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). Một số sách giáo khoa ở Việt Nam còn dịch thuật ngữ photolithography là quang bản thạch.

Quang kh c

Lê Tu n

i h c Bách khoa Hà N i

Quang kh c

M c đ ích:

Quang kh c là công đo n đ c l p, có vai trò quan tr ng b c nh t trong công ngh s n xu t các

m ch vi đi n t , nh m truy n hình nh tô pô lên phi n bán d n, xác đnh các v trí thao tác ti ptheocho h u h tcác b c công ngh

Kho ng 35 % giáthành s nxu tchip đ c chi phí chocác công đo nquang kh c

Quang kh c c đ đ c chia thành 3 giai giai đo đo n:

̈ Thi tk m t n

̈ T o m tn

̈ Truy n nh t m t n lên lên đđ

Quang kh c (ti p)

Giai đo

Giai đo n cu i quan tr ng nh t t đ đ c trình bày theo 3 ph n sau:

a) H th ng ngu n b c x (quang h c, UV, tia X, tia tia đi đi n t , v.v…)

b) H th ng truy n nh lên m u bán d n

c) Các ch t c m quang

Các n i dung v quang kh c s đ đ c trình bày ti p theo ba ph n trên

Quang kh c (ti p)

A – H th ng ngu n b c x

̈ Là h th ng t o ra ngu n b c x c n thi t và đi u khi n, bi n đ i b c x đ ó thích

h p cho vi c chi u vào m u s n xu t

̈ B c x đ c s d ng hi n nay trong s n xu t và nghiên c u ch t o m ch IC có

b c sóng n m trong vùng nhìn th y, UV, tia X, tia đi n t

̈ Vi c gi m kích th c đ c tr ng c a IC đòi h i ph i dùng các b c x v i b c sóng ng n h n Hi n t ng nhi u x đ đ óng vai trò quan tr ng khi gi m.

̈ Ngu n sáng thông d ng trong công nghi p hi n nay là đ èn h i th y ngân, v i các v ch đ n s c g = 463 nm ( g-line ) và i = 365 nm ( i-line ), dùng trong các công ngh IC v i chi u dài kênh d n 500 và 350 nm, t t ng ng ng.

̈ Ngu n có c ng đ m nh nh t trong vùng ph UV là laser màu trên c s Kr (KrF có Kr = 248 nm – cho công ngh 0,25 µ 0,25 m) và Ar (ArF có ArF = 193 nm)

n ng l ng

Kr + NF3 - KrF + photon phát x

̈ T t nhiên, ph i có các h th ng truy n nh lên m u và ch t c m quang thích h p

v i t ng lo i b c x (t c là phù h p v i t ng b c sóng).

Quang kh c (ti p)

Ngu n laser màu

Laser m u không có tnh nh đ n sđ n s c cao nh laser Ar

(kho ng bi n thiên b c sóng ~ 1 nm so v i < 0,0001 nm), nm),

nh ng thích h p làm ngu n sáng cho quang kh c

Các laser màu còn u còn đđ c b m b i i đđèn halogen áp su t

cao nên có m t t đđ công su t l n (t i 10 kW/cm2) nên d

làm h h i các th u kính và do do đđó, t ng t ng đđ méo c a nh

Gi i h n thay th u kính là 109 xung Ng i ta còn thay ch t

li u làm th u kính t SiO2 sang CaF2 hay MgF2, đ c bi t

Quang kh c (ti p)

B – H th ng truy n nh lên m u bán d n

c phân thành 3 lo i:

- In ti pxúc tr c ti p(Contact printing): nét cao, gây x c m u và m t n

- In sát m u (Promixity printing): Khe h nh cách m u gi m t n kh i b x c, nh ng nh ng đđphân gi i th p Khó truy n n đđ c kích th c ~ µm lên m lên đđ n u không dùng ngu n chi u nh tia X, tia ia điđi n t

- In chi u (Projection printing): Là ph ph ng phng pháp p đđ c áp d ng ph bi n hi n nay a s các thi t b quang kh c có h th ng c h c dò b c – l p l i hay dò b c – quét, n ng su t in truy n nh ~ 50 phi n/gi và giá thành trong kho ng 5 – 10 tri u USD

