Header Page of 166 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 Footer Page of 166 Header Page of 166 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 hƣớng dẫn: Ths Bùi Đình Tú HÀ NỘI - 2011 Footer Page of 166 Header Page of 166 Lời cảm ơn Trước hết, em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Thạc sĩ: Bùi Đình Tú Người thầy tận tình hướng dẫn, bảo em kiến thức thiếu hụt suốt trình thực nghiệm viết khóa luận Cùng với ủng hộ sâu sắc thầy giúp em hoàn thành khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy, cô anh, chị Phòng thí nghiệm công nghệ Nano giúp đỡ tạo điều kiện suốt thời gian em làm việc phòng Cuối em xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô khoa Vật Lý Kỹ Thuật Công Nghệ Nano toàn thể thầy cô trường Đại Học Công nghệ Đại Học Quốc Gia Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện cung cấp kiến thức khoa học suốt bốn năm học qua Sinh viên: Trần Anh Quang Footer Page of 166 Header Page of 166 Tóm tắt nội dung Khóa luận nghiên cứu quy trình chế tạo cấu trúc kích thước micro-met công nghệ quang khắc thực phòng Bao gồm nghiên cứu về: ảnh hưởng nhiệt độ nung mẫu ban đầu, thời gian chiếu sáng UV, tốc độ quay phủ mẫu, thời gian chiếu sáng UV lần đến chất lượng màng, tốc độ rửa trôi chất cảm quang, độ dày màng sau quang khắc Từ tìm thông số phù hợp để tạo cấu trúc linh kiện kích thước micro-met hoàn chỉnh Footer Page of 166 Header Page of 166 Lời Cam Đoan Tôi cam đoan công trình nghiên cứu hướng dẫn ThS Bùi Đình Tú Các kết khóa luận thực nghiệm khảo sát Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước nhà trường lời cam đoan Hà Nội, ngày 22 tháng năm 2011 Sinh viên: Trần Anh Quang Footer Page of 166 Header Page of 166 MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHẮC HÌNH 1.1 Quang khắc 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Kỹ thuật quang khắc 1.1.3 Nguyên lý hệ quang khắc 1.1.4 Ứng dụng quang khắc 1.2 Quy trình quang khắc 1.3 Các phƣơng pháp khắc hình khác 1.3.1 Khắc hình chùm tia điện tử 1.3.2 Khắc hình tia X 1.3.3 Quang khắc ƣớt 10 1.4 Tổng quan phòng 11 1.4.1 Định nghĩa phòng 11 1.4.2 Các tiêu chuẩn phòng 11 1.5 Các trang bị cần thiết cho phòng 14 1.6 Kết luận chƣơng 15 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 16 2.1 Các thiết bị máy móc dùng 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 Footer Page of 166 Header Page of 166 2.3 Các hóa chất dùng phòng 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 phòng 24 2.4.1 Quy trình liff – off chất cảm quang dƣơng 24 2.4.2 Quy trình liff – off chất cảm quang âm 26 2.5 Kết luận chƣơng 27 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Khảo sát thông số tối ƣu để quang khắc phòng 28 3.1.1 Quy trình liff-off dùng mặt nạ dƣơng 28 3.1.2 Quy trình quang khắc âm (REVERSAL 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 khảo sát 