Nghiên cứu quy trình công nghệ quang khắc trong phòng sạch sử dụng chế tạo linh kiện kích thước micro

c 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 cách để tách tạp chất trên bề mặt đế như: thổi khí nitơ có áp suất cao, vệ sinh bằng hóa chất, dòng nước có áp suất 6 cao và dùng cọ rửa. Sau đó sấy tách ẩm bằng cách gia nhiệt ở nhiệt độ từ 150 oC đến 200 oC 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. Sơ đồ 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 - Bề mặt khô không đều - Các đường biên dày hơn (có thể dày hơn 20-30 lần) - Có thể đặt một vòng tròn ở đường biên. - Dùng dung môi phun lên lớp biên để hoàn tan Xuất hiện các đường sọc Do trong chất cảm quang có các hạt rắn có đường kính lớn hơn độ dày lớp phủ. - Làm sạch chất cảm quang trước khi quay phủ. 7 Bƣớc 4: Sấy sơ bộ (Soft-Bake). Mục đích của bước này là làm bay hơi dung môi có trong chất cảm quang. Trong quá trình sấy, độ dày lớp phủ sẽ giảm khoảng 25%. Phương pháp thực hiện: Dùng lò đối lưu nhiệt Dùng tấm gia nhiệt Dùng sóng viba và đèn hồng ngoại. - Nhiệt độ: 90-100oC - Thời gian: 20 phút - Nhiệt độ: 75-85oC - 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 - Do ảnh hưởng của nhiễu xạ nên hạn chế độ chính xác của hình ảnh. - Độ lặp lại của hình ảnh kém Mặt nạ đặt cách xa chất cảm quang - Độ phân giải rất cao: < 0.07 m) - Không gây hư hỏng mặt nạ - Giá thành cao - Bị ảnh hưởng của nhiễu xạ 8 Hình 1.5. Cá phươ g pháp định vị mặt n và chi u sáng Bƣớc 6: Tráng rửa: Dùng hóa chất tách các chất cảm quang chưa đóng rắn. Tỷ lệ hòa tan của vùng chiếu và vùng không được chiếu là 4:1. Do đó cảm quang dương nhạy hơn cảm quang âm. Các thông số kiểm soát trong quá trình rửa: nhiệt độ, thời gian, phương pháp và hóa chất để rửa. Phương pháp rửa bao gồm hai phương pháp: phương pháp nhúng (đưa trực tiếp dung dịch rửa) và phương pháp phun. Cảm quang âm Cảm quang dương - Chất rửa: xylen - Chất súc lại: n-butylacetate - Chất rửa: (NaOH, KOH), nonionic soln (TMAH) - Chất súc lại: nước Bƣớc 7: Sấy sau khi hiện ảnh. Mục đích của bước này là làm cho lớp cảm quang cứng hoàn toàn, đồng thời tách toàn bộ dung môi ra khỏi chất cảm quang.[1] 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 bị khắ h h hù tia đi n tử 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 xạ X trong các máy in quang khắc chiếu dò bước – quét được mô tả trong hình 1.7. 10 Hình 1.7 Sơ đồ h thống khắc hình b ng tia X 1.3.3. Quang khắc ƣớt Quang khắc ướt được thực hiện bằng cách nhúng hệ trong chất lỏng chiết suất n > 1. Sơ đồ hệ quang khắc ướt được mô tả dưới hình 1.8. Hình 1.8. Sơ đồ quang khắ ướt Ưu điểm của phương pháp này: - Độ phân giải tăng tỷ lệ theo chiết suất n của chất lỏng. Ví dụ, nếu dùng nước có n = 1,44 đối với bước sóng = 193 nm, độ phân giải tăng từ 90 nm đến 64 nm. - Độ 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] 11 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 mặt, sự sản sinh và duy trì các 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 và điều khiển để có lợi nhất cho các quá trình trên. Ngoài 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. S sá h í h thước các h t bụi 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/ Loại 0,1 µm 0,2 µm 0,3 µm 0,5 µm 5,0µm 1 35 7,5 3 1 - (*) 10 350 75 30 10 - 100 - 750 300 100 - 1000 - - - 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 Các giới hạn Đơn vị Đơn vị Đơn vị Đơn vị Đơn vị SI English M1 350 9,91 757 2,14 30,9 0,875 10,0 0,283 - - M1.5 1 1240 35,0 265 7,50 106 3,00 35,3 1,00 - - M2 3500 99,1 757 21,4 309 8,75 100 2,83 - - M2.5 10 12400 350 2650 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 - - M4 - - 75700 2140 30900 875 10000 283 - - M4.5 1000 - - - - - - 35300 1000 247 7,00 M5 - - - - - - 100000 2830 618 17,5 M5.5 10000 - - - - - - 3530000 100000 24700 700 M6 - - - - - - 1000000 28300 6180 175 M6,5 100000 - - - - - - 3530000 100000 24700 700 M7 - - - - - - 10000000 283000 61800 1750 c. Tiêu chuẩn ISO 14644-1 [2,3] Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (International Standars Organization - ISO) đã quy định tiêu chuẩn về phòng sạch tiêu chuẩn quốc tế. Tiêu chuẩn ISO 14644 – 1 được phát hành năm 1999 có tên “Phân loại độ sạch không khí” (Classification of Air Cleanliness). Các loại phòng sạch được quy định dựa trên biểu thức: = 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 0,2 m 0,3 m 0,5 m 1 m 5 m ISO 1 10 2 - - - - ISO 2 100 24 10 4 - - ISO 3 1000 237 102 35 8 - ISO 4 10000 2370 1020 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 29300 ISO 9 - - - 35200000 8320000 293000 Cần chú ý rằng, mức độ nhiễm bẩn không 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 ra bụi bẩn cho phòng. Khi con người di chuyển, có thể sản sinh tới 100000 hạt (kích