Khóa luận Nghiên cứu quy trình công nghệ quang khắc trong phòng sạch sử dụng chế tạo linh kiện kích thước micro

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Anh Quang NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ QUANG KHẮC TRONG PHÒNG SẠCH SỬ DỤNG CHẾ TẠO LINH KIỆN KÍCH THƢỚC MICRO KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật Lý Kỹ Thuật HÀ NỘI – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Anh Quang NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ QUANG KHẮC TRONG PHÒNG SẠCH SỬ DỤNG CHẾ TẠO LINH KIỆN KÍCH THƢỚC MICRO KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Cán bộ hƣớng dẫn: Ths. Bùi Đình Tú HÀ NỘI - 2011 Lời cảm ơn Trước hết, em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Thạc sĩ: Bùi Đình Tú. Người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em những kiến thức còn thiếu hụt trong suốt quá trình thực nghiệm và viết khóa luận. Cùng với sự ủng hộ sâu sắc của thầy đã giúp em hoàn thành khóa luận này. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy, cô cùng các anh, chị trong Phòng thí nghiệm công nghệ Nano đã giúp đỡ và tạo điều kiện trong suốt thời gian em làm việc tại phòng. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô trong khoa Vật Lý Kỹ Thuật và Công Nghệ Nano cùng toàn thể thầy cô trong trường Đại Học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện và cung cấp kiến thức khoa học cơ bản trong suốt bốn năm học qua. Sinh viên: Trần Anh Quang Tóm tắt nội dung Khóa luận này nghiên cứu về các quy trình chế tạo các cấu trúc kích thước micro-met bằng công nghệ quang khắc được thực hiện trong phòng sạch. Bao gồm các nghiên cứu về: ảnh hưởng của nhiệt độ nung mẫu ban đầu, thời gian chiếu sáng UV, tốc độ quay phủ mẫu, thời gian chiếu sáng UV lần 2 đến chất lượng của màng, tốc độ rửa trôi của chất cảm quang, độ dày màng sau khi quang khắc. Từ đó tìm ra các thông số phù hợp để tạo ra một cấu trúc linh kiện kích thước micro-met hoàn chỉnh. Lời Cam Đoan Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của ThS. Bùi Đình Tú. Các kết quả trong khóa luận này là do chúng tôi thực nghiệm và khảo sát. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước nhà trường về lời cam đoan này. Hà Nội, ngày 22 tháng 5 năm 2011 Sinh viên: Trần Anh Quang MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHẮC HÌNH ...................................................2 1.1 Quang khắc ..................................................................................................................2 1.1.1. Định nghĩa ............................................................................................................2 1.1.2. Kỹ thuật quang khắc ............................................................................................2 1.1.3. Nguyên lý hệ quang khắc ......................................................................................4 1.1.4. Ứng dụng của quang khắc ....................................................................................5 1.2. Quy trình quang khắc ..................................................................................................5 1.3. Các phƣơng pháp khắc hình khác ................................................................................8 1.3.1. Khắc hình bằng chùm tia điện tử ..........................................................................8 1.3.2 Khắc hình bằng tia X ..................................................................................................9 1.3.3. Quang khắc ƣớt ........................................................................................................ 10 1.4. Tổng quan về phòng sạch ........................................................................................... 11 1.4.1. Định nghĩa về phòng sạch ................................................................................... 11 1.4.2. Các tiêu chuẩn phòng sạch .................................................................................. 11 1.5. Các trang bị cần thiết cho phòng sạch ........................................................................ 