เนื่องจากการพัฒนาเทคโนโลยีด้านการสื่อสารข้อมูลและนาโนอิเล็กทรอนิกส์ที่รวดเร็ว วงจรรวม (IC: Integrated Circuits) ในบทบาทของตัวขับเคลื่อนหลักให้เกิดความก้าวหน้าทางอุตสาหกรรม เซมิคอนดักเตอร์ได้รับความนิยมเป็นอย่างมาก ในกระบวนการผลิต IC มีวิธีการพิมพ์รูปแบบ หรือที่ เรียกอีกอย่างนึงว่า “ลิโธกราฟี (Lithography)” ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพ และต้นทุนในการผลิต IC ได้ ในขณะเดียวกันขนาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้น มีแนวโน้มที่จะลดขนาดลง ตรงข้ามกับความต้องการด้านประสิทธิภาพและปริมาณที่มีมากขึ้น ดังนั้น วิธีการพิมพ์รูปแบบหรือ ลิโธกราฟี จึงเป็นขั้นตอนการผลิตสำคัญที่สามารถแก้ไขปัญหา และตอบสนองต่อความต้องการนี้ได้

ความรู้พื้นฐานในการพิมพ์รูปแบบหรือลิโธกราฟี

การพิมพ์รูปแบบหรือลิโทกราฟี โดยทั่วไปจะใช้แสงที่มีค่าต่างกันเป็นปัจจัยหลัก ในการสร้างแบบลงฐานวัสดุ ในที่นี้เรียกว่าเวเฟอร์ (Wafer)  แสงจึงสำคัญต่อการผลิตอุปกรณ์ขนาดไมโครเมตรและนาโนเมตรเป็นอย่างมาก เพราะใช้ในการถ่ายโอนรูปแบบอย่างละเอียดไปที่เวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ หรือวัสดุพื้นผิวประเภท ผ่านรูปแบบการเดินทางของแสง ไม่ว่าจะเป็น การเลี้ยวเบน หรือการดูดกลืนแสงเพื่อให้รูปแบบเป็นไปตามที่ต้องการผ่านมาสก์ที่ถูกออกแบบมา

กระบวนการแรก ช่วงเริ่มต้น เวเฟอร์จะถูกทำความสะอาดด้วย Acetone และ IPA (Isopropyl) แล้วเป่าให้แห้งเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับเคลือบสารเคมีต่อไป

กระบวนการที่สอง เวเฟอร์จะถูกนำไปเคลือบด้วยสารต้านทานที่ไวต่อแสง (Photoresist) ประกอบด้วย Positive Photoresist และ Negative Photoresist เช่น SU-8  โดยจะเลือกใช้ตามการใช้งานที่เหมาะสมและการทดลอง การเคลือบ Photoresist จะเคลือบ ด้วยการวางเวเฟอร์ลงบนเครื่องหมุน “ Spin Coater” ด้วยอัตราการหมุนความเร็วตามที่คำนวน ให้ได้ความหนาของชั้นสารที่เคลือบ ซึ่งความหนาเป็นปัจจัยอีกประการที่ต้องควบคุม โดยการนำมาคำนวนเพื่อหาปริมาณแสงที่พอเหมาะต่อรูปแบบ (Pattern) ที่ต้องการ

กระบวนการที่สาม การฉายแสงและเริ่มพิมพ์แบบ (Photolithography) สิ่งที่จำเป็นคือ มาสก์ (Mask) ที่เป็นรูปแบบที่ต้องการ จัดวางให้อยู่บนเวเฟอร์ การพิมพ์แบบจะใช้เครื่องพิมพ์รูปแบบ “Mask Aligner” ซึ่งมีรุ่นและวิธีการใช้หลากหลาย เช่น  การใช้ Masl Aligner (MA-06) โดยการวางมาสก์เหนือเวเฟอร์ แล้วฉายแสงด้วยปริมาณแสง และเวลาในการฉายแสงที่คำนวนได้สัมพันธ์กับความหนาของสารเคลือบ จากนั้นจะเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีภายใต้แสง และแสงจะถูกฉายลงบนชั้น สารต้านทานผ่านมาสก์ ทำให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีแลความสามารถในการละลายเปลี่ยนไป  เสร็จสิ้นการฉายแสงที่กระบวนการนี้ แต่รูปแบบที่พิมพ์ยังไม่เห็นเป็นรูปแบบชัดเจน

กระบวนการที่สี่ เริ่มต้นกระบวนการ “Develop”  ด้วยสารเคมี Developer เช่น D-40 ในขั้นตอนนี้จะนำเวเฟอร์ที่ได้พิมพ์รูปแบบแล้ว จุ่มในสาร Developer ตามเวลาที่คำนวนไว้ เช่น คำนวนไว้ราวๆ 10-15 วินาที แล้วค่อยล้างด้วยน้ำสะอาด เป่าให้แห้ง เพื่อนำมาตรวจเช็ครูป แบบที่ต้องการผ่านกล้องจุลทรรศน์ (Microscope) ปรับขยายตามขนาดของรูปแบบ หากยังไม่ได้รูปแบบที่ต้องการ หรือขนาดผิดเพี้ยนไปจากการออกแบบ สามารถนำเวเฟอร์มาล้างด้วย Acetone และ IPA (Isopropyl) แล้วเป่าให้แห้ง เพื่อเริ่มกระบวนการเคลือบใหม่อีกครั้งได้ หากได้ตามที่ต้องการแล้วถือเป็นการเสร็จสิ้นของกระบวนการพิมพ์แบบ หรือลิโธกราฟี (Lithography)

อย่างไรก็ตามลิโธกราฟี (Lithography) ได้มีการพัฒนาปรับปรุงการใช้งานให้ดียิ่งขึ้น เมื่อขนาดรูปแบบที่ต้องการนั้นมีขนาดเล็กมาก น้อยกว่าไมโครเมตร ไมครอน หรือเล็กในระดับนาโนเมตร  เครื่องมือในการพิมพ์แบบก็จะแตกต่างและมีวิธีใช้งานซับซ้อนขึ้น เช่น ต้องการแบบที่มีขนาดไม่เกิน 150 นาโนเมตรต้องใช้เครื่อง Electron Beam Lithography จึงจะเหมาะสม เป็นต้น

สรุป

การพิมพ์แบบหรือลิโธกราฟี (Lithography) เป็นหนึ่งในขั้นตอนของกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ (Semiconductor Device) ที่ใช้สร้างอุปกรณ์อิเล็กทอนิกส์แบบเซมิคอนดักเตอร์ในปริมาณมาก ที่มีรูปแบบชัดเจน และมีขนาดที่เล็กลง ในแต่ละกระบวนการทำต้องอาศัยความเชี่ยวชาญเฉพาะด้าน และความรู้ในการปฏิบัติงานห้องแลบแบบ Cleanroom เพื่อสร้างรูปแบบขึ้นมา ไม่ว่าจะเป็นการคำนวนความหนาของสารเคลือบ ปริมาณแสง และเวลาที่ใช้ฉายแสง หรือที่รู้จักกันในชื่อ ลิโธกราฟี (Lithography) ซึ่งเป็นขั้นตอนที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงได้ และจำเป็นต่อการช่วยให้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้เร็ว ปริมาณมาก รวมถึงมีขนาดรูปแบบเป็นมาตรฐานเดียวกัน ตลอดจนรักษาประสิทธิภาพได้อีกด้วย

‍