Chi tiết hóa cho qui trình được đề suất tại mục 4.2.1 cho việc chế tạo như sau:
Khối wafer n-Si 500µm ở mặt phẳng (100).
Oxi hóa bề mặt phía trên của wafer tạo lớp SiO2 dày khoảng 600 nm.
Lắng đọng 1 lớp n-Si dày 15 µm (bằng chiều dày của màng) hoặc dụng sẵn wafer SOI (SOI khá đắt tiền).
Dùng phương pháp PECVD lắng đọng mặt dưới 200 nm Si3N4.
Khắc khô:
+ Lithography Mask1(mask tạo hình dạng áp trở) ở mặt trên. + Dùng phương pháp RIE khắc SiO2ở mặt trên.
Cấy ion B+ tạo thành áp trở
Loại bỏ lớp oxide SiO2 phía trên dùng phương pháp khắc RIE.
Khắc kim loại:
+ Lithography Mask 2 (mask tạo hình dạng dây nối) ở mặt trên.
+ Khắc ướt Al và Ni để tạo thành dây nối và pad và hình thành mạch cầu Wheatstone (hoặc tạo cầu Wheatstone khi sử dụng cảm biến).
Dùng phương pháp PECVD để lắng đọng 400 nm SiO2 lên trên bề mặt.
Khắc SiO2đểđiểm tiếp xúc
+ Lithography Mask 3 (mask tạo hình dạng chân nối điểm tiếp xúc). + Loại bỏ lớp oxide để tạo lỗ thông chân nối điểm tiếp xúc.
Khắc mặt dưới đế:
+ Lithography Mask 4( mask tạo hình dạng màng cảm biến) ở mặt dưới đế. + Dùng phương pháp RIE khắc mặt dưới Si3N4 và SiO2.
Khắc bất đẳng hướng Si ở mặt dưới đế (sử dùng KOH ).
Tiếp tục khắc lớp SiO2 còn lại để tạo thành màng cảm biến như hình vẽ.
Hình 5.39. Chi tiết qui trình chế tạo cảm biến áp suất áp trở. Trong đó:
Vật liệu SiO2 dùng để làm lớp dừng khắc hoặc lớp bảo vệ mặt trên của cảm biến bao gồm áp trở, dây dẫn, màng khỏi tác động của môi trường nhưđộẩm.
Vật liệu Si3N4 không bịăn mòn trong quá trình khắc Si nên dùng để bảo vệđế. Vật liệu Si dùng làm đế và màng nhạy của cảm biến áp suất.
Si pha tạp loại p dùng làm áp trở của cảm biến.
Lớp Ni có độ bám chắc nên dùng làm lớp đệm cho Nhôm bám tốt trên màng. Lớp Nhôm dùng làm dây dẫn nối các áp trở của cảm biến. Ngoài Al còn có thể
dùng Vàng (Au) làm dây dẫn rất tốt, nhưng do vàng có chi phí rất cao nên dùng Nhôm trong trường hợp này là hợp lý nhất.
Si3N4 Si bulk Ni
Al SiO2 Si dopped p+
5.2.2. Thiết kế mặt nạ cho đơn cảm biến
Mask 1: Mặt nạ 1 - tạo áp trở trên màng.
Mask 2: Mặt nạ 2 – tạo đường dây nối từ áp trở ra ngoài các pad ngoài để hàn nối
đến chân cảm biến.
Mask 3: Mặt nạ 3 – mở cửa sổđể hàn nối các pad sau khi đã được bảo vệ. Mask 4: Mặt nạ 4 – Tạo khoảng trống dưới lớp đáy.
Mask 1 Mask 2
Mask 3 Mask 4
5.2.3. Một số kết quả mô phỏng chế tạo bằng phần mềm Intellisuite
Hình 5.41. Các bước mô phỏng chế tạo sử dụng phần mềm Intellisuite.
Khối vật liệu Silic Khối vật liệu SOI Khuếch tán Bo
Khắc kim loại Al Mặt sau cảm biến Mặt trước cảm biến
Mô phỏng chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở đã được thực hiện bằng phần mềm Intellisuite. Quá trình mô phỏng gồm 29 bước với 4 mặt nạđược sư dụng cho quá trình.
Kết quả mô phỏng vẫn còn một hạn chế là chưa thực hiện được mô phỏng quá trình khắc bất đẳng hướng mặt đáy sử dụng KOH, thay vào đó là quá trình RIE. (Do phần mềm chưa cập nhật được module tích hợp cho việc khắc bất đẳng hướng).
5.2.4. Đề suất bộ mặt nạ cho wafer 4 inch
Hình 5.43. Bộ mask đề suất cho wafer 4 inch.
Bộ mask đươc thiết kế bằng phần mềm AutoCAD, được thiết kế với 350 linh kiện và 10 cấu hình khác nhau cho việc chế tạo thử nghiệm lần đầu tiên.
Bộ mask được chia làm 3 vùng chính:
Vùng so mask – để so sánh giữa các lớp mask với nhau sau mỗi quá trình. Vùng kiểm tra sau một số công đoạn.
Chương 6 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1. KẾT LUẬN
Sau một thời gian, tìm hiểu và nghiên cứu nghiêm túc tác giảđã hoàn thành được những mục tiêu và nhiệm vụđề ra:
Tìm hiểu công nghệ MEMS – Cập nhật công nghệ tiên tiến hiện nay trên thế
giới.
Tìm hiểu về qui trình chế tạo MEMS.
Tìm hiểu về các loại Cảm biến áp suất, đặc biệt là cảm biến áp suất loại áp trở.
Xây dựng và tính toán thông số cho mô hình cảm biến áp suất loại áp trở. Xây dựng qui trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở với ứng dụng cụ thể. Mô phỏng thuộc tính cơ của cảm biến với một số hình dạng màng khác nhau: thể hiện được mối quan hệ giữa áp suất và độ biến dạng tối đa tại tâm màng, sự
phân bố ứng suất trên bề mặt màng để tìm vị trị đặt điện trở thích hợp nhất, bên cạnh
đó cũng tính toán và mô phỏng tần số cộng hưởng của màng
Mô phỏng thuộc tính điện – điện thế ngõ ra sử dụng cấu hình cầu Wheastones: thể hiện được mối quan hệ giữa áp suất và điện thế ngõ ra, quan sát sự ảnh hưởng của màng đến điện thế ngõ ra, đồng thời cũa quan sát sựảnh hưởng của áp trở và các vị trí đặt áp trở trên màng đối với điện thế ngõ ra.
Mô phỏng đặc tính nhiệt – sựảnh hưởng bởi dải nhiệt độ lên cảm biến: quan sát mối quan hệ khi nhiệt môi trường thay đổi lên điện thế offset, điện thế ngõ ra và so sánh đánh giá hoạt động của cảm biến với cảm biến MPX10.
Đã xây dựng qui trình và mô phỏng chế tạo cho đơn cảm biến.
6.2. KIẾN NGHỊ
Với những kết quả thu được, tác giả mạnh dạn đề suất chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở thử nghiệm với dải áp suất thấp nhắm vào những ứng dụng dân dụng với thông số như sau:
Màng vuông: chiều dài cạnh (1300 – 2200) µm và bề dài là 15 µm.
Hà nội.
[02] Nguyễn Văn Hiếu (2007), Luận án Tiến sỹ, Đại học Osaka, Nhật bản.
[03] Nguyễn Văn Hiếu (2008), bài giảng về Vật liệu và Mạch tổ hợp, Trường ĐH
KHTN- ĐHQG Tp.HCM.
[04] PGS.TS.Nguyễn Việt Hùng, PGS.TS.Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS và
mô phỏng số trong công nghiệp bằng phần tử hữu hạn, Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[05] Hồ Thanh Huy ( 2009), Luận án Thạc sỹ chuyên ngành vật liệu nano và linh
kiện điện tử, PTN nanô ( ĐHQG Tp.HCM) và Trường Đại học Công nghệ (ĐHQG
Hà nội).
[06] Nguyễn Hữu Khánh Nhân (2003), Nghiên cứu mô phỏng và khảo sát cảm biến
áp suất kiểu áp trở chế tạo trên cơ sở công nghệ vi cơ điện tử (MEMS), Luận văn
thạc sĩ, Đại học quốc gia Tp.HCM, PTN Công nghệ Nano.
[07] Đỗ Hữu Quyết (2008), “Sử dụng ANSYS trong môi trường inventor để tính
toán thiết kế chi tiết máy”, Tạp chí Khoa học và Phát triển, VI, (2), 192-201.
[08] Trần Đức Tân, Chử Đức Trình, Nguyễn Phú Thùy và Vũ Ngọc Hùng (2005),
“Mô phỏng cảm biến gia tốc MEMS kiểu tụ”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, KHTN
& CN, T.XXI, Số 2PT, 68-75.
[09] Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi (2003), Sách: Hướng dẫn sử dụng ANSYS, Bộ
môn gia công áp lực, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội.
[10] Nghiên cứu công nghệ chế tạo linh kiện vi cơ điện tử (MEMS) ứng dụng trong
lĩnh vực công nghiệp và giao thông, Danh mục các đề tài thuộc chương trình khoa
Tham khảo từ Internet
[11] Công ty TNHH Tư vấn & Thương mại CNT (20/07/2009), Phân loại phòng sạch,
được lấy về từ: http://cnt-co.com/Main.aspx?MNU=1066&chitiet=949&Style=1.
[12] Bộ khoa học và công nghệ (11/03/2009), Chiến lược phát triển khoa học và
công nghệ Việt Nam đến năm 2010, được lấy về từ:
http://www.most.gov.vn/most/hdquanlyKHCN/mlfolder.2006-0630.5486494076/ mldocument.2006-07-05.7960110741.
[13] Việt báo (17/03/2009) , Canon xây dựng nhà máy SX máy in phun lớn nhất tại
Bắc Ninh, được lấy về từ: http://vietbao.vn/Kinh-te/Canon-xay-dung-nha-may-SX-
may-in-phun-lon-nhat-tai-Bac-Ninh/65044103/87/
Tiếng Anh
[14] James J. Allen (2005), Book: Micro Electro Mechanical System Design, CRC
Press Taylor & Francis Group, LLC.
[15] Minhang Bao (2005), Book: Analysis and Design Principles of MEMS Devices,
Department of Electronic Engineering Fudan University, Shanghai, China.
[16] Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kraft, Neil White (2004), Book:
MEMS Mechanical Sensor, Artech House Inc, Boston, London.
[17] Kaustubh Ramesh Bhate (2002), Thesis: Design and Fabrication of a MEMS
Pressure Sensor and Developing a Release Protocol for MEMS, Master of Science in Electrical Engineering, North Carolina State University.
[18] Li Cao, Tae Song Kimb, Susan C. Mantell and Dennis L. Pollab (2000), “Simulation and fabrication of piezoresistive membrane type MEMS strain sensors” , Sensor and Actuators A: Physical, vol.80, Issue 3, pp 273-279.
piezoresistive pressure sensor”, Semiconductor conference, 2007.CAS 2007.International, National Institute for Research and Development in Microtechnologies, Bucharest, vol.1, pp 87-90.
[21] Alisa M. Fitzgerald (2004), Lecture: “Contact mask design principles”,
Stanford nanofabrication facility open house.
[22] Lynn F. Fuller, Steven Sudirgo (2003), “Bulk Micromachined Pressure Sensor”,
University/Government/Industry Microelectronics symposim, Proceedings of the 15th Biennial, ISSN 0749-6877, ISBN 0-7803-7972-1, pp 317-320.
[23] Nima Ghalichechian, Michael Kheis, Zhengkum Ma, Saeed Moghadam,
Xuaobo Tan (2002), Project: Piezo-resistor Pressure sensor cluster, Department of
electrical and computer engineering, University of Maryland.
[24] Dr. Guo, Hang, Lecture: “Introduction to Microelectromechanical Systems
(MEMS)”, Sah Peng-Tung MEMS Research Center Xiamen University.
[25] Huan Hu, Ben Murphy, and Sylvester Ogletree (Dec 9th, 2007), Project:
Microcantilever-based Biodetection, Robert R. McCormick School of Engineering and Applied Sciences Northwestern University.
[26] Yozo Kanda (1982), “A graphical representation of the piezoresistance
coefficients in Silicon”, IEEE Transactions on electron devices, vol. ED-29, No.1,
pp 64-70.
[27] J-B. Lee (December, 2006), Lecture: “Introduction to MEMS”, Sungkyunkwan
University.
[28] John S. McKillop, Lecture: “Applications of MEMS in telecommunications”,
Theory and Applications, Department for Micro and Nano Technology, DTU.
[31] Bian Tian, Yulong Zhao, Zhuangde Jiang , Ling Zhang, Nansheng Liao, Yuanhao Liu and Chao Meng (2009), “Fabrication and Structural Design of Micro
Pressure Sensors for Tire Pressure Measurement Systems (TPMS)”, Sensors 2009,
ISSN 1424-8220, vol.9, pp 1382-1393.
[32] S.P. Timoshenko, S. Woinowsky–Krieger (1959), Book: Theory of Plates and
Shells, McGraw-Hill, New York.
[33] Vijay K. Varadan, K.J.Vinoy, S.Gopalakrishman (2006), Book: Smart Material
Systems and MEMS, John Wiley & Sons Ltd, England.
[34] Tyler Lane Waterfall (2006), Thesis: Design of Piezoresistive Mems force and
Displacement Sensors, Master of Science, Department of Mechanical Engineering, Brigham Young University.
Tham khảo từ Internet
[35] ANSYS (27 April 2009), Microsystems (MEMS) industry, Available from: http://www.ansys.com/industries/microsystems.asp.
[36] Department of Electrical & Computer Engineering, Brigham Young University (20 July 2009), Cleanroom Equipment List, Available from: http://cleanroom.byu .edu/equipment_list.phtml.
[37] EL-CAT Inc (20 June 2009), Properties of silicon and silicon wafers, Available from: http://www.comsecore.com/silicon_properties.htm#5.
[38] Coventor (27 April 2009), The leader in 3D MEMS and Semiconductor, Available from: http://www.coventor.com/.
Technology?, Available from:http://www.memsnet.org/mems/what-is.html.
[41] MicroElectromechanicalSystem (11 May 2009), MEMS industry report 2006,
Available from: http://www.okokok.com.cn/Abroad/Class123/Class131/200610
/110110.html.
[42] Freescale Semiconductor (20 July 2009), Datasheet MPX10: 10 kPa
Uncompensated Silicon Pressure Sensors, Available from: http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/
[43] Wikipedia (20 July 2009), Von Mises yield criterion, Available from:
http://en.wikipedia.org/wiki/Von_Mises_yield_criterion.
[44] Nationnal Instruments (20 July 2009), Measuring Pressure with Pressure
Đơn vịđo áp suất Pascal(Pa) Bar(b) g/cm2 Atmosphe mmHg mbar 1 pascal 1 10-5 1,02.10-5 0,9869.10-5 0,75.10-2 10-2 1 bar 105 1 1,02 0,9869 750 1000 1 kg/cm2 98.103 0,980 1 0,986 735 980 1 atmosphe 101325 1,013 1,033 1 760 1013 1 g/cm2 98 98.10-5 10-3 0,968.10-3 0,735 0,98 1 mmHg 133,3 13,33.10-4 1,36.10-3 1,315.10-3 1 1,333 1 mbar 100 10-3 1,02.10-3 0,9869.10-3 0,750 1
Phụ lục 2: Phân bố tỷ số Poison và module Young theo các hướng tinh thể[29].