.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 1020 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 ngồi.

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) 1.5m 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 mòn 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 (95C) 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 (100C) trong thời gian 10 ph - Rửa bằng nƣớc DI trong10 ph - Thổi khơ bằng khí Nittơ - Sấy ở 110C 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 hoàn toàn.

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:

1 3 . . 6 ( v/p h ) 3 7 3 7 i f f n t    (4.8)

Hình 4.21 Hình chụp từ video hoạt động của vi động cơ kiểu 1

Với mục đích kiểm tra hoạt động của vi động cơ, điện áp chu kỳ (Vpp = 80 V) đƣợc đặt vào các cực của bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc. Tần số dòng điện đƣợc điều chỉnh từ 1 đến 100 Hz. Hình 4.21 là hình ảnh chụp từ video hoạt động của động cơ. Kết quả đo đạc thu đƣợc ứng với sự thay đổi của tần số dòng điện dẫn đƣợc so sánh với tính tốn lý thuyết trong bảng 4.1 và đồ thị hình 4.22.

Bảng 4.1 Quan hệ giữa vận tốc góc vi động cơ kiểu 1 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80 V)

Tần số (Hz) Vận tốc góc lý thuyết (v/ph) Vận tốc góc đo đạc (v/ph) 1 0,16 0,15 5 0,81 0,80 10 1,62 1,59 20 3,24 2,91 30 4,86 4,32 40 6,48 5,64 50 8,10 6,01

99

Hình 4.22 Quan hệ giữa vận tốc góc động cơ kiểu 1 và tần số dịng điện dẫn (Vpp = 80 V)

b. Đánh giá đặc tính

Qua đồ thị 4.22 thiết lập đƣợc ở trên, ta thấy khi tần số của dịng điện kích hoạt f nhỏ hơn 30 Hz, vận tốc góc n của vi động cơ tỷ lệ thuận với tần số f và phù hợp với các tính tốn lý

thuyết. Nhƣng ở dải tần số lớn hơn, vận tốc góc thực tế đo đạc bắt đầu có sự sai số với vận tốc góc lý thuyết. Khi tần số f càng tăng thì sai số càng lớn. Có thể giải thích ngun nhân của hiện tƣợng này nhƣ sau: Độ cứng của dầm đỡ hệ điện cực của bộ kích hoạt/chấp hành ECA và độ cứng lị xo răng cóc dẫn là khác nhau, do đó với tần số dịng điện lớn (f > 30 Hz) thì khả năng đáp ứng của lò xo sẽ chậm hơn cổ đàn hồi (nghĩa là khi cổ đàn hồi về vị trí cũ thì lị xo chƣa kịp bung ra để dẫn động cho chu kỳ tiếp theo) dẫn tới sự trƣợt trong dẫn động từ răng cóc dẫn sang răng cóc bị dẫn. Sự trƣợt này sẽ tăng dần theo sự tăng của tần số dòng điện. Một nguyên nhân khác ảnh hƣởng đến vận tốc của vi động cơ là các khe hở trong cơ cấu truyền chuyển động.

4.5.4 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 2

a. Cách thức tiến hành xử lý dữ liệu

Tƣơng tự nhƣ đối với vi động cơ kiểu 1, điện áp chu kỳ (Vpp = 80 V) đƣợc sử dụng. Tần số dẫn đƣợc thay đổi từ 1 đến 100 Hz. Trên hình 4.23 là hình ảnh chụp từ video hoạt động của vi động cơ.

Kết quả đo đạc thu đƣợc ứng với sự thay đổi của tần số dòng điện dẫn đƣợc so sánh với tính tốn lý thuyết trong bảng 4.2 và đồ thị hình 4.24. 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 V ận tố c gó c (v /p h) Tần số dòng điện dẫn(Hz) Lý thuyết Đo đạc

100

Hình 4.23 Hình chụp từ video hoạt động của vi động cơ kiểu 2

Bảng 4.2 Quan hệ giữa vận tốc góc vi động cơ kiểu 2 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80 V)

Tần số (Hz) Vận tốc góc lý thuyết (v/ph) Vận tốc góc đo đạc (v/ph) 1 0,16 0,15 5 0,81 0,81 10 1,62 1,60 20 3,24 3,12 30 4,86 4,46 40 6,48 6,10 50 8,10 6,85

Hình 4.24 Quan hệ giữa vận tốc góc động cơ kiểu 2 và tần số dịng điện dẫn (Vpp = 80 V)

0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 V ận tố c gó c (v /p h) Tần số (Hz) Lý thuyết Đo đạc

101

b. Đánh giá đặc tính

Qua đồ thị trên hình 4.24 có thể thấy phƣơng án cải tiến trong thiết kế cho phép vi động cơ kiểu 2 hoạt động với vận tốc góc lớn hơn và sát với vận tốc góc lý thuyết hơn động cơ kiểu 1. Tại tần số dẫn 30 Hz, khi ở vi động cơ kiểu 1 đã bắt đầu xuất hiện sai lệch giữa kết quả đo đạc và kết quả tính tốn lý thuyết, thì vi động cơ kiểu 2 vẫn có vận tốc quay đạt yêu cầu. Đồ thị 4.25 cho phép so sánh trực tiếp vận tốc làm việc của hai loại động cơ.

Hình 4.25 So sánh vận tốc góc động cơ kiểu 1 và 2 với vận tốc góc lý thuyết (Vpp = 80 V)

Từ đồ thị 4.25 có thể thấy nhờ các thay đổi trong cơ cấu truyền chuyển động với mục tiêu đảm bảo trạng thái tiếp xúc giữa thanh răng cóc dẫn và vành rotor bên ngồi, vi động cơ kiểu 2 hoạt động tốt hơn so với vi động cơ kiểu 1. Kết quả đo đạc chỉ bắt đầu lệch với kết quả tính tốn khi tần số dịng điện dẫn vƣợt quá 40 Hz. Cũng có thể thấy, tuy có cải thiện trong kết