thước lớn hơn 0,5 µm) và hàng ngàn hạt bụi cỡ micron mang theo mỗi phút. Do đó, với mỗi phòng sạch người ta đều có giới hạn số người làm việc tương ứng với quy mô của phòng. Để đảm bảo cho môi trường trong phòng, ngoài các máy móc trang bị cho các công việc thiết yếu trong phòng sạch, thì trang bị cho con người là rất cần thiết để giảm thiểu lượng bụi sản sinh. Các trang bị cần thiết cho người làm việc gồm: - Quần áo bảo hộ: Thường là áo liền quần. 15 - Mũ bảo hộ để chùm đầu (tóc người cũng là nguồn bắt bụi) - Giày vải chùm kín chân - Mặt nạ chùm mặt. Có thể có cả bộ lọc khí thở ở mặt nạ, kính bảo vệ mắt, găng tay Quần áo, mũ, mặt nạ, giầy thường làm bằng vải, có bề mặt trơn, không bắt bụi, 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. 16 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 trình quay phủ, chúng tôi sử dụng thiết bị Máy quay phủ chất cảm quang Suss MicroTec. Hình 2.1. Máy quay phủ Suss Mi r Te v ả g điều hiể Máy quay phủ Suss MicroTec sử dụng hệ thống hút chân không bằng bơm để giữ chặt mẫu trên đế. Máy gồm 3 bộ phận chính là: Buồng quay phủ, bơm hút chân không và bảng điều khiển. Ở buồng quay phủ được thiết kế một trục quay thẳng đứng, trên đầu trục là một lỗ nhỏ dùng 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 ra những vi linh kiện có độ chính xác cao. Máy được trang bị cấu hình quang học cao, có thể thực hiện quang khắc với nhiều bước sóng 17 khác nhau. Cường độ chiếu cực đại có thể lên tới 80 mW/cm2, độ phân giải tối đa là 0,5 µm. Hình 2.2. Sơ đồ h quang khắc 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 độ quang khắc của MJB4 Bảng 2.1. Độ phân giải của hệ quang khắc MJB4 Resolution UV400 UV300 UV250 Solf Contact 2.0 µm < 2.0 µm - Hard Contact 1.0 µm < 1.0 µm - Vacuum Contact < 0.8 µm < 0.6 µm < 0.5 µm Độ phân giải đạt được phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích cỡ tấm nền, độ phẳng, điều kiện phòng sạch, và do đó có thể khác nhau cho các quá trình khác nhau. 2.1.3. Máy đo độ dày mẫu DEKTAK 150 Máy được dùng để xác định một số tính chất của màng như độ dày màng, độ nhấp nhô bề mặt, tính toán ứng suất lớp màng, chất lượng và lỗi bề mặt, các lớp màng không đồng nhất,hệ số hấp thụ, thành phần, chiết suất… Hình 2.4. Má đ độ dày mẫu DEKTAK 150 Máy được dùng để xác định độ dày màng. Nguyên tắc hoạt động của máy là dùng một đầu dò quét trên bề mặt mẫu, cho phép thực hiện những phép đo bề mặt từ 2D truyền thống mô tả bề mặt gồ ghề và 19 bước đo chiều cao (độ dày màng) đến các phép đo dựng ảnh 3D trong phân tích. Tham số đầu dò được lập trình cho phép áp dụng trên cả bề mặt cứng và mềm. Độ dài quét và thời gian quét sẽ quyết định độ phân giải của phép đo. Máy có khả năng phân tích các bề mặt từ rất phẳng cho đến các bề mặt có độ nhấp nhô đến hàng trăm micro. Các thông số của máy gồm: bán kính mũi dò, độ dài đường đo mẫu, thời gian quét, độ phân giải, lực mũi dò tác động lên bề mặt màng, kiểu quét. 2.1.4. Máy phún xạ catot CA-2000MIF Quy trình phún xạ màng được thực hiện bằng máy CA-2000MIF đặt tại phòng thí nghiệm nano thuộc Trường ĐH Công nghệ - ĐHQG HN. Máy phún xạ gồm 3 phần: Buồng phún xạ, bảng điều khiển, hệ thống van bơm, hút chân không. Hình 2.5. Máy phú x at t CA-2000MIF 2.1.5. Buồng xử lý mẫu Các thao tác làm sạch, sấy khô, tráng rửa mẫu đều được thực hiện trong buồng xử lý mẫu. Buồng xử lý mẫu bao gồm bếp nung, súng xì khô, các hóa chất tẩy rửa như cồn,aceton, DI water, dung dịch developer…. - Bếp nung (hotplate): Dùng để sấy khô mẫu ở các nhiệt độ khác nhau. Ngoài ra còn có chức năng khuấy từ dùng để chế tạo hạt nano từ, nhưng trong quy trình quang khắc ta chỉ sử dụng tính chất nung nhiệt của nó.Các thông số có thể tùy chỉnh gồm nhiệt độ cần đạt, tốc độ gia nhiệt, tốc độ khuấy… Yêu cầu đối với hotplate trong quá trình nung mẫu là nhiệt độ luôn luôn phải giữ ổn định cho phép sai số ± 10C trong quá trình nung mẫu đã phủ màng cảm quang. 20 Hình 2.6. Buồng xử lý mẫu 2.2. Các phƣơng pháp khảo sát 2.2.1. Kính hiển vi quang học Kính hiểu vi quang học là một thiết bị dùng để quan sát các vật thể có kích thước nhỏ bé mà mắt thường không thể quan sát được, bằng cách tạo ra các hình ảnh phóng đại của vật thể đó. Kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng khả kiến rọi lên vật cần quan sát, và các thấu kính thủy tinh để phóng đại thông qua các nguyên lý khúc xạ của ánh sáng qua thấu kính thủy tinh. Ban đầu, người ta phải sử dụng mắt để nhìn trực tiếp hình ảnh được phóng đại, nhưng các kính hiển vi quang học hiện đại ngày nay có thể được gắn thêm các bộ phận chụp ảnh như phim quang học, hoặc các CCD camera để ghi hình ảnh, hoặc video. Các bộ phận chính của kính hiển vi quang học bao gồm: - Nguồn sáng - Hệ hội tụ và tạo chùm sáng song song - Giá mẫu vật - Vật