by
Là tập hợp các quá trình quang hoá nhằm tạo ra các chi tiết trên bề mặt phiến silicon (wafer) có kích thước và hình dạng giống như thiết kế. Để làm được điều này cần phải có những bộ mặt nạ (mask), chất cảm quang (photoresist) nguồn sáng UV và dung dịch hiện hình (developer). Mặt nạ thường là một tấm thuỷ tinh hữu cơ được phủ một màng crôm trên đó khắc hoạ những chi tiết phù hợp với thiết kế của cảm biến hoặc mạch tích hợp (IC).
Người ta phủ lên trên bề mặt phiến silicon có tính chất nhậy sáng đặc biệt (photoresist) – thường được gọi là chất cảm quang. Chất cảm quang phải bảo đảm hai tính chất: Nhạy quang và bền vững trong các dung môi axít hoặc kiềm. Chất cảm quang có nhiệm vụ là lớp bảo vệ có hình dạng cần thiết cho bề mặt khỏi bị tác dụng của các dung môi hoá học. Người ta phân loại cảm quang thành cảm quang dương và cảm quang âm dựa vào cơ chế phản ứng xẩy ra trong cảm quang khi bị chiếu sáng và sự thay đổi tính chất trong quá trình chiếu sáng. Cảm quang âm khi bị chiếu sáng trở nên không bị hoà tan trong các dung môi tương ứng. Còn các cảm quang dương thì ngược lại, khi bị chiếu sáng sẽ hoà tan trong các dung môi.
Dung dịch hiện Developer cho phép hiện hình những chi tiết tạo ra trên lớp cảm quang do tác dụng của nguồn UV. Quá trình này giống như quá trình rửa ảnh trong kỹ thuật nhiếp ảnh. Ở mặt nạ đầu tiên quá trình quang khắc được thực hiện khá đơn giản: đặt phiến silicon lên gá, thiết lập các điều kiện cần thiết như chân không, khí nén, chế độ tiếp xúc, công suất UV, thời gian chiếu sáng … và chiếu sáng. Tuy vậy để chế tạo một mạch tổ hợp người ta phải dùng tới nhiều bộ mặt nạ khác nhau. Để các chi tiết trên mặt nạ, trên phiến silicon của lần chế tạo trước đó (với một mặt khác trong cả bộ) trùng khít lên những chi tiết của mặt nạ hiện tại người ta phải dùng một kỹ thuật gọi là kỹ thuật đồng chỉnh (so mask hay mask aligner). Kỹ thuật này được thực hiện thông qua những dấu hiệu gọi là dấu so (mask marks) với sự trợ giúp quang học (kính hiển vi, CCD camera…) và hệ vi chỉnh cơ khí theo các chiều X,Y và chỉnh méo. Thông qua những dấu so đặc biệt này người ta có thể chắc chắn được rằng mọi chi tiết trên phiến silicon nhận được từ các mặt nạ khác nhau là trùng khít lên nhau. Trong quá trình chế tạo photođiốt chúng ta sẽ sử dụng một bộ 03 mặt nạ.
Hiện nay mật độ bóng bán dẫn trên một chíp ngày một tăng nên ngoài kỹ thuật quang khắc còn nhiều kỹ thuật khác cho phép khắc lên trên lớp cảm quang những chi tiết với độ phân giải và mức độ tinh vi tốt hơn rất nhiều như:
- Direct Write to Wafer methods (DWW) kỹ thuật khắc dùng chùm điện tử electron beam hoặc Ion-beam lithography.
