khuôn xoay, khuôn đúc công nghệ micro, nối

kết micro khối.

- Phim hằng số áp điện (ví dụ PZT), phim từ (ví dụ Ni, Fe, Co), vật liệu nhiệt độ

cao (ví dụ SiC và sứ), nhôm, thép không gỉ, platinum, vàng, miếng thủy tinh,

plastic (ví dụ PVC và PDMS).

• Với những vật liệu và quy trình này, kỹ thuật in quang là quy trình đơn

quan trọng nhất cho phép tạo ra ICs và MEMS có kích thước vi mô đáng

tin cậy với thể tích bé.

Các công đoạn chính của công nghệ MEMS

• 1. Khắc: công nghệ MEMS thường được thực hiện trên đế bán dẫn

gọi là wafer bán dẫn.

• 2. Làm khô wafer.

• 3. In Vi mạch: tạo mạch trên hai mặt wafer.

• 4. Khắc theo một hướng.

• 5. Dán các wafer lại.

• Các phương pháp gia công dựa trên vật liệu bán dẫn và chất ăn mòn, vật

liệu bán dẫn thường dùng nhất là Silic. Yêu cầu là silic phải tinh khiết.

• Phản ứng ăn mòn của hoá chất trên Si thay đổi theo từng mặt, và khác

nhau ở mỗi loại vật liệu.

• Ăn mòn đơn hướng (anisotropic)

• Ăn mòn nhiều hướng (isotropic).

12

Photolithography

• Để gia tăng hướng ăn mòn trong ăn mòn đơn hướng, ta dùng phương

pháp ăn mòn bằng ion hoạt tính (Reactive Ion Etching). Để thành ăn mòn

thẳng đứng có thể dùng hai loại ion, một loại ăn mòn bề đáy và một loại

bảo vệ cho thành, cách ăn mòn này được thực hiện trong môi trường khô

nên gọi là Khắc khô (dry etch).

• Trong khi đó, KOH hay TMAS cũng có thể ăn mòn Si theo nhiều hướng

khác nhau tạo ra thành nghiêng, thực hiện cách ăn mòn này trong dung

môi ướt nên gọi là Khắc ướt.

• Để thực hiện khắc tại vị trí mong muốn, đế wafer cần được che bằng các

mặt nạ khác nhau, gọi là vật liệu che.

• Chất cảm quang có hai nhiệm vụ là tạo không gian bị khắc và giữ lại

không gian không bị khắc. Chất cảm quang này không bị tác dụng bởi vật

liệu ăn mòn. Vật liệu cảm quang đó gọi là photoresist.

• Phương pháp khắc dùng vật liệu cảm quang với ánh sáng gọi là quang

khắc (photolithgraphy).

• Trong quá trình quang khắc, đế Si được tráng bằng máy tráng quay

(spinner), sau đó được sấy để làm mất dung môi, qua công đoạn chiếu

ánh sáng, in vi mạch lên đế bán dẫn. Vì vật liệu cảm quang chỉ cảm được

độ dài sóng tử ngoại nên máy in vi mạch sử dụng ánh sáng tím, trong đèn

chiếu ánh sáng tím có các loại khác nhau.

• Phương pháp khắc khô sử dụng ion hoạt tính có khản năng cho ra những

mẫu rất cao, rất nhỏ gọi là high aspect ratio (là tỉ lệ giữa đường kính với

chiều sâu)

Công nghệ quang khắc trong điện tử

13

Photolithography

Các ứng dụng• Công nghệ sản xuất compact disc• Công nghệ cáp quang• Công nghệ LCDs• Công nghệ chip điện tử

Công nghệ sản xuất compact disc

14

Photolithography

Một số chú thích cho công nghệ compact disc

• Chất cảm quang là nhựa có nguồn gốc phenolic

(novolac/diazanaphthoquinone)

• Hệ positive photoresist, khi có quá trình quang, sinh ra indene carboxylic

acids, thúc đẩy quá trình hòa tan phenolic resin trong dung môi kiềm.

15