microfabrication & MEMS technology 1

CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN MEMS Mộtthế iới ộ ở à ế ũ Một thế g iới r ộ ng m ở v à quy ế n r ũ (An fascinating and openning world) V. Vi chế tạo và công nghệ MEMS 1. Kỹ thuật ănmòn/Etching Methods 2. Côn g n g h ệ vi c ơ kh ố i/Bul k Micromachinin g g g ệ g 3. Công nghệ vi cơ bề mặt/ Surface Micromachining 4 Công nghệ LIGA/ LIGA Technology 4 . Công nghệ LIGA/ LIGA Technology 5. Hàn ghép phiến/Wafer Bonding 5.1. Kỹ thuật ăn mòn Định nghĩa Vùng ăn mòn Vùng được 5.1.1. Các đặc trưn g cơ bản ) Quá trình tẩybỏ vậtliệu ở những khu vực đượclựachọncủa đế (phiến si-líc - wafer) Đế Vùng ăn mòn Vùng được che chắn (bảo vệ) wafer) . Vậtliệubảovệ (mask material) ) V ậ tli ệ uchechắn vùn g khôn g cần ăn ª Lớp bảo vệ mềm (soft mask) : chất Đ ế Soft mask Vùng ănmòn ậ ệ g g mòn, chịu đựng được các tác động hóa-lý củamôitrường ăn mòn. ª Lớp bảo vệ mềm (soft mask) : chất cảm quang (photoressist). ế ª Lớpbảovệ cứng (hard mask): SiO x Hd k Vùng ănmòn Soft mask hoặcSiN+ p hotoresist. H ar d mas k Đế 5.1. Kỹ thuật ăn mòn V ậ tli ệ uc ầ n đư ợ c ăn mòn tron g q ui trình MEMS 5.1.1. Các đặc trưn g cơ bản ậ ệ ợ g q Ăn mòn Ăn mòn Vậ tli ệ u Kim loại Si-líc Vậ ệ điệnmôi Kim loại 5.1. Kỹ thuật ăn mòn 5.1.1. Các đặc trưn g cơ bản Đẳng hướng (isotropy) và dị hướng (anisotropy) ) Ănmònđẳng hướng: tốc độ ăn mòn như nhau theo mọiphương không gian ª Do cấu trúc tinh thể (ăn mòn hóa ướt) ⇒ ăn mòn ngang (undercutting) ) Ăn mòn dị hướng : tốc độ ăn mòn khác nhau ª Do cấu trúc tinh thể (ăn mòn hóa ướt) ⇒ ăn mòn ngang (undercutting) r H =r Ăn mòn dị hướng : tốc độ ăn mòn khác nhau theo tùy thuộcnhững phương nhất định ª Hướng CĐ của các hạttrongăn mòn do tương tác của i ôn (ăn mòn hóa lý khô) tác của i - ôn (ăn mòn hóa - lý khô) 512 Phâ l i 5.1. Kỹ thuật ăn mòn 5 . 1 . 2 . Phâ n l oạ i Phương thức trao đổi năng lượng Ăn mòn hóa học Chất ăn mòn Di chuyển tới vùn g ăn mòn Sản phẩm của phản ứng ) Phương pháp thựchiện: phiến đế tiếpxúctrựctiếpvớichất ăn mòn (các g Phản ứng bề mặt ) Cơ chế : kết quả của phản ứng hóa dung dịch hóa hoặc khí trong môi trường plasma). Cơ chế : kết quả của phản ứng hóa do quá trình khuếch tán các chất ăn mòn tớibề mặt đế (chuyển động brown), có tính đẳng hướng, Chất ăn mòn ª Ăn mòn ngang (undercut), Undercut ª ) Đặc điểm: ª Tính chọnlựa cao (highly selective), ª Tốc độ ăn mòn phụ thuộc nhiệt độ. 5.1. Kỹ thuật ăn mòn 512 Phâ l i Ă ò ậ lý Phương thức trao đổi năng lượng 5 . 