Công nghệ MEMS

1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (MEMS)

1. Khái niệm và đặc trưng

MEMS là chữ viết tắt của thuật ngữ Micro-Electro-Mechanical
System hay ngắn gọn hơn là Microsystem. Trong tiếng Việt, MEMS có
nghĩa là Hệ Vi Cơ-Điện tử, nghĩa là một hệ có sự kết hợp của các thành phần
có chức năng hoạt động dưới dạng điện và cơ với nhau ở kích thước dưới
milimet (submillimetre) như được minh họa ở hình 1.

Nguyên tử
Tế bào
(DNA)
Virus
Vi khuẩn
Hạtbụi
Tóc
Cơ thể
con người
Hệ vĩ môHệ vi mô
Hệ trung
gian
Công nghệ nano
Nguyên tử
Tế bào
(DNA)
Virus
Vi khuẩn
Hạtbụi

Tóc
Cơ thể
con người
Hệ vĩ môHệ vi mô
Hệ trung
gian
Công nghệ nano

Hình 1: Kích thước vật lý trong thế giới tự nhiên

MEMS được hiểu như là một hệ thông minh thu nhỏ chứa đựng các
chức năng nhạy với tác động bên ngoài (sensing), xử lý (processing) và điều
khiển (actuating.). Đó có thể được coi như một môi trường đặc biệt thu nhận
thông tin và tác động trở lại (Input/Output – I/O) với thế giới vật lý bên
ngoài (hình 2).

2
Thế giới
vậtlý
Tín hiệu không điện
Tín hiệu điện
Bộ chuyển đổi:
cảmbiến,
truyền động
Vi xử lý,
khuếch đại,,
bộ nhớ, bộ
điềukhiển,
…
Thế giới

vậtlý
Tín hiệu không điện
Tín hiệu điện
Bộ chuyển đổi:
cảmbiến,
truyền động
Vi xử lý,
khuếch đại,,
bộ nhớ, bộ
điềukhiển,
…


Hình 2: Đặc trưng của hệ vi cơ-điện tử (MEMS)

Một hệ MEMS có thể là tập hợp một số lượng rất lớn các linh kiện
chứa các yếu tố điện, cơ, quang, hóa, sinh, hoặc từ, được tích hợp trong một
mảng (hình 3) hay một Chip vi điện tử duy nhất (on chip). Các linh kiện này
vẫn có thể thực hiện các chức năng đơn giản một cách riêng rẽ
ở mức độ vi
mô trong khi vẫn được kết hợp với nhau để tạo ra một hoạt động phức tạp ở
mức độ vĩ mô [1-3].
Out
In
Nhiệt
Điện
Cơ
Quang
Hóa
Sinh

Silicon substrate
Silicon substrate
Nhiệt
Điện
Cơ
Quang
Hóa
Sinh
Vi xử lý
CảmbiếnTruyền động
Bộ nhớ
Out
In
Nhiệt
Điện
Cơ
Quang
Hóa
Sinh
Nhiệt
Điện
Cơ
Quang
Hóa
Sinh
Silicon substrate
Silicon substrate
Nhiệt
Điện
Cơ

Quang
Hóa
Sinh
Nhiệt
Điện
Cơ
Quang
Hóa
Sinh
Vi xử lý
CảmbiếnTruyền động
Bộ nhớ


Hình 3: Cấu trúc tiêu biểu hệ vi cơ-điện tử tích hợp trong một chip

Như thế, một hệ vi cơ-điện tử có các đặc trưng cơ bản như sau:
- Kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ nên rất tiện ích cho các ứng dụng,

3
- Đa chức năng do có sự tích hợp với các mạch điện tổ hợp (IC) hoặc
các cấu trúc khác nhau,
- Có thể là một linh kiện đơn lẻ hoặc là một hệ tích hợp phức tạp giống
như một thiết bị hoàn chỉnh,
- Có tính lặp lại cao và giá thành hạ do được chế tạo hàng loạt.

