Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử nanô

linh kiện điện tử công suấtcông ty sản xuất linh kiện điện tửchế tạo linh kiện điện tửdự án hoàn thiện công nghệ chế tạo động cơ điện phòng nổ có cấp công suất từ 0giáo trình công nghệ chế tạo linh kiện điện tửcông nghệ chế tạo linh kiện điện tửgiáo trình công nghệ chế tạo mạch vi điện tửcông nghệ chế tạo vi mạch điện tửcông nghệ chế tạo vi điện tửcông nghệ chế tạo mạch vi điện tử

TRẦN TIẾN PHỨC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ

KHÁNH HÒA - 2011

MỞ ĐẦU

Công nghệ nanô là chương trình Quốc gia (National Nanotechnology Initiative NNI) của nhiều nước trên thế giới Nhiều quốc gia đã đặt Công nghệ Nanô ngang hàng với Công nghệ Thông tin và Công nghệ Sinh học Tuy mới phát triển song nhiều thành tựu của Công nghệ Nanô đã nhanh chóng được ứng dụng trong sản xuất

-để tạo ra các sản phẩm mới

Từ vai trò và tác động của Công nghệ Nanô đến các lĩnh vực khác mà rất nhiều vấn đề vẫn đang được nghiên cứu, thảo luận Về mặt thuật ngữ, Mihail C Roco là người chịu trách nhiệm trước Quỹ Khoa học Quốc gia về Công nghệ Nanô của Mỹ

đã đưa ra một định nghĩa hạn chế Theo đó, Công nghệ Nanô là những vấn đề liên quan đến vật liệu và hệ thống có tính chất:

- Về kích thước, theo một chiều nào đó phải có độ lớn trong khoảng 1 đến 100nm

- Chúng được tạo ra bởi quá trình mà con người có thể kiểm tra được

- Chúng cho phép liên hợp thành các thực thể lớn hơn

Điện tử học nanô là một lĩnh vực ứng dụng chịu áp lực mạnh nhất so với nhiều khoa học khác Những đòi hỏi của thực tế là: thu nhỏ kích thước linh kiện, giảm công suất tiêu thụ, tăng khả năng tiêu tán nhiệt, tăng số linh kiện trên mỗi chíp đơn,

mở rộng điều kiện làm việc (dải nhiệt độ, áp suất )

Công nghệ linh kiện điện tử nanô đi theo hai hướng:

- Phương pháp từ trên đỉnh xuống (top-down), tiếp tục thu nhỏ các khối vật liệu và liên kết chúng trên cơ sở của hiệu ứng mới nhằm đạt được tham số mong muốn

- Phương pháp từ dưới đáy lên (bottom-up) kết hợp từng nguyên tử hay phân

tử riêng lẻ để tạo nên sản phẩm có cấu trúc với tính chất mong muốn Tài liệu này chủ yếu trình bày những vấn đề liên quan đến quá trình công nghệ linh kiện điện tử nanô theo hướng tiếp cận từ trên xuống Hướng công nghệ này đang và sẽ được thực hiện vì những tiền đề sẵn có và những cải tiến mang tính đột phá

Hướng công nghệ từ dưới đáy lên (bottom-up) sẽ được trình bày trong một số bài báo sau do nó là vấn đề đang được nghiên cứu rất sôi động trên thế giới mà những kết quả mới chỉ là bước đầu

Một lần nữa, công nghệ linh kiện điện tử nanô là một lĩnh vực đang phát triển rất nhanh, nhiều vấn đề vẫn còn đang tiếp tục nghiên cứu phát triển nên không thể trình bày được trọn vẹn Tác giả rất mong nhận được nhiều ý kiến trao đổi, góp ý của Bạn đọc

Chương 1

CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ CHỦ YẾU TRONG CHẾ TẠO

LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.1 KHÁI QUÁT

Có ba nhóm phương pháp chủ yếu trong công nghệ linh kiện điện tử micro và nanô: phương pháp cộng (thêm vật liệu vào mẫu chế tạo); phương pháp trừ (loại bỏ bớt vật liệu ra khỏi mẫu chế tạo) và phương pháp thay đổi (cả thêm và bớt vật liệu tùy theo công đoạn) Mỗi nhóm lại có nhiều giải pháp cụ thể được trình bày chi tiết hơn trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Các phương pháp công nghệ linh kiện điện tử Phương pháp cộng Phương pháp trừ Phương pháp thay đổi

1.2 CÔNG NGHỆ CMOS

Hình 1.1 phác thảo một chuỗi những bước để chế tạo mạch tích hợp Si CMOS Có hai pha điển hình là: pha thiết kế và pha chế tạo Cả thiết kế và chế tạo đều là những lĩnh vực liên quan đến kiến thức nhiều ngành (vật lý, điện tử, tin học,

cơ khí, ) Các bước chủ yếu được mô tả ở hình 1.1

1.2.1 Các bước trong pha thiết kế

Thiết kế chức năng

Dựa trên kết quả tính toán và sự luân chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi mà chưa cần chý ý đến cấu tạo chi tiết của mạch điện Công đoạn này chủ yếu dùng các phần mềm để thiết kế (Verilog-HDL, VHDL )

Thiết kế logic

Chuyển các chức năng đã thiết kế ở phần “chức năng” xuống mức logic Những công cụ (tool) trong các phần mềm sẽ thực hiện lệnh này của người thiết kế Công đoạn này đòi hỏi tính nhạy cảm và kinh nghiệm của người thiết kế thì hệ thống mới tối ưu