44 3.3.1 Kết hình thái học sensor kính hiển vi điện tử quét (SEM) 44 KẾT LUẬN CHUNG 45 Hƣớng nghiên cứu tiếp theo: 45 Footer Page of 166 Header Page of 166 MỞ ĐẦU Quang khắc kỹ thuật phát triển từ đầu kỷ 20, sử dụng rộng rãi công nghiệp bán dẫn để chế tạo vi mạch điện tử phiến Si Ngoài ra, quang khắc sử dụng ngành khoa học công nghệ vật liệu để chế tạo chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo linh kiện vi điện tử (MEMS) Có thể nói quang khắc khâu bắt buộc ngành chế tạo vi linh kiện Hạn chế quang khắc ánh sáng bị nhiễu xạ nên hội tụ chùm sáng xuống kích cỡ nhỏ, nên chế tạo chi tiết có kích thước nano (độ phân giải thiết bị quang khắc tốt 50 nm), chế tạo chi tiết nhỏ cấp nanomet, người ta phải thay công nghệ quang khắc chùm điện tử (electron beam lithography) Trong công nghệ quang khắc ảnh hưởng yếu tố bên độ ẩm, nhiệt độ phòng,độ phòng thông số trình quang khắc thời gian chiếu sáng, tốc độ quay phủ, nhiệt độ nung mẫu ảnh hưởng lớn đến chất lượng màng Ở phòng thí nghiệm khác thông số tối ưu hóa để chế tạo linh kiện với chất lượng tốt Tại phòng thí nghiệm công nghệ nano thuộc Trường ĐH Công nghệ việc khảo sát ảnh hưởng thông số trình quang khắc đến chất lượng màng quang khắc thu chưa nghiên cứu cách đầy đủ Trong khóa luận khảo sát ảnh hưởng thông số đến chất lượng sản phẩm sau trình quang khắc Các kết thực nghiệm liên quan trình khảo sát trình bày chi tiết khóa luận tốt nghiệp Mục đích việc khảo sát tìm thông số phù hợp cho trình Từ dùng để áp dụng vào việc chế tạo màng linh kiện có chất lượng cao Footer Page of 166 Header Page of 166 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHẮC HÌNH 1.1 Quang khắc 1.1.1 Định nghĩa Quang khắc (hay photolithography) kĩ thuật sử dụng công nghệ bán dẫn công nghệ vật liệu, nhằm tạo chi tiết vật liệu với hình dạng kích thước xác định, cách sử dụng xạ ánh sáng làm biến đổi chất cảm quang phủ bề mặt vật liệu Do ảnh hưởng nhiễu xạ ánh sáng nên phương pháp quang khắc không cho phép tạo chi tiết nhỏ micro mét, phương pháp gọi quang khắc micro (micro photolithography) [9] 1.1.2 Kỹ thuật quang khắc Quang khắc tập hợp trình quang hóa nhằm thu phần tử bề mặt đế có hình dạng kích thước xác định Như vậy, quang khắc sử dụng phản ứng quang hóa để tạo hình Bề mặt đế sau xử lý phủ hợp chất hữu gọi chất cảm quang (photoresist) Chất cảm quang có tính chất nhạy quang, bền môi trường kiềm hay axit Cảm quang có vai trò bảo vệ chi tiết vật liệu khỏi bị ăn mòn tác dụng ăn mòn tạo khe rãnh có hình dạng chi tiết cần chế tạo Cảm quang thường phủ lên bề mặt kỹ thuật quay phủ (spin-coating) Cảm quang phân làm loại  Cảm quang dương: Chất cảm quang sau bị ánh sáng chiếu vào bị hòa tan dung dịch tráng rửa  Cảm quang âm: Chất cảm quang sau ánh sáng chiếu vào không bị hòa tan dung dịch tráng rửa Footer Page of 166 Header Page 10 of 166 Hình 1.1 u tr h h t  vi i h i g thu