Bài 13.2Vi mô và nanoChương 13 · Chế tạo vi mô và nano

Quang khắc

Chiếu hoa văn bằng ánh sáng lên lớp phủ nhạy sáng, rồi ăn mòn

Quang khắc in hoa văn lên wafer silic bằng ánh sáng, khá giống tráng ảnh qua một mẫu cắt. Nó vẽ hàng tỷ transistor và dây dẫn trên chip máy tính, từng lớp một. Mọi con chip trong điện thoại của bạn đã đi qua nó hàng chục lần.

Ảnh: Le hollandais volant, CC BY 4.0, qua Wikimedia Commons

Một chu kỳ quang khắc trong sáu mặt cắtMỗi hình là mặt cắt qua một mảnh nhỏ của wafer sau bước đó; các số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới.

Cách hoạt động

Quay phủ lớp cản quang. Wafer đã mang sẵn một lớp mỏng cần tạo hoa văn, như silic oxit hoặc kim loại. Vài giọt photoresist (nhựa lỏng nhạy sáng) rơi lên nó, và wafer quay ở hàng nghìn rpm, để lại màng đều dày khoảng một micromet hoặc ít hơn. Nướng ngắn làm khô nó.
Căn chỉnh và phơi sáng. Mặt nạ (tấm kính mang hoa văn một lớp bằng crôm, còn gọi là reticle) được căn thẳng với các hoa văn đã có trên wafer, trong vài nanomet với chip tiên tiến. Ánh sáng UV chiếu qua phần trong suốt của nó, và thấu kính thu nhỏ hình ảnh, thường bốn lần, lên lớp cản quang. Máy, gọi là stepper hoặc scanner, lặp lại việc này từng vùng ngang wafer.
Hiện hình. Dung dịch hiện hình rửa qua wafer. Với cản quang dương phổ biến nhất, vùng bị ánh sáng chiếu hòa tan, để lại các lỗ mở có hình như vùng trong suốt của mặt nạ.
Ăn mòn. Trong máy khắc plasma (buồng khí mang điện), plasma ăn mòn lớp chỉ ở nơi lớp cản quang mở; chỗ khác lớp cản quang che chắn. Thay vì khắc, các lỗ mở cũng có thể nhận vật liệu mới hoặc nguyên tử cấy.
Tẩy lớp phủ. Lớp cản quang còn lại được loại bỏ bằng dung môi hoặc plasma oxy. Hoa văn giờ đã tồn tại trong chính lớp đó.
Lặp lại. Một lớp mới được thêm vào và chu kỳ bắt đầu lại với mặt nạ tiếp theo, mỗi hoa văn căn thẳng với các lớp bên dưới. Một chip tiên tiến đi qua hàng chục chu kỳ như vậy.

Thông số chính

Vật liệu: Wafer silic phủ photoresist; cũng có thủy tinh, chất bán dẫn hợp chất và bảng mạch
Chi tiết thường gặp: Hoa văn phẳng xếp chồng từng lớp: transistor, dây dẫn, cảm biến, mặt sau màn hình
Kích thước chi tiết: Wafer rộng đến 300 mm; một lần phơi sáng phủ một vùng khoảng 26 × 33 mm
Độ chính xác: Khoảng một micromet với máy căn chỉnh phòng thí nghiệm đơn giản; hàng chục nanomet với ánh sáng laser 193 nm; gần 10 nm với ánh sáng EUV (13,5 nm)
Bề mặt hoàn thiện: Không để lại vân riêng; wafer đã tạo hoa văn lấp lánh màu cầu vồng
Số lượng phù hợp: Sản xuất hàng loạt: một bộ mặt nạ phục vụ hàng nghìn wafer, mỗi wafer chứa hàng trăm đến hàng nghìn chip
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Máy căn chỉnh mặt nạ phòng thí nghiệm: hàng chục đến hàng trăm nghìn đô la; máy quét EUV: hàng trăm triệu; một bộ mặt nạ tiên tiến: hàng triệu
Tốc độ: Một máy quét sản xuất phơi sáng khoảng 100–300 wafer mỗi giờ, mỗi wafer một lớp

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Tạo hoa văn cả wafer song song: hàng tỷ chi tiết cùng lúc
Đạt chi tiết cỡ nanomet với máy quét hiện đại
Rất lặp lại: xương sống của mọi sản xuất chip
Chi phí mỗi transistor rất thấp ở sản lượng lớn

Hạn chế

Máy, mặt nạ và phòng sạch cực kỳ đắt
Bước sóng ánh sáng giới hạn chi tiết mịn nhất
Chỉ các lớp phẳng; cấu trúc 3D đến từ việc xếp chồng hàng chục lớp
Cần phòng không bụi, không rung dưới ánh sáng vàng

Ứng dụng

Điện tửBộ xử lý, chip nhớ, cảm biến hình ảnh camera
Màn hìnhLưới transistor phía sau màn hình LCD và OLED
Cảm biến và MEMSGia tốc kế, micrô, cảm biến áp suất
Quang tửChip LED, điốt laser, ống dẫn sáng trên chip
Bảng mạchĐường đồng, tạo hoa văn bằng cản quang dạng màng khô
Nghiên cứuThiết bị vi lưu "phòng thí nghiệm trên chip"

Cách nhận biết

Hoa văn vô hình với mắt thường. Những đường mịn nhất mỏng hơn sợi tóc hàng nghìn lần và cần kính hiển vi điện tử để thấy. Chúng ẩn bên trong mọi con chip trong điện thoại, laptop và ô tô của bạn, và sau mỗi điểm ảnh trên màn hình.
Ánh cầu vồng lấp lánh. Nghiêng một wafer hoặc chip trần dưới ánh sáng và nó lóe lên màu cầu vồng: hoa văn đều của nó tách ánh sáng như đĩa CD.
Phòng ánh sáng vàng. Trong ảnh nhà máy, khu quang khắc phát sáng màu vàng, vì lớp cản quang không nhạy với ánh sáng vàng.
Bảng mạch. Các đường đồng mịn trên bảng mạch xanh cũng được xác định bằng ánh sáng qua mặt nạ, ở thang thô hơn nhiều.