Báo Cáo Bài Tập Lớn Môn - Thiết Kế Hệ Thống Vlsi - Đề Tài - Nghiên Cứu Tìm Hiểu Quy Trình Và Các Bước Về Các Công Nghệ Quang Khắc Duv, Euv Photolithography

Định nghĩa Quang khắc hay photolithography là kĩ thuật sử dụng trong công nghệ bán dẫn và công nghệ vật liệu, nhằm tạo ra các chi tiết của vật liệu với hình dạng và kíchthước xác định, b

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẢNG 4

BẢNG GIẢI NGHĨA CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ QUANG KHẮC 6

1.1 Khái niệm về quang khắc 6

1.2 Quy trình quang khắc 9

1.3 Các phương pháp khắc hình khác 12

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ QUANG KHẮC DUV 14

2.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ quang khắc DUV 14

2.2 Các bước quang khắc DUV 14

2.3 Ưu điểm và hạn chế của công nghệ quang khắc DUV 15

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ QUANG KHẮC EUV PHOTOLITHOGRAPHY 17

3.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ quang khắc EUV photolithograph 17

3.2 Các bước quang khắc EUV photolithography 17

3.3 Ưu điểm và hạn chế của công nghệ quang khắc EUV photolithography 18

CHƯƠNG 4: SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ EUV VÀ DUV PHOTOLITHOGRAPLY 20

4.1 So sánh đặc tính và hiệu suất của EUV và DUV 20

4.2 Đánh giá ứng dụng và tiềm năng của EUV và DUV 20

TỔNG KẾT 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1:Quy trình chế tạo vi linh kiện bằng kỹ thuật liff- off và kĩ thuật ăn mòn 7

Hình 1.2:Nguyên lý của quang khắc 8

Hình 1.3:Các bước trong quy trình quang khắc 9

Hình 1.4:Sơ đồ quay li tâm 10

Hình 1.5:Các phươ g pháp định vị mặt n và chiếu sáng 11

Hình 1.6:Thiết bị khắc hình chùm tia điện tử 12

Hình 1.7:Sơ đồ hệ thống khắc hình bằng tia X 13

Hình 1.8:Sơ đồ quang khắc ướt 13

DANH MỤC BẢNG

BẢNG GIẢI NGHĨA CÁC TỪ VIẾT TẮT

DUV Deep Ultraviolet

DOF Depth of Field

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ QUANG KHẮC.

1.1 Khái niệm về quang khắc.

1.1.1 Định nghĩa

Quang khắc (hay photolithography) là kĩ thuật sử dụng trong công nghệ bán dẫn

và công nghệ vật liệu, nhằm tạo ra các chi tiết của vật liệu với hình dạng và kíchthước xác định, bằng cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảmquang phủ trên bề mặt vật liệu Do ảnh hưởng của nhiễu xạ ánh sáng nên phương

pháp quang khắc không cho phép tạo các chi tiết nhỏ hơn micro mét, vì vậy phươngpháp này còn được gọi là quang khắc micro (micro photolithography).

1.1.2 Kỹ thuật quang khắc

Quang khắc là tập hợp các quá trình quang hóa nhằm thu được các phần tử trên

bề mặt của đế có hình dạng và kích thước xác định Như vậy, quang khắc sử dụngcác phản ứng quang hóa để tạo hình

Bề mặt của đế sau khi xử lý được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cảm

quang (photoresist) Chất cảm quang có tính chất nhạy quang, bền trong các môi

trường kiềm hay axit Cảm quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị

ăn mòn dưới các tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của cácchi tiết cần chế tạo Cảm quang thường được phủ lên bề mặt tấm bằng kỹ thuật quay

phủ (spin-coating).Cảm quang được phân làm 2 loại:

1.1.2.a Cảm quang dương:

Chất cảm quang sau khi bị ánh sáng chiếu vào sẽ bị hòa tan trong các dungdịch tráng rửa

1.1.2.b Cảm quang âm:

Chất cảm quang sau khi ánh sáng chiếu vào thì không bị hòa tan trong cácdung dịch tráng rửa

Hình 1 1:Quy trình chế tạo vi linh kiện bằng kỹ thuật liff- off và kĩ thuật ăn mòn.