t iff- ff v thu t Kĩ thuật liff - off (Quang khắc chất cảm quang dương): Chất cảm quang dương sau phủ đế chiếu sáng thông qua mặt nạ (a) Những vùng chất cảm quang không mặt nạ che (bị chiếu sáng) bị biến đổi tính chất, tan dung dịch tráng rửa Còn lại vùng mặt nạ che (không bị chiếu sáng) bám dính đế (b) Tiếp vật liệu bốc bay (bằng phương pháp phún xạ, …) bám dính lên đế lớp chất cảm quang (c) Sau phần vật liệu bám chất cảm quang bị loại bỏ (liff-off) cách cho mẫu vào rung siêu âm acetone Phần vật liệu bám chất cảm quang lớp cảm quang bị rửa trôi, lại lớp vật liệu bám đế (d)  Kĩ thuật ăn mòn (Quang khắc cảm quang âm): Là ngược lại quy trình quang khắc dương Ban đầu vật liệu bay bốc lên đế, sau phủ chất cảm quang âm Mẫu cho vào chiếu sáng thông qua mặt nạ (a), vùng cảm quang không chiếu sáng tan dung dịch tráng rửa, lại vùng Footer Page 10 of 166 Header Page 39 of 166 mẫu lên màng chiếu UV không mặt nạ Từ bảng 3.3 hình 3.3, nhận thấy lớp cảm quang bị đóng rắn thời gian pre-bake 40 s Nguyên nhân tượng hợp chất hữu thành phần chất cảm quang bị nung nhiệt độ cao thời gian dài bị nhiệt hóa hay nói cách khác liên kết chất cảm quang bị phá vỡ tính chất đặc trưng chất cảm quang làm cho không tan dung dịch Developer Tại thời gian pre-bake 15s, màng có chất lượng tốt nhất, cảm quang bị trôi hoàn toàn không bị rửa trôi nhanh Ở lần khảo sát sau ta chọn thời gian pre-bake 15 giây Bảng 3.3 Thời gian rửa trôi theo thời gian pre - bake Thời gian Tình trạng mẫu sau rửa pre-bake Thời gian màng trôi giây phút Sạch hoàn toàn 15 giây phút Sạch hoàn toàn 40 giây phút PR bắt đầu đóng rắn, 60% bề mặt 60 giây - PR đóng rắn bề mặt, không bị rửa trôi 80 giây - PR đóng rắn bề mặt, không bị rửa trôi 100 giây - PR đóng rắn bề mặt, không bị rửa trôi 120 giây - PR đóng rắn bề mặt, không bị rửa trôi Thời gian rửa trôi(giây) Mẫu Thời gian nung mẫu(giây) Hình 3.3 Sự phụ thuộ thời gia rửa trôi ả qua g v 32 Footer Page 39 of 166 thời gia u g ẫu (pre bake) Header Page 40 of 166 c Khảo sát chất lƣợng màng theo thời gian chiếu tia UV * Mục đích: Khảo sát chất lượng màng theo thời gian chiếu tia UV Từ tìm thời gian chiếu để màng có chất lượng tốt * Quy trình Chuẩn bị 12 mẫu silic rửa sạch, sấy khô, thực bước quay phủ, sấy sơ với thông số tối ưu phần khảo sát 3.1.1a 3.1.1b (nhiệt độ ủ C, thời gian pre - bake 15 giây) Chiếu tia UV vào mẫu, thời gian chiếu mẫu tia UV từ 0,5 giây đến giây, mẫu cách 0,5s Bảng 3.4 Thời gian rửa trôi theo thời gian chiếu xạ Mẫu Thời gian Thời gian Bề mặt mẫu trước rửa trôi chiếu UV(s) rửa trôi (s) 0,5 420 Đẹp, tượng cháy Sạch hoàn toàn màng 375 Đẹp, tượng cháy Sạch hoàn toàn màng 1,5 317 Đẹp, tượng cháy Sạch hoàn toàn màng 240 Đẹp, tượng cháy Sạch hoàn toàn màng 2,5 205 Đẹp, tượng cháy Sạch hoàn toàn màng 180 Đẹp, tượng cháy Sạch hoàn toàn màng 3,5 150 Màng bắt đầu bị cháy 105 Màng bị cháy,vết cháy xuất