kính (có thể là một thấu kính hoặc một hệ thấu kính) là bộ phận chính tạo nên sự phóng đại - Hệ lật ảnh (lăng kính, thấu kính) - Thị kính là thấu kính tạo ảnh quan sát cuối cùng - Hệ ghi ảnh 21 Trên nguyên lý, kính hiển vi quang học có thể tạo độ phóng đại lớn tới vài ngàn lần, nhưng độ phân giải của các kính hiển vi quang học truyền thống bị giới hạn bởi hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng và cho bởi công thức: 2 d NA   Trong đó: λ là bước sóng ánh sáng, NA là thông số khẩu độ Trong khóa luận này chúng tôi dùng kính hiển vi quang học M1 (carl Zeiss) với độ phóng đại tối đa là 1000 lần được đặt trong phòng sạch tại phòng thí nghiệm công nghệ micro & nano, trường Đại học Công nghệ. 2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Nguyên lý hoạt động của SEM: Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chùm điện tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), tức là điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường...), sau đó được tăng tốc. Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM không thể đạt được độ phân giải tốt như TEM. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này 22 Hình 2.8. Sơ đồ khối của kính hiể vi đi n tử quét Có thể khảo sát nhiều tính chất của mẫu bằng SEM như: 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 rửa như cồn, aceton, DI water, developer… 2.3.1. Chất cảm quang Chất cảm quang một polymer hữu cơ được phun lên bề mặt mẫu, sau khi sấy khô tạo thành một lớp màng dày 0,5 – 1,0µm. Dưới tác động của ánh sáng, phần lộ ra 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. CCQA phản ứng nhạy với bức xạ ánh sáng 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 bán dẫn linh kiện kích thước đặc trưng nhỏ chủ yếu sử dụng chất cảm quang dương (CCQD) với độ phân giải 0,1 µm và tốt hơn. 23 Hình 2.9. Sự phụ thuộc của lớp cả qua g v ườ g độ chi u sáng Thành phần chất cảm quang dương bao gồm cao su thụ động, chất quang hoạt và dung môi. Cao su thụ động là phần tử liên kết, có chức năng giúp màng cảm quang bám chặt vào đế. Hợp chất 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 nhóm oxit để chặn hơi ẩm từ bên ngoài. Ngoài ra những nhóm Si(CH3)3 tương thích với PR, tạo độ bám dính giữa mẫu và PR. Hình 2.10. Mồi HMDS 24 2.3.3. DI water Là nước được dùng để tráng rửa mẫu trong phòng sạch. Trong nước thường chứa rất nhiều các ion như ion canxi, natri, clorua…. Các quá trình loại bỏ các ion này thông qua trao đổi ion giữa các cation và anion với hydro ( ) và hydroxyl ( ). Sau quá trình trao đổi này các ion trên bị loại bỏ để lại vào vị trí cũ của nó. Kiểm tra chất lượng nước DI: Độ sạch của nước DI được đánh giá dựa vào tỉ lệ các ion tạp chất còn trong nước lên cách kiểm tra tốt nhất là xác định giá trị điện trở suất của nước DI. Tất nhiên, nước DI càng sạch thì giá trị điện trở suất càng cao. Nước DI được coi là sạch khi giá trị điện trở suất tầm 18,2 triệu ôm và độ dẫn điện tầm 0,055 microsiemens (được tính ở 25 độ C). 2.4. Quy trình liff - off trong phòng sạch 2.4.1. Quy trình liff – off đối với chất cảm quang dƣơng Làm sạch đế: Qúa trình làm sạch đế là rất quan trọng để đảm bảo mẫu không còn bụi bẩn, hoặc cảm quang dư còn bám dính trên bề mặt đế. Nung nhiệt để chắc chắn rằng bất kỳ phân tử nào trong đế đều bay hết ra ngoài. Điều này là đặc biệt quan trọng cho những đế là vật liệu dễ bị oxi hóa (ví dụ silicon). Ôxi sau đó sẽ liên kết với hơi nước có sẵn trong không khí. Khi cảm quang được phủ trên đế, cảm quang sẽ bám chặt vào chứ không phải vào đế. Hình 2.11. Chất cảm quang không bám vào bể mặt đ á v hơi ước. Sau quá trình nung nhiệt những đế này sẽ được phủ bằng mồi HMDS. Mồi HMDS sẽ liên kết với các nhóm oxit để chặn hơi ẩm từ bên ngoài. Thêm vào đó, 25 những nhóm Si(CH3)3 tương thích với cảm quang, tạo độ bám dính giữa đế và cảm quang. Lượng HMDS phủ phải vừa đủ để không còn HMDS dư thừa sau phản ứng, nó làm giảm sự nhạy sáng của cảm quang. Quay phủ: Quay phủ tạo ra một lớp màng có chiều dày không đổi của cảm quang trên bề mặt đế. Độ dày của cảm quang ( ) sau khi quay phủ tỉ lệ với tốc độ quay phủ (trong RPM). √ Sấy sơ bộ (solf bake): Sấy sơ bộ tạo ra vùng cảm quang nhạy cảm với tia UV bằng cách loại bỏ các thành phần dung môi của cảm quang. Trong quá trình này đa số dung môi đã bị loại bỏ nên độ dày lớp cảm quang giảm khoảng 25%. Chiếu xạ (exposure): Bước tiếp theo là chiếu xạ mẫu bằng tia UV, sử dụng một mặt nạ để tạo cả vùng bị chiếu xạ và vùng không được chiếu xạ của cảm quang. Những vùng được chiếu xạ sẽ chịu một phản ứng hóa học như hình 2.12. dùng trong phản ứng này được thu từ độ ẩm không khí. Nếu không khí không đủ độ ẩm các liên kết cacbon còn lại sẽ liên kết với resin tạo ra một chất không tan. Điều quan trọng là giữ cho mặt nạ càng gần mẫu càng tốt. Điều này làm giảm sự nhiễu xạ ánh sáng gây ra bởi khoảng cách giữa mặt nạ và mẫu, do đó cải thiện độ phân giải. Điều này tạo ra một sự phân bố ổn định của tia UV trên bề mặt được chiếu sáng. Rửa trôi chất cảm quang dƣơng: Sau khi mẫu được rửa trôi bằng dung dịch develop, cảm quang còn lại trên bề mặt mẫu sẽ có cấu trúc như hình 2.13. 