4.2.2 Một số chú ý khi thiết kế:
a. Chiều dày tối đa
Hình 4.5 Vành răng cóc dạng lưới các nan có chiều dày tối đa wmax=8 µm
2,5 μm
82 Trong quá trình chế tạo vi động cơ, để giảm thời gian ăn mòn bằng hơi axit HF cũng nhƣ giảm khối lƣợng khi hoạt động, các phần di động (nhƣ các bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc, dầm, khung di động…) đều đƣợc thiết kế dạng lƣới với bề rộng của các nan khơng q 8µm (hình 4.5).
b. Khe hở tối thiểu
Khi thiết kế mặt nạ phải luôn đảm bảo nguyên tắc khe hở nhỏ nhất giữa các bề mặt gần nhau là 2 µm, là khe hở tối thiểu để đảm bảo khí có thể ăn mịn tạo ra khe hở giữa các phần khác nhau trong q trình ăn mịn ion hoạt hóa sâu (DRIE) (hình 4.6).
Hình 4.6 Khe hở tối thiểu
4.3 Thiết lập quy trình gia cơng
Trên hình 4.7 là lƣu đồ tóm tắt các bƣớc chính của quy trình gia cơng các vi động cơ. Có thể chia quy trình thành 5 bƣớc chính gồm chuẩn bị, quang khắc, ăn mịn DRIE, cắt chíp và ăn mịn bằng hơi HF [102]. g = 2 m rộng 2.5m g = 2 m θ=2 μm δ=2 μm rộng 2,5 μm
83
Hình 4.7 Tóm tắt quy trình chế tạo các mơ tơ 4.3.1 Bƣớc chuẩn bị 4.3.1 Bƣớc chuẩn bị
Phiến SOI đƣợc sử dụng cho q trình gia cơng là phiến có lớp silic linh kiện nằm trên lớp điện mơi SiO2 (hình 4.8). Một phiến SOI gồm có 3 lớp:
Lớp Si (lớp linh kiện): dày khoảng 30 – 50 µm
Lớp SiO2 đệm: dầy khoảng 4 µm
Dƣới cùng là đế silic : dầy khoảng 450 – 500 µm Lớp Si dày 30µm Lớp SiO24µm Đế Si nền Chuẩn bị Lớp cảm quang Đế Si Tấm kính
Tia UV bị giữ lại
Tia UV xuyên qua
pattern Quang khắc Ăn mịn khơ D-RIE Mặt nạ cảm quang Lớp SiO2 Lớp Si Đế Si V Phần cố định Ăn m n bằng hơi HF Phần di động Đế Si Cắt chip Chip đƣợc cắt từ phiến Phiến SOI
84 Sau đó, phiến SOI đƣợc làm sạch bằng các hóa chất nhƣ axêtơn hoặc có thể là axit sunfuric (H2SO4) để loại bỏ các tạp chất bám trên bề mặt. Tiếp theo tiến hành sấy ở nhiệt độ khoảng 1200C để làm khơ phiến SOI.
4.3.2 Q trình quang khắc
Quá trình quang khắc đƣợc thực hiện nhằm đƣa hình ảnh của các linh kiện lên trên bề mặt phiến SOI (hình 4.9 - www.bs.ac/physics/fabrication).
Hình 4.9 Quá trình quang khắc
Trong công nghệ vi cơ điện tử MEMS, vật liệu cảm quang (photoresist) đƣợc sử dụng trong kỹ thuật quang khắc. Trong đó, nhiệm vụ của lớp vật liệu cảm quang là để sao chép hình dạng các cấu trúc của linh kiện đƣợc thiết kế, vốn đã đƣợc tạo trên mặt nạ quang (photomask). Đồng thời, lớp vật liệu cảm quang cũng đóng vai trị là lớp bảo vệ cho các vật liệu đƣợc che phủ ở phía dƣới. Vật liệu cảm quang là hợp chất hữu cơ nhạy sáng (ánh sáng cực tím UV). Dƣới tác động của ánh sáng, thành phần hoặc cấu trúc của vật liệu cảm quang bị biến đổi dẫn
Lớp Si
Lớp SiO2
Đế Si
85 đến có thể bị hịa tan (cảm quang dƣơng) hoặc khơng hịa tan (cảm quang âm) trong các hóa chất thích hợp (chất hiện hình – developer), thƣờng là các dung dịch dạng kiềm.
