microfabrication & MEMS technology 2

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 5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt Khái niệm ) Quá trình chế tạo các vi cấutrúc3chiềutrênbề mặt đế si-líc bằng: Khái niệm ª Các lớp vật liệu nền (vật liệu hy sinh) và vật liệu cấu trúc được t ạo ra nhờ ª Các lớp vật liệu nền (vật liệu hy sinh) và vật liệu cấu trúc được t ạo ra nhờ công nghệ màng mỏng (thin film technology). ª Thựchiện các phương pháp ănmònướtcóchọnlọcvớilớpvậtliệu hy sinh. Tạo lớp vật liệu nền (vật liệu hy sinh) Định dạng cấu trúc (quang khắc) Tạo lớp vật liệu cấu trúc Ăn mòn ướt (underetching) lớp vật liệu hy sinh Sấy khô cấu trúc sau ăn mòn 531 Khái iệ 5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt ) Qui trình chế tạokhống chế theo thờigian 5 . 3 . 1 . Khái n iệ m Vật liệu hy sinh Vật liệu cấu trúc Lớp cảm quang (photoresist) Quang khắc với 1 MASK duy nhất (photoresist) Ăn mòn vật liệu hy sinh tạo cấu trúc Kích thước cấu trúc khống chế theo thời gian 5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt 531 Khái iệ ) Qui trình chế tạotựđịnh dạng sử dụng 2 mặtnạ quang (MASK) 5 . 3 . 1 . Khái n iệ m Vật liệu hy sinh Quang khắc với MASK thứ nhất Lớp cảm quang (photoresist) Quang khắc với 1 MASK thứ hai P hotoresist Vật liệu cấu trúc P hotoresist Ăn mòn vật liệu hy sinh tạo cấu trúc ª Cần kỹ thuật so MASK 532 Cá ấ đề kỹ th ật 5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt 5 . 3 . 2 . Cá c v ấ n đề kỹ th u ật Sự dính bám (stiction) giữa các lớp vật liệu ấ ố ấ ấ ) C ơ chế ) Tính ch ấ t không mong mu ố nlàmhỏng c ấ utrúcxu ấ thiện sau quá trình ăn mòn ướtlớpvậtliệuhysinh ª Lựcmaodẫn (capillary force) ª Lựctĩnh điện (electrostatic force) ª Lực hút phân tử (Van der Waals force) ª Liên kết hydro (Hydro binding) ) Nguyên nhân ª Hình thành lựccăng bề mặt trong quá trình bay hơi dung dịch sau ănmòn kéo các bề mặt dính lại với nhau . kéo các bề mặt dính lại với nhau . ª Các bề mặtdínhchặtvới nhau do liên kết phân tử, nguyên tử 5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt 532 Cá ấ đề kỹ th ật Sự dính bám (stiction) giữa các lớp vật liệu Ph há hố dí h bá 5 . 3 . 2 . Cá c v ấ n đề kỹ th u ật ) Ph ương phá pc hố ng dí n h bá m ª Sử dụng tương tác điệntừ ⇒ chỉ sử dụng vớivậtliệutừ. ª T ạ o các cấutrúcchốn g đ ỡ g iữa các lớ p cấutrúcs ử d ụ n g v ậ tli ệ uhữuc ơ ª Sử dụng các dung dịch dễ bay hơinhư methanol kếthợ p vớiCO 2 lỏn g để tha y thế nước. ạ g g p ụ g ậ ệ (organic pillar) ⇒ đượctẩybỏ sau đóbằng pp ăn mòn plasma ô-xy. p 2 g y Hiện tượng ứng suất nội ) Xuấthiện ở cấutrúcvậtliệuchế tạobằng công nghệ màng mỏng ⇒ làm biến dạng cấu trúc nghệ màng mỏng ⇒ làm biến dạng cấu trúc . Hiệu ứng sợi dây ngang (stringer) ) Hình thành do địahìnhchồng chéo củacấutrúc3 ề chi ề u trong không gian hẹp ⇒ cảntr ở hoạt động của linh kiệnnhưđan xen cơ hay đoảnmạch … ể 5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt 5.3.3. Vật liệu si-líc đa tinh th ể Đặc điểm ) Tính chất cơ học tốt hơn so với thép : ) Cấutạogồm các đám hạt (grains) có định hướng ngẫu nhiên trong cấutrúc tinh thể ⇒ kích thướchạttăng cùng vớichiềudàymàngđượctạo. ª Suất đàn hồi Young ~ 140 – 190 Gpa, Tính chất cơ học tốt hơn so với thép : ª Sứcbền đứtvỡ:~2-3Gpa, ª ế ồ ª Bi ế ndạng đàn h ồ i ~ 0,5%. ) Tính chất điện(điệntrở)dễ dàng đượcbiến đổibằng các kỹ thuật pha tạp như khuếch tán hay cấy i-ôn. ) Tính tương thích với công nghệ chế tạoviđiệntử (IC Tech.) cao ⇒ dễ dàng tạo SiO bằng phương pháp ô - xy hóa nhiệt ) Tính chất nhiệtcũng phụ thuộckíchthướchạt. dàng tạo SiO 2 bằng phương pháp ô - xy hóa nhiệt . ) Có thểđượcchế tạobằng công nghệ LPCVD. 