Tải bản đầy đủ (.pdf) (85 trang)

Nghiên cứu quy trình mạ đồng trên đế pet ứng dụng trong chế tạo ang-ten sóng radio

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.84 MB, 85 trang )


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


NGUYỄN THỊ MAI ANH





NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH MẠ ĐỒNG TRÊN ĐẾ PET
ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO ĂNG-TEN SÓNG RADIO


Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
Mã số chuyên ngành: 60 44 031



LUẬN VĂN THẠC SĨ:
VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Đặng Mậu Chiến




Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2012


Trang 1

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin cảm ơn PGS.TS Đặng Mậu Chiến – Giám đốc Phòng Thí
nghiệm Công nghệ Nano (LNT) – ĐHQGTPHCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
để hoàn tất luận văn tốt nghiệp. Đặc biệt xin gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc
đến ThS. Trần Nhân Ái đã hướng dẫn, giúp đỡ, khuyên bảo, động viên tôi trong
suốt quá trình thực nghiệm và viết luận văn.
Tôi cũng xin cảm ơn
đến cha mẹ, bạn bè khóa cao học, đồng nghiệp, các anh
chị em tại phòng thí nghiệm Công nghệ Nano và các thầy cô trường Đại học Khoa
học Tự nhiên đã giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo, động viên tinh thần và hỗ trợ vật chất
trong suốt thời gian qua.
Học viên cao học: Nguyễn Thị Mai Anh

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản Luận văn Tốt nghiệp Cao học này là công trình nghiên
cứu thực sự của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học và giúp đỡ của PGS.TS. Đặng Mậu
Chiến và ThS. Trần Nhân Ái. Các kết quả, số liệu trong đề tài là do chúng tôi thực
nghiệm thí nghiệm và đánh giákết quả tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano
(LNT) – ĐHQGTPHCM.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về lời cam đoan này.
Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 04 nă
m 2012
Học viên cao học: Nguyễn Thị Mai Anh
Trang 3


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2
MỤC LỤC 3
DANH MỤC BẢNG 6
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7
GIỚI THIỆU 10
Chương 1: TỒNG QUAN 12
1.1 TỔNG QUAN VỀ PHÚN XẠ 12
1.1.1 Phún xạ là gì? 12 
1.1.2.Cơ chế phún xạ catốt 12 
1.1.3.1. Phún xạ phóng điện một chiều (DC discharge sputtering) 12
1.1.3.2. Phún xạ phóng điện xoay chiều (RF discharge sputtering) 14
1.1.3.3. Phún xạ magnetron 15
1.2 TỔNG QUAN QUANG KHẮC 16
1.2.1. Polymer cảm quang 16
1.2.1.1. Giới thiệu 16
1.2.1.2. Ứng dụng 17
1.2.2. Quang khắc 17
1.2.2.1. Khái niệm 17
1.2.2.2. Nguyên lý hệ quang khắc 17
1.2.3. Qui trình quang khắc 20
1.3. TỔNG QUAN MẠ ĐIỆN 27
1.3.1.Sự hình thành lớp mạ điện 27 
1.3.1.1. Khái niệm 27
1.3.1.2. Điều kiện tạo thành lớp mạ 27
1.3.2. Định luật Faraday 29

1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạ 29
1.3.2.1. Vật liệu nền và sự thoát hydro 29
1.3.2.2. Ảnh hưởng của bản chất kim loại nền 30
1.3.2.3. Ảnh hưởng của sự thoát hydro và quá thế catốt 31
Trang 4

1.3.2.4. Ảnh hưởng của thành phần dung dịch mạ 32
1.3.2.5. Mật độ dòng điện catốt 35
1.3.2.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ 36
1.3.2.7. Điều kiện xuất hiện tinh thể 37
Chương 2 THỰC NGHIỆM 38
2.1. QUY TRÌNH CHẾ TẠO ĂNG-TEN 38
2.1.1. Chuẩn bị đế 38
2.1.2. Phún xạ tạo màng đồng 39
2.1.3. Quá trình Lithography (quang khắc) 40
2.1.3.1. Phủ Photoresist và sấy sơ bộ (Soft-Baking) 40
2.1.3.2. Quá trình phơi sáng (exposure) 41
2.1.3.2. Quá trình tráng rửa 43
2.1.3.3. Quá trình ăn mòn 43
2.1.4. Quá trình mạ điện 44
2.2. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CHẾ TẠO
ĂNG-TEN 50