Mặt nạ đóng vai trò như khuôn để đúc nên sản phẩm hay như tấm phim đã chụp để

in ảnh Công nghệ sản xuất mặt nạ hiện đại chủ yếu dùng chùm tia electron năng lượng

cao chiếu vào màng mỏng Cr trên nền thủy tinh Mạch được thiết kế càng nhiều tầng chồng lên nhau thì càng cần nhiều mặt nạ

Chế tạo Wafer

Wafer là một tấm nền để xây dựng mạch điện, linh kiện trên đó Wafer thường bằng silic nguyên chất được pha thêm tạp chất theo chỉ định để hình thành bán dẫn rồi cắt thành từng tấm mỏng có đường kính 200 đến 300 mm, độ dày cỡ 750m

Xử lý Wafer

Việc xử lý Wafer thực hiện trong phòng siêu sạch với nhiều công nghệ khác nhau như trong bảng 1.1

Kiểm tra - Đóng gói - Xuất xưởng

Sau nhiều bước xử lý trên wafer, một mạch điện tử được hình thành Dùng kim loại để nối chân linh kiện ra ngoài Dùng vật liệu cách điện tạo vỏ và ghi nhãn sản phẩm Kiểm tra sản phẩm trước khi xuất xưởng

1.3 CÔNG NGHỆ NANÔ

Có hai cách tiếp cận linh kiện và mạch ở thang dưới 100 nm

- Cách thứ nhất, dựa trên việc cải tiến công nghệ CMOS thông thường - tiếp cận

từ trên xuống (top–down) Trong đó, các công đoạn xử lý quang học phải giảm

bước sóng ánh sáng (vùng cực tím hoặc tia x) Độ phân giải bị giới hạn bằng nửa bước sóng sử dụng

- Cách thứ hai, bắt đầu từ những nguyên tử và phân tử riêng biệt qua quá trình tự

tổ chức hay tự kết hợp bằng vật lý hoặc phản ứng hoá học để nhận được cấu trúc

mong muốn - tiếp cận từ dưới lên (bottom-up) Các thiết bị để thực hiện theo cách

này rất tinh vi, phức tạp và đắt tiền

Cách tiếp cận lai đề nghị sử dụng kết hợp để thực hiện cấu trúc nanô nhằm tận

dụng công nghệ micro và giảm chi phí đầu tư thiết bị mới [1,2]

Lắng đọng từ pha bay hơi có bản chất từ vật lý hay hóa học (Chemical Vapor Deposition - CVD) Phương pháp vật lý được đặc trưng bằng một nguồn hạt xác định bay hơi tự do trong chân không tới bám vào chất nền Đối với phương pháp hoá học, phân tử tiền thân choán thùng phản ứng khi bay hơi, phân ly tại mặt chất nền nóng và giải phóng các nguyên tử quan tâm

Bảng 2.1: Một số đặc trưng của quá trình lắng đọng bay hơi

Phương pháp

Bốc hơi Epitaxy chùm phân tử (MBE)

xung laser (PLD)

CVD CVD hữu cơ kim loại (MOCVD)

Thấp (trừ kim loại tinh khiết)

phải đến

2500 A0 /phút Phần tử lắng

đọng

Nguyên tử và ion

Nguyên tử và ion

Nguyên tử, ion và các nhóm

Các phân tử tiền chất phân

ly thành nguyên tử Năng lượng Thấp, 0,1 tới

0,5 eV Có thể cao 1 - 100 eV Thấp tới cao Thấp hay cao với bổ sung

plasma Kích thước

Lắng đọng từ hoà tan hoá học (Chemical Solution Deposition - CSD) và phương pháp Langmuir-Blodget cho màng hữu cơ đơn phân tử Có thể kết hợp với nguồn điện (như mạ điện) hay nhiệt (phun nhiệt) để tăng nhanh quá trình lắng đọng

Bảng 1.2 cung cấp các tham số đặc trưng của các phương pháp lắng đọng phân chia theo hai lĩnh vực vật lý và hóa học

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LẮNG ĐỌNG MÀNG

2.2.1 Động lực học chất khí

Áp suất khí trong hệ thống là một trong các thông số cơ bản cần phải được kiểm soát trong khi lắng đọng màng vì nó có quan hệ với quảng đường tự do trung bình  của nguyên tử hay phân tử

Trong đó, d – đường kính phân tử, N – nồng độ chất khí Với chất khí lý tưởng: N=p/kBT và kB – hằng số Boltzmann, ta thu được:

Tại áp suất 0,5.10-3mbar, một phân tử khí có độ dài quãng đường tự do khoảng 20cm Mức chân không này là vừa phải trong công nghệ Số các nguyên tử

dư va chạm vào bề mặt đang hình thành và ảnh hưởng lên độ tinh khiết của màng nếu chúng kết hợp được với nhau Số này có thể được biểu diễn bằng:

mi là khối lượng nguyên tử hoặc phân tử Những kết quả điển hình được tóm tắt trong bảng 2.2 Kết quả cho thấy, muốn có một màng sạch cần chân không cực cao (Ultra High Vacuum - UHV, hơn 109mbar)

i B i

1

Hình 2.1: Sơ đồ của một hệ thống lắng đọng

Quãng đường tự do trung bình của các phân tử trở nên càng quan trọng khi lắng đọng vào cấu trúc nhỏ Khi so sánh các cấu trúc dưới micron với độ dài quãng đường trung bình ở bảng 2.2 ta thấy độ chân không liên quan đến quảng đường tự

do trung bình của các phân tử trở nên lớn hơn nhiều so với kích thước của cấu trúc

