Hệ thống khắc khô plasma (Plasma dry etching system) trong sản xuất bán dẫn là một thiết bị quan trọng trong quy trình chế tạo mạch tích hợp và các linh kiện điện tử.
Khắc (Etching) là quá trình khắc các rãnh và hoa văn trên bề mặt của vật liệu nền (wafer). Theo thông lệ, phương pháp khắc ướt sử dụng dung dịch khắc. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, khắc khô (dry etching) sử dụng plasma hoặc các chất hóa học đã trở thành xu hướng chính.
 |  |
Khắc ướt (Wet etching) Khắc khô (Dry etching)
Khắc khô plasma (dry etching with plasma source) là công nghệ thực hiện khắc bằng cách cạo bề mặt của chất nền bằng plasma. Nó cũng được gọi là công nghệ khắc hóa học vật lý. Giống như trong CVD plasma, một luồng khí được thổi vào bề mặt của chất nền và khí được chuyển thành plasma. Tại thời điểm này, các ion va chạm với chất nền để thúc đẩy phản ứng hóa học với các chất có trong plasma. Điều này giúp có thể cạo chính xác bề mặt của chất nền ở quy mô nguyên tử. Khắc khô thường bao gồm Khắc ion phản ứng (RIE) sử dụng plasma phóng điện chân không như Plasma ghép cảm ứng (ICP) và Plasma ghép điện dung (CCP).
Nguyên lý hoạt động của hệ thống etching khô trong sản xuất bán dẫn tương tự như nguyên lý cơ bản của etching khô, nhưng với các đặc thù kỹ thuật cao hơn và môi trường khắc được kiểm soát cực kỳ chặt chẽ. Hệ thống này sử dụng plasma để ăn mòn các lớp vật liệu mà không cần dung dịch lỏng, thông qua các phản ứng vật lý và hóa học.
Qúa trình và nguyên lý chi tiết:
- Tạo plasma
- Quá trình bắt đầu bằng việc tạo ra plasma, một trạng thái khí ion hóa, trong buồng chân không của máy etching. Plasma này chứa các ion, electron, và các gốc tự do (radicals).
- Plasma được tạo ra khi một dòng điện cao áp hoặc sóng vô tuyến (RF) được áp dụng vào một hỗn hợp khí trong buồng chân không. Các khí phổ biến sử dụng trong plasma etching bao gồm CF4, SF6, Cl2, O2, và các hỗn hợp của chúng. Các khí này sẽ ion hóa khi tiếp xúc với trường điện, tạo ra plasma.
- Đưa wafer vào buồng etching
- Wafer silicon đã được phủ một lớp photoresist (lớp nhạy sáng) hoặc các lớp bảo vệ khác sẽ được đưa vào buồng etching. Lớp photoresist này sẽ bảo vệ những khu vực không muốn bị ăn mòn trong quá trình etching.
- Sau khi wafer được đặt trong buồng etching, môi trường chân không sẽ được tạo ra để giảm thiểu sự ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài.
- Tác động của plasma lên bề mặt wafer
- Ion etching: Các ion trong plasma sẽ bị hút về phía bề mặt wafer (do điện trường) và va chạm vào bề mặt vật liệu, gây ra các phản ứng vật lý. Các ion này có thể mài mòn vật liệu từ bề mặt wafer theo chiều thẳng đứng, giúp loại bỏ các lớp không cần thiết.
- Etching hóa học: Các gốc tự do (radicals) trong plasma sẽ phản ứng hóa học với các lớp vật liệu trên wafer, ví dụ, phản ứng với silicon oxide, nitride, hoặc polysilicon, tạo ra các hợp chất bay hơi. Các hợp chất này sẽ thoát ra khỏi bề mặt wafer, giúp ăn mòn lớp vật liệu bị phản ứng.
- Cả hai cơ chế này (ion etching và chemical etching) kết hợp giúp tạo ra các mẫu rất chi tiết và chính xác trên wafer silicon.
- Điều chỉnh các yếu tố để kiểm soát etching
- Máy etching khô có thể điều chỉnh nhiều yếu tố như tần số sóng RF, áp suất trong buồng chân không, và tỷ lệ khí để kiểm soát quá trình etching.
- Tần số RF: Tần số sóng RF quyết định mức độ ion hóa của khí và mức độ mạnh của plasma. Tần số cao sẽ tạo ra mật độ plasma cao hơn.
