Quy Trình Quang Khắc (Photolithography) Trong Sản Xuất Chip

1. Quang khắc là gì?

1. What is photolithography?

Quang khắc (photolithography) là kỹ thuật dùng ánh sáng để truyền một hoa văn (pattern) mạch điện từ mặt nạ (photomask) lên bề mặt silicon wafer đã phủ lớp cảm quang. Đây là công đoạn được lặp lại hàng chục lần để xây dựng các lớp transistor và dây dẫn của một con chip.

Photolithography is a technique that uses light to transfer a circuit pattern from a photomask onto the surface of a silicon wafer coated with a light-sensitive layer. This step is repeated dozens of times to build up the transistor and interconnect layers of a chip.

2. Các bước chính của quy trình quang khắc

2. The main photolithography steps

Làm sạch & xử lý bề mặt: wafer được làm sạch và phủ lớp kết dính (HMDS) để photoresist bám tốt.
Phủ photoresist: nhỏ photoresist rồi quay ly tâm (spin coating) để tạo màng mỏng đều.
Sấy sơ bộ (soft bake): làm bay dung môi, ổn định màng resist.
Phơi sáng (exposure): chiếu tia UV qua photomask; vùng được chiếu thay đổi tính tan.
Hiện hình (development): dung dịch developer (TMAH) rửa đi phần resist tan, để lại hoa văn.
Ăn mòn (etching): khắc hoa văn xuống lớp vật liệu bên dưới bằng etchant (ướt) hoặc plasma (khô).
Tách resist (strip): loại bỏ photoresist còn lại bằng dung môi (acetone) hoặc plasma.

Cleaning & surface prep: the wafer is cleaned and coated with an adhesion promoter (HMDS) so resist sticks well.
Photoresist coating: resist is dispensed and spin-coated into a uniform thin film.
Soft bake: evaporates solvent and stabilizes the resist film.
Exposure: UV light is projected through the photomask; exposed areas change solubility.
Development: a developer (TMAH) washes away the soluble resist, leaving the pattern.
Etching: the pattern is transferred into the underlying layer using wet etchant or plasma (dry).
Resist strip: remaining photoresist is removed with solvent (acetone) or plasma.

3. Photoresist dương và âm

3. Positive vs. negative photoresist

Với photoresist dương, vùng bị chiếu sáng trở nên dễ tan và bị rửa đi — hoa văn giống hệt mặt nạ. Với photoresist âm, vùng bị chiếu sáng cứng lại và giữ lại — hoa văn ngược với mặt nạ. Photoresist dương cho độ phân giải cao hơn nên phổ biến trong sản xuất chip hiện đại.

With positive photoresist, the exposed area becomes soluble and is washed away — the pattern matches the mask. With negative photoresist, the exposed area hardens and stays — the pattern is the inverse of the mask. Positive resist offers higher resolution and dominates modern chip fabrication.

Ghi nhớ: độ phân giải của quang khắc quyết định kích thước transistor nhỏ nhất — và do đó quyết định mật độ, hiệu năng và mức độ tiên tiến của con chip.

Key point: the resolution of photolithography sets the smallest transistor size — and therefore the density, performance and how advanced the chip can be.

4. Hoá chất & vật liệu liên quan

4. Related chemicals & materials

Một chu trình quang khắc cần nhiều vật tư độ tinh khiết cao: silicon wafer làm nền, photoresist, developer TMAH, etchant (BOE), dung dịch CMP để làm phẳng giữa các lớp, và dung môi làm sạch như acetone. Digifund cung cấp đầy đủ các vật liệu và hoá chất này.

A lithography cycle requires many high-purity supplies: the silicon wafer substrate, photoresist, TMAH developer, etchant (BOE), CMP slurry to planarize between layers, and cleaning solvents such as acetone. Digifund supplies this full range of materials and chemicals.

5. Điều gì giới hạn độ phân giải

5. What limits resolution

Kích thước chi tiết nhỏ nhất mà một hệ quang khắc tạo được bị chi phối bởi hiện tượng nhiễu xạ, và được mô tả bằng phương trình Rayleigh:

The smallest feature a lithography system can print is governed by diffraction, described by the Rayleigh equation:

CD = k₁ · λ / NA

Trong đó CD là kích thước chi tiết tới hạn, λ là bước sóng nguồn sáng, NA là khẩu độ số của hệ thấu kính, và k₁ là hệ số phụ thuộc quy trình. Phương trình này giải thích toàn bộ lịch sử phát triển của ngành:

Here CD is the critical dimension, λ the exposure wavelength, NA the numerical aperture of the lens system, and k₁ a process-dependent factor. This single equation explains the whole trajectory of the industry:

Giảm λ. Ngành đã đi từ đèn thuỷ ngân vạch g (436 nm) và vạch i (365 nm), sang laser excimer KrF (248 nm) rồi ArF (193 nm), và gần đây là EUV (13,5 nm).
Tăng NA. Thấu kính lớn hơn thu được nhiều bậc nhiễu xạ hơn. Quang khắc nhúng thay không khí giữa thấu kính và wafer bằng nước, nâng NA vượt quá 1.
Giảm k₁. Đây là phần "thủ thuật quy trình": chiếu sáng lệch trục, mặt nạ dịch pha, hiệu chỉnh hiệu ứng lân cận quang học (OPC), phơi nhiều lần.

Shrink λ. The industry moved from mercury g-line (436 nm) and i-line (365 nm) to KrF (248 nm) and ArF (193 nm) excimer lasers, and more recently EUV (13.5 nm).
Raise NA. A larger lens captures more diffraction orders. Immersion lithography replaces the air between lens and wafer with water, pushing NA above 1.
Lower k₁. This is the "process tricks" term: off-axis illumination, phase-shift masks, optical proximity correction (OPC) and multiple patterning.