26 Hình 2.12. Sự tha đổi tính chất của lớp cả qua g dươ g hi ị chi u x Cấu trúc của cảm quang có độ dốc là do sự nhiễu xạ của tia UV, nguyên nhân gây ra bởi khoảng cách giữa mặt nạ và mẫu, cảm quang xung quanh các cạnh của mẫu mặt nạ sẽ nhận được ánh sáng với cường độ thấp hơn so với khu vực trung tâm của mẫu, do vậy sẽ khó rửa trôi hơn. Hình 2.13. Cấu trúc chất cả qua g dươ g sau hi rửa trôi Nung mẫu sau khi chiếu xạ: Nung mẫu ở nhiệt độ xấp xỉ C sẽ làm đông đặc cảm quang còn lại và làm tăng sự bám dính giữa cảm quang và đế. Đây là một bước quan trọng cần làm trước khi khắc mẫu để chắc chắn rằng cảm quang sẽ không bị trôi bởi quá trình khắc. 2.4.2. Quy trình liff – off đối với chất cảm quang âm 27 Post baking (nung lần 2): Bước quan trọng trong quang khắc ngược là post baking mẫu. Nhiệt độ đặc trưng của quá trình post baking là xấp xỉ C. Post baking tăng cường ở vùng cảm quang được chiếu sáng (trên C, những vùng cảm quang không được chiếu sáng sẽ bắt đầu crosslink tốt. Những vùng cảm quang đã được crosslink trở nên không hòa tan. Chiếu UV không mặt nạ: Mẫu sẽ được chiếu UV toàn phần (không sử dụng mặt nạ), khi đó những vùng chưa được chiếu sáng trước đây phải trải qua phản ứng hóa học như đã nêu ở trên để chúng có thể tan được trong dung dich developer. Rửa trôi chất cảm quang âm: Sau khi được rửa trôi, lớp cảm quang được chiếu hai lần sẽ còn lại trên đế và có hình dạng như trong hình 2.14. Đây là mô hình lý tưởng để lắng đọng vật liệu trên mẫu. [7] Hình 2.14. Cấu trúc của cảm quang âm sau khi rửa trôi 2.5. 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. 28 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 để làm cơ sở cho việc chế tạo sensor đo từ trường có kích thước Micro-met. 3.1.1. Quy trình liff-off dùng mặt nạ dƣơng Quy trình của phương pháp này được thể hiện trên hình 3.1. Hình 3.1. u tr h ủa phươ g pháp iff- ff sử dụ g ặt dươ g Chúng tôi sẽ khảo sát chất lượng của mẫu quang khắc theo nhiệt độ ủ mẫu ban đầu (solf-bake), nhiệt độ ủ mẫu lần 2 (pre-bake), thời gian chiếu tia UV, tốc độ quay phủ từ đó tìm ra thông số phù hợp nhất cho mỗi bước trên. a. Sự phụ thuộc của thời gian rửa trôi cảm quang trên đế sau khi chiếu UV vào nhiệt độ nung mẫu (soft-bake) 29 * Mục đích: Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ ủ ban đầu (từ C đến C) đến thời gian rửa trôi lớp cảm quang trên đế Từ đó xác định được điểm nhiệt độ ủ ban đầu mà màng chất cảm quang bắt đầu có hiện tượng crosslinking từ đó tìm ra nhiệt tối ưu nhất trong quy trình quang khắc chế tạo vi linh kiện * Quy trình : Làm sạch bề mặt mẫu - Chuẩn bị 10 mẫu Si/SiO. - Cho mẫu vào lọ đựng dung dịch aceton, rung siêu âm trong 10 phút. - Sau khi rung siêu âm, cho mẫu vào dung dịch cồn, lắc đều để loại bỏ hết aceton còn bám trên đế. - Nhúng mẫu vào dung dịch DI water để rửa sạch cồn bám dính. - Xì khô bằng khí , cho lên bếp nung ở trong thời gian 15 phút để bốc bay hết hơi nước trên bề mặt mẫu. Quay phủ mẫu với chất cảm quang AZ5214E - Ở giai đoạn này mẫu được quay trên thiết bị quay phủ (spin coater) Suss MicroTec. - Chất cảm quang được sử dụng là loại cảm quang dương (AZ 5214E reversal). Các thông số kiểm soát trong giai đoạn này được cho trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Các thông số trong quá trình quay phủ chất cảm quang AZ5214E Bước Tốc độ quay phủ (v/p) Số lần gia tốc Thời gian(s) 0 800 2 10 1 4500 6 35 Sấy sơ bộ (solf bake): sấy lần lượt từ C đến C, mỗi mẫu tăng lên . Thời gian ủ mẫu là 10 s. Chiếu chùm tia UV(exposure): Trong giai đoạn này, chất cảm quang sẽ được chiếu xạ tia UV. Hệ quang khắc được sử dụng trong quy trình này là thiết bị MIB4 (Suss 30 Microtec). Ở đây chúng tôi chỉ khảo sát thời gian rửa trôi nên không sử dụng Mask, do đó toàn bộ bề mặt mẫu sau khi chiếu xạ đều có thể rửa trôi được. Các thông số chiếu xạ gồm có thời gian chiếu sáng 3s, cường độ chiếu sáng 15,8 mw/ , chùm UV bước sóng 365 nm. Tráng rửa (developer): Sau khi lớp cảm quang được chiếu tia UV, mẫu được tráng rửa bằng dung dịch developer. Vì không có mặt nạ che khi chiếu UV nên ta rửa đến khi nào thấy đế sạch (cảm quang bị rửa trôi hết) thì dừng lại. Ghi lại thời gian cảm quang bị rửa trôi hoàn toàn ứng với mỗi nhiệt độ ủ ban đầu tương ứng. Bảng 3.2 cho biết sự phụ thuộc của thời gian rửa trôi vào nhiệt độ ủ ban đầu. Hình 3.2. mô tả sự phụ thuộc của nhiệt độ rửa trôi lớp cảm quang vào nhiệt độ ủ ban