Có thể chia q trình quang khắc thành các bƣớc chính sau:
- Phủ chất kết dính OAP để đảm bảo lớp photoresist liên kết tốt với bề mặt phiến SOI.
- Phủ một lớp vật liệu cảm quang (photoresist) lên bề mặt phiến SOI bằng phƣơng pháp quay phủ (hình 4.10a).
- Ủ sơ bộ làm bay hơi dung mơi có trong photoresist.
- Thực hiện chiếu sáng bằng chùm tia cực tím cƣờng độ lớn qua một mặt nạ có hình dạng và kích thƣớc nhƣ thiết kế của vi động cơ xuống lớp cảm quang. Do sử dụng cảm quang dƣơng nên phần không đƣợc mặt nạ che chắn sẽ bị phân rã (hình 4.10b).
- Tiến hành hiện hình trong dung dịch (tetramethyl ammonium hydroxide 2%) để nhận ảnh cấu trúc linh kiện trên bề mặt đế.
- Ủ đóng rắn lớp cảm quang để tạo lớp bảo vệ cho các bƣớc cơng nghệ tiếp theo (hình 4.10c).
4.3.3 Q trình ăn mịn ion hoạt hóa sâu D-RIE
Ăn mịn khơ (Dry etching) là một trong hai kỹ thuật ăn mịn cơ bản trong cơng nghệ MEMS bên cạnh kỹ thuật ăn mòn ƣớt (Wet etching) truyền thống sử dụng các dung dịch dạng kiềm (KOH, TMAH …). Về cơ bản, ăn mịn khơ có ngun lý dựa trên cơ chế vật lý (va đập của các ion), cơ chế hóa học (phản ứng của các ion/ngun tử khí hoạt hóa), hoặc kết hợp cả hai cơ chế trên. Các ion khí đƣợc tạo ra trong mơi trƣờng plasma gây bởi q trình ion hóa do va
Lớp cảm quang
Đế Si
Tấm kính Tia UV bị giữ lại
Tia UV
xuyên qua Định dạng cấu trúc
Hình 4.10 Quá trình định dạng cấu trúc trên phiến SOI
(b) (c)
86 chạm. Trong nghiên cứu này, để ăn mòn silic tạo cấu trúc linh kiện, phƣơng pháp ăn mịn khơ ion hoạt hóa sâu DRIE trên cơ sở cơ chế ăn mịn hóa lý đã đƣợc ứng dụng.
Đối với phƣơng pháp ăn mịn khơ sâu, để tạo ra các cấu trúc MEMS 3D do ăn mòn sâu vào trong đế, chúng ta thƣờng sử dụng quy trình BOSH. Quy trình này bao gồm hai bƣớc: ăn mịn và phủ lớp bảo vệ. Các bƣớc trên đƣợc lặp lại nhiều lần cho đến khi độ sâu ăn mòn đạt đến giá trị hoạch định. Khi chế tạo các vi động cơ, để thực hiện bƣớc ăn mịn, khí SF6 (sulfur hexafluoride) đã đƣợc sử dụng. Khi plasma hình thành trong buồng phản ứng, khí SF6 bị ion hóa hoặc phân ly thành nguyên tử Flo, ion SF5+ hay SF5 và điện tử nhƣ trong phƣơng trình dƣới đây:
SF6 + e- SF5+
+ F* + 2e- (4.1)
SF6 + e- SF5+ F* + e- (4.2)
Ngun tử F* có tính hoạt hóa cao khi bay tới bề mặt đế silic sẽ phản ứng với silic tạo ra quá trình ăn mịn hóa học:
Si (rắn) + 4F (khí) SiF4 (khí) (4.3)
Sản phẩm sau phản ứng hóa học SiF4 ở dạng khí sẽ bị hút ra khỏi buồng phản ứng nhờ hệ bơm chân khơng. Kết quả của q trình ăn mịn là hình thành các rãnh/hốc sâu vào trong đế silic (hình 4.11a).
