Quang khắc chùm điện tử

Electron beam lithography (EBL) là thuật ngữ tiếng Anh của công nghệ tạo các chi tiết trên bề mặt (các phiến Si...) có kích thước và hình dạng giống như thiết kế bằng cách sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao làm biến đổi các chất cản quang phủ trên bề mặt phiến. Phương pháp này được dịch ra tiếng Việt với tên gọi không chính xác là quang khắc bằng chùm điện tử (tương tự như phương pháp quang khắc truyền thống - photolithography sử dụng ánh sáng tử ngoại để chế tạo. EBL là một công cụ phổ biến trong công nghệ nanô để tạo ra các chi tiết, các linh kiện có kích thước nhỏ với độ chính xác cực cao.

Nguyên lý của EBL

Bề mặt của phiến được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cản quang (resist), chất này nhạy cảm với điện tử chiếu vào, và bị thay đổi tính chất dưới tác dụng của chùm điện tử. Sự thay đổi có thể là nó sẽ bị hòa tan trong dung dịch tráng rửa (developer) hoặc không bị hòa tan trong dung dịch tráng rửa.
Cấu tạo của thiết bị EBL gần giống như một kính hiển vi điện tử quét, có nghĩa là tạo chùm điện tử có năng lượng cao, sau đó khuếch đại và thu hẹp nhờ hệ thấu kính từ, rồi chiếu chùm điện tử trực tiếp lên mẫu cần tạo. Khác với quang khắc truyền thống (photolithography), EBL sử dụng chùm điện tử nên không cần mặt nạ tạo hình mà chiếu trực tiếp chùm điện tử lên bề mặt mẫu, và dùng các cuộn dây để quét điện tử nhằm vẽ ra các chi tiết cần tạo. Chùm điện tử của các EBL mạnh có thể có kích thước từ vài nanomét đến hàng trăm nanomét.

Kỹ thuật lift-off

Từ lift-off có nghĩa là "loại bỏ". Phương pháp này tạo ra phần vật liệu sau khi được tạo hình. Có nghĩa là người ta phủ trực tiếp cản quang dương lên đế, sau đó chiếu điện tử, cản quang này bị biến đổi tính chất, và phần bị chiếu điện tử sẽ bị hòa tan trong dung dịch tráng rửa (developer), giống như quá trình tráng phim ảnh. Sau khi tráng rửa, ta sẽ có các khe có hình dạng của chi tiết muốn tạo. Các vật liệu cần tạo sẽ được bay bốc lên đế bằng các kỹ thuật tạo màng mỏng khác nhau, một phần nằm trong các khe đã tạo hình và một phần nằm trên bề mặt cản quang. Dùng dung môi hữu cơ, hòa tan phần cản quang dư, sẽ loại bỏ cả vật liệu thừa bám trên bề mặt cản quang, chỉ còn lại phần vật liệu có hình dạng như đã tạo.

Kỹ thuật ăn mòn

Trong kỹ thuật ăn mòn (etching), cản quang sẽ có tác dụng bảo vệ phần vật liệu muốn tạo hình. Người ta phủ vật liệu cần tạo nên đế, sau đó phủ chất cản quang rồi đem chiếu điện tử. Cản quang sử dụng là cản quang âm, tức là thay đổi tính chất sao cho không bị rửa trôi sau khi qua dung dịch tráng rửa, có tác dụng bảo vệ phần vật liêu bên dưới. Sau đó cả mẫu sẽ được đưa vào buồng ăn mòn, phần vật liệu không có cản quang sẽ bị ăn mòn và giữ lại phần được bảo vệ, có hình dạng của cản quang. Cuối cùng là rửa cản quang bằng dung môi hữu cơ. Các kỹ thuật ăn mòn thường dùng là ăn mòn khô (dry etching), sử dụng các plasma hoặc hỗn hợp khí có tính phá hủy mạnh (CH₄/O₂/H₂, F₂...); hay ăn mòn hóa ướt (dùng các dung dịch hóa chất để hòa tan vật liệu...

Lịch sử của EBL

Năm 1959, Richard Feynman có bài phát biểu nổi tiếng "There is a plenty room at the bottom" tại Caltech (California Institute of Technology - Hoc viện Công nghệ California), được coi là mở đầu cho kỷ nguyên công nghệ nanô, và chỉ hai tháng sau đó, Monllenstedt và Spiedel đã công bố công nghệ chế tạo các cấu trúc có đường kích nhỏ tới 100 nm sử dụng công nghệ khắc chùm điện tử - electron beam lithography bắt đầu bước vào cuộc chiến khoa học và công nghệ. Thực chất, công nghệ electron beam lithography chỉ phát triển thực sự từ những năm 60 của thế kỷ 20, với việc phát triển các kỹ thuật về tạo chùm điện tử hẹp, chế tạo ra các chất làm resist có tính chất biến đổi mạnh dưới tác dụng của chùm điện tử (mà phổ biến là PMMA - PolyMethylMethAcrylat hay "thủy tinh hữu cơ").