̈ Nguyên lý Huyghen – Fresnel:

B t k m t t điđi m nào (trong tr ng h p này, n m trên ph n

trong su t c a m t n ) nh n ánh sáng ng đđ u có th tr thành

ngu n sáng th c p, phát ánh sáng v phía tr c nó, v i

pha và biên biên đđ gi ng nh do ánh sáng t ngu n s c p

đ a t i

̈ N u góc m đđ c gi i h n W theo chi u ngang vàL theo

chi u d c, thìt i phi n, dao dao đđ ng sáng ng đđ c coi là t ng h p

các dao c dao đđ ng sáng ng đđ c c đđóng góp t các ph n t (dx) x

(dy) c a ph n trong su t trên m t n :

v i A – biên biên đđ sáng trên kho ng cách ch đ n vđ n v t ngu n, –

góc kh i c a ph n trong su t c a m t n (W x L) nhìn t i

ngu n Tích c a E(R’) vàE*(R’) cho bi t c ng ng đđ sáng I

( )( )exp

)(),

R R ik

'(

) ' , (

Quang kh c (ti p)

̈ Khi W và L , c ng ng đ đ sáng I Eo2 nh tr ng h p không có m t n ch n sáng.

̈ Khi W và L nh , biên iên đ đ t ng h p c a các sóng ph ng v i các pha khác nhau

Tr ng h p p đ n gi đ n gi n nh t:

̈ N u th a mãn a mãn đi đi u ki n sau (r – bán kính t tâm vùng ng đ đ c chi u sáng trên m u t i

đi m quan sát), ph ph ng tr ng tr ình E(R’) đ c gi i và ta s có đi đi u ki n nhi u x Fresnel:

̈ Nhi u x Fresnel (tr ng g n – near field) th ng ng đ đ c dùng trong các h th ng truy n nh b ng cách in tr c ti p ho c in sát m u

[ 1 1 + 2 2][ 1 1 + 2 2]= 12 + 22 +2 1 2cos(Φ1 −Φ2)

E E E

E e

E e

E e E e

E

2 2 2

r g

W >>λ +

Quang kh c (ti p)

̈ Ph Ph ng ph ng ph áp in chi u là ph ph ng ph ng ph áp công nghê quang kh c ch y u hi n nay, do

có các u c u đi đi m sau:

phân gi i cao sâu tiêu đi

sâu tiêu đi mchính xác cao

Th tr ng r ng

Hàm truy n bi n n điđi u ngu n b c x chi u

N ng su t cao

̈ i u ki n nhi u x Fraunhofer (tr ng xa – far field và trên

c s đ đ ó: máy in nh theo ph nh theo ph ng ph ng ph áp in chi u)

̈ C ng ng đ đ sáng t i b m t m u trong nhi u x Fraunhofer

v i Ie(0) – c ng ng đ đ t i (W/cm2), và:

2 2 2

r g

W <<λ +

( )( )2 2 2 2

)0()

,

g

L W I

xW

I x

λ π λ π

xL

I y

λ π λ π

Quang kh c (ti p)

Hàm truy n bi n n đi đi u (Modulation transfer function – MTF) là m t thông s khác liên quan t i kích th c c đ đ c tr ng c a IC:

min max

min max

I I

I I

Quang kh c (ti p)

ngu n sáng: S = s/d , s – kích th c ( đ ng kính)

c a ngu n sáng, d – đ đ ng kính c a th u kính Do

trong th c t các ngu n sáng không ph i là ngu n

sáng ng đi đi m nên các tia sáng sau th u kính chi u u đ đ n

m u không song song v i nhau (không vuông góc v i

N A

S =

Quang kh c (ti p)

T ng k t so sánh c ba ph ba ph ng pháp truy ng ph n nh:

Quang kh c (ti p)