2 Lịch sử phát triển

Thời điểm
được coi như cột mốc đầu tiên cho sự ra đời các linh kiện

MEMS là vào năm 1954 khi Charles Smith tìm ra hiệu ứng áp điện trở ở các
vật liệu bán dẫn Silicon (Si) và Germanium (Ge). Tiếp sau đó là ý tưởng chế
tạo các linh kiện và thiết bị có kích thước nhỏ được đề xướng bởi Richard P.
Feymann trong bài thuyết trình nổi tiếng có tên gọi “Plenty of Room at the
Bottom” vào cuối năm 1959. Thập kỷ 60 của thế kỷ 20 đã đánh dấu những
thành công trong các nghiên cứ
u triển khai đưa đến sự ra đời của 2 nhánh
công nghệ căn bản của lĩnh vực hệ thống vi cơ-điện tử là công nghệ vi cơ
khối ướt và công nghệ vi cơ bề mặt, là sự kết hợp của công nghệ vi điện tử
(Integrated Circuit - IC) với qui trình vi chế tạo (microfabrication) các cấu
trúc ba chiều kích thước siêu nhỏ trong phạm vi micromet dựa trên kỹ thuật
ăn mòn vật liệu. Th
ập kỷ 70 và 80 đánh dấu sự phát triển vượt bậc của lĩnh
vực này, theo đó các cảm biến áp suất và gia tốc kiểu áp điện trở và kiểu tụ
trở thành thương phẩm trên thị trường, mở ra các ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp và giao thông. Bên cạnh đó là các nghiên cứu mới về cảm biến
vận tốc góc và các cấu trúc truyền động (actuator) làm các động cơ. Những
năm cu
ối thế kỷ 20, sự ra đời của công nghệ LIGA và công nghệ vi cơ khối
khô trên cơ sở kỹ thuật ăn mòn i-ôn hoạt hóa theo qui trình BOSCH đã dẫn

4
đến những sự phát triển có tính cách mạng nhằm theo kịp tiến trình thu nhỏ
hóa linh kiện (hay tăng số lượng linh kiện trên một chip) của công nghệ vi
điện tử.

Bảng 1: Tiến trình phát triển một số linh kiện MEMS điển hình

Tên sản phẩm
Giai đoạn

Phát minh
Giai đoạn
Hoàn thiện
Giai đoạn
Cải tiến
Thương
phẩm phổ
biến
Quá trình
phát triển
(năm)
Cảm biến áp suất 1954-1960 1960-1975 1975-1990 1990 36
Cảm biến gia tốc 1974-1985 1985-1990 1990-1998 1998 24
Đầu phun mực 1978-1984 1984-1990 1990-2002 2002 24
Chuyển mạch
quang
1980-1993 1993-1998 1998-2008 2003 23
Cảm biến vận
tốc góc
1984-1990 1990-1996 1996-2006 2006 22
Cảm biến khí 1986-1994 1994-1998 1998-2005 2005 19
Cảm biến sinh-
hóa
1992-1994 1994-2000 2000-2010 2010 18
Bộ thu phát tần
số vô tuyến (RF)
1994-1998 1998-2001 2001-2008 2008 14

Kể từ đó, các sản phẩm của công nghệ vi cơ điện tử đã tiếp tục được
hoàn thiện và mở rộng, đưa đến sự ra đời của các kết cấu hết sức tinh vi theo

xu hướng thu nhỏ kích thước đáng kể. Đó là các cảm biến áp suất và gia tốc
có tích hợp vi mạch điện tử để xử lý tín hiệu kích thước chỉ từ 1
đến vài mi-
li-mét vuông, các vi động cơ hoạt động theo nguyên lý tĩnh điện (rotary
electrostatic micromotor), các khớp nối vi cơ (micromachined hinge) sử
dụng cho cấu trúc giả 3 chiều (pseudo-3D structures) hay dây chuyền lắp

5
ráp, linh kiện vi gương số (Digital Micromirro Device - DMD) sử dụng
trong các máy chiếu và xử lý ánh sáng số, các hệ vi vận tải (microtransport)
kích thước vài cen-ti-mét vuông, các thiết bị tí hon có vai trò như một phòng
thí nghiệm phân tích gọi là Lab on chip sử dụng cho lĩnh vực y-sinh v…v…
Cũng theo đà phát triển tiến trình phát triển từ ý tưởng đến sản phầm cụ thể
đã được ngày càng rút ngắn về thời gian như được chỉ ra ở bảng 1.
Hiện nay, trên thế giới có trên 6000 trung tâm nghiên cứ
u phát triển
vể MEMS tại các trường Đại học, viện nghiên cứu, các hãng công nghiệp
với số tiền đầu tư mỗi năm vào các hoạt động nghiên cứu, chế thử khoảng 1
tỉ USD [6]. Châu Âu nổi tiếng với Laboratoire d’electronic et de
Technologie d’Instrumentation (LETI) ở Pháp; Interuniversitair Micro-
Elektronica Centrum (IMEC) ở Bỉ; viện nghiên cứu (Insititut fur
Festkoerpertechnik -IFT) và các phòng thí nghiệm R&D của các tập đoàn
công nghiệp Siemen/Infinion, Bosch, Aktiv-sensor ở Đức; MESA+ research
institute, Delf ở Hà Lan; Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique
SA (CSEM) của Thụy Sĩ. Nhật nổi bậ
t với các trung tâm nghiên cứu R&D
công nghiệp như Toyota Central Research and Development Laboratory,
Nippondenso Research Laboratories, okogawa Electric Corporation,
Matsushita Research Institute, Nissan Motor Company Central Engineering
Laboratories, Fuji Electric Company, Hitachi bên cạnh các trung tâm nghiên

cứu điển hình tại các đại học Tohoku University và Ritsumeikan University.
Mỹ được biết nhiều với các trung tâm nghiên cứu và ứng dụng công nghệ
MEMS tại đại học University of Wisconsin, học viện công nghệ
Matsachuset (MIT), cơ quan hàng không-vũ trụ NASA, các cơ sở công
nghiệp mạnh như Analog Devices, Motorola, Draper Lab
Hàng năm, kết quả nghiên cứu từ các phòng thí nghiệm của các trung

