Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử nanô

TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

TRẦN TIẾN PHỨC

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ

KHÁNH HÒA - 2011



1
MỞ ĐẦU
Công nghệ nanô là chương trình Quốc gia (National Nanotechnology Initiative -
NNI) của nhiều nước trên thế giới. Nhiều quốc gia đã đặt Công nghệ Nanô ngang
hàng với Công nghệ Thông tin và Công nghệ Sinh học. Tuy mới phát triển song
nhiều thành tựu của Công nghệ Nanô đã nhanh chóng được ứng dụng trong sản xuất
để tạo ra các sản phẩm mới.
Từ vai trò và tác động của Công nghệ Nanô đến các lĩnh vực khác mà rất nhiều
vấn đề vẫn đang được nghiên cứu, thảo luận. Về mặt thuật ngữ, Mihail C. Roco là
người chịu trách nhiệm trước Quỹ Khoa học Quốc gia về Công nghệ Nanô của Mỹ
đã đưa ra một định nghĩa hạn chế. Theo đó, Công nghệ Nanô là những vấn đề liên
quan đến vật liệu và hệ thống có tính chất:
- Về kích thước, theo một chiều nào đó phải có độ lớn trong khoảng 1 đến
100nm.
- Chúng được tạo ra bởi quá trình mà con người có thể kiểm tra được.
- Chúng cho phép liên hợp thành các thực thể lớn hơn.
Điện tử học nanô là một lĩnh vực ứng dụng chịu áp lực mạnh nhất so với nhiều
khoa học khác. Những đòi hỏi của thực tế là: thu nhỏ kích thước linh kiện, giảm
công suất tiêu thụ, tăng khả năng tiêu tán nhiệt, tăng số linh kiện trên mỗi chíp đơn,
mở rộng điều kiện làm việc (dải nhiệt độ, áp suất ).
Công nghệ linh kiện điện tử nanô đi theo hai hướng:

- Phương pháp từ trên đỉnh xuống (top-down), tiếp tục thu nhỏ các khối vật
liệu và liên kết chúng trên cơ sở của hiệu ứng mới nhằm đạt được tham số
mong muốn.
- Phương pháp từ dưới đáy lên (bottom-up) kết hợp từng nguyên tử hay phân
tử riêng lẻ để tạo nên sản phẩm có cấu trúc với tính chất mong muốn.
Tài liệu này chủ yếu trình bày những vấn đề liên quan đến quá trình công nghệ
linh kiện điện tử nanô theo hướng tiếp cận từ trên xuống. Hướng công nghệ này
đang và sẽ được thực hiện vì những tiền đề sẵn có và những cải tiến mang tính đột
phá.



2
Hướng công nghệ từ dưới đáy lên (bottom-up) sẽ được trình bày trong một số
bài báo sau do nó là vấn đề đang được nghiên cứu rất sôi động trên thế giới mà
những kết quả mới chỉ là bước đầu.
Một lần nữa, công nghệ linh kiện điện tử nanô là một lĩnh vực đang phát triển
rất nhanh, nhiều vấn đề vẫn còn đang tiếp tục nghiên cứu phát triển nên không thể
trình bày được trọn vẹn. Tác giả rất mong nhận được nhiều ý kiến trao đổi, góp ý
của Bạn đọc.




3
Chương 1
CÁC PHƢƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ CHỦ YẾU TRONG CHẾ TẠO
LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
1.1 KHÁI QUÁT
Có ba nhóm phương pháp chủ yếu trong công nghệ linh kiện điện tử micro và

nanô: phương pháp cộng (thêm vật liệu vào mẫu chế tạo); phương pháp trừ (loại bỏ
bớt vật liệu ra khỏi mẫu chế tạo) và phương pháp thay đổi (cả thêm và bớt vật liệu
tùy theo công đoạn). Mỗi nhóm lại có nhiều giải pháp cụ thể được trình bày chi tiết
hơn trong bảng 1.1.
Bảng 1.1: Các phương pháp công nghệ linh kiện điện tử
Phƣơng pháp cộng
Phƣơng pháp trừ
Phƣơng pháp thay đổi
a) Lắng đọng màng
mỏng
- Lắng đọng thổi
- Lắng đọng bay hơi
- Lắng đọng hòa tan
- Epitaxy chùm phân tử
b) Kỹ thuật in
- In phun
- In vi tiếp xúc
c) Phát triển tự tổ chức
- Phản ứng hoá học chọn
lọc
- Phát triển sinh học của
tế bào
d) Lắp ráp
- Gắn wafer
- Công nghệ lắp bề mặt
- Các phương pháp liên
kết và nối dây
a) Xử lý bức xạ
- Phơi sáng cản quang
- Làm cứng polymer

b) Ủ nhiệt
- Kết tinh
- Khuếch tán
- Thay đổi pha
c) Xử lý tia ion
- Nuôi cấy ion
- Vô định hình hoá
d) Thay đổi cơ học
- Tạo hình bằng plastic
- Thao tác đầu dò quét
a) Ăn mòn
- Ăn mòn axít
- Ăn mòn bằng chùm ion
- Ăn mòn ion phản ứng
- Xử lý nhiệt và bức xạ
- Cắt bỏ bằng laser
- Ăn mòn bằng tia lửa
b) Hỗ trợ loại bỏ vật liệu
- Đánh bóng cơ hoá
- Đục
- Khoan
- Tạo rãnh


Để sản xuất một sản phẩm linh kiện điện tử phải qua nhiều bước và ứng
dụng các phương pháp nêu trên. Các phương pháp công nghệ luôn được cải tiến và
đổi mới nhằm tạo ra sản phẩm nhiều hơn, tốt hơn mà giá thành hạ.