2.2.1. Khảo sát độ bám dính của mẫu 50 
2.2.2. Khảo sát hình thái bề mặt lớp màng: 51
2.2.3. Khảo sát kích thước bằng kính hiển vi quang học GX51 53
2.2.4. Khảo sát độ dày của màng bằng máy Dektak 6M Stylus Profiler
(Veeco) 55

2.2.5. Khảo sát điện trở bằng thiết bị đầu dò 4 điểm 57

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60
3.1 ĐỘ BÁM DÍNH 60
3.1.1. Độ bám dính của lớp màng đồng với đế PET 60
3.1.2. Độ bám dính của ăng-ten với đế PET 62
3.2. KHẢO SÁT BỀ MẶT MẪU: 62
3.2.1. Bề mặt mẫu với nồng độ bể mạ khác nhau 62
3.2.2 Bề mặt mẫu với nhiệt độ khác nhau 65 
3.3. KÍCH THƯỚC ĂNG-TEN 67
Trang 5

3.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỘ DÀY VÀ ĐIỆN TRỞ SUẤT 69

3.4.1. Độ dày và điện trở suất của lớp màng đồng 69
3.4.2. Độ dày và điện trở suất của mẫu ăng-ten 72
3.4.3. Hiệu suất dòng điện 77
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 803


Trang 6

DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1Một số vấn đề lưu ý trong quá trình mạ 48
Bảng 3.1Nồng độ các bể mạ 60

Bảng 3.2Thông số bề mặt mẫu của mẫu lớn với các nồng độ bể mạ khác nhau62
Bảng 3.3Thông số độ gồ ghề bề mặt ăng-ten trong nồng độ bể mạ khác nhau . 63
Bảng 3.4Thông số chế tạo của các mẫu mạ trong bể mạ (3) với nhiệt độ
khácnhau 66


Bảng 3.5Độ tăng bề dày và kích thước của ăng-ten 69
Bảng 3.6Độ dày và điện trở suất với bể mạ khác nhau 70
Bảng 3.7Thông số độ dày và điện trở suất của lớp màng đồng với các nhiệt độ
khác nhau 70

Bảng 3.8Độ dày và điện trở suất của mẫu ăng-ten theo nồng độ bể mạ 73
Bảng 3.9Độ dày và điện trở suất của mẫu ăng-ten với các nhiệt độ khác nhau
trong bể mạ (2) 73

Bảng 3.10Hiệu suất dòng điện của lớp đồng với nhiệt độ khác nhau 78
Bảng 3.11Hiệu suất dòng điện đối với một số mẫu ăng-ten 79


Trang 7

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang

Hình 1.1Mô hình phún xạ 12
Hình 1.2Sơ đồ hệ phóng điện cao áp một chiều (DC-sputter) 13
Hình 1.3Sơ đồ hệ phóng điện cao tần có tụ chặn làm tăng hiệu suất bắn phá
ion. 14

Hình 1.4Sơ đồ nguyên lý bẫy điện tử bằng từ trường trong hệ phún xạ
magnetron. 15

Hình 1.5Nguyên lý hệ quang khắc 18
Hình 1.6Hình ảnh mặt nạ ăng-ten 18
Hình 1.7Phương pháp liff – off và phương pháp ăn mòn. 19

Hình 1.8Mô hình phủ lớp Photoresist 21
Hình 1.9Các cách chiếu để chuyển hình ảnh từ mặt nạ lên nền 22
Hình 1.10Đồ thị ứng với chất cảm quang âm và dương sau khi chiếu sáng và
tráng rửa. 23

Hình 1.11Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bề dày của photoresist Fomandehit với
thời gian tráng rửa với các chất kiềm khác nhau. 24

Hình 1.12Cấu tạo buồn RIE 26
Hình 1.13Chi tiết mẫu trước và sau khi mạ điện 27
Hình 1.14Sơ đồ mạ điện 28
Hình 2.1Quy trình phún xạ - quang khắc – ăn mòn – mạ điện 38

Hình 2.2Lò nung 39
Hình 2.3Thiết bị phún xạ Leybold Univex 350 và hình ảnh bên trong buồng
phún xạ. 40

Hình 2.4Máy quay ly tâm Delta 6RC 41
Hình 2.5Máy Mask Aligner MJB4 42
Hình 2.6Bếp nung ATV Technology GMBH/HT 42
Hình 2.7Mặt nạ ăn mòn sử dụng trong đề tài. 43
Hình 2.8Mẫu ăng-ten sau khi ăn mòn. 44
Trang 8