6
tâm nghiên cứu và của các công ty công nghiệp ở khắp nơi trên thế giới đã
được công bố tại các hội nghị khoa học lớn tổ chức ở Hoa Kỳ, Canada, Châu
Âu, Nhật Bản cũng như trên hàng chục tạp chí uy tín như Sensor and
Actuator A, B, và C, hay các ấn bản của tổ chức quốc tế IEEE về lĩnh vực kỹ
thuật điện-điện tử…

3 Các kỹ thuật cơ bả
n của công nghệ MEMS

Công nghệ chế tạo ra các linh kiện vi cơ-điện tử hệ thống gọi là công
nghệ MEMS. Đây là loại hình khoa học công nghệ mới có nền tảng từ công
nghệ vi điện tử nên công nghệ MEMS cũng bao gồm các kỹ thuật cơ bản
công nghệ này như quang khắc tạo hình (photolithography), khuếch tán
(diffusion), cấy ion (ion implantation), lắng đọng vật liệu bằng các phương
pháp vật lý hoặ
c hóa học ở pha hơi (physical/chemical vapor deposition),
hàn dây (wire bonding), đóng vỏ hoàn thiện linh kiện (packaging). Bên cạnh
đó là các kỹ thuật đặc thù của riêng công nghệ MEMS nhằm mục đích chế
tạo ra các vi cấu trúc ba chiều gồm ăn mòn ướt hoặc khô (wet/dry etching)
và hàn ghép phiến (silic to silic/ silic to glass bonding).
Hiện tại, có 3 phân nhánh chính của công nghệ vi cơ-điện từ, gồm:
- Công nghệ vi cơ khối: dựa trên các kỹ thuật chính như quang khắc tạo

hình, ăn mòn dị h
ướng trong dung dịch (vi cơ khối ướt), ăn mòn khô
i-ôn hoạt hóa trogn môi trường chất khí (vi cơ khối khô), hàn ghép
phiến…
- Công nghệ vi cơ bề mặt: dựa trên các kỹ thuật chính như quang khắc
tạo hình, lắng đọng tạo màng mỏng, ăn mòn lớp hy sinh, ăn mòn
khô…

7
- Công nghệ LIGA dựa trên kỹ thuật nền tảng tạo khuôn bằng vật liệu
polymer sử dụng kỹ thuật tạo hình với tia X và quá trình lắng đọng
điện hóa.
Dưới đây là một số kỹ thuật cơ bản cần thiết cho công nghệ MEMS.

3.1 Kỹ thuật quang khắc tạo hình

3.1.1 Chất cảm quang

Chất cảm quang (photoresist) là vật liệu hữu cơ nhạy ánh sáng (thường là
ánh sáng cực tím, Ultraviolet - UV, hoặc Deep UV - DUV) được sử dụng để
tạo ra một hình ảnh mong muốn nào đó. Dưới tác động của ánh sáng, thành
phần của vật liệu cảm quang bị biến đổi dẫn đến có thể bị hòa tan (hoặc
không hòa tan) trong các hóa chất thích hợp (gọi là vật liệu hiện hình –
developer, thông thường là các dung dịch dạng kiềm). Trong công nghệ vi
điện tử và MEMS, vật liệu cảm quang được sử dụng để sao chép hình d
ạng
các cấu trúc của linh kiện đã được thiết kế, chế tạo trên bộ mặt nạ (Mask)
quang bằng kỹ thuật quang khắc (photolithography) và đóng vai trò làm lớp
bảo vệ cho các vật liệu được che phủ ở phía dưới nó. Vât liệu cảm quang cấu
tạo chủ yếu từ 3 thành phần chính:

• Dung môi: làm cho cảm quang tồn tại dưới dạng dung dịch nhằm thuận
lợi cho việc sử dụng khi ph
ủ lên trên bề mặt các vật liệu khác.
• Chất kết dính (nhựa – resin): thường là các hỗn hợp polymer tạo ra các
liên kết làm nên các tính chất lý hóa cho vật liệu.
• Chất nhạy sáng
Có 2 loại vật liệu cảm quang chính, đó là:

8
• Cảm quang dương: là vật liệu mà vùng không được chiếu sáng trở nên bền
vững trong khi vùng được chiếu sáng lại dễ dàng bị hòa tan trong vật liệu
hiện hình (hình 4).