4
1.2 CÔNG NGHỆ CMOS
Hình 1.1 phác thảo một chuỗi những bước để chế tạo mạch tích hợp Si
CMOS. Có hai pha điển hình là: pha thiết kế và pha chế tạo. Cả thiết kế và chế tạo
đều là những lĩnh vực liên quan đến kiến thức nhiều ngành (vật lý, điện tử, tin học,
cơ khí, ). Các bước chủ yếu được mô tả ở hình 1.1.


















1.2.1 Các bƣớc trong pha thiết kế
Thiết kế hệ thống
Phải lý giải 100% hệ thống sắp thiết kế, hiểu rõ nguyên lý hoạt động của nó.
Phải dựa trên các tiêu chí cần đạt như tốc độ xử lý, mức tiêu thụ năng lượng, lược
đồ khối, cách bố trí chân linh kiện, các điều kiện vật lý như kích thước, nhiệt độ,
điện áp.

Pha thiết kế
Pha chế tạo
Thiết kế hệ thống
Thiết kế chức năng
Thiết kế logic
Thiết kế mạch điện
Thiết kế kiến trúc
Thiết kế mặt nạ
Chế tạo mặt nạ
Chuẩn bị Wafer
Xử lý Wafer
Kiểm tra, đóng gói
Hình 1.1: Các bước để chế tạo vi mạch



5
Thiết kế chức năng
Dựa trên kết quả tính toán và sự luân chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi mà
chưa cần chý ý đến cấu tạo chi tiết của mạch điện. Công đoạn này chủ yếu dùng các
phần mềm để thiết kế (Verilog-HDL, VHDL )
Thiết kế logic
Chuyển các chức năng đã thiết kế ở phần “chức năng” xuống mức logic.
Những công cụ (tool) trong các phần mềm sẽ thực hiện lệnh này của người thiết kế.
Công đoạn này đòi hỏi tính nhạy cảm và kinh nghiệm của người thiết kế thì hệ
thống mới tối ưu.
Thiết kế mạch
Chuyển từ mức logic xuống từng linh kiện cụ thể. Các công cụ (tool) chuyên
dụng trong phần mềm sẽ tự động thực hiện công đoạn này theo lệnh của người thiết
kế. Tuy nhiên, người thiết kế phải hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý làm việc của phần tử

mạch điện (transistor, diôt, điện trở). Phải kiểm tra hoạt động của mạch điện bằng
mô phỏng để phát hiện lỗi nếu có.
Thiết kế kiến trúc
Dùng phần mền CAD để chuyển bản vẽ mạch điện thành dạng bố trí vật liệu,
hình thành linh kiện và nối dây giữa chúng. Trong công đoạn này phải tuân thủ theo
hệ số của một kích thước chuẩn đã định trước. Nếu chọn chuẩn là 75nm thì mọi
kích thước linh kiện phải dùng bội số của chỉ số này. Cuối công đoạn này phải dùng
mô phỏng để phát hiện lỗi nếu có.
Thiết kế mặt nạ
Chuyển dữ liệu dạng bản vẽ kiến trúc linh kiện thành ảnh các mặt cắt lớp để
sản xuất mặt nạ.
1.2.2 Các bƣớc trong pha chế tạo
Sản xuất mặt nạ
Mặt nạ đóng vai trò như khuôn để đúc nên sản phẩm hay như tấm phim đã chụp để
in ảnh. Công nghệ sản xuất mặt nạ hiện đại chủ yếu dùng chùm tia electron năng lượng



6
cao chiếu vào màng mỏng Cr trên nền thủy tinh. Mạch được thiết kế càng nhiều tầng
chồng lên nhau thì càng cần nhiều mặt nạ.
Chế tạo Wafer
Wafer là một tấm nền để xây dựng mạch điện, linh kiện trên đó. Wafer thường
bằng silic nguyên chất được pha thêm tạp chất theo chỉ định để hình thành bán dẫn rồi cắt
thành từng tấm mỏng có đường kính 200 đến 300 mm, độ dày cỡ 750m.
Xử lý Wafer
Việc xử lý Wafer thực hiện trong phòng siêu sạch với nhiều công nghệ khác nhau
như trong bảng 1.1.
Kiểm tra - Đóng gói - Xuất xưởng
Sau nhiều bước xử lý trên wafer, một mạch điện tử được hình thành. Dùng

kim loại để nối chân linh kiện ra ngoài. Dùng vật liệu cách điện tạo vỏ và ghi nhãn
sản phẩm. Kiểm tra sản phẩm trước khi xuất xưởng.
1.3 CÔNG NGHỆ NANÔ
Có hai cách tiếp cận linh kiện và mạch ở thang dưới 100 nm.
- Cách thứ nhất, dựa trên việc cải tiến công nghệ CMOS thông thường - tiếp cận
từ trên xuống (top–down). Trong đó, các công đoạn xử lý quang học phải giảm
bước sóng ánh sáng (vùng cực tím hoặc tia x). Độ phân giải bị giới hạn bằng nửa
bước sóng sử dụng.
- Cách thứ hai, bắt đầu từ những nguyên tử và phân tử riêng biệt qua quá trình tự
tổ chức hay tự kết hợp bằng vật lý hoặc phản ứng hoá học để nhận được cấu trúc
mong muốn - tiếp cận từ dưới lên (bottom-up). Các thiết bị để thực hiện theo cách
này rất tinh vi, phức tạp và đắt tiền.
Cách tiếp cận lai đề nghị sử dụng kết hợp để thực hiện cấu trúc nanô nhằm tận
dụng công nghệ micro và giảm chi phí đầu tư thiết bị mới [1,2].