̈ H th ng in nh tr c ti p/sát m u

Ngu n sáng ng đđèn h i h quang Hg qua các gc g ng phng ph n x

ellipse (2) không cung c p chùm sáng có đđ đđ ng ng đđ u t t, do

đó, c n có b t ch h p quang h c M t trong s đđó là th u kính

m t ru i (Fly’s eye lens – chi ti t 7 trên hình v ) – bao g m m t

th u kính l n b ng th y tinh nung ch y, có g n nhi u th u kính

con đ

con đ t o nhi u tia sáng, và m t th u kính th hai hai đđ tái h p l i

các tia sáng ng đđó Chùm sáng sau khi qua gng sau khi qua g ng phng ph n x (8)

a) Quét toàn b : C m t n và đđ đđ ng yên, chi u

sáng toàn b C ng dùng cách này cho in nh tr c

ti p/sát m u

b) Dò b c 1x: M t n đđ ng yên, đđ di chuy n t ng

b c theo hai phc theo hai ph ng vuông gng vuông góc trong m t ph ng

ngang Chi u sáng không thu nh cho t ng di n

trong các máy in chi u

d) Dò b c vàquét: M t n đđ c quét theo m t

ph ng, trong khi rong khi đđ di chuy n t ng b c theo hai

ph ng vuông g

ph ng vuông góc trong m t ph ng ngang Nh v y,

chùm sáng v i kích th c nh h n c sau khi di chuy n

t ng b c trên c trên đđ ( ng v i v trít ng chip) s quét theo

nh chip Các máy chi u hi n n đđ i áp d ng phng ph ng phng pháp

này y đđ in nh trong quang kh c

Quang kh c (ti p)

(N ng su t)

100wph (200mm); 120wph (150mm)

H th ng Canon FPA 3000i5+Stepper

Model type:

(Lo i)

KrF (248nm) Scanner

Reduction ratio:

(T l thu nh ) 4:1

Field size:

(Kích th c tr ng) 26mm x 33mmOverlay accuracy: (

Quang kh c (ti p)

Quang kh c (ti p)

̈ Ch t c m quang (CCQ) là m t polymer h u c u c đđ c phun lên b m t m u, sau khi s y khô

t o thành m t l p dày 0,5 –1,0 µm D i tác c đđ ng c a ánh sáng, ph n l sáng s có đđ hòa tan t ng lên trong dung môi thích h p (c m quang dm quang d ngng), hay gi m m đi so vđi so v i i đđ hòa tan c a

ph n không n không đđ c chi u sáng (c m quang âm) Ch t c m quang âm (CCQA)

ho t đ ng theo nguyên t c k t

n i các phân t (polymer hóa)

d i tác d ng c a ánh sáng CCCA ph n ng nh y v i b c

đ c tr ng nh (ví d , s n xu t VLSI) ch y u s d ng CCQ

d ng (CCQD) – đ phân gi i 0,1 µm và t t h n

CCQD s đ c mô t chi ti t các b n trình bày ngay sau:

Quang kh c (ti p) Thành ph n c a CCQ d a CCQ d ng ng (c g-line – = 436 nm – và i-line – = 365 nm) bao

g m:

̈ Cao su th đđ ng: làph n t liên k t, cóch c n ng giúp màng c m quang bám ch t vào o đđ

̈ H p ch t quang ho t (Photoactive compound – PAC): d i tác c đđ ng c a b c x thay thay đđ i tính

ch t (đ hòa tan) T l v i n n cao su trong màng khô là 1:1

̈ Dung môi: t o o đđ nh t c n thi t, v a a đđ đđ ph lên kh p b m t c a m u m t l p p đđ ng ng đđ u CCQ b ng phng ph ng phng pháp quay li tâm S b c h i h t khi quay khô vàs y

̈ Cao su n n là novolac, m t polymer chu i dài

có ch a các vòng hydrocarbon th m cóg n

hai nhóm methyl vàm t nhóm OH

̈ PAC trong DNQ th ng làdiazoquinones, ph n quang ho t

n m phía trên liên k t SO2 Diazoquinones không hòa tan trong

các dung môi bình th ng, t c đ hòa tan c a ph n không chi u

sáng ch 1 – 2 nm/s Ph n phía d i liên k t SO2ch đóng vai trò

th y u và trong các hình v sau đ c thay b ng ký hi u R Phân

t N2liên k t y u v i m ch vòng và d b b t ra d i tác đ ng UV,

đ l i nút C có tính ho t hóa cao Nguyên t C này b t kh i m ch

vòng và liên k t đ ng hóa tr v i nguyên t O – đ ng thái này đ c

g i là s s p x p l i Wolf (Wolf rearrangement) – t o thành keten

Trong môi tr ng n c, vi c n i thêm nhóm OH t o ra s n ph m cu i cùng là axit carbosilic

