4.2.1 Quy trình gia công quang khắc - Photolithography
Quang khắc (Photolithography) nghĩa là chuyển một bản mẫu từ một mặt nạ
lên bề mặt của vật chủ (ở đây thường là tấm silicon wafer). Đây là quy trình gia công quan trọng nhất trong công nghệ gia công MEMS, cho cả 3 loại gia công MEMS (Bulk, Surface và Liga). Nó quyết định sự thành công trong công nghệ gia công MEMS. Quá trình quang khắc được tiến hành trong các phòng sạch (Clean room) với những tiêu chuẩn rất nghiêm ngặt. Hình 4.1 thể hiện các bước nhỏ trong toàn bộ quy trình gia công quang khắc.
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 59
- Làm sạch tấm wafer
Làm sạch tấm wafer bằng các hóa chất rửa như axeton, etanol…, đôi khi là axit sunfuric (H2SO4). Các chất làm sạch có tác dụng loại bỏ các tạp chất hữu cơ
còn bám ở bề mặt tấm wafer và làm sạch bụi.
- Làm mặt nạ cho tấm wafer
Phủ một lớp mặt nạ bằng SiO2, Si3N4 hay kim loại để chống lại các tia ăn mòn silicon. Bước này thường dùng cho gia công các cảm biến (sensors).
Phủ lớp vật liệu cảm quang
(Coat with photoresist)
Sấy nhẹ (Soft bake) Đi mặt nạ (Align masks) Lộ mẫu (Expose pattern) Phát triển chất cảm quang (Develop photoresist) Sấy khô (Hard bake) Ăn mòn cửa sổ trong lớp chắn
(Etch windows in barrier layer)
Bỏđi lớp cảm quang
(Remove photoresist)
Hình 4.1 Các bước trong quy trình quang khắc (Photolithography)
Phủ lớp bảo vệ SiO2,Si3N4, kim loại
(Deposite barrier layer SiO2, Si3N4)
Làm sạch tấm wafer
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 60
- Phủ lớp vật liệu cảm quang
Dùng máy quay tốc độ cao, hút chân không (dùng khí N2) để hút tấm wafer xuống và giữ chặt nó với tốc độ vừa phải để không làm hại tấm wafer.
Sau khi hút, người ta nhỏ vào bề mặt tấm vài giọt photoresist dạng lỏng. Sau
đó quay với tốc độ vài nghìn vòng/phút để chất lỏng này văng đều bề mặt tấm wafer (sau khoảng 30- 40s) tạo thành lớp bề mặt 1- 3µm. Trong quá trình quay ta phải đặt giấy để ngăn chất lỏng photoresist bắn ra, tiện cho việc làm sạch máy sau này.
- Sấy
Sấy để làm khô lớp photoresist sau khoảng vài phút
- Đi mặt nạ và làm lộ mẫu
Chiếu chùm tia cực tím qua mặt nạ để in hình lên tấm wafer. Mặt nạ được lắp sẵn vào máy. Dùng một bóng đèn công suất lớn để phát tia cực tím (UV) đi qua các khe hở trên mặt nạ. Mặt nạ được gia công bằng thủy tinh, trên đó có các mạch (kích thước cỡ µm) đã được thiết kế từ trên bản vẽ rồi in ảnh lên tấm thủy tinh bằng các vật liệu như vàng, đồng, crôm… Ánh sáng từđèn chiếu qua mặt nạ, chỗ nào có thiết kế (device) thì ánh sáng bị chặn lại, chỗ nào không có thiết kế ánh sáng sẽ
xuyên qua, tới lớp photoresist vừa được phủ và làm phân hủy chất này.
- Phát triển lớp cảm quang
Phân rã: nhúng tấm wafer vào dung dịch phát triển (developing) để phân hủy phần photoresist bị ánh sáng chiếu vào, phần được che chắn thì còn nguyên. Sau đó
đem rửa tấm wafer trong nước. Lúc này bề mặt tấm wafer là lớp photoresist có hình như thiết kế trên mặt nạ. Tiếp tục đem sấy trên một mặt phẳng nóng (hard bake).
- Ăn mòn cửa sổ trong lớp chắn
Trong trường hợp gia công lâu sẽ khiến tấm wafer bị cháy. Do đó ta phải dùng mặt nạ là lớp SiO2, Si3N4, hay kim loại để bảo vệ. Như vậy, khi phát triển lớp photoresist thì ta phải ăn mòn lớp SiO2, Si3N4 đi bằng các dung dịch axit hidroflorua (HF) đến chạm lớp silicon (chất nền) thì thôi vì axit HF không ăn silicon.
