Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử nanô

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ
Trần Tiến Phức
Khoa Điện - Điện tử

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

1

HAI CÁCH TIẾP CẬN CƠ BẢN ĐỂ
CHẾ TẠO LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ
• Tiếp cận từ trên xuống
(top – down)
• Tiếp tục cải tiến công
nghệ vi điện tử nhằm
giảm kích thước linh
kiện, giảm
tiêu thụ
năng lượng điện, tăng
mật độ và tăng khả
năng tiêu tán nhịệt, mở
rộng phạm vi hoạt động
(nhiệt độ, áp suất…)

20/12/13

• Tiếp cận từ dưới lên
(boottom – up)
• Chế tạo linh kiện từ việc

lắp gép, kết hợp các
nguyên tử, phân tử
riêng biệt dựa vào các
nguyên lý mới, tạo nên
hiệu ứng mới. Thiết bị
và phương pháp công
nghệ linh kiện điện tử
nanô theo hướng này có
nhiều điểm mới.

TS. Tran Tien Phuc

2

1


Ba phương pháp công nghệ quan trọng
để chế tạo linh kiện điện tử nanô
1. Lắng đọng màng mỏng

2. Lythography
3. Kỹ thuật thêm, bớt vật liệu

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

3

Lắng đọng màng mỏng
Lónh vực
Phương pháp

Vật lý
Bốc hơi
Epitaxy chùm
phân tử (MBE)

Thổi

Hoá học
Lắng đọng
xung laser
(PLD)

Cơ chế tác
động

Nhiệt năng

Xung lượng

Tốc độ lắng
đọng

Cao, tới
75.104Ao/phút

Thấp (trừ kim Vừa phải

loại tinh khiết)

Từ vừa phải đến
2500Ao /phút

Phần tử lắng
đọng

Nguyên tử và
ion

Nguyên tử và
ion

Nguyên tử, ion
và các nhóm

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

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

Nhiệt năng

CVD
CVD hữu cơ
kim loại
Phản ứng

4

2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LẮNG ĐỌNG MÀNG
• Quãng đường tự do trung bình  của nguyên tử
hay phân tử khí



1
2Nd 2

• d - đường kính phân tử, N - nồng độ chất khí. Với
chất khí lý tưởng: N=p/kBT và kB -hằng số Boltzmann


20/12/13

k BT
2pd 2

TS. Tran Tien Phuc

5

Số nguyên tử dư chuyển động bám vào màng đang
hình thành làm giảm độ tinh khiết được tính bằng

N i  pi

1

2k B mi T

Trong đó, mi là khối lượng nguyên tử hoặc phân tử.
Muốn có một màng sạch cần độ chân không cực
cao (Ultra High Vacuum - UHV, hơn 109mbar).

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

6

3


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
• Có thể kết hợp nhiều
nguồn để tạo lớp hay
điều chỉnh mật độ pha
trộn.
20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

7

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.
20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

8

4


Lắng đọng phún xạ

20/12/13

Trong buồng chân không vật
liệu bia bị ăn mòn tại mặt
catôt (thế âm) và chất nền
cho màng là mặt anôt (thế
dương). Thế vài trăm vôn giữa
các tấm 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 nền.
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…

TS. Tran Tien Phuc

9

Lắng đọng bay hơi hoá học

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

10

5


Màng Langmuir-Blodgett

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

11

Lithographi
Dữ liệu về vi cấu trúc (CAD)
Bộ viết chùm tia điện tử/ bộ viết chùm tia laser

DUV
lithography

EUV
lithography

Tia X
lithography

EBP
lithography

IBP
lithography

Viết trực tiếp

Mặt nạ cho lithography tiếp xúc, gần hoặc chiếu

Nền được phủ chất cản / hiện
ĂÊn mòn hoá ướt / khô
Vi cấu trúc trên chất nền
20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

12

6


Lithographi trên quan điểm loại bức
xạ được sử dụng
• UV (Ultra Violet) 365 nm – 436 nm
• DUV (Deep Ultra Violet) có bước sóng 175-250nm

• EUV (External Ultra Violet) có bước sóng 11-14nm
• Tia X (X ray) có bước sóng trong dải 1-10nm
• EBP (Electron Beam Projection) chùm tia điện tử
• IBP (Ion Beam Projection)

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

13

Lithographi - khuôn (mask) được xác
định lên mẫu - wafer

Nguyên tắc chung của hệ thống
Một nguồn bức xạ chiếu lên mẫu qua khuôn
(mask) xen giữa. Quá trình chiếu xạ sẽ xử lý
một cách chọn lọc những vùng trên wafer để
hình thành một lớp cấu trúc theo thiết kế.
Sử dụng ánh sáng-> pho to Lithographi
Sử dụng điện tử -> Lithographi điện tử
Sử dụng ion -> Lithographi ion

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

14

7


Lithographi trên quan điểm vị trí
khuôn (mask) so với mẫu (wafer)

• Khuôn tiếp xúc với mẫu thì khả năng phân
giải (Minimum Feature Size-MFS) là:

MFS  d.λ
• Khuôn ở gần mẫu với khỏang cách d độ phân
giải giảm.

MFS  (d  g)λ

• Khuôn được chiếu lên mẫu thông qua ảnh
nên độ phân giải tốt hơn tùy theo độ mở của
hệ thống quang học.
λ

MFS  0,61

20/12/13

NA

TS. Tran Tien Phuc

15

Ưu nhược điểm của kỹ thuật top
down
Ưu điểm
Công nghiệp điện tử
đã có nhiều kinh
nghiệm và thiết bị
để
chế
tạo
vi
chip.Có thể tiếp tục
cải tiến để chế tạo
các cấu trúc trong
vùng nm (tia X, tia
điện tử, tia ion)

20/12/13

Khuyết điểm
Những thay đổi cần
có là rất khó và tốn
kém, có thể làm
giảm tốc độ chế tạo
và tuổi thọ của thiết
bị sản xuất do tính
chất hủy thể.

TS. Tran Tien Phuc

16

8


Kỹ thuật bottom-up

Viết trực tiếp để các phân tử tự sắp xếp

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

17

Kỹ thuật bottom-up dựa vào dòng
đường hầm

• Dùng kính hiển vi lực
nguyên tử để lấy đi
hay đặt vào các
nguyên tử tại vị trí
theo thiết kế

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

18

9


20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

19

Đặt từng từng nguyên tử hay
phân tử vào mẫu

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

20

10


Lấy từng nguyên tử, phân tử ra
khỏi mẫu

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

21

Khắc ăn mòn vật lý theo hướng
nằm ngang

20/12/13

TS. Tran Tien Phuc

22

11


Ưu nhược điểm của kỹ thuật
bottom-up
Ưu điểm
Sắp xếp các nguyên
tử và phân tử thành
các cấu trúc nanô

nhỏ nhất với kích
thước khoảng hàng
nanômét thông qua
các phản ứng hóa
học chọn lọc và kỹ
thuật đầu dò quét.
20/12/13

Khuyết điểm
Khó chế tạo được
các cấu trúc khác
nhau liên kết theo
thiết kế với mục đích
xác
định
trước.
Không thích hợp cho
việc chế tạo hàng
loạt linh kiện điện tử
trên vi chip.

TS. Tran Tien Phuc

23

12