Hình 2.9Sơ đồ khối hệ mạ điện 45
Hình 2.10Thiết bị mạ điện 49
Hình 2.11Ăng-ten sau khi mạ. 50
Hình 2.12Lớp màng Đồng bám dính tốt và không tốt 51
Hình 2.13Ăng-ten bám dính tốt và không tốt 51
Hình 2.14SEM Jeol/JSM – 6480LV 52

Hình 2.15Kính hiển vi lực nguyên tử AFM Nanotec Electronica S.L 52
Hình 2.16Kính hiển vi quang học GX51 53
Hình 2.17Vị trí khảo sát kích thước của Ăng-ten 54
Hình 2.18Ảnh chụp vị trí Ăng-ten bằng kính hiển vi quang học GX 51 54
Hình 2.19Đồ thị đo bề dày của mẫu bằng thiết bị Dektak 6M Stylus Profiler 55
Hình 2.20Thiết bị Dektak 6M 56
Hình 2.21Sơ đồ mạch điện đo điện trở bằng phương pháp đầu dò 58
Hình 2.22Thiết bị đầu dò 4 điểm 58
Hình 3.1Khả năng bám dính khi thay đổi nồng độ bể mạ 61

Hình 3.2Đồ thị về sự bám dính của các mẫu lớn khi thay đổi nhiệt độ ứng với
bể mạ (3) 61

Hình 3.3Ảnh AFM bề mặt mẫu mạ trong các bể (3) và (5); diện tích quét
5x5µm 63

Hình 3.4Thông số độ gồ ghề bề mặt ăng-ten trong nồng độ bể mạ khác nhau . 64
Hình 3.5Ảnh SEM bề mặt mẫu ứng với bể mạ khác nhau 65
Hình 3.6Ảnh SEM bề mặt mẫu ứng với nhiệt độ khác nhau 66
Hình 3.7Kích thước ăng-ten trước khi mạ và sau khi mạ 67
Hình 3.8Đồ thị độ tăng kích thước của chi tiết sau khi mạ theo nồng độ chất
phụ gia pha tạp của các bể mạ 67

Hình 3.9Đồ thị độ tăng kích thước của chi tiết sau khi mạ theo mật độ dòng. 68
Hình 3.10Đồ thị bề dày trung bình theo phương đứng của mẫu theo giai nhiệt
độ khác nhau. 71

Trang 9

Hình 3.11Đồ thị điện trở suất và độ dày theo phương đứng của ăng-ten tại

nhiệt độ 75F 74

Hình 3.12Đồ thị điện trở suất và độ dày theo phương ngang của ăng-ten tại
nhiệt độ 75F 74

Hình 3.13Đồ thị điện trở suất và độ dày theo phương đứng của ăng-ten tại
nhiệt độ 72F 75

Hình 3.14Đồ thị điện trở suất và độ dày theo phương ngang của ăng-ten tại
nhiệt độ 72F 75

Hình 3.15Đồ thị điện trở suất và độ dày theo phương đứng của ăng-ten tại
nhiệt độ 79F 76

Hình 3.16Đồ thị điện trở suất và độ dày theo phương ngang của ăng-ten tại
nhiệt độ 79F 76

Hình 3.17Đồ thị hiệu suất dòng điện theo mật độ dòng ở nhiệt độ khác nhau 78


Trang 10

GIỚI THIỆU
Các công nghệ ngày nay luôn hướng tới sự đơn giản, tiện lợi và đặc trưng
luôn được ưu tiên hàng đầu là khả năng không dây (wireless). Thiết bị không
dây càng ngày càng phát triển rộng rãi làm cho con người được giải phóng, tự
do và thoải mái hơn. Công nghệ RFID ra đời đã tạo ra cuộc cách mạng trong
môi trường tương tác hiện nay.
Khi một thẻ RFID được gắn vào một sản phẩm sẽ phát ra các tín hiệu vô
tuyến cho biết sản phẩm

