Mạch vi điện tử và công nghệ chế tạo: Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:173

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiếp nội dung phần 1, cuốn sách "Công nghệ chế tạo Mạch vi điện tử" phần 2 cung cấp cho người đọc những kiến thức như: Khác và ăn mòn; các phương pháp vật lý tạo màng mỏng: bay hơi và phún xạ; kết tủa hóa pha hơi (CVD);...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mạch vi điện tử và công nghệ chế tạo: Phần 2

Chương 7 KHẮC VÀ ĂN MÒN K hắc là quá trình truyền hình ảnh từ mặt nạ (m ask) lên lớp m ỏng vật liệu nhạy 5ỨC xạ, gọi là chất cảm quang, phủ trẽn mặt phiến bán dẫn. N hững hình ảnh này xác lịn h các vùn g khác nhau của m ạch tích hợp, v í dụ như vùng cấy ion, cửa sổ tiếp xúc, iiệ n tích để hàn dây. H ình ảnh trên vật liệu cảm quang không phải là phần từ cố định :ủa linh kiện, m à chi là bàn sao hình dạng của mạch. Đ ể nhận được hình dạng thật của n ạch , những hình ảnh trên lớp cám quang cần phải được truyền tiếp xu ốn g lớp vật liệu ;ấu thành linh kiện. V iệ c này được thực hiện bằng công đoạn ăn m òn (tẩm thực) nhàm :ẩy bỏ lớp vật liệu không được bảo vệ. Trong chương này ta xét các nội dung sau: - Tầm quan trọng của phòng sạch đối với công đoạn khẳc. - Phương pháp quang khấc và các phương pháp tăng cư ờng độ phân giải. - Phương pháp ăn m òn hóa ướt và ăn m òn khô các vật liệu bán dẫn, cách điện rà kim loại. - Các hệ thống vi cơ điện tử chế tạo bằng kỹ thuật ăn mòn. 7.1. Q U A N G KHÁC Đ ại đa số các thiết bị khắc sử dụng trong công nghệ chế tạo vi m ạch là thiết bị |uang học với ánh sáng tó n goại (Ẩ « 0,2 - 0,4 I^m). Trong phần này ta sẽ xét các thiết lị chiếu sáng, mặt nạ, chất cảm quang và các phương pháp nâng cao độ phân giải cùa |uang khắc. 7.1.1. Phòng sạch C ôn g n gh ệ ch ế tạo vi m ạch đòi hỏi điều kiện ph òng sạch, đặc biệt là khu vực lành ch o c ô n g đoạn khăc. Sờ d ĩ cần thiết phải có ph òng sạch vì các hạt bụi trong :hôna khí c ó thể rơi trên m ặt phiến bán dẫn hay trên mặt mặt nạ gây ra sai hòn g linh :iện và làm h òn g m ạch nói chung. V í dụ, hạt bụi trên bề mặt bán dẫn có thề càn trở 'iệc cấy m àng ep itaxy đơn tinh thể, làm hình thành lệch m ạng. Hạt bụi trong lớp
oxide cực cồng có thể làm tăng độ dẫn và làm hòng linh kiện do điện áp đánh thúng giám. Sẽ còn nguy hiểm hơn nếu hạt bụi bám vào bề mặt mặt nạ quang, nó sẽ tác dụng như phần đen không trong suốt của mặt nạ, phần này cũng sẽ được truyên sang lớp vật liệu phía dưới. Hình 7.1. Bụi ở các vị trí khác nhau trên mặt nạ quang Hình 7.1 cho ta thấy ba hạt bụi trên mặt nạ. Hạt thứ nhất có thể làm thủng lớp phía dưới. Hạt thứ hai nằm trên mép đường dẫn có thề làm hẹp đườns dẫn kim loại. Hạt thứ ba có thề làm ngắn mạch giữa hai đường dẫn. Trong phòng sạch, ngoài nhiệt độ và độ ẩm, người ta phải khống chế một cách chật chẽ lượng hạt bụi trên một đơn vị thể tích. Trên hình 7.2 là đường phân bố kich thước hạt bụi cho các phòng sạch cấp độ khác nhau. Tồn tại hai hệ thốna xác định cấp độ phòng sạch. Trong hệ Anh, cấp độ được lấy theo số lượng tối đa cho phép các hạt bụi có kích thước 0,5 um hoặc lớn hơn trong 1 foot khối. Trong hệ mét, cấp độ lấy theo logarit thập phân của số lượng tôi đa cho phép các hạt bụi có kích thước 0,5 (im hoặc lớn hơn trong 1 m3. Ví dụ, phòng sạch cấp 100 theo hệ Anh có chứa 100 hạt bụi đường kính 0,5 um hoặc lớn hơn/ft3, còn phòng sạch cấp độ M 3,5 trong hệ mét chứa 105'5 hay khoáng 3500 hạt bụi đưcmg kính 0,5 um hoặc lớn hơn/m 3. V ì 100 hạt/ft3 = 3500 hạưm3 nên cấp 100 trong hệ Anh tương đương cấp M 3,5 trong hệ mét. Vì số hạt bụi kích thước càng nhò càng nhiều, cần phái khống chế hết sức nghiêm ngặt mòi trường phòng sạch khi kích thước tối thiều của vi mạch giàm xuốna vùng dưới micromét. Phần lớn các công đoạn chê tạo IC đòi hòi phòng sạch cấp độ 100,
nghĩa là có số hạt bụi nhỏ hơn khoảng 10000 lần so với không khí trong phòng thông thường. R iêng công đoạn khắc đòi hỏi cấp phòng sạch phải là 10 hoặc 1. 0.01 0.1 1 10 Kich th ư ớ c h ạ t bụi (|im ) Hình 7.2. Phân bố kích thước hạt bụi cho phòng sạch theo hệ Anh (— ) và hệ m ét (— ) B ài tậ p v i dụ 1 N ếu để phiến silic đường kính 200 mm trong thời gian 1 phút dưới dòng không ■chí 30 m /phút, sẽ có bao nhiêu hạt bụi rơi trên phiến trong phòng sạch cấp độ 10? B ài g iái Trong phòng sạch cấp độ 10 có 350 hạt bụi kích thước 0,5 Ịitn hoặc lớn hơn/m 3. rhề tích khí đi qua phiến trong 1 phút là: V2 ( ’ m1 xl min = 0 ,9 4 2 m 3 Số hạt bụi kích thước 0,5 |im hoặc lớn hơn chứa trong thể tích khí trên là: 35 0 X 0 ,9 4 2 = 330 hạt G iá thiết trên ph iến c ó 4 0 0 chip IC, như vậy trung bình có đến 80% chip dính [ hạt bụi. Thực tê, ràt m ay là chỉ một phần số hạt bụi dính lại trên phiến và trong số ihững hạt bụi dính lại, chi có m ột số ít rơi vào vùng nguy hiềm gây h òn g m ạch IC. Tuy ìhiẻn, bài toán trẽn đây cùng cho thấy tầm quan trọng của phòng sạch. 113