7
Chương 2
PHƢƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG MÀNG
2.1 KHÁI QUÁT
Lắng đọng các lớp màng mỏng trên chất nền khác nhau là bước chủ yếu
trong lĩnh vực công nghệ vi điện tử và điện tử nanô. Có thể lắng đọng bằng phương
pháp thổi, bay hơi, hòa tan hay epitaxy chùm phân tử.[1].
Lắng đọng từ pha bay hơi có bản chất từ vật lý hay hóa học (Chemical Vapor
Deposition - CVD) . Phương pháp vật lý được đặc trưng bằng một nguồn hạt xác
định bay hơi tự do trong chân không tới bám vào chất nền. Đối với phương pháp
hoá học, phân tử tiền thân choán thùng phản ứng khi bay hơi, phân ly tại mặt chất
nền nóng và giải phóng các nguyên tử quan tâm.
Bảng 2.1: Một số đặc trưng của quá trình lắng đọng bay hơi

Lĩnh vực
Vật lý
Hoá học
Phương pháp
Bốc hơi
Epitaxy chùm
phân tử
(MBE)
Thổi
Lắng đọng
xung laser
(PLD)
CVD
CVD hữu cơ
kim loại
(MOCVD)
Cơ chế tác
động
Nhiệt năng
Xung lượng
Nhiệt năng
Phản ứng
Tốc độ lắng
đọng
Cao, tới
75.10
4
0
A
/phút

Thấp (trừ
kim loại tinh
khiết)
Vừa phải
Từ mức vừa
phải đến
2500
0
A
/phút
Phần tử lắng
đọng
Nguyên tử và
ion
Nguyên tử và
ion
Nguyên tử,
ion và các
nhóm
Các phân tử
tiền chất phân
ly thành
nguyên tử
Năng lượng
Thấp, 0,1 tới
0,5 eV
Có thể cao
1 - 100 eV
Thấp tới cao
Thấp hay cao

với bổ sung
plasma
Kích thước
wafer
Lớn tuỳ ý
Lớn tuỳ ý
Hạn chế
Lớn tuỳ ý
Lắng đọng từ hoà tan hoá học (Chemical Solution Deposition - CSD) và
phương pháp Langmuir-Blodget cho màng hữu cơ đơn phân tử. Có thể kết hợp với
nguồn điện (như mạ điện) hay nhiệt (phun nhiệt) để tăng nhanh quá trình lắng đọng.



8
Bảng 1.2 cung cấp các tham số đặc trưng của các phương pháp lắng đọng phân chia
theo hai lĩnh vực vật lý và hóa học.
2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LẮNG ĐỌNG MÀNG
2.2.1 Động lực học chất khí
Áp suất khí trong hệ thống là một trong các thông số cơ bản cần phải được
kiểm soát trong khi lắng đọng màng vì nó có quan hệ với quảng đường tự do trung
bình  của nguyên tử hay phân tử.

Trong đó, d – đường kính phân tử, N – nồng độ chất khí. Với chất khí lý tưởng:
N=p/k
B
T và k
B
– hằng số Boltzmann, ta thu được:

Tại áp suất 0,5.10
-3
mbar, một phân tử khí có độ dài quãng đường tự do
khoảng 20cm. Mức chân không này là vừa phải trong công nghệ. Số các nguyên tử
dư va chạm vào bề mặt đang hình thành và ảnh hưởng lên độ tinh khiết của màng
nếu chúng kết hợp được với nhau. Số này có thể được biểu diễn bằng:

m
i
là khối lượng nguyên tử hoặc phân tử. Những kết quả điển hình được tóm tắt
trong bảng 2.2. Kết quả cho thấy, muốn có một màng sạch cần chân không cực cao
(Ultra High Vacuum - UHV, hơn 10
9
mbar).







2
2
1
Nd




(2.1)

2
2 pd
Tk
B




(2.2)
Tmk
pN
iB
ii

2
1


(2.3)



Hình 2.1: Sơ đồ của một hệ thống lắng đọng



9
Quãng đường tự do trung bình của các phân tử trở nên càng quan trọng khi
lắng đọng vào cấu trúc nhỏ. Khi so sánh các cấu trúc dưới micron với độ dài quãng
đường trung bình ở bảng 2.2 ta thấy độ chân không liên quan đến quảng đường tự

do trung bình của các phân tử trở nên lớn hơn nhiều so với kích thước của cấu trúc.
Bảng 2.2: Các tham số của khí dư ở 25
0
C trong chân không cho lắng đọng màng
p, mbar
Quãng đường tự
do trung bình
(trước khi va chạm)
Số va chạm/giây
(giữa các phân tử)
Phân tử/(cm
2
s)
(dán bề mặt)
Lớp đơn/s
10
0

