Các nhà khoa học ở INRS Motreal, Quebec, Canada đã từng tạo nên một bản đồ thế giới siêu nhỏ trên bề mặt một phiến Silicon với tỉ lệ xích 1 phần ngàn tỉ (1/ 1000000000000), tức là cứ một km trên thực tế sẽ ứng với 1nm trên bản đồ. Một “công trình điêu khắc” siêu nhỏ và cũng siêu chính xác. Chắc chắn bạn sẽ tự hỏi làm thế nào mà họ có thể làm chính xác được đến như vậy. Tất nhiên câu trả lời đơn giản sẽ là “thành tựu của công nghệ nano”, nhưng nếu là một sinh viên học khoa học, chắc chắn câu trả lời đó sẽ không thỏa mãn được bạn. Câu trả lời sâu hơn chút nữa là nhờ công nghệ quang khắc bằng chùm điện tử, sử dụng trong công nghiệp tạo hình các linh kiện điện tử. Kỹ thuật này thực ra chẳng xa lạ gì lắm với thế giới khoa học, mà đã có mặt trên đời này được hơn 40 năm và vẫn đang là một “cánh tay đắc lực” của công nghệ nano, đặc biệt là công nghệ thao tác với từng linh kiện đơn lẻ. Bài viết này sẽ cho bạn một cái nhìn rất đơn giản về công nghệ này. Tôi đã từng viết hai bài về vấn đề này trên wiki, bạn có thể tham khảo thêm (quang khắc,quang khắc chùm điện tử)

Bạn vẫn biết trong công nghệ nano, ta có hai cách tiếp cận với việc chế tạo các vật liệu ở kích thước nano: bottom-up cho phép bạn tạo ra các vật liệu nano bằng cách phát triển chúng từ các nguyên tử qua các quá trình lắng đọng, kết tụ và phát triển (ví dụ như các phương pháp hóa, …); top-down cho phép bạn tạo ra các cấu trúc nano bằng cách “phá hoại” các vật thể khối lớn, đơn giản như ta ăn mòn hay đập phá. Quang khắc nằm trong cách tiếp cận thứ hai.

Quang khắc

Quang khắc hay lithography là kỹ thuật sử dụng trong công nghệ bán dẫn và công nghệ vật liệu nhằm tạo ra các chi tiết của vật liệu và linh kiện với hình dạng và kích thước xác định bằng cách sử dụng các bức xạ (ánh sáng, chùm điện tử…) làm biến đổi các chất cản quang phủ trên bề mặt để tạo ra hình ảnh cần tạo. Trên thực tế, thuật ngữ tiếng Việt của các kỹ thuật này không được đầy đủ, nếu ta chỉ gọi “quang khắc” thì thường được mặc định hiểu là lithography sử dụng ánh sáng (tiếng Anh gọi là photolithography), còn kỹ thuật sử dụng chùm điện tử (electron beam lithography – EBL) thường được dịch thô là “quang khắc chùm điện tử” – một cách dịch không trong sáng lắm vì “quang khắc” thì đã mang hàm ý “ánh sáng” rồi. Nhưng đến hiện nay cũng chưa có thuật ngữ chính xác, nên tôi cứ tạm dùng tiếng Anh với photolithography và electron beam lithography (EBL).

Quy trình lithography chung có thể mô tả như sau: sử dụng một cản quang (là một loại vật liệu hữu cơ nhạy quang, tiếng Anh gọi là resist – photoresist, e-beam resist) phủ lên phiến đã có sẵn lớp màng mỏng của vật liệu cần tạo linh kiện, bức xạ được chiếu qua mặt nạ mang hình dạng của linh kiện cần tạo, quá trình này làm thay đổi tính chất cản quang do phản ứng quang hóa; bước tiếp theo sẽ dùng một dung dịch hữu cơ khác (gọi là chất tráng rửa – developer), cho phép rửa trôi những phần cản quang không mong muốn (do quá trình quang hóa bị biến đổi tính chất) để tạo thành mặt nạ bảo vệ trên phiến; cuối cùng, linh kiện sẽ được tạo ra nhờ các quá trình ăn mòn. Tất nhiên còn một biến thể khác của lithography mà tôi sẽ nói ở phần tiếp theo nhưng trên đây là nguyên lý chung nhất của quang khắc.