Kĩ thuật liff - off (Quang khắc bằng chất cảm quang dương): Chất cảm quangdương sau khi được phủ trên đế được chiếu sáng thông qua mặt nạ Những vùngchất cảm quang không được mặt nạ che (bị chiếu sáng) sẽ bị biến đổi tính chất, tanđược trong dung dịch tráng rửa Còn lại những vùng được mặt nạ che (không bịchiếu sáng) sẽ bám dính trên đế Tiếp đó vật liệu được bốc bay (bằng phương phápphún xạ, …) sẽ bám dính lên đế và lớp chất cảm quang Sau đó phần vật liệu bámtrên chất cảm quang sẽ bị loại bỏ (liff-off) bằng cách cho mẫu vào rung siêu âmtrong acetone Phần vật liệu bám trên chất cảm quang cùng lớp cảm quang này sẽ bịrửa trôi, chỉ còn lại lớp vật liệu bám chắc trên đế

Kĩ thuật ăn mòn (Quang khắc bằng cảm quang âm): Là sự ngược lại của quytrình quang khắc dương Ban đầu vật liệu sẽ được bay bốc lên đế, sau đó phủ chấtcảm quang âm Mẫu được cho vào chiếu sáng thông qua mặt nạ, những vùng cảmquang không được chiếu sáng sẽ tan trong dung dịch tráng rửa, chỉ còn lại nhữngvùng cảm quang bị chiếu sáng Sau đó phần vật liệu bám dính trên đế sẽ bị ăn mònbằng chùm tia điện tử, lớp chất cảm quang còn lại sẽ bị rửa trôi bằng cồn để lạiphần chi tiết vật liệu cần tạo bên dưới

Việc ăn mòn vật liệu bám dính trên đế khó và phức tạp hơn việc rửa trôi lớpcảm quang đóng rắn rất nhiều vì quy trình ăn mòn là quy trình bắn phá các điện tửlên bề mặt mẫu Vì vậy, nếu không kiểm soát tốt quy trình này thì các hạt điện tử cóthể bắn phá đế gây ra thủng đế Trong kĩ thuật liff - off ngoài việc sử dụng cảmquang dương cho mặt nạ dương người ta còn dùng cả tính chất âm của cảm quang

âm (photoresist revert) cho mặt nạ âm

1.1.3 Nguyên lý hệ quang khắc

Hình dưới đây mô tả nguyên lý của một hệ quang khắc, gồm một nguồn phát tia

tử ngoại, chùm tia tử ngoại này được khuếch đại rồi sau đó chiếu qua một mặt nạ.Mặt nạ là một tấm chắn sáng được in trên đó các chi tiết cần tạo (che sáng) để chekhông cho ánh sáng chiếu vào vùng cảm quang, tạo ra hình ảnh của chi tiếtcần 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 phủcảm quang nhờ một hệ thấu kính hội tụ

Hình 1 2:Nguyên lý của quang khắc.

1.1.4 Ứng dụng của quang khắc

Quang khắc là kỹ thuật đã được phát triển từ đầu thế kỷ 20, và được sửdụng rộng rãi nhất trong công nghiệp bán dẫn để chế tạo các vi mạch điện tử trêncác phiến Si 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 Hạn chế của quang khắc là do ánh sáng bị nhiễu xạ nên không thể hội tụ chùm sángxuống kích cỡ quá nhỏ, vì thế nên không thể chế tạo các chi tiết có kích thước nanô(độ phân giải của thiết bị quang khắc tốt nhất là 50 nm), do đó khi chế tạo các chitiết nhỏ cấp nanomet, người ta phải thay bằng công nghệ khắc chùm điện tử

(electron beam lithography).

1.2 Quy trình quang khắc

Hình dưới đây là mô tả các bước trong quy trình quang khắc

Hình 1 3:Các bước trong quy trình quang khắc.

Bước 1: Làm sạch và khô bề mặt đế:

Có nhiều cách để tách tạp chất trên bề mặt đế như: thổi khí nitơ có áp suấtcao, vệ sinh bằng hóa chất, dòng nước có áp suất cao và dùng cọ rửa Sau đó sấytách ẩm bằng cách gia nhiệt ở nhiệt độ từ 150 oC đến 200 oC trong thời gian 10phút

Bước 2: Phủ lớp tăng cường độ bám dính (primer):

Vai trò của lớp này là làm tăng khả năng kết dính giữa đế và chất cảm

quang Lớp tăng cường độ bám dính thường sử dụng là HMDS(hexamethyldislazane).

