Quy trình gia công

Quy trình gia công motor tuyến tính gồm các bƣớc chính sau:

Bƣớc 1: Chuẩn bị

Chọn tấm wafer SOI loại 4 inches (≈100 mm) để gia công vớ i bề d ày của lớp trên cùng là 30μm, lớp đế là 450μm, lớ p SiO2 trung gian là 4μm (hình 3.3).

Tách tạp chất trên bề mặt phiến silicon bằng hóa chất rửa, trƣớc tiên dùng axêtôn, sau đó rửa bằng hỗn hơ ̣p dung di ̣ch H 2SO4 + H2O2 tỷ lệ 4:1 (nƣớ c “piranha”)

Sấy: Trên bề mặt wafer thƣờng có ẩm do vậy cần loại bỏ bằng cách gia nhiệt ở nhiệt độ khoảng 120oC – 2000C.

Phủ lớp hóa chất OAP để tăng khả năng kết dính giữa wafer và lớp photoresist.

Hình 3. 3 Cấu tạo một phiến wafer

Bƣớc 2: Quá trình quang khắc và phát triển - Lithography và developing

Phủ lớp photoresist lên bề mặt wafer: chất cản quang (photoresit) OFPR – 800 500cP có tính chất nhạy sáng dƣơng bề mặt dầy 1,5μm đƣơ ̣c phủ lên trên bề mă ̣t wafer bằng kỹ thuâ ̣t quay phủ (spin coating), tốc độ quay 4000v/ph.

Sấy sơ bộ (soft baking ) : mục đích làm bay hơi dung môi có trong lớp cản quang (photoresit).

Lớp Si

Lớp SiO2

42

Hình 3. 4 Quang khắc và tráng rửa

Chiếu (Exposure): nguồn phát sáng tia tƣ̉ ngoa ̣i đƣợc khuêch đa ̣i sau đó chiếu qua mô ̣t mă ̣t na ̣ (photomask). Hệ sẽ đƣợc chiếu sáng để chuyển hình ảnh (của mặt nạ đã thiết kế - chế tạo) lên nền, mặt nạ đƣợc đặt giữa hệ thấu kính và wafer.

Hình 3. 5 Quá trình quang khắc và phát triển lớp photoresist

Tráng rửa: dùng các hóa chất tách các photoresist bị phân hủy do ánh sáng . Vì sử dụng photoresit dƣơng nên chất tẩy rƣ̉ a tƣơng ƣ́ng là NMD3; chất súc la ̣i là nƣớc không ion (DI water).

Sấy khô làm photoresist cứng hoàn toàn, đồng thời loại bỏ hoàn toàn dung môi, ta có hình ảnh nhƣ hình 3.4.

Trình tự các bƣớc của quang khắc và tráng rửa đƣợc minh họa bằng hình 3.5. Lớp photoresist

Tấm wafer

Gƣơng Chùm tia UV bị giữ lại

Chùm tia UV

xuyên qua Mặt nạ kim loại

(a) (b) (c) 1,51,5µmt Lớp Si 30µm Lớp SiO2 4µm Lớp đế 450µm

43

Bƣớc 3: Ăn mòn sâu ion hoạt hóa D-RIE

Sau khi phủ mặt nạ (lớp photoresist) lên tấm wafer, ta có thể bắt đầu thực hiện quá trình ăn mòn lớp silicon. Ta đƣa tấm wafer vào máy D-RIE. Đầu tiên là quá trình ăn mòn silicon bằng việc sử dụng khí SF6. Đặc điểm của khí SF6 là tạo thành luồng plasma để bắn vào bề mặt silicon, nó sẽ tác dụng với silicon và tạo thành sản phẩm bay lên, đồng thời tỏa nhiệt. Sản phẩm của phản ứng bay lên sẽ có một thiết bị hút ra ngoài. Sau khi bắn phá bề mặt silicon sẽ tạo thành những rãnh lõm (Hình 3.6a). Các phản ứng SF6 là:

Các phản ứng phân ly (3.1) Các phản ứng ion hóa (3.2) e- + SF6 SF5 + F + e- e- + SF6  SF+5 + F + 2e- e- + SF5 SF4 + F + e- e- + SF6  SF+3+ F2 + F + 2e- e- + SF4 SF4 + F + e- e- + SF4  SF+3 + F + 2e- Các phản ứng thu đƣợc (3.3) e- + SF6 SF-5 + F e- + SF4  SF-3+ F e- + SF4 SF+3 + F + 2e- Flo tự do từ quá trình phân ly SF6 sẽ ăn mòn silicon:

SiFx + F  SiFx+1 với x = 13 (3.4)

Quá trình thứ hai là lắng đọng polyme (Deposited polymer). Ta phun khí C4H8 vào các bề mặt, chất này tạo thành một lớp bảo vệ (cả bề mặt wafer và hố vừa đƣợc tạo ra ở bƣớc (a)) (Hình 3.6b).