- Áp suất trong buồng chân không: Áp suất này ảnh hưởng đến mật độ của các ion và radicals trong plasma. Áp suất thấp thường giúp giảm các phản ứng không mong muốn và tăng tính chính xác của quá trình.
- Tỷ lệ khí: Tỷ lệ giữa các khí như O2, CF4, SF6 sẽ ảnh hưởng đến loại phản ứng hóa học xảy ra và chất lượng của quá trình ăn mòn.
- Ăn mòn chọn lọc
- Quá trình etching khô bằng plasma giúp ăn mòn chọn lọc bề mặt vật liệu mà không ảnh hưởng đến các khu vực được bảo vệ bởi lớp photoresist.
- Các ion và radicals chỉ tác động vào các vùng không được lớp photoresist bảo vệ, giúp tạo ra các mạch điện vi mô, lỗ mạch, hoặc cấu trúc vi mô rất chính xác trên bề mặt wafer.
- Kết thúc và loại bỏ lớp photoresist
- Sau khi quá trình etching hoàn tất, wafer sẽ được xử lý để loại bỏ lớp photoresist đã bảo vệ các khu vực không bị ăn mòn. Việc loại bỏ lớp này thường được thực hiện bằng dung môi hoặc một quy trình nhiệt (hot-plate).
- Quá trình etching khô giúp duy trì các cấu trúc tinh vi và mịn mà không bị vỡ hoặc biến dạng, một yếu tố quan trọng trong sản xuất các vi mạch phức tạp.
Các phương pháp etching khô phổ biến trong sản xuất bán dẫn:
- Reactive Ion Etching (RIE): Là phương pháp phổ biến nhất trong etching khô, sử dụng sự kết hợp của cả phản ứng ion và phản ứng hóa học để ăn mòn vật liệu. RIE giúp tạo ra các cấu trúc chính xác với độ phân giải cao.
- Deep Reactive Ion Etching (DRIE): Là phiên bản cải tiến của RIE, giúp tạo ra các cấu trúc ăn mòn sâu và mịn. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong sản xuất MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), nơi cần các lỗ sâu và chi tiết nhỏ.
- Inductively Coupled Plasma (ICP) Etching: Sử dụng sóng RF tần số cao để tạo ra mật độ plasma rất lớn, giúp etching hiệu quả và đồng đều trên toàn bộ bề mặt wafer.
Ưu điểm của etching khô bằng plasma trong sản xuất bán dẫn:
- Độ chính xác cao: Etching khô bằng plasma cho phép tạo ra các cấu trúc vi mô cực kỳ nhỏ và chính xác, điều này rất quan trọng trong sản xuất vi mạch và chip bán dẫn.
- Khả năng tạo mẫu sắc nét: Plasma có thể tạo ra các mẫu với các cạnh sắc nét và không bị lệch, giúp cải thiện hiệu suất của vi mạch.
- Không cần dung dịch lỏng: Việc không sử dụng dung dịch ăn mòn lỏng giảm thiểu rủi ro liên quan đến việc xử lý hóa chất và bảo vệ môi trường.
- Khả năng kiểm soát cao: Việc điều chỉnh các yếu tố như khí, áp suất, và tần số giúp kiểm soát quá trình etching rất chặt chẽ, tạo ra những cấu trúc chính xác theo yêu cầu.
Tóm lại:
Nguyên lý hoạt động của máy etching khô bằng plasma trong sản xuất bán dẫn bao gồm việc tạo ra plasma trong buồng chân không, sử dụng các ion và radicals trong plasma để ăn mòn các lớp vật liệu trên wafer silicon theo hình mẫu được tạo ra từ quá trình quang khắc. Quá trình này giúp tạo ra các cấu trúc vi mô rất chính xác và là một phần không thể thiếu trong việc sản xuất các chip bán dẫn và vi mạch hiện đại.
Ulvac hy vọng sau bài viết này quý đọc giả có thể có cái nhìn tổng quan về nguyên lý hoạt động của hệ thống máy khắc khô plasma trong sản xuất bán dẫn.
Nếu có thắc mắc hoặc cần hỗ trợ về các thiết bị chân không dùng trong bán dẫn, quý anh chị đừng ngại liên hệ đội ngũ Ulvac Việt Nam nhé, chúng tôi luôn sẵn sàng phục vụ quý khách hàng 24/7.
