TÓM TẮT

Công nghệ quang khắc (photolithography) đóng vai trò nền tảng trong quy trình chế tạo linh kiện bán dẫn và vi mạch tích hợp (IC). Bài viết này trình bày chi tiết quy trình quang khắc bằng thiết bị Karl Suss MJB3 UV 400 Mask Aligner, phân tích các thông số kỹ thuật, yếu tố ảnh hưởng và vai trò của từng công đoạn trong đảm bảo độ chính xác vi mô. Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ tầm quan trọng của kiểm soát quy trình và chất lượng hóa chất trong bối cảnh Việt Nam đang từng bước hình thành ngành công nghiệp bán dẫn nội địa.

Từ khóa: Quang khắc, photolithography, Karl Suss MJB3, bán dẫn, photoresist, mask aligner, PECVD.

1. GIỚI THIỆU

Trong sản xuất vi mạch và thiết bị bán dẫn, quang khắc (photolithography) là công đoạn then chốt để định hình các mẫu mạch trên bề mặt tấm nền silicon. Phương pháp này cho phép chuyển chính xác hình ảnh từ mặt nạ (mask) sang lớp cản quang (photoresist), tạo điều kiện cho các bước ăn mòn, cấy ion và lắng đọng tiếp theo.

Thiết bị Karl Suss MJB3 UV 400 là một trong những dòng mask aligner phổ biến trong các phòng thí nghiệm vi chế tạo. Thiết bị này sử dụng tia cực tím (UV) ở bước sóng 365–400 nm để chiếu sáng qua mặt nạ quang học, tạo nên mô hình chính xác trên lớp photoresist. So với các hệ thống hiện đại như DUV (Deep UV) hay EUV (Extreme UV), thiết bị MJB3 phù hợp với mục tiêu đào tạo, nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm (pilot fabrication) trong điều kiện phòng sạch cấp độ trung bình.

2. PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU

2.1. Làm sạch bề mặt tấm nền

Tấm nền (substrate), thường là silicon hoặc thủy tinh, được làm sạch bằng dung môi hữu cơ (acetone, ethanol, isopropanol) để loại bỏ tạp chất, dầu và bụi. Quá trình làm sạch đảm bảo độ bám dính tốt của lớp cản quang, đồng thời giảm thiểu sai lệch trong khắc mẫu.

2.2. Tráng phủ lớp cản quang (Spin Coating)

Lớp cản quang được phủ bằng máy tráng quay (spin coater). Hai loại vật liệu chính gồm:

- Cản quang dương (Positive Photoresist): vùng chiếu UV sẽ hòa tan trong dung dịch rửa (developer).

- Cản quang âm (Negative Photoresist): vùng chiếu UV sẽ giữ nguyên, phần không chiếu bị hòa tan.

Tốc độ quay (rpm) và thời gian tráng quyết định độ dày lớp cản quang, thường trong khoảng 0.5–2 µm.

2.3. Sấy khô sơ bộ (Prebake)

Sau khi phủ, tấm nền được sấy ở 90–100°C trong 1–3 phút để bay hơi dung môi và cố định lớp cản quang. Quá trình này giúp tăng độ bám dính và ổn định cơ học của lớp photoresist.

2.4. Căn chỉnh mặt nạ và chiếu UV (Exposure)

Tấm nền được đặt lên bàn gá của thiết bị Karl Suss MJB3 UV 400, cùng với mặt nạ (mask) chứa mẫu mạch. Thiết bị cho phép căn chỉnh thủ công hoặc bán tự động với độ chính xác vài micron. Sau khi căn chỉnh, nguồn sáng UV được chiếu lên mặt nạ trong thời gian 5–20 giây tùy loại photoresist và cường độ nguồn sáng.

2.5. Rửa phát triển (Developing)

Sau chiếu sáng, tấm nền được ngâm trong dung dịch developer (thường là MF-319 hoặc AZ Developer). Đối với cản quang dương, vùng được chiếu sáng sẽ bị hòa tan; đối với cản quang âm, vùng chiếu sáng được giữ lại. Quá trình phát triển kéo dài 30–60 giây, sau đó rửa bằng nước khử ion (DI water) và sấy khô bằng khí Nitơ.

2.6. Ăn mòn (Etching)

Các vùng không được bảo vệ bởi lớp cản quang được loại bỏ bằng phương pháp:

- Ăn mòn ướt (Wet Etching): sử dụng dung dịch hóa học như HF, H₃PO₄, hoặc HNO₃.

- Ăn mòn khô (Dry Etching): sử dụng plasma hoặc ion phản ứng (RIE).

Thời gian ăn mòn phụ thuộc vào độ dày và loại vật liệu (kim loại, oxit, nitride…).

2.7. Loại bỏ cản quang (Photoresist Removal)

Sau ăn mòn, lớp photoresist được tẩy bằng dung môi Photoresist Remover, rửa bằng nước khử ion và sấy khô trong lò hoặc khí Nitơ. Tấm nền sau cùng sẵn sàng cho công đoạn kế tiếp như lắng đọng lớp điện môi (SiO₂, Si₃N₄) bằng thiết bị PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).

 

 

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Kết quả thực nghiệm cho thấy, việc kiểm soát chặt chẽ các thông số tốc độ tráng, thời gian sấy, liều chiếu sáng và thời gian phát triển quyết định trực tiếp đến chất lượng mẫu khắc. Với thiết bị Karl Suss MJB3 UV 400, sai lệch căn chỉnh có thể dưới ±2 µm, đủ đáp ứng cho sản xuất vi cấu trúc MEMS, cảm biến, và các mạch tương tự mức vi mô.

Bên cạnh đó, yếu tố hóa chất giữ vai trò đặc biệt quan trọng. Hầu hết vật liệu quang khắc chất lượng cao hiện được sản xuất tại Nhật Bản hoặc Mỹ, dẫn đến phụ thuộc nguồn cung trong chuỗi sản xuất bán dẫn. Đối với Việt Nam, việc phát triển chuỗi cung ứng hóa chất nội địa là bước đi tất yếu nếu muốn xây dựng hệ sinh thái sản xuất chip độc lập và bền vững.

4. KẾT LUẬN

Quy trình quang khắc bằng thiết bị Karl Suss MJB3 UV 400 là bước nền tảng trong các thí nghiệm chế tạo vi mạch. Mặc dù chưa đạt độ phân giải nano như công nghệ EUV, nhưng quy trình này mang tính khả thi cao trong điều kiện phòng sạch tại Việt Nam.

Bài nghiên cứu khẳng định rằng sự phối hợp giữa thiết bị, vật liệu và quy trình chuẩn hóa là chìa khóa đảm bảo chất lượng vi mạch, đồng thời mở ra cơ hội phát triển hệ sinh thái công nghiệp bán dẫn quốc gia.

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

 1. Từ Trung Chấn (2023). Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng plasma trong công nghệ vật liệu nano và vi mạch bán dẫn. Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 8/2023.

 2. Sze, S.M. & Ng, K.K. (2021). Physics of Semiconductor Devices. Wiley.

 3. Campbell, S.A. (2019). Fabrication Engineering at the Micro and Nanoscale. Oxford University Press.

 4. Wolf, S. & Tauber, R.N. (2000). Silicon Processing for the VLSI Era, Vol. 1: Process Technology. Lattice Press.

 5. ASML (2024). EUV Lithography System Overview. Technical Whitepaper.