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 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật Lý Kỹ Thuật HÀ NỘI – 2011 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 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Cán bộ hƣớng dẫn: Ths. Bùi Đình Tú HÀ NỘI - 2011 Lời cảm ơn Trước hết, em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Thạc sĩ: Bùi Đình Tú. Người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em những kiến thức còn thiếu hụt trong suốt quá trình thực nghiệm và viết khóa luận. Cùng với sự ủng hộ sâu sắc của thầy đã giúp em hoàn thành khóa luận này. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy, cô cùng các anh, chị trong Phòng thí nghiệm công nghệ Nano đã giúp đỡ và tạo điều kiện trong suốt thời gian em làm việc tại phòng. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô trong khoa Vật Lý Kỹ Thuật và Công Nghệ Nano cùng toàn thể thầy cô trong trường Đại Học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện và cung cấp kiến thức khoa học cơ bản trong suốt bốn năm học qua. Sinh viên: Trần Anh Quang 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. Lời Cam Đoan Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của ThS. Bùi Đình Tú. Các kết quả trong khóa luận này là do chúng tôi thực nghiệm và khảo sát. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước nhà trường về lời cam đoan này. Hà Nội, ngày 22 tháng 5 năm 2011 Sinh viên: Trần Anh Quang MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHẮC HÌNH 2 1.1 Quang khắc 2 1.1.1. Định nghĩa 2 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 2.5. Kết luận chƣơng 2 27 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1. Khảo sát các thông số tối ƣu để quang khắc trong phòng sạch 28 3.1.1. Quy trình liff-off dùng mặt nạ dƣơng 28 3.1.2. Quy trình quang khắc âm (REVERSAL của AZ5214E) 38 3.2 Chế tạo thử nghiệm vi cấu trúc linh kiện theo quy trình quang khắc âm 40 3.2.1 Quy trình chế tạo mẫu sensor 41 3.2.2 Chế tạo sensor đo từ trƣờng Trái Đất 43 3.3 Kết quả khảo sát 44 3.3.1 Kết quả hình thái học của sensor bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) 44 KẾT LUẬN CHUNG 45 Hƣớng nghiên cứu tiếp theo: 45 1 MỞ ĐẦU Quang khắc là kỹ thuật đã được phát triển từ đầu thế kỷ 20, và được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp bán dẫn để chế tạo các vi mạch điện tử trên các phiến Si. Ngoài ra, quang khắc được sử dụng trong ngành khoa học và công nghệ vật liệu để chế tạo các chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo các linh kiện vi cơ điện tử (MEMS). Có thể nói quang khắc là khâu bắt buộc trong ngành chế tạo vi linh kiện. Hạn chế của quang khắc là do ánh sáng bị nhiễu xạ nên không thể hội tụ chùm sáng xuống kích cỡ quá nhỏ, vì 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] 1.1.2. Kỹ thuật quang khắc Quang khắc là tập hợp các quá trình quang hóa nhằm thu được các phần tử trên bề mặt của đế có hình dạng và kích thước xác định. Như vậy, quang khắc sử dụng các phản ứng quang hóa để tạo hình. Bề mặt của đế sau khi xử lý được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cảm quang (photoresist). Chất cảm quang có tính chất nhạy quang, bền trong các môi trường kiềm hay axit. Cảm quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo. Cảm quang thường được phủ lên bề mặt tấm bằng kỹ thuật quay phủ (spin-coating). Cảm quang được phân làm 2 loại  Cảm quang dương: Chất cảm quang sau khi bị ánh sáng chiếu vào sẽ bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa.  Cảm quang âm: Chất cảm quang sau khi ánh sáng chiếu vào thì không bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa. 3 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 [...]