Bảng 2.2: Các tham số của khí dư ở 250C trong chân không cho lắng đọng màng

p, mbar Quãng đường tự do trung bình

(trước khi va chạm)

Số va chạm/giây (giữa các phân tử) Phân tử/(cm

2s) (dán bề mặt) Lớp đơn/s

Nếu có sự không phù hợp mạng giữa chất nền và màng, thì phải thêm một

lớp phụ để bổ sung năng lượng sức căng gọi là kiểu phát triển Stranski-Krastanov

Vai trò của năng lượng sức căng và năng lượng bề mặt được thể hiện trong biểu thức (2.4)

trong đó k - môđun khối,  - sức căng

W = Wsurf + Wrelax = const1d2 – const2k2d3 (2.4)

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG MÀNG VẬT LÝ

2.3.1 Bay hơi nhiệt và cấy ghép chùm phân tử

Cấy ghép chùm phân tử (Molecular Beam Epitaxy - MBE) phát triển từ các

kỹ thuật bay hơi nhiệt, kết hợp độ chân không cao (UHV) để tránh nhiễu loạn do khí dư và các nguyên nhân khác Sơ đồ hệ thống được trình bày trong hình 2.2 bao gồm một số nguồn khác nhau cho phép điều khiển lắng đọng nhiều hợp chất, nguyên tố Những phương tiện, thành phần và chức năng chủ yếu được tóm tắt trong bảng 2.3

Bảng 2.3: Hệ thống MBE và chức năng của chúng

Máy phát chùm tia Tế bào Knudsen

Chùm electron Pha khí các nguyên tố

Cung cấp chùm phân tử hay nguyên tử có độ tinh khiết cao,

ổn định tác động vào bề mặt chất nền

Bộ ngắt chùm tia Chốt hoạt động nhanh Để đóng hoặc mở hoàn toàn

đường ngắm giữa nguồn và chất nền Hoạt động nhanh (< 0,1 s) Môi trường xử lý Hệ thống UHV nhiều

buồng

Cung cấp môi trường siêu sạch (các khí dư: O2, CO, H2O, CO2 ở dưới mức 10-11 mbar)

Máy theo dõi chùm

tia và phát triển

màng

RHEED Theo dõi chùm tia Máy ion hoá Khối phổ kế

Cung cấp thông tin về cường độ, thành phần của chùm tia; cấu trúc bề mặt, độ dày của màng

Hình 2.2: Sơ đồ của một hệ thống MBE tạo màng hợp chất đa nguyên tố

Một nguồn MBE dùng trong hệ thống được minh họa cụ thể hơn trên hình

2.3 Tần số bay hơi, N e được mô tả bằng biểu thức Hertz-Knudsen (hay biểu thức Langmuir):

pe là áp suất bay hơi cân bằng và Ae là diện tích của lỗ N e phụ thuộc phức tạp vào nhiều yếu tố nhưng có thể được điều khiển một cách chính xác qua thông số nhiệt

độ

Áp suất riêng của khí oxy cho lắng đọng của một số màng oxit là vấn đề quan trọng đối với kỹ thuật UHV Để tránh sự oxy hoá và giảm giá trị của nguồn, một số giải pháp được sử dụng như các kiểu bơm hay quay chất nền

Ưu điểm của MBE là khả năng thực hiện tất cả các kỹ thuật phân tích bề mặt

và việc điều khiển quá trình phát triển màng tại chỗ Hình 2.4a trình bày bố trí của

hệ thống Một chùm điện tử 10 keV đập vào màng dưới một góc bẹt và bị phản xạ

T mk

A p N

B

e e e

2

Hình 2.3: Sơ đồ của tế bào Knudsen và phân bố của cường độ chùm tia bay hơi

phụ thuộc vào L0/d0

Ảnh nhiễu xạ, cường độ của chùm tia phản xạ cho ta thông tin về cấu trúc bề mặt của màng Hình 2.4b là ảnh nhiễu xạ của một bề mặt GaAs

MBE đã được phát triển trong khoảng ba mươi năm qua với sự hoàn thiện về mặt kỹ thuật Phương pháp MBE cho phép điều khiển phát triển từng lớp và điều khiển tương đối độc lập của những thành phần chất lắng đọng khác nhau và rất linh hoạt Nhờ điều kiện UHV mà màng rất sạch và rất thích hợp cho nghiên cứu cơ bản

về quá trình nuôi cấy

Nhược điểm của phương pháp là tạo từng lớp tương đối chậm, kỹ thuật UHV đắt tiền và một số lớn các thông số của quy trình phải được kiểm soát nên áp dụng trong công nghiệp còn gặp khó khăn

2.3.2 Lắng đọng xung laser

Lắng đọng xung laser (Pulsed Laser Deposition – PLD) là phương pháp chuẩn bị màng mỏng được phát triển tốt, đặc biệt thích hợp cho lắng đọng oxit và vật liệu nhiều thành phần khác nhau Một ví dụ về lắng đọng xung laser được trình bày trong hình 2.5 Một chùm tia xung laser ngắn từ nguồn laser kích thích được hội

tụ vào bia Năng lượng xung thường là 1 J/xung tạo nên plasma tức thời tại mặt bia Plasma chứa các nguyên tử trung hoà, ion, phân tử và đi tới mặt chất nền với phân

bố năng lượng rộng 0,1 đến 10 eV Cho bia chuyển động quay quanh trục của chùm plasma để nhận được màng có tính đồng nhất cao