Ánh sáng UV
Lớp cảm quang
Lớ
p
ô-xít sili
c

Đế si-líc
khối
Phần chắn
sáng trên mặt
nạ quang
Vùng cảm
quang bị
che sáng
Vùng cảm

quang được
chiếu sáng


Vùng bị chắn sáng trở nên liên
kết bền vững và không bi hòa
tan trong dung dịch hiện hình
L
ớ
p
cảm quang
Vùng được chiếu sáng
dễ dàng bi hòa tan trong
dung dịch hiện hình
L
ớ
p
ô-xít si-líc
Đ
ế
si-líc kh
ố
i



Hình 4: Minh họa cảm quang dương


9

Cảm quang dương thường có sẵn một cấu trúc liên kết (crosslinking) gọi là
polymer Novolak bao gồm một loại polymer phenol-formaldehyde (dễ hòa
tan) và một lượng nhỏ diazonaphthaquinone khó bị hòa tan trong các dung
dịch hóa.
Khi tương tác với ánh sáng (phonon - h
ν
) trong quá trình chiếu sáng,
một phản ứng quang hóa xảy ra, hình thành nên các nhóm a-xít carboxylic
(hình 5). A-xít này là xúc tác chính để loại bỏ polymer khó hòa tan khi xử lý
nhiệt. Kết quả là chỉ còn nhóm dễ hòa tan trong cấu trúc polymer dẫn đến
quá trình hòa tan toàn bộ cấu trúc polymer trong dung dịch hiện hình.


Hình 5: Sự biến đổi cấu trúc hóa học của vật liệu cảm quang dương
khi được chiếu sáng

• Cảm quang âm: là vật liệu mà vùng được chiếu sáng trở nên bền vững
trong khi vùng không được chiếu sáng lại dễ dàng bị hòa tan trong vật liệu
hiện hình (hình 6).
Như vậy, cảm quang dương sẽ tạo ảnh trên đế si-líc khối giống như
định dạng trên mặt nạ quang, và cảm quang âm tạo ả
nh ngược lại định dạng
trên mặt nạ quang. Mặt nạ quang khi đó tạo ra một trường sáng tối cho ánh
sáng khi đi qua.
Các bước sóng trong phạm vi ánh sáng UV được sử dụng với vật liệu cảm
quang thường là bước sóng 365 nm gọi là i-line, bước sóng 405 nm là h-line,

10
và bước sóng 436 nm là g-line. Dải bước sóng từ 193 nm đến 248 nm tương
ứng ánh sáng cực tím sâu - DUV (hình 1.7).


Ánh sáng UV
Lớ
p
cảm quang
Lớ
p
ô-xít silic
Đ
ế
si-líc kh
ố
i

Phần chắn
sáng trên mặt
nạ quang
Vùng cảm
quang bị
che sáng
Vùng cảm
quang được
chiếu sáng

Vùng được chiếu sáng trở nên liên
kết bền vững và không bi hòa tan
trong dung dịch hiện hình
L
ớ

p
cảm quang
Vùng bị chắn sáng dễ
dàng bi hòa tan trong
dung dịch hiện hình
L
ớ
p
ô-xít si-líc
Đ
ế
si-líc kh
ố
i



Hình 6: Minh họa cảm quang âm

Vật liệu cảm quang có các tính chất vật lý cơ bản quyết định chất lượng
quá trình quang khắc như sau:
• Độ phân giải và độ tương phản
• Độ nhạy
• Độ nhớt và độ bám dính

11


Hình 7: Các bước sóng phổ biến sử dụng trong kỹ thuật quang khắc

• Khả năng chịu đựng duy trì sự bền vững trong các dung dịch hóa
• Độ mịn và sạch
Nguồn phát xạ ánh sáng UV được dùng phổ biến trong kỹ thuật quang
khắc là các đèn hơi Thủy ngân có khả năng tạo ra bức xạ với các bước sóng
trong phạm vi từ 200 nm đến 600 nm (hình 8).


Hình 8: Phổ phát xạ của đèn hơi thủy ngân

12
3.1.2 Qui trình quang khắc

Lớp cảm quang được tạo trên phiến đế silic bằng kỹ thuật quay phủ
(spinning coating). Bộ phận chính trong cấu tạo của thiết bị quay phủ
(spinner) là một tấm gá giữ phiến (chuck) gắn liền với mô-tơ có vận tốc
quay cao. Tấm gá giữ phiến thường được làm bằng vật liệu Tefernol mà trên
bề mặt có các đường xẻ rãnh dẫn đến đường ống hút chân không (hình 9).
Hầu hế
t các thiết bị quay phủ còn có phần điều khiển điện tử để có thể thiết
lập một qui trình quay có tốc độ thay đổi cũng như thời gian quay phủ tùy ý.
Để tạo lớp cảm quang có độ dày đồng đều và thích hợp, tốc độ quay của
thiết bị được thiết lập thành 2 cấp: ban đầu rất chậm (vài trăm vòng/phút
trong vài giây) và sau đó là tốc độ cao (vài nghìn vòng/phút trong vài chục
giây).
Các bướ
c kỹ thuật trong qui trình kỹ thuật quang khắc bao gồm (hình 10):
• Bước 1: Tạo lớp mồi bám dính mỏng (dung dịch primer) bằng kỹ thuật
quay phủ (spinning coating) lên đế si-líc.
• Bước 2: Phủ dung dịch cảm quang cũng bằng kỹ thuật quay phủ.
• Bước 3: Xử lý nhiệt sơ bộ để bay hơi bớt nước (~ vài chục độ trong 30