6,8.10
-3

6,7.10
6

2,8.10
20

3,3.10
5

10
-3

6,8.10
0

6,7.10
3

2,8.10
17

3,3.10
2

10
-6

6,8.10
3

6,7.100
2,8.10
14

3,3.10
-1

10
-9

6,8.10
6

6,7.10
-3

2,8.10
11

3,310
-4

2.2.2 Nhiệt động học
Đa số các màng lắng đọng ứng dụng trong công nghệ linh kiện điện tử là ở
thể rắn. Để tạo màng mỏng các đơn chất hay hợp chất, cần nắm được giản đồ pha
một cách chính xác và đầy đủ. Việc chuyển từ pha rắn - lỏng - khí hay ngược lại
luôn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và các tham số cấu trúc của chính các chất đó.
2.2.3 Các kiểu phát triển màng
Tạo một màng kết tinh trên mặt của cùng vật liệu gọi là đồng cấy ghép. Tạo
một màng trên mặt vật liệu khác gọi là cấy ghép khác loại. Trong trường hợp này
cần quan tâm tới hai thông số của vật liệu là năng lượng bề mặt và thông số mạng
của hai vật liệu. Năng lượng bề mặt, trục định hướng tinh thể thường có sẵn trong
các bảng tra cứu của vật liệu.
Nếu có sự không phù hợp mạng giữa chất nền và màng, thì phải thêm một
lớp phụ để bổ sung năng lượng sức căng gọi là kiểu phát triển Stranski-Krastanov.
Vai trò của năng lượng sức căng và năng lượng bề mặt được thể hiện trong biểu
thức (2.4).

trong đó k - môđun khối,  - sức căng.
W = W
surf
+ W
relax
= const
1
d
2
– const
2
k
2
d
3

(2.4)



10
2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG MÀNG VẬT LÝ
2.3.1 Bay hơi nhiệt và cấy ghép chùm phân tử

Cấy ghép chùm phân tử (Molecular Beam Epitaxy - MBE) phát triển từ các
kỹ thuật bay hơi nhiệt, kết hợp độ chân không cao (UHV) để tránh nhiễu loạn do
khí dư và các nguyên nhân khác. Sơ đồ hệ thống được trình bày trong hình 2.2 bao
gồm một số nguồn khác nhau cho phép điều khiển lắng đọng nhiều hợp chất,
nguyên tố. Những phương tiện, thành phần và chức năng chủ yếu được tóm tắt
trong bảng 2.3.
Bảng 2.3: Hệ thống MBE và chức năng của chúng
Phƣơng tiện
Thành phần
Chức năng
Máy phát chùm tia
Tế bào Knudsen
Chùm electron
Pha khí các nguyên tố
Cung cấp chùm phân tử hay
nguyên tử có độ tinh khiết cao,
ổn định tác động vào bề mặt chất
nền.
Bộ ngắt chùm tia
Chốt hoạt động nhanh
Để đóng hoặc mở hoàn toàn
đường ngắm giữa nguồn và chất
nền. Hoạt động nhanh (< 0,1 s).
Môi trường xử lý
Hệ thống UHV nhiều
buồng
Cung cấp môi trường siêu sạch

(các khí dư: O
2
, CO, H
2
O, CO
2
ở
dưới mức 10
-11
mbar).
Máy theo dõi chùm
tia và phát triển
màng
RHEED
Theo dõi chùm tia
Máy ion hoá
Khối phổ kế
Cung cấp thông tin về cường độ,
thành phần của chùm tia; cấu
trúc bề mặt, độ dày của màng.

Hình 2.2: Sơ đồ của một hệ thống MBE tạo màng hợp chất đa nguyên tố



11
Một nguồn MBE dùng trong hệ thống được minh họa cụ thể hơn trên hình
2.3. Tần số bay hơi, N
e
được mô tả bằng biểu thức Hertz-Knudsen (hay biểu thức

Langmuir):


p
e
là áp suất bay hơi cân bằng và A
e
là diện tích của lỗ. N
e
phụ thuộc phức tạp vào
nhiều yếu tố nhưng có thể được điều khiển một cách chính xác qua thông số nhiệt
độ.
Áp suất riêng của khí oxy cho lắng đọng của một số màng oxit là vấn đề
quan trọng đối với kỹ thuật UHV. Để tránh sự oxy hoá và giảm giá trị của nguồn,
một số giải pháp được sử dụng như các kiểu bơm hay quay chất nền.
Ưu điểm của MBE là khả năng thực hiện tất cả các kỹ thuật phân tích bề mặt
và việc điều khiển quá trình phát triển màng tại chỗ. Hình 2.4a trình bày bố trí của
hệ thống. Một chùm điện tử 10 keV đập vào màng dưới một góc bẹt và bị phản xạ.
Tmk
Ap
N
B
ee
e

2


(2.5)

Hình 2.3: Sơ đồ của tế bào Knudsen và phân bố của cường độ chùm tia bay hơi
phụ thuộc vào L
0
/d
0




12
Ảnh nhiễu xạ, cường độ của chùm tia phản xạ cho ta thông tin về cấu trúc bề mặt
của màng. Hình 2.4b là ảnh nhiễu xạ của một bề mặt GaAs.
MBE đã được phát triển trong khoảng ba mươi năm qua với sự hoàn thiện về
mặt kỹ thuật. Phương pháp MBE cho phép điều khiển phát triển từng lớp và điều
khiển tương đối độc lập của những thành phần chất lắng đọng khác nhau và rất linh
hoạt. Nhờ điều kiện UHV mà màng rất sạch và rất thích hợp cho nghiên cứu cơ bản
về quá trình nuôi cấy.
Nhược điểm của phương pháp là tạo từng lớp tương đối chậm, kỹ thuật UHV
đắt tiền và một số lớn các thông số của quy trình phải được kiểm soát nên áp dụng
trong công nghiệp còn gặp khó khăn.