Sạch hoàn toàn nhiều màng 4,5 95 Màng bị cháy,vết cháy xuất Sạch hoàn toàn nhiều màng 10 90 Màng bị cháy,vết cháy xuất Sạch hoàn toàn nhiều màng 11 74 Màng bị cháy,vết cháy xuất 12 60 Màng bị cháy,vết cháy xuất Sạch hoàn toàn nhiều màng 33 Footer Page 40 of 166 Bể mặt mẫu sau rửa trôi Sạch hoàn toàn Sạch hoàn toàn Header Page 41 of 166 450 Thời gian rửa trôi (s) 400 350 300 250 200 150 100 50 Thời gian chiếu sáng (s) Hình 3.4 Đồ thị iểu diễ thời gia rửa trôi the thời gia hi u sá g Kết luận: Từ hình 3.4, thấy, thời gian rửa trôi lớp cảm quang tỉ lệ nghịch với thời gian chiếu xạ UV Có thể giải thích tượng sau: với thời gian chiếu xạ ngắn quang hóa xảy lớp cảm quang cùng, lớp cảm quang chưa trải qua trình này, khó bị rửa trôi Khi thời gian chiếu sáng đủ dài, quang hóa xảy tất lớp cảm quang nên trình rửa trôi diễn nhanh Hình 3.5 cho thấy màng bắt đầu bị cháy thời gian chiếu 3,5s Vì vậy, thời gian chiếu xạ tốt s Ở điều kiện này, màng chưa bị cháy tốc độ rửa trôi không nhanh d Khảo sát chất lƣợng màng thay đổi bề dày màng theo tốc độ quay phủ * Mục đích: Khảo sát thay đổi bề dày màng theo tốc độ quay phủ Áp dụng để khảo sát công thức (*) √ Từ chọn tốc độ quay phủ để màng có chất lượng tốt 34 Footer Page 41 of 166 Header Page 42 of 166 * Quy trình: Chuẩn bị mẫu, làm mẫu thực hiên bước với thông số tối ưu hóa phần 3.1.1a, 3.1.1b 3.1.1c (nhiệt độ ủ mẫu C, thời gian pre - bake 15 s, thời gian chiếu xạ UV 3s) Thiết lập cho máy quay phủ theo thông số cho bảng 3.5 Bảng 3.5 Các thông số cho trình quay phủ Bước Tốc độ quay phủ (v/p) Số lần gia tốc Thời gian (s) 800 10 x 35 x: thay đổi theo mẫu Ta chọn tốc độ quay phủ từ 2000 đến 6000 (v/p), mẫu cách 500 v/p Sau mẫu quay phủ xong sấy sơ cách cho lên hotplate nung C 15s Cho mẫu vừa sấy lên đế máy quang khắc Mặt nạ cần dùng đặt hệ thấu kính mẫu Điều chỉnh cho bề mặt mẫu sát với mặt nạ Đặt thông số cho máy MJB4: thời gian chiếu 3s, cường độ ánh sáng 15,8 mW/ Sau chiếu xạ UV, cho mẫu vào dung dịch developer để tẩy rửa Lắc phần cảm quang chiếu tia UV bị rửa trôi hết Tiếp theo, cho mẫu vào DI water khuấy để trôi hết developer lại bề mặt mẫu Để lớp cảm quang cứng hoàn toàn bám vào đế, đồng thời làm bốc toàn dung môi khỏi cảm quang, sấy khô mẫu nhiệt độ 120oC thời gian 1phút 30 giây Đo độ dày mẫu Cho mẫu vào máy DEKTAK 150 để đo độ dày Bật máy DEKTAK 150, khởi động máy tính , chạy chương trình 2000V.data Vì mẫu phủ polimer lên lực Force phải đặt ≤ 5mg (tránh làm hỏng bề mặt mẫu) Ở ta đặt (mg) Sau máy quét xong,ta chọn vùng biên phần PR đóng rắn phần đế bị rửa trôi để đo chiều dày lớp màng phủ hình sau 35 Footer Page 42 of 166 Header Page 43 of 166 Hình 3.6 Giao di n phần mềm đ độ dày DEKTAK 150 Vùng màu xanh: vùng chọn để đo độ cao Độ cao theo đế tính giá trị trung bình vùng Vùng màu đỏ: vùng chọn để đo độ cao lớp màng PR Độ cao màng theo đế tính giá trị trung bình