by
Khi wafer đã có lớp SiO2 phủ lên rồi thì bước kếp tiếp cũng giống như quá trình làm bo mạch điện (PCB). Sau khi dùng mực cảm quang in lên rồi thì sau đó sẽ đến bước "tẩy" phần không cần tới.
Đây là bước của khâu ETCH. Có hai phương pháp ăn mòn chính là : ăn mòn ướt (wet etch) và ăn mòn khô (dry etch).
Ăn mòn ướt - Đây là kỹ thuật thông dụng nhất trong công nghệ bán dẫn. Nó sử dụng hóa chất lỏng, chủ yếu là axit để ăn mòn vật liệu. Ăn mòn ướt chủ yếu là không định hướng/đẳng hướng (isotropic etch)
Đây là bước của khâu ETCH. Có hai phương pháp ăn mòn chính là : ăn mòn ướt (wet etch) và ăn mòn khô (dry etch).
Ăn mòn ướt - Đây là kỹ thuật thông dụng nhất trong công nghệ bán dẫn. Nó sử dụng hóa chất lỏng, chủ yếu là axit để ăn mòn vật liệu. Ăn mòn ướt chủ yếu là không định hướng/đẳng hướng (isotropic etch)
Ăn mòn khô - Trong kỹ thuật ăn mòn khô, tấm silicon được đưa vào trong buồng chân không, sau đó hỗn hợp khí dùng cho ăn mòn được đưa vào trong buồng phản ứng. Ở chân không thích hợp, dưới tác dụng của nguồn cao tần, khí ăn mòn bị ion hoá và chúng ta thu được hỗn hợp plasma của khí nói trên bao gồm các ion F+ do đó SiO2 hoặc Si … bị ăn mòn và tạo ra các sản phẩm phản ứng tương ứng. Ăn mòn khô có thể là định hướng/không đẳng hướng (anisotropic etching) hoặc không định hướng.
Nhờ kỹ thuật này mà chúng ta có thể mang lại kỹ thuật ăn mòn vật liệu với hệ số tỷ lệ d/w (sâu/cao) rất lớn. Tuỳ theo độ dầy và vật liệu mà người ta chọn các chế độ ăn mòn khác nhau. Với kỹ thuật này các hãng sản xuất lớn có thể phân đoạn thiết bị dành riêng cho quá trình ăn mòn “nông” với một vài micromet chiều sâu cho tới thiết bị có thể ăn mòn qua tấm silicon (cỡ 400 micrô-mét) chỉ trong hai giờ.
Thế thì ướt và khô cái nào tốt hơn. Cái nào cũng làm được tốt như nhau. Máy ướt thì choán chỗ hơn, chất thải nhiều hơn. Bù lại nó làm một lần nhiều wafer hơn. Máy khô thì nhỏ hơn, ít chất thải hơn, nhưng làm một lần được 1 wafer thôi.
Với kỹ nghệ của 15 năm trước thì máy khô từ từ chiếm chỗ của máy ướt. Lý do chính vẫn là tiền: ít choán chỗ, ít chất thải, nhanh hơn, bảo toàn dễ hơn, ít nguy hiểm cho người bảo toàn, dù rằng mắc và tốn điện hơn.
RGA ( Residual gas analysis)
Trong phần Etch khô ngoài tính toán thời gian hay dùng mầu của plasma để biết khi nào etch xong, thì còn dùng một cách nữa là đo chất hóa học (do phản ứng với mặt wafer).
VD: Khi etch một lớp kim loại thì sẽ sinh ra những chất nào đó, nhưng khi etch tới lớp khác như cách điện thì sẽ cho ra những chất khác. Hoặc khi etch hết các phần kim loại (hay cách điện) thì chất hóa học thải ra sẽ giảm xuống (vì không còn phản ứng nữa). Vì những phản ứng hóa học này mà người ta biết khi nào etch xong. Thường thì họ dùng một loại máy kêu là RGA (Residual Gas Analyzer), tạm dịch là máy phân tích hơi "dư".
Quadrupole RGA - trường tứ cực RGA
Khí bị ion hoá bởi sự va chạm electron gần cathode.
Các Ion được gia tốc thành một tứ cực mà có một trường dao động đặt vào.
Chỉ có những chất nhất định làm nó xuyên qua detector ở những tần số dao động nhất định.
- Gas is ionised by electron collision near the cathode.
