Lithography – Công nghệ tạo hình vi cấu trúc trong chế tạo bán dẫn
1. Từ wafer đến pattern: vai trò của lithography trong chuỗi bán dẫn
Trong các bài trước của series, chúng ta đã lần lượt xây dựng nền tảng cho quá trình chế tạo bán dẫn: từ silicon wafer (vật liệu nền), wafer surface cleaning (chuẩn bị bề mặt), thermal oxidation (tạo lớp oxide nền) đến thin film deposition (hình thành các lớp vật liệu chức năng).
Khi các lớp màng mỏng đã được lắng đọng chính xác, bước tiếp theo mang tính quyết định là lithography – quá trình chuyển các mẫu hình (pattern) từ thiết kế sang wafer. Lithography chính là cầu nối giữa thiết kế vi mạch và quy trình chế tạo vật lý, quyết định trực tiếp kích thước, hình dạng và độ chính xác của các cấu trúc bán dẫn
2. Lithography là gì?
Lithography, theo nghĩa gốc, là phương pháp in từ một bề mặt đã được xử lý sao cho vật liệu chỉ bám vào vùng mong muốn. Trong chế tạo bán dẫn, silicon wafer đóng vai trò bề mặt in, còn “mực in” là tổ hợp của deposition – lithography – etch để tạo ra cấu trúc mong muốn.
Do quá trình tạo hình trong bán dẫn chủ yếu dựa trên chiếu sáng quang học, kỹ thuật này thường được gọi là photolithography. So với các phương pháp khác như direct writing hay nanoimprint, photolithography cho phép độ phân giải cao và throughput lớn, phù hợp với sản xuất công nghiệp
3. Quy trình photolithography cơ bản
Một chu trình photolithography điển hình bao gồm các bước:
Làm sạch và chuẩn bị bề mặt wafer
Tạo các lớp nền (oxide, nitride, hard mask, ARC nếu cần)
Phủ lớp photoresist
Pre-bake để ổn định photoresist
Căn chỉnh wafer với reticle/mask và chiếu sáng UV
Post-exposure bake
Develop để tạo pattern trong photoresist
Hard bake
Chuyển pattern sang lớp bên dưới bằng etching
Làm sạch bề mặt
Hình 5.1. Sơ đồ tổng quát quy trình photolithography trong chế tạo thiết bị bán dẫn
4. Nguyên lý quang học trong photolithography
Photolithography hiện đại dựa trên projection optics, trong đó hình ảnh trên photomask (kích thước lớn hơn) được thu nhỏ và chiếu chính xác lên wafer. Các hệ thống DUV (248 nm, 193 nm) sử dụng quang học catadioptric – kết hợp thấu kính và gương – để đạt độ phân giải cao
Hình 5.2. Mối quan hệ giữa bước sóng chiếu sáng và kích thước đặc trưng của vi mạch trong lịch sử phát triển photolithography
5. Deep UV (DUV) và Extreme UV (EUV) Lithography
5.1. DUV lithography
DUV lithography là nền tảng của sản xuất bán dẫn trong nhiều thập kỷ, với các kỹ thuật bổ trợ như:
Optical proximity correction (OPC)
Phase-shift mask
Immersion lithography
Multiple patterning
5.2. EUV lithography
Khi kích thước đặc trưng giảm xuống dưới 22 nm, EUV lithography (13.5 nm) được phát triển để đáp ứng yêu cầu patterning một lần chiếu. EUV sử dụng gương phản xạ thay vì thấu kính, đồng thời yêu cầu môi trường chân không cao do mọi khí đều hấp thụ mạnh ánh sáng EUV
Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống EUV lithography sử dụng gương phản xạ trong môi trường chân không.
6. Thách thức về contamination và độ tin cậy quang học
Ở bước sóng DUV và EUV, photo-molecular contamination trở thành thách thức lớn. Các hợp chất hữu cơ, siloxane hoặc hợp chất vô cơ bay hơi có thể hấp thụ ánh sáng, gây suy giảm truyền dẫn hoặc phản xạ, dẫn đến:
Giảm chất lượng ảnh (Strehl reduction)
Biến dạng wavefront
Giảm tuổi thọ hệ quang học
Do đó, lithography đòi hỏi kiểm soát môi trường cực kỳ nghiêm ngặt, từ vật liệu quang học, quy trình làm sạch, coating cho đến vận hành trong cleanroom.
Hình 5.4. Đặc tính truyền dẫn của vật liệu quang học DUV, minh họa giới hạn vật liệu khi làm việc ở bước sóng ngắn.
7. Vai trò của hệ đo lường, chân không và chuyển động chính xác
Lithography hiện đại không chỉ là quang học, mà còn là bài toán của:
Chân không và đo áp suất chính xác
Điều khiển dòng khí
Hệ chuyển động wafer và reticle siêu chính xác
Các giải pháp pressure measurement, flow control, vacuum components và motion control stages của MKS đóng vai trò nền tảng trong việc đảm bảo độ chính xác vị trí, overlay, throughput và độ ổn định lâu dài của hệ thống lithography
8. Lithography trong chuỗi tạo hình và bước tiếp theo: Etching
Lithography chỉ tạo ra pattern trong photoresist. Để biến pattern này thành cấu trúc vật lý thực sự, bước tiếp theo không thể thiếu là etching – quá trình loại bỏ vật liệu có chọn lọc dựa trên pattern đã được định nghĩa.
2 thoughts on “Lithography – Công nghệ tạo hình vi cấu trúc trong chế tạo bán dẫn”
Pingback: Dopant Diffusion và Ion Implantation – Kiểm soát tính chất điện trong chế tạo bán dẫn - Thiết bị đo lường | Trang chủ
Pingback: Chemical Mechanical Planarization (CMP) – Công nghệ làm phẳng bề mặt trong chế tạo bán dẫn - Thiết bị đo lường | Trang chủ