giây).
• Bước 4: Hiệu chỉnh mặt nạ (gọi là kỹ thuậ
t so MASK) bảo đảm tạo
ảnh trên đế si-líc từ bộ mặt nạ quang chính xác và thực hiện chiếu ánh
sáng UV.
• Bước 5: Thực hiện xử lý nhiệt (90-100
0
C) để loại bỏ thành phần khó
hòa tan trong chất cảm quang.

13



Hình 9: Thiết bị quay phủ và quá trình
hình thành lớp cảm quang trên phiến đế

14


Hình 10: Qui trình kỹ thuật quang khắc

• Bước 6: Thực hiện tạo ảnh trong dung dịch hiện hình (developer).
• Bước 7: Sấy nhiệt (thường là 150
0
C) làm cứng lớp cảm quang còn lại
để tạo lớp bảo vệ cho các qui trình công nghệ tiếp theo.
• Bước 8: Kiểm tra ảnh tạo được trên đế (bằng hệ kính hiển vi quang
học có độ phóng đại lớn và có khả năng chụp được ảnh quang).

3.2 Kỹ thuật tạo đường dẫn và điện cực

Trong công nghệ chế tạo linh kiện, vật liệu được lựa chọn s
ử dụng làm
dây dẫn và điện cực chủ yếu là nhôm (aluminum - Al) do có điện trở thấp và
khả năng liên kết tốt với si-líc.

15
Qui trình tạo dây dẫn và điện cực bao gồm các bước sau:
• Bước 1: Dây dẫn và điện cực được định dạng bằng kỹ thuật quang
khắc và quá trình ăn mòn ô-xít si-líc.
• Bước 2: Nhôm được phủ (deposition) lên đế bằng phương pháp phún
xạ (hoặc bốc bay). Xét theo mặt cắt ngang, đây là quá trình phủ bậc
trùm qua các hốc (các dây dẫn và điện cực) có bề rộng tương ứng kích
thước dây dẫn ho
ặc điện cực, và độ sâu tương ứng độ dày lớp ô-xít si-
líc (∼ 300 nm) trên bề mặt đế, như được minh họa trên hình 11


SiO
2

Si
Al


Hình 11: Nhôm được phủ bậc trên bề mặt đế si-líc

• Bước 3: Dây dẫn và điện cực được định dạng lại bằng kỹ thuật quang
khắc, sau đó là quá trình ăn mòn loại bỏ nhôm ở các khu vực bên

ngoài các dây dẫn và điện cực.
Phún xạ và bốc bay đều là các phương pháp vật lý tạo màng mỏng từ pha
hơi (physical vapor deposition - PVD) trong môi trường chân không cao (áp
suất thấp ~ Torr). So với bốc bay, phún xạ có
ưu điểm là có thể tạo ra màng
có độ dày đồng đều trên bề mặt phiến lớn, cũng như dễ dàng điều khiển độ
dày màng bằng cách xác lập các thông số công nghệ và thời gian phún xạ.
Vì vậy, phương pháp này được dùng phổ biến trong các qui trình công nghệ
chế tạo linh kiện. Những điều kiện công nghệ có ảnh hưởng trong quá trình
phún xạ nhôm chủ yếu là nhiệt độ đế, áp suất khí argon (Ar), chân không và
tính chất phụ thuộc nhiệt độ của nhôm.

16
3.3 Kỹ thuật ăn mòn khô

Ăn mòn là công đoạn không thể thiếu trong công nghệ vi cơ điện tử
(MEMS) nhằm tạo ra các vi cấu trúc của linh kiện. Ăn mòn khô là một trong
2 kỹ thuật ăn mòn cơ bản trong công nghệ MEMS bên cạnh kỹ thuật truyền
thống ăn mòn ướt sử dụng các dung dịch dạng kiềm (KOH hoặc TMAH) [1].
Về cơ bản ăn mòn khô có nguyên lý dựa trên sự kết hợp củ
a quá trình
bắn phá iôn (quá trình ăn mòn vật lý) và các phản ứng hóa học giữa các iôn
khí hình thành trong trong môi trường plasma có chân không cao với các
nguyên tử bề mặt vật liệu tạo ra các sản phẩm ở pha hơi (quá trình ăn mòn
hóa học) dẫn đến kết quả khối vật liệu (Si) được tẩy bỏ và đục khoét, tạo ra
cấu trúc cần thiết. Plasma thường được tạo trong điện trường xoay chiều tần
số vô tuyến (Radio Frequency –RF) có cấu trúc ki
ểu tụ với 2 bản cực, mẫu
ăn mòn sẽ được gắn với một điện cực trong đó.
Ăn mòn vật lý là quá trình có tính dị hướng cao (chỉ ưu tiên theo một