- Ions are accelerated into a quadrupole that has an oscillating field applied.
- Only certain masses make it through to the detector at certain frequencies of oscillation.
Tuy nhiên trong hãng thường có thêm loại máy RGA có thể đọc đuợc tất cả cách loại hơi khác và không dính vô máy nào hết. Khi nào cần dùng nó thì gắn vô. Nó thường được dùng trong R&D, và troubleshooting.
Trong những máy làm wafer hầu hết các công đoạn chạy trong chân không. Vì buồng chân không (chamber) này là những phần kim loại và các thiết bị có liên quan được lắp ráp lại cho nên không khí bên ngoài có thể bị "rò" vô trong trong quá trình chế tạo. Để kiểm tra sự "rò" này (Leak check) thì họ sẽ dùng máy RGA cùng chung với hơi Helium. Nguyên tắc thì rất đơn giản. Gắn máy RGA vô chamber, bơm xuống tới độ chân không mà máy chạy (từ vài Torr tới 10 lũy thừa -10 Torr). Sau đó phun hơi helium chung quanh buồng máy. Nếu RGA đọc thấy helium tức là bị rò.
Sơ đồ nguyên lý chung
Tại sao dùng heilium mà không dùng khí rẻ tiền như nitrogen ? Vì nó là nguyên tử thuộc loại nhỏ nhất trong các loại hơi. Vì vậy nó có thể luồn lách qua các kẽ hở cực nhỏ từ vùng áp xuất cao tới vùng áp xuất thấp. Còn nitrogen thì trong không khí đã có sẵn rồi, máy RGA không thể biết nitrogen đó do người phun ra hay có sẵn trong không khí. Thêm vào đó là nguyên tử Nitrogen rất "mập" nên khó luồn lách hơn (đó là lý do tại sao bây giờ người ta dùng nitrogen để bơm bánh xe, thay vì dùng không khí thường).
Thế thì tại sao không dùng Hydrogen vì nó nhỏ hơn Helium? Dễ hiểu thôi. Máy chạy điện (nóng, và có thể có tia điện) mà gặp Hydrogen thì dễ phát nổ lắm. Trong khi He chỉ là khí trơ.
Có hai quá trình để kiểm tra tìm vị trí rò:
- Gross leak check (tạm dịch là kiếm rò "tổng quát"): Họ làm bằng cách phun thật nhiều He ngay dưới máy, chừng vài lít một phút. Nên nhớ là He rất nhẹ nên phun trên máy thì nó bay mất lên trời rồi. Nếu có rò đâu đó thì máy RGA sẽ cho biết. Cái này để xác định xem có rò không, nếu có sẽ phải xuống quy trình bên dưới
- Fine leak check: tức là kiếm rõ coi chỗ rò chính xác chỗ nào trong máy. Lúc này thì họ cho lượng hơi He chừng vài CC một phút. Và lần này thì đi từ trên xuống dưới!
Tại sao lại đi từ trên máy xuống dưới ? Đơn giản thôi. Nếu lỗ rò ngay phía trên máy mà làm từ dưới đi lên thì mất thì giờ hơn vì He bay lên trên. Nếu bắt đầu ngay từ trên thì sẽ thấy ngay chỗ bị rò.
Tại sao lại giảm lượng phun He xuống ? vì mình muốn kiếm từng phần trong máy, phun nhiều quá nó lan rộng ra chỗ khác, khó mà định được chỗ nào bị rò.
Plug và Via
Via (thường) là một "lỗ" đi từ lớp này qua lớp kia của bo (PCB). Nhiệm vụ chính là dẫn điện. Khi làm bo thì thường khoan lỗ, rồi dùng hóa chất để bỏ một lớp dẫn điện để nối các mạch từ những lớp mach khác nhau (layer = lớp). Trong kỹ nghệ điện bán dẫn thì người ta cũng cần phải làm như vậy để chạy "dây" từ lớp này qua lớp khác. Họ cần phải "khoan" lỗ để làm via. Phần khoan này được làm trong khâu "Etch" trên mặt lớp cách điện dielectric (D1, D2, v.v.).
Có một điều khác với bo điện là những lỗ này không "rỗng". Họ phải lấp nó đi với chất dẫn điện bởi 2 lý do chính:
- Nếu không lấp lỗ này lại thì những tạp chất có thể nằm lại trong đó gây ảnh hưởng xấu cho mạch điện.