vùng Độ cao màng theo tính hiệu số hai độ cao Tiến hành đo với mẫu quay phủ tốc độ khác Số liệu ghi bảng 3.6 Bảng 3.6 Độ dày màng phụ thuộc vào tốc độ quay phủ Mẫu Tốc độ quay phủ(v/p) 11 2000 Độ dày màng sau nung( 4,49 Thời gian rửa Bề mặt mẫu sau rửa trôi trôi 3phút 10 giây Vùng PR chiếu sáng ) không bị rửa trôi hết 22 2500 3,79 3phút 5giây Vùng PR chiếu sáng không bị rửa trôi hết 36 Footer Page 43 of 166 Header Page 44 of 166 3000 3,75 3phút Mẫu đẹp,chi tiết sắc nét 3500 3,62 2phút 30giây Mẫu đẹp, chi tiết sắc nét 4000 3,24 1phút 40giây Vùng PR không chiếu sáng bị rửa trôi 4500 2,28 1phút 20giây Vùng PR không chiếu sáng bị rửa trôi 5000 2,2 1phút Vùng PR không chiếu sáng bị rửa trôi 5500 2,17 56giây Mẫu bị rửa trôi hết Ở tốc độ quay phủ chậm, lớp màng cảm quang dày nên khó bị rửa trôi Khi ta tốc độ quay phủ tăng lên lên màng cảm quang mỏng dần lên dễ bị rửa trôi Nếu tốc độ quay phủ nhanh dẫn đến lớp màng không bị chiếu bị rửa trôi Do ta chọn tốc độ quay phủ cho màng cảm quang có độ dày hợp lý để vùng cảm quang chiếu sáng bị rửa trôi hết, vùng che mặt nạ không bị rửa trôi Từ bảng ta thấy tốc độ quay phủ 3000 3500 (v/p) hợp lý, quan sát qua kính hiển vi ta thấy mẫu quay 3000 v/p có bề mặt đẹp mẫu quay 3500 v/p Ở lần khảo sát sau ta chọn tốc độ quay phủ 3000 (v/p) Từ bảng 3.6 ta khảo sát công thức (*) cách lập biểu đồ so sánh kết tính toán độ dày màng theo tốc độ quay phủ với kết thực tế thu (hình 3.6) Như ta thấy kết đo phù hợp với tính toán lý thuyết Điều chứng tỏ thông số đưa cho quy trình chuẩn, kết đo độ dày màng máy DEKTAK 150 đạt độ xác cao 37 Footer Page 44 of 166 Header Page 45 of 166 ®é dµy mµng thùc tÕ ®é dµy mµng lý thuyÕt ®é dµy mµng (um) 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 tèc ®é quay phñ (v/p) Hình 3.6 Độ d g phụ thuộ v tố độ qua phủ Kết luận: Trong phần 3.1.1 tìm thông số tối ưu cho quy trình liff - off sau: - Nhiệt độ ủ mẫu C, - Thời gian pre - bake 15 s - Thời gian chiếu xạ UV s - Tốc độ quay phủ 3000 (v/p) 3.1.2 Quy trình quang khắc âm (REVERSAL AZ5214E) Trên trình bày quy trình quang khắc dương đế Si/SiO2 thông số tối ưu cho quy trình Tiếp tiếp tục khảo sát quy trình quang khắc âm, từ tìm thông số tối ưu cho quy trình Quy trình quang khắc âm: Quay phủ (spin5.coating) Sấy sơ Chiếu (exposure) Sấy lần (Postbaking) 38 Footer Page 45 of 166 Chiếu không Mask Tráng rửa (develop) Mẫu Header Page 46 of 166 a Khảo sát chất lƣợng màng theo thời gian chiếu sáng lần hai Như vậy,ta áp dụng thông số tìm cho bước đầu quy trình quang khắc âm Giờ ta khảo sát phụ thuộc chất lượng màng vào thay đổi thời gian chiếu sáng lần (Flood Exposure) Mục đích: Tìm thời gian chiếu tia UV (flood exposure) tốt Quy trình: Chuẩn bị mẫu, cho vào rung siêu âm, tráng rửa aceton, cồn Sau xì khô Cho nung hotplate 10 phút để loại hết nước bám bề mặt mẫu Cho mẫu vào quay phủ với thông số cho