Do q trình ăn mịn thực hiện trên cơ sở phản ứng hóa học nên có tính đẳng hƣớng, nghĩa là vật liệu bị ăn mòn với tốc độ nhƣ nhau theo mọi phƣơng. Chính vì vậy để tạo hốc ăn mịn có kích thƣớc ngang xác định cần phải tiến hành bƣớc phủ lớp bảo vệ (lớp thụ động) trên bề mặt các vách của hốc ăn mịn. Trong bƣớc này, khí C4F8 (octafluorocyclobutane) đã đƣợc sử dụng. Trong mơi trƣờng plasma, khí C4F8 bị phân ly thành C3F6 dễ bay hơi và CF2:
C4F8 + e- C3F6 + CF2 + e-
(4.4)
Các phân tử khí CF2 hấp thụ trên bề mặt hốc ăn mịn và bị polyme hóa dẫn tới hình thành lớp bảo vệ có dạng giống polyme teflon (hình 4.11b).
nCF2 (CF2)n (4.5)
Lớp polyme (CF2)n sẽ đƣợc bóc đi nhờ q trình va đập của dịng ion SFx+ trong bƣớc ăn mòn tiếp theo. Do q trình ăn mịn ion có tính dị hƣớng cao (chủ yếu theo phƣơng vng góc với bề mặt phiến SOI do tác dụng của điện trƣờng) nên tốc độ tẩy bỏ lớp polyme ở đáy hốc ăn mòn là lớn nhất, trong khi lớp polyme ở thành hốc ăn mòn vẫn đƣợc giữ lại để bảo vệ vách.
87 Nếu khi đó khí SF6 đƣợc đƣa vào buồng phản ứng, quá trình ăn mịn sẽ đƣợc thực hiện (hình 4.11c).
Nhƣ vậy, bằng việc lặp lại nhiều lần hai bƣớc ăn mịn và phủ lớp bảo vệ, q trình ăn mịn thẳng đứng sâu xuống đế sẽ đƣợc thực hiện. Một đặc điểm cần chú ý là vách của hốc ăn mịn có dạng nhấp nhơ nhƣ lớp vỏ sị (scalloping). Để khống chế độ nhám bề mặt của vách ăn mòn gây bởi hiện tƣợng trên, cần thay đổi các thơng số cơng nghệ thích hợp đối với quá trình ăn mịn và phủ lớp bảo vệ. Q trình ăn mịn tạo cấu trúc linh kiện sẽ dừng lại khi hốc ăn mòn sâu xuống chạm tới bề mặt lớp SiO2. Kết quả là ta nhận đƣợc cấu trúc linh kiện nhƣ trên hình 4.11d.
Tiếp theo, một lớp chất cảm quang đƣợc phủ lên lên phiến SOI bằng phƣơng pháp quay phủ để bảo vệ các cấu trúc linh kiện đã chế tạo để tránh bị hỏng hóc trong quá trình cắt phiến thành từng chip nhỏ.
Sau khi cắt phiến SOI thành từng chip, ta sẽ dùng dung dịch đặc biệt để tẩy rửa một phần lớp cảm quang rồi tẩy sạch hoàn toàn bằng dung dịch H2SO4 lỗng. Cuối cùng chip đƣợc sấy khơ ở nhiệt độ khoảng 1000C trong 1020 phút để chuẩn bị cho q trình ăn mịn bằng hơi axit HF (vapor HF etching).
4.3.4 Q trình ăn mịn bằng hơi axit HF (Vapor HF etching)
Mục đích của q trình này là ăn mịn lớp SiO2 nằm dƣới các cấu trúc linh kiện đƣợc thiết kể để có thể chuyển động sau khi ăn mịn khơ (D-RIE). Q trình ăn mịn đƣợc thể hiện thơng qua phƣơng trình phản ứng:
Hình 4.11 Q trình ăn mịn khơ D-RIE
(a) (b) (c) Mặt nạ cảm quang Lớp SiO2 Lớp Si Đế Si (d) ion Silic lớp polyme bảo vệ vách dạng vỏ sò ion ion
88 SiO2 + 6HF = H2 + SiF6 + 2H2O (4.6)
Các chip cần ăn mòn đƣợc để lên một giá đỡ. Axit HF đƣợc đựng trong bình phía dƣới. Cả giá và bình thơng thƣờng đƣợc làm từ nhựa teflon (có khả năng chống lại sự ăn mòn của HF). Axit HF nồng độ 40% đƣợc gia nhiệt lên khoảng 40 500
C, khi đó hơi axit sẽ bốc bay mãnh liệt lên các chip đặt ở trên giá và gây ra quá trình ăn mòn lớp đệm SiO2. Tốc độ ăn mòn SiO2 trong hơi HF khoảng 0,2 µm/phút. Các sản phẩm sau phản ứng là H2 và SiF6 sẽ đƣợc hút ra ngoài.