5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt 5.3.4. Qui trình SUMMiT (Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology) ) Sử dụng kỹ thuật công nghệ LPCVD để tạo màng polysilicon và SiO 2 ) Sử dụng kỹ thuật quang khắc(cóthểđến14lần) để chép các định dạng cấu trúc đã được thiết kê lên phiến đế ) Sử dụng ăn mòn i-ôn để tạocấu trúc trên các lớpmàngmỏng. dạng cấu trúc đã được thiết kê lên phiến đế . ) Sử dụng ăn mòn ướt để loại bỏ vật liệu hy sinh (SiO ) Qi tì h th ờ đ ử d để hế t á li h kiệ i hấ hà h ó ) Vậtliệubảovệ (mask material) thường là Si 3 N 4 . ) Sử dụng ăn mòn ướt để loại bỏ vật liệu hy sinh (SiO 2 ) . ) Q u i t r ì n h th ư ờ ng đ ượcs ử d ụng để c hế t ạọ c á c li n h kiệ nv i c hấ p hà n h c ó cấutrúcphứctạpnhư các bộ vi hộpsố (microgear), mô-tơ,gương đặt thẳng đứng. 5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt 534 Q i t ì h SUMMiT 5 . 3 . 4 . Q u i t r ì n h SUMMiT (Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology) ) Xuất phát với phiến si-líc loạin ) TạolớpSiO 2 (độ dày ~ 0,63 μm) bằng pp ô-xy hóa nhiệtvàSi 3 N 4 (độ dày ~ 0,8 μm) trên lớpSiO 2 . ) Phủ lớp polysilicon đầu tiên – MMPOLY0 (độ dày ~ 0,3 μm) trên bề mặt lớpSi 3 N 4 . ) Phủ lớp SiO vật liệu hy sinh (độ dày ~ 2 μ m) – SACOX 1 ) Phủ lớp SiO 2 vật liệu hy sinh (độ dày ~ 2 μ m) – SACOX 1 . ) Quang khắcvàănmòntạohốc ở lớpSiO 2 vậtliệu hy sinh. [...]... 5.4 .2 Qui t ì h ô 5 4 2 Q i trình công nghệ hệ Quang khắc (X-ray (X ray lithography) Tẩy bỏ PMMA tạo hình (polymer developing) Lắng đọng điện hóa (electroplating) Tạo khuôn bằng cách tẩy bỏ si-líc và polymer ( p y (etching) g) Thực hiện kỹ thuật đúc (molding) Thành phẩm Tia X MASK Polymer (PMMA) Si-líc (hoặc kim loại) Tetrahydro-1,4-oxazine (20 %), 2- aminoethanol-1 (5 %) 2 (2 2 i th l1 %), 2- (2butoxyethoxy)ethanol... với thủy tinh Pyrex bằng điện trường có hỗ trợ nhiệt Thủy tinh Pyrex Thủy tinh chịu nhiệt được sử dụng làm các chai lọ đựng hóa chất cho qui trình xử lý nhiệt Thành phần: 80.6% SiO2, 12. 6% B2O3, 4 .2% Na2O, 2. 2%Al2O3, 0.04% Fe2O3, 0.1% CaO, 0.05% MgO, and 0.1% Cl Cơ hế á trình C chế quá t ì h Thủy tinh pyrex tiếp xúc trực tiếp với si-líc p Thủy tinh pyrex nối với điện thế (-) Si-líc nối với điện thế (+)... Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology) Tiếp tục qui trình với các lớp SACOX3 và MMPOLY4 Ăn mòn ướt để tạo cấu trúc cuối cùng 5.3 Công nghệ vi cơ bề mặt 5.3.4 Qui trình SUMMiT (Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology) Các mẫu linh kiện bộ chấp hành n chế tạo bằng qui trình SUMMiT 5.3 Công nghệ vi cơ bề mặt 5.3.4 Qui trình SUMMiT (Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology) Các mẫu linh... trình SUMMiT (Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology) Phủ lớp polysilicon thứ hai – MMPOLY1 trên bề mặt lớp SACOX1 đã ề được quang khắc định dạng Phủ lớp SACOX2 (độ dày ~ 0,3 μm) lên trên và quang khắc Phủ lớp polysilicon – MMPOLY2 pha tạp (độ dày ~ 1,5 μm)t rực tiếp lên trên bề mặt lớp MMPOLY1 Ăn ò Ă mòn MMPOLY2 và lớ hỗ h cả MMPOLY1 và MMPOLY2 bằ à lớp hỗn hợp ả à bằng pp i-ôn hoạt hóa... (Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology) Tạo lớp SiO2 từ TEOS (tetraethoxysilane) với độ dày ~ 6 μm – SACOX3 Thực hiện kỹ thuật mài CMP (chemico mechanical polishing) để giảm độ dày SACOX3 xuống còn ~ 2 μm S CO 3 uố g cò μ Quang khắc và định dạng lớp SACOX3 tạo hốc cấu trúc xuống đến lớp MMPOLY2, sau đó phủ Si lấp đầy hốc Phủ lớp polysilicon – MMPOLY3 pha tạp (độ dày ~ 2 μm) trực tiếp lên ế trên... ghép phiến 5.5 .2 Hàn nóng chảy trực tiếp (fusion) ế Cơ chế quá trình Tạo bề mặt ưa nước (hydrophilic): sử dụng hỗn hợp H20:H20:NH4F và làm là khô ở 90 0C ⇒ có liê kết giữa ó liên iữ nhóm OH với Si ⇒ hình thành liên kết SiO2 tự nhiên Tạo bề mặt kỵ nước (hydrophobic): HF tẩy sạch SiO2 ⇒ ( y p ) y ạ tạo liên kết với H+ ⇒ bay hơi sau ế khi sấy khô ⇒ còn lại liên kết Si-Si 5.5 Hàn ghép phiến 5.5 .2 Hàn nóng... %) 2 (2 2 i th l1 %), 2- (2butoxyethoxy)ethanol (60 %), và H2O (15 %) Kim loại tạo khuôn Khuôn kim loại Vật liệu đúc 5 4 Công nghệ LIGA 5.4.3 Sản phẩm ẩ V Vi chế tạo và công nghệ MEMS 1 Kỹ thuật ăn mòn/ Etching Methods 2 Công nghệ vi cơ khối / Bulk Micromachining g g ệ g 3 Công nghệ vi cơ bề mặt/ Surface Micromachining 4 4 Công nghệ LIGA/ LIGA Technology 5 Hàn ghép phiến/ Wafer Bonding 5.5 Hàn ghép phiến... Multilevel MEMS IC Technology) Các mẫu linh kiện bộ chấp hành n chế tạo bằng qui trình SUMMiT V Vi chế tạo và công nghệ MEMS 1 Kỹ thuật ăn mòn/ Etching Methods 2 Công nghệ vi cơ khối / Bulk Micromachining g g ệ g 3 Công nghệ vi cơ bề mặt/ Surface Micromachining 4 4 Công nghệ LIGA/ LIGA Technology 5 Hàn ghép phiến/ Wafer Bonding 5 4 Công nghệ LIGA 5.4.1 5 4 1 Khái niệm iệ Quá trình chế tạo các vi cấu trúc... (micromachined gyroscope) 5.5 Hàn ghép phiến 5.5 .2 Hàn nóng chảy trực tiếp (fusion) ế Hàn ghép trực tiếp các đế Si-líc với nhau có hỗ trợ nhiệt g p ự p ợ ệ Đặc điểm quá trình Đế si-líc được cho tiếp xúc với nhay bằng áp lực ợ p y g p ự Bề mặt phẳng tuyệt đối Nhiệt độ cao ~ 1000 0C Các bước thực hiện: 1- tạo bề mặt tiếp xúc: Tạo ra bề mặt có nhóm OH hoặc H 2- Thực hiện tiếp xúc: Kết dính bề mặt, 3- Hàn... kéo Si+ sang thủy tinh ⇒ tạo ô-xít si-líc tại vùng tiếp giáp ⇒ vùng nghèo Na Na Điện trường cao (1000 – 1500 V) ⇒ Quá trình kết hợp si líc và thủy tinh tại vùng tiếp xúc ⇔ quá trình hàn nóng chảy giữa 2 vật liệu 5.5 Hàn ghép phiến 5.5.1 Hàn tĩnh điện ( 1 à ĩ iệ (anodic bonding) i i ) Đặc điểm quá trình Bảo đảm sự tiếp xúc thực sự tại bề mặt tiếp xúc giữa Si-líc và Pyrex Si líc và.Pyrex Glass Si Nếu . (20 %), 2 ithl 1 ( 5 % ) 2 ( 2 (polymer developing) Lắng đọng điện hóa (electroplating) Kim loạitạo khuôn 2 -am i noe th ano l - 1 ( 5 % ) , 2 - ( 2 - butoxyethoxy)ethanol (60 %), và H 2 O( 15% ) (electroplating) Tạo. khắcvàănmòntạohốc ở lớpSiO 2 vậtliệu hy sinh. 5. 3. Công nghệ vi cơ bề mặt 53 4 Q i t ì h SUMMiT ề 5 . 3 . 4 . Q u i t r ì n h SUMMiT (Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology) ) Phủ lớp p olysilicon. thuộckíchthướchạt. dàng tạo SiO 2 bằng phương pháp ô - xy hóa nhiệt . ) Có thểđượcchế tạobằng công nghệ LPCVD. 5. 3. Công nghệ vi cơ bề mặt 5. 3.4. Qui trình SUMMiT (Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology) )