bảng 3.7 Sau sấy sơ cách nung hotplate 900 C thời gian 15 s Mặt nạ đặt hệ thấu kính mẫu điều chỉnh sát với bề mặt mẫu Chiếu xạ UV thời gian 3s, với cường độ chùm sáng 15,8 mW/ chiếu tia UV cho lên hotplate nung Mẫu vừa C 60 giây Bảng 3.7 Các thông số cho trình quay phủ Bước Tốc độ quay phủ (v/p) Số lần gia tốc Thời gian(s) 800 10 3000 35 Cho mẫu vào chiếu xạ UV không dùng mặt nạ thời gian từ 15 s đến 65 s, lần cách 10s Sau đó, cho mẫu vào dung dịch developer để tẩy rửa Lắc phần cảm quang chiếu tia UV lần bị rửa trôi hết Cho vào DI water khuấy cho trôi hết developer bề mặt mẫu Bảng 3.8 Thời gian rửa trôi phụ thuộc vào thời gian chiếu xạ UV Mẫu Thời gian chiếu Thời gian rửa trôi UV lần (s) Bề mặt mẫu sau rửa trôi 15 phút 57 giây Màng bị rửa trôi hết 25 phút 53 giây Phần cảm quang chiếu sáng lần bị rửa trôi 35 phút 54 giây Mẫu đẹp Chi tiết sắc nét 39 Footer Page 46 of 166 Header Page 47 of 166 45 Phần cảm quang chiếu phút sáng lần không bị rửa trôi hết 55 phút 16 giây Phần cảm quang chiếu sáng lần không bị rửa trôi hết 65 phút 19 giây Cảm quang không bị rửa trôi Bảng 3.8 cho thấy phụ thuộc thời gian rửa trôi vào thời gian chiếu xạ lần Nhận thấy, thời gian chiếu sáng lần ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng màng Ở thời gian chiếu xạ 35 s, màng có chất lượng tốt, chi tiết sắc nét Có thể quan sát rõ điều hình 3.7: Hình 3.7 Bề mặt mẫu chi u UV 35s sau developer 3.2 Chế tạo thử nghiệm vi cấu trúc linh kiện theo quy trình quang khắc âm Trong phần này, sử dụng thông số tối ưu hóa phần 3.1 để tiến hành chế tạo sensor phương pháp liff – off sử dụng mặt nạ âm Đầu tiên ta áp dụng quy trình quang khắc tìm để chế tạo mẫu có hình dạng sensor chưa có điện cực Nếu mẫu cho có chất lượng tốt ta tiến hành chế tạo sensor đầy đủ 40 Footer Page 47 of 166 Header Page 48 of 166 3.2.1 Quy trình chế tạo mẫu sensor Chuẩn bị bề mặt: Đế Si/SiO2 ban đầu xử lý bề mặt theo bước sau: - Rung siêu âm đế Si/SiO2 dung dịch aceton thời gian 10 phút - Rung siêu âm đế Si/SiO2 cồn tuyệt đối thời gian phút - Rửa dòng nước DI áp suất cao thời gian phút - Làm khô mẫu Si/SiO2 khí nitơ áp suất cao - Gia nhiệt 1200C thời gian 10 phút để sấy tách ẩm hoàn toàn đế Si/SiO2 Phủ cảm quang: Cho đế vào thiết bị quay phủ Suss MicroTech môi trường chân không Cảm quang dương sử dụng AZ 5214E Các thông số kiểm soát giai đoạn này: Tốc độ 3000 vòng/phút, thời gian quay 45 s, độ dày lớp phủ 3,5 m Sấy sơ bộ: Cho mẫu nung hotplate Các thông số sử dụng nhiệt độ 90 oC, thời gian nung 15 s Chiếu chùm tia UV: Trong giai đoạn này, mẫu sau phủ chất cảm quang chiếu ánh sáng để chuyển hình ảnh lên Mặt nạ cần dùng đặt hệ thấu kính mẫu Hình ảnh ta dùng sensor dùng để đo từ trường Trái Đất Đặt thời gian chiếu xạ s, cường độ chiếu xạ :15,8 mW/ Sấy lần 2: Mẫu chiếu tia UV xong cho lên nung nhiệt độ 100 oC 60s Chiếu xạ không mặt nạ:Thời gian chiếu xạ 