Quang kh c (ti p)

Sau khi b chi u sáng, PAC trong DNQ b chuy n hóa thành axit carbosilic hòa

+ UV

Keten

Carbosilic acid

Quang kh c (ti p)

CCQ phù h p v i b c x vùng c c tím sâu (Deep UV – DUV):

̈ Các CCQ g-line và i-line có hi u su t l ng t (s phân t N2 trong ví d v i DNQ i DNQ đđ c gi i phóng trên m i photon ánh sáng tác c đđ ng vào) c c c đđ i < 1 (th ng ch ~ 0,3), cho nên c n cókhu ch ch đđ i hóa h c đđ c i thi n tình hình

̈ T t c các CCQ DUV c CCQ DUV đđ u áp d ng c ch trên nh s d ng ch t xúc tác đ t ng t ng đđ nh y

Ch t sinh axit b i ánh sáng (Photo-acid generator – PAG) nh chi u sáng chuy n hóa thành axit Sau au đđó, trong quá trình nhi t sau chi u sáng, phân t axit tác d ng v i phân t “ch t

ch n” trong chu i polymer, làm cho chu i b hòa tan trong thu c hi n và l i gi i phóng ra phân

t axit

Quang kh c (ti p)

t ng ph

N u g i Df làli u l ng chi u x (đ n v mJ/cm2) đ th c

hi n hoàn toàn tác c đđ ng lên ng lên đđ hòa tan c a CCQ và Dolà

li u chi u x t t ng ng ng v i vi c không cótác c đđ ng lên CCQ

Hàm truy n bi n n điđi u t i h n(Critical

Modulation Transfer Function – CMTF) đ c

xác c đđnh cho CCQ, tt ng tng t nh cho các h quang h c:

Giá tr điđi n hình c a CMTF kho ng 0,4 cho các CCQ g-line

vài-line Các CCQ DUV có khu ch ch đđ i hóa h c c đđ t t đđ c

1 10

1 1

+

−

= +

o f

CCQ

D D

D D

CMTF

S y s b (100 ºC, 10 phút) sau chi u sáng ( )

Quang kh c (ti p)

Minh h a công a công đo đo n quang kh c quang h c

Hai mô đun n

Hai mô đun này t o nên thi t b quang kh c

Quang kh c (ti p)

H p ch a các phi n Si n Si đ đ c n p vào mô o mô đun th đun th nh t M t phi n n đ đ Si Si đ đ c

ch n ra n ra đ đ th c hi n quang kh c.

Quang kh c (ti p)

Ch t c m quang CCQ (Photoresist) d ng l ng ng đ đ c ph trên phi n bán d n n đang đang quay b i máy quay ly tâm L c quán tính ly tâm khi n ch t c m quang m quang đ đ c dàn

đ u trên phi n

Quang kh c (ti p)

Trong ph n máy chi u sáng, nh nh đ đ c truy n t t m m t n sang l p CCQ ph trên b m t phi n bán d n truy n nh trung th c, c n dùng b c x c c tím

b c sóng r t ng n

Quang kh c (ti p)

B c x UV UV đi qua ph đi qua ph n che c a m t n t o nh nh đ đ c g i là ph n ch th p

(reticle).

Quang kh c (ti p)

nh đ

nh đ c chi u u đã b đã b thu nh b i h th ng c t các th u kính Khi áng sáng UV t i i đ đ c l p c m quang, ph n CCQ n CCQ đ đ c chi u sáng tr thành không hòa tan trong dung d ch hóa h c.