ấy đang nằm ở chỗ nào, trên xe đẩy vào kho, trong kho
lạnh hay trên xe đẩy của khách hàng. Do thiết bị này được nối kết trong mạng vi
tính của cửa hàng nên nhờ vậy các nhân viên bán hàng có thể biết rõ sản phẩm
ấy được sản xuất khi nào, tại nhà máy nào, màu sắc và kích cỡ của sản phẩm, để
bảo quản sản phẩm tốt hơn thì phải lưu trữ nó ở nhiệt độ nào hoặc gắn thẻ RFID
lên những động vật hoang dã để biết hành tung của chúng trong những khu rừng
rậm rạp. Thẻ RFID chứa các chip silicon và các ăng-ten cho phép nhận lệnh và
đáp ứng lại bằng tần số vô tuyến.
Với sự tiện lợi đó, các nước tiên tiến hiện nay đã và đang nghiên cứu những
tính năng ưu việt của thẻ RFID. Hệ thống RFID không thể thiếu một bộ phận
quan trọng, đó là
ăng-ten trong các thiết bị thu phát, truyền tin. Nhất là với công
nghệ kết nối không dây đang phát triển rất mạnh như hiện nay, ăng-ten đã có
những thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước… nhằm thoả
mãn tối đa nhu cầu của người sử dụng. Để chế tạo ăng-ten chúng tôi sẽ kim loại
hóa chất dẻo (PET) để tiết kiệm được mộ
t lượng kim loại đáng kể, giá thành của
PET rẻ hơn nhiều lần so với sản phẩm kim loại. Ngoài ra việc mạ điện trên PET
còn làm giảm trọng lượng của sản phẩm cũng như bền với môi trường ăn mòn.
Quy trình để tạo ăng-ten gồm 3 quy trình chính: đó là phún xạ (tạo lớp mỏng
đồng để làm điện cực cho quá trình mạ điện), quang khắc (sử dụ
ng ánh sáng để
biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo hình dạng của ăng-ten), và
cuối cùng là mạ điện (tạo hình dạng ăng-ten dày 10µm). Đối với ăng-ten có độ
Trang 11

dày 10µm cho độ dẫn điện tốt, không bong tróc khi chịu tác dụng của lực lớn và
có thể hàn được với thẻ RFID.
Chế tạo lớp đồng có bề dày 10µm trên đế PET bằng phương pháp phún xạ
đòi hỏi thời gian rất lâu và rất tốn kém. Vì vậy, đề tài tập trung nghiên cứu quy

trình mạ đồng bằng phương pháp mạ điện để ứng dụng trong chế tạo ăng-ten
RFID. Những thuận l
ợi ban đầu của đề tài là: phương pháp mạ điện đã được
nghiên cứu từ lâu, quy trình mạ điện đơn giản, các nguyên vật liệu cần thiết để
mạ đồng có giá thành thấp. Vì thế sử dụng quy trình này để tạo lớp đồng dày
10µm vừa tiết kiệm lại ít tốn thời gian đồng thời có thể hướng đến sản xuất ở
quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, quá trình mạ đ
iện thông thường sẽ làm cho lớp
đồng nhanh chóng bị oxi hóa sau khi lấy ra khỏi bể mạ, lớp đồng không đồng
đều, không bóng như lớp đồng chế tạo bằng phương pháp phún xạ nên đòi hỏi
phải nghiên cứu các chất phụ gia, các thông số và điều kiện mạ điện để tạo ra
lớp đồng như mong muốn với độ bám dính tốt, bề dày đồng đều với đi
ện trở
thấp.
Trước tiên đề tài nghiên cứu việc mạ đồng lên đế PET đã được phún xạ mà
chưa có hình dạng ăng-ten, diện tích 10cmx10cm để khảo sát bề dày, điện trở và
độ bám dính… Sau đó sẽ mạ đồng lên ăng-ten để so sánh và tìm ra điều kiện tốt
nhất của quy trình mạ điện ứng dụng cho ăng-ten RFID.
Ngoài phương pháp phún xạ - quang khắc – mạ điện mà
đề tài nghiên cứu,
phòng thí nghiệm Công nghệ Nano còn nghiên cứu một số quy trình khắc như in
phun – mạ điện; in lụa – mạ điện; quang khắc – ăn mòn – mạ điện trong đề tài
nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng: “Nghiên cứu chế tạo thẻ nhận dạng sử
dụng Ăng-ten sóng Radio bằng công nghệ Nano” – chủ nhiệm đề tài: TS
Nguyễn Trần Thuật.

Trang 12

Chương 1: TỒNG QUAN
1.1 TỔNG QUAN VỀ PHÚN XẠ

1.1.1 Phún xạ là gì?
Phún xạ (Sputtering) hay phún xạ catốt (Cathode Sputtering) là quá trình
bức nguyên tử hay phân tử của chất catốt dưới sự bắn phá của ion dương [1].