35 s, cường độ chiếu xạ 15,8 mW/ Tráng rửa: Cho mẫu vào dung dịch developer thời gian 40 s, sau rửa tiếp nước khử ion (DI) 20 s Trong trình rửa đế cần lắc nhẹ mẫu để làm tăng hiệu rửa Sau đế làm khô khí N2 Sấy khô: Điều kiện sấy sử dụng nhiệt độ 120oC, thời gian sấy phút 30 giây Mẫu sau sấy xong, quan sát kính hiển vi quang học ta thu hình ảnh sản phẩm hình 3.8 41 Footer Page 48 of 166 Header Page 49 of 166 Hình 3.8 T h h se s r g qu tr h qua g hắ â Chế tạo màng Ta/NiFe/Cu Sau quang khắc, đưa mẫu vào máy phún xạ để phủ lớp màng có cấu trúc sensor đo từ trường Mục đích để kiểm tra độ bám dính màng đế vừa quang khắc phòng Để chế tạo lớp màng Ta/NiFe/Cu cấu trúc sensor sử dụng máy phún xạ catot CA-2000MIF Buồng chế tạo mẫu hút chân không đến 3,3×10-7 Torr (chân không sở), sau đưa khí Ar vào buồng chế tạo đến áp suất ổn định 2,1 mTorr (áp suất làm việc) bắt đầu tiến hành phún xạ với thông số bảng 3.9 Bảng 3.9 Các thông số phún xạ màng Ta/NiFe/Cu Màng Nhiệt độ đế Áp suất Ar Công suất Vận tốc quay Thời gian (oC) Ta NiFe (mTorr) Nhiệt độ phòng Cu đế (v/p) (W) (phút) 2,1 25 20 2,1 25 20 2,1 50 20 10 Mẫu thu sau quy trình phún xạ cho vào dung dịch aceton rung siêu âm 15 phút để rửa trôi hết lớp cảm quang lớp màng vật liệu bám 42 Footer Page 49 of 166 Header Page 50 of 166 Mẫu thu có hình dạng chi tiết sensor cần tạo (hình 3.9) Từ hình 3.9, nhận thấy mẫu sensor tạo có chi tiết sắc nét, mầu sắc lớp phủ đều, chứng tỏ lớp vật liệu phún xạ bám dính bề mặt đế bề dày lớp vật liệu đồng đều, không bị ghồ ghề Từ kết luận này, có đủ sở để chế tạo sensor hoàn chỉnh, trình bày phần 3.2.2 Hình 3.9 Bề ặt ẫu se s r sau qu tr h iff-off (qua sát í h hiể vi độ phâ giải x50…) 3.2.2 Chế tạo sensor đo từ trƣờng Trái Đất Cấu trúc ta chế tạo sensor Hall dùng để đo từ trường Trái Đất Vì có kích thước nhỏ lên việc chế tạo thành công sensor khẳng định quy trình khảo sát hoàn toàn xác Tiến hành quy trình quang khắc sử dụng mặt nạ sensor đo từ trường, sau tiến hành phún xạ lớp vật liệu Ta/NiFe/Cu với thông số nêu mục 3.2.1 Liff-off để loại bỏ lớp cảm quang màng vật liệu bám dính lớp cảm quang Ta có cấu trúc sensor tương đối hoàn chỉnh Tiếp theo, chế tạo lớp điện cực cho sensor cách quay phủ lớp AZ5214-E lên mẫu, sử dụng mặt nạ điện cực Sau trình quang khắc, tiến hành phún xạ lớp màng kim loại Cu làm điện cực lên mẫu Tiến hành liff-off để rửa trôi hết lớp cảm quang màng điện cực bám dính Như chế tạo xong sensor đo từ trường hoàn chỉnh 43 Footer Page 50 of 166 Header Page 51 of 166 3.3 Kết khảo sát 3.3.1 Kết hình thái học sensor kính hiển vi điện tử quét (SEM) Sau chế tạo cấu trúc sensor đo từ trường Trái Đất, kiểm tra hình thái bề mặt mẫu kính hiển vi điện tử quét Ảnh SEM sensor vừa chế tạo trình bày hình 3.10 Từ ảnh SEM thấy thấy bề mặt sensor có cấu trúc bậc rõ nét Ở độ phân giải 50 µm thấy mối điện cực có bề mặt mịn, đầu mối