7.1.2. Các thiết bị chiếu sáng Quá trình truyền hình ánh trong thiết bị khắc được thực hiện nhớ công cụ chiếu sáng. Chất lượng của công cụ chiếu sáng được xác định bcri ba thông số: độ phân giải, độ trùns khớp và nãna suất. Độ phân giải là kích thước chi tiết nhó nhảt có thể truvền một cách chinh xác lẽn màng cảm quang trên đế bán dẫn. Đ ộ trùng khóp là thước đo độ chính xác mà hình vẽ trên mặt nạ sau có thể trùng khớp với hình vẽ trước đă có trẽn phiến. Năna suất là số phiến có thề được chiếu sána trong một giò với cùng một mặt nạ. Có hai phươna pháp chiếu sáng chủ yếu: in bóng tối (shadow) và in chiếu (projection). Trong phương pháp in bóng, mặt nạ và phiến có the tiếp xúc trực tiếp với nhau (in tiếp xúc) hoặc có thể ớ rất gần nhau (in cận). Hình 7.3 chi ra hai kỹ thuặt in. Trong trường hợp in tiếp xúc, phiến silic được phủ lớp cảm quang tiếp xúc trục tiếp với mặt nạ và lớp cám quang được chiếu ánh sáng từ ngoại qua mặt nạ. Trona trườne hợp này, độ phân siài đạt được ~ 1 |im. Nhược điêm cơ bản cùa phương pháp in tiếp xúc là mặt nạ dễ bị hóna do bụi dính trên phiên khi tiêp xúc làm xước hình vẽ trẽn mặt nạ. Đe hạn chế việc hư hóne mặt nạ, người ta sừ dụne kỹ thuật in cận, khi giữa mặt nạ và phiến có khoàne cách nhỏ, cỡ 10 - 50 (im, trong thời aian chiếu sáns. Tuy nhiên, khoáng cách nhỏ này cũng gây ra hiện tượna tán xạ tại mép hình vẽ trên mặt nạ, có nghĩa là khi ánh sáne đi qua mép hình vẽ trên mặt nạ, xuất hiện các vân và một phần ánh sáne có thế xuyên qua phần bóne tối. Kết quà là độ phân eiài chi ở trong khoàne 2 - 5 um. Kỹ thuát in tiếp xúc Kỹ thuàt in cản C; Đ ế ------- Khoảng cách nhỏ (b)
Trong phương pháp in bóng, chiều rộng nhỏ nhất của đường hay còn gọi là kích thước tới hạn ( C D ) có thề nhận được là: (7.1) trong đó: Ả là bước són g của ánh sáng chiếu và g là kích thước khe giữ a mặt nạ và ph iến , bao gồm cả chiều dày cùa lớp cảm quang. Giả thiết Ầ = 0 ,4 p.m và g = 50 |im , ta c ó giá trị C D là 4 ,5 um . N ế u ta giảm Ẫ xu ốn g 0 ,25 |im và g giảm xu ốn g còn 15 u m , ta c ó C D = 2 |im . N h u vậy để cải thiện độ phân giải, cần giảm cả Ả và g. Tuy nh iên , với khoảng cách g cho trước, m ọi hạt bụi có kích thước lớn hơn g đêu có thê làm h òn g mặt nạ. Đ ể khắc phục v iệc hư hỏng mặt nạ do bụi gây ra trong phương pháp in bóng, người ta sừ dụng phương pháp in chiếu, ư on g đó phiến và mặt nạ có thể ờ cách nhau m ột vài centim ét. Đ ể tăng độ phân giải, m ỗi lần người ta chi chiếu sáng m ột phần nhò của mặt nạ. Sau đó phần diện tích nhỏ đó được quét hoặc nhảy bước đê chicu sáng toàn bộ bề mặt phiến. H ình 7.4a m ô tả hệ chiếu quét phiến ti lệ 1:1. M ột trường sáng mảnh ~ 1 m m hình cung lần lượt truyền hình ảnh từ mặt nạ lên phiến. K ích thước ánh trên phiến đúng bằng kích thước ảnh trên mặt nạ. ( a) (b ) ặ (c) (d) Hình 7.4. Các kỹ thuật phân chia hình ảnh trong phư ơng pháp in hình chiếu (a) C hiếu q u é t tì lệ 1:1; (b) N hảy bư ớc và lặp tì lệ 1:1; (c) N h ả y bư ớc và lặp thu nhỏ M :1; (d) N hảy bư ớc và qu ét thu nh ò M:1. Trường ảnh nhò cũng có thể nhảy bước trên bề mặt phiến bằng cách di chuyên phiến theo hai chiều, còn mặt nạ đứng yên. Sau khi chiếu sáng m ột chip, phiến di chuycn đến chip tiếp theo và quá trình cứ thế lặp lại. Hình 7.4b và 7.4c m ô tà v iệc phân 115
chia hình ảnh bằng kỹ thuật nhảy birớc và lặp với tỉ lệ 1:1 hoặc thu nhó M: 1. Ti lệ thu nhỏ M là yếu tố quan trọng liên quan đến khả năng chế tạo lăng kính và mặt nạ. Các hệ quang học với tỉ lệ 1:1 dễ thiết kế và chế tạo hơn các hệ thu nhò 10:1 hoặc 5:1. Tuy nhiên, chế tạo bộ mặt nạ hoàn hảo, không khuyết tật với ti lệ 1:1 khó hơn nhiều chế tạo mặt nạ với ti lệ thu nhò 10:1 hay 5:1. Phương pháp khắc hình chiếu thu nhò cũng có thề sứ dụng cho các phiến kích thước lớn mà không phài thiết kế lại lãng kính một khi kích thước trường chiếu sáng trên phiến lớn hơn kích thước một chip. Ngược lại, khi kích thước chip lớn hơn kích thước trường lăng kính, cần phân chia hình ảnh nhỏ hơn nữa. Trên hinh 7.4d, trường ảnh có thể có dạng mảnh, hình cung đối với kỹ thuật khấc hình chiếu nháy bước và quét thu nhò M :l. Với hệ nhảy bước và quét, phiến dịch chuyên theo hai chiều với tốc độ V, còn mặt nạ địch chuyền một chiều với tốc độ Mv. Độ phân giải cúa hệ khắc (hình) chiếu được cho bời: An ... í (7.2) NA trong đó: X là bước sóng ánh sáng chiếu, ki là hệ số phụ thuộc công nghệ, NA là khẩu độ số, được cho bời: NA = n sin 9 (7.3) với n là chiết suất của môi trường ảnh, thường là không khí và n = 1, còn ớ là nửa góc hội tụ cùa chùm sáng trên phiến, như trên hình 7.5. Mặt nạ (Mát phểng vật) Thấu kính Mặt phẳng ảnh Từ hình vẽ, ta thấy chiều sâu tiêu cự (DOF) có thể xác định như sau: ±112 ±/_ / 2 DOF ■—k-Ị (7.4) tan ớ sin ớ (NAY với k2 cũng là một thông số phụ thuộc công nghệ. Biểu thức (7.2) chi ra rằng có thề cải thiện độ phân giải (giảm lm) bằng cách giảm bước sóng hoặc tăng NA hoặc cả hai. Tuy nhiên, biểu thức (7.4) lại chi ra ràn° D O F giảm rất mạnh khi tăng NA hơn nhiều khi giảm Ả. Điều này giải thích tại sao
người ta c ó xu hướng sừ dụng các nguồn sáng có bước són g ngày càng ngăn trong kỹ thuật quang khắc. Đ èn thủy ngân cao áp được sử dụng rộng rãi làm nguồn chiếu sáng trong quang khắc vì nó có cường độ và độ tin cậy cao. Phổ đèn thủy ngân c ó m ột loạt đinh, như được biểu diễn trên hình 7.6. Hình 7.6. Phổ đèn thủy ngân cao áp thông dụng Tên vạch như G , H và I dùng để chi các đinh tại 4 3 6 nm, 4 0 5 nm và 365 nm. Kỹ thuật khắc hình chiếu nháy bước và lặp thu nhò 5:1 sử dụng vạch I c ó thể cho độ phân giải tốt nhất cỡ 0,3 Jim. C ác hệ chiếu sáng tiên tiến như hệ khẳc 2 4 8 nm sừ dụng laser excim er KrF, hệ khắc 193 nm sử dụng laser excim er ArF và hệ khắc 157 nm sử dụng laser excim er F t đã được thiết kế để chế tạo hàng loạt với độ phân giải tương ứng là 180 nm, 100 nm và 70 nm. 7.1.3. Mặt nạ (m ask) M ặt nạ sử dụ ng để ch ế tạo v i m ạch thường g iổ n g như lư ới thu nhò. B ư ớ c đầu tiên trong v iệ c ch ế tạo m ặt nạ là người ta sử dụng hệ thiết kế c ó sự trợ giú p của m áy tính (C A D = C o m p u te r-a id e d d esig n ) để m iêu tà toàn bộ hình d ạ n s m ạch đ iện . Sau đó nh ữ ng dữ liệu số nhận từ hệ C A D đư ợc dù ng đề đ iều kh iển thiết bị vẽ hình là hệ khắc bằng chùm tia điện từ, hệ khắc này sẽ truyền trực tiếp hình vẽ lên mặt nạ. Bán thân mặt nạ bao gồm đế thúy tinh silica được phủ m ột lớp m àna crôm. Hỉnh vẽ 11 7
của mạch trước hết được truyền lên lớp vật liệu nhạy điện từ, sau đó được truyên xuống lớp Cr. Hình vẽ trên mỗi mặt nạ thể hiện một mức của thiết kế IC. Hình vẽ tông hợp cùa toàn mạch được chia ra làm các mức mặt nạ, mỗi mức ứng với một côn s đoạn trong quá trình chế tạo 1C, ví dụ vùng cách điện là một mức, vùng cực côn s là một mức khác,... Thông thường chu trình chế tạo IC đòi hói từ 15 đến 20 mức mặt nạ. Tấm thùy tinh silica làm đế cho mặt nạ có kích thước chuẩn là hình vuông 15 X 15 cm , dàv 0,6 cm. cầ n kích thước như trên là đề thích ứng với kích thước trườne của lãng kính trone các thiết bị chiếu sáng có ti lệ thu nhò 4:1 hoặc 5:1, còn chiều dày cần đề giàm thiểu sai số sắp xếp hình vẽ đo đế bị uốn cong. Sớ dĩ dùng tấm thủy tinh silica vì nó có hệ số dãn nỡ nhiệt thấp, độ truyên qua cao đôi với sóna naan và độ bền cơ cao. Hình 7.7 mô tã mặt nạ với các hình vẽ đã được chê tạo. Hình d ạ n g linh kiện Hình 7.7. Mật nạ quang cùa một 1C M ột trong những vấn đe được quan tâm nhất đối với mặt nạ là mật độ khuyết tật. Khuyết tật có thể hình thành trong quá trinh chế tạo mặt nạ, cũng có thể hinh thành trong quátrìnhkhăc như đã nói ớ trên. Một số lượng nhỏkhuyết tậtcũ n s có thê làm giàm đáng kểhiệu suất chế tạo IC. Hiệu suất chế tạo được địnhnghĩa là ti lệ eiữa số chip tốt và tong so chip trên một phiến. Theo gân đủng bậc nhảt, hiệu suât ỉ đỏi với mỗi mức mặt nạ có thề biểu diễn như sau: Y se x p (-D A ) (7.5) ưona đó: D là mật độ trung bình các khuyêt tật "nauy hiếm'' và A là diện tích của một chip IC. Giả thiết D là như nhau đối với tất cả các mức mặt nạ (ví dụ N = 10 mức), khi đó hiệu suất cuối cùne là: Y s e x p (-N D A ) (7.6)
Hình 7.8. Hiệu s u ấ t củ a quá trình khắc 10 m ặt nạ với các m ật độ khuyết tật khác nhau Hình 7.8 trinh bày hiệu suất phụ thuộc kích thước chip và phụ thuộc mật độ khuyết tật mặt nạ cho trường hợp quá trình khắc 10 mặt nạ. Ta thấy, với D = 0,25 khuyết tật/cm 2, hiệu suất là 10% với kích thước chip là 90 m m 2, còn nếu diện tích chip là 180 m m 2 thì hiệu suất chi còn 1%. N h ư vậy, v iệc kiềm tra cũng như làm sạch mặt nạ là v ô cùng quan trọng để có thể đạt hiệu suất cao khi chế tạo chip lớn và bao g iờ quá trình khắc cũng đòi hòi điều kiện siêu sạch. 7.1.4. C hất cảm quang Chất cám quang là hợp chất nhạy bức xạ. N gười ta phân biệt cảm quang dương và cảm quang âm, phụ thuộc vào cách chứng thay đồi tính chất dưới tác dựng cùa bức xạ. Đ ối với cảm quang dương, những vùng được chiếu sáng sẽ trở nên dễ hòa tan hơn và do đó sẽ dễ được tẩy bò trong quá trinh hiện hình. Ket quả là hình ánh trên lớp cảm quang dương giố n g hệt như (lặp lại) hình vẽ trên mặt nạ. V ới cảm quang âm, các vùng đuợc chiếu sáng trờ nên khó hòa tan hơn và hình ảnh nhận được trên lớp cảm quang âm sau quá trình hiện sẽ ngược với hình vẽ trên mặt nạ. Chất cảm quang dương bao gồm ba thành phần: hợp chất nhạy quang, nhựa và dung m ôi hữu cơ. Trước khi chiếu sáng, hợp chắt nhạy quang kh ông hòa tan trong dung m ôi hiện. Sau khi chiếu sáng, hợp chất nhạy quang hấp thụ bức xạ ờ những vùng lộ sáng, thay đổi cấu trúc hóa học và trờ nên hòa tan trong dung m ôi. Sau khi hiện, phần lộ sáng bị tẩy bỏ. Cảm quang âm là chất polym er kết hợp với hợp chất nhạy quang. Khi đuợc chiếu sáng, hợp chất nhạy quang hấp thụ năng lượng và xảy ra phàn ứng khâu m ạch polymer, tạo nên sự liên kết c h é o giữ a các phân từ polym er. P olym er liên kết c h éo có trọng lư ợng phân tử cao hơn và trờ nên không hòa tan trong dung m ôi hiện. Sau khi hiện, 119
những vùng không lộ sáng sẽ bị hòa tan. Một nhược điềm chù yếu cua cám quang âm là trong quá trinh hiện, toàn bộ khối căm quang b ị nờ ra do hấp thụ dune môi. Việc này làm giới hạn độ phân giải của các chất cám quang âm. Trên hình 7.9a là đường cong đáp ứng chiếu sảng và tiết diện ành đôi VỚI cảm quang dương. Đường cong đáp ứng chi rõ phần trăm chất cảm quang còn lại sau chiếu sáng và hiện hình phụ thuộc vào nãng lượng chiếu sáng. Ta thấy ngay cà khi không chiếu sáng, cảm quang cũng có độ hòa tan nhất định; khi năng lượng bức xạ tăng, độ hòa tan tăng dần và đến một nâng lượng ngưỡng Er, cảm quang sẽ tan hoàn toàn. Độ nhạy của cám quang dương được xác định là năng lượng cằn thiết đề vùng lộ sáng hòa tan hoàn toàn. Khư vậy ET chính là độ nhạy cúa cảm quang. Ngoài ra, người ta còn dùng thõng số / l à ti số tương phàn để đặc trưng chất càm quang: r- ln (7.7) với EI được xác định như trên hình 7.9a. Neu / lớn, ánh ưên lớp cám quana sẽ nét hơn. Càm quang dutyng Cảm quang_âm hv hv ị 1li ị ị (a) (b) Hình 7.9. Đường cong đáp ứng chiếu sáng và tiết diện lớp càm quang sau khi hiện hình (a C quang dương; (b C quang â . ) àm ) àm m 1
T iết diện ngang chi ra tương quan giữa m ép hình v ẽ trên mặt nạ và m ép hinh ảnh trên lớp cảm quang nhận được sau khi hiện. Thông thường m ép ảnh trên lớp cảm quang không trùng với vị trí chiếu thẳng đứng cùa m ép hình vẽ ư ên mặt nạ do hiện tượng tán xạ. M ép ảnh trên lớp cảm quang ứng với vị trí tại đó tổng quang năng hâp thụ băng năng lượng ngưỡng E T. Hình 7.9b trình bày đường cong đáp ứng chiếu sáng và tiết diện ành đôi với cảm quang âm. Cám quang âm hoàn toàn hòa tan trong dung m ôi hiện khi năng lượng chiêu sáng nhỏ hơn năng lượng ngưỡng E j. Khi E > E T, phần cảm quang còn giữ lại sau quá trình hiện tăng dần. Khi E > 2 E T m àng cảm quang hầu như không hòa tan. Đ ộ nhạy , của cảm quang âm được định nghĩa là năng lượng cần thiết để giữ lại 50% chiêu dày ban đầu của m àng cảm quang ờ những vùng lộ sáng. Thông số / đ ư ợ c xác định tương tự như biểu thức (7 .7 ) với E T và EI đồi vị trí cho nhau. N goài ra, ta cũng thấy tiết diện ảnh trên lớp cảm quang cũng bị ảnh hưởng bời hiệu ứng tán xạ. B à i tậ p v í dụ 2 H ãy xác định thông số ^ cùa các chất cảm quang được cho Ưên hình 7 .c . B ài g i á i V ới cảm quang dương, E t = 90 m J/cm 2 và E i = 45 m J/cm 2: -1 1 1 1'•0 10 ln í ¿7-1 3 U J V 45J V ới cảm quang âm, E t = 1 m j/cm 2 và E ị = 12 m J/cm 2: ln E -1 12 (—\ì" = r ln — V Í 7.1.5. Quá trình truyền hình ảnh Các bước của quá trình truyền hình vẽ m ạch IC từ m ặt nạ sang phiến silic có phủ lớp cách điện SÍƠ2 đư ợc m iêu tả trên hình 7.10. Quá trình được thực hiện trong phòng sạch, dưới ánh sáng m àu vàng (y e llo w room ), vì các chất cảm quang không nhạy với bước són g lớn hơn 0,5 |im . Đ ể cảm quang dính bám tốt, bề mặt phiến phải được phù m ột lớp lót tăng độ dính bám. Lóp này có tác dụng làm ch o bề mặt tương thích về hóa đối với chất cảm quang. Chất tăng độ dính bám thông dụng nhất trong côn g nghệ v i m ạch silic là h e x a - m e th y len e-d i-silo x a n e (H M D S ). Sau khi phù lớp dính bám , ph iến được giữ bằng chân không trên m âm quay v à người ta nhỏ 2 - 3 cc chất cảm quang lòn g lên giữ a phiến. N gay sau đó, phiến đư ợc quay với tốc độ vài nghìn vòn g trong m ột phút, trong thời gian khoang 30 giây. M àng cám quang nhận được có độ dày đ ồn g đều. khoána 0.5 đến 1 |im , phụ thuộc tôc độ quay và độ nhớt của càm quang (hình 7 . 10a). 121
Sau bước quay phủ, phiến được ủ sơ bộ, thường ờ nhiệt độ 90 - 120 ° c , thời gian 60 - 120 giây, để làm bay hơi dung môi và tàng độ dính bám của cảm quang lên đế. Tiếp theo, phiến được đưa vào hệ quang khắc, được chiếu sáng qua mặt nạ băng ánh sáng từ ngoại, như trên hình 7.10b. Đ ế Si Ánh sáng uv w + ĩ + I«) Hình 7.10. Quá trinh truyền hình ảnh trong kỹ thuật quang khắc Trong trường hợp cám quang dương, các vùng cảm quang lộ sána sẽ bị hòa tan trong dung dịch hiện (hình 7.10c trái). Quá trình hiện được tiến hành bàng cách nhúng phiến vào dung dịch hiện. Sau đó người ta rửa phiến và quav khô. Sau khi hiện, phiến được ủ lần thử hai, ở nhiệt độ 100 - 180 °c đề ổn định và tăng độ dính bám của cảm quang. Tiếp theo, phiến được nhúng vào dung dịch tẩm thực (ăn m òn), dung dịch này chi ăn mòn lớp cách điện không được bào vệ mà không ãn m òn cảm quans
(hình 7 .1 0 d ). C uối cù n g, ngư ời ta tẩy bó lớp càm quang bằng dung m ôi hoặc p lasm a, để lại hình ảnh trong lớp cách đ iện g iốn g hệt như hình v ẽ sẫm màu trên mặt nạ (hình 7.1 Oe trái). V ới cảm quang âm, quy trình được tiến hành tương tự, tuy nhiên trong trường hợp này, phần bị tẩy bò là phần không được chiếu sáng. H ình ành cuôi cùng trong lớp cách điện trái ngược với hình vẽ trên mặt nạ (hình 7.1 Oe phải). Hình ảnh cuối cùng trên lớp cách điện cũng có thể dùng như mặt nạ cho các quá trinh tiếp sau. V í dụ, c ó thể cấy ion lên vùng bán dẫn không được che chăn bời lớp oxide. V ùng pha tạp sẽ lặp lại hinh vẽ trên mặt nạ đối với cảm quang âm và ngược lại hình vẽ trên mặt nạ đôi vớ i cảm quang dương. Toàn bộ quy trinh chê tạo m ạch bao gồm v iệc trùng khớp các mặt nạ sau với hình ành trên đế nhận được trong công đoạn trước và lặp lại quá trình truyền hình ảnh m iêu tà trên đây. Ánh sáng u v M ặt nạ * — Cảm quang m Đế Si Đế Si (a) (b) mm .... ............. Đế Si (c) Hình 7.11. K ỹ thuật truyền hình ảnh lifto ff M ột kỹ thuật truyền hình ảnh khác là kỹ thuật liftoff, như được trình bày trẽn hinh 7 . 11. N gư ờ i ta sử dụng cảm quang dương đề tạo hình ảnh cảm quang trên đế (hinh 7 . 1 la và b). M àng m ỏn g, ví dụ kim loại A l, được kết tủa lên trên lớp cám quang và đế (hình 7.1 lc); chiều dày m àng kim loại cần phải nhò hơn chiều dày lớp càm quang. N cu hòa tan cảm quang tron s dung m ôi thích hợp thì m àng kim loại ờ vùn g phủ lên cám quang sẽ bị bóc ra cùng cảm quang (hình 7.1 ld ). K ỹ thuật lifto ff này c ó thể có độ phân giải cao và được sừ dụng nhiều trong chế tạo các linh kiện rời rạc như M E SF E T công suất. Còn trong c ô n g ngh ệ chế tạo vi m ạch loại U L SI, người ta thườna dùng kỹ thuật ăn m òn khô. 123
7.1.6. Các kỹ thuật tăng độ phân giải Công nghệ chế tạo vi mạch luôn luôn đòi hỏi phài nâng cao độ phân giải, táng độ sâu tiêu cự và mở rộng trường sáng cùa quang khắc. Nhừng đòi hòi này đã được giải quyết bàne cách siảm bước sóng chiêu sáng và chế tạo các loại cảm quang mới. Ngoài ra. một số kỹ thuật tăng cường độ phân giải cũng đã được nghiên cửu đê xuảt nhàm mờ rộne khả năng của quang khăc đôi với nhừng kích thước nhỏ hơn. Mảt na thuxm q Măt n a dich pha — Thùy tinh— ■ — Lớp phủ Cr— T Lớp dịch pha 180° Biện độ trện mặt nạ Biện độ 0. trẽn phiến Cường độ trên phiến (a) (b ) Hình 7.12. Nguyên lý kỹ thuật dịch pha (a) C ông nghệ truyền thống; (b) C ông n ghệ dịch pha. Một trong những kỹ thuật quan trọng tăng cường độ phân giải là kỹ thuật mặt nạ dịch pha (phase-shift mask). Ý tường chủ yếu được trình bày trên hình 7.12. Với mặt nạ thông thường, điện trường có cùng pha ờ tất cà vùng sáng (hình 7.12a). Sự nhiễu xạ và độ phân eiài hạn chế của hệ quang làm dàn trài điện trường trên phiến (đưcma đứt nét). Sự aiao thoa eiữa các sóng tán xạ từ các vùng sáne lân cận làm tăns điện trưcmg giữa các vùng này. Vi cường độ ti lệ với bình phương của điện trường, rất khó có thế phân biệt hai hình ảnh cạnh nhau. Lớp dịch pha phủ lẽn vùng sáng lân cận sẽ làm đồi dấu điện trườna (hình 7.12b). Vì cường độ trẽn mặt nạ là không đồi, điện trường cùa ảnh trén phiến có thể bị triệt tiêu. Do vậy, có thể phân biệt hai ảnh cạnh nhau. Việc dịch pha 180° có thể thực hiện bằna cách sử dụng màng mòng trong suôt với chiều dày d = 'tJ2( n - 1) trone đó 7ĩ là chiết suất và Ã là bước sóng phủ lên một vùng sána. Một kỹ thuật khác để nâna cao độ phân giải là kỹ thuật hiệu chinh quang (học) gàn. \ i dụ. trona trươn Ü hợp cần tạo cửa sổ tiếp xúc hình vuông có kích thước xâp xi giới hạn phân siài. thi thôna thường
chì nhận được cừa sồ gần như hình tròn. M uốn nhận được cửa sổ hình vuông, người ta phải thay đổi các góc cùa hình vẽ trên mặt nạ một cách thích hợp. 7.2. CÁC PH Ư Ơ N G PHÁP KHÁC THÉ HỆ SAU 7.2.1. Khắc bằng chùm điện từ Đ ầu tiên người ta dùng chùm điện tử để chế tạo mặt nạ quang. M ột số thiết bị được thiết kế để chiếu trực tiếp chùm điện từ đã tự tiêu lên lớp nhạy quang mà không cần mặt nạ. H ình 7.13 m iêu tả sơ đồ của m ột hệ khắc bằng chùm điện tử. Súng điện từ là cathode phát xạ nhiệt làm bàng volfram hoặc L aB 6 đom tinh thể, c ó thể cung cấp chùm điện từ với mật độ dòn g thích hợp. Các lăng kính đư ợc dùng để hội tụ chùm điện tử thành chấm siêu nhò kích thước đường kính cỡ 1 0 - 2 5 nm . C ác tấm chắn có tác dụng đ ón g ngắt chùm tia và cuộn dây làm lệch chùm tia được đ iều khiển bàng m áy tính và hoạt đ ộn g với tốc độ M H z hoặc cao hơn, để hướng chùm tia đến bất cứ vị trí nào trong phạm vi trường quét trên mặt đế. V ì thông thường trường quét c ỡ 1 cm nhô hơn nhiều so vớ i đư ờn g kính đế, người ta phải sử dụng giá đỡ c ơ h ọc chính xác để định v ị đế. 125
Các ưu điêm cùa phương pháp khãc bằng chùm điện từ là có thẽ chẻ tạo hình vẽ kích thước dưới micron trên lớp cảm quang, độ chính xác và mức độ tự động hóa cao, độ sâu tiêu cự lớn hơn so với quang khắc, có thể tạo hình trực tiêp trên phiên bán dẫn không cần đến mặt nạ. Nhược điểm của phương pháp này là hiệu suât thiẻt bị thấp: với độ phân siài nhỏ hơn 0,25 (im, chi có thể xử lý khoản S 10 phiến trong 1 giờ. I Hiệu suất như vậy chi thích hợp cho việc chế tạo mặt nạ và cho trườne hợp sô lượng mạch cần chế tạo là nhò. Tuy nhiên, để tạo hình trực tiếp, cần hiệu suât thiêt bị càng lớn càng tốt, do đó đường kính chùm tia càng lớn càng tốt, phù hợp với kích thước tối thiêu cúa linh kiện. Có hai cách quét chùm tia điện từ tiêu tụ: quét mành và quét vectơ. Trong hệ quét mành, tia chuyền động theo phương thẳng đứng, quét qua mọi vị trí trên mặt nạ và bị ngát tại những nơi không cần chiếu tia. Mỗi hình ảnh cần được chia thành các địa chi riêng và kích thước tối thiểu của hình phải chia hết cho kích thước chùm tia. Trong hệ quét vectơ, chùm tia chì được chiếu vào những nơi đòi hói có hình ánh và mỗi khi vẽ xong một hình, tia sẽ nháy sang hình khác, chứ không quét toàn bộ chip như trong trường hợp quét mành. Trong nhiều trường hợp, diện tích trung bình cần chiếu chi chiếm 20% diện tích chip, vì vậy sẽ tiết kiệm thời gian nếu sừ dụng quét vectơ. Có thể sừ dụng nhiều loại chùm tia điện tử trong kỹ thuật khắc: tia hình tròn, tia có hình dạng thay đôi và chiếu õ cơ sở. Trong hệ với tia có hình dạng thay đồi, chùm tia có tiết diện hình chữ nhật, kích thước và ti lệ dài/rộng thay đoi. Ưu điêm của loại này là có thê chiếu đồng thời nhiều đơn vị địa chi. Nếu sừ dụng phươna pháp quét vectơ với chùm tia có hình dạng thay đổi thi hiệu suất sẽ cao. Trướna hợp dùns phương pháp chiếu õ cơ sờ, có thể chế tạo hình vẽ phức tạp chi với một lần chiếu. Phươns pháp này đặc biệt thích hợp cho các thiết kế có độ lặp lại cao, ví dụ các bộ nhớ MOS. 7.2.1.1. C h ất cảm điện từ (electro n resist) Chất cám điện từ là vật liệu polymer. Tính chất cùa vật liệu cám điện tử cũna giống như vật liệu càm quang, có nghía là, hóa tính hoặc lý tính cùa vặt liệu thay đổi dưới tác dụng bức xạ. Sự thay đôi này cho phép tạo hình trên vật liệu. Với vật liệu cảm điện tử dương, tương tác polymer - điện tử làm gãy liên kết hóa học (chain scission), tạo nên những đoạn phân tử polymer ngan hơn (hình 7 .14a). Kết quả là khối lượng phân tử giám ở nhữna vùne được chiếu, nhữne \-ùne này sau đó được hòa tan trong dung dịch hiện là dung môi chi hòa tan các vật liệu có khối lượng phân từ thấp. Các chất cám điện Ú thông dụng là poly-m ethyl methacrylate T (PMMA) và poly-butene-1 sulfone (PBS). Độ phân giải của nhữna chất này có thê đạt 0,1 Jim hoặc tốt hơn.