Hình 2.4: a) Sơ đồ hình học của RHEED, kéo dài các chấm nhiễu xạ chỉ thị sự

cắt hình cầu Ewald với phản xạ 01, 00 và 01 của mạng hai chiều; b) khung nhiễu 

xạ mặt (001)(24) của GaAs được khôi phục lại

Phương pháp PLD có ưu điểm khi tạo màng mỏng nhiều thành phần so với những kỹ thuật lắng đọng khác Do đo, màng có thể được tối ưu và lắng đọng tương đối nhanh Quy trình không cần độ chân không cao và có thể kết hợp với kỹ thuật UVH để điều khiển nuôi cấy ngay tại chỗ và bổ sung oxy vào môi trường để tạo thành oxit

Nhược điểm là khó tạo hình dáng đối với kích thước nền nhỏ PLD vẫn đang được nghiên cứu cải tiến như thay đổi vị trí chất nền

Phún xạ đơn giản nhất gọi là phún xạ DC được trình bày trong sơ đồ hình

2.6 Trong một buồng chân không vật liệu bia bị ăn mòn tại mặt catôt (thế âm) và chất nền cho màng là mặt anôt (thế dương) ngược lại Thế vài trăm vôn giữa các

tấm này gây nên mồi phóng điện plasma trong áp suất khoảng10-1 – 10-3 mbar và những ion có điện tích dương được gia tốc tới bia Những hạt được gia tốc này bật

ra các nguyên tử trung hoà là chất lắng đọng tới chất nền Sự phóng điện được đảm bảo khi những điện tử được gia tốc tiếp tục ion hoá các ion mới do va chạm với khí

Hình 2.5: Hệ thống xung laser để lắng đọng lớp oxit

phún xạ Phân bố thế giữa anôt và catôt được chỉ thị bằng đường không liền nét Vì plasma là chất dẫn điện tốt nên độ sụt thế nhỏ trong vùng plasma và mà sụt thế chủ yếu tại catôt Phân bố thế này là có lợi cho sự gia tốc các ion khí phún xạ đi tới bề mặt của bia Ngày nay, phún xạ được phát triển thêm nhiều hình thức mới: phún xạ

RF áp dụng cho các màng không dẫn điện; phún xạ điều khiển bằng từ trường, phún

xạ trong môi trường áp suất cao

Các hệ thống lắng đọng phún xạ được phát triển tốt, có sẵn về thương mại và là kỹ thuật chuẩn để tạo màng kim loại trong dây chuyền chế tạo CMOS

Ưu điểm là số lượng vật liệu đưa vào quá trình lớn, kích thước chất nền lớn,

sự bám chặt tốt vào chất nền nhờ bắn phá ion, yêu cầu về chân không ít khắt khe hơn so với bay hơi nhiệt Các hệ thống là rất linh động và có thể được điều chỉnh cho nhiều yêu cầu đặc biệt Nhiều cải tiến bổ sung đang được tiếp tục nghiên cứu như phun nghiêng, lắng đọng không trục, hệ thống nhiều bia được điều khiển riêng

Hình 2.6: Sơ đồ của hệ thống phún xạ DC: đường không liền nét chỉ thị thế

giữa anôt và catôt

2.4.1 Lắng đọng bay hơi hoá học

Về nguyên tắc, CVD có thể áp dụng cho bất kỳ loại vật liệu nào Việc tạo thành màng xuất hiện qua phản ứng hoá học của các thành phần được dịch chuyển tới chất nền qua pha bay hơi Những phản ứng hoá học tạo màng nhờ năng lượng nhiệt từ chất nền được đốt nóng

Một số ví dụ về phản ứng cho lắng đọng tạo màng:

 Poly Si: SiH4  Si(s) + 2H2 , tại nhiệt độ 580-6500C và áp suất 1 mbar;

 Si-Nitrit: 3SiH4 + 4NH3  Si3N4 + 12H2 tại 700-9000C và áp suất khí quyển;

 Si- Đioxit: SiH4 + O2  SiO2 + 2H2, tại nhiệt độ 4500C

hay: Si(C2H5O)4 + 12O2  SiO2 + 8CO2 + 10H2O, tại 7000C Tốc độ lắng đọng và thành phần cấu tạo cuối cùng của màng được điều khiển bằng nhiệt độ và áp suất riêng phần của các tiền chất khác nhau trong buồng phản ứng

Kỹ thuật CVD là quy trình chuẩn trong công nghệ CMOS để lắng đọng các lớp điện môi như SiO2, SiN8 và thuỷ tinh Kỹ thuật kết hợp phân ly kim loại - hữu

cơ vào lắng đọng bay hơi hóa học (Metal Organic Decomposition - Chemical Vapour Deposition - MOCVD) là kỹ thuật lắng đọng đầu tiên trong lĩnh vực vật liệu

có nhiệt độ cao, tạo độ đồng nhất màng tốt, tốc độ lắng đọng cao và tùy theo kích thước wafer, điều khiển độ dày của màng trên địa hình linh kiện phức tạp như các mạch thang ULSI Khó khăn của phương pháp này sẽ tăng lên khi yêu cầu nhiều tiền chất, các thông số của quy trình rất phức tạp

Tạo màng siêu mỏng đến từng lớp phân tử bằng phản ứng hóa học là bước

quan trọng trong công nghệ nanô Những nghiên cứu để điều khiển quá trình tạo

thành lớp bao gồm cấy ghép chùm xung kim loại hữu cơ (POMBE) như một phương pháp hoá học đặc biệt, cấy ghép lớp nguyên tử (Atomic Layer Epitaxi - ALE) và

lắng đọng lớp nguyên tử (Atomic Layer Deposition - ALD)[3]