phương nhất định) tạo ra vách ăn mòn thẳng đứng (hình 12 a). Quá trình ăn
mòn do phản ứng hóa không phụ thuộc hướng nhưng có tính chọn lọc cao,
và có thể xảy ra trong vùng thể tích nhỏ (hình 12 b). Sự kết hợp của 2 quá
trình này mang lại đầ
y đủ các ưu điểm của từng quá trình là sự lọc lựa cao,
vách ăn mòn thẳng đứng, tạo được cấu trúc nhỏ và phức tạp (hình 12 c). Khi
đó, quá trình này được gọi là ăn mòn iôn hoạt hóa (Reactive Ion Etching -
RIE).
Phương pháp này có thể được sử dụng trong trường hợp tạo ra các cấu
trúc có độ sâu ăn mòn lớn, và được gọi là Deep Reactive Ion Etching –
DRIE. Các điều kiện ăn mòn trong một hệ ăn mòn RIE hay DRIE phụ thuộc
chủ y
ếu vào các thông số như là áp suất buồng phản ứng, lưu lượng khí dùng
cho quá trình ăn mòn, và công suất các nguồn xoay chiều RF.

17

(a)

(b)

(c)

Hình 12: Nguyên lý của kỹ thuật ăn mòn RIE

Để cải thiện và nâng cao hiệu suất của quá trình ăn mòn, người ta đã
kết hợp sử dụng các cuộn dây (coil) nhằm tăng cường mật độ plasma trong
buồng phản ứng như được minh họa trên hình 13.

Cuộn dây ICP tạo
plasma cảm ứng
Đám mây plasma
Điện cực đế có gắn
mẫu ăn mòn
Mẫu ăn mòn


Hình 13: Cấu trúc cơ bản của buồng ăn mòn kiểu ICP/RIE

Khi đó, phương pháp ăn mòn được gọi là Inductively Coupled
Plasma/Reactive Ion Etching (ICP/RIE). Plasma sẽ được tạo trong từ trường
của cuộn dây, làm tăng tốc độ ăn mòn do mật độ iôn tăng. Toàn bộ quá trình
được thực hiện trong buồng phản ứng với việc đưa vào các khí cần thiết,
trong đó chắc chắn có khí tham gia quá trình ăn mòn vật lý là Sulfur
hexaflourid SF
6
và một khí có gốc CF cho quá trình lắng đọng lớp polymer
bảo vệ bề mặt ăn mòn dạng Teflon và tham gia phản ứng của quá trình ăn
mòn hóa học.

18
Cấu trúc các phần chính của một thiết bị ăn mòn kiểu ICP/RIE được
minh họa trên hình 14. Cơ chế hoạt động của thiết bị như sau:



Mẫu ăn mòn
Đường cung cấp khí Heli
làm mát mẫu ăn mòn

Van điều tiết áp suất
buồng phản ứng của
bộ điều khiển APC
Đường hút khí
của bơm chân
không Turbo
Nguồn xoay chiều tần số RF
cấp thế thiên áp (Bias) đến
điện cực đế
Đường cung cấp khí cho
phản ứng ăn mòn
Nguồn xoay chiều
tần số RF cấp cho
cuộn ICP
Buồ
ng phản ứng
Cửa sổ quan sát
Cửa mở cho
vùng Plasma
Chốt khóa buồng
phản ứng


Hình 14: Sơ đồ cấu trúc bộ phận chính của một hệ ăn mòn khô ICP/RIE

Trước tiên, trường điện từ do nguồn xoay chiều RF cung cấp cho cuộn
dây ICP i-ôn hóa các phân tử khí tạo ra các i-ôn dương và các điện tử hình
thành đám mây plasma. Các điện tử do khối lượng nhẹ hơn các iôn nên sẽ có
vân tốc lớn hơn và có xu hướng rời khỏi đám mây plasma làm cho plasma
trở nên dương hơn so với xung quanh. Vì thế, đ

iện tử sẽ được gia tốc và
hướng về phía vách buồng phản ứng. Khi đặt một thiên áp (Bias) xoay chiều
RF (trong khoảng 1-20 W) lên điện cực đế sẽ dẫn đến sự chênh lệch về thế
lớn hấp dẫn các i-ôn dương đi về phía điện cực này dẫn đến hiện tương bắn
phá iôn đối với mẫu ăn mòn. Toàn bộ vùng plasma sẽ phát sáng do kết quả
củ
a quá trình iôn hóa và hối phục các phân tử khí đưa vào buồng phản ứng.
Các i-ôn này một phần sẽ tạo ra các phản ứng, phần khác sẽ va chạm với các