- X-ray lithography - quang khắc dùng tia X (shorter λ and immunity to particle contamination, but only 1:1 scale and complex mask production)
Trình tự chi tiết các bước chính như sau:
• Coating of photoresist - Phủ lớp phủ quang học (lớp cảm quang)
• Exposure to UV - Phơi sáng dưới tia cực tím
• Development
1. Coating of photoresist - Phủ lớp phủ quang học
• Tấm wafer được phủ đồng nhất với một chất lỏng nhạy sáng (mực) gọi là photoresist. Wafer được đặt lên một đĩa phẳng (gọi là chuck hoặc pedestal) có những lỗ nhỏ phía dưới. Những lỗ này nối vào bơm chân không, nó sẽ hút chặt wafer xuống. Đĩa này sẽ quay với một vận tốc nào đó, chừng 1500-8000 rpm. Nếu không có bơm chân không thì wafer sẽ bị lực ly tâm làm văng mất. Khi quay thì photoresist được nhỏ lên qua một ống nhỏ. Lực ly tâm sẽ làm photoresist lan đều trên mặt wafer. Tùy theo độ loãng của photoresist và vận tốc quay của máy, người ta có thể biết độ dầy của lớp mực cảm quang này. Độ dày của lớp photoresist nằm trong khoảng: 0.5 - 2µm. Độ dày đồng nhất, đồng đều được yêu cầu ~ 5nm.
• Tiếp theo là soft bake - Nướng sơ. Sau khi tráng phủ lớp photoresist thì thường còn lại khoảng 15% organic solvent (dung môi hữu cơ, chất hòa tan hữu cơ) trong đó và người ta loại bỏ chúng bằng soft-baking đồng thời cũng cải thiện độ bám dính của mực trên wafer, giải phóng ứng suất (releases stress), làm cho nó "nhậy" với ánh sáng hơn. Wafer sẽ được đặt lên một "chảo nóng" (hot chuck) chừng 75~100C trong khoảng 10 phút tùy theo loại mực sử dụng.
2. Exposure to UV - Phơi sáng dưới tia cực tím
• Các phần của wafer được chọn để phơi sáng (exposure) bằng cách cẩn thận căn chỉnh một mặt nạ (mask) giữa một nguồn ánh sáng cực tím (ultraviolet-UV light source) và wafer.
• Trong các khu vực trong suốt của mặt nạ, ánh sáng đi qua và phơi chiếu lớp photoresist.
Có 2 loại mực. Positive và negative photoresist.
• negative - Tia UV làm cho negative resist bị polime hóa và khó hòa tan hơn.
• positive - Tia UV làm thay đổi cấu trúc hóa học của resist để nó trở nên dễ hòa tan hơn trong thuốc hiện ảnh.
Hiện tại Positive resists là loại được sử dụng chiếm ưu thế hơn. Loại positive thì phần bị che đi sẽ còn lại. Loại negative thì phần che đi sẽ bị tẩy mất. Trong khâu này thì độc nhất là chất photoresist vì nó có những loại solvent gây ra ung thư. Sau khâu này thì photoresist sẽ cứng lại hoặc không cứng lại tùy theo positive hay negative photoresist.
Mask: Mặt nạ là một tấm kính vuông với nhũ tương màng kim loại có hoa văn thường là màng crôm ở một bên. Một wafer cần rất nhiều mask, từ hàng trăm mask trở lên với các loại IC, hoặc một vài mask với transistor. Mỗi một bộ mask thì thường là gồm có vài chục đến vài trăm hình của một die (1 die sẽ là một IC). Mặt nạ được căn chỉnh với wafer, sao cho mẫu hình vẽ có thể được chuyển lên bề mặt wafer. Mỗi mặt nạ phải được căn chỉnh với tấm ở phía trước. Photoresist được phơi sáng (chụp) thông qua các mẫu hình trên mặt nạ với một tia cực tím cường độ cao.
• Có ba phương pháp exposure chính: contact-tiếp xúc, proximity-lân cận và projection-chiếu.
• Ưu điểm chính của phương pháp chiếu là mặt nạ có thể lớn hơn một chút so với mẫu cuối cùng và thông qua các thao tác quang học và cơ học, độ chính xác/độ phân giải tốt hơn có thể được đặt lên trên photoresist - Direct Wafer Stepping (DWS)
Stepper: tên gọi chung các máy chụp hình trong mask lên trên wafer. Lý do là nó chạy từng bước (stepping) để chụp. Thí dụ một wafer loại cũ có chừng vài trăm die thì nó chụp từng die một lên trên wafer (vài trăm lần). Với wafer lớn hơn có 60-70 ngàn die thì chụp như vậy rất lâu, do đó mask sẽ có hình cả trăm die để giảm thời gian chụp xuống. Khâu này rất quan trọng trong sự chính xác của nó. Với submicron mà xê dịch một phần triệu mét là hư liền. Vì vậy những máy này thường có một tảng đá nặng vài tấn nằm dưới bệ máy để chống rung khi máy chạy (step).
Trên mặt wafer có vài chỗ kêu là target. Nó là những hình mốc dùng cho máy stepper biết đang ở tại vị trí nào. Sau khi wafer được phủ lên một lớp photoresist thì máy stepper sẽ kiếm target này rồi bắt đầu chụp. Khi chụp thì tấm mask đứng im một chỗ, chỉ có wafer là chạy tới, lui để được chụp hình lên thôi.
3. Development - Rửa, hiện ảnh.
Khâu này thì rửa phần photoresist mà không bị cứng lại. Các chất solvent như acetone sẽ được dùng trong khâu này. Acetone là một chất rất độc. Nó thấm qua da ăn vô lớp mỡ trong người và phá hoại gan. Nó cũng đi qua đường hô hấp nữa.
Hard bake - Nướng. Khâu này cũng hơi giống như soft bake, nhưng sẽ làm photoresist cứng hơn và bay hết mấy chất còn dư lại từ khâu development.
Tới đây thì wafer đã sẵn sàng để đi qua khâu kế tiếp như diffusion, etch, implant, thin film.
Hiện nay mật độ bóng bán dẫn trên một chíp ngày một tăng nên ngoài kỹ thuật quang khắc còn nhiều kỹ thuật khác cho phép khắc lên trên lớp cảm quang những chi tiết với độ phân giải và mức độ tinh vi tốt hơn rất nhiều như:
- Direct Write to Wafer methods (DWW) kỹ thuật khắc dùng chùm điện tử electron beam hoặc Ion-beam lithography.
- X-ray lithography - quang khắc dùng tia X (shorter λ and immunity to particle contamination, but only 1:1 scale and complex mask production)
Trình tự chi tiết các bước chính như sau:
• Coating of photoresist - Phủ lớp phủ quang học (lớp cảm quang)
• Exposure to UV - Phơi sáng dưới tia cực tím
• Development
1. Coating of photoresist - Phủ lớp phủ quang học
• Tấm wafer được phủ đồng nhất với một chất lỏng nhạy sáng (mực) gọi là photoresist. Wafer được đặt lên một đĩa phẳng (gọi là chuck hoặc pedestal) có những lỗ nhỏ phía dưới. Những lỗ này nối vào bơm chân không, nó sẽ hút chặt wafer xuống. Đĩa này sẽ quay với một vận tốc nào đó, chừng 1500-8000 rpm. Nếu không có bơm chân không thì wafer sẽ bị lực ly tâm làm văng mất. Khi quay thì photoresist được nhỏ lên qua một ống nhỏ. Lực ly tâm sẽ làm photoresist lan đều trên mặt wafer. Tùy theo độ loãng của photoresist và vận tốc quay của máy, người ta có thể biết độ dầy của lớp mực cảm quang này. Độ dày của lớp photoresist nằm trong khoảng: 0.5 - 2µm. Độ dày đồng nhất, đồng đều được yêu cầu ~ 5nm.
• Tiếp theo là soft bake - Nướng sơ. Sau khi tráng phủ lớp photoresist thì thường còn lại khoảng 15% organic solvent (dung môi hữu cơ, chất hòa tan hữu cơ) trong đó và người ta loại bỏ chúng bằng soft-baking đồng thời cũng cải thiện độ bám dính của mực trên wafer, giải phóng ứng suất (releases stress), làm cho nó "nhậy" với ánh sáng hơn. Wafer sẽ được đặt lên một "chảo nóng" (hot chuck) chừng 75~100C trong khoảng 10 phút tùy theo loại mực sử dụng.
• Các phần của wafer được chọn để phơi sáng (exposure) bằng cách cẩn thận căn chỉnh một mặt nạ (mask) giữa một nguồn ánh sáng cực tím (ultraviolet-UV light source) và wafer.
• Trong các khu vực trong suốt của mặt nạ, ánh sáng đi qua và phơi chiếu lớp photoresist.
Có 2 loại mực. Positive và negative photoresist.
• negative - Tia UV làm cho negative resist bị polime hóa và khó hòa tan hơn.
• positive - Tia UV làm thay đổi cấu trúc hóa học của resist để nó trở nên dễ hòa tan hơn trong thuốc hiện ảnh.
Hiện tại Positive resists là loại được sử dụng chiếm ưu thế hơn. Loại positive thì phần bị che đi sẽ còn lại. Loại negative thì phần che đi sẽ bị tẩy mất. Trong khâu này thì độc nhất là chất photoresist vì nó có những loại solvent gây ra ung thư. Sau khâu này thì photoresist sẽ cứng lại hoặc không cứng lại tùy theo positive hay negative photoresist.
Mask: Mặt nạ là một tấm kính vuông với nhũ tương màng kim loại có hoa văn thường là màng crôm ở một bên. Một wafer cần rất nhiều mask, từ hàng trăm mask trở lên với các loại IC, hoặc một vài mask với transistor. Mỗi một bộ mask thì thường là gồm có vài chục đến vài trăm hình của một die (1 die sẽ là một IC). Mặt nạ được căn chỉnh với wafer, sao cho mẫu hình vẽ có thể được chuyển lên bề mặt wafer. Mỗi mặt nạ phải được căn chỉnh với tấm ở phía trước. Photoresist được phơi sáng (chụp) thông qua các mẫu hình trên mặt nạ với một tia cực tím cường độ cao.
• Có ba phương pháp exposure chính: contact-tiếp xúc, proximity-lân cận và projection-chiếu.
• Ưu điểm chính của phương pháp chiếu là mặt nạ có thể lớn hơn một chút so với mẫu cuối cùng và thông qua các thao tác quang học và cơ học, độ chính xác/độ phân giải tốt hơn có thể được đặt lên trên photoresist - Direct Wafer Stepping (DWS)
Các phương thức Exposure:
Extreme UV (EUV) 10-14nm
Deep UV (DUV) 150-300nm
Near UV (UV) 350-500nm
Với bước sóng λ =400 nm, độ chính xác là khoảng 1 µm.
Stepper: tên gọi chung các máy chụp hình trong mask lên trên wafer. Lý do là nó chạy từng bước (stepping) để chụp. Thí dụ một wafer loại cũ có chừng vài trăm die thì nó chụp từng die một lên trên wafer (vài trăm lần). Với wafer lớn hơn có 60-70 ngàn die thì chụp như vậy rất lâu, do đó mask sẽ có hình cả trăm die để giảm thời gian chụp xuống. Khâu này rất quan trọng trong sự chính xác của nó. Với submicron mà xê dịch một phần triệu mét là hư liền. Vì vậy những máy này thường có một tảng đá nặng vài tấn nằm dưới bệ máy để chống rung khi máy chạy (step).
Trên mặt wafer có vài chỗ kêu là target. Nó là những hình mốc dùng cho máy stepper biết đang ở tại vị trí nào. Sau khi wafer được phủ lên một lớp photoresist thì máy stepper sẽ kiếm target này rồi bắt đầu chụp. Khi chụp thì tấm mask đứng im một chỗ, chỉ có wafer là chạy tới, lui để được chụp hình lên thôi.
3. Development - Rửa, hiện ảnh.
Khâu này thì rửa phần photoresist mà không bị cứng lại. Các chất solvent như acetone sẽ được dùng trong khâu này. Acetone là một chất rất độc. Nó thấm qua da ăn vô lớp mỡ trong người và phá hoại gan. Nó cũng đi qua đường hô hấp nữa.
Hard bake - Nướng. Khâu này cũng hơi giống như soft bake, nhưng sẽ làm photoresist cứng hơn và bay hết mấy chất còn dư lại từ khâu development.
Tới đây thì wafer đã sẵn sàng để đi qua khâu kế tiếp như diffusion, etch, implant, thin film.
0 comments: