Quang khắc - TS. Lê Tuấn

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:50

Thêm vào BST

Báo xấu

166
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Quang khắc nêu lên vai trò, vị trí của công đoạn quang khắc trong công nghiệp sản xuất vi mạch điện tử, các giai đoạn của quang khắc, cách tiến hành, các lỗi thường gặp trong quá trình quang khắc; giới thiệu về quang khắc bằng tia X và quang khắc ướt (nhúng trong chất lỏng chiết suất n1)...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Quang khắc - TS. Lê Tuấn

Quang khắc Lê Tuấn Đại học Bách khoa Hà Nội
Quang khắc Mục đích: Quang khắc là công đoạn độc lập, có vai trò quan trọng bậc nhất trong công nghệ sản xuất các mạch vi điện tử, nhằm truyền hình ảnh tô pô lên phiến bán dẫn, xác định các vị trí thao tác tiếp theo cho hầu hết các bước công nghệ. Khoảng 35 % giá thành sản xuất chip được chi phí cho các công đoạn quang khắc. Quang khắc được chia thành 3 giai đoạn: Thiết kế mặt nạ Tạo mặt nạ Truyền ảnh từ mặt nạ lên đế 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 2
Quang khắc (tiếp) Giai đoạn cuối quan trọng nhất được trình bày theo 3 phần sau: a) Hệ thống nguồn bức xạ (quang học, UV, tia X, tia điện tử, v.v…) b) Hệ thống truyền ảnh lên mẫu bán dẫn c) Các chất cảm quang Các nội dung về quang khắc sẽ được trình bày tiếp theo ba phần trên 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 3
Quang khắc (tiếp) A – Hệ thống nguồn bức xạ Là hệ thống tạo ra nguồn bức xạ cần thiết và điều khiển, biến đổi bức xạ đó thích hợp cho việc chiếu vào mẫu sản xuất. Bức xạ được sử dụng hiện nay trong sản xuất và nghiên cứu chế tạo mạch IC có bước sóng nằm trong vùng nhìn thấy, UV, tia X, tia điện tử. Việc giảm kích thước đặc trưng của IC đòi hỏi phải dùng các bức xạ với bước sóng λ ngắn hơn. Hiện tượng nhiễu xạ đóng vai trò quan trọng khi λ giảm. Nguồn sáng thông dụng trong công nghiệp hiện nay là đèn hơi thủy ngân, với các vạch đơn săc λg = 463 nm (g-line) và λi = 365 nm (i-line), dùng trong các công nghệ IC với chiều dài kênh dẫn 500 và 350 nm, tương ứng. Nguồn có cường độ mạnh nhất trong vùng phổ UV là laser màu trên cơ sở Kr (KrF có λKr = 248 nm – cho công nghệ 0,25 µm) và Ar (ArF có λArF = 193 nm) lượng năng lượ Kr + NF3 ----------------------→ KrF + photon phát xạ Tất nhiên, phải có các hệ thống truyền ảnh lên mẫu và chất cảm quang thích hợp với từng loại bức xạ (tức là phù hợp với từng bước sóng). 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 4
Quang khắc (tiếp) Nguồn laser màu Bước sóng Công suất cực Tần số Vật liệu (nm) đại (mJ/xung) (số xung/giây) F2 157 40 500 ArF 193 10 2000 KrF 248 10 2000 Laser mầu không có tính đơn sắc cao như laser Ar (khoảng biến thiên bước sóng ~ 1 nm so với < 0,0001 nm), nhưng thích hợp làm nguồn sáng cho quang khắc. Các laser màu còn được bơm bởi đèn halogen áp suất cao nên có mật độ công suất lớn (tới 10 kW/cm2) nên dễ làm hư hại các thấu kính và do đó, tăng độ méo của ảnh. Giới hạn thay thấu kính là 109 xung. Người ta còn thay chất liệu làm thấu kính từ SiO2 sang CaF2 hay MgF2, đặc biệt cho các bức xạ laser 157 nm. 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 5
Quang khắc (tiếp) B – Hệ thống truyền ảnh lên mẫu bán dẫn Được phân thành 3 loại: - In tiếp xúc trực tiếp (Contact printing): Độ nét cao, gây xước mẫu và mặt nạ - In sát mẫu (Promixity printing): Khe hở nhỏ cách mẫu giữ mặt nạ khỏi bị xước, nhưng độ phân giải thấp. Khó truyền được kích thước ~ µm lên đế nếu không dùng nguồn chiếu như tia X, tia điện tử. - In chiếu (Projection printing): Là phương pháp được áp dụng phổ biến hiện nay. Đa số các thiết bị quang khắc có hệ thống cơ học dò bước – lặp lại hay dò bước – quét, năng suất in truyền ảnh ~ 50 phiến/giờ và giá thành trong khoảng 5 – 10 triệu USD. 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 6
Quang khắc (tiếp) Vật lý của quá trình chiếu sáng – Nhiễu xạ Hàm sóng của bức xạ (ví dụ, ánh sáng phổ nhìn thấy) ( ) E (r , v) = Eo (r ) exp iΦ(r ) với Eo – biên độ, Φ – pha của dao động sáng. Nguyên lý Huyghen – Fresnel: Bất kỳ một điểm nào (trong trường hợp này, nằm trên phần trong suốt của mặt nạ) nhận ánh sáng đều có thể trở thành nguồn sáng thứ cấp, phát ánh sáng về phía trước nó, với pha và biên độ giống như do ánh sáng từ nguồn sơ cấp đưa tới. Nếu góc mở được giới hạn W theo chiều ngang và L theo chiều dọc, thì tại phiến, dao động sáng được coi là tổng hợp các dao động sáng được đóng góp từ các phần tử (dx) x (dy) của phần trong suốt trên mặt nạ: A e − ik ( R , R ') dσ λ ∫ ∫Σ RR ' E ( R' ) = i với A – biên độ sáng trên khoảng cách đơn vị từ nguồn, Σ – góc khối của phần trong suốt của mặt nạ (W x L) nhìn tới nguồn. Tích của E(R’) và E*(R’) cho biết cường độ sáng I. 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 7
Quang khắc (tiếp) Khi W và L ∞, cường độ sáng I → Eo2 như trường hợp không có mặt nạ chắn sáng. Khi W và L nhỏ, biên độ tổng hợp của các sóng phẳng với các pha khác nhau. Trường hợp đơn giản nhất: [ 1 2 ][ 1 2 ] I = E1e iΦ + E2 e iΦ E1e iΦ + E2 e iΦ = E12 + E22 + 2 E1 E2 cos(Φ1 − Φ 2 ) Nếu thỏa mãn điều kiện sau (r – bán kính từ tâm vùng được chiếu sáng trên mẫu tới điểm quan sát), phương trình E(R’) được giải và ta sẽ có điều kiện nhiễu xạ Fresnel: W 2 >> λ g 2 + r 2 Nhiễu xạ Fresnel (trường gần – near field) thường được dùng trong các hệ thống truyền ảnh bằng cách in trực tiếp hoặc in sát mẫu. 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 8
Quang khắc (tiếp) Phương pháp in chiếu là phương pháp công nghê quang khắc chủ yếu hiện nay, do có các ưu điểm sau: Độ phân giải cao Độ sâu tiêu điểm Độ chính xác cao Thị trường rộng Hàm truyền biến điệu nguồn bức xạ chiếu Năng suất cao Điều kiện nhiễu xạ Fraunhofer (trường xa – far field và trên W 2
Quang khắc (tiếp) 0,61λ α Rayleigh đề nghị tiêu chuẩn hợp lý để đánh giá độ phân giải là R= n sin α Theo định nghĩa, góc mở số của thấu kính là NA ≡ n sin α 0,61λ λ suy ra: R = NA = k1 NA , k1 – hệ số thực nghiệm, có giá trị (0,6 ÷ 0,8) phụ thuộc vào hệ quang khắc và chất cảm quang. Để tăng độ phân giải cần giảm λ hoặc tăng NA (tức là tăng kích thước thấu kính) Nhưng nếu tăng NA, ta lại làm giảm mất độ sâu tiêu điểm (Depth of Focus – DOF), với k2 – hệ số thực nghiệm: λ λ DOF = ± = k 2( NA) (NA)2 2 2 (vì đối với các góc θ nhỏ Nếu DOF lớn, ảnh vẫn nét tuy ở các độ cao khác nhau ) (các lớp khác nhau) Ví dụ: Hệ chiếu sáng với nguồn KrF2 (λ = 248 nm) và NA = 0.6, các hệ số k1 = 0,75 và k2 = 0,5, ta có độ phân giải R ≈ 0,3 µm và DOF ≈ 0,35 µm. 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 10
Quang khắc (tiếp) Hàm truyền biến điệu (Modulation transfer function – MTF) là một thông số khác liên quan tới kích thước đặc trưng của IC: I max − I min MTF = I max + I min MTF cho biết khả năng truyền đạt trung thực các hình ảnh từ mặt nạ sang tới lớp cảm quang trên phiến bán dẫn. Độ nét của ảnh (độ rộng phân biệt tương phản giữa vùng bị che khuất và vùng lộ sáng) ảnh hưởng tới khả năng phân biệt giữa các chi tiết, hay, tới kích thước đặc trưng trong thiết kế IC. Chất lượng truyền ảnh còn kém đi hơn nữa sau công đoạn tẩm thực do ảnh hưởng của hiện tượng tẩm thực ngang. 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 11
Quang khắc (tiếp) Một thông số nữa là tính kết hợp không gian của nguồn sáng: S = s/d , s – kích thước (đường kính) của nguồn sáng, d – đường kính của thấu kính. Do trong thực tế các nguồn sáng không phải là nguồn sáng điểm nên các tia sáng sau thấu kính chiếu đến mẫu không song song với nhau (không vuông góc với bề mặt mẫu). Trong thực tế người ta thường tính bằng công thức: S= (NA)condensor (NA) projection với ký hiệu condensor – thấu kính tụ, projection – thấu kính của hệ chiếu. Các hệ thống truyền ảnh bằng phương pháp in chiếu hiện nay có S = 0,5 ÷ 0,7. Quan hệ giữa MTF và S được biểu diễn: 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 12
Quang khắc (tiếp) Tổng kết so sánh cả ba phương pháp truyền ảnh: 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 13
Quang khắc (tiếp) Các ví dụ hệ thống in ảnh: Hệ thống in ảnh trực tiếp/sát mẫu Nguồn sáng đèn hơi hồ quang Hg qua các gương phản xạ ellipse (2) không cung cấp chùm sáng có độ đồng đều tốt, do đó, cần có bộ tích hợp quang học. Một trong số đó là thấu kính mắt ruồi (Fly’s eye lens – chi tiết 7 trên hình vẽ) – bao gồm một thấu kính lớn bằng thủy tinh nung chảy, có gắn nhiều thấu kính con để tạo nhiều tia sáng, và một thấu kính thứ hai để tái hợp lại các tia sáng đó. Chùm sáng sau khi qua gương phản xạ (8) được đưa tới thấu kính hội tụ (9) rồi tới mặt nạ (10). Phổ đèn hơi hồ quang Hg Hiện nay, các hệ thống in ảnh trực tiếp/sát mẫu không còn được sử dụng nhiều trong công nghiệp. Thay vào đó là các hệ thống in ảnh bằng phương pháp chiếu. 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 14
Quang khắc (tiếp) Các hệ thống in chiếu Hệ thống đầu tiên do Perkin-Elmer sáng chế vào khoảng những năm 1980, độ thu nhỏ 1:1 (ký hiệu 1x). Rất khó chế tạo mặt nạ, nhất là theo đà thu nhỏ kích thước linh kiện. Các phương pháp in chiếu: a) Quét toàn bộ: Cả mặt nạ và đế đứng yên, chiếu sáng toàn bộ. Cũng dùng cách này cho in ảnh trực tiếp/sát mẫu. b) Dò bước 1x: Mặt nạ đứng yên, đế di chuyển từng bước theo hai phương vuông góc trong mặt phẳng ngang. Chiếu sáng không thu nhỏ cho từng diện tích chip. c) Dò bước M:1 (còn gọi là dò bước và lặp lại): Cũng tương tự như phương pháp b), chỉ khác ở chố ảnh trên mặt nạ khi truyền tới chip được thu nhỏ đi M lần. Phương pháp này hiện nay vẫn được sử dụng trong các máy in chiếu. d) Dò bước và quét: Mặt nạ được quét theo một phương, trong khi đế di chuyển từng bước theo hai phương vuông góc trong mặt phẳng ngang. Như vậy, chùm sáng với kích thước nhỏ hơn cả sau khi di chuyển từng bước trên đế (ứng với vị trí từng chip) sẽ quét theo ảnh chip. Các máy chiếu hiện đại áp dụng phương pháp này để in ảnh trong quang khắc. 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 15
Quang khắc (tiếp) Các hệ thống ngày nay có độ thu nhỏ 2x hoặc 5x, và còn được gọi là các máy dò bước – stepper. Phương pháp in ảnh phổ biến là dò bước và quét. Hệ thống quang học trong các máy in chiếu hiện đại Sơ đồ quang học của máy in chiếu laser màu 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 16