Chất cảm dương ÏÏÎÎ n _ n (a) ỉìĩỉ Lién kết chéo (b) Hình 7.14. Cảm điện từ dưomg và ảm sử dụng trong khắc bằng chùm điện từ V ới chất cảm điện tử âm, bức xạ tác dụng tạo liên kết chéo (hình 7.14b), làm hình thành cấu trúc ba chiều phức tạp với khối lượng phân tứ lớn hơn polym er không chịu tác dụng bức xạ. Các vùng vật liệu không chịu chiếu xạ sẽ hòa tan trong dung m ôi hiện, dung m ôi này không tấn công vật liệu có khối lượng phân tò cao. Chất cảm điện tử âm thông dụng là p o ly -g ly c id y ! m eth acrylate-co-eth yl acrylate (C O P). C ũng giốn g như cảm quang âm, COP cũng bị trương khi cho vào dung dịch hiện và do đó năng suất phân giải chi cỡ 1 um. 7 .2 .1 .2 . H iệ u ứ n g lâ n c ậ n N h ư ta đã thấy ờ phần trước, trong kỹ thuật quang khắc, độ phân giải bị giớ i hạn bởi hiện tượng nhiễu xạ (diffraction) ánh sáng. Trong phương pháp khắc bang chùm điện từ, năng suất phân giải không bị giới hạn bời hiện tượng nhiễu xạ (vì bước sóng cùa điện tử với năng lượng s vài keV là nhó hơn 0,1 nm ), m à bị giớ i hạn bời hiện tượng tán xạ (scattering) điện tử. Khi các điện tử đâm xuyên vào lớp p olym er và lóp đế phía dưới, do va chạm , chúng sẽ mất năng lượng và thay đồi đường đi. N h ư vậy, chùm điện từ sẽ m ờ rộng khi đi sâu vào vật liệu cho đến khi mất hoàn toàn năng lượng, một số điện từ sẽ rời khỏi vật liệu do hiệu ứ n s tán xạ ngược. Các tính toán m ô phỏrm cho thấy các điện từ phân bố trong m ột thề tích dạng quả lê với đường kính xấp xi chiều sâu xâm nhập, cỡ 3,5 |am. D o tán xạ ngược, vùng vật liệu chịu tác dụng của điện từ m ở rộng đến vài m icrom ét tính từ tâm chùm tia. Trên thực tế, liều chiếu xạ đổi với chất cám điện tử là tồng bức xạ của các vùng xung quanh, bức xạ chùm điện tứ tại m ột điểm sẽ ảnh hưỡne đến m ức độ chiếu xạ tại vị trí lân cận. H iện tượne này gọi là hiệu ứ n s lân cận. H iệu ứng lân cận làm giới hạn khoáng cách tối thiều giữa hai hình vẽ. Đ e khấc phục hiệu ứng này, naười ta chia hình vẽ ra thành những phần nho. L iều chiếu xạ điện tử 127
trong mỗi phần nhó được điều chinh sao cho tổng liều chiếu trên tất cả các phân lân cận bằng đúng liều cần chiểu. Tuy nhiên, cách làm này lại làm giám tiếp hiệu suất cùa thiết bị chùm điện tử do cần thêm thời gian máy tính điều khiển chiếu từng phan nhò. 7.2.2. Khắc bằng tia từ ngoại xa (Extreme-Ultraviolet) Khắc bằng tia từ ngoại xa (EUV) là kỹ thuật khắc tương lai đầv triển vọng nhăm giám kích thước hình ảnh xuông còn 30 nm mà không ành hường đên hiệu suất. Hình 7.15 là sơ đồ của một hệ khắc EUV. Nguồn phát ánh sáng EUV với bước sóng À = 10 - 14 nm có thể là plasma do laser hoặc bức xạ synchrotron. Một mặt nạ đặc biệt được chế tạo bằng cách tạo hình trên màng vật liệu hấp thụ phủ trên đe silic hoặc kính ành. Bức xạ EUV sẽ bị phản xạ ờ những vùng không hấp thụ trên mặt nạ này, rồi qua một camera thu nhò bốn lần được chiếu lên lớp mỏng cảm điện tử trên phiến. N g u ồ n p la s m a l a s e r Á n h s á n g tử n g o ạ i x a Vi tia bức xạ EUV rất mành, người ta phái quét tia trên mặt nạ để có thể chiếu lên toàn bộ mặt nạ. Ngoài ra, với hệ camera thu nhỏ bốn lần (bốn gươna 2ồm môt
gương parabol, hai gương ellip và m ột gương phẳng), người ta cũng phải quét phiên với tốc độ bằng 1/4 tốc độ quét mặt nạ và theo chiều ngược với chiều quét mặt nạ đê truyền toàn bộ hình ảnh từ mặt nạ lên phiến. V ì vậy, đòi hỏi phải có hệ thông chính xác để thực hiện v iệc trùng khớp chip, để điều khiển tốc độ chuyển động của mặt nạ và phiến cũng như điều khiển liều lượng chiếu xạ. P hương pháp khắc bàng E U V cho phép tạo hình vẽ kích thước 50 nm với chất càm điện tứ là PM M A và bức xạ 13 nm. Tuy nhiên, việc chế tạo thiết bị E U V là hết sức phức tạp. D o bức xạ E U V bị hấp thụ rất mạnh bời tất cả vật liệu, quá trinh khẳc