Quá trình oxy hóa khô và ướt - Dry & Wet oxydation

Quá trình oxy hóa sử dụng nguồn oxy từ hơi nước (Oxy hóa ướt - Wet oxydation) hay từ khí oxy (Oxy hóa khô - Dry oxydation) để tạo ra lớp silicon dioxide (SiO2) trên bề mặt tấm wafer trong lò nung. Các lớp SiO2 có thể đóng vai trò như một lớp bảo vệ cả tấm Silic trong quá trình chế tạo, hoặc có vai trò như là một lớp cách điện trong linh kiện.

Video dưới đây cho thấy sự khác nhau giữa 2 quá trình.

Phòng sạch - Cleanroom

Nói đến quá trình nghiên cứu hay sản xuất các linh kiện bán dẫn, đầu tiên phải nhắc đến phòng sạch. Vậy phòng sạch là gì, và tại sao các quá trình công nghệ bán dẫn cần phải được thực hiện trong phòng sạch?

Phòng sạch được sử dụng trong thực tế mỗi ngành công nghiệp mà các hạt nhỏ có thể ảnh hưởng xấu đến quá trình sản xuất như  trong các ngành công nghiệp như sản xuất chất bán dẫn, dược phẩm, công nghệ sinh học, thiết bị y tế và khoa học đời sống, cũng như quá trình quan trọng sản xuất phổ biến trong ngành hàng không, quang học, quân sự và Bộ Năng lượng..

Phòng sạch là nơi môi trường được kiểm soát chặt chẽ từ nhiệt độ, độ ẩm, áp suất đến nồng độ các chất ô nhiễm như bụi, vi khuẩn, các hạt khí dung và hơi hóa chất trong không khí. Mức độ ô nhiễm của phòng sạch được xác định bởi số lượng hạt (tại một kích thước hạt quy định) trên một mét khối không khí. Người ta sử dụng bộ lọc HEPA (High Efficiency Particulate Air) để bẫy các hạt có kích thước từ 0.3micron. Trong trường hợp yêu cầu nghiêm ngặt về độ sạch cần thiết, người ta sử dụng bộ lọc tinh ULPA (Ultra Low Particulate Air).

 Chính vì những yêu cầu nghiêm ngặt về mức độ kiểm soát ô nhiễm như vậy, người làm việc trong phòng sạch cần được trang bị loại quần áo đặc biệt để ngăn sự phát tán ô nhiễm tạo ra bởi làn da và cơ thể. Đồng thời, người làm việc phải đi qua airlock, airshower và đến phòng mặc áo choàng trước khi vào phòng sạch.

Phân loại phòng sạch theo thiêu chuẩn ISO

Quy trình chế tạo các sản phẩm từ công nghệ MEMS/NEMS

Quy trình chế tạo mỗi sản phẩm vi điện tử, MEMS/NEMS được thực hiện trong phòng sạch bao gồm hàng chục, hàng trăm thậm chí hàng ngàn bước công nghệ tùy thuộc độ phức tạp, tính năng của linh kiện và thiết bị. Quy trình công nghệ tổng quát được mô tả như hình vẽ dưới đây.

Sơ đồ quy trình chế tạo sản phẩm

Xử lý bề mặt (wetbench - tủ hoá ướt)

Quá trình xử lý bề mặt nhằm làm sạch bề mặt phiến SOI hoặc phiến Si bằng dung dịch có tính oxi hóa và ăn mòn cao (thường là axit hoặc ba-sơ mạnh) đôi khi có gia nhiệt. Quá trình này cần được thực hiện tại các tủ hoá ướt, thường làm bằng inox hoặc Teflon, có khả năng chịu ăn mòn, bền trong môi trường axit và ba-zơ.


Tủ hoá ướt bao gồm các ngăn chứa hoá chất, đường nước vào ra và có phin lọc gió. Ở những tủ hóa ướt hiện đại, có tích hợp thêm cả máy làm khô tấm Silic bằng quay ly tâm ở tốc độ cao (spin dryer).

Oxi hoá (oxidation)

Oxi hóa là bước công nghệ để tạo ra lớp SiO2 từ phản ứng oxi hóa silic ở điều kiện nhiệt độ cao. Lò oxi hóa dùng trong công nghệ vi điện tử, bán dẫn phục vụ chế tạo các linh kiện MEMS/NEMS có thể hoạt động ở nhiệt độ tới 1500oC. Nhiệt độ thường dùng để ô-xi hóa silic là T=10500C, môi trường N2/H2O (kỹ thuật oxy hóa ướt.), và T=1100oC môi trường O2 (kỹ thuật oxy hóa khô).


Lò oxi hóa thường có 3 vùng nhiệt độ rõ rệt, điều khiển được và có khả năng tương thích với các tấm Silic với kích thước khác nhau (2,3,4 và 6 inch). Các lớp SiO2 có thể đóng vai trò như một lớp bảo vệ cả tấm Silic trong quá trình chế tạo, hoặc có vai trò như là một lớp cách điện trong linh kiện.

 

Khuếch tán (diffusion)

Khuếch tán là một trong những bước công nghệ bắt buộc dùng để chế tạo các chuyển tiếp trong diode, bóng bán dẫn hoặc pha tạp tạo ra điện trở trong cảm biến MEMS. Ở một số phòng thí nghiệm hoặc hãng sản xuất khuếch tán nhiệt được thay bằng kỹ thuật cấy ion với độ chính xác cao (điểm yếu lớn nhất của máy cấy ion là đắt tiền và chi phí hoạt động cao).


