CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CẢM BIẾN GIA TỐC
2.1.5. Kĩ thuật ăn mòn khô
Hình 2.3. Phân loại các phương pháp ăn mòn khô
Ăn mòn khô là một kỹ thuật hiện đại trong công nghệ vi cơ nhằm tạo ra các cấu trúc ba chiều bằng kỹ thuật ăn mòn bằng va chạm của các ion hoặc bằng các phản ứng hoá học trong pha khí trên các đế, thường là silic, hoặc trên các màng mỏng, các lớp vật liệu.
Trong công nghệăn mòn khô, có thể chia thành ăn mòn trên cơ sở chùm ion và phóng điện hồ quang. Cả hai loại đó đều có thể chia thành các phương pháp ăn mòn theo cơ chế hoá học, vật lý và kết hợp giữa hai cơ chếđó. Trong phương pháp phóng điện hồ quang có các loại: ăn mòn plasma, ăn mòn ion hoạt tính và ăn mòn phún xạ. Còn phương pháp chùm ion có các loại: ăn mòn bằng ion, ăn mòn hoá
Ăn mòn khô Ăn mòn bằng khí hoạt tính Ăn mòn hỗ trợ laser Các phương pháp phóng điện hào quang Ăn mòn bằng khí hoạt tính Ăn mòn bằng chùm ion hoạt tính Ăn mòn hoá học hỗ trợ chùm ion Ăn mòn bằng ion Ăn mòn phún xạ Ăn mòn ion hoạt tính Ăn mòn plasma Plasma khí hoạt tính Plasma khí hoạt tính Plasma khí trơ Chùm ion khí trơ Chùm ion khí trơ Chùm ion khí hoạt tính 0,2 – 3 Torr 0,01 – 0,23 Torr 10-4 – 10-3 Torr
Bắn phá năng lượng thấp Bắn phá năng lượng cao Bắn phá năng lượng cao Không có các hạt trung hoà hoạt tính Có thêm các hạt trung hoà hoạt tính Có các hạt trung hoà hoạt tính Ăn mòn hỗ trợ bằng plasma Ăn mòn phún xạ
Nguyễn Văn Toán ITIMS-2009
31
học hỗ trợ bằng chùm ion bằng mòn bằng chùm ion hoạt tính. Trên (Hình 2.3), biểu diễn sơ đồ khối phân loại các phương pháp ăn mòn khô cùng với các đặc trưng như: các loại hạt tham gia ăn mòn khô, năng lượng các hạt và áp suất trong quá trình ăn mòn. Các phương pháp ăn mòn có sự bắn phá ion thường đòi hỏi áp suất làm việc cao hơn 2 đến 3 bậc so với các phương pháp ăn mòn hoá học, để tăng quãng đường tự do trung bình nhằm thu được kết quảăn mòn dị hướng.
Ởđây, ta sẽ xét các phương pháp trên cơ sở phóng điện hồ quang, trong môi trường plasma. Ăn mòn plasma thuần tuý mang tính chất ăn mòn hoá học, cho kết quảăn mòn đẳng hướng với tính chọn lọc cao, vì các phản ứng hoá học xảy ra phụ
thuộc vào các chất tham gia phản ứng. Trong khi đó ăn mòn phún xạ lại thuần tuý mang tính vật lý, cho kết quả ăn mòn dị hướng nhưng tính chọn lọc không cao vì các ion sẽ bắn phá mọi thứ trên đường đi của chúng không phân biệt tính chất hoá học. Trong thực tế, để thu được kết quả ăn mòn dị hướng, vách ăn mòn vuông góc với bề mặt phiến thường dùng phương pháp ăn mòn ion hoạt tính, trên cở sở kết hợp các ưu điểm của phương pháp ăn mòn plasma và ăn mòn phún xạ. Trong đó, các nguyên tử hoạt tính được sản sinh từ các khí phù hợp nhờ môi trường plasma. Các hạt đó khuếch tán tới bề mặt, phản ứng hoá học với silic. Sản phẩm phản ứng tạo thành không bay hơi, lắng đọng trên bề mặt vùng silic. Ngay lúc đó, các ion tới bắn phá, bóc lớp này khỏi bề mặt, tạo mặt thoáng cho các hạt hoạt tính tới phản
ứng với silic. Các quá trình đó diễn ra đồng thời và lặp đi lặp lại khiến quá trình ăn mòn xảy ra liên tục. (Hình2.4) mô tả các cơ chếăn mòn cùng với profile ăn mòn.