nối chắn, đồng chứng tỏ quy trình khảo sát hoàn toàn xác Hình 3.10 Ả h SEM - ả h ự (a) v ả h ề ặt ( ) se s r 44 Footer Page 51 of 166 Header Page 52 of 166 KẾT LUẬN CHUNG Như khóa luận khảo sát quy trình chế tạo vi linh kiện phương pháp quang khắc Tìm quy trình thông số phù hợp cho quy trình từ tiến hành chế tạo thử nghiệm mask sensor đo từ trường trái đất Đã quan sát mẫu chế tạo quang khắc (phủ cảm quang quang khắc) sau phún xạ màng kim loại liff-off kính hiển vi quang học độ phân giải x50 cho thấy màng tạo sắc nét, chi tiết đồng Kiểm tra độ bám dính màng rung siêu âm thời gian dài, kết màng bám dính tốt Điều chứng tỏ thông số tìm thấy hoàn toàn phù hợp Khóa luận đạt đƣợc kết sau đây: 1độ ủ mẫu Tìm thông số phù hợp để quang khắc phòng sạch: nhiệt C, thời gian pre - bake 15 s, thời gian chiếu xạ UV s, tốc độ quay phủ 3000 (v/p) thời gian chiếu xạ lần hai 35 s 2- Chế tạo thành công cấu trúc sensor dựa màng đa lớp Ta/NiFe/Cu cách sử dụng thông số tối ưu hóa, phương pháp liff – off sử dụng mặt nạ âm 3- Chế tạo thành công sensor đo từ trường Trái Đất phòng Khảo sát hình thái học sensor vừa chế tạo kính hiển vi điện tử quét Hƣớng nghiên cứu tiếp theo: Từ thông số tối ưu hóa, sử dụng để chế tạo linh kiện, cảm biến có kích thước micro-met có độ xác cao 45 Footer Page 52 of 166 Header Page 53 of 166 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo tiếng Việt [1]Lê Tuấn,Quang khắc, Nhà xuất Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2003,tr.20,25 [2] Trần Văn Vũ, Tổng quan quang khắc, Nhà xuất Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2003,tr.35-45 Tài liệu tham khảo tiếng Anh [3] Campbell, Stephen A The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, New York, Oxford University Press, 2001 [4]Charmers College Accessed 25 Micro and Nanoprocessing Technologies, Lecture 4b July 2005 [5]Clariant AZ 5214 E Image Reversal Photoresist Product Data Sheet [6]Hovinen, Anssi, et Al Lithography in Experimental Environment, Reports in Electron Physics, 21/2000, Helsinki University of Technology.,(2000) [7] W.Whyte, Cleanroom Technology: Fundamentals of Design, Testing and Operation, John Wiley and Sons Inc., (2001) [8]W.Whyte, A short course on cleanroom technology: Fundamentals of design,testing and operation (Handout of University of Glasgow), Glasgow, 2006 [9] http://www.wikipedia.org 46 Footer Page 53 of 166 ... 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... quang khắc sử dụng ngành khoa học công nghệ vật liệu để chế tạo chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo linh kiện vi điện tử (MEMS) Có thể nói quang khắc khâu bắt buộc ngành chế tạo vi linh kiện Hạn chế. .. Trong chương 1, trình bày tổng quan công nghệ khắc hình Các kỹ thuật quang khắc, quy trình quang khắc kỹ thuật quang khắc trình bày chi tiết đầy đủ Qua đó, đưa cách nhìn tổng quan công nghệ khắc