materials & fabrication technology 1

CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN MEMS Một thế giới rộng mở và quyến rũ ( An fascinating and openning world ) ( An fascinating and openning world ) 1 NỘI DUNG /CLASS CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN MEMS NỘI DUNG /CLASS I . MỞ ĐẦU/ INTRODUCTION I . MỞ ĐẦU/ INTRODUCTION II. CƠ SỞ VỀ CƠĐIỆN/ ELECTRO-MECHANICAL BACKGROUND III. VẬTLIỆU VÀ CÁC KỸ THUẬTCHẾ TẠOVIĐIỆNTỬ/ MATERIALS AND MICROELECTRONIC PROCESSES IV. THIẾTKẾ LINH KIỆNVÀXÂYDỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO/ MEMS DESIGN V VI CHẾ TẠO VÀ PHÂN LOẠI CÔNG NGHỆ MEMS/ V . VI CHẾ TẠO VÀ PHÂN LOẠI CÔNG NGHỆ MEMS/ MICROFABRICATION AND MEMS TECHNOLOGY VI. CÁC LINH KI Ệ NMEMSĐI Ể NHÌNH/ Ệ TYPICAL MEMS DEVICES 2 III. Vật liệu và công nghệ vi điện tử 3.1. Cơ sở cấutrúcvậtliệu/Material structure 3.2. V ậ tli ệ u cho MEMS / Materials fo r MEMS ậ ệ 3.3. Kỹ thuậtchế tạoviđiệntử/ IC Technology 3 4 Công nghệ màng mỏng/ Thin Film Technology 3 . 4 . Công nghệ màng mỏng/ Thin Film Technology 3.5. Kếtluận/Conclusions 3 III. Vật liệu và công nghệ vi điện tử 3.1. Cơ sở cấutrúcvậtliệu/Material structure 3.2. V ậ tli ệ u cho MEMS / Materials fo r MEMS ậ ệ 3.3. Kỹ thuậtchế tạoviđiệntử/ IC Technology 3 4 Công nghệ màng mỏng / Thin Film Technology 3 . 4 . Công nghệ màng mỏng / Thin Film Technology 3.5. Kếtluận/Conclusions 4 3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu 311 Liên kếtgiữa các nguyên tử ) Vậtchấtcấutạotừ nguyên tử ⇒ khoảng 100 loại nguyên tử khác nhau ⇒ tính chấtcủavậtliệu ∈ nguyên tử và dạng liên kếtgiữa các nguyên tử. 3 . 1 . 1 . Liên kết giữa các nguyên tử 5 3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu 311 Liê kếtiữ áêtử Liên kết i-ôn (ionic bonding) 3 . 1 . 1 . Liê n kết giữ a c á c n g u yê n tử ) Hình thành do lực hút tĩnh điệngiữa các i-ôn lân cận ) Có sự di chuyểncủa các điệntử hình thành i-ôn (+) – (anion) và (-) – (cation) ) Luôn duy trì trung hòa điện ) Liên kết trong vấutrúcmạng Điện tử hóa trị Nguyên tử Natri (Na) Nguyên tử Clo (Cl) I-ôn Na + I-ôn Cl - 6 3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu 311 Liê kếtiữ áêtử Liên kết đồng hóa trị (covalent bonding) 3 . 1 . 1 . Liê n kết giữ a c á c n g u yê n tử ) Cấutrúcđiệntử củamột nguyên tử chỉổn định khi lớpvỏ hóa trị ngoài cùng được điền đầy ⇒ liên kết đôi (chia sẻđiệntử hóa trị) ) Chủ yếu xuất hiện ở các chất hữu cơ ) Chủ yếu xuất hiện ở các chất hữu cơ Liên kết ồ đ ồ ng hóa trị Nguyên tử Silic (Si) 7 3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu 311 iê ế iữ áêử Liên kết kim loại (metallic bonding) 3 . 1 . 1 .L iê n k ế t giữ a c á c n g u yê n t ử ) Các kim loạithường chỉ có3e - hóa trịởlớp ngoài cùng ⇒ liên kếtyếuvới hạtnhânvàcấutrúcbêntrong⇒ dễ dàng bứtrakhỏicấutrúccủamột nguyên tử ⇒ các điệntử tự do ⇒ hình hà h đá â điệ ử á ó độ t hà n h đá mm â y điệ nt ử ⇒ c á ce - c ó độ linh động lớn ⇒ tăng tính dẫnnhiệtvà điệnvàtínhchấtcơ học đàn hồi. ) Các lõi nguyên tử mang điện tích (+) liên kếtvớinhaunhờ lựchútvới các đi ệ nt ử ệ 8 ấ 3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu 3.1.2. C ấ u trúc vật liệu ) Cấu trúc nguyên tử củachấtrắn đượcchialàm3 ể ể loại: tinh th ể (crystalline), đa tinh th ể (polycrystalline) và vô định hình (amorphous). ) Vật liệu tinh thể : cấu trúc nguyên tử 3 chiều kích ) Vật liệu tinh thể : cấu trúc nguyên tử 3 chiều , kích thướclớn, các nguyên tử chiếmcácvị trí đặcbiệt, xắpxếpcótrậttự và lặplại trong không gian tạora cấu trúc mạng tuần hoàn cấu trúc mạng tuần hoàn . ) Vậtliệu đa tinh thể có đám hạt (grains) hình thành ể ấ Hạttinhthể Biên hạt b ởi các tinh th ể nhỏ và các ch ấ t trung gian giữa các đám hạtgọi là các biên hạt (grain boundary) 9 3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu 312 Cấ ú ậ iệ ) Vậtliệuvôđịnh hình: vị trí các nguyên tử có một kh ả áh ới h à khô ó íh lặ l i á hâ 3 . 1 . 2 . Cấ u tr ú c v ậ t l iệ u kh o ả ng c á c h v ới n h a u v à khô ng c ó t í n h lặ p l ạ i ⇒ c á c phâ n tử sắpxếpngẫunhiêngiống như chấtlỏng (gọilàchất lỏng siêu nguội - supercooled liquids), tính chấtvậtlýnhư nhau theo mọi hướng (vật liệu đẳng hướng isotropy) nhau theo mọi hướng (vật liệu đẳng hướng – isotropy) Ô-xít Si-líc (SiO 2 ) cấu trúc tinh thể (thạch anh) Ô-xít Si-líc (SiO 2 ) vô định hình (thủy tinh) Cấu trúc vật liệu vô định hình 10 [...]... y ⇒ trục [0 01] ; cũng trong mf này này, nhưng nghiêng góc 450 ⇒ trục [10 1]; phương đi qua 2 ệ ụ [ ] đỉnh đối diện ⇒ trục [11 1] … a a a 16 3 .1 Cơ sở cấu trúc vật liệu 3 .1. 4 3 1 4 Chỉ số Mill (Miller index) ố Miller (Mill i d ) Định hướng mặt tinh thể Mặt phẳng // ( ) ⇒ (0 01) Mặt phẳng // ( ) hẳ (x,y) (0 01) ; hẳ (x,z) ⇒ (10 0); mf chứa đường chéo đi qua 2 đỉnh đối diện ⇒ (11 0) … (0 01) ( 010 ) 17 IV Vật liệu... hể hướng ó ấ ú mạng giống kim cương (FCC kết hợp) 3 mặt phẳng nguyên lý đặc trưng cho tính dị hướng : [10 0], [11 0] và [11 1] Z Z (10 0) X Z ( (11 0) ) Y X (11 1) Y Y X 19 3.2 Vật liệu cho MEMS 3.2 .1 Si-líc (silicon - Si) Kỹ thuật chế tạo tinh thể Si Si đa tinh thể được làm từ cát ⇒ được nung nóng chảy (14 17 0C) ⇒ tạo mầm Si đơn tinh thể ⇒ tạo hình thỏi Si bằng cơ chế kéo và quay Cơ hế C chế quay và à kéo... phương ⇒ số nguyên tử trong 1 ô cơ sở = 4 (6x1/2 + 8x1/8) Packing factor = 0.74 ⇒ vật liệu cấu trúc fcc có tính đàn hồi tốt 13 3 .1 Cơ sở cấu trúc vật liệu 3 .1. 3 3 1 3 Mạng tinh thể i ể Lập phương tâm mặt kết hợp (merged FCC) FCC kết hợp FCC cơ bản Ô cơ sở của cấu trúc FCC kết hợp ợp Liên kết nguyên tử trong cấu trúc FCC kết hợp 14 3 .1 Cơ sở cấu trúc vật liệu 3 .1. 3 Mạng ti h thể 313 M tinh Sáu phương xếp... trượt lên nha ⇒ dễ bị biến dạng nhau dạng 11 3 .1 Cơ sở cấu trúc vật liệu 3 .1. 3 Mạng tinh thể ể Lập phương tâm khối (Body Centered Cubic- BCC) Mạng lập phương đơn giản có thêm một nguyên tử tại tâm lập phương ⇒ số nguyên tử trong 1 ô cơ sở = 2 (1 + 8x1/8) Packing factor = 0.68 ⇒ vật liệu cấu trúc bcc có độ cứng cao, tính đàn ấ hồi kém 12 3 .1 Cơ sở cấu trúc vật liệu 3 .1. 3 Mạng tinh thể ể Lập phương tâm mặt... trên và dưới có 6 nguyên tử ở 6 đỉnh của hình lục giác và 1 nguyên tử tại tâm của lục giác; lớp ở giữa có 3 nguyên tử xếp theo hình tam giác lọt vào khe của các nguyên tử ở g g y p g ọ g y mặt trên và dưới ⇒ số nguyên tử trong 1 ô cơ sở = 6 (12 x1/6 + 2x1/2 + 3) Packing factor = 0.74 ⇒ tính chất cơ học tương tự fcc 15 3 .1 Cơ sở cấu trúc vật liệu 3 .1. 4 Chỉ số Miller (Miller index) ố Cách thức để biểu diễn... đi qua 2 đỉnh đối diện ⇒ (11 0) … (0 01) ( 010 ) 17 IV Vật liệu và các kỹ thuật chế tạo 1 Cơ sở cấu trúc vật liệu / Material structure 2 Vật liệu cho MEMS / Materials for MEMS ậ ệ 3 Kỹ thuật chế tạo vi điện tử/ IC Technology 4 4 Công nghệ màng mỏng/ Thin Film Technology 5 Kết luận/Conclusions 18 3.2 Vật liệu cho MEMS 3.2 .1 Si-líc (silicon - Si) Được sử dụng làm vật liệu đế (substrate) trong CN IC và MEMS... MEMS 3.2 .1 Si-líc (silicon - Si) Phân loại phiến Si Phiến Si định hướng mặt {10 0} loại n 18 0O Vết cắt đánh dấu trục tinh thể chính [11 0] Phiến Si định hướng mặt {10 0} loại p Tính chất cơ học Vật liệu khối: cứng và ròn, biến dạng đàn hồi nhỏ Độ bền kéo: 7 GPa Phụ thuộc nồn độ pha tạp: xuất hiện ứng suất nội khi nồng độ pha tạp ~ 10 20 cm-3 Thay đổi tính chất cơ tùy khi được y y tạo thành các cấu trúc màng... cho MEMS 3.2 .1 Si-líc ( ili 3 2 1 Si lí (silicon - Si) Quy trình kỹ thuật chế tạo phiến Si Si đa tinh thể Qui trình mọc TT Nồi nấu ấ Thỏi Si Mầm Si đơn TT Dây điện trở Mài cạnh Mài mặt sơ bộ Ăn mòn làm nhẵn bêg mặt trong dd hóa Cắt đầu thừa và mài tròn Mài đánh dấu trục chính Cắt rời thành từng phiến Bột mài Dụng cụ mài Đánh bóng bề mặt Kiểm tra thành phẩm 21 3.2 Vật liệu cho MEMS 3.2 .1 Si-líc (silicon... áp suất 10 0 – 400 mTorr) mTorr) Ứng dụng: Vật liệu nguồn để chế tạo si-líc Vai trò như Si trong chế tạo linh kiện MOSFET Vật liệu quan trong trong công nghệ vi cơ bề mặt 23 3.2 Vật liệu cho MEMS 3.2.3 Vật liệu điện môi Ô-xít si-líc (SiO2) Tính chất Điện trở suất ρ = 10 16 Ω.cm Ngưỡng đánh thủng N ỡ đá h thủ cao ~ 500 V/μm Hằng số điện môi μ = 3,9 O2 Si Chịu nhiệt cao do nhiệt độ nóng chảy ~ 17 89 0C...3 .1 Cơ sở cấu trúc vật liệu 3 .1. 3 Mạng tinh thể ể Được mô tả bởi một nhóm nhỏ các nguyên tử gọi là ô cơ sở (ô đơn vị unit cell) ô cơ sở đơn giản nhất có dạng hình lập phương (cubic), các nguyên tử nằm ở các đỉnh ⇒ cấu trúc này dễ dàng bị méo Thể tích của các nguyên tử trong 1 ô cơ sở / thể tích của ô gọi là hệ số xếp chặt (packing factor) . (FCC kếthợp). ) 3 mặt phẳng nguyên lý đặc trưng cho 3 mặt phẳng nguyên lý đặc trưng cho tính dị hướng : [10 0], [11 0] và [11 1]. Z ZZ Z Y (10 0) Y ( 11 0 ) (11 1) X Y (10 0) X Y () X Y 19 3. 2. Vật liệu. trong 1 ô cơ sở = 4 (6x1/2 + 8x1/8). ) Packing factor = 0.74 ⇒ vậtliệucấu trúc fcc có tính đàn hồitốt. 13 3 .1. Cơ sở cấu trúc vật liệu 31 3 i ể Lập phương tâm mặt kết hợp (merged FCC) 3 . 1 . 3 trục [ 0 01 ] ; cũng trong mf này a [ 0 01 ] ; cũng trong mf này , nhưng nghiêng góc 45 0 ⇒ trục [10 1]; phương đi qua 2 đỉnh đốidi ệ n ⇒ tr ụ c [ 11 1 ] a a ệ ụ [ ] … 16 3. 1. Cơ sở cấu trúc vật liệu 31 4 Chỉ