đầu. Từ đồ thị này, chúng ta thấy bắt đầu từ C, chất cảm quang bị đóng rắn trên bề mặt mẫu. Điều này được giải thích là do ở nhiệt độ trên C màng chất cảm quang bắt đầu có hiện tượng crosslinking làm cho mẫu càng khó rửa trôi khi nung mẫu ở nhiệt độ cao. Vì vậy ở quy trình solf - bake này, chúng ta chọn nhiệt độ ủ mẫu là C (nhỏ hơn nhiệt độ đóng rắn 100 C) là hợp lý, để đảm bảo những vùng cảm quang bị chiếu tia UV đều rửa trôi hết và không bị rửa trôi quá nhanh. Bảng 3.2. Thời gian rửa trôi theo nhiêt độ ủ Mẫu Nhiệt độ ủ Thời gian rửa trôi Bề mặt mẫu sau khi rửa 1 C 3 phút Trôi hoàn toàn 2 C 3 phút 15 giây Trôi hoàn toàn 3 C 3 phút 40 giây Trôi hoàn toàn 4 C 4 phút 15giây Trôi hoàn toàn 5 C 4 phút 45 giây Trôi hoàn toàn 6 C 6 phút 25 giây Sạch 95% bề mặt 7 C 10 phút PR bắt đầu bị đóng rắn, sạch 15% bề mặt 8 C --- (*) PR đóng rắn trên bề mặt, không bị rửa trôi 9 C --- PR đóng rắn trên bề mặt, không bị rửa trôi 31 10 C --- PR đóng rắn trên bề mặt, không bị rửa trôi 11 C --- PR đóng rắn trên bề mặt, không bị rửa trôi 12 C --- PR đóng rắn trên bề mặt, không bị rửa trôi 13 C --- PR đóng rắn trên bề mặt, không bị rửa trôi 14 C --- PR đóng rắn trên bề mặt, không bị rửa trôi (*) : không xác định Hình 3.2. Sự phụ thuộ ủa thời gia rửa trôi ớp ả qua g đ hi t độ s ft-bake b. Khảo sát chất lƣợng màng cảm quang trên mẫu theo thời gian nung mẫu sau khi chiếu xạ (Pre-bake) * Mục đích: Tìm ra thời gian ủ mẫu (pre-bake) cho màng chất lượng tốt nhất (vùng PR bị chiếu tia UV rửa trôi hoàn toàn). * Quy trình: Chuẩn bị 7 mẫu Si/SiO, làm sạch và thực hiện quy trình quang khắc với các thông số như phần 3.1.1a. Sau khi quay phủ mẫu được cho lên hotplate nung ở nhiệt độ C. Với mỗi mẫu khảo sát ở các thời gian nung khác nhau: từ 0 s đến 120 s, mỗi mẫu tăng thời gian ủ thêm 20 s. Mẫu nung xong được cho vào chiếu tia UV và sau đó rửa trôi trong developer. Vì ở đây chúng tôi chỉ khảo sát thời gian nung 100 200 300 400 500 600 700 70 80 90 100 Nhiệt độ ủ ( 0 C) T h ờ i g ia n r ử a t rô i (s ) 32 mẫu lên màng được chiếu UV không mặt nạ. Từ bảng 3.3 và hình 3.3, nhận thấy lớp cảm quang bị đóng rắn ở thời gian pre-bake là 40 s. Nguyên nhân của hiện tượng này là do các hợp chất hữu cơ là thành phần của chất cảm quang khi bị nung ở nhiệt độ cao trong thời gian dài sẽ bị nhiệt hóa hay nói cách khác là các liên kết trong chất cảm quang bị phá vỡ và mất đi những tính chất đặc trưng của chất cảm quang và làm cho nó không tan được trong dung dịch Developer. Tại thời gian pre-bake là 15s, màng có chất lượng tốt nhất, cảm quang bị trôi hoàn toàn và không bị rửa trôi quá nhanh. Ở những lần khảo sát sau ta chọn thời gian pre-bake là 15 giây. Bảng 3.3. Thời gian rửa trôi theo thời gian pre - bake Mẫu Thời gian pre-bake Thời gian màng trôi Tình trạng mẫu sau khi rửa 1 0 giây 1 phút Sạch hoàn toàn 2 15 giây 2 phút Sạch hoàn toàn 3 40 giây 3 phút PR bắt đầu đóng rắn, sạch 60% bề mặt 4 60 giây --- PR đóng rắn trên bề mặt, không bị rửa trôi 5 80 giây --- PR đóng rắn trên bề mặt, không bị rửa trôi 6 100 giây --- PR đóng rắn trên bề mặt, không bị rửa trôi 7 120 giây --- PR đóng rắn trên bề mặt, không bị rửa trôi Hình 3.3. Sự phụ thuộ ủa thời gia rửa trôi ả qua g v thời gia u g ẫu (pre bake) Thời gian nung mẫu(giây) T h ờ i g ia n r ử a t rô i( g iâ y ) 33 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 đó tìm ra thời gian chiếu để màng có chất lượng tốt nhất. * Quy trình Chuẩn bị 12 mẫu silic rửa sạch, sấy khô, thực hiện các bước quay phủ, sấy sơ bộ với các thông số đã được tối ưu ở các phần khảo sát 3.1.1a và 3.1.1b (nhiệt độ ủ mẫu là C, thời gian pre - bake là 15 giây). Chiếu tia UV vào mẫu, thời gian chiếu tia UV từ 0,5 giây đến 7 giây, các mẫu cách nhau 0,5s. Bảng 3.4. Thời gian rửa trôi theo thời gian chiếu xạ Mẫu Thời gian chiếu UV(s) Thời gian rửa trôi (s) Bề mặt mẫu trước khi rửa trôi Bể mặt mẫu sau khi rửa trôi 1 0,5 420 Đẹp, không có hiện tượng cháy trên màng Sạch hoàn toàn 2 1 375 Đẹp, không có hiện tượng cháy trên màng Sạch hoàn toàn 3 1,5 317 Đẹp, không có hiện tượng cháy trên màng Sạch hoàn toàn 4 2 240 Đẹp, không có hiện tượng cháy trên màng Sạch hoàn toàn 5 2,5 205 Đẹp, không có hiện tượng cháy trên màng Sạch hoàn toàn 6 3 180 Đẹp, không có hiện tượng cháy trên màng Sạch hoàn toàn 7 3,5 150 Màng bắt đầu bị cháy Sạch hoàn toàn 8 4 105 Màng bị cháy,vết cháy xuất hiện nhiều trên màng. Sạch hoàn toàn 9 4,5 95 Màng bị cháy,vết cháy xuất hiện nhiều trên màng. Sạch hoàn toàn 10 5 90 Màng bị cháy,vết cháy xuất hiện nhiều trên màng. Sạch hoàn toàn 11 6 74 Màng bị cháy,vết cháy xuất hiện Sạch hoàn toàn 12 7 60 Màng bị cháy,vết cháy xuất nhiều trên màng. Sạch hoàn toàn 34 Hình 3.4. Đồ thị iểu diễ thời gia rửa trôi the thời gia hi u sá g Kết luận: Từ hình 3.4, chúng ta