Hình 1. 1Mô hình phún xạ
1.1.2.Cơ chế phún xạ catốt:[1]
- Phún xạ cơ học: Ion khi va chạm với nguyên tử catốt có thể trao một phần xung
lượng của mình. Nguyên tử catốt có thể bức khỏi mạng tinh thể nếu đại lượng và
hướng của xung lượng nhận được thỏa mãn điều kiện cần thiết. Phún xạ cơ học
thường xảy ra đối với kim loại khó nóng chảy.
- Phún x
ạ nhiệt: Nguyên tử catốt có thể bốc bay do sự đốt nóng định xứ vật chất
catốt của ion đến nhiệt độ bay hơi của nó. Phún xạ nhiệt thường xảy ra với kim loại
có nhiệt độ bay hơi thấp.
1.1.3. Các loại phún xạ:
1.1.3.1. Phún xạ phóng điện một chiều (DC discharge sputtering): [2]
Là kỹ thuật phún xạ sử dụng hiệu điện thế một chiều để gia t
ốc cho các ion
khí hiếm. Bia vật liệu được đặt trên điện cực âm (catốt) trong buồng chân không
được hút chân không cao, tuỳ thuộc vào thiết bị mà diện tích của bia nằm trong
khoảng từ 10 đến vài trăm centimet vuông sau đó nạp đầy bởi khí hiếm (thường là
Trang 13

Ar hoặc He ) với áp suất thấp (cỡ 10
-2
mbar). Anốt có thể là đế hoặc toàn bộ thành
buồng chân không. [2]
Khoảng cách Catốt-Anốt ngắn hơn rất nhiều khoảng cách nguồn-đế trong
bốc bay chân không và thường là dưới 10cm. Trong các khí trơ, Argon được sử
dụng để phún xạ nhiều hơn cả, áp suất của nó được duy trì trong buồng cỡ 1Torr.

Plasma trong trường hợp này được hình thành và duy trì nhờ nguồn điện cao áp một
chiều. Cơ chế hình thành plasma giống cơ chế
phóng điện lạnh trong khí hiếm.
Người ta sử dụng một hiệu điện thế một chiều cao thế đặt giữa bia (điện cực âm) và
đế mẫu (điện cực dương).
Điện tử thứ cấp phát xạ từ catốt được gia tốc trong điện trường cao áp, chúng
ion hóa các nguyên tử khí, do đó tạo ra lớp plasma (đó là trạng thái trung hòa điện
tích của vậ
t chất mà trong đó phần lớn là các ion dương và điện tử). Các ion khí
Ar+ bị hút về catốt, bắn phá lên vật liệu làm bật các nguyên tử ra khỏi bề mặt catốt.
Quá trình này là quá trình phóng điện có kèm theo phát sáng (sự phát quang do ion
hóa). Vì dòng điện là dòng điện một chiều nên các điện cực phải dẫn điện để duy trì
dòng điện, do đó kỹ thuật này thường chỉ dùng cho các bia dẫn điện (bia kim loại,
hợp kim ).
Tuy nhiên, hiệu suất phún xạ trong trường hợp này là rất thấp. Ngày nay
phương pháp phún xạ cao áp một chiều mà không sử dụng magnetron hầu như
không được sử dụng trong công nghệ chế tạo màng.

Hình 1. 2Sơ đồ hệ phóng điện cao áp một chiều (DC-sputter)
Trang 14

1.1.3.2. Phún xạ phóng điện xoay chiều (RF discharge sputtering):[2]
Là kỹ thuật sử dụng hiệu điện thế xoay chiều để gia tốc cho ion khí hiếm. Nó
vẫn có cấu tạo chung của các hệ phún xạ, tuy nhiên máy phát là một máy phát cao
tần sử dụng dòng điện tần số sóng vô tuyến (thường là 13,56MHz). Điện áp đặt trên
điện cực của hệ chân không là nguồn xoay chiều tần số từ 0,1MHz trở lên, biên độ
trong kho
ảng 0,5 đến 1kV. Mật độ dòng ion tổng hợp tới bia trong khoảng
1mA/cm
2

, trong khi biên độ của dòng cao tần tổng hợp cao hơn rất nhiều (có khi lớn
gấp một bậc hoặc hơn nữa). Vì dòng điện là xoay chiều, nên nó có thể sử dụng cho
các bia vật liệu không dẫn điện. Máy phát cao tần sẽ tạo ra các hiệu điện thế xoay
chiều dạng xung vuông. Vì hệ sử dụng dòng điện xoay chiều nên phải đi qua một bộ
phối hợp trở kháng và h
ệ tụ điện có tác dụng tăng công suất phóng điện và bảo vệ
máy phát. Quá trình phún xạ có hơi khác so với phún xạ một chiều ở chỗ bia vừa bị
bắn phá bởi các ion có năng lượng cao ở nửa chu kỳ âm của hiệu điện thế và bị bắn
phá bởi các điện tử ở nửa chu kỳ dương.
Phún xạ cao tần có nhiều ưu điể
m hơn so với phún xạ cao áp một chiều, thí
dụ điện áp thấp, phún xạ trong áp suất khí thấp hơn, tốc độ phún xạ lớn hơn và đặc
biệt phún xạ được tất cả các loại vật liệu từ kim loại đến oxit hay chất cách điện.
Plasma trong phún xạ cao tần được hình thành và duy trì nhờ nguồn cao tần, cũng
giống như quá trình ion hóa xảy ra trong phún xạ cao áp. Tuy nhiên, ngày nay phún
xạ cao tần riêng biệt c
ũng không còn được sử dụng bởi hiệu suất phún xạ vẫn còn
chưa cao. Người ta sử dụng magnetron để khắc phục nhược điểm này. [2]