phải được thực hiện ừ o n g chân không. Camera phải sử dụng các lăng kính phản xạ và các gư ơng cần sử dụng m àng đa lớp để đóng vai trò là gương phản xạ Bragg 1/4 bước sóng. N g o à i ra, mặt nạ cũng cần được phủ nhiều lớp m òng đề tăng đến tối đa độ phàn xạ tại bước són g Ã = 10 - 14 nm. 7.2.3. Khắc bằng tia X Khắc bàng tia X là phương pháp khắc tiềm năng thay thế phương pháp quang khắc để chế tạo m ạch tích hợp thế hệ 100 nm. N gu ồn tia X để chế tạo vi m ạch ở quy m ô lớn thưcmg là vòn g tích trữ của m áy synchrotron. M áy này c ó thể cung cấp m ột lượng lớn luồng tia chuẩn trực và dễ thích hợp với các thiết bị chiếu khắc 20 - 30 lẩn. Khấc bằng tia X sừ dụng phương pháp in bóng, tương tự như in cận trong quang khắc. Công cụ chiếu Nguồn tia X Phiến phủ vật Mặt nạ tia X liệu nhạy tia X Hình 7.16. S ơ đồ m ột hệ khắc bằng tia X với kỹ thuật in cận 12 9
Hình 7.16 là sơ đồ của hệ khắc bằng tia X. Bước sóng tia X khoáng 1 nm và quá trinh in sừ dụng mặt nạ ti lệ lx được dề rất sát bề mặt phiến (khoảna cách 1 0 - 4 0 um). Vi sự hấp thụ tia X phụ thuộc vào nguyên tử số của vật liệu và phần lớn vật liệu đêu có độ trons suốt thấp tại Ả = 1 nm, đế làm mật nạ thường phải là màne mòng ( 1 - 2 lira) làm bằng vật liệu có neuyên từ số thấp, như silic hoặc S ic. Còn vật liệu đề tạo hình ánh trên mặt nạ là lớp móng (~ 0,5 (am) vật liệu có nguyên tử số tươne đối lcm như Ta, w , Au hoặc hợp kim cùa chúng. Trong một hệ khắc bằng tia X thi mặt nạ là phần tử quan trọne nhẩt và khó làm nhắt. Đề tránh sự hấp thụ tia X giữa nguồn và mặt nạ, thông thườne quá trinh chiếu được thực hiện trona môi trường hêli. Tia X được tạo ra trong chân khône. Buồng chân không nàv và buồna hêli được naăn cách bời một cửa sô chân khôns móng, thường làm bằng béryllium. Đe của mặt nạ sẽ hấp thụ 25 — 35% luồng tia tới, vì vậy cần phải được làm nguội. Lớp vật liệu nhạy tia X dày 1 Ị^m sẽ hấp thụ khoảng 10% luồng tia tới và thườns hầu như không có phàn xạ, vì vậy không cần lớp phủ chống phàn xạ. Có thể sử dụng vật liệu cảm điện tử làm vật liệu cảm tia X, vi khi neuvên tử hấp thụ tia X, nó sẽ chuyển sang trạng thái kích thích với việc phát xạ một điện tử. Khi nguyên từ bị kích thích trờ về trạne thái cơ bản sẽ phát ra tia X có bước sóng khác với bước sóng cúa tia X tới. Tia X này lại bị một nguyên tử khác hấp thụ và quá trinh cứ thế lặp lại. Vì tất cả các quá trình đều phát xạ ra điện tử, m àne vật liệu nhạy cám dưới tác dụng của tia X có thê coi tương đương với việc màng nhạy được chiếu xạ bới một luợna lớn các điện tữ thứ cấp phát ra từ tất cà các quá trình khác. Dưới tác dụng của bức xạ, sẽ xảy ra quá trình liên kết chéo chuỗi polymer hoặc quá trình phàntách chuỗi, phụ thuộc vật liệu nhạy cám là loại âm hoặc ducma. 7.2.4. Khắc bằng chùm tia ion Khắc bằng chùm tia ion có thê cho độ phân giải cao hơn so với kỹ thuật quane khắc, khắc bằna tia X hoặc khắc bằng chùm điện tử vì ion có khối lượns lớn hơn nên it bị tán xạ hơn điện tử. Một trong những ứng dụng quan trọns nhất của kỹ thuật này là chinh sửa mặt nạ cho quang khãc. Các kết quả tính toán mô phõng cho thấy, với các ion H~ năne lượng 60 keV được cấy vào đế Au hoặc Si có phủ màng P M \ÍA , chùm tia ion bị tán xạ rất ít: tại độ sâu 0.4 um. kích thước chùm tia là 0,1 (J.m. Hoàn toàn khôna có tán xạ naược ơona trường hợp đế silic và chi có một lượng nhò tán xạ ngược trong trườns hợp đế vàn». Tuy nhiên, neười ta thấy hiệu ứng điện tích không gian naẫu nhiên có thể làm mờ rộns chùm tia ion, làm ảnh hướng đến độ phân giải của phương pháp khấc bằnơ chùm ion. Một loại thiết bị khắc bằng chùm tia ion hiện được sử dụng là hệ quét tia tiêu tụ. Thiết bị quét tia tiêu tụ tương tự như thiêt bị khăc băng chùm điện từ (hình 7 13) với nguồn ion có thê là Ga hoặc H .