thấy, thời gian rửa trôi lớp cảm quang tỉ lệ nghịch với thời gian chiếu xạ UV. Có thể giải thích hiện tượng này như sau: với thời gian chiếu xạ ngắn sự quang hóa mới chỉ xảy ra ở lớp cảm quang trên cùng, lớp cảm quang ở dưới chưa trải qua quá trình này, do đó khó bị rửa trôi hơn. Khi thời gian chiếu sáng đủ dài, sự quang hóa xảy ra ở tất cả các lớp cảm quang nên quá trình rửa trôi diễn ra rất nhanh. Hình 3.5 cho thấy màng bắt đầu bị cháy ở thời gian chiếu 3,5s. Vì vậy, thời gian chiếu xạ tốt nhất là ở 3 s. Ở điều kiện này, màng chưa bị cháy và tốc độ rửa trôi cũng không quá nhanh. d. Khảo sát chất lƣợng màng và sự thay đổi của bề dày màng theo tốc độ quay phủ * Mục đích: Khảo sát sự thay đổi bề dày màng theo tốc độ quay phủ. Áp dụng để khảo sát công thức √ (*) Từ đó chọn ra tốc độ quay phủ để màng có chất lượng tốt nhất. 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 2 4 6 Thời gian chiếu sáng (s) T h ờ i g ia n r ử a tr ô i ( s) 35 * Quy trình: Chuẩn bị 9 mẫu, làm sạch mẫu và thực hiên các bước với các thông số đã được tối ưu hóa ở các phần 3.1.1a, 3.1.1b và 3.1.1c (nhiệt độ ủ mẫu là C, thời gian pre - bake là 15 s, thời gian chiếu xạ UV là 3s). Thiết lập cho máy quay phủ theo các thông số được cho trong bảng 3.5. Bảng 3.5. Các thông số cho quá trình quay phủ Bước Tốc độ quay phủ (v/p) Số lần gia tốc Thời gian (s) 0 800 2 10 1 x 6 35 x: thay đổi theo mỗi mẫu. Ta chọn tốc độ quay phủ từ 2000 đến 6000 (v/p), mỗi mẫu cách nhau 500 v/p. Sau khi mẫu được quay phủ xong được sấy sơ bộ bằng cách cho lên hotplate nung ở C trong 15s. Cho mẫu vừa sấy lên đế của máy quang khắc. Mặt nạ cần dùng sẽ được đặt giữa hệ thấu kính và 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 là 15,8 mW/ . Sau khi chiếu xạ UV, cho mẫu vào dung dịch developer để tẩy rửa. Lắc đều cho đến khi phần cảm quang được chiếu tia UV bị rửa trôi hết. Tiếp theo, cho mẫu vào DI water khuấy để trôi hết developer còn lại trên bề mặt mẫu. Để lớp cảm quang cứng hoàn toàn và bám chắc hơn vào đế, đồng thời làm bốc hơi toàn bộ dung môi ra khỏi cảm quang, chúng tôi sấy khô mẫu ở nhiệt độ 120oC trong 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 được phủ polimer lên lực Force phải đặt dưới ≤ 5mg (tránh làm hỏng bề mặt mẫu). Ở đây ta đặt là 2 (mg). Sau khi máy quét xong,ta chọn vùng biên giữa phần PR đóng rắn và phần đế đã bị rửa trôi để đo chiều dày lớp màng phủ như hình sau. 36 Vùng màu xanh: là vùng chọn để đo độ cao của nền. Độ cao của nền theo đế được tính bằng giá trị trung bình trong vùng đó. Vùng màu đỏ: là vùng chọn để đo độ cao của lớp màng PR. Độ cao của màng theo đế được tính bằng giá trị trung bình trong vùng đó. Độ cao của màng theo nền được tính bằng hiệu số hai độ cao trên. Tiến hành đo lần lượt với các mẫu quay phủ ở các tốc độ khác. Số liệu được ghi trong bảng 3.6. Bảng 3.6. Độ dày của màng phụ thuộc vào tốc độ quay phủ Mẫu Tốc độ quay phủ(v/p) Độ dày màng sau khi nung( ) Thời gian rửa trôi Bề mặt mẫu sau khi rửa trôi 11 2000 4,49 3phút 10 giây Vùng PR được chiếu sáng không bị rửa trôi hết 22 2500 3,79 3phút 5giây Vùng PR được chiếu sáng không bị rửa trôi hết Hình 3.6 Giao di n phần mềm của á đ độ dày DEKTAK 150. 37 3 3000 3,75 3phút Mẫu đẹp,chi tiết sắc nét. 4 3500 3,62 2phút 30giây Mẫu đẹp, chi tiết sắc nét 5 4000 3,24 1phút 40giây Vùng PR không được chiếu sáng vẫn bị rửa trôi 6 4500 2,28 1phút 20giây Vùng PR không được chiếu sáng vẫn bị rửa trôi 7 5000 2,2 1phút Vùng PR không được chiếu sáng vẫn bị rửa trôi 8 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 hơn. Nếu tốc độ quay phủ quá nhanh dẫn đến lớp màng không bị chiếu cũng có thể bị rửa trôi. Do đó ta chọn tốc độ quay phủ sao cho màng cảm quang có độ dày hợp lý để vùng cảm quang được chiếu sáng sẽ bị rửa trôi hết, còn vùng được che bởi mặt nạ không bị rửa trôi. Từ bảng trên ta thấy tốc độ quay phủ 3000 và 3500 (v/p) là hợp lý, quan sát qua kính hiển vi ta thấy mẫu quay ở 3000 v/p có bề mặt đẹp hơn mẫu quay ở 3500 v/p. Ở các lần khảo sát sau ta chọn tốc độ quay phủ là 3000 (v/p). Từ bảng 3.6 trên ta có thể khảo sát công thức (*) bằng cách lập biểu đồ so sánh kết quả tính toán độ dày màng theo tốc độ quay phủ với kết quả thực tế thu được (hình 3.6). Như vậy ta có thể thấy kết quả đo được khá phù hợp với tính toán lý thuyết. Điều đó chứng tỏ các thông số đưa ra cho các quy trình là chuẩn, và kết quả đo độ dày màng bằng máy DEKTAK 150 đạt độ chính xác cao. 38 - Nhiệt độ ủ mẫu là C, - Thời gian pre - bake là 15 s - Thời gian chiếu xạ UV là 3 s - Tốc độ quay phủ là 3000 (v/p) 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 ®é d µy m µn g (u m ) tèc ®é quay phñ (v/p) ®é dµy mµng thùc tÕ ®é dµy mµng lý thuyÕt Hình 3.6. Độ d g phụ thuộ v tố độ qua phủ Kết luận: Trong phần 3.1.1 chúng tôi đã