Hình 1. 3Sơ đồ hệ phóng điện cao tần có tụ chặn làm tăng hiệu suất bắn phá ion.
Trang 15

1.1.3.3. Phún xạ magnetron: [5]
Phương pháp phún xạ magnetron là phương pháp phún xạ có sự tham gia và
kết hợp của từ trường và điện trường. Chúng ta biết rằng, trong phóng điện khí
thường chỉ vài phần trăm các hạt khí bị ion hoá, nhưng phún xạ magnetron đạt được
hiệu suất cao do hạn chế được sự mất mát điện tử thứ cấp bằng cách đặt một từ
trường trực giao với đ
iện trường và thích hợp với bề mặt bia để tạo bẫy điện tử. Bẫy
có dạng để dòng cuốn điện tử 



x 


tự khép kín mình đạt được dòng cao, vận tốc
phún xạ cao.

Hình 1. 4Sơ đồ nguyên lý bẫy điện tử bằng từ trường trong hệ phún xạ
magnetron.
Bán kính quỹ đạo (ρ) của con quay được xác định bằng công thức:
mv
qB
ρ
=
r

trong đó: m: khối lượng của điện tử,
v: thành phần vuông góc của tốc độ điện tử đối với đường sức,
B: cảm ứng từ.
Nhìn chung, trong các hệ phún xạ thực, bán kính quỹ đạo có giá trị nhỏ, chỉ
khoảng một đến vài milimét. Vì vậy, sự giam hãm điện tử gần bề mặt bia là rất hiệu
quả. Các điệ
n tử chuyển động quanh đường sức cho đến khi chúng bị tán xạ bởi
nguyên tử. Trên thực tế, magnetron còn tồn tại một khoảng thời gian ngắn sau khi
Trang 16

lực không còn, vì các điện tử vẫn còn bị bẫy sau một số lượt chuyển động vòng
quanh.
Thông thường để bắn phá các bia là kim loại hay chất dẫn điện được thì ta

dùng dòng 1 chiều (Direct Current) để tạo plasma (DC - magnetron sputtering). Nếu
các target là các chất cách điện như các oxit thì bắt buộc ta phải dùng dòng RF để
tạo plasma.
1.2 TỔNG QUAN QUANG KHẮC:
1.2.1. Polymer cảm quang:
1.2.1.1. Giới thiệu:
Polymer cảm quang là những loại polymer nhạy cảm với các nguồ
n ánh sáng.
Nguồn quang học để đóng rắn bức xạ có thể là tia cực tím (UV), ánh sáng, laser đã
được quan tâm nghiên cứu trong những năm 1990. Những kỹ thuật này dựa trên
những phản ứng hóa học đòi hỏi sự kích hoạt của các vùng ánh sáng UV, khả kiến,
IR. Quá trình đóng rắn cũng xảy ra bằng các chuỗi hạt electron, tia X, plasma, sóng
siêu âm. [4] [17]
Photoresist:
Là một hợp chất hữu cơ có tính chất nhạy quang (tức là tính chất bị thay
đổi
khi chiếu các bức xạ thích hợp), đồng thời lại bền trong các môi trường kiềm hay
axit. Cảm quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các
tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế
tạo. Cảm quang thường được phủ lên bề mặt mẫu bằng kĩ thuật quay phủ (spin –
coating).
Polymer cảm quang nói chung và photoresist nói riêng gồm có 2 loại: lo
ại tạo
ảnh DƯƠNG và loại tạo ảnh ÂM.
Loại tạo ảnh DƯƠNG là hệ gồm các polymer có khối lượng phân tử lớn, dưới
tác dụng của các bức xạ sẽ chuyển sang các polymer hoặc các monomer có khối
lượng phân tử thấp hơn, khi bị chiếu sáng tia tử ngoại sẽ bị hóa keo và lớp keo này
Trang 17