Sau khi phủ xong thì ta lại quay về bƣớc (a) để tiếp tục bắn phá. Tuy nhiên khi bắn phá, khí SF6 sẽ đục mặt nạ và đáy, khi đục mặt nạ thì luồng tia plasma không có tác dụng, còn đục xuống đáy thì đục thủng cả lớp nhựa bảo vệ đƣợc tạo thành, chỉ giữ lại thành bên (Hình 3.6c). Các quá trình lặp đi lặp lại tạo nên một thành bậc rất nhỏ. Quá trình ăn mòn dừng lại khi gặp bề mặt oxit SiO2 (Hình 3.6d).

44

Hình 3. 6 Quá trình ăn mòn khô D-RIE

Bƣớc 4: Cắt và loại bỏ photoresist

Tiếp theo, ta tiếp tục phủ một lớp photoresist lên tấm wafer bằng phƣơng pháp quay phủ để bảo vệ vi cấu trúc để tránh bị hỏng hóc trong quá trình cắt tấm wafer thành từng chip nhỏ.

Sau khi cắt tấm wafer thành từng chip, ta sẽ dùng dung dịch remover 106 để rửa lớp photoresist. Sau đó rửa sạch hoàn toàn bằng dung dịch piranha. Sấy khô chip ở nhiệt độ 1200C trong 20 phút để chuẩn bị cho quá trình ăn mòn bằng axit bay hơi (Vapor HF etching).

Bƣớc 5: Ăn mòn bốc bay bằng HF (Vapor HF etching)

Mục đích của quá trình này là ăn mòn lớp SiO2 nằm dƣới các thiết kế sau khi đã ăn mòn khô (D-RIE). Quá trình ăn mòn đƣợc thể hiện thông qua phƣơng trình phản ứng: SiO2 + 6HF = H2 + SiF6 + 2H2O (3.5) (a) (b) (c) Mặt nạ photoresist Lớp SiO2 Lớp Silicon Lớp nền Si (d)

45

Hình 3. 7 Quá trình ăn mòn bốc bay bằng HF

Tấm wafer đƣợc để lên giá. Axit HF đƣợc đựng trong một bình nhựa teflon (có khả năng chống lại sự ăn mòn của HF). Sấy nóng axit HF nồng độ 46% lên khoảng 40 - 500, khi đó axit sẽ bốc hơi mãnh liệt lên chip đặt ở trên giá và sẽ ăn mòn lớp SiO2 nằm ở giữa, trong các rãnh xen kẽ với tốc độ khoảng 0,2µm/phút. Sản phẩm là H2, SiF6 và H2O sẽ đƣợc hút ra ngoài (Hình 3.7). Thời gian ăn mòn khoảng 50 phút (ăn mòn đƣợc 10 µm SiO2).

Sau khi ăn mòn bằng axit bay hơi HF, chip sẽ đƣợc sấy khô ở 100- 1200

C trong khoảng 10 phút. Quy trình chế tạo hoàn thành, sau đó ta có thể đem chip đi tiến hành kiểm tra, đo đạc.

Hình 3. 8 Mặt cắt ngang của tấm wafer sau khi HF etching

Lop de Lop Si

Phan co dinhPhần cố định Phan di dongPhần di động

Si

SiO2

46

Hình 3. 9 Kết quả sau quá trình ăn mòn axit HF

Các bƣớc của quy trình gia công đƣợc tóm tắt bởi sơ đồ:

Hình 3. 10 Quy trình gia công

V

Phần cố định

Phần di động

Silicon nền Phần cố định

47

Bảng 3.1 Các bước trong quy trình:

STT Bƣớc Quy trình Hình mô tả

1 Chuẩn bị Wafer SOI - Device layer: 30μm - Nền: 500μm - Buried SiO2 : 4μm 2 Quang khắc

- Rƣ̉ a sa ̣ch bằng aceton trong vòng 5 phút

- Sấy sơ bộ 1200C - Spin-coating:

Lần 1: 1000 vòng/ phút trong 5s

Lần 2: 4000 vòng / phút trong 30s

Bề dầy lớp photoresit là 1,5μm Sấy 1100C trong 90s Chiếu: 25-28 mW/cm2 trong 1,6s 3 Ăn mòn khô DRIE

- Chu trình ăn mòn

Khí SF6 trong thờ i gian 7s - Chu trình lắng đo ̣ng: Khí C4F8

- Ăn mòn đến với vâ ̣n tốc 1,2 μm/ phút

4

Cắt wafer

- Chất cản quang OFPR -800 500cP

- Vòng quay: 30000rpm - Vận tốc: 3mm/s

48 Bề dầy: 0,05mm 5 Tách và làm sạch - Bỏ photoresit Dung di ̣ch: 106 Nhiê ̣t đô ̣ 1100C Thời gian 10 phút

Rửa nƣớ c DI thời gian 10 phút

- Làm sạch bằng hỗn hợp: H2SO4 + H2O2 (4:1) Nhiê ̣t đô ̣ 1000C Thời gian 10phut

Rửa nƣớ c DI , thời gian 10 phút

Sấy 1200C trong 20 phút

6

Ăn mòn SiO2

Bốc bay hơi HF ăn mòn với tốc đô ̣ 0,2μm/phút trong vòng 50 – 60 phút