1 . 2 . Phâ n l oạ i Khí vào Khí ra Plasma ) Phương thứcthựchiện: phiến đế tiếp xúc trựctiếpvớikhítrơ và các i-ôn trong Ă n m ò n v ậ t lý ) Cơ chế:kếtquả của quá trình truyền xung lượng của các i-ôn CĐđịnh hướng ó i ố ới ê ử đế ó íh dị Nguồn xoay chiều Đế môi trường p lasma. c ó g i at ố cv ới nguy ê nt ử đế ,c ó t í n h dị hướng. Các i-ôn ) Đặc điểm: ª Vách ănmònthẳng (vertical wall), ª Tính lựachọnthấp (low selectivity), ª T ạ orasản p hẩm p h ụ ( b y - p roduct ), ª Tốc độ ăn mòn phụ thuộc quá trình vận chuyểnkhối (mass transport), Vách ăn mòn ạ p p ụ (y p), 5.1. Kỹ thuật ăn mòn 512 Phâ l i Ă Môi trường ăn mòn 5 . 1 . 2 . Phâ n l oạ i ) Vậtliệucần ănmònđược nhúng trực tiếp vào các dung dịch hóa như a - cid hoặc Dung dịch ăn mòn Ă n mòn ướt (wet etching) tiếp vào các dung dịch hóa như a cid hoặc ba-zơ. Gases Ăn mòn khô (dry etching) ª Ă ò l (l Anode ) Vậtliệucần ăn mòn không tiếp xúc với các dung dịch hóa. ª Ă nm ò n pl asma ( p l asma etching), ª Ăn mòn i-ôn ho ạ t hóa Plasma Cathode Top & bottom electrodes RF Power Source ~ -V bias ạ (reactive ion etching - RIE) Cathode Vacuum Pump V. Vi chế tạo và công nghệ MEMS 1. Kỹ thuật ănmòn/Etching Methods 2. Côn g n g h ệ vi c ơ kh ố i/Bul k Micromachinin g g g ệ g 3. Công nghệ vi cơ bề mặt/ Surface Micromachining 4 Công nghệ LIGA/ LIGA Technology 4 . Công nghệ LIGA/ LIGA Technology 5. Hàn ghép phiến/Wafer Bonding 5.2. Công nghệ vi cơ khối 521 Khái iệ 5 . 2 . 1 . Khái n iệ m ) Quá trình chế tạo các vi cấutrúc3chiềubêntrongđế si-líc bằng các phương há ă ò ( ớt h ặ khô) ó h l (i fbiti ) phá p ă nm ò n ( ư ớt h o ặ c khô) c ó c h ọn l ọc ( m i cro f a b r i ca ti on ) . ) Phân loại công nghệ theo các phương pháp ăn mòn: Ănmònướt Ăn mòn khô Phụ thuộc định ể Ph ụ thu ộ c q uá Đẳng hướng Dị hướng Đẳng hướng Dị hướng hướn g tinh th ể ụ ộ q trình công nghệ Chất ăn mòn A-xít Chất ăn mòn Ba-zơ Ăn mòn plasma sử dụng gốc F BrF 3 , XeF 2 [...]