2.3.2 Lắng đọng xung laser
Lắng đọng xung laser (Pulsed Laser Deposition – PLD) là phương pháp
chuẩn bị màng mỏng được phát triển tốt, đặc biệt thích hợp cho lắng đọng oxit và
vật liệu nhiều thành phần khác nhau. Một ví dụ về lắng đọng xung laser được trình
bày trong hình 2.5. Một chùm tia xung laser ngắn từ nguồn laser kích thích được hội
tụ vào bia. Năng lượng xung thường là 1 J/xung tạo nên plasma tức thời tại mặt bia.
Plasma chứa các nguyên tử trung hoà, ion, phân tử và đi tới mặt chất nền với phân
bố năng lượng rộng 0,1 đến 10 eV. Cho bia chuyển động quay quanh trục của chùm
plasma để nhận được màng có tính đồng nhất cao.

Hình 2.4: a) Sơ đồ hình học của RHEED, kéo dài các chấm nhiễu xạ chỉ thị sự
cắt hình cầu Ewald với phản xạ 01, 00 và 0

1
của mạng hai chiều; b) khung nhiễu
xạ mặt (001)(24) của GaAs được khôi phục lại



13
Phương pháp PLD có ưu điểm khi tạo màng mỏng nhiều thành phần so với
những kỹ thuật lắng đọng khác. Do đo, màng có thể được tối ưu và lắng đọng tương
đối nhanh. Quy trình không cần độ chân không cao và có thể kết hợp với kỹ thuật
UVH để điều khiển nuôi cấy ngay tại chỗ và bổ sung oxy vào môi trường để tạo
thành oxit.
Nhược điểm là khó tạo hình dáng đối với kích thước nền nhỏ. PLD vẫn đang
được nghiên cứu cải tiến như thay đổi vị trí chất nền.
2.3.3 Lắng đọng phún xạ
Phún xạ các nguyên tử bề mặt đã được biết từ năm 1852 khi W.R. Grove
quan sát hiệu ứng này trong khi nghiên cứu sự phóng điện plasma và nó có thể được

áp dụng cho lắng đọng màng mỏng. Việc áp dụng cho quy mô công nghệ chỉ được
phát triển trong vài chục năm qua [2].
Phún xạ đơn giản nhất gọi là phún xạ DC được trình bày trong sơ đồ hình
2.6. Trong một buồng chân không vật liệu bia bị ăn mòn tại mặt catôt (thế âm) và
chất nền cho màng là mặt anôt (thế dương) ngược lại. Thế vài trăm vôn giữa các
tấm này gây nên mồi phóng điện plasma trong áp suất khoảng10
-1
– 10
-3
mbar và
những ion có điện tích dương được gia tốc tới bia. Những hạt được gia tốc này bật
ra các nguyên tử trung hoà là chất lắng đọng tới chất nền. Sự phóng điện được đảm
bảo khi những điện tử được gia tốc tiếp tục ion hoá các ion mới do va chạm với khí

Hình 2.5: Hệ thống xung laser để lắng đọng lớp oxit



14
phún xạ. Phân bố thế giữa anôt và catôt được chỉ thị bằng đường không liền nét. Vì
plasma là chất dẫn điện tốt nên độ sụt thế nhỏ trong vùng plasma và mà sụt thế chủ
yếu tại catôt. Phân bố thế này là có lợi cho sự gia tốc các ion khí phún xạ đi tới bề
mặt của bia. Ngày nay, phún xạ được phát triển thêm nhiều hình thức mới: phún xạ
RF áp dụng cho các màng không dẫn điện; phún xạ điều khiển bằng từ trường, phún
xạ trong môi trường áp suất cao
Các hệ thống lắng đọng phún xạ được phát triển tốt, có sẵn về thương mại và là kỹ
thuật chuẩn để tạo màng kim loại trong dây chuyền chế tạo CMOS.
Ưu điểm là số lượng vật liệu đưa vào quá trình lớn, kích thước chất nền lớn,
sự bám chặt tốt vào chất nền nhờ bắn phá ion, yêu cầu về chân không ít khắt khe
hơn so với bay hơi nhiệt. Các hệ thống là rất linh động và có thể được điều chỉnh

cho nhiều yêu cầu đặc biệt. Nhiều cải tiến bổ sung đang được tiếp tục nghiên cứu
như phun nghiêng, lắng đọng không trục, hệ thống nhiều bia được điều khiển
riêng

Hình 2.6: Sơ đồ của hệ thống phún xạ DC: đường không liền nét chỉ thị thế
giữa anôt và catôt



15
2.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG HOÁ HỌC
Lắng đọng hoá học nói chung bao gồm lắng đọng hoà tan hoá học
(Chemical Solution Deposition - CSD) cũng như lắng đọng bay hơi hoá học
(Chemical Vapour Deposition - CVD). Trong cả hai trường hợp đều lợi dụng phản
ứng hoá học để tạo thành màng. Phương pháp CVD cho phép lắng đọng các màng
cực mỏng và tạo dáng trên cấu trúc phức tạp nên được dùng nhiều hơn.
2.4.1 Lắng đọng bay hơi hoá học
Về nguyên tắc, CVD có thể áp dụng cho bất kỳ loại vật liệu nào. Việc tạo
thành màng xuất hiện qua phản ứng hoá học của các thành phần được dịch chuyển
tới chất nền qua pha bay hơi. Những phản ứng hoá học tạo màng nhờ năng lượng
nhiệt từ chất nền được đốt nóng.
Một số ví dụ về phản ứng cho lắng đọng tạo màng:
 Poly Si: SiH
4
 Si(s) + 2H
2
, tại nhiệt độ 580-650
0
C và áp suất 1 mbar;
 Si-Nitrit: 3SiH