Quang khắc (tiếp) Hệ thống Canon FPA 3000i5+Stepper Model type: i-Line (365nm) Wafer size: 200mm; 150mm (Loại) Stepper (Kích thước phiến) Resolution: Numerical Aperture ≤0.35µm 0.45 ~ 0.63 (Độ phân giải) (NA): (Số góc mở) Reduction ratio: Field size: 5:1 22mm x 22mm (Tỷ lệ thu nhỏ) (Kích thước trường) Overlay accuracy: (Độ Throughput: ≥100wph (200mm); ≤ 40nm (M+3σ) chính xác chồng lấn) (Năng suất) ≥120wph (150mm) Hệ thống Canon FPA-6000ES6a Scanner Model type: KrF (248nm) Wafer size: 300mm; 200mm (Loại) Scanner (Kích thước phiến) Resolution: Numerical Aperture ≤0.09µm 0.55 ~ 0.86 (Độ phân giải) (NA): (Số góc mở) Reduction ratio: Field size: 4:1 26mm x 33mm (Tỷ lệ thu nhỏ) (Kích thước trường) Overlay accuracy: (Độ Throughput: ≥100wph (300mm); ≤ 8nm (M+3σ) chính xác chồng lấn) (Năng suất) ≥170wph (200mm) Kích thước trường (26 x 33) mm lớn hơn diện tích bất cứ IC nào hiện có 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 17
Quang khắc (tiếp) Máy in laser dò bước (Laser stepper) 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 18
Quang khắc (tiếp) C – Chất cảm quang Chất cảm quang (CCQ) là một polymer hữu cơ được phun lên bề mặt mẫu, sau khi sấy khô tạo thành một lớp dày 0,5 – 1,0 µm. Dưới tác động của ánh sáng, phần lộ sáng sẽ có độ hòa tan tăng lên trong dung môi thích hợp (cảm quang dương), hay giảm đi so với độ hòa tan của phần không được chiếu sáng (cảm quang âm). Chất cảm quang âm (CCQA) hoạt động theo nguyên tắc kết nối các phân tử (polymer hóa) dưới tác dụng của ánh sáng. CCCA phản ứng nhạy với bức xạ và bám dính rất tốt với đế, nhưng có một nhược điểm cơ bản: do polymer hóa nên các đường và hình ảnh nói chung bị mất độ nét. Giới hạn độ phân giải của CCQA vào khoảng 1 µm. Vì vậy, trong công nghệ linh kiện bán dẫn kích thước đặc trưng nhỏ (ví dụ, sản xuất VLSI) chủ yếu sử dụng CCQ dương (CCQD) – độ phân giải 0,1 µm và tốt hơn. CCQD sẽ được mô tả chi tiết ở các bản trình bày ngay sau: 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 19
Quang khắc (tiếp) Thành phần của CCQ dương (cả g-line – λ = 436 nm – và i-line – λ = 365 nm) bao gồm: Cao su thụ động: là phần tử liên kết, có chức năng giúp màng cảm quang bám chặt vào đế. Hợp chất quang hoạt (Photoactive compound – PAC): dưới tác động của bức xạ thay đổi tính chất (độ hòa tan). Tỷ lệ với nền cao su trong màng khô là 1:1. Dung môi: tạo độ nhớt cần thiết, vừa đủ để phủ lên khắp bề mặt của mẫu một lớp đồng đều CCQ bằng phương pháp quay li tâm. Sẽ bốc hơi hết khi quay khô và sấy. CCQ Diazonaphthoquinone (DNQ) Cao su nền là novolac, một polymer chuỗi dài có chứa các vòng hydrocarbon thơm có gắn hai nhóm methyl và một nhóm OH. PAC trong DNQ thường là diazoquinones, phần quang hoạt nằm phía trên liên kết SO2. Diazoquinones không hòa tan trong các dung môi bình thường, tốc độ hòa tan của phần không chiếu sáng chỉ 1 – 2 nm/s. Phần phía dưới liên kết SO2 chỉ đóng vai trò thứ yếu và trong các hình vẽ sau được thay bằng ký hiệu R. Phân tử N2 liên kết yếu với mạch vòng và dễ bị bứt ra dưới tác động UV, để lại nút C có tính hoạt hóa cao. Nguyên tử C này bứt khỏi mạch vòng và liên kết đồng hóa trị với nguyên tử O – động thái này được gọi là sự sắp xếp lại Wolf (Wolf rearrangement) – tạo thành keten. Trong môi trường nước, việc nối thêm nhóm OH tạo ra sản phẩm cuối cùng là axit carbosilic. Axit này dễ tan trong thuốc hiện là dung dịch loãng KOH hay NaOH. 1/30/2006 Đại họ học Bá Hà Nội Bách khoa Hà 20