materials & fabrication technology 1

CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN
CÔNG

NGHỆ

VÀ

LINH

KIỆN

MEMS
Một thế giới rộng mở và quyến rũ
(
An fascinating and openning world
)
(
An

fascinating

and

openning

world
)
1
NỘI DUNG
/CLASS
CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN MEMS

NỘI

DUNG
/CLASS
I
.
MỞ
ĐẦU/
INTRODUCTION
I
.
MỞ
ĐẦU/
INTRODUCTION
II. CƠ SỞ VỀ CƠĐIỆN/
ELECTRO-MECHANICAL BACKGROUND
III. VẬTLIỆU VÀ CÁC KỸ THUẬTCHẾ TẠOVIĐIỆNTỬ/
MATERIALS AND MICROELECTRONIC PROCESSES
IV. THIẾTKẾ LINH KIỆNVÀXÂYDỰNG QUY TRÌNH
CHẾ TẠO/ MEMS DESIGN
V
VI
CHẾ
TẠO
VÀ
PHÂN
LOẠI
CÔNG
NGHỆ
MEMS/

V
.
VI
CHẾ
TẠO
VÀ
PHÂN
LOẠI
CÔNG
NGHỆ
MEMS/
MICROFABRICATION AND MEMS TECHNOLOGY
VI. CÁC LINH KI
Ệ
NMEMSĐI
Ể
NHÌNH/
Ệ
TYPICAL MEMS DEVICES
2
III. Vật liệu và công nghệ vi điện tử
3.1. Cơ sở cấutrúcvậtliệu/Material structure
3.2. V
ậ
tli
ệ
u cho MEMS / Materials fo
r
MEMS
ậ

ệ
3.3. Kỹ thuậtchế tạoviđiệntử/ IC Technology
3
4
Công
nghệ
màng
mỏng/
Thin
Film
Technology
3
.
4
.
Công
nghệ
màng
mỏng/
Thin
Film
Technology
3.5. Kếtluận/Conclusions
3
III. Vật liệu và công nghệ vi điện tử
3.1. Cơ sở cấutrúcvậtliệu/Material structure
3.2. V
ậ
tli
ệ

u cho MEMS / Materials fo
r
MEMS
ậ
ệ
3.3. Kỹ thuậtchế tạoviđiệntử/ IC Technology
3
4
Công
nghệ
màng
mỏng
/
Thin
Film
Technology
3
.
4
.
Công
nghệ
màng
mỏng
/
Thin
Film
Technology
3.5. Kếtluận/Conclusions
4

3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
311
Liên kếtgiữa các nguyên tử
) Vậtchấtcấutạotừ nguyên tử ⇒ khoảng 100 loại nguyên tử khác nhau
⇒ tính chấtcủavậtliệu ∈ nguyên tử và dạng liên kếtgiữa các nguyên tử.
3
.
1
.
1
.
Liên

kết

giữa

các

nguyên

tử
5
3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
311
Liê kếtiữ áêtử
Liên kết i-ôn (ionic bonding)
3
.
1

.
1
.
Liê
n
kết

giữ
a c
á
c n
g
u
yê
n
tử
) Hình thành do lực hút tĩnh điệngiữa các i-ôn lân cận
) Có sự di chuyểncủa các điệntử hình thành i-ôn (+) – (anion) và (-) – (cation)
) Luôn duy trì trung hòa điện
) Liên kết trong vấutrúcmạng
Điện tử
hóa trị
Nguyên tử
Natri (Na)
Nguyên tử
Clo (Cl)
I-ôn Na
+
I-ôn Cl
-

6
3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
311
Liê kếtiữ áêtử
Liên kết đồng hóa trị (covalent bonding)
3
.
1
.
1
.
Liê
n
kết

giữ
a c
á
c n
g
u
yê
n
tử
) Cấutrúcđiệntử củamột nguyên tử chỉổn định khi lớpvỏ hóa trị ngoài
cùng được điền đầy ⇒ liên kết đôi (chia sẻđiệntử hóa trị)
)
Chủ
yếu
xuất

hiện
ở
các
chất
hữu
cơ
)
Chủ
yếu
xuất
hiện
ở
các
chất
hữu
cơ
Liên kết
ồ
đ
ồ
ng hóa trị
Nguyên tử
Silic (Si)
7
3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
311
iê ế iữ áêử
Liên kết kim loại (metallic bonding)
3
.