... Kết luận chƣơng 2 Trong chương này, tôi đã trình bày về các phương pháp thực nghiệm và các hóa chất dùng để thực hiện quy trình quang khắc phục vụ cho việc chế tạo sensor đo từ trường 27 CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát các thông số tối ƣu để quang khắc trong phòng sạch Mục đích: Khảo sát các điều kiện quang khắc trong phòng sạch, từ đó tìm ra điều kiện tối ưu cho mỗi quy trình quang khắc. .. và được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp bán dẫn để chế tạo các vi mạch điện tử trên các phiến Si Ngoài ra, quang khắc được sử dụng trong ngành khoa học và công nghệ vật liệu để chế tạo các chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo các linh kiện vi cơ điện tử (MEMS) Hạn chế của quang khắc là do ánh sáng bị nhiễu xạ nên không thể hội tụ chùm sáng xuống kích cỡ quá nhỏ, vì thế nên không thể chế tạo các chi... không thể chế tạo các chi tiết có kích thước nanô (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 khắc chùm điện tử (electron beam lithography).[9] 1.2 Quy trình quang khắc Hình 1.3 mô tả các bước trong quy trình quang khắc Hình 1.3 Cá ước trong quy trình quang khắc Bƣớc 1: Làm sạch và khô bề mặt đế: Có nhiều... 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 15 CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Các thiết bị máy móc dùng trong quá trình quang khắc 2.1.1 Máy quay phủ (Spin Coating) WS-400B-6NPP Khi thực hiện quy. .. khí trong phòng còn phụ thuộc vào các hạt bụi sinh ra trong các hoạt động trong phòng, chứ không chỉ là các con số cố định của phòng Chính vì thế, trong các tiêu chuẩn của phòng, luôn đòi hỏi các hệ thống làm sạch liên hoàn và còn quy định về quy mô phòng và số người, số hoạt động khả dĩ trong phòng sạch[ 7] 1.5 Các trang bị cần thiết cho phòng sạch Con người làm việc trong phòng sạch là một nguồn tạo. .. sâu tiêu điểm DOF tăng lên ở các kích thước đặc trưng lớn hơn, ngay cả so với các kích thước đặc trưng của quang khắc thô [2] 10 1.4 Tổng quan về phòng sạch 1.4.1 Định nghĩa về phòng sạch Phòng sạch (cleanroom), theo tiêu chuẩn ISO 14644-1, được định nghĩa như sau: “Là một phòng mà nồng độ của các hạt lơ lửng trong không khí bị khống chế, và nó được xây dựng và sử dụng trong một kết cấu sao cho sự có... phân tích tính chất quang điện, phân tích thành phần hóa học, phân tích hình thái bề mặt Vì khóa luận này chỉ dừng lại ở việc khảo sát quy trình quang khắc trong chế tạo vi linh kiện, mà cụ thể ở đây là sensor nên chúng tôi chỉ dùng SEM để khảo sát hình thái bề mặt của mẫu 2.3 Các hóa chất dùng trong phòng sạch Các hóa chất dùng trong phòng thí nghiệm bao gồm: mồi HMDS, chất cảm quang, các chất tẩy... hạt trong phòng được giảm đến tối thiểu và các yếu tố khác trong phòng như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất đều có thể khống chế và điều khiển.” [7] Nói một cách đơn giản, phòng sạch là một phòng kín mà trong đó, lượng bụi trong không khí, được hạn chế ở mức thấp nhất nhằm tránh gây bẩn cho các quá trình nghiên cứu, chế tạo và sản xuất Đồng thời, nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của không khí cũng được khống chế. .. để tạo chân không giữa đế và mẫu Buồng có nắp đậy ở trên để ngăn chặn bụi rơi vào mẫu khi quay phủ Hệ thống chống rung giúp máy vận hành êm, giảm thiểu hạt sinh ra trong quá trình quay phủ 2.1.2 Hệ quang khắc MJB4 (SUSS MICROTECH) Hệ quang khắc MJB4 được trang bị cho phòng thí nghiệm trường Đại học Công nghệ từ năm 2010 Là một trong những máy quang khắc bằng tia UV hiện đại nhất hiên nay, MJB4 giúp tạo. .. quang hoạt sẽ thay đổi độ hòa tan dưới tác động của bức xạ Dung môi trong chất cảm quang sẽ bốc hơi hết khi quay khô và sấy Chất cảm quang được dùng trong phòng sạch trường Đại học Công nghệ là AZ5214E AZ5214E là một chất cảm quang đặc biệt, nó có thể được sử dụng cho cả quá trình quang khắc dương và âm 2.3.2 Mồi HMDS Mẫu sau quá trình nung nhiệt sẽ được phủ bằng mồi HMDS Mồi HMDS sẽ liên kết với các . 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 KHOÁ LUẬN. 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 KHOÁ LUẬN