Quang kh c (ti p) Toàn b di n tích phi n n đ đ bán d n n đ đ c chi u sáng b ng cách l n l t dò b c

nh theo các hàng trên b m t phi n n đ đ

Quang kh c (ti p)

Sau đ

Sau đ ó, phi n n đ đ bán d n n đ đ c c đ a ra kh đ a ra kh i ph n máy chi u sáng.

Quang kh c (ti p)

Các di n tích không ch không đ đ c ánh sáng UV chi u t i i đ đ c t y b trong dung d ch thu c

hi n M i m t khu v c hình nh nh đã đ đã đ c chi u sáng và đ đ nh hình trong thu c hi n s

tr thành m t m ch IC riêng r

Quang kh c (ti p)

1 Do gi i h n n đ đ phân gi i và MTF – B n ch t do hi n t ng nhi u x

Quang kh c (ti p)

MTF ph thu c vào giá tr c a kích th c c đ đ c tr ng

Quang kh c (ti p)

nh h ng c a ch t c m quang (CCQ) thông qua giá tr MTF

c a CCQ ph thu c vào chi u dày l p CCQ:

CMTF c a CCQ ph i nh h n MTF c a h quang h c

nh h ng c a tính k t h p S c a ngu n sáng (do ngu n sáng

có kích th c dài, không ph i ngu n n đi đi m) ph thu c vào giá tr kích th c c đ đ c tr ng

Quang kh c (ti p)

In chi u b ng chùm tia m tia đi đi n t

SCALPEL đ

SCALPEL đ c vi t t t t tên g i S cattering with A ngular L imitation P rojection

E lectron beam L ithography (Quang kh c b ng chùm tia m tia đi đi n t chi u tán x v i góc

gi i h n) là m t ph t ph ng ph ng ph áp công ngh m i t o ra các chi ti t c c k nh trong m ch

IC i n t đ đ c chi u thông qua các “m t n ” – đ đ c t o ra nh các “th u kính” đi đi n

t ” – và truy n hình nh c a m t n lên lên đ đ bán d n

Quang kh c (ti p)

Nguyên t c ho t t đ đ ng c a thi t b quang kh c b ng chùm tia m tia đi đi n t

Máy phát

B c sóng chùm tia m tia điđi n t đđ c

tnh thông qua nh thông qua điđi n th t ng t c V:

V

3 , 12

=

NA = 0,002 ÷ 0,005phân gi i lý thuy t (chùm tia) < 1 nm,

đ phân gi i do các c điđi n t th c p ~ vài nm

Các k t qu t t nh t hi n nay:

v i c m quang h u c PMMA: ~ 7 nm

v i c m quang vô c (nh AlF3): ~ 1 – 2 nm

Nh ng c ng ng đđ chùm tia m tia điđi n t

ph i i đđ t c hàng ch c mA m i i đđ m

b o o đđ c n ng su t kho ng h n

10 phi n n đđ m i gi (t t c các ki u chi u véc t hay dò b c-quét)

C n có công su t r t l n!

Quang kh c (ti p)

Thi t b quang kh c tia X

Dùng ngu n b c x synchrotron, các

đi n t đ đ c gia t c và chuy n n đ đ ng

vòng nh các nam châm c nam châm đ đ nh h ng

các máy in quang kh c chi u ki u dò

b c – quét t đ đ c mô t trang sau.

Quang kh c (ti p)

Quang kh c (ti p)

nh trên l p c m quang m quang đ đ c t o thành do quang kh c EUV

Quang kh c (ti p)

Quang kh c t b ng cách nhúng trong ch t l ng chi t su t n > 1

H quang h c chi u

Chi u quét nh Phi n n đđ

b c sóng = 193 nm, đ phân

gi i t ng t 90 nm nm đ đ n 64 nm.

các kích th c c đ đ c tr ng l n h n, ngay c so so đ đ i v i các kích th c

đ c tr ng c a quang kh c khô.

Cám n m n đã theo dõi đã theo dõi !!!

M i góp ý, b sung xin g i đ n:

Dr Le TuanHanoi University of TechnologyInstitute of Engineering PhysicsDept of Electronic Materials

2ndFloor, C9 Building

1 Dai Co Viet Str., Hanoi, Vietnam