Sau q trình ăn mịn trong hơi HF, các chip đƣợc sấy khô ở nhiệt độ 100 1200
C trong khoảng 10 phút và đã sẵn sàng cho các bƣớc kiểm tra, đo đạc tiếp theo.
V
Phần cố định
Hình 4.13 Linh kiện thu được sau q trình ăn mịn trong hơi axit HF
Phần di động Đế silic
Hình 4.12 Q trình ăn mịn trong hơi axit HF
Hơi axit HF
SiO2
Đế Si Các phần chuyển động
89 4.4. Tóm tắt quy trình chế tạo Chuẩn bị Lớp Si linh kiện 30µm Lớp SiO24µm Đế Si 450µm Chuẩn bị phiến SOI và mặt
nạ
Rửa sạch bằng nƣớc khử ion (DI water) trong 5 phút
Rửa phiến bằng aceton trong 5 phút
Thổi khơ bằng khí nitơ
Sấy khơ ở nhiệt độ khoảng 1100C
90 Quang khắc Lớp cảm quang bảo vệ (PR mask) 1.5m Phủ chất kết dính OAP (1100C; 120 giây) Quay phủ với tốc độ lần lƣợt: - 1000 v/ph trong 5 giây - 4000 v/ph trong 30 giây Phủ photoresist OFPR-800 54CP (positive) bằng máy quay phủ
Sấy (1100C; 90 giây)
Chiếu: soft contact, gap 20 µm, thời gian chiếu 1,6 giây
Nhúng phiến SOI trong dung dịch NMD3 để hiện hình trong 120 giây
Rửa bằng nƣớc khử ion (DI water) trong 5 phút và thổi khơ
Sấy phiến 15 phút bằng có hút khí tại 1100C trong 15 phút
91
Hình 4.14 Hệ thống máy quang khắc tại đại học Ritsumeikan
92
Ăn mịn khơ sâu DRIE
Chuẩn bị phiến SOI và đƣa vào máy để tiến hành ăn mịn khơ
Chuẩn bị máy ăn mịn khơ ICP-RIE
Thiết lập thông số:
- Bƣớc ăn mịn-Etch cycle: Khí: SF6
Lƣu lƣợng: 130 sccm Thời gian: 7 sec - Bƣớc phủ lớp bảo vệ:
Khí: C4F8
Lƣu lƣợng: 85 sccm Thời gian: 5 sec
+ Tốc độ ăn mòn: 1.8 2.1
m/ph
Kiểm tra kết quả ăn mịn qua kính hiển vi điện tử
MUC – 21 – Sumitomo Precision Products Co. Ltd.
Lớp SiO2
Q trình gia cơng kết thúc khi chiều sâu ăn mịn đạt 30
93
Cắt và làm sạch chip Phủ lớp photoresist 510 CP bảo vệ
chíp.
- Sấy ở nhiệt độ 1200C trong 2 5 phút.
-Đặt tấm SOI vào máy DAD522 và tiến hành hiệu chỉnh.
- Thiết lập bƣớc cắt 10,16 mm Dán lớp màng bảo vệ
Thực hiện cắt và theo dõi quá trình
Làm sạch lớp photoresist: - Aceton: 5 ph, nhiệt độ phòng
- Rửa bằng nƣớc DI trong 5 ph Dùng Hakuri 106 (95C) trong 10 ph - Rửa lại bằng nƣớc DI trong 5 ph
Rửa chip bằng dung dịch Pirhana (H2SO4+ H2O2 (4:1)): ban đầu dùng 15ml H2O2 , sau đó 60ml H2SO4 (100C) trong thời gian 10 ph - Rửa bằng nƣớc DI trong10 ph - Thổi khơ bằng khí Nittơ - Sấy ở 110C trong 10 ph
94
Hình 4.16 Sơ đồ bố trí hệ ăn mịn hơi HF
Ăn mòn bằng hơi HF
Chuẩn bị: Đèn 60W (khoảng cách từ đèn đến giá đựng chíp 7 cm). Sấy ấm khoảng 15-20 phút cho nhiệt độ đồng nhất
Để giá đựng chip lên hộp HF, bọc kín, thời gian ăn mịn HF 50 60 phút. Phản ứng hóa học:
SiO2+ 6HF → H2SiOF6+ 2H2O Đổ HF vào lọ (h=2cm -khoảng cách từ mặt axit đến đáy).