4
+ 4NH
3
 Si
3
N
4
+ 12H
2
tại 700-900
0
C và áp suất khí quyển;
 Si- Đioxit: SiH
4
+ O
2
 SiO
2
+ 2H
2
, tại nhiệt độ 450
0
C
hay: Si(C
2
H
5
O)
4
+ 12O

2
 SiO
2
+ 8CO
2
+ 10H
2
O, tại 700
0
C.
Tốc độ lắng đọng và thành phần cấu tạo cuối cùng của màng được điều khiển
bằng nhiệt độ và áp suất riêng phần của các tiền chất khác nhau trong buồng phản
ứng.
Kỹ thuật CVD là quy trình chuẩn trong công nghệ CMOS để lắng đọng các
lớp điện môi như SiO
2
, SiN
8
và thuỷ tinh. Kỹ thuật kết hợp phân ly kim loại - hữu
cơ vào lắng đọng bay hơi hóa học (Metal Organic Decomposition - Chemical
Vapour Deposition - MOCVD) là kỹ thuật lắng đọng đầu tiên trong lĩnh vực vật liệu
có nhiệt độ cao, tạo độ đồng nhất màng tốt, tốc độ lắng đọng cao và tùy theo kích
thước wafer, điều khiển độ dày của màng trên địa hình linh kiện phức tạp như các
mạch thang ULSI. Khó khăn của phương pháp này sẽ tăng lên khi yêu cầu nhiều
tiền chất, các thông số của quy trình rất phức tạp.
Tạo màng siêu mỏng đến từng lớp phân tử bằng phản ứng hóa học là bước
quan trọng trong công nghệ nanô. Những nghiên cứu để điều khiển quá trình tạo

16
thành lớp bao gồm cấy ghép chùm xung kim loại hữu cơ (POMBE) như một phương
pháp hoá học đặc biệt, cấy ghép lớp nguyên tử (Atomic Layer Epitaxi - ALE) và
lắng đọng lớp nguyên tử (Atomic Layer Deposition - ALD)[3].





Quá trình này được minh họa bằng lắng đọng ZnS (hình 2.7). Bước đầu tiên
là sự hút thấm hoá học của phân tử tiền chất ZnCl
2
cung cấp một đơn lớp bão hoà
trên bề mặt của chất nền. Tiếp theo là cho phản ứng với H
2
S để tạo thành một đơn
lớp ZnS được lắng đọng mà không cần điều khiển thời gian phản ứng. Vì lớp đơn
ZnS không có tính chất hút bám chất phản ứng H
2
S trên ZnS nên có thể tiếp tục làm
đơn lớp tiếp theo. Phương pháp này áp dụng để lắng đọng của hệ thống nhiều
nguyên tố sẽ khó hơn.
2.4.2 Lắng đọng hoà tan hoá học
Phương pháp lắng đọng hoà tan hoá học (Chemical Solution Deposition - CSD)
[4] để tạo màng mỏng oxit có lưu đồ tổng quát được trình bày trong hình 2.8. Đầu
tiên, phủ dung dịch tiền chất thích hợp lên nền. Trong một số trường hợp cần bổ
sung chất ổn định, sự thuỷ phân riêng phần v.v. Việc phủ vào chất nền có thể thực
hiện bằng cách:
 Phủ quay: thích hợp với các wafer bán dẫn.
 Phủ nhúng: thường sử dụng cho các chất nền lớn và không phẳng.

Hình 2.7: Lắng đọng lớp nguyên tử ZnS



17
 Phủ phun: tạo sương mù dung dịch phủ rồi lắng đọng bằng lực hấp dẫn hoặc
lực tĩnh điện.
Làm khô màng, thuỷ phân hay ngưng tụ phụ thuộc vào lộ trình hoá học. Màng
mỏng được lắng đọng có thể là một mạng hoá học hoặc vật lý. Dùng xử lý nhiệt, sự
thuỷ phân hay hoá học và loại bỏ phân tử hữu cơ, theo lộ trình hoá học. Màng mỏng
tổng hợp bao gồm các oxit hoặc cabonat vô định hình hoặc tinh thể nanô. Trong xử
lý nhiệt tiếp theo, một cabonat bất kỳ sẽ phân ly và màng sẽ kết tinh nhờ cấu trúc
hạt nhân đồng nhất hoặc không đồng nhất. Độ dày màng mong muốn cuối cùng
được xây dựng dần dần lên bằng nhiều lần phủ và ủ nhiệt.

Hình 2.8: Lưu đồ kỹ thuật lắng đọng hoà tan hoá học



18
Khi tổng hợp các màng oxit nhiều thành phần, thường theo lộ trình lai. Có thể
có một số tiền chất được sử dụng theo lộ trình hoà tan – đông đặc hoặc lộ trình hoà
tan – đông đặc riêng phần trong khi các lộ trình khác là các phản ứng MOD điển
hình. Cấu trúc vi mô tạo thành trong quá trình CSD phụ thuộc mạnh vào nhiệt động
học và động lực học của phản ứng ở trạng thái vô định hình trung gian hoặc trạng
thái tinh thể nanô sau khi nhiệt phân.
Nhờ vốn đầu tư thấp và xử lý đơn giản, Kỹ thuật CSD được sử dụng rộng rãi và
cũng được ứng dụng cho vi điện tử và điện tử nanô với độ tích hợp ở mức thấp.
Những ưu điểm của CSD là điều khiển tốt quá trình màng nhờ tỷ lượng của
phủ hoà tan, đầu tư vốn thấp và dễ sản xuất trên phạm vi lớn, tới nhiều mét vuông
đối với kỹ thuật phun và nhúng.
Nhược điểm là còn có một số trở ngại để đạt được các màng mỏng cấy ghép,
không áp dụng được cho lắng đọng siêu cấu trúc lớp nguyên tử và phủ bước nghèo
cho cấu trúc 3D ở kích thước micron.
2.4.3 Màng Langmuir-Blodgett
Phương pháp Langmuir – Blodgett (LB) là một phương pháp kinh điển của
hoá học bề mặt để lắng đọng các đơn lớp và đa lớp màng phân tử mà sự phát triển
của nó gắn liền với vấn đề dầu trên nước. Những phân tử hữu cơ được sử dụng
trong lắng đọng này chứa hai loại nhóm chức. Một đầu của dãy hyđrocacbon là có
thể hoà tan trong nước (hút nước) tức axit hay nhóm rượu và đầu khác chứa nhóm
hyđrocacbon không hoà tan (không ưa nước). Kết quả là các phân tử tạo nên một

màng trên bề mặt của nước (một màng Langmuir) với đầu hút nước tại mặt nước.
Từ năm 1935, kỹ thuật đã tạo được màng dính chặt vào mặt chất rắn khi đi qua giao
diện nước không khí. Bắt đầu từ nguyên tắc đơn giản này, vào giữa nhưng năm
1970 những máng hoàn toàn tự động để tạo nên các lớp đơn phân tử và nhiều lớp đã
được phát triển [5-7]. Hình 2.9 minh họa nguyên tắc của hệ thống: một chất nền
được lấy khỏi bình chứa màng Langmuir đơn phân tử trên mặt nước. Màng
Langmuir được giữ dưới áp suất không đổi bằng một rào chuyển động. Bằng quá
trình này một đơn lớp của các phân tử hữu cơ được chuyển vào chất nền.



19











N
hững chi tiết của quá trình
hút bám và hoá học là
phức tạp và phụ thuộc vào
nhiều thông số. Ta khảo
sát một chất nền có thể hút
nước (hình 2.10). (a) đơn

lớp đầu tiên được tạo
thành khi kéo chất nền lên.
Khi đẩy chất nền (đã có
lớp đơn đầu tiên) xuống
(b) sẽ có lớp thứ hai với
cấu trúc đầu với đầu (c).




Hình 2.9: Nguyên tắc để lắng đọng có điều khiển màng LB

Hình 2.10: Chu trình lắng đọng loại Y



20
Trong trường hợp này, những tương tác giữa các đơn lớp cạnh nhau là hút
nước - không hút nước. Chất lượng và tốc độ tạo màng phụ thuộc vào tính chất hóa
học, tính chất hút bám khác nhau mà tham số đặc trưng là tỷ số truyền

:


Ở đây

u
và

d

là tỷ số lắng đọng truyền lên trên và dưới tương ứng.
Phương pháp LB là kỹ thuật được phát triển tốt trong hoá học bề mặt, mặc
dù còn hạn chế cho màng hữu cơ. Nhiều ứng dụng từ màng cho photolithogrphy với
độ đồng nhất được cải thiện, chỉ thị màn hình phẳng, linh kiện quang học, linh kiện
quang phi tuyến và cuối cùng là lĩnh vực rộng của điện tử phân tử.
Tóm lại, các phương pháp lắng đọng màng đã được phát triển cho độ chính
xác cao đối với đối với hầu hết các vật liệu quan tâm. Do đó, sự chọn lựa phương
pháp tối ưu phụ thuộc vào yêu cầu thực tế, sản xuất hay nghiên cứu.
Trong thực tế, ranh giới giữa những phương pháp tạo màng mỏng là không
rõ ràng và có sự chồng chéo lên nhau. Có những quy trình kết hợp bốc hơi nhiệt
đồng thời với bắn phá ion, lắng đọng có hỗ trợ của chùm ion Tuy nhiên, các vật
liệu mới, kích thước màng cỡ nanô, điều khiển đến từng vị trí tạo linh kiện một cách
đồng thời trên wafer đang là những đề tài lớn được nhiều nhóm nghiên cứu quan
tâm.
d
u





1

2

(9.12) 3

(2.6)

21
Chương 3
LITHOGRAPHY
3.1 KHÁI QUÁT
Thuật ngữ “lithography” mô tả phương pháp in hình mặt nạ lên mẫu chế tạo
(gọi là wafer). Hệ thống lithography bao gồm nguồn bức xạ, wafer đã được phủ chất
cản và bộ phận điều khiển in hình ảnh, điều chỉnh wafer để chiếu xạ (hình 3.1a).
Chất cản bị thay đổi bởi chiếu xạ (hình 3.1b). Sau chiếu xạ, chất cản có thể bị lấy đi
một cách chọn lọc bằng quá trình rửa (hình 3.1c). Hình mặt nạ được khắc vào chất
cản và có thể được chuyển vào wafer bằng bước ăn mòn tiếp theo. Những phần của
wafer bị phủ bằng chất cản được bảo vệ chống ăn mòn.
Hình 3.2 trình bày tổng quan về các loại lithography khác nhau. Chúng khác
nhau chủ yếu là loại bức xạ và hệ thống điều khiển. Điểm bắt đầu của quá trình là
cấu trúc phải được truyền vào wafer; nó thường được cho như một tập tin – CAD.
Tùy thuộc vào bước sóng của bức xạ để phân biệt các lithography khác nhau: cực
tím (UV: 365 nm – 436 nm), UV sâu (DUV: 175 nm – 250 nm), ngoài vùng cực tím
(EUV: 11 nm – 14 nm) và tia X (10 nm), tia điện tử hoặc ion. Nếu tia hội tụ (laser,
điện tử hay chùm ion) được viết trực tiếp lên wafer thì gọi là lithography laser, điện
tử hay chùm ion



Hình 3.1: Lưu đồ lithography. (a) mô tả hệ thống; (b) rọi; (c) sau khi rửa



22
Mặt nạ bao gồm một vật liệu mang trong suốt đối với bức xạ được sử dụng
và một lớp hấp thụ không trong suốt. Khuôn được khắc vào lớp không trong suốt.

Vật liệu sử dụng phụ thuộc vào nguồn bức xạ. Bức xạ chỉ rọi vào wafer tương ứng
phần mặt nạ trong suốt. Do đó, chỉ có phần chất cản bị chiếu xạ là thay đổi.
Trong quy trình viết trực tiếp, máy tính điều khiển chùm tia bức xạ được hội
tụ, viết vào chất cản như sử dụng bút.














3.2 LITHOGRAPHY QUANG HỌC
Trước đây, Lithography sử dụng ánh sáng với bước sóng trong dải khả kiến
cho công nghệ micro. Vì kích thước linh kiện ngày càng giảm xuống mà độ phân
giải phụ thuộc  nên dần dần ánh sáng được kéo xuống tới 193 nm. Ngày nay, việc
ứng dụng bức xạ có bước sóng cỡ nm đang được tiếp tục nghiên cứu.
Vấn đề cơ bản của lithography là khả năng phân giải của hệ thống và do đó
kích thước đặc trưng nhỏ nhất (Minimum Feature Size - MFS) có thể xác định được

Hình 3.2: Các loại lithography khác nhau
Ăn mòn hoá ướt/khô
Dữ liệu về vi cấu trúc (CAD)
Bộ viết chùm tia điện tử/ bộ viết chùm tia laser

Mặt nạ cho lithography tiếp xúc, gần hoặc chiếu
DUV
lithography
EUV
lithography
Tia X
lithography
EBP
lithography
IBP
lithography
Nền được phủ chất cản/hiện
Vi cấu trúc trên chất nền
Viết trực tiếp



23
trên wafer. MFS phụ thuộc vào phương pháp rọi, độ dài bước sóng rọi  trên vật
liệu của hệ thống quang học và chất cản được sử dụng.
3.2.1 Các phƣơng pháp rọi và giới hạn khả năng phân giải
Hình 3.3 trình bày toàn cảnh sơ đồ của ba phương pháp rọi khác nhau,
lithography tiếp xúc, lithography gần và lithography hình chiếu. Với cả ba phương
pháp, bức xạ được phát ra từ nguồn đi qua thấu kính tạo chùm tia song song.
Với lithography tiếp xúc, mặt nạ được ép tiếp xúc gần với chất cản trên mặt
wafer (hình 3.3a), khả năng phân giải MFS =

.d
, ở đây d là độ dày chất cản và 
là bước sóng. Nếu độ dày chất cản 1 m và bước sóng cỡ 400 nm, ta nhận được

kích thước đặc trưng cực tiểu bằng 600 nm. Nhược điểm cơ bản của phương pháp
này là mặt nạ tiếp xúc với chất cản nên dễ bị ảnh hưởng đến cấu trúc.
Khắc phục khuyết điểm mặt nạ tiếp xúc là phương pháp lithography gần
(hình 3.3b). Do có một khe hở xác định giữa wafer và mặt nạ nên không làm tồi mặt
nạ. Nhược điểm là giới hạn khả năng phân giải giảm. MSF=

)( gd 
.
Phương pháp được sử dụng ngày nay trong sản suất công nghiệp được gọi là
lithography hình chiếu (hình 3.3c). Bóng của mặt nạ không truyền vào wafer như
với hai phương pháp trên, nhưng ảnh của mặt nạ được chiếu vào wafer. Do đó, sau
khi đi qua mặt nạ, ánh sáng bị bó lại bằng hệ thống quang học. Mặt nạ không tiếp
xúc với wafer, do đó không làm tồi khả năng phân giải như trong lithography tiếp
xúc, mà khả năng phân giải tốt hơn trong lithography gần. Hơn nữa, do có hệ thống
quang học xen giữa mặt nạ và wafer nên khuôn trên mặt nạ được phép làm lớn hơn
kích thước linh kiện trên wafer. Ưu điểm là dễ chế tạo mặt na hơn mà sai số có thể
cũng bị giảm.
Trong lithography hình chiếu, tham số giới hạn đối với MFS là nhiễu xạ, của
một số cấu trúc bị chồng lên.







24

Tiêu chuẩn Rayleigh cho rằng, hai nguồn điểm lý tưởng có thể được phân
giải khi cường độ cực đại của một vệt tròn này nằm tại cực tiểu đầu tiên của một cái
khác.

Ở đây, NA là độ mở số của hệ thống quang học. Mặt khác, cản quang cũng
ảnh hưởng tới MFS nên trong trường hợp tổng quát, tiêu chuẩn được viết bằng:

Ở đây, k
1
là hằng số (khoảng 0,5 – 0,9) do tính chất không lý tưởng của thiết bị (tức
sai số của thấu kính) và những ảnh hưởng không xuất phát từ quang học (chất cản,
xử lý chất cản, hình dạng của cấu trúc ảnh …). Do đó, k
1
được gọi là hằng số công
nghệ.

Hình 3.3: Các phương pháp lithography
a) tiếp xúc; b) gần; c) lithography hình chiếu
NA
MFS

61,0

(3.1)
NA
kMFS

1


(3.2)