14 1.6. Kết luận chƣơng 1 .......................................................................................................... 15 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................................. 16 2.1 Các thiết bị máy móc dùng trong quá trình quang khắc .................................................. 16 2.1.1. Máy quay phủ (Spin Coating) WS-400B-6NPP ........................................................ 16 2.1.2. Hệ quang khắc MJB4 (SUSS MICROTECH) .......................................................... 16 2.1.3. Máy đo độ dày mẫu DEKTAK 150 .......................................................................... 18 2.1.4. Máy phún xạ catot CA-2000MIF .............................................................................. 19 2.1.5. Buồng xử lý mẫu ...................................................................................................... 19 2.2. Các phƣơng pháp khảo sát ..................................................................................................... 20 2.2.1. Kính hiển vi quang học............................................................................................. 20 2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)............................................................................... 21 2.3. Các hóa chất dùng trong phòng sạch .............................................................................. 22 2.3.1. Chất cảm quang ...................................................................................................... 22 2.3.2. Mồi HMDS ............................................................................................................... 23 2.3.3. DI water ................................................................................................................... 24 2.4. Quy trình liff - off trong phòng sạch ............................................................................... 24 2.4.1. Quy trình liff – off đối với chất cảm quang dƣơng .................................................... 24 2.4.2. Quy trình liff – off đối với chất cảm quang âm ......................................................... 26 2.5. Kết luận chƣơng 2 ................................................................................................................... 27 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................................. 28 3.1. Khảo sát các thông số tối ƣu để quang khắc trong phòng sạch ....................................... 28 3.1.1. Quy trình liff-off dùng mặt nạ dƣơng ...................................................................... 28 3.1.2. Quy trình quang khắc âm (REVERSAL của AZ5214E) .......................................... 38 3.2 Chế tạo thử nghiệm vi cấu trúc linh kiện theo quy trình quang khắc âm ........................ 40 3.2.1 Quy trình chế tạo mẫu sensor .................................................................................... 41 3.2.2 Chế tạo sensor đo từ trƣờng Trái Đất ....................................................................... 43 3.3 Kết quả khảo sát .............................................................................................................. 44 3.3.1 Kết quả hình thái học của sensor bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) .................. 44 KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................................... 45 Hƣớng nghiên cứu tiếp theo: ................................................................................................. 45 1 MỞ ĐẦU Quang khắc là kỹ thuật đã được phát triển từ đầu thế kỷ 20, và được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp bán dẫn để chế tạo các vi mạch điện tử trên các 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 (MEMS). Có thể nói quang khắc là khâu bắt buộc trong ngành chế tạo vi linh kiện. 