Lịch sử của quang khắc có thể coi được bắt đầu từ năm 1789 với việc một Alois Senefelder, một người Đức có cha là một diễn viên sử dụng sáp ong phủ lên phiến đá, và sử dụng hóa chất để ăn mòn phần đá không bị che phủ, cho phép tạo ra một bản khắc trên phiến đá. Phát triển xa hơn thành “quang khắc”, vào năm 1826, một nhà khoa học người Pháp tên là Joseph Niepce sử dụng quá trình chụp ảnh để tạo hình trên phiến bán thạch, và nó được phát triển gần như ngày nay nhờ phát minh của kỹ sư người Anh Henry Talbot với việc sử dụng cản quang hữu cơ để tạo ra âm bản trên phiến đá. Vào khoảng năm 1951, kỹ thuật photolithography thực sự được hoàn thiện với việc phát triển các hóa chất cản quang, các dung dịch tráng rửa cũng như các kỹ thuật quay phủ cho phép phủ cản quang với độ chính xác cao, cho phép ứng dụng rộng rãi kỹ thuật này trong khoa học vật liệu, đặc biệt là trong công nghệ bán dẫn.

Ta có thể hiểu cực kỳ đơn giản là quá trình quang khắc tương tự như việc bạn chụp ảnh lên phim, sau đó tráng phim sẽ cho bạn hình ảnh âm trên phim chính là hình ảnh 2 chiều của linh kiện, sau đó, việc ăn mòn sẽ loại bỏ những phần không mong muốn. Tùy bức xạ sử dụng mà bạn sẽ có cách tạo ra mặt nạ khác nhau.

Quang khắc bằng ánh sáng (Photolithography)

Chính là kỹ thuật sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp bán dẫn hiện nay bằng cách sử dụng ánh sáng tử ngoại để chiếu hình trên cản quang. Và mặt nạ để tạo ra hình ảnh của linh kiện trên cản quang là thủy tinh thạch anh, có phủ kim loại (phổ biến là chromium, Cr) có khắc hình của linh kiện và quá trình quang hóa được thực hiện trên thiết bị gọi là mask aligner theo mô hình dưới đây. Các quy trình của nó có thể theo 2 cách ở hình 1.

Tôi cần lưu ý bạn khi đọc các bài viết phổ biến khoa học (ví dụ như bài viết trên wiki), quang khắc thường được viết một cách rất riêng về kỹ thuật sử dụng trong công nghiệp linh kiện bán dẫn với nhiều quy trình hơn, ví dụ như oxi hóa đế, cấy ghép ion…, nhưng các quy trình đó chỉ sử dụng riêng trong công nghiệp bán dẫn, còn trong các loại vật liệu và linh kiện khác, có thể hiểu một cách tổng quát theo sơ đồ trên đây.

Ta biết là các hệ thiết bị sử dụng ánh sáng thường bị giới hạn bởi hiện tượng nhiễu xạ và photolithography cũng không nằm ngoài “lời nguyền” này. Vì thế mà độ phân giải của lithography chỉ nằm trong phạm vi vài trăm nanomet, hay nó chỉ tốt nhất cho các chi tiết lớn cỡ 1 micromet trở lên. Có nghĩa là các cấu kiện nano sẽ không thể được chế tạo với photolithography. Giải pháp để vượt qua giới hạn này là sử dụng chùm điện tử.

Electron beam lithography (EBL)

Nếu xét về quy trình xử lý thì EBL cũng gần giống như photolithography (hình 1) nhưng bộ phận chiếu xạ và mặt nạ tạo hình trở nên khác hẳn. Chùm điện tử có bước sóng cực ngắn, vì thế chúng dễ dàng có thể hội tụ thành điểm cực nhỏ, cho phép tạo ra độ phân giải siêu cao. Hơn nữa, chùm điện tử có thể dễ dàng điều khiển nhờ hệ thống cuộn dây lái tia, do đó chúng có thể quét trực tiếp trên bề mặt cản quang để tạo ra bức hình bạn muốn mà không cần phải dùng đến bất kỳ một hệ thống mặt nạ cơ học nào. Điều bạn cần duy nhất là thiết kế mạch linh kiện mình muốn nhờ các phần mềm chuyên dụng và đưa vào máy tính điều khiển. Máy tính sẽ sử dụng bức hình này để điều khiển cuộn lái tia quét tương tự như TV trong nhà bạn tạo hình trên màn hình.