Bước 3: Phủ lớp cảm quang bằng phương pháp quay li tâm:

Ở giai đoạn này đế được quay trên máy quay li tâm trong môi trường chânkhông Các thông số kĩ thuật trong giai đoạn này: tốc độ quay (3000 - 6000vòng/phút), thời gian quay (15 - 30 s), độ dày lớp phủ (0.5 ÷ 15 m)m)

Công thức thực nghiệm để tính độ dày lớp phủ cảm quang với:

k: hằng số của thiết bị quay li tâm (80-100)p: hàm lượng chất rắn trong chất cảm quang (%) w: tốc độ quay của máy quay li tâm (vòng/1000)

Hình 1 4:Sơ đồ quay li tâm

Các sự cố thường gặp trong quá trình phủ lớp cảm quang:

 Độ dày không

đều

 Bề mặt khô không đều

 Các đường biên dày hơn(có thể dày hơn 20-30 lần)

 Có thể đặt một vòng tròn ởđường biên

 Dùng dung môi phun lênlớp biên để hoàn tan

 Xuất hiện các

đường sọc

 Do trong chất cảm quang

có các hạt rắn có đườngkính lớn hơn độ dày lớpphủ

 Làm sạch chất cảm quangtrước khi quay phủ

Bảng 1 1:Các sự cố thường gặp trong quá trình phủ lớp cảm quang .

Bước 4: Sấy sơ bộ (Soft-Bake):

Mục đích của bước này là làm bay hơi dung môi có trong chất cảm quang.Trong quá trình sấy, độ dày lớp phủ sẽ giảm khoảng 25% Phương pháp thực hiện:

Dùng lò đối lưu nhiệt Dùng tấm gia nhiệt

Nhiệt độ: 90-100oC

Thời gian: 20 phút

Nhiệt độ: 75-85oCThời gian: 45 giây

Bảng 1 2:Phương pháp thực hiện sấy sơ bộ.

Bước 5: Định vị mặt nạ và chiếu sáng:

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 tríđặt mặt nạ(hình 1.5):

pháp và hóa chất để rửa Phương pháp rửa bao gồm hai phương pháp: phương phápnhúng (đưa trực tiếp dung dịch rửa) và phương pháp phun.

Bước 7: Sấy sau khi hiện ảnh:

Mục đích của bước này là làm cho lớp cảm quang cứng hoàn toàn, đồng thờitách toàn bộ dung môi ra khỏi chất cảm quang

Hình 1 6:Thiết bị khắc hình chùm tia điện tử.

1.3.2 Khắc hình bằng tia X

Thiết bị khắc hình bằng tia X dùng nguồn bức xạ synchrotron, các điện tử đượcgia tốc và chuyển động vòng nhờ các nam châm định hướng trước khi có đủ nănglượng đến va đập vào các đối âm cực, làm phát ra tia X bước sóng 𝜆 10 Cácmáy in quang khắc kiểu dò bước được dùng đồng thời, với các chùm tia X khácnhau cùng phát ra từ nguồn bức xạ synchrotron Đối với các máy in dùng mặt nạ sátmẫu với khoảng cách g nhỏ, độ phân giải phụ thuộc 𝜆 Sơ đồ đường truyền bức xạ

X trong các máy in quang khắc chiếu dò bước – quét được mô tả trong hình 1.7

Hình 1 7:Sơ đồ hệ thống khắc hình bằng tia X.

1.3.3 Quang khắc ướt

Quang khắc ướt được thực hiện bằng cách nhúng hệ trong chất lỏng chiết suất

n > 1 Sơ đồ hệ quang khắc ướt được mô tả dưới hình 1.8

Hình 1 8:Sơ đồ quang khắc ướt.

Ưu điểm của phương pháp này:

 Độ phân giải tăng tỷ lệ theo chiết suất n của chất lỏng Ví dụ, nếu dùngnước có n = 1,44 đối với bước sóng 𝜆 = 193 nm, độ phân giải tăng từ 90

nm đến 64 nm

 Độ sâu tiêu điểm DOF tăng lên ở các kích thước đặc trưng lớn hơn,ngay cả so với các kích thước đặc trưng của quang khắc thô

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ QUANG KHẮC DUV.