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). Trong công nghệ quang khắc các ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài như độ ẩm, nhiệt độ phòng,độ sạch của phòng cho đến các thông số trong quá trình quang khắc như thời gian chiếu sáng, tốc độ quay phủ, nhiệt độ nung mẫu đều ảnh hưởng lớn đến chất lượng của màng. Ở mỗi phòng thí nghiệm khác nhau các thông số trên đều được tối ưu hóa để chế tạo ra được các linh kiện với chất lượng tốt nhất. Tại phòng thí nghiệm công nghệ nano thuộc Trường ĐH Công nghệ việc khảo sát các ảnh hưởng của các thông số trong quá trình quang khắc đến chất lượng màng quang khắc thu được chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Trong khóa luận này tôi sẽ khảo sát các ảnh hưởng của các thông số trên đến chất lượng của sản phẩm sau quá trình quang khắc. Các kết quả thực nghiệm liên quan quá trình khảo sát trên sẽ được trình bày chi tiết trong khóa luận tốt nghiệp. Mục đích của việc khảo sát này là tìm ra các thông số phù hợp cho mỗi quá trình trên. Từ đó dùng để áp dụng vào việc chế tạo các màng linh kiện có chất lượng cao. 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHẮC HÌNH 1.1 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 kích thước xác định, bằng cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang 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 phương pháp này còn được gọi là quang khắc micro (micro photolithography). [9] 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 dụng các 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 các chi 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  Cảm quang dương: Chất cảm quang sau khi bị ánh sáng chiếu vào sẽ bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa.  Cảm quang âm: Chất cảm quang sau khi ánh sáng chiếu vào thì không bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa. 3 Hình 1.1. u tr h h t vi i h i g thu t iff- ff v thu t  Kĩ thuật liff - off (Quang khắc bằng chất cảm quang dương): Chất cảm quang dương sau khi được phủ trên đế được chiếu sáng thông qua mặt nạ (a). Những vùng chất cảm quang không được mặt nạ che (bị chiếu sáng) sẽ bị biến đổi tính chất, tan được trong dung dịch tráng rửa. Còn lại những vùng được mặt nạ che (không bị chiếu sáng) sẽ bám dính trên đế (b). Tiếp đó vật liệu được bốc bay (bằng phương pháp phún xạ, …) sẽ bám dính lên đế và lớp chất cảm quang (c). Sau đó phần vật liệu bám trên chất cảm quang sẽ bị loại bỏ (liff-off) bằng cách cho mẫu vào rung siêu âm trong acetone. Phần vật liệu bám trên chất cảm quang cùng lớp cảm quang này sẽ bị rửa trôi, chỉ còn lại lớp vật liệu bám chắc trên đế (d).  Kĩ thuật ăn mòn (Quang khắc bằng cảm quang âm): Là sự ngược lại của quy trình quang khắc dương. Ban đầu vật liệu sẽ được bay bốc lên đế, sau đó phủ chất cảm quang âm. Mẫu được cho vào chiếu sáng thông qua mặt nạ (a), những vùng cảm quang không được chiếu sáng sẽ tan trong dung dịch tráng rửa, chỉ còn lại những vùng 4 cảm quang bị chiếu sáng (b). Sau đó phần vật liệu bám dính trên đế sẽ bị ăn mòn bằng chùm tia điện tử (c), lớp chất cảm quang còn lại sẽ bị rửa trôi bằng cồn để lại phần chi tiết vật liệu cần tạo bên dưới (d). Việc ăn mòn vật liệu bám dính trên đế khó và phức tạp hơn việc rửa trôi lớp cảm quang đóng rắn rất nhiều vì quy trình ăn mòn là quy trình bắn phá các điện tử lên bề mặt mẫu. Vì vậy, nếu không kiểm soát tốt quy trình này thì các hạt điện tử có thể bắn phá đế gây ra thủng đế. Trong kĩ thuật liff - off ngoài việc sử dụng cảm quang 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 1.2 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 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.[9] Hình 1.2. Nguyên lý h quang khắc 5 1.1.4. Ứng dụng của quang khắc Quang khắc là kỹ thuật đã được phát triển từ đầu thế kỷ 20, và được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp bán dẫn để chế tạo các vi mạch điện tử trên các 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 (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 nanô (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 khắc chùm điện tử (electron beam lithography).