Quá trình này được minh họa bằng lắng đọng ZnS (hình 2.7) Bước đầu tiên

là sự hút thấm hoá học của phân tử tiền chất ZnCl2 cung cấp một đơn lớp bão hoà trên bề mặt của chất nền Tiếp theo là cho phản ứng với H2S để tạo thành một đơn lớp ZnS được lắng đọng mà không cần điều khiển thời gian phản ứng Vì lớp đơn ZnS không có tính chất hút bám chất phản ứng H2S trên ZnS nên có thể tiếp tục làm đơn lớp tiếp theo Phương pháp này áp dụng để lắng đọng của hệ thống nhiều nguyên tố sẽ khó hơn

2.4.2 Lắng đọng hoà tan hoá học

Phương pháp lắng đọng hoà tan hoá học (Chemical Solution Deposition - CSD) [4] để tạo màng mỏng oxit có lưu đồ tổng quát được trình bày trong hình 2.8 Đầu tiên, phủ dung dịch tiền chất thích hợp lên nền Trong một số trường hợp cần bổ sung chất ổn định, sự thuỷ phân riêng phần v.v Việc phủ vào chất nền có thể thực hiện bằng cách:

 Phủ quay: thích hợp với các wafer bán dẫn

 Phủ nhúng: thường sử dụng cho các chất nền lớn và không phẳng

Hình 2.7: Lắng đọng lớp nguyên tử ZnS

 Phủ phun: tạo sương mù dung dịch phủ rồi lắng đọng bằng lực hấp dẫn hoặc

lực tĩnh điện

Làm khô màng, thuỷ phân hay ngưng tụ phụ thuộc vào lộ trình hoá học Màng mỏng được lắng đọng có thể là một mạng hoá học hoặc vật lý Dùng xử lý nhiệt, sự thuỷ phân hay hoá học và loại bỏ phân tử hữu cơ, theo lộ trình hoá học Màng mỏng tổng hợp bao gồm các oxit hoặc cabonat vô định hình hoặc tinh thể nanô Trong xử

lý nhiệt tiếp theo, một cabonat bất kỳ sẽ phân ly và màng sẽ kết tinh nhờ cấu trúc hạt nhân đồng nhất hoặc không đồng nhất Độ dày màng mong muốn cuối cùng được xây dựng dần dần lên bằng nhiều lần phủ và ủ nhiệt

Hình 2.8: Lưu đồ kỹ thuật lắng đọng hoà tan hoá học

Khi tổng hợp các màng oxit nhiều thành phần, thường theo lộ trình lai Có thể

có một số tiền chất được sử dụng theo lộ trình hoà tan – đông đặc hoặc lộ trình hoà tan – đông đặc riêng phần trong khi các lộ trình khác là các phản ứng MOD điển hình Cấu trúc vi mô tạo thành trong quá trình CSD phụ thuộc mạnh vào nhiệt động học và động lực học của phản ứng ở trạng thái vô định hình trung gian hoặc trạng thái tinh thể nanô sau khi nhiệt phân

Nhờ vốn đầu tư thấp và xử lý đơn giản, Kỹ thuật CSD được sử dụng rộng rãi và cũng được ứng dụng cho vi điện tử và điện tử nanô với độ tích hợp ở mức thấp

Những ưu điểm của CSD là điều khiển tốt quá trình màng nhờ tỷ lượng của phủ hoà tan, đầu tư vốn thấp và dễ sản xuất trên phạm vi lớn, tới nhiều mét vuông đối với kỹ thuật phun và nhúng

Nhược điểm là còn có một số trở ngại để đạt được các màng mỏng cấy ghép, không áp dụng được cho lắng đọng siêu cấu trúc lớp nguyên tử và phủ bước nghèo cho cấu trúc 3D ở kích thước micron

2.4.3 Màng Langmuir-Blodgett

Phương pháp Langmuir – Blodgett (LB) là một phương pháp kinh điển của hoá học bề mặt để lắng đọng các đơn lớp và đa lớp màng phân tử mà sự phát triển của nó gắn liền với vấn đề dầu trên nước Những phân tử hữu cơ được sử dụng trong lắng đọng này chứa hai loại nhóm chức Một đầu của dãy hyđrocacbon là có thể hoà tan trong nước (hút nước) tức axit hay nhóm rượu và đầu khác chứa nhóm hyđrocacbon không hoà tan (không ưa nước) Kết quả là các phân tử tạo nên một màng trên bề mặt của nước (một màng Langmuir) với đầu hút nước tại mặt nước

Từ năm 1935, kỹ thuật đã tạo được màng dính chặt vào mặt chất rắn khi đi qua giao diện nước không khí Bắt đầu từ nguyên tắc đơn giản này, vào giữa nhưng năm

1970 những máng hoàn toàn tự động để tạo nên các lớp đơn phân tử và nhiều lớp đã được phát triển [5-7] Hình 2.9 minh họa nguyên tắc của hệ thống: một chất nền được lấy khỏi bình chứa màng Langmuir đơn phân tử trên mặt nước Màng Langmuir được giữ dưới áp suất không đổi bằng một rào chuyển động Bằng quá trình này một đơn lớp của các phân tử hữu cơ được chuyển vào chất nền

nước (hình 2.10) (a) đơn

lớp đầu tiên được tạo

thành khi kéo chất nền lên

Khi đẩy chất nền (đã có

lớp đơn đầu tiên) xuống

(b) sẽ có lớp thứ hai với

cấu trúc đầu với đầu (c)