Nguyễn Văn Toán ITIMS-2009
32
Hình 2.4.Các cơ chếăn mòn
Hình 2.5. Cấu trúc hệ thống ăn mòn khô
(Hình2.5) là sơ đồ cấu trúc của một hệ ăn mòn khô trên cơ sở phóng điện hồ quang tiêu biểu. Hệ ăn mòn khô bao gồm một buồng phản ứng, trong đó có anode và cathode. Đế được đặt trên bộ gá mẫu gắn với một bộ làm mát, thường là bằng khí trơ. Ởđây, có một vấn đề quan trọng là nhiệt độ của đế và nhiệt độ của bộ
gá mẫu hay nhiệt độ làm mát là khác nhau, tuỳ thuộc vào sự dẫn nhiệt và đối lưu trong không gian giữa đế và bộ gá mẫu. Sự khác biệt đó sẽảnh hưởng tới tính chọn lọc, tốc độ ăn mòn và profile ăn mòn như sẽ thấy trong các thực nghiệm sau này. Anode được nối với nguồn RF và bộ phối hợp trở kháng. Buồng phản ứng gắn với các nguồn khí thông qua các van điều khiển lưu lượng, với bơm chân không và với
đồng hồ chân không thông qua bộ điều khiển áp suất. Đối với hệ ăn mòn hoá học thuần tuý sử dụng plasma, nguồn RF (tần sốđuợc chọn là 13,56 MHz) không được cấp cho anode chứa đế cần ăn mòn mà cấp cho cathode để tránh bắn phá đế bằng ion mà vẫn tạo được môi truờng plasma. Plasma được tạo thành trong buồng phản
ứng bằng phương pháp liên kết điện dung, bao gồm các điện tử và các ion hình
Ăn mòn hoá học Ăn mòn vật lý Ăn mòn hoá học - vật lý Khí C Khí B Khí A Blưộu lđiềượu khing A ển Bộđiều khiển lưu lượng B Bộđiều khiển lưu lượng C Nguồn RF (13,56 MHz) Bộ phối hợp trở kháng Bộđiều khiển áp suất Đồng hồchân không
Bơm chân không Thoát khí
Nguyễn Văn Toán ITIMS-2009
33
thành theo cơ chế ion hoá do va chạm, ổn định theo thời gian (đạt trạng thái dừng). Do sự chênh lêch về khối lượng, các điện tử chuyển động nhanh hơn nhiều so với các ion dương và vì vậy, tạo ra hiện tượng tự thiên áp âm trên anode. Trong các hệ ăn mòn, plasma có vai trò tạo ra các nhóm chức lắng đọng và ăn mòn.
Hình 2.6. Vai trò của plasma
Các thông số công nghệ quan trọng là: hỗn hợp khí được sử dụng, lưu lượng các khí được cung cấp, áp suất làm việc, nhiệt độđế, công suất RF và thời gian ăn mòn.. Hỗn hợp khí bao gồm các loại khí phù hợp. Hỗn hợp khí sẽ quyết định đến tốc độăn mòn và profile ăn mòn. Lưu lượng khí quy định thời gian các phân tử khí tồn tại trong buồng phản ứng, vì buồng phản ứng được hút chân không liên tục. Thông qua bộ điều khiển áp suất tự động có thể điều chỉnh áp suất làm việc. Áp suất làm việc có thểảnh hưởng rất mạnh tới tốc độ ăn mòn, profile ăn mòn và tính chọn lọc. Cùng với thông số áp suất, công suất RF cũng quy định năng lượng của các ion, do đó, ảnh hưởng tới tốc độăn mòn. Nhiệt độđếảnh hưởng tới profile và hoá học quá trình ăn mòn, trong khi điện áp tự thiên áp (self-bias) lại làm thay
đổi tốc độăn mòn, profile ăn mòn và tính chọn lọc. Ăn mòn
Lắng đọng
Các khí ion hoạt tính va chạm với mẫu Các phân tửđược tạot hành và rời khỏi mẫu
Nguyễn Văn Toán ITIMS-2009
34 Thông số Ảnh hưởng
Hỗn hợp khí Tốc độăn mòn, profile ăn mòn
Lưu lượng Tốc độăn mòn (do thời gian lưu trú quyết định)
Áp suất Tốc độ ăn mòn, profile ăn mòn, tính chọn lọc ( do mật
độ ion quyết định)
Công suất RF Tốc độ ăn mòn ( do tốc độ phân rã phân tử khí quyết
định)
Nhiệt độđế Profile ăn mòn, hoá học quá trình ăn mòn
Điện áp tự phân cực
của anode Tốc độăn mòn, profile ăn mòn, tính chọn lọc
Bảng 2.1.Bảng thông sốảnh hưởng tốc độăn mòn
Tại viện ITIMS sử dụng hệăn mòn khô RIE-10ip , hệ sử dụng phương pháp
ăn mòn khô sâu (DRIE) theo quy trình Bosch. Quy trình Bosch tách khâu lắng
đọng và ăn mòn về mặt thời gian, mô tả trên (Hình 2.8). Trong khâu lắng đọng, một lớp polymer hình thành từ các nhóm CH2, được tạo ra từ khí C4F8 trong môi trường plasma, do va chạm với các điện tử động năng cao. Khi ăn mòn, các nguyên tử Flo hoạt tính tạo ra trong môi trường plasma từ khí SF6, phản ứng hoá học với silic tạo thành SiF4, bay hơi sau khi các ion dương được
Nguyễn Văn Toán ITIMS-2009
35
Hình 2.7. Quy trình ăn mòn khô
điện trường gia tốc tới bóc các lớp polymer theo phương chuyển động của chúng. Khí SF4 khuếch tán ra khỏi bề mặt mẫu và được bơm chân không hút ra ngoài. Hai khâu đó được thực hiện một cách xen kẽ.
(Hình 2.8) là ảnh chụp hệ ăn mòn khô ion hoạt tính sâu RIE-10iP. Hệ ăn mòn này hoạt động theo quy trình Bosch, với các khí SF6, C4F8 cùng với khí mang ôxi cần hỗ trợ cho quá trình công nghệ.
Ăn mòn
Lắngđọng polymer
Nguyễn Văn Toán ITIMS-2009
36
Hình 2.8.Hệăn mòn khô RIE 10iP tại ITIMS
.