Chất pha tạp (dopant), trong kỹ thuật khuếch tán, có thể là nguồn rắn hoặc nguồn khí, được đưa vào sâu bên trong phiến silic nhờ nhiệt độ cao (khoảng 1100oC). Về lý thuyết, lò khuếch tán có thể dùng chung không gian với lò oxi hóa.  

Quang khắc (photo-lithography)

Quang khắc (hay photolithography) là kĩ thuật hay được sử dụng nhất trong công nghệ bán dẫn, vi điện tử, MEMS. Kỹ thuật này được ứng dụng để đưa các chi tiết đã được thiết kế trên mặt nạ lên trên phiến silic với tỉ lệ 1:1 bằng cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt vật liệu. Do ảnh hưởng của nhiễu xạ ánh sáng nên phương pháp quang khắc không cho phép tạo các chi tiết nhỏ hơn micro mét, vì vậy phương pháp này còn được gọi là quang khắc micro (micro photolithography).


Quang khắc sử dụng các phản ứng quang hóa để tạo hình. Bề mặt của đế sau khi xử lý được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cảm quang (photoresist). Chất cảm quang có tính chất nhạy quang, bền trong các môi trường kiềm hay axit. Cảm quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo. Cảm quang thường được phủ lên bề mặt tấm bằng kỹ thuật quay phủ (spin-coating).
 

Các bước công nghệ trong quá trình quang khắc

Ăn mòn khô (Dry Etching)

Là một kỹ thuật mới trong nghiên cứu và sản xuất các sản phẩm MEMS. Trong kỹ thuật này, tác nhân ăn mòn, thay vì ở thể lỏng như hỗn hợp HF:NH4F, HF, tồn tại ở thể khí.  Trong một buồng chân không, các tác nhân ăn mòn sẽ phản ứng với vật liệu như Si, SiO2…trên tấm nền (Si) sản xuất linh kiện. Sản phẩm phản ứng sẽ được bơm ra ngoài nhờ những bơm rút tốc độ cao.


So với ăn mòn ướt, kỹ thuật ăn mòn khô có nhiều ưu điểm vượt trội như không dùng dung môi hay axit nguy hiểm; sử dụng một lượng hóa chất ít hơn nhiều; có khả năng tạo ra hình mẫu ăn mòn dị hướng; ăn mòn định hướng mà không cần sử dụng Si tinh thể; truyền tải trung thực chi tiết từ thiết kế (mặt nạ) lên phiến Si, tránh được được hiện tượng ăn mòn ngang với độ phân giải và tỉ lệ phương diện cao. Thêm vào đó, kỹ thuật này cũng có mức độ tự động hóa cao.Các loại khí hay được dùng làm nguồn ăn mòn khô bao gồm CF4, CHF3; C2F6…

Phún xạ/Bốc bay nhiệt (sputtering/Evaporation)

Đây là hai kỹ thuật lắng đọng vật lý ở pha hơi. Các trung tâm nghiên cứu mạnh trên thế giới có thể sở hữu từ hai đến nhiều thiết bị phún xạ và bốc bay với mục đích chuyên biệt, tránh nhiễm chéo (cross contamination) trong quá trình chế tạo. Cả hai kỹ thuật đều được thực thi trong buồn chân không, do đó màng chế tạo được có chất lượng cao. 

Kỹ thuật phún xạ cao tần quá trình tạo ra một màng mỏng (dẫn điện hoặc không dẫn điện) lên tấm nền. Dưới tác dụng của sóng cao tần, các nguyên tử khí trơ Ar bị ion hoá tạo thành các ion Ar+, các ion này được gia tốc dưới tác dụng của điện trường sẽ bay đến đập vào bia (catốt- chất cần phún xạ) làm bật ra các nguyên tử trên đó. Các nguyên tử của bia bị bắn phá sẽ trở nên dễ bay hơi và lắng đọng thành một màng mỏng trên đế. Với vật liệu dẫn điện, có thể dùng nguồn phún xạ một chiều. Các máy phún xạ đời mới thường có nhiều hơn 3 nguồn phún xạ trong buồng chân không. 

Kỹ thuật bốc bay nhiệt dùng để tạo lớp kim loại tiếp xúc trong linh kiện. Vật liệu nguồn, dưới tác dụng của dòng điện trong chân không được chuyển thành thể hơi và lắng đọng trên tấm nền.

Cắt phiến (Dicing)

Được thiết kế và chế tạo hàng loạt, sau các quy trình công nghệ người ta cần cắt rời chip, cảm biến từ tấm nền bằng kỹ thuật cắt phiến (dicing). Bước công nghệ này được thực hiện nhờ việc quay lưỡi dao (thường là tẩm vật liệu cứng ở lưỡi dao) ở tốc độ cao (có thể điều chỉnh được) theo định dạng được thiết kế (chiều ngang, chiều dọc).

Đặc tuyến (characterization)

Mỗi khi hoàn thiện các bước quy trình công nghệ, người ta cần phải đảm bảo các chip hoạt động đúng theo những mô hình lý thuyết. Với thiết kế hiện nay, kích thước mỗi linh kiện thường rất nhỏ, nhiều khi chỉ vài trăm µm mỗi chiều. Do đó, để có thể cấp nguồn và lấy tín hiệu từ linh kiện người ta phải dùng một tổ hợp đặc biệt gọi là trạm kiểm tra linh kiện (probe station). Trạm này gồm một bộ gá chắc chắn, kết nối với những cánh tay đo với đầu đo có kích thước cỡ micro mét, được định vị nhờ kính hiển vi hoặc camera số. Trạm kiểm tra linh kiện cũng được kết nối với hệ đo đa năng cho phép đo một cách chính xác các thông số của linh kiện.