Hình 2.9: Nguyên tắc để lắng đọng có điều khiển màng LB

Hình 2.10: Chu trình lắng đọng loại Y

Trong trường hợp này, những tương tác giữa các đơn lớp cạnh nhau là hút nước - không hút nước Chất lượng và tốc độ tạo màng phụ thuộc vào tính chất hóa học, tính chất hút bám khác nhau mà tham số đặc trưng là tỷ số truyền :

Ở đây u và d là tỷ số lắng đọng truyền lên trên và dưới tương ứng

Phương pháp LB là kỹ thuật được phát triển tốt trong hoá học bề mặt, mặc

dù còn hạn chế cho màng hữu cơ Nhiều ứng dụng từ màng cho photolithogrphy với

độ đồng nhất được cải thiện, chỉ thị màn hình phẳng, linh kiện quang học, linh kiện

quang phi tuyến và cuối cùng là lĩnh vực rộng của điện tử phân tử

Tóm lại, các phương pháp lắng đọng màng đã được phát triển cho độ chính xác cao đối với đối với hầu hết các vật liệu quan tâm Do đó, sự chọn lựa phương pháp tối ưu phụ thuộc vào yêu cầu thực tế, sản xuất hay nghiên cứu

Trong thực tế, ranh giới giữa những phương pháp tạo màng mỏng là không

rõ ràng và có sự chồng chéo lên nhau Có những quy trình kết hợp bốc hơi nhiệt đồng thời với bắn phá ion, lắng đọng có hỗ trợ của chùm ion Tuy nhiên, các vật liệu mới, kích thước màng cỡ nanô, điều khiển đến từng vị trí tạo linh kiện một cách đồng thời trên wafer đang là những đề tài lớn được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm

(2.6)

Chương 3

LITHOGRAPHY 3.1 KHÁI QUÁT

Thuật ngữ “lithography” mô tả phương pháp in hình mặt nạ lên mẫu chế tạo (gọi là wafer) Hệ thống lithography bao gồm nguồn bức xạ, wafer đã được phủ chất cản và bộ phận điều khiển in hình ảnh, điều chỉnh wafer để chiếu xạ (hình 3.1a) Chất cản bị thay đổi bởi chiếu xạ (hình 3.1b) Sau chiếu xạ, chất cản có thể bị lấy đi một cách chọn lọc bằng quá trình rửa (hình 3.1c) Hình mặt nạ được khắc vào chất cản và có thể được chuyển vào wafer bằng bước ăn mòn tiếp theo Những phần của wafer bị phủ bằng chất cản được bảo vệ chống ăn mòn

Hình 3.2 trình bày tổng quan về các loại lithography khác nhau Chúng khác nhau chủ yếu là loại bức xạ và hệ thống điều khiển Điểm bắt đầu của quá trình là cấu trúc phải được truyền vào wafer; nó thường được cho như một tập tin – CAD Tùy thuộc vào bước sóng của bức xạ để phân biệt các lithography khác nhau: cực tím (UV: 365 nm – 436 nm), UV sâu (DUV: 175 nm – 250 nm), ngoài vùng cực tím (EUV: 11 nm – 14 nm) và tia X (10 nm), tia điện tử hoặc ion Nếu tia hội tụ (laser,

điện tử hay chùm ion) được viết trực tiếp lên wafer thì gọi là lithography laser, điện

tử hay chùm ion

Hình 3.1: Lưu đồ lithography (a) mô tả hệ thống; (b) rọi; (c) sau khi rửa

Mặt nạ bao gồm một vật liệu mang trong suốt đối với bức xạ được sử dụng

và một lớp hấp thụ không trong suốt Khuôn được khắc vào lớp không trong suốt Vật liệu sử dụng phụ thuộc vào nguồn bức xạ Bức xạ chỉ rọi vào wafer tương ứng phần mặt nạ trong suốt Do đó, chỉ có phần chất cản bị chiếu xạ là thay đổi

Trong quy trình viết trực tiếp, máy tính điều khiển chùm tia bức xạ được hội

tụ, viết vào chất cản như sử dụng bút

3.2 LITHOGRAPHY QUANG HỌC

Trước đây, Lithography sử dụng ánh sáng với bước sóng trong dải khả kiến cho công nghệ micro Vì kích thước linh kiện ngày càng giảm xuống mà độ phân giải phụ thuộc  nên dần dần ánh sáng được kéo xuống tới 193 nm Ngày nay, việc ứng dụng bức xạ có bước sóng cỡ nm đang được tiếp tục nghiên cứu

Vấn đề cơ bản của lithography là khả năng phân giải của hệ thống và do đó kích thước đặc trưng nhỏ nhất (Minimum Feature Size - MFS) có thể xác định được

Hình 3.2: Các loại lithography khác nhau

Ăn mòn hoá ướt/khô

Dữ liệu về vi cấu trúc (CAD)

Bộ viết chùm tia điện tử/ bộ viết chùm tia laser

Mặt nạ cho lithography tiếp xúc, gần hoặc chiếu

trên wafer MFS phụ thuộc vào phương pháp rọi, độ dài bước sóng rọi  trên vật liệu của hệ thống quang học và chất cản được sử dụng

3.2.1 Các phương pháp rọi và giới hạn khả năng phân giải

Hình 3.3 trình bày toàn cảnh sơ đồ của ba phương pháp rọi khác nhau, lithography tiếp xúc, lithography gần và lithography hình chiếu Với cả ba phương pháp, bức xạ được phát ra từ nguồn đi qua thấu kính tạo chùm tia song song