[9] 1.2. Quy trình quang khắc Hình 1.3 mô tả các bước trong quy trình quang khắc. Hình 1.3. Cá ước trong quy trình quang khắc Bƣớc 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 suất cao, vệ sinh bằng hóa chất, dòng nước có áp suất 6 cao và dùng cọ rửa. Sau đó sấy tách ẩm bằng cách gia nhiệt ở nhiệt độ từ 150 oC đến 200 oC trong thời gian 10 phút. Bƣớc 2: Phủ lớp tăng cƣờng 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). Bƣớc 3: Phủ lớp cảm quang bằng phƣơng pháp quay li tâm. Ở giai đoạn này đế được quay trên máy quay li tâm trong môi trường chân không. Các thông số kĩ thuật trong giai đoạn này: tốc độ quay (3000 - 6000 vòng/phút), thời gian quay (15 - 30 s), độ dày lớp phủ (0.5 ÷ 15 m) Công thức thực nghiệm để tính độ dày lớp phủ cảm quang: w kp t 2  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 h quay li tâm Các sự cố thường gặp trong quá trình phủ lớp cảm quang: Sự cố Nguyên nhân Hƣớng 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 một vòng tròn ở đường biên. - Dùng dung môi phun lên lớp biên để hoàn tan Xuất hiện các đường sọc Do trong chất cảm quang có các hạt rắn có đường kính lớn hơn độ dày lớp phủ. - Làm sạch chất cảm quang trước khi quay phủ. 7 Bƣớc 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 Dùng sóng viba và đèn hồng ngoại. - Nhiệt độ: 90-100oC - Thời gian: 20 phút - Nhiệt độ: 75-85oC - Thời gian: 45 giây Bƣớc 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 trí đặt mặt nạ(hình 1.5): - Mặt nạ tiếp xúc - Mặt nạ đặt cách chất cảm quang một khoảng cách nhỏ - Mặt nạ đặt cách xa chất cảm quang, ánh sáng được chiếu qua hệ thấu kính. Phƣơng pháp Ƣu 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 xước. - Các vết bẩn trên mặt nạ sẽ in lên lớp chất cảm quang. Mặt nạ đặt cách chất cảm quang một 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 chất cảm quang - Độ phân giải rất cao: < 0.07 m) - Không gây hư hỏng mặt nạ - Giá thành cao - Bị ảnh hưởng của nhiễu xạ 8 Hình 1.5. Cá phươ g pháp định vị mặt n và chi u sáng Bƣớc 6: Tráng rửa: Dùng hóa chất tách các chất cảm quang chưa đóng rắn. Tỷ lệ hòa tan của vùng chiếu và vùng không được chiếu là 4:1. Do đó cảm quang dương nhạy hơn cảm quang âm. Các thông số kiểm soát trong quá trình rửa: nhiệt độ, thời gian, phương pháp và hóa chất để rửa. Phương pháp rửa bao gồm hai phương pháp: phương pháp nhúng (đưa trực tiếp dung dịch rửa) và phương pháp phun. Cảm quang âm Cảm quang dương - Chất rửa: xylen - Chất súc lại: n-butylacetate - Chất rửa: (NaOH, KOH), nonionic soln (TMAH) - Chất súc lại: nước Bƣớc 7: Sấy sau khi hiện ảnh. Mục đích của bước này là làm cho lớp cảm quang cứng hoàn toàn, đồng thời tách toàn bộ dung môi ra khỏi chất cảm quang.[1] 1.3. Các phƣơng pháp khắc hình khác 1.3.1. Khắc hình bằng chùm tia điện tử Khắc hình bằng chùm tia điện tử là một phương pháp công nghệ mới, tạo ra các chi tiết cực kỳ nhỏ trong mạch điện tử tích hợp (IC). Chùm tia điện tử được chiếu thông qua các “mặt nạ”- được tạo ra nhờ các thấu kính điện từ - và truyền hình ảnh của mặt nạ lên đế bán dẫn. 9 Hình 1.6. Thi t bị khắ h h hù tia đi n tử Bước sóng chùm tia điện tử được tính thông qua điện thế tăng tốc V: = √ Nhưng cường độ chùm tia điện tử phải đạt cỡ hàng chục mA mới đảm bảo được năng suất khoảng hơn 10 phiến đế mỗi giờ (tất cả các kiểu chiếu véc tơ hay dò bước - quét) 1.3.2. Khắc hình bằng tia X Thiết bị khắc hình bằng tia X dùng nguồn bức xạ synchrotron, các điện tử được gia tốc và chuyển động vòng nhờ các nam châm định hướng trước khi có đủ năng lượng đến va đập vào các đối âm cực, làm phát ra tia X bước sóng 10 . Các máy in quang khắc kiểu dò bước được dùng đồng thời, với các chùm tia X khác nhau cùng phát ra từ nguồn bức xạ synchrotron. Đối với các máy in dùng mặt nạ sát mẫu với khoảng cách g nhỏ, độ phân giải phụ thuộc . Sơ đồ đường truyền bức xạ X trong các máy in quang khắc chiếu dò bước – quét được mô tả trong hình 1.7. 10 Hình 1.7 Sơ đồ h thống khắc hình b ng tia X 1.3.3. Quang khắc ƣớt 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 khắ ướt Ưu điểm của phương pháp này: - Độ phân giải tăng tỷ lệ theo chiết suất n của chất lỏng. Ví dụ, nếu dùng nước có n = 1,44 đối với bước sóng = 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. [2] 11 1.4. Tổng quan về phòng sạch 1.4.1. Định nghĩa về phòng sạch Phòng sạch (cleanroom), theo tiêu chuẩn ISO 14644-1, được định nghĩa như sau: “Là một phòng mà nồng độ của các hạt lơ lửng trong không khí bị khống chế, và nó được xây dự