sẽ bị rửa trôi bằng một loại thuốc rửa. Ưu điểm của loại ảnh dương là độ phân giải

cao. [8]
Loại tạo ảnh ÂM là hệ gồm các polymer dễ hoà tan, sau chuyển sang dạng khó
hoà tan do thực hiện các phản ứng quang polymer hoá tạo mạng ngang hay được
hiệu chỉnh nhóm chức. Khi được tráng rửa, phần không bị chiếu sáng sẽ bị hòa tan
trong dung môi. Khuyết điểm của loại này là dễ
hấp thu dung môi, độ phân giải
thấp. [8]
1.2.1.2. Ứng dụng:
Dùng rộng rãi trong kỹ thuật quang khắc (photolithography) để chế tạo vi
mạch điện tử, làm lớp màng cảm quang cho những vi hệ thống có kích thước micro
MEMS và nano NEMS,…
1.2.2. Quang khắc:
1.2.2.1. Khái niệm:
Quang khắc hay photolithography là kĩ thuật công nghệ tạo các chi tiết trên
bề mặt mẫu, có kích thước và hình dạng giống như thiết kế bằng cách sử dụng chùm
điện tử
có năng lượng cao làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt mẫu.
Quang khắc là một công cụ phổ biến trong công nghệ nanô để tạo các chi tiết, các
linh kiện có kích thước nhỏ với độ chính xác cực cao. [6]
1.2.2.2. Nguyên lý hệ quang khắc:
Chùm tia tử ngoại được khuếch đại rồi chiếu qua mặt nạ rồi đến mẫu đã được
phủ chất cảm quang, sau đó chùm sáng hội tụ tạ
o hình ảnh chi tiết cần tạo trên mẫu.
Trang 18


Hình 1. 5Nguyên lý hệ quang khắc
Mặt nạ
Là một tấm thủy tinh có hình ảnh. Hình ảnh được tạo bằng cách ăn mòn có
chọn lọc lớp crom mỏng (khoảng 70nm) trên tấm thủy tinh tạo vùng tối và vùng

sáng. Khi chiếu ánh sáng qua chỗ nào không có crom thì cho ánh sáng đi qua, chỗ
nào có crom sẽ cản ánh sáng. [6]



Hình 1. 6Hình ảnh mặt nạ ăng-ten
C
r
Trang 19

Có hai phương pháp được sử dụng để chế tạo chi tiết là phương pháp lift-off
và phương pháp ăn mòn.
* Phương pháp liff – off: quy trình quang khắc được thực hiện trước, sau đó
lớp vật liệu sẽ được phủ lên bằng phương pháp bốc bay hoặc phún xạ, cuối cùng là
giai đoạn lift-off, phần vật liệu dư thừa sẽ được lấy đi khi lớp cảm quang bên dưới
bị hòa tan.
* Phương pháp ăn mòn: v
ật liệu được phủ lên đế trước khi phủ lớp cảm
quang, sau đó tiến hành quy trình quang khắc, hình dạng chi tiết sẽ được in trên lớp
cảm quang phủ trên vật liệu, cuối cùng là giai đoạn ăn mòn lớp vật liệu không mong
muốn và loại bỏ lớp cảm quang còn lại.

Hình 1. 7Phương pháp liff – off và phương pháp ăn mòn.

Trang 20

Các giai đoạn cơ bản để tạo quang khắc:

1.2.3. Qui trình quang khắc: [4] [8]
Ánh sáng qua mặt nạ được chiếu lên bề mặt lớp cảm quang, tạo nên chi tiết

cần tạo. Phần cảm quang được chiếu sáng sẽ thay đổi tính chất hóa học. Sau đó sử
dụng phương pháp ăn mòn hóa học, loại bỏ phần được chiếu sáng (cảm quang
dương) hoặc không được chiếu sáng (cảm quang âm).
A. Chuẩn bị
bề mặt:
¾ Tách tạp chất trên bề mặt wafer:
Phương pháp:
- Thổi khí nitơ có áp suất cao
- Vệ sinh bằng hóa chất
- Dòng nước có áp suất cao
- Dùng cọ rửa
¾ Sấy tách ẩm
Trên bề mặt các wafer thường ẩm do đó cần phải loại bỏ bằng cách gia nhiệt
ở khoảng 150~200
o
C
¾ Phủ lớp primer:
Mục đích: làm tăng khả năng kết dính giữa wafer và photoresist.
Primer thường sử dụng là HMDS (hexamethyldislazane)
Chuẩn bị bề mặt Phủ Photoresist
Sấy sơ bộ
(softbake)
Chuyển hình ảnh
từ mặt nạ lên
photoresist
(exposure)
Rửa, tạo hình
ảnh
(develop)
Làm cứng