2.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ quang khắc DUV

Công nghệ quang khắc DUV (Deep Ultraviolet) là một phương pháp chế tạo vimạch điện tử trong đó sử dụng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn 200nm (vùng tửngoại cực sâu) để khắc các đường dẫn, hốc và gờ trên các lớp vật liệu của một mẫumạch điện tử Công nghệ này đang được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệpđiện tử để sản xuất các sản phẩm công nghệ như vi mạch, cảm biến, bộ nhớ, linhkiện quang học và nhiều ứng dụng khác

Nguyên lý hoạt động của công nghệ quang khắc DUV dựa trên hiện tượngquang khắc, trong đó ánh sáng DUV được chiếu qua một khu vực của mẫu mạchđiện tử được phủ một lớp vật liệu nhạy quang (photoresist) Các hạt ánh sáng(photon) trong ánh sáng DUV được hấp thụ bởi lớp nhạy quang, tạo ra các quá trìnhhóa học và vật lý, gây ra sự thay đổi cấu trúc và tính chất của lớp nhạy quang Sau

đó, lớp nhạy quang được xử lý bằng các chất ăn mòn hoặc hóa chất khác để loại bỏ

các khu vực đã được quang khắc, để lộ các đường dẫn, hốc và gờ của mẫu mạchđiện tử.

2.2 Các bước quang khắc DUV

Các bước quang khắc DUV chủ yếu bao gồm:

Bước 1: Chuẩn bị mẫu.

Mẫu cần được chuẩn bị trên một lớp vật liệu, chẳng hạn là một lớp nhựa địnhhình (photoresist) trên một tấm mạch điện tử hay một tấm kính Lớp nhựa định hình

có khả năng phản ứng với ánh sáng cực tím và thay đổi tính chất hóa học của nó

Bước 2: Chiếu ánh sáng cực tím.

Ánh sáng cực tím có bước sóng ngắn hơn ánh sáng hồng ngoại và có độ nănglượng cao, do đó có khả năng phá vỡ liên kết hóa học trong lớp nhựa định hình.Ánh sáng cực tím được chiếu lên lớp nhựa định hình thông qua một hệ thống quanghọc phức tạp gồm các ống kính, gương phản xạ và máy chiếu

Bước 3: Phản ứng hóa học.

Trong các vùng được chiếu sáng, lớp nhựa định hình phản ứng hóa học và trởnên dung nạp hơn hoặc khó tan trong các dung môi phát triển Trong khi đó, cácvùng không được chiếu sáng vẫn giữ nguyên tính chất của nó

Bước 4: Phát triển.

Sau khi chiếu sáng, mẫu được đưa vào quá trình phát triển Các dung môi pháttriển được sử dụng để loại bỏ các vùng nhựa định hình đã phản ứng hóa học, từ đótạo thành các khe hoặc các đường dẫn trên lớp nhựa định hình, tạo thành các mẫuvật liệu hoặc cấu trúc mong muốn

Bước 5: Rửa sạch và kiểm tra.

Sau khi quá trình phát triển hoàn thành, mẫu cần được rửa sạch để loại bỏ cácdung môi phát triển có thể còn sót lại trên mẫu Sau đó, mẫu được kiểm tra chấtlượng để đảm bảo rằng các khe hoặc đường dẫn trên mẫu được quang khắc DUVđạt độ chính xác và đáp ứng các yêu cầu thiết kế

2.3 Ưu điểm và hạn chế của công nghệ quang khắc DUV

Công nghệ quang khắc DUV có nhiều ưu điểm và hạn chế như sau:

2.3.1 Ưu điểm:

2.3.1.a Độ phân giải cao:

Công nghệ quang khắc DUV cho phép đạt được độ phân giải cực cao, đạt đếnmức nanometer, cho phép chế tạo các cấu trúc cực nhỏ và phức tạp trên bề mặtmẫu

2.3.2 Hạn chế:

2.3.2.a Giới hạn vật liệu:

