1. Nguyên lý cơ bản của quang khắc
Quang khắc (photolithography) là quy trình sử dụng ánh sáng để tạo các hoa văn vi mô trên bề mặt wafer bán dẫn thông qua một lớp vật liệu nhạy sáng gọi là chất cản quang. Về cơ bản, quang khắc giống như kỹ thuật chụp ảnh: chiếu mẫu thiết kế từ mask quang (mặt nạ quang học) lên wafer được phủ chất cản quang, sau đó hiện hình và khắc ăn mòn để chuyển mẫu đó xuống vật liệu bên dưới. Quá trình này được lặp lại nhiều lần (thường 20–30 lần) để từng bước xây dựng nên các tầng linh kiện và kết nối của chip tích hợp. Thực tế, quang khắc là công đoạn trọng yếu trong chế tạo vi mạch, chiếm khoảng 30% chi phí sản xuất và quyết định giới hạn thu nhỏ kích thước linh kiện
Các bước chính trong quang khắc: Quy trình quang khắc tiêu chuẩn bao gồm một chuỗi bước tuần tự, mỗi bước đòi hỏi độ chính xác cao. Các bước cơ bản như sau:
- Chuẩn bị bề mặt wafer: Wafer silicon được làm sạch và xử lý (loại bỏ hơi ẩm, phủ chất tăng độ bám dính) để chất cản quang bám tốt trên bề mặt.
- Phủ chất cản quang (photoresist): Một lớp mỏng chất cản quang được phủ đều trên wafer bằng phương pháp quay phủ (spin-coating). Lớp này có độ dày vài trăm nm và sẽ nhạy với ánh sáng chiếu.
- Sấy sơ bộ (prebake): Wafer được “nung” nhẹ để làm bay hơi dung môi và làm cứng tạm thời lớp cản quang, giúp ổn định trong quá trình phơi sáng.
- Căn chỉnh và phơi sáng (exposure): Wafer được đưa vào máy in thạch bản. Ánh sáng tử ngoại từ nguồn (ví dụ đèn laser) được hội tụ và chiếu qua mask chứa mẫu mạch cần in. Các vùng trên mask trong suốt cho phép ánh sáng truyền qua và tác động lên lớp cản quang bên dưới, gây phản ứng quang hóa làm thay đổi tính tan của chất cản quang tại những vùng đó. (Hiện nay hầu hết sử dụng phương pháp chiếu Projective qua hệ thấu kính, phóng to thu nhỏ hình ảnh mask, thay vì phương pháp tiếp xúc trực tiếp như trước).
- Hiện ảnh (development): Wafer sau phơi được ngâm trong dung dịch tráng rửa (developer). Các vùng chất cản quang đã bị ánh sáng làm thay đổi sẽ hòa tan và bị rửa trôi (đối với loại cản quang dương), hoặc ngược lại các vùng không bị chiếu sáng sẽ bị hòa tan (đối với loại cản quang âm). Kết quả tạo nên hoa văn chất cản quang đúng theo mẫu mask trên bề mặt wafer.
- Ăn mòn (etching) và truyền mẫu: Hoa văn vừa tạo ra được sử dụng làm mặt nạ bảo vệ cho bước ăn mòn plasma hoặc ion – nhằm khắc xuống lớp vật liệu bên dưới (oxide, kim loại hoặc silicon) theo đúng mẫu. Phần vật liệu được che phủ bởi chất cản quang sẽ không bị ăn mòn, còn các vùng lộ ra sẽ bị khắc loại bỏ, tạo cấu trúc mong muốn trên wafer.
- Loại bỏ cản quang (resist strip): Sau khi mẫu đã được khắc xuống lớp dưới, lớp cản quang còn lại được tẩy bỏ (thường bằng plasma oxy hoặc dung môi). Wafer sẵn sàng cho lớp tiếp theo. Chuỗi quy trình này lặp lại cho mỗi lớp linh kiện cần chế tạo.
Quá trình trên đòi hỏi độ sạch rất cao (phòng sạch) và sự căn chỉnh chính xác giữa các lớp mask. Mỗi lớp pattern mới phải được canh chỉnh (align) với các hoa văn đã có trước đó trên wafer, sai số chỉ trong vài nm. Sự chồng lớp (overlay) này là thách thức then chốt: sai lệch nhỏ có thể làm hỏng cấu trúc mạch.
Các loại photoresist (chất cản quang): Có hai loại chính là cản quang dương và cản quang âm, khác nhau ở cách phản ứng với ánh sáng:
- Cản quang dương (Positive resist): Dưới tác dụng ánh sáng, polymer cảm quang bị phá vỡ mạch hoặc biến đổi thành dạng dễ tan trong developer. Do đó sau khi phơi và tráng rửa, phần đã chiếu sáng sẽ bị hòa tan và mất đi, để lộ bề mặt wafer trần. Ngược lại, vùng không bị chiếu sáng vẫn không tan và lưu lại, tạo hoa văn giống y hệt mẫu trên mask. Cản quang dương có độ phân giải cao hơn, tạo được các đường nét rất mịn vì chỉ vùng bị chiếu sáng mới mềm ra. Hầu hết các quy trình hiện đại dùng cản quang dương nhờ ưu điểm về độ phân giải và độ chính xác. Ví dụ: các hệ DNQ-Novolak (diazonaphthoquinone – novolac) dùng cho đèn thủy ngân (i-line 365 nm) hay chemically amplified resist cho bước sóng 248 nm, 193 nm đều thuộc loại dương.
- Cản quang âm (Negative resist): Dưới ánh sáng, polymer của resist sẽ liên kết chéo (cross-link) thành mạng không tan trong developer (cứng lại). Vì vậy phần đã chiếu sáng sẽ ở lại trên wafer sau khi tráng rửa, còn vùng không chiếu (không được “cứng” lên) sẽ bị dung dịch hòa tan cuốn đi, tạo hoa văn ngược với mask. Cản quang âm thường có tốc độ nhạy sáng nhanh hơn và rẻ hơn nhưng nhược điểm là độ phân giải kém – do xu hướng trương nở và biến dạng khi rửa (developer thâm nhập cả vùng chưa chiếu sáng gây sưng, làm mờ nét pattern). Vì lý do đó, ở các công nghệ đòi hỏi chi tiết rất nhỏ, cản quang âm ít được sử dụng. Tuy nhiên cản quang âm vẫn hữu ích cho những ứng dụng không cần độ phân giải quá cao nhờ ưu thế giá rẻ, độ bám dính tốt và quy trình dễ dàng hơn.
Tóm lại, nguyên lý quang khắc dựa trên thay đổi tính tan của vật liệu cảm quang dưới ánh sáng để tạo mặt nạ tạm thời trên wafer. Mặt nạ này sau đó định hình vùng sẽ được khắc hoặc cấy ghép ion, qua đó “in” cấu trúc mạch lên chất bán dẫn. Nhờ khả năng tạo mẫu chính xác và lặp lại nhiều lần, quang khắc cho phép chế tạo hàng tỷ linh kiện cực nhỏ trên một chip. Tuy nhiên, kỹ thuật này cũng bị ràng buộc bởi những giới hạn vật lý, tiêu biểu là giới hạn nhiễu xạ ánh sáng – chi tiết nhỏ nhất không thể nhỏ hơn một mức nhất định so với bước sóng ánh sáng sử dụng. Để tiếp tục thu nhỏ linh kiện, ngành công nghiệp bán dẫn phải không ngừng cải tiến nguồn sáng, vật liệu và kỹ thuật quang khắc, dẫn đến sự ra đời của các công nghệ quang khắc hiện đại như DUV và EUV.