19
phân tử trên bề mặt mẫu và đẩy bật các phân tử đó ra khỏi bề mặt mẫu tạo ra
quá trình ăn mòn. Cả hai quá trình đều đưa đến kết quả là bề mặt mẫu bị tẩy
bỏ, tức là bị ăn mòn. Đối với hệ này, nguồn RF Bias sẽ được kết hợp với
nguồn RF của cuộn ICP bằng một bộ điều khiển (Matching Units) để bả
o
đảm có sự phối hợp trở kháng tốt nhất. Do trở kháng của hệ phụ thuộc vào
các điều kiện của quá trình nên bộ điều khiển này thường hoạt động trong
chế độ tự động giúp cho trở kháng được điều chỉnh liên tục. Quá trình cũng
được duy trì ở áp suất thấp (chân không cao) nhờ bơm chân không Turbo, và
được điều khiển bởi bộ điều tiết t
ự động (Automatic Pressure Controller -
APC) mà có thể diều chỉnh liên tục từ trạng thái mở hoàn toàn (0%) đến
đóng hoàn toàn (100%). Áp suất được duy trì trong khoảng 10 mTorr đến 40
mTorr và độ mở van được bộ APC điều chỉnh trong khoảng 86%-87%.
Nhìn chung, đây là kỹ thuật khó, phức tạp, đòi hỏi đầu tư lớn về thiết
bị, vật tư. Tuy nhiên, kỹ thuật này là cần thiết để chế tạo các linh kiện
MEMS có kích nhỏ dưới milimét và có c
ấu trúc phức tạp, tiện ích và phù
hợp thực sự với công nghệ màng mỏng và công nghệ mạch tổ hợp
(Integrated Circuits – IC) để chế tạo linh kiện.

3.4 Kỹ thuật đóng vỏ (packaging)

Do kích thước rất nhỏ nên các chip cảm biến phải được đóng vỏ để tiện
ích cho quá trình đo đạc và ứng dụng. Đặc biệt các chip cảm biến MEMS
thường chứa các cấu trúc cơ rất mỏ
ng manh (màng mỏng hoặc các thanh
dầm) nên việc đóng vỏ càng có ý nghĩa là công cụ bảo vệ dưới tác dụng của
môi trường bên ngoài như rung động, va đập, nhiệt độ
Vì vậy vỏ là chi tiết bảo vệ bên ngoài của cảm biến, có chức năng đưa tín
hiệu từ cảm biến ra mạch ngoài, đảm bảo cách nhiệt, tránh được các rung

20
động cơ khí và ảnh hưởng khác từ môi trường bên ngoài. Những yêu cầu
trên, cho thấy đóng vỏ là một trong những bước quan trọng và chiếm 3/5 giá
thành của một cảm biến hoàn chỉnh.
Người ta chia vỏ cảm biến làm hai loại chính:
a) Loại chân cắm xuyên qua (Through Hole Device - THD) (Hình 15)

(a) (b) (c)
Hình 15: Một số vỏ loại chân cắm xuyên qua: (a): Dual Inline Package
(DIP); (b): Pin Grid Array (PGA); (c): TO can (PGA)

Đây là loại vỏ được sử dụng phổ biến thích hợp cho việc đóng vỏ chip
đơn lẻ, sau khi đóng vỏ cảm biến được sử dụng các ứng dụng cụ thể. Cấu
trúc của loại vỏ nay được thể hiện như trên hình 16.


Hình 16: Cấu trúc của loại vỏ chân cắm xuyên qua

21
b) Loại phẳng (Surface Mount Device - SMD) (Hình 17)

(a) (b)
(c)
Hình 17: Một số vỏ loại phẳng: (a): Flat Package; (b): Leadless Chip
Carrier (DIP); (c): Small Outline J-lead (SOJ)

Loại vỏ này thích hợp với một hệ chíp đa chức năng cùng gắn trên một
vỏ như các bộ vi xử lý (microprocessor) sử dụng cho các máy tính ca nhân
hoặc xách tay.
Kỹ thuật đóng vỏ bao gồm nhiều công đoạn khác nhau và đã được xây
dựng thành một quy chình hoàn chỉnh từ khi cắt chíp rời khỏi phiến đến khi
hoàn thiệ
n như mô tả ở hình 18.



Hinh 18: Các bước trong quy trình đóng vỏ cảm biến áp suất


22
Cảm biến sau khi được chế tao được cắt rời thành từng chip riêng lẻ để
đưa đi đóng vỏ bằng lưỡi cắt kim cương, yêu cầu trong kỹ thuật cắt rời chíp
khỏi phiến là phải đảm bảo vết cắt đủ nhỏ, trong quá trình cắt không có các
chấn động ảnh hưởng tới các cấu trúc bên trong của chip (Hình 19).



Hinh 19: Kỹ thuật cắt rời chíp (wafer dicing)

Sau đó, chip cảm biến sẽ được gắn lên vỏ (hình 20). Yêu cầu đặt ra là
phải gắn chính xác và chắc chắn chip lên vỏ để thuận tiện trong quá trình sử
dụng.


Hình 20: Minh họa kỹ thuật gắn chíp lên vỏ (die bonding)

23
Hàn dây là quá trình nối dây giữa chip Si ra các chân linh kiện để thuận
tiện cho việc sử dụng.



Hình 21: Một số mối hàn dây Ultrasonic wedge bonding

Dây được sử dụng trong máy hàn wirebonding thường là Au, Al. Thông
thường Au được sử dụng hàn kiểu ball bonding (mối hàn tròn) và Al được
sử dụng để hàn kiểu wedge bonding (mối hàn dẹt). Trong trường hợp wedge
bonding (hình 21), dưới tác dụng của xung siêu âm và lực nén, dây hàn bị
nén dẹt và dính vào điểm hàn.

4. Sản phẩm và ứng dụng

Cho đến nay các sản phẩm của công nghệ MEMS đã có được những
ứng d
ụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và đời sống như công
nghiệp ô tô (hình 22), in ấn, giao thông, kỹ thuật thông tin (điện thoại di
động), robot loại nhỏ, quân sự, hàng không, kỹ thuật môi trường, sinh-hóa
và y học v…v…

24
Cảmbiếnápsuất
và vậntốc góc điều
khiển phanh
Cảmbiếnáp
suất thông tin
áp suấtlốpxe
Cảmbiếngiatốc
điều khiểnhệ
thống giảmsóc
CảmbiếnRF cảnh
báo va chạm
Cảmbiến nhiệt
điều khiểnhệ thống
điều hòa không khí
CảmbiếnRF
cảnh báo va
chạm
Cảmbiến khí
cho hệ th
ống
ống xả
Cảmbiếnáp
suấtchohệ khí
động học
Cảmbiến
quang đomức

nhiên liệu
Cảmbiếngiatốc điều
khiểnhệ túi khí an toàn
cửabên
Đầu phun si-líc ở
hệ phun nhiên liệu
Cảmbiếnvậntốc
góc để định vị
Cảmbiếngiatốc điềukhiển
hệ túi khí an toàn phía trước
Cảmbiếnâmthanh
để giảmtiếng
ồn
Cảmbiến đoáp
lực nhiên liệu
Cảmbiếnápsuất
và vậntốc góc điều
khiển phanh
Cảmbiếnáp
suất thông tin
áp suấtlốpxe
Cảmbiếngiatốc
điều khiểnhệ
thống giảmsóc
CảmbiếnRF cảnh
báo va chạm
Cảmbiến nhiệt
điều khiểnhệ thống
điều hòa không khí
CảmbiếnRF

cảnh báo va
chạm
Cảmbiến khí
cho hệ th
ống
ống xả
Cảmbiếnáp
suấtchohệ khí
động học
Cảmbiến
quang đomức
nhiên liệu
Cảmbiếngiatốc điều
khiểnhệ túi khí an toàn
cửabên
Đầu phun si-líc ở
hệ phun nhiên liệu
Cảmbiếnvậntốc
góc để định vị
Cảmbiếngiatốc điềukhiển
hệ túi khí an toàn phía trước
Cảmbiếnâmthanh
để giảmtiếng
ồn
Cảmbiến đoáp
lực nhiên liệu


Hình 22: Ứng dụng linh kiện MEMS trong công nghiệp ô tô

Hình 23: Linh kiện vi gương số MEMS (DMD) sử dụng trong máy chiếu


25
Tương ứng các ứng dụng, MEMS cũng được phân loại thành MEMS cơ,
MEMS quang - MOEMS (hình 1.23), MEMS năng lượng - Power MEMS,
MEMS vi lưu - Microfluidics, MEMS y sinh - BioMEMS, MEMS vô tuyến
- RF MEMS (hình 24).
Ăng-ten
Bộ hiẻnthị
đamàu
Bộ chuyển
mạch quang
Bộ tụ -cuộn
cảmbiến đổi
Bộ lọc
biến đổi
Microphone
Ăng-ten
Bộ hiẻnthị
đamàu
Bộ chuyển
mạch quang
Bộ tụ -cuộn
cảmbiến đổi
Bộ lọc
biến đổi
Microphone

Hình 24: Linh kiện MEMS sử dụng trong điện thoại di động

5. Thị phần sản phẩm

Cho tới nay, công nghệ chế tạo các linh kiện MEMS đang phát triển
bùng nổ với một tốc độ rất nhanh. Hầu hết các linh kiện MEMS đã được đưa
ra sản xuất ở qui mô công nghiệp và trở thành thương phẩm phổ biến. Kể từ
những năm 90 của thế kỷ 20, ngành công nghiệp MEMS đã đóng một vai trò
ngày càng quan trọng trong các nền kinh tế. Các linh kiệ
n MEMS đã trở nên
không thể thiếu cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Tính đến năm