tìm ra các thông số tối ưu cho quy trình liff - off như sau: 3.1.2. Quy trình quang khắc âm (REVERSAL của AZ5214E) Trên đây tôi đã trình bày quy trình quang khắc dương trên một đế Si/SiO2 và các thông số tối ưu cho quy trình này. Tiếp đây tôi sẽ tiếp tục khảo sát về quy trình quang khắc âm, từ đó tìm ra các thông số tối ưu cho quy trình này. 5. Quay phủ (spin- coating) Sấy sơ bộ Chiếu (exposure) Sấy lần 2 (Post- baking) Chiếu không Mask Tráng rửa (develop) Mẫu Quy trình quang khắc âm: 39 a. Khảo sát chất lƣợng màng theo thời gian chiếu sáng lần hai Như vậy,ta có thể áp dụng các thông số đã tìm được cho 3 bước đầu của quy trình quang khắc âm. Giờ ta sẽ khảo sát sự phụ thuộc của chất lượng màng vào sự thay đổi của thời gian chiếu sáng lần 2 (Flood Exposure). Mục đích: Tìm ra thời gian chiếu tia UV (flood exposure) tốt nhất. Quy trình: Chuẩn bị 6 mẫu, cho vào rung siêu âm, tráng rửa bằng aceton, cồn. Sau đó xì khô bằng . Cho nung trên hotplate ở trong 10 phút để loại hết hơi nước bám trên bề mặt mẫu. Cho mẫu vào quay phủ với các thông số được cho trong bảng 3.7. Sau đó sấy sơ bộ bằng cách nung trên hotplate ở 900 C trong thời gian 15 s. Mặt nạ được đặt giữa hệ thấu kính và mẫu và được điều chỉnh sát với bề mặt mẫu. Chiếu xạ UV trong thời gian 3s, với cường độ chùm sáng là 15,8 mW/ . Mẫu vừa chiếu tia UV cho lên hotplate nung ở C trong 60 giây. Bảng 3.7. Các thông số cho quá trình quay phủ Bước Tốc độ quay phủ (v/p) Số lần gia tốc Thời gian(s) 0 800 2 10 1 3000 6 35 Cho lần lượt từng mẫu vào chiếu xạ UV không dùng mặt nạ ở các thời gian từ 15 s đến 65 s, mỗi lần cách nhau 10s. Sau đó, cho mẫu vào dung dịch developer để tẩy rửa. Lắc đều cho đến khi phần cảm quang được chiếu tia UV một lần bị rửa trôi hết. Cho vào DI water khuấy cho trôi hết developer trên bề mặt mẫu. Bảng 3.8. Thời gian rửa trôi phụ thuộc vào thời gian chiếu xạ UV Mẫu Thời gian chiếu UV lần 2 (s) Thời gian rửa trôi Bề mặt mẫu sau khi rửa trôi 1 15 1 phút 57 giây Màng bị rửa trôi hết 2 25 1 phút 53 giây Phần cảm quang được chiếu sáng 2 lần vẫn bị rửa trôi 3 35 1 phút 54 giây Mẫu đẹp. Chi tiết sắc nét. 40 4 45 2 phút Phần cảm quang được chiếu sáng 1 lần không bị rửa trôi hết 5 55 2 phút 16 giây Phần cảm quang được chiếu sáng 1 lần không bị rửa trôi hết. 6 65 2 phút 19 giây Cảm quang không bị rửa trôi. Bảng 3.8 cho thấy sự phụ thuộc của thời gian rửa trôi vào thời gian chiếu xạ lần 2. Nhận thấy, thời gian chiếu sáng lần 2 ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của màng. Ở thời gian chiếu xạ 35 s, màng có chất lượng rất tốt, chi tiết sắc nét. Có thể quan sát rõ điều này như trong hình 3.7: Hình 3.7. Bề mặt mẫu chi u UV ở 35s sau khi developer 3.2 Chế tạo thử nghiệm vi cấu trúc linh kiện theo quy trình quang khắc âm Trong phần này, chúng tôi sẽ sử dụng các thông số đã tối ưu hóa trong phần 3.1 để tiến hành chế tạo sensor bằng phương pháp liff – off sử dụng mặt nạ âm. Đầu tiên ta sẽ áp dụng quy trình quang khắc đã được tìm ra ở trên để chế tạo một mẫu có hình dạng sensor nhưng chưa có điện cực. Nếu mẫu cho ra có chất lượng tốt ta sẽ tiến hành chế tạo một sensor đầy đủ. 41 3.2.1 Quy trình chế tạo mẫu sensor Chuẩn bị bề mặt: Đế Si/SiO2 ban đầu được xử lý bề mặt theo các bước sau: - Rung siêu âm đế Si/SiO2 trong dung dịch aceton trong thời gian 10 phút - Rung siêu âm đế Si/SiO2 trong cồn tuyệt đối trong thời gian 5 phút. - Rửa dưới dòng nước DI ở áp suất cao trong thời gian 2 phút. - Làm khô mẫu Si/SiO2 bằng khí nitơ áp suất cao. - Gia nhiệt ở 1200C trong 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 trong môi trường chân không. Cảm quang dương được sử dụng là AZ 5214E. Các thông số kiểm soát trong 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 trên hotplate. Các thông số sử dụng là nhiệt độ 90 oC, thời gian nung là 15 s. Chiếu chùm tia UV: Trong giai đoạn này, mẫu sau khi phủ chất cảm quang sẽ được chiếu ánh sáng để chuyển hình ảnh lên nền. Mặt nạ cần dùng sẽ được đặt giữa hệ thấu kính và mẫu. Hình ảnh ta dùng ở đây là sensor dùng để đo từ trường Trái Đất. Đặt thời gian chiếu xạ là 3 s, cường độ chiếu xạ :15,8 mW/ . Sấy lần 2: Mẫu được chiếu tia UV xong cho lên nung ở nhiệt độ 100 oC trong 60s. Chiếu xạ không mặt nạ:Thời gian chiếu xạ là 35 s, cường độ chiếu xạ 15,8 mW/ . Tráng rửa: Cho mẫu vào dung dịch developer trong thời gian 40 s, sau đó rửa tiếp bằng nước khử ion (DI) trong 20 s. Trong quá trình rửa đế cần lắc nhẹ mẫu để làm tăng hiệu quả rửa. Sau đó đế được làm khô bằng khí N2. Sấy khô: Điều kiện sấy được sử dụng là nhiệt độ 120oC, thời gian sấy 1 phút 30 giây. Mẫu sau khi sấy xong, quan sát dưới kính hiển vi quang học ta thu được hình ảnh của sản phẩm trong hình 3.8. 42 Hình 3.8. T h h ủa se s r g qu tr h qua g hắ â Chế tạo màng Ta/NiFe/Cu Sau khi quang khắc, chúng tôi đưa mẫu vào máy phún xạ để phủ một lớp màng có cấu trúc như một sensor đo từ trường. Mục đích để kiểm tra độ bám dính của màng trên đế vừa được quang khắc trong phòng sạch. Để chế tạo lớp màng Ta/NiFe/Cu của cấu trúc sensor trên chúng tôi sử dụng máy phún xạ catot CA-2000MIF. Buồng chế tạo mẫu được hút chân không đến 3,3×10-7 Torr (chân không cơ sở), sau đó đưa khí Ar vào buồng chế tạo đến áp suất ổn định 2,1 mTorr (áp suất làm việc) thì bắt đầu tiến hành phún xạ với các thông số như trong bảng 3.9. Bảng 3.9. Các thông số phún xạ màng Ta/NiFe/Cu Màng Nhiệt độ đế ( o C) Áp suất Ar (mTorr) Công suất (W) Vận tốc quay của đế (v/p) Thời gian (phút) Ta Nhiệt độ phòng 2,1 25 20 5 NiFe 2,1 25 20 5 Cu 2,1 50 20 10 Mẫu thu được sau quy trình phún xạ được cho vào dung dịch aceton rung siêu âm trong 15 phút để rửa trôi hết lớp cảm quang cùng lớp màng vật liệu bám trên đó. 43 Mẫu thu được có hình dạng chi tiết sensor cần tạo (hình 3.9). Từ hình 3.9, nhận thấy mẫu sensor được tạo có chi tiết rất sắc nét, mầu sắc lớp phủ đều, chứng tỏ lớp vật liệu phún xạ bám dính rất chắc trên bề mặt đế và bề dày lớp vật liệu đồng đều, không bị ghồ ghề. Từ những kết luận này, chúng tôi đã có đủ cơ sở để chế tạo một sensor hoàn chỉnh, được trình bày trong phần 3.2.2. Hình 3.9. Bề ặt ẫu se s r sau qu tr h iff-off (qua sát dưới í h hiể vi độ phâ giải x50…) 3.2.2 Chế tạo sensor đo từ trƣờng Trái Đất Cấu trúc ta sẽ chế tạo dưới đây là sensor Hall dùng để đo từ trường Trái Đất. Vì có kích thước rất nhỏ lên việc chế tạo thành công sensor này sẽ khẳng định các quy trình đã khảo sát trên là hoàn toàn chính xác. Tiến hành quy trình quang khắc sử dụng mặt nạ sensor đo từ trường, sau đó tiến hành phún xạ lớp vật liệu Ta/NiFe/Cu với các thông số như đã nêu ở mục 3.2.1. Liff-off để loại bỏ lớp cảm quang và màng vật liệu bám dính trên lớp cảm quang. Ta đã có được một cấu trúc sensor tương đối hoàn chỉnh. Tiếp theo, chế tạo lớp điện cực cho sensor này bằng cách quay phủ một lớp AZ5214-E lên mẫu, sử dụng mặt nạ của điện cực. Sau quá trình quang khắc, tiến hành phún xạ lớp màng bằng kim loại Cu làm điện cực lên mẫu. Tiến hành liff-off để rửa trôi hết lớp cảm quang và màng điện cực bám dính. Như vậy chúng tôi đã chế tạo xong một sensor đo từ trường hoàn chỉnh. 44 3.3 Kết quả khảo sát 3.3.1 Kết quả hình thái học của sensor bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Sau khi chế tạo cấu trúc sensor đo từ trường Trái Đất, chúng tôi kiểm tra hình thái bề mặt của mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét. Ảnh SEM của sensor vừa chế tạo được trình bày trong hình 3.10. Từ ảnh SEM chúng ta thấy có thể thấy bề mặt của sensor có cấu trúc bậc rất rõ nét. Ở độ phân giải 50 µm có thể thấy các mối điện cực có bề mặt mịn, các đầu mối nối chắc chắn, đồng đều chứng tỏ quy trình đã khảo sát ở trên là hoàn toàn chính xác. Hình 3.10. Ả h SEM - ả h đi ự (a) v ả h ề ặt ( ) ủa se s r 45 KẾT LUẬN CHUNG Như vậy ở khóa luận này tôi đã khảo sát quy trình chế tạo vi linh kiện bằng phương pháp quang khắc. Tìm ra được quy trình và thông số phù hợp cho mỗi quy trình từ đó tiến hành chế tạo thử nghiệm trên mask của sensor đo từ trường trái đất. Đã quan sát mẫu chế tạo khi mới quang khắc (phủ cảm quang và quang khắc) và sau khi phún xạ màng kim loại và liff-off dưới kính hiển vi quang học độ phân giải x50 cho thấy màng tạo ra khá sắc nét, các chi tiết đồng đều. Kiểm tra độ bám dính của màng bằng rung siêu âm ở thời gian dài, kết quả màng bám dính rất tốt. Điều đó chứng tỏ các thông số được tìm thấy ở trên là hoàn toàn phù hợp. Khóa luận đã đạt đƣợc những kết quả chính sau đây: 1- Tìm được các thông số phù hợp để quang khắc trong phòng sạch: nhiệt độ ủ mẫu là C, thời gian pre - bake là 15 s, thời gian chiếu xạ UV là 3 s, tốc độ quay phủ là 3000 (v/p) và thời gian chiếu xạ lần hai là 35 s. 2- Chế tạo thành công cấu trúc sensor dựa trên màng đa lớp Ta/NiFe/Cu bằng cách sử dụng các thông số đã tối ưu hóa, bằng phương pháp liff – off sử dụng mặt nạ âm. 3- Chế tạo thành công sensor đo từ trường Trái Đất trong phòng sạch. Khảo sát hình thái học của sensor vừa chế tạo được bằng kính hiển vi điện tử quét. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo: Từ bộ thông số đã được tối ưu hóa, sử dụng để chế tạo các linh kiện, cảm biến có kích thước micro-met có độ chính xác cao. 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo tiếng Việt [1]Lê Tuấn,Quang khắc, Nhà xuất bản Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2003,tr.20,25. [2] Trần Văn Vũ, Tổng quan về quang khắc, Nhà xuất bản 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. Micro and Nanoprocessing Technologies, Lecture 4b. Accessed 25 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]