Một hệ EBL (cũng thường được gọi là beam writer) có cấu trúc gần giống với mộtkính hiển vi điện tử quét. Các bước tiến hành ban đầu cũng tương tự như việc bạn làm việc trên SEM, tức là cũng focus để tạo ảnh tốt nhất trên bề mặt của mẫu. Nhưng nếu ta focus trên bề mặt mẫu, tức là chùm điện tử sẽ phá hủy mất resist, vì thế việc này được thay thế bằng việc focus trên một bề mặt kim loại chuẩn khác và sau đó di chuyển bề mặt mẫu tới cùng độ cao đó. Sau khi thiết lập các thông số thích hợp cho quá trình chiếu xạ cản quang (quá trình này gọi là alignment), bạn sẽ thực hiện việc ghi hình trên cản quang (gọi là quá trình exposure). Quá trình này chậm hơn rất nhiều so với photolithography. Hãy tưởng tượng một wafer rộng 4 inch nếu dùng photolithography bạn sẽ mất khoảng 5 phút cho các bước thao tác trên mask aligner và chiếu xạ, trong khi quá trình này trên hệ e-beam writer sẽ mất khoảng … 1 tuần. Đây cũng là một lý do đẩy giá thành sản xuất của EBL lên cao ngất trời xanh (chưa nói đến giá thành thiết bị một hệ EBL công nghiệp đắt hơn hệ mask aligner của photolithography gấp cả trăm lần).

Cản quang

Cản quang là một phần không thể thiếu của quang khắc, đóng vai trò cực kỳ quan trọng quyết định chất lượng của quang khắc. Đây là hợp chất hữu cơ polymer có khả năng thay đổi tính chất dưới sự tác dụng của ánh sáng hoặc bức xạ, sự thay đổi tính chất ở đây thể hiện khả năng bị hòa tan hoặc trơ trong dung môi tráng rửa. Có thể phân ra hai loại cản quang chính là cản quang dương (positive resist) và cản quang âm (negative resist).

Cản quang dương là loại cản quang có thể bị rửa trôi sau khi chiếu bức xạ. Cản quang dương điển hình nhất là PMMA (polymethylmetacrylate) có cấu trúc hóa học như ở hình vẽ trên. Loại cản quang thứ hai được biết đến là cản quang âm, nó là chất mặc định bị hòa tan trong dung môi tráng rửa nhưng sau khi bị chiếu xạ thì phần bị chiếu xạ sẽ không bị hòa tan. Ta hãy chú ý rằng tùy từng cản quang mà sẽ có những chất tráng rửa và chất hòa tan khác nhau, cũng như mỗi loại cản quang có thể cho độ phân giải khác nhau.

So sánh photolithography và EBL

Cuối cùng tôi muốn so sánh 2 công nghệ này. Photolithography có tốc độ xử lý nhanh hơn EBL rất nhiều, đồng thời dễ dàng sản xuất ở quy mô lớn, trong khi EBL chậm và rất đắt tiền. Nhưng ngược lại, EBL lại cho chi tiết có độ phân giải cao gấp nhiều lần của photolithography và là công nghệ then chốt cho các linh kiện điện tử nano. Bạn cũng nên chú ý là trên nguyên tắc, độ phân giải của EBL bị giới hạn bởi kích thước chùm tia điện tử (có thể hội tụ siêu nhỏ tới dưới 1 nm) nhưng trên thực tế thì độ phân giải thực lại không thể đạt như vậy bởi một hiệu ứng gọi là proximity. Hiệu ứng này hiểu đơn giản là cản quang phủ lên đế, khi điện tử chiếu xạ, chúng đi xuyên qua cản quang, và sẽ bị tán xạ ngược lại đi sâu vào cản quang và va chạm vào đế, gây ra sự khó kiểm soát ở rìa, và gây ra sự suy giảm độ phân giải mà ta vẫn thấy. Cho đến nay, công nghệ EBL vẫn chưa được phổ biến trong công nghiệp, chỉ có một số nước hoặc một số công ty có thiết bị này ở quy mô công nghiệp, nhưng chắc chắc chúng sẽ được phổ biến trong tương lai.

Ngô Đức Thế