Với lithography tiếp xúc, mặt nạ được ép tiếp xúc gần với chất cản trên mặt

wafer (hình 3.3a), khả năng phân giải MFS = d. , ở đây d là độ dày chất cản và 

là bước sóng Nếu độ dày chất cản 1 m và bước sóng cỡ 400 nm, ta nhận được kích thước đặc trưng cực tiểu bằng 600 nm Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là mặt nạ tiếp xúc với chất cản nên dễ bị ảnh hưởng đến cấu trúc

Khắc phục khuyết điểm mặt nạ tiếp xúc là phương pháp lithography gần

(hình 3.3b) Do có một khe hở xác định giữa wafer và mặt nạ nên không làm tồi mặt

nạ Nhược điểm là giới hạn khả năng phân giải giảm MSF= (d  g)

Phương pháp được sử dụng ngày nay trong sản suất công nghiệp được gọi là

lithography hình chiếu (hình 3.3c) Bóng của mặt nạ không truyền vào wafer như

với hai phương pháp trên, nhưng ảnh của mặt nạ được chiếu vào wafer Do đó, sau khi đi qua mặt nạ, ánh sáng bị bó lại bằng hệ thống quang học Mặt nạ không tiếp xúc với wafer, do đó không làm tồi khả năng phân giải như trong lithography tiếp xúc, mà khả năng phân giải tốt hơn trong lithography gần Hơn nữa, do có hệ thống quang học xen giữa mặt nạ và wafer nên khuôn trên mặt nạ được phép làm lớn hơn kích thước linh kiện trên wafer Ưu điểm là dễ chế tạo mặt na hơn mà sai số có thể cũng bị giảm

Trong lithography hình chiếu, tham số giới hạn đối với MFS là nhiễu xạ, của

một số cấu trúc bị chồng lên

Tiêu chuẩn Rayleigh cho rằng, hai nguồn điểm lý tưởng có thể được phân giải khi cường độ cực đại của một vệt tròn này nằm tại cực tiểu đầu tiên của một cái khác

Ở đây, NA là độ mở số của hệ thống quang học Mặt khác, cản quang cũng ảnh hưởng tới MFS nên trong trường hợp tổng quát, tiêu chuẩn được viết bằng:

Ở đây, k1 là hằng số (khoảng 0,5 – 0,9) do tính chất không lý tưởng của thiết bị (tức sai số của thấu kính) và những ảnh hưởng không xuất phát từ quang học (chất cản,

xử lý chất cản, hình dạng của cấu trúc ảnh …) Do đó, k1 được gọi là hằng số công nghệ

NA k

1

Hình 3.4 cho thấy nhiễu xạ hai khe hẹp P và Q trên mặt nạ lên wafer Để phân giải hai điểm này, phân bố cường độ phải có cực tiểu giữa hai cực đại chính

Tỉ lệ cường độ được đánh giá qua hàm truyền biến điệu MTF

Trị số MTF càng cao thì sự khác nhau giữa cường độ cực đại và cực tiểu

càng lớn Tương phản giữa vùng chiếu xạ và vùng không chiếu xạ càng tốt thì khả

năng phân giải của thiết bị càng tốt Ta chú ý rằng MTF là phép đo khả năng của

công cụ lithography trong cấu trúc in

Độ phân giải là thông số xác định đối với một công cụ và công nghệ cho trước Cải tiến để tăng độ phân giải có thể dùng kỹ thuật dịch pha và rọi lệch trục (Hình 3.6) Trong rọi lệch trục, nguồn sáng hiệu dụng bị biến đổi Trong kỹ thuật dịch pha đặc trưng sóng của ánh sáng rọi bị thay đổi bằng mặt nạ

Do tác động của chiếu xạ lên chất cản không liên quan đến pha nên cải tiến

độ phân giải có thể thu được nhờ thay đổi sự khác nhau về pha của mặt sóng Tạo

độ lệch pha bằng cách thay đổi lộ trình quang học của ánh sáng khi đi qua các cấu

min max

min max

I I

I I MTF





Hình 3.4: Ảnh cường độ của hai điểm P và Q tại lithography hình chiếu

Phân bố cường độ tại mẫu bị mở rộng do nhiễu xạ

trúc lân cận, dẫn đến giao thoa tăng cường và giao thoa suy giảm, làm tăng độ tương phản (tức tăng Imax và giảm Imin)[1]

Bên trái hình 3.5, biên độ và cường độ trong trường hợp một mặt nạ thông thường có giá trị Imin giữa các cường độ cực đại

Bên phải hình 3.5, ánh sáng qua cấu trúc lêch pha bằng  nên có một điểm ảnh mà tổng của biên độ là zêrô do đó cường độ cũng bằng zêrô Các mặt nạ này được gọi là Levenson hay các mặt nạ dịch pha thay đổi (PSM) có thể tăng khả năng phân giải thêm 40% Cải tiến này không dùng được đối với cấu trúc đơn

Sự dịch pha có thể thu được bằng một lớp trong suốt bổ sung trên mặt nạ hay đục lõm vật liệu mặt nạ sao cho có sự khác nhau về trục quang học Nhiều công trình đang tiếp tục nghiên cứu nhằm tăng độ phân giải để in được ảnh kích thước nanô lên wafer

