Photolithography

1

Chƣơng 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

đƣợc 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 đƣợc 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 DƢƠNG và loại tạo ảnh ÂM.

Loại tạo ảnh DƢƠNG là hệ gồm các polymer có trọng lƣợng phân tử lớn,

dƣới tác dụng của các bức xạ sẽ chuyển sang các polymer hoặc các monomer

có trọng lƣợng 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 loạ i

khó hoà tan, dƣới 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 đƣợc hiệu chỉnh nhóm chức.

2. Ứng dụng

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

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

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

Photolithography

2

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 thƣớc 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. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng phổ biến trong công nghiệp bán dẫn

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

xạ ánh sáng, nên đƣợc 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 đƣợc khuếch đại rồi sau đó chiếu qua một mặt nạ (photomask). Mặt nạ là

một tấm chắn sáng đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc 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

Photolithography

3

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 dƣới photoresist và tách lớp photoresist

3. Ứng dụng của quang khắc

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

tạo các vi mạch điện tử. Ngoài ra, quang khắc đƣợc 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 thƣớc 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, ngƣời ta phải

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

Photolithography

4

III. QUI TRÌNH

1. Chuẩn bị bề mặt:

Tách tạp chất trên bề mặt wafer:

Phƣơng pháp:

- Thổi khí nitơ có áp suất cao

- Vệ sinh bằng hóa chất

- Dòng nƣớc có áp suất cao

- Dùng cọ rửa

Sấy tách ẩm

Trên bề mặt các wafer thƣờng 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 thƣờng sử dụng là HMDS (hexamethyldislazane)

2. Phủ photoresist - Coating (Spin Casting)

Ở giai đoạn này nền đƣợc quay trên spinner trong môi trƣờng 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

w

kpt

2

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

p: hàm lƣợng chất rắn trong resist (%)

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

Phủ lớp photoresit

Photolithography

5

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

Sự cố Nguyên nhân Hƣớng khắc phục

Độ dày không đều

bề mặt khô không đều

các đƣờng biên dày hơn (có

thể dày hơn 20-30 lần)

Có thể đặt 1 vòng tròn ở

đƣờng biên.

Dùng dung môi phun lên

lớp biên để hoàn tan

Xuất hiện các đƣờng sọc

Do trong resist có các hạt

rắn có đƣờng 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%.

Phƣơng pháp thực hiện:

a. Dùng lò đối lƣu 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 đƣợc chiếu ánh sáng đ ể chuyển hình ảnh lên nền,

mặt nạ đƣợc đặt giữa hệ thấu kính và nền.

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

- mặt nạ tiếp xúc

- mặt nạ đặt cách photoresist khoảng cách nhỏ

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

Hình ảnh thu nhỏ 1:4 đến 1:10.

Photolithography

6

So sánh 3 phƣơng pháp:

Phƣơng pháp Ƣu điểm Khuyết điểm

Mặt nạ tiếp xúc

Giá cả hợp lí

Độ phân giải cao: 0.5 m

Làm hƣ mặt nạ do lớp oxit trên

mặt nạ bị xƣớt.

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 hƣởng 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 hƣ hỏng mặt nạ

Giá thành cao

Bị ảnh hƣởng của nhiễu xạ

So sánh các hệ quang khắc:

Photolithography

7

5. Tráng rửa (development)

Dùng hóa chất tách các photoresist chƣa đóng rắn.

Đối với photoresist âm:

- chất rửa: xylen

- chất súc lại: n-butylacetate

Đối với photoresist dƣơng:

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

- chất súc lại: nƣớc

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

photoresist dƣơng nhạy hơn photoresist âm.

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

pháp rửa, chất rửa.

Phƣơng pháp rửa:

- phƣơng pháp nhúng: đƣa trực tiếp dung dịch rửa

- phƣơng pháp phun

Under- exposure

Over- exposure

Photolithography

8

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 ƣớt : 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 ƣớt

Là phƣơng pháp đơn giản nhất và kinh tế nhất để hòa tan các resist chƣa

đóng rắn. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng nhiều nhất trong việc sản xuất màn

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

Dụng cụ bao gồm:

- 1 thùng chứa hóa chất để hòa tan resist chƣa 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

chƣa đóng rắn

Nhƣợc điểm của phƣơng pháp:

- Ăn mòn đều không có định hƣớng nên dễ ăn mòn vào lớp oxit bên dƣới

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

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

đến môi trƣờng.

Ăn mòn khô

Ƣu điểm:

- Ăn mòn có định hƣớng

Có thể chia thành các loại sau:

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

và đƣợc hút ra dƣới đáy bằng bơm. Khí sử dụng tùy thuộc vào tính chất

Photolithography

9

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

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

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

khi khí tích điện dƣơng. 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 dƣơng

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

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

cần kiểm soát trong phƣơng pháp này là: áp suất suất, lƣu lƣợng khí và

công suất RF.

Hình 4: Cấu tạo buồn RIE

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

silic. Phƣơng pháp này tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp dùng ion, khác biệt

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

8. Tách lớp photoresist Stripping

Màn hình LCD đƣợc 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.

Photolithography

10

a. Dùng hóa chất tách photoresist:

- Sử dụng hóa chất nóng hòa tan photoresist

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

peroxide

Ƣu điểm: tách photoresist nhanh

Nhƣợc điểm: giá thành hóa chất cao, tác động đến môi trƣờng

b. Phƣơng pháp khô (dùng khí)

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

toàn photoresist nên còn đƣợc gọi là tro hóa photoresist. Lƣợng khí tạo thành

sẽ đƣợc tách bằng bơm chân không.

CxHy (resist) + O2 CO + CO2 + H2O

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

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

mặt sạch.

Photolithography

11

CHƢƠNG 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) đƣợc chế

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

thành phần vi cơ (micro-mechanical components) đƣợc 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

System Technology). Vi cơ điện tử (MEMS) dựa trên phƣơng 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 ƣớt, 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 đƣợc sử dụng trong MEMS:

- Khắc ƣớt không đẳng hƣớng 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 thƣớc vi mô đáng

tin cậy với thể tích bé.

Photolithography

12

Các công đoạn chính của công nghệ MEMS

• 1. Khắc: công nghệ MEMS thƣờng đƣợc 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 hƣớng.

• 5. Dán các wafer lại.

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

liệu bán dẫn thƣờng 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 hƣớng (anisotropic)

• Ăn mòn nhiều hƣớng (isotropic).

• Để gia tăng hƣớng ăn mòn trong ăn mòn đơn hƣớng, ta dùng phƣơng

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 đƣợc thực hiện trong môi trƣờng khô

nên gọi là Khắc khô (dry etch).

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

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

môi ƣớt nên gọi là Khắc ƣớt.

• Để thực hiện khắc tại vị trí mong muốn, đế wafer cần đƣợc 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.

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

khắc (photolithgraphy).

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

(spinner), sau đó đƣợc 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 đƣợc

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.

• Phƣơng 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 đƣờng kính với

chiều sâu)

Photolithography

13

Công nghệ quang khắc trong điện tử

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

Photolithography

14

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.