... có mật độ nguyên tử lớn, Hoàn hảo hơn ăn mòn đẳng hướng do có thể tạo vách hốc ăn mòn thẳng đứng [0 01] a a Ăn mòn Si-líc Vai trò của Si: Được sử dụng làm vật liệu đế/nền (substrate) 3 mặt phẳng nguyên lý đặc trưng cho tính dị hướng : [10 0], [11 0] và [11 1] a [10 0] • {10 0} [ 010 ] • {11 0} • {11 1} 5.2 Công nghệ vi cơ khối 5.2.2 5 2 2 Vi cơ khối ướt ớt Ăn mòn dị hướng Ăn ò Si lí Ă mòn Si-líc Hóa... Ăn mòn phiến Si-líc định hướng mặt (11 0) p ị g ặ ( ) Nếu ăn mòn không sâu ⇒ vách hốc ăn mòn thẳng đứng [0 01] 2 β = arctan = 35,26O 2 γ = π - 2β = 10 9,47O a γ β δ a δ = π/2 + β = 12 5,26O [10 0] a §−êng ®¸nh dÊu trôc TT [ 010 ] • {10 0} • {11 0} • {11 1} 5.2 Công nghệ vi cơ khối 5.2.2 5 2 2 Vi cơ khối ướt ớt Ăn mòn dị hướng Ăn mòn phiến Si líc định hướng mặt (11 0) Si-líc Phương dễ bẻ, tách hoặc... khối ướt ớt Ăn mòn dị hướng Ăn mòn phiến Si-líc định hướng mặt (10 0) Cạnh cửa sổ ăn mòn song song phương [11 0] vách hốc ăn mòn nghiêng một góc 54,740 so với mặt (10 0), ặ ( ), Mối quan hệ giữa các kích thước của hốc ăn mòn WB = WT – 2 cotan(54,74) z [0 01] WT WB a a Đường đánh dấu ụ trục TT z L [10 0] a [ 010 ] 54,740 5.2 Công nghệ vi cơ khối 5.2.2 5 2 2 Vi cơ khối ướt ớt Ăn... Dung dịch ăn mòn Tốc độ ăn mòn Mặt nạ bảo vệ Độ chọn lọc Al 1) H3PO4:H2O:HNO3:CH3COOH ~500 Photoresist 16 :2 :1: 1 nm/min 2) HCl + H2O 50 :1 Au 1) HCl + HNO3 2) Kl + I2 + H2O ~ 40 nm/min Photoresist 50 :1 Ti, Ti TiN NH4OH H2O2: H2O OH:H (1: 1:5) ~ 20 nm/min Photoresist Ph t i t 50 :1 50 1 Si đa tinh thể HF:HNO3 ~ 30 nm/min nm/min Photoresist 50 :1 5.2 Công nghệ vi cơ khối 5.2.2 Vi cơ khối ướt 22 i ối ớ Ăn... Ăn mòn dị hướng Ăn Ă mòn Si-líc Dung dịch (nồng độ, nhiệt độ ăn mòn) Tốc độ ăn mòn μm/phút Tỉ số ăn mòn mặt (10 0): (11 1) Tốc độ ăn mòn mặt nạ bảo vệ (nm/phút) KOH (30%, 70 0C) ~ 40 400 :1 SiO2 (ô-xy hóa): ~14 2 Si3N4 (CVD): ~ 22 TMAH (2%, (2% 70 0C) ~ 22 300 :1 SiO2 (ô-xy hóa): ~ 4 Si3N4 (CVD): ~15 15 Ưu điểm: Dễ thực hiện do hóa chất sẵn, rẻ không đòi hỏi các thiết bị phức tạp sẵn rẻ, Nhược điểm: Có thể... mòn dị hướng Ăn ò hiế Si-líc định hướng ặt Ă mòn phiến Si lí đị h h ớ mặt (10 0) Phương dễ bẻ, tách hoặc cắt Trục và mặt (11 0) 5.2 Công nghệ vi cơ khối 5.2.2 Vi cơ khối ướt Ăn mòn dị hướng ò ướ g Ăn mòn phiến Si-líc định hướng mặt (10 0) Cạnh cửa sổ ăn mòn song song ạ g g phương [10 0], tức là nghiêng 1 góc 450 so với phương [11 0] Vách hốc ăn ò thẳng đứng Vá h hố ă mòn thẳ đứ Hiện tượng ăn mòn ngang (undercut)... ớt Ăn mòn đẳng hướng Ăn ò Ă mòn