Công nghệ quang khắc DUV đòi hỏi sử dụng các loại vật liệu đặc biệt, chẳnghạn photoresist có khả năng phản ứng hóa học với ánh sáng cực tím Điều này cóthể hạn chế sự đa dạng của các vật liệu có thể được chế tạo bằng công nghệ này

2.3.2.b Chi phí cao:

Công nghệ quang khắc DUV sử dụng các thiết bị phức tạp và đắt tiền, đồng thờiyêu cầu các điều kiện phòng sạch đặc biệt để đảm bảo chất lượng sản phẩm Điềunày có thể làm tăng chi phí đầu tư ban đầu và chi phí sản xuất

2.3.2.c Độ phức tạp của quy trình:

Quá trình quang khắc DUV có nhiều bước phức tạp và yêu cầu kiến thứcchuyên môn cao trong việc hoạt động và điều khiển các thiết bị Điều này đòi hỏinguồn nhân lực có kỹ năng đào tạo cao và có thể làm tăng độ phức tạp của quá trìnhsản xuất

2.3.2.d Giới hạn độ sâu quang khắc:

Công nghệ quang khắc DUV có giới hạn độ sâu quang khắc, giới hạn độ sâucủa các khe hoặc đường dẫn có thể được tạo ra Điều này có thể hạn chế ứng dụngcủa công nghệ trong các ứng dụng đòi hỏi độ sâu quang khắc lớn

2.3.2.e Hiệu suất quang khắc:

Công nghệ quang khắc DUV có thể đối mặt với một số khó khăn về hiệu suấtquang khắc, chẳng hạn như việc kiểm soát độ sâu và chiều rộng của các khe hoặcđường dẫn, hiệu quả phản ứng hóa học của photoresist, và đồng nhất của quá trìnhquang khắc trên bề mặt mẫu

2.3.2.f Nguy cơ ô nhiễm môi trường:

Quá trình quang khắc DUV sử dụng các chất hóa học và thiết bị phức tạp, cóthể gây ra nguy cơ ô nhiễm môi trường, chẳng hạn như việc xử lý và xả thải các hóachất độc hại và chất thải từ quá trình sản xuất

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ QUANG KHẮC EUV

PHOTOLITHOGRAPHY.

3.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ quang khắc EUV photolithograph

Công nghệ quang khắc EUV photolithography sử dụng tia tử ngoại cực ngắn(EUV) để tạo ra hình ảnh của một mẫu được gọi là "mask" lên một lớp phủ nhạyquang, gọi là "photoresist," trên bề mặt của vật liệu gốc (thường là wafer)

Nguyên tắc hoạt động chính của công nghệ này bao gồm các bước sau:

Bước 1: Tạo mẫu.

Bước đầu tiên là tạo ra mẫu, còn được gọi là mask, bằng cách áp dụng quá trìnhkhắc chìm (etching) hoặc quá trình phóng ảnh (photomask) trên một tấm silicon

Bước 2: Sản xuất ánh sáng EUV.

Công nghệ EUV photolithography sử dụng tia tử ngoại cực ngắn với bước sóngkhoảng 13,5 nanomet để tạo ra ánh sáng Điều này đòi hỏi sử dụng một nguồn sáng

đặc biệt gọi là nguồn sáng EUV (EUV source) để sản xuất ánh sáng có bước sóngnày.

Bước 5: Quá trình tái tạo

Sau khi phát triển, bề mặt wafer được xử lý để tạo ra cấu trúc và đặc tính mongmuốn của mẫu ban đầu

3.2 Các bước quang khắc EUV photolithography

Các bước quang khắc EUV photolithography bao gồm:

Bước 1: Chuẩn bị wafer.

Wafer được làm sạch và phủ một lớp photoresist

Bước 5: Kiểm tra và sửa chữa.

Sau quá trình phát triển, wafer được kiểm tra để xác định xem các khu vựcmong muốn đã được tạo ra đúng theo yêu cầu hay chưa Nếu cần thiết, các sửa chữa

có thể được thực hiện để chỉnh sửa các khuyết điểm

Bước 6: Quá trình tái tạo.

Sau khi hoàn thành quá trình phát triển và kiểm tra, wafer được xử lý để tạo racấu trúc và đặc tính mong muốn của mẫu ban đầu Các công đoạn này có thể bao