- Nếu lấp kín lỗ lại thì dĩ nhiên là điện trở sẽ giảm xuống rất nhiều.
Khi lấp lỗ này lại thì kết quả chỉ là một khúc dẫn điện hình trụ, vì thế nên người ta kêu nó là plug.
Tại sao lại hình trụ nhỉ? Tại sao không làm hình vuông ?. Khi etch thì những hình tròn sẽ được chất etchant "ăn" đều chung quanh / ở giữa. Với các góc vuông thì cách chất etchant sẽ không có thời gian ăn tới và sẽ chừa ra một ít. Hoặc nếu để etch quá lâu để ăn tới phần góc vuông thì nó sẽ ăn lan qua phần mình không muốn etch. Đối với bo điện thì đây là điều không quan trọng lắm. Nhưng đối với mạch điện IC thì vì nó quá nhỏ, etch quá độ (Over etch) hay không đủ (Under etch) sẽ làm IC không chạy.
Q: Về công nghệ etch khô dùng plasma, việc ăn mòn đó là do phản ứng hóa học hay người ta tạo một điện trường đổi chiều liên tục (các hạt điện tích trong môi trường plasma chuyển động theo điện trường sẽ bắn phá vào bề mặt wafer để ăn mòn vào trong)?. Kỹ thuật tạo STI là dùng plasma để bắn phá sâu vào trong lớp silicon. Còn etch cho các lớp kim loại thì không biết có cùng loại như vậy không?
A: Etch khô dùng cả 2 loại (hơi hóa học và plasma) tức là có 3 cách etch:
1. Chỉ dùng chất hóa học (đời máy cũ)
2. Dùng cả 2. Loại này thường được kêu là PE-Etch (Plasma Enhanced Etch). Đa số là máy bây giờ.
3. Chỉ dùng plasma. Loại này dùng trong khâu thin film nhiều hơn. Mục đích chính của nó là làm sạch lớp rỉ sét trên mặt wafer, khâu phụ này được kêu là plasma clean.
Những lối etch này dùng cho cả hai lớp cách điện và kim loại (dĩ nhiên các chất hóa học sẽ khác nhau).
Phần trên có nói về plasma etch, vậy nó là cái gì ?
Như các bạn đã biết thì plasma là thể thứ tư của các chất (rắn, lỏng và hơi). Nó là một dạng hơi với ion. Tạo ra plasma thì có rất nhiều cách. Một cách có thể làm tại nhà là gỡ đầu bu-gi ra rồi đề máy xe lên. Tia điện sẽ ion hóa không khí và tạo ra plasma. Dạng plasma này không tồn tại lâu được và sẽ biết mất ngay lập tức.
Trong fab thì họ cũng làm như vậy thôi, nhưng với các loại ga như argon, Cl, áp xuất thấp chừng vài torr. Với môi trường như thế thì plasma sẽ tồn tại lâu hơn. Khi bị ion hóa thì một số ga sẽ phản ứng "mạnh" hơn và sẽ etch nhanh hơn. Các loại hơi như Cl, F sẽ phản ứng với wafer, và sẽ phản ứng mạnh hơn nếu bị ion hoá. Đây là lối etch hóa học dùng thêm plasma.
Tuy nhiên trong plasma etch này khi dùng khí trơ argon thì không có phản ứng hóa học nào mà chỉ có phản ứng "vật lý" (physical etching). Nó là một dạng nước chẩy đá mòn. Tức là thay vì dùng hóa học (như khí Cl) để etch thì dùng khí trơ để làm mòn mặt wafer. Người ta dùng RF và điện DC để tạo ra plasma. Các ion sẽ chạy với tốc độ cao và sẽ va chạm vào mặt wafer. Năng lượng khi va chạm đủ để đánh văng các phân tử trên mặt wafer.
Tại sao không dùng khí trơn He ? Đơn giản thôi. Ar nặng hơn He rất nhiều cho nên quán tính nó sẽ lớn hơn khi đập vào mặt wafer. Cũng như khi ném một hòn bi sắt và một hòn bi giấy. Sức tay ném sẽ cho ra vận tốc ngang nhau, nhưng hòn bị sắt sẽ có quán tính lớn hơn và do đó mà sức "công phá" lớn hơn.
Nếu tổng hợp 2 thứ etch hóa học và vật lý nói trên lại thì sẽ ra loại kêu là REI - Reactive Ion Etch.
0 comments: