ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


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

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.

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

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]

Hình 1.1. -

 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

o
C đến
200
o
C 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.  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


o
C
- 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

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 b khn t
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

ra,phòng còn được đảm bảo vô trùng, không có khí độc hại đúng theo nghĩa “sạch” của
nó.
1.4.2. Các tiêu chuẩn phòng sạch
Tiêu chuẩn đầu tiên của phòng sạch là hàm lượng bụi, tức là hàm lượng các hạt
bụi lơ lửng trong không khí được khống chế đến mức nào (bụi bám càng phải làm
sạch). Nếu ta so sánh một cách hình tượng, đường kính sợi tóc người vào cỡ 100, hạt
bụi trong phòng có thể có đường kính từ 0,5 đến 50 (xem hình ảnh so sánh trong hình
1.9).
Các tiêu chuẩn về phòng sạch lần đầu tiên được đưa ra vào năm 1963 ở Mỹ, và
hiện nay đã trở thành các tiêu chuẩn chung cho thế giới. Đó là các tiêu chuẩn quy định
lượng hạt bụi trong một đơn vị thể tích không khí. Người ta chia thành các kích cỡ bụi
và loại phòng được xác định bởi số hạt bụi có kích thước lớn hơn 0,5 µm trên một thể
tích là 1 foot khối (

) không khí trong phòng.

12 Hình 1.9. c các ht bi
a. Tiêu chuẩn Federal Standard 209 (1963)
Tiêu chuẩn này lần đầu tiên được quy định vào năm 1963 (có tên là 209), và sau
đó liên tục được cải tiến, hoàn thiện thành các phiên bản 209 A (1966), 290
B(1973)…., cho đến 209 E (1992).
Bảng 1.1. Giới hạn bụi trong tiêu chuẩn 209 (1963).
Số hạt/


-
1000
7
10000
-
-
-
10000
70
100000
-
-
-
100000
700
(*) chỉ số - là không xác định
b. Tiêu chuẩn Federal Standard 209 E(1992) [2-3]
Tiêu chuẩn này xác định hàm lượng bụi lơ lửng trong không khí theo đơn vị
chuẩn (đơn vị thể tích không khí là 

). Sự phân loại phòng sạch được xác định theo
thang logarit của hàm lượng bụi có đường kính lớn hơn 0,5 µm. Bảng 1.2 là bảng tiêu
chuẩn FS 209 E. 13

Bảng 1.2.Giới hạn bụi trong tiêu chuẩn 209E (1992)

Tên loại




















M1

350
9,91
757
2,14
30,9
0,875
10,0
0,283
-

75,0
1060
30,0
353
10,0
-
-
M3

35000
991
7570
214
3090
87,5
1000
28,3
-
-
M3.5
100
-
-
26500
750
10600
300
3530
100
-

-
-
-
100000
2830
618
17,5
M5.5
10000
-
-
-
-
-
-
3530000
100000
24700
700
M6

-
-
-
-
-
-
1000000
28300
6180



= 

 





Với: 

là hàm lượng cho phép tối đa(tính bằng số hạt/

) của bụi lửng không khí lớn
hơn hoặc bằng kích thước xem xét.
N là chỉ số phân loại ISO, không vượt quá 9 và chỉ số cho phép nhỏ nhất là 0,1
D là đường kính hạt tính theo m.

14

Như vậy,có thể dễ dàng xác định các giới hạn hàm lượng bụi từ công thức trên
và dễ dàng phân loại từng cấp phòng sạch (bảng 1.3).
Bảng 1.3. Các giới hạn hàm lượng bụi trong tiêu chuẩn ISO 14644 – 1.

Loại
Giới hạn nồng độ cho phép (hạt/

)
0,1 m

352
83
-
ISO 5
100000
23700
10200
3520
832
29
ISO 6
1000000
237000
102000
35200
8320
293
ISO 7
-
-
-
352000
83200
2930
ISO 8
-
-
-
3520000
832000

đồng thời đảm bảo cho con người dễ dàng di chuyển và hoạt động. [8]
1.6. Kết luận chƣơng 1
Trong chương 1, tôi đã trình bày tổng quan về công nghệ khắc hình. Các kỹ
thuật quang khắc, các quy trình quang khắc và các kỹ thuật quang khắc được trình bày
rất chi tiết và đầy đủ. Qua đó, đưa ra một cách nhìn tổng quan về công nghệ khắc
hình.

, độ phân giải tối đa là
0,5 µm.

Hình 2.2.  h quang khc MJB4
Các chế độ tiếp xúc của Hệ quang khắc MJB4:
- Tiếp xúc xa (Solf Contact): Chế độ tiếp xúc xa có thể đạt được độ phân giải 2,0
µm. Độ phân giải cuối cùng phụ thuộc chủ yếu vào quy trình kỹ thuật như phạm vi
quang phổ, khoảng cách giữa mặt nạ và tấm nền….
- Tiếp xúc gần (Hard Contact): Ở chế độ này, khoảng cách giữa mẫu và mặt nạ
được rút ngắn hơn nữa nhờ một hệ thống đẩy bằng khí Nito ở dưới mẫu. Độ phân giải
có thể đạt được đến 1µm.
- Tiếp xúc chân không (Vacuum Contact): Chế độ này giúp đạt được độ phân
giải cao hơn cả tiếp xúc xa và gần bởi vì khoảng cách giữa mặt nạ và mẫu tiếp tục
được giảm. Để đạt được độ phân giải cao nhất thì độ dày lớp cảm quang phủ trên mẫu
cũng cần được tối ưu hóa.
- Tiếp xúc chân không thấp (Low Vacuum Contact): Đối với các mẫu dễ vỡ ta có
thể quang khắc bằng chế độ chân không thấp. Tiếp xúc chân không thấp giúp giảm tác
động đến mẫu hơn tiếp xúc chân không thường, đồng thời cho độ phân giải cao hơn
tiếp xúc xa và gần…

18 Hình 2.3 Các ch  quang khc ca MJB4
Bảng 2.1. Độ phân giải của hệ quang khắc MJB4
Resolution
UV400
UV300
UV250
Solf Contact