photoresist
(hardbake)
Trang 21

B. Phủ photoresist - Coating (Spin Casting):
Ở giai đoạn này nền được quay trên spinner trong môi trường chân không. Các
thông số kiểm soát trong giai đoạn này:
- Tốc độ: 3000-6000 vòng/phút
- Thời gian quay: 15-30 giây
- Độ dày lớp phủ: 0,5-15µm
Công thức thực nghiệm để tính độ dày lớp phủ photoresist
2
kp
t
ω
=

với k: hằng số của thiết bị quay spinner (80-100)
p: hàm lượng chất rắn trong resist (%)
ω: tốc độ quay của spinner (vòng/1000)

Hình 1. 8Mô hình phủ lớp Photoresist
Yêu cầu của lớp Photoresist sau khi phủ quay phải có độ phân giải cao, có khả năng
chống lại sự ăn mòn cao, độ bám dính tốt, chịu được các điều kiện của quy trình
quang khắc như nhiệt độ, quá trình phủ, quay ly tâm…
C. Sấy sơ bộ Pre-Baking (Soft-Baking):
Mục đích: làm bay hơi dung môi có trong photoresist. Trong quá trình sấy độ
dày lớp phủ sẽ giảm khoảng 25%.
Phương pháp thực hiện:
* Dùng lò đối l

ưu nhiệt

Trang 22

Điều kiện:
- nhiệt độ: 90-100
o
C
- thời gian: 20 phút
* Dùng tấm gia nhiệt
- nhiệt độ: 75-100
0
C
- thời gian: 1- 2 phút
* Dùng sóng viba và đèn hồng ngoại.
D. Chiếu (exposure):
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:
- Mặt nạ tiếp xúc
- Mặt nạ đặt cách photoresist khoảng cách nhỏ
- Mặt nạ đặt cách xa photoresist, ánh sáng được chiếu qua hệ
thấu kính. Hình
ảnh thu nhỏ 1:4 đến 1:10.

Hình 1. 9Các cách chiếu để chuyển hình ảnh từ mặt nạ lên nền

Trang 23

E. Tráng rửa (development):

Dùng hóa chất tách các photoresist chưa đóng rắn.
Đối với photoresist âm:
- chất rửa: xylen
- chất súc lại: n-butylacetate
Đối với photoresist dương:
- chất rửa: (NaOH, KOH), (CH
3
)
4
NOH (TMAH)
- chất súc lại: nước
Thông số kiểm soát trong quá trình rửa: nhiệt độ rửa, thời gian rửa, phương pháp
rửa, chất rửa.
Phương pháp rửa:
- phương pháp nhúng: đưa trực tiếp vào dung dịch rửa
- phương pháp phun

Hình 1. 10Đồ thị ứng với chất cảm quang âm và dương sau khi chiếu sáng và
tráng rửa. [8]
Trang 24

Ở năng lượng chiếu sáng thấp, chất cảm quang âm bị hòa tan hoàn toàn trong
dung dịch tráng rửa. Khi tăng năng lượng chiếu sáng qua ngưỡng E
t
thì chất
cảm quang âm vẫn còn trên mẫu. Ngược lại đối với chất cảm quang dương
vẫn có thể hòa tan trong dung dịch tráng rửa ngay khi năng lượng bằng
không. Sự hòa tan tăng dần đến khi hòa tan hoàn toàn. Đồ thị này phụ thuộc
vào các yếu tố: bề dày lớp cảm quang ban đầu khi chưa chiếu, điều kiện sấy
sơ bộ, dung dịch tráng rửa, thời gian tráng rửa…


Hình 1. 11Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bề dày của photoresist Fomandehit với thời
gian tráng rửa với các chất kiềm khác nhau. [8]
F. Sấy khô Post-Baking (Hard-Baking):
Mục đích: làm cho photoresist cứng hoàn toàn, đồng thời tách toàn bộ dung môi
ra khỏi resist, làm tăng độ ổn định nhiệt của hình ảnh chi tiết trên bề mặt. Quá trình
này cần thiết khi sử dụng phương pháp ăn mòn.
G. Ăn mòn (Etching):
Có hai loại ăn mòn:
- Ăn mòn ướt : sử dụng đối v
ới chi tiết có độ phân giải > 3µm
- Ăn mòn khô : sử dụng đối với chi tiết có độ phân giải < 3µm

×