Phương trình thứ hai cũng quan trọng không kém là độ sâu trường DOF = k₂ · λ / NA². Tăng NA để có chi tiết nhỏ hơn sẽ làm độ sâu trường giảm theo bình phương — đó là lý do độ phẳng wafer và độ đồng đều chiều dày lớp cản quang trở nên khắt khe đến vậy ở các nút công nghệ tiên tiến.

An equally important second equation is depth of focus, DOF = k₂ · λ / NA². Raising NA for smaller features shrinks depth of focus quadratically — which is why wafer flatness and resist thickness uniformity become so demanding at advanced nodes.

6. Lỗi thường gặp trong phòng lab và cách khắc phục

6. Common laboratory failures and how to fix them

Hiện tượngSymptom	Nguyên nhân thường gặpUsual cause	Hướng xử lýFix
Cản quang bong khỏi waferResist lifting off	Bề mặt còn ẩm hoặc bẩn hữu cơSurface moisture or organic residue	Ủ khử nước rồi xử lý HMDS tạo bề mặt kỵ nướcDehydration bake then HMDS priming
Vân sọc khi quay phủStriations after spin coating	Dung môi bay hơi không đều, cản quang quá đặcUneven solvent evaporation, resist too viscous	Nhỏ cản quang khi wafer đứng yên, tăng tốc độ quay, kiểm soát độ ẩm phòngStatic dispense, higher spin speed, control room humidity
Gờ dày ở mép waferEdge bead	Sức căng bề mặt dồn cản quang ra rìaSurface tension pulls resist to the rim	Rửa mép bằng dung môi (EBR) trước khi phơiEdge bead removal with solvent before exposure
Vách hoa văn nghiêng, không dựng đứngSloped rather than vertical sidewalls	Liều phơi sai hoặc lệch tiêu cựWrong dose or defocus	Chạy ma trận liều–tiêu cự để tìm cửa sổ vận hànhRun a dose–focus matrix to find the process window
Sóng đứng trên váchStanding waves on sidewalls	Ánh sáng phản xạ từ đế giao thoa trong lớp cản quangLight reflected from the substrate interferes within the resist	Ủ sau phơi (PEB) để khuếch tán, hoặc dùng lớp chống phản xạPost-exposure bake to diffuse, or an anti-reflective coating
Còn màng mỏng ở đáy rãnhResidual film at trench bottoms (scumming)	Phơi thiếu hoặc hiện hình chưa đủUnderexposure or incomplete development	Tăng liều phơi hoặc kéo dài thời gian hiện hình, kiểm tra tuổi developerIncrease dose or development time, check developer age

Việc đầu tiên nên làm với một quy trình mới: chạy ma trận liều–tiêu cự trên wafer Test grade. Bạn sẽ tốn vài tấm nhưng xác định được cửa sổ vận hành thật của hệ thống, thay vì dò mò từng mẻ trên wafer Prime đắt tiền.

The first thing to do with a new process: run a dose–focus matrix on Test-grade wafers. It consumes a few wafers but maps the real process window of your system, instead of guessing run by run on expensive Prime material.

Câu hỏi thường gặp

Frequently asked questions

HMDS dùng để làm gì?What is HMDS used for?

Hexamethyldisilazane phản ứng với nhóm silanol trên bề mặt silic oxit, biến bề mặt từ ưa nước thành kỵ nước. Nhờ đó lớp cản quang bám chắc hơn nhiều và không bị bong khi hiện hình. Đây là bước gần như bắt buộc trước khi quay phủ cản quang.

Hexamethyldisilazane reacts with silanol groups on silicon oxide surfaces, converting them from hydrophilic to hydrophobic. This greatly improves resist adhesion and prevents lifting during development. It is an all but mandatory step before spin coating resist.

Vì sao cần ủ sau khi phơi (PEB)?Why is a post-exposure bake needed?

PEB có hai vai trò. Với cản quang thường, nhiệt làm khuếch tán sản phẩm quang hoá, xoá đi các vân sóng đứng do phản xạ từ đế. Với cản quang khuếch đại hoá học, PEB là bước dẫn động phản ứng xúc tác bởi axit quang sinh — thiếu bước này thì hoa văn gần như không hình thành.

PEB serves two purposes. In conventional resists, heat diffuses the photoproducts and smooths out standing-wave ripples caused by substrate reflection. In chemically amplified resists, PEB drives the acid-catalysed reaction generated during exposure — without it, almost no pattern forms.

Nên chọn cản quang dương hay âm?Should I use positive or negative resist?

Cản quang dương cho độ phân giải và độ dựng vách tốt hơn, là lựa chọn mặc định cho hầu hết công việc chế tạo linh kiện. Cản quang âm bám tốt hơn, bền hoá chất hơn và thường rẻ hơn, phù hợp cho lớp mặt nạ ăn mòn thô hoặc khi cần lớp dày. Với quy trình lift-off, cản quang âm có vách nghiêng ngược lại là ưu điểm lớn.

Positive resist gives better resolution and sidewall profiles and is the default for most device work. Negative resist adheres better, resists chemicals more strongly and is usually cheaper, suiting coarse etch masks or thick layers. For lift-off processes, the undercut sidewall of negative resist is a distinct advantage.

Cần vật liệu & hoá chất cho quang khắc?

Need materials & chemicals for lithography?

Digifund cung cấp silicon wafer, photoresist, developer, etchant, CMP slurry và dung môi cấp bán dẫn.

Digifund supplies silicon wafers, photoresist, developer, etchant, CMP slurry and semiconductor-grade solvents.

Xem hoá chất bán dẫnView semiconductor chemicals Liên hệ báo giáRequest a quote