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 61
- Bỏđi lớp photoresist
Dùng hóa chất HQD để rửa thì sẽ tan lớp photoresist, chỉ còn lớp SiO2 hay kim loại dùng cho gia công (che chắn cho tấm wafer).
4.2.2 Quy trình gia công micromotor
Trong luận văn này, tôi xin đề xuất các bước thực hiện để chế tạo micromotor. Dưới đây làsơđồcác bước chế tạo.
4.2.2.1 Chuẩn bị - preparation
Tấm wafer được chuẩn bị cho quá trình gia công là tấm silicon trên lớp cách
điện - SOI (Silicon on Insulating layer). Một tấm wafer gồm có 3 lớp:
• Lớp Si (lớp làm việc): dầy khoảng 30 - 50µm • Lớp SiO2: dầy khoảng 4µm
• Dưới cùng là lớp nền silicon : dầy khoảng 450 - 500µm
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 62
Sau đó, ta đưa tấm wafer đi rửa để bỏ đi các tạp chất bám trên bề mặt tấm bằng các hóa chất như axêtôn hoặc có thể là axit sunfuric (H2SO4). Tiếp theo ta sấy nhẹở nhiệt độ khoảng 1200C để làm khô tấm wafer. Cuối cùng ta phủ lớp hóa chất OAP để tăng khả năng kết dính giữa tấm wafer và lớp photoresist để chuẩn bị cho quá trình phủ lớp cảm quang (photoresist).
4.2.2.2 Quá trình quang khắc và phát triển - Lithography và developing
Bước này chính là tạo ra một mặt nạ chuẩn bị cho quá trình ăn mòn. Quá trình thực hiện bước này như sau:
-Phủ một lớp vật liệu cảm quang (photoresist) lên bề mặt tấm wafer bằng phương pháp quay phủ. (Hình 4.4a)
-Sấy nhẹ làm bay hơi dung môi có trong photoresist.
-Thực hiện quá trình quang khắc bằng việc chiếu chùm sáng tia cực tím cường độ lớn qua một mặt nạ có hình dạng và kích thước như thiết kế của micromotor xuống lớp photoresist. Phần photoresist không được mặt nạ che chắn sẽ
bị phân rã. (Hình 4.4b)
-Tráng rửa: dùng hóa chất để rửa bỏ lớp photoresist đã bị phân rã. -Sấy khô để lớp photoresist cứng hoàn toàn. (Hình 4.4c)
Lớp Si
Lớp SiO2
Lớp nền silicon
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 63
4.2.2.3 Ăn mòn sâu ion hoạt hóa D-RIE
Sau khi phủ mặt nạ là lớp photoresist lên tấm wafer, ta có thể bắt đầu thực hiện quá trình ăn mòn lớp silicon. Ta đưa tấm wafer vào máy ăn mòn. Đầu tiên là quá trình ăn mòn silicon bằng việc sử dụng khí SF6. Đặc điểm của khí SF6 là khi 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 4.5a). Các phản ứng SF6 là:
Các phản ứng phân ly (4.1) Các phản ứng ion hóa (4.2) 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 được (4.3) e- + SF6 →SF-5 + F e- + SF4 → SF-3+ F e- + SF4 →SF+3 + F + 2e- Lớp photoresist Tấm wafer Gương Chùm tia UV bị giữ lại Chùm tia UV
xuyên qua Mặt nạ kim loại
(a)
(b)
Hình 4.4 Quá trình quang khắc và phát triển lớp photoresist (c)
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 64
Flo tự do từ quá trình phân ly SF6 sẽăn mòn silicon:
SiFx + F → SiFx+1 với x = 1÷3 (4.4)
Quá trình thứ hai là lắng đọng polyme (Deposited polymer). Ta phun khí C4H8 vào các bề mặt, phản ứng của chất này với các bề mặt tạo thành một lớp nhựa bảo vệ (cả bề mặt wafer và hố vừa được tạo ra ở bước a- Etch) - (Hình 4.5b).
Sau khi phủ xong thì ta lại quay về bước (a) để tiếp tục bán phá. Tuy nhiên khi bắn phá, khí SF6 sẽđục mặt nạ và đáy, khi đục mặt nạ thì luồng tia plasma dừng lại, còn đục xuống đáy thì đục thủng cả lớp nhựa bảo vệ được tạo thành, chỉ giữ lại thành bên (Hình 4.5c). 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 4.5d).
Tiếp theo, ta tiếp tục phủ một lớp photoresist lên tấm wafer bằng phương 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 106 để rửa một phần lớp photorsist. Và rửa sạch hoàn toàn bằng dung dịch H2SO4 loãng. Sấy khô
Hình 4.5 Quá trình ăn mòn khô D-RIE
(a) (b) (c) Mặt nạ photoresist Lớp SiO2 Lớp Silicon Lớp nền Si (d)
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 65
chip ở nhiệt độ 1200C trong 20 phút để chuẩn bị cho quá trình ăn mòn bằng axit bay hơi (Vapor HF etching).
4.2.2.3 Quá trình ăn mòn axit bay hơi - Vapor HF
Mục đích của quá trình này là ăn mòn lớp SiO2 nằm dưới các thiết kế sau khi
đã ăn mòn khô (D-RIE). Quá trình ăn mòn được thể hiện thông qua phương trình phản ứng (4.5).
SiO2 + 6HF = H2 + SiF6 + 2H2O (4.5)
Tấm wafer được để lên một giá. Axit HF được đựng trong một bình nhựa (nhựa có khả năng chống lại sựăn mòn của HF). Người ta nung nóng axit HF nồng
độ 40% lên khoảng 40- 500, khi đó axit sẽ bốc hơi mãnh liệt lên tấm wafer đặt ở
trên giá và sẽăn mòn SiO2 nằm ở giữa, trong các rãnh xen kẽ của thiết kế với tốc độ
rất chậm khoảng 0.2µm/phút. Sản phẩm là H2, SiF6 và H2O sẽ được hút ra ngoài (như phương trình 4.5).
Sau khi ăn mòn băng axit bay hơi HF, chip sẽ được sấy khô ở 100- 1200C trong khoảng 10 phút. Quy trình chế tạo hoàn thành, sau đó ta có thể đem chip đi tiến hành kiểm tra, đo đạc.
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 66
4.3 Các thiết bị tại ITIMS
Trong quá trình tìm hiểu quy trình chế tạo micromotor, tôi được biết một số
thiết bị máy móc được sử dụng trong quy trình có ở Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu - ITIMS như:
- Máy quay phủ (Spin coating) dùng trong quy trình quang khắc (Photolithography).
- Máy sấy (Baker) dùng để làm khô tấm wafer hay chip... - Máy tinh chỉnh mặt nạ (Mask aligner)
- Hệ thống ăn mòn ion hoạt hóa ICP - RIE 10iP -…
4.3.1 Thiết bị dùng trong quy trình quang khắc
- Máy quay phủ (Spin coating)
Máy quay phủđược dùng để phủ lớp cảm quang (photoresist) lên bề mặt tấm wafer. Lớp cảm quang này có tác dụng làm mặt nạ bảo vệ cho lớp Si trong quá trình
ăn mòn khô D-RIE.
V
Phần cốđịnh
Hình 4.7 Kết quả sau quá trình ăn mòn axit HF
Phần di động
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 67
Vật liệu cảm quang (photoresist) được dùng thường là: OIR 908- 35: có thể
phủđược là 3- 3,5µm; OIR 907- 12: có thể phủđược là 1- 1,5µm; vật liệu phát triển (phân rã) photoresist: OPD4262/90
- Máy điều chỉnh mặt nạ (Mask aligner)
Hình 4.9 là máy điều chỉnh mặt nạ (mask aligner). Máy này có tác dụng tinh chỉnh vị trí chính xác của mặt nạ so với tấm wafer để thực hiện quá trình quang khắc. Trên máy được tích hợp bộ phận phát nguồn UV để phân rã lớp cảm quang (photoresist).
Hình 4.9 Máy tinh chỉnh mặt nạ - Mask aligner Hình 4.8 Máy quay phủ
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 68
- Máy sấy (Baker)
Máy sấy được dùng để làm khô tấm wafer sau quá tình quang khắc.
4.3.2 Thiết bị dùng trong quy trình ăn mòn sâu bằng ion hoạt hóa D-RIE
Hình 4.11 là hệ thống ăn mòn sâu bằng ion hoạt hóa (D-RIE) hay (ICP). Hệ
thống này có tên là RIE - 10iP. Hệ thống này có một sốđặc tính như : có thể xử lý
Hình 4.11 Hệ thống ăn mòn khô ICP - RIE 10iP Hình 4.10 Máy sấy - Baker
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 69
đồng thời 4 tấm wafer, chức năng điều khiển tự động hoàn toàn, tích hợp hệ thống bàn kẹp…
Đây là những thiết bị cơ bản trong gia công kiểu bulk-micromachining. Điều này đảm bảo rằng: ngoài quá trình chế tạo mặt nạ phải thực hiện ở nước ngoài, trong tương lai gần, các bước còn lại để chế tạo micromotor hoàn toàn có thể thực hiện được tại trung tâm ITIMS - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
4.3.3 Thiết kế mặt nạ trong phần mềm L-Edit
Mặt nạ sau khi được thiết kế trong phần mềm L-Edit gồm rất nhiều các thiết kế micromotor (tương ứng với mỗi chip) sẽđược gửi đi để tạo mặt nạ chủ thực hiện cho quy trình gia công. Dưới đây là hình ảnh mặt nạđược thiết kế trong phần mềm L-Edit.