Các kỹ thuật PSM được giới thiệu năm 1982, nhưng chỉ từ năm 1999 chúng mới được sử dụng cho sản xuất công nghiệp Hãng Intel công bố từ năm 2000 đã dùng lithography mặt nạ dịch pha 248 nm để sản xuất MOSFET với độ dài cổng 30

nm [2]

Hình 3.5: So sánh biên độ và cường độ sáng tại mặt nạ và trên wafer đối với mặt

nạ thông thuờng và mặt nạ dịch pha Chú ý rằng cường độ trên wafer giữa hai

đỉnh là zêrô đối với mặt nạ dịch pha

Để tăng phân giải mà không giảm bước sóng hoặc tăng độ mở số (NA), việc rọi lệch trục được áp dụng Ánh sáng tới sẽ bị nhiễu xạ vào nhóm các chùm tia Chùm tia bậc zêrô không bị nhiễu xạ được chiếu vào wafer (hình 3.6a)

Trong rọi lệch trục, chùm tia có độ lệch khác nhau có lộ trình khác nhau do

đó chúng bị lệch pha nên không hội tụ Theo tiêu chuẩn Rayleigh, muốn tăng khả năng phân giải cần giảm bước sóng  hay thông số công nghệ k1 hoặc tăng độ mở ống kính NA Muốn tăng NA phải làm thấu kính vật lý lớn hơn là khó khăn

k1 và NA điển hình, khả năng phân giải đạt được là 400 nm Việc giảm tiếp theo 

Hình 3.6: a) Trục quang và các bậc lệch của rọi đồng trục; b) rọi lệch trục

tới 250 nm thu được bằng trộn Hg và Xe, khả năng phân giải tới 300 nm, nhưng cường độ tại bước sóng này thấp

Bảng 3.1 Bước sóng rọi, nguồn sáng và dải ánh sáng

Trong thực tế sản xuất lithography DUV đã được sử dụng Các nguồn bức xạ

có bước sóng giữa 157 nm đến khoảng 13 nm không sử dụng lithography vì liên quan tới các vật liệu chế tạo mặt nạ, thấu kính và gương Ở bước sóng trong dải 13

nm, có thể bố trí một trục quang học để làm lithography hình chiếu Dải này được

Hình 3.7: Phổ của một đèn Hg cao áp

gọi là ngoài cực tím (EUV) Rút ngắn bước sóng vào dải một nm dẫn đến lithography tia X Ở đây ta không thể thực hiện lithography hình chiếu vì không có vật liệu để bố trí hệ thống quang học Cuối cùng là ống tia x, trong đó anôt kim loại phát xạ các điện tử năng lượng cao Có hai nhược điểm của việc sử dụng lithography tia x

Một là cường độ nguồn rất thấp dẫn đến thời gian phơi sáng dài hàng giờ, không thích hợp cho sản xuất công nghiệp

Hai là kim loại anôt phun ra làm nhiễm bẩn công cụ phơi sáng và wafer giảm tuổi thọ của dụng cụ

Do có ưu điểm về độ phân giải tốt để ứng dụng trong công nghệ nanô nên nhiều công trình đang tiếp tục nghiên cứu để khắc phục khuyết điểm của lithography tia x nêu trên

Nguồn plasma được tạo nên bằng laser (LPP) bao gồm một xung laser được hội tụ trên bia có oxy, flo, neon hoặc xenon kích thích phóng điện trong vùng bước sóng mong muốn Bia này có thể ở pha rắn (làm đông lạnh), lỏng hoặc khí Nhược điểm là các mảnh vụn không được giải quyết hoàn toàn Các nghiên cứu về bia xenon lỏng hoặc bia khí kép đang được xúc tiến nhằm giảm mảnh vụn

Hình 3.8: (a) Nguồn plasma được tạo bằng laser; (b) đặc trưng phổ của bia Xe/He;

(c) đặc trưng phổ của bia Xe bình thường

Nguồn bức xạ có đủ cường độ, bước sóng cỡ 1 nm, không sinh ra mảnh vỡ là nguồn đồng bộ synchrotron Nguyên lý của nguồn là những điện tử được gia tốc trên một đường dẫn hình tròn và do đó phát ra bức xạ hãm Nhưng nguồn synchrotron rất đắt và khó che chắn do đó giá thành lithography rất cao

Vấn đề nguồn nào sẽ được sử dụng trong công nghệ linh kiện điện tử nanô vẫn đang còn được tiếp tục nghiên cứu [3,4]

3.2.3 Vật liệu mặt nạ và hệ thống quang học

Ngoài nguồn bức xạ có bước sóng nhất định, một hệ thống quang học phải được thiết lập để thực hiện lithography Mặt nạ, gương và thấu kính cần thích hợp với bước sóng được sử dụng Mặt nạ và thấu kính phải trong suốt, ít giãn nở vì nhiệt còn gương lõm hay lồi đều cần phản xạ tốt

Trong dải từ 10 đến 15 nm (EUV), có vật liệu trong suốt cho quang học khúc

xạ, nhưng không có vật liệu để làm gương Ở dải này, các gương được cấu thành cái gọi là bộ phản xạ Bragg Nó bao gồm nhiều lớp vật liệu có chỉ số khúc xạ cao thấp khác nhau được lắng đọng theo thứ tự xen kẽ Độ dày quang học của mỗi lớp là /4 Tại mỗi giao diện một số phần của chùm tia tới sẽ được truyền và một số phần sẽ bị phản xạ Chùm tia được truyền qua đi tới giao diện kế tiếp và lại được truyền qua và

Hình 3.9: Bố trí quang trục: a) quang khúc xạ; b) quang phản xạ; đối truyền