Sấy ấm trong 10 phút.
Lấy chip để chuẩn bị tiến hành đo đạc
7 cm 2 cm 60W HF Đèn sấy Chíp Lọ Teflon
95
4.5 Xử lý, đánh giá kết quả 4.5.1 Kết quả thu đƣợc 4.5.1 Kết quả thu đƣợc
Các chip sau khi đƣợc chế tạo sẽ đƣợc chụp ảnh và khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét - SEM (Scanning Electron Microscope). Dƣới đây là một số hình ảnh chụp của các chip vi động cơ một chiều kiểu 1, kiểu 2 và kiểu 3. Kết quả khảo sát cho thấy các cấu trúc linh kiện khơng bị dính (do chƣa ăn mịn hết) hoặc bị gãy. Lớp cảm quang bảo vệ cấu trúc cũng nhƣ lớp SiO2 đệm dƣới các chi tiết có thể chuyển động đã đƣợc loại bỏ hồn tồn.
Hình 4.17 Vi động cơ quay kiểu 1
Trên hình 4.17 là hình chụp SEM của vi động cơ quay kiểu 1, ngồi hệ thống tổng thể, có thể thấy rõ các cơ cấu truyền chuyển động, cơ cấu chống đảo cũng nhƣ các điểm đàn hồi của dầm mang các điện cực trong bộ vi kích hoạt/chấp hành răng lƣợc ECA và vị trí ban đầu chƣa kích hoạt giữa dầm trong cơ cấu chống đảo với các răng cóc của vành rotor bên ngồi. Tƣơng tự, trên hình 4.18 và 4.19 là các vi động cơ kiểu 2, 3 cùng các cơ cấu đi kèm.
96
Hình 4.18 Vi động cơ quay kiểu 2
97
4.5.2 Các bƣớc tiến hành đánh giá kết quả
Sau khi chế tạo, các chip đƣợc đo đạc thông qua hệ thống đo để kiểm tra khả năng hoạt động và các đặc tính. Việc đo đạc trực tiếp các thơng số và đặc tính (chuyển vị, vận tốc, vận tốc góc,…) là tƣơng đối khó khăn, địi hỏi thiết bị chun dụng. Để việc đo đạc phù hợp với điều kiện thực tế, việc thu thập và xử lý kết quả đo đƣợc thực hiện theo quy trình sau:
+ Đầu tiên thơng qua kính hiển vi, camera (có độ phân giải đạt yêu cầu) ghi lại tồn bộ q trình hoạt động của các vi động cơ dƣới dạng hình ảnh và video (hình 4.20).
+ Sau đó các dữ liệu hình ảnh và video đƣợc chạy trên phầm mềm của máy tính để ghi lại các thay đổi trên các khung hình (frames), từ đó xác định đƣợc chuyển vị trong các vi động cơ. Từ các dữ liệu video thu đƣợc đồng thời có thể tiến hành tính tốn vận tốc góc trong hệ thống. + Căn cứ trên các số liệu thu thập đƣợc, ngƣời thiết kế có những phân tích, đánh giá về khả năng làm việc của hệ thống. Từ những điểm chƣa đạt yêu cầu có thể đề xuất biện pháp cải tiến và khắc phục cho những bƣớc tiếp theo.
Hình 4.20 Chip được kích điện, đo đạc và quay phim thơng qua kính hiển vi 4.5.3 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 1
a. Tính vận tốc góc lý thuyết của vi động cơ
Theo lý thuyết, thời gian để vành rotor của vi động cơ quay một vòng đƣợc là:
740 37 (phút ) 60. . 60. . 3. . z t i f i f i f (4.7)
98 Với z = 740 là số răng cóc của vành răng, f tần số của dòng điện dẫn và các số nguyên i = 1, 2,… phụ thuộc vào thanh răng cóc dẫn (điện áp càng lớn thì chuyển vị bƣớc càng lớn). Trong trƣờng hợp đang xét có i=2, do đó vận tốc góc của động cơ là: