Quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu D-RIE

Ăn mòn khô (Dry etching) là một trong hai kỹ thuật ăn mòn cơ bản trong công 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 mòn khô có nguyên lý dựa trên cơ chế vật lý (va đập của các ion), cơ chế hóa học (phản ứng của các ion/nguyên tử khí hoạt hóa), hoặc kết hợp cả hai cơ chế trên. Các ion khí đƣợc tạo ra trong môi trƣờng plasma gây bởi quá 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 mòn khô ion hoạt hóa sâu DRIE trên cơ sở cơ chế ăn mòn hóa lý đã đƣợc ứng dụng.

Đối với phƣơng pháp ăn mòn khô 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 mòn 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 mòn, 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)

Nguyên tử F^* có tính hoạt hóa cao khi bay tới bề mặt đế silic sẽ phản ứng với silic tạo ra quá trình ăn mòn 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 không. Kết quả của quá trình ăn mòn là hình thành các rãnh/hốc sâu vào trong đế silic (hình 4.11a).

Do quá trình ăn mòn 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 mòn 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 mòn. Trong bƣớc này, khí C₄F₈ (octafluorocyclobutane) đã đƣợc sử dụng. Trong môi 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 mòn 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 quá trình va đập của dòng ion SFx⁺ trong bƣớc ăn mòn tiếp theo. Do quá trình ăn mòn ion có tính dị hƣớng cao (chủ yếu theo phƣơng vuông 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 mòn sẽ đƣợc thực hiện (hình 4.11c).

Nhƣ vậy, bằng việc lặp lại nhiều lần hai bƣớc ăn mòn và phủ lớp bảo vệ, quá trình ăn mòn thẳng đứng sâu xuống đế sẽ đƣợc thực hiện. Một đặc điểm cần chú ý là vách của hốc ăn mòn có dạng nhấp nhô nhƣ lớp vỏ sò (scalloping). Để khống chế độ nhám bề mặt của vách ăn mòn gây bởi hiện tƣợng trên, cần thay đổi các thông số công nghệ thích hợp đối với quá trình ăn mòn và phủ lớp bảo vệ. Quá trình ăn mòn 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 loãng. Cuối cùng chip đƣợc sấy khô ở nhiệt độ khoảng 1000

C trong 1020 phút để chuẩn bị cho quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF (vapor HF etching).