KẾT LUẬN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 70
KẾT LUẬN
Với đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế cải tiến và lập quy trình chế tạo micromotor
quay dựa trên công nghệ MEMS”, tác giả đã hoàn thành luận văn với những kết
quả như sau.
Luận văn đã phân tích một số loại micromotor hoạt động dựa trên hiệu ứng tĩnh điện. Đặc biệt là kiểu micromotor quay đã được đề xuất bởi tác giả Phạm Hồng Phúc[4]. Hệ thống này được dẫn động bởi bốn bộ kích hoạt răng lược cong hoạt
động dựa trên hiệu ứng tĩnh điện. Điện áp xoay chiều được cấp vào bộ kích hoạt sẽ
biến chuyển động lắc của phần răng cóc thành chuyển động quay một chiều của vành răng cóc micromotor. Tuy nhiên, khi hoạt động ở tần số cao thì xảy ra hiện tượng trượt giữa các răng cóc dẫn và vành răng cóc. Để khắc phục hiện tượng này, luận văn đã đề xuất ra hai phương án cải tiến ở phần dẫn động để hệ thống có thể
làm việc được ở dải vận tốc lớn hơn. Phân tích lực trong hệ thống truyền động cũng
được đề cập để thiết lập mối tương quan giữa lực đàn hồi cổ dầm và lực nén lò xo. Thông qua chuyển vị cần thiết của răng cóc dẫn, ta sẽ tính toán được áp lực tác dụng lên các răng cóc đó trong quá trình dầm trở về vị trí ban đầu. Áp lực này cần phải thắng được lực đẩy của lò xo để các răng cóc dẫn có thể trượt về vị trí ban đầu. Phần mô phỏng tính toán sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS. Thông qua các kết quả chuyển vị, ứng suất thu được để lựa chọn kích thước tối ưu cho micromotor.
Cuối cùng, luận văn đã đề xuất một quy trình gia công micromotor sử dụng công nghệ gia công sâu (bulk-micromachining) chỉ cần một mặt nạ. Hệ thống micromotor được thiết kế, chế tạo trên phiến SOI (silicon trên lớp cách điện) với các quy trình công nghệ cơ bản như: quy trình quang khắc (Photolithography), quy trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu (D-RIE), và quy trình ăn mòn bằng hơi axit HF (Vapor HF Etching).
KẾT LUẬN
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 71
Ưu điểm của micromotor loại này là kích thước gọn, đơn giản trong gia công và điều khiển, đạt độ chính xác cao vì chỉ sử dụng một mặt nạ chủ.
Với những kết quả đạt được, trong tương lai, ta có thể sử dụng chuyển động quay của micromotor này cho các bộ truyền động bánh răng siêu nhỏ trong các micro robot. Ngoài ra, ta có thể sử dụng micromotor này cho các thiết bị dẫn động chính xác nhưđồng hồ siêu nhỏ (micro clock). Khi đó, tần số của điện áp đặt vào bộ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Pham Hong Phuc, (2007), “Study on Micro Transportation Systems Based on Electrostatic Actuators Utilizing Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) Technology”,Ph.D Thesis, Ritsumeikan University, Japan.
2. Pham Hong Phuc, Dao Viet Dung, Satoshi Amaya, Ryoji Kitada and Susumu Sugiyama, (2006), “Straight movement of micro containers based on ratchet mechanisms and electrostatic comb-drive actuators”, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol 16, p2532- 2538.
3. Pham Hong Phuc, Dao Viet Dung, Satoshi Amaya, (2007), “A micro transportation system (MTS) with large movement of containers driven by electrostatic comb-drive actuators”, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol 17, p2125- 2131.
4. Pham Hong Phuc, Dao Viet Dung, Bui Thanh Tung, Susumu Sugiyama, (2008), “A micro rotational motor based on ratchet mechanism and electrostatic comb – drive actuators”, Apcot, Tainan, Taiwan.
5. Je’ne’mie Bouchaud, Director and Principal Analyst and Richard Dixon, Senior Analyst, (2009), “Economic Crisis Accelerates Transformation of the MEMS Industry”, MEMS market tracker- iSupply.