1
.
1
.L
iê
n k
ế
t
giữ
a c
á
c n
g
u
yê
n t
ử
) Các kim loạithường chỉ có3e
-
hóa
trịởlớp ngoài cùng ⇒ liên kếtyếuvới
hạtnhânvàcấutrúcbêntrong⇒ dễ
dàng bứtrakhỏicấutrúccủamột
nguyên tử ⇒ các điệntử tự do ⇒ hình
hà h
đá
â
điệ
ử
á

ó
độ
t
hà
n
h
đá
mm
â
y
điệ
nt
ử
⇒ c
á
ce
-
c
ó
độ
linh động lớn ⇒ tăng tính dẫnnhiệtvà
điệnvàtínhchấtcơ học đàn hồi.
) Các lõi nguyên tử mang điện tích (+)
liên kếtvớinhaunhờ lựchútvới các
đi
ệ
nt
ử
ệ
8

ấ
3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
3.1.2. C
ấ
u trúc vật liệu
) Cấu trúc nguyên tử củachấtrắn đượcchialàm3
ể
ể
loại: tinh th
ể
(crystalline), đa tinh th
ể
(polycrystalline) và vô định hình (amorphous).
)
Vật
liệu
tinh
thể
:
cấu
trúc
nguyên
tử
3
chiều
kích
)
Vật
liệu
tinh

thể
:
cấu
trúc
nguyên
tử
3
chiều
,
kích
thướclớn, các nguyên tử chiếmcácvị trí đặcbiệt,
xắpxếpcótrậttự và lặplại trong không gian tạora
cấu
trúc
mạng
tuần
hoàn
cấu
trúc
mạng
tuần
hoàn
.
) Vậtliệu đa tinh thể có đám hạt (grains) hình thành
ể
ấ
Hạttinhthể
Biên hạt
b
ởi các tinh th

ể
nhỏ và các ch
ấ
t trung gian giữa các
đám hạtgọi là các biên hạt (grain boundary)
9
3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
312
Cấ ú ậ iệ
) Vậtliệuvôđịnh hình: vị trí các nguyên tử có một
kh ả
áh
ới
h
à
khô
ó
íh
lặ
l i
á
hâ
3
.
1
.
2
.
Cấ
u tr

ú
c v
ậ
t l
iệ
u
kh
o
ả
ng c
á
c
h
v
ới
n
h
a
u
v
à
khô
ng c
ó
t
í
n
h
lặ
p

l
ạ
i
⇒ c
á
c
phâ
n
tử sắpxếpngẫunhiêngiống như chấtlỏng (gọilàchất
lỏng siêu nguội - supercooled liquids), tính chấtvậtlýnhư
nhau
theo
mọi
hướng
(vật
liệu
đẳng
hướng
isotropy)
nhau
theo
mọi
hướng
(vật
liệu
đẳng
hướng
–
isotropy)
Ô-xít Si-líc (SiO

2
) cấu trúc tinh thể
(thạch anh)
Ô-xít Si-líc (SiO
2
) vô định hình
(thủy tinh)
Cấu trúc vật liệu
vô định hình
10
ể
3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
3.1.3. Mạn
g
tinh th
ể
) Đượcmôtả bởimột nhóm nhỏ các nguyên tử gọilàôcơ sở (ô đơnvị -
unit cell)
) ôcơ sởđơngiảnnhấtcódạng hình lậpphương (cubic), các nguyên tử
nằm
ở
các
đỉnh
⇒
cấu
trúc
này
dễ
dàng
bị

méo
.
nằm
ở
các
đỉnh
⇒
cấu
trúc
này
dễ