SiO2 (h ặ thạch anh) (hoặc th h h) Sử dụng HF: SiO2 + 6HF → H2 + SìF6 + 2H2O Tốc độ ăn mòn ∈ tỉ lệ H2O:HF Phản ứng 12 00 nm/phút với tỉ lệ 1: 1 10 00 nm/phút với tỉ lệ 6 :1 Sử dụng hỗn hợp: 6NH4F:HF Tăng chất lượng ăn mòn, do: (1) NH4F ↔ NH3 + HF Khuếch tán Kh ế h tá chất ăn mòn đến bề mặt Khuếch tán sản phẩm ăn mòn (2) SiO2 + 6HF → H2+ SìF6 + 2H2O Kết hợp kỹ thuật khuấy... sự gặp nhau của các mặt (11 1) 5.2 Công nghệ vi cơ khối 5.2.3 5 2 3 Vi cơ khối khô Định nghĩa Ăn mòn bề mặt chất rắn trong pha khí theo các cơ chế: Ăn mòn hóa do phản ứng bề mặt với các chất hoạt hóa, Ăn mòn lý do quá trình bắn phá i-ôn, Ăn mòn i-ôn hoạt hóa (reactive ion etching - RIE) là sự kết hợp của cả ăn mòn hóa và lý 6 Torr) Điều kiện ăn mòn: áp suất thấp (tử 10 1 xuống 10 -6 Torr) Ăn mòn hóa Ăn... h cả phương thẳng đứng và nằm ngang Ăn mòn dị hướng: tốc độ ăn mòn khác nhau theo phương thẳng đứng và nằm ngang Tỷ sô tốc độ ăn mòn: RL = RL = 1 Tốc độ ăn mòn ngang (rH) Tốc độ ăn mòn dọc (rV) 0 < RL < 1 Ăn mòn đẳng hướng: RL = 1, Ăn mòn di hướng: 0 < RL < 1, Ăn mòn di hướng hoàn hảo: RL = 0 RL = 0 Tỷ sô giữa độ sâu và độ rộng hốc ăn mòn: Tỷ số cạnh (aspect ratio) 5.2 Công nghệ vi cơ khối 5.2.3 5... cơ khối ướt ớt Ăn mòn dị hướng Ăn ò Si lí Ă mòn Si-líc Hiện tượng ăn mòn góc lồi (convex corner) Góc Gó lồi của cấu trúc bị ă mòn ủ ấ ú ăn ò vạt chéo: do quá trình ăn mòn ngang xảy ra theo các mặt (2 21) Làm thay đổi cấu trúc đã được thiết kế Để hạn chế ⇒ áp dụng kỹ thuật bù (compensation) khi thực hiện thiết kế MASK ế ế 5.2 Công nghệ vi cơ khối 5.2.2 5 2 2 Vi cơ khối ướt ớt Ăn mòn dị hướng Ăn mòn Si-líc . đế/nền (substrate). ) Vai tr ò củaSi: • {11 0} [ 010 ] • {11 1} ª 3mặtphẳng nguyên lý đặctrưng cho tính dị hướng : [10 0], [11 0] và [11 1]. 5. 2. Công nghệ vi cơ khối 52 2 Vi khối ớt 5 . 2 . 2 . Vi cơ khối ư ớt Ăn. lớn, ª Hoàn hảo hơn ăn mòn đẳng hướng do a a [0 01] < ;11 0> ª Hoàn hảo hơn ăn mòn đẳng hướng do có thể tạo vách hốc ănmònthẳng đứng. a < ;11 0> Ăn mòn Si-líc • {10 0} a [10 0] ª Đượcsử dụng làm vậtliệu đế/nền (substrate). ). H 3 PO 4 :H 2 O:HNO 3 :CH 3 COOH 16 :2 :1: 1 2 ) HCl + H O ~50 0 nm/min. Photoresist 50 :1 2 ) HCl + H 2 O Au 1) HCl + HNO 3 2) Kl + I 2 + H 2 O ~ 40 nm/min. Photoresist 50 :1 Ti TiN NH OH H O H O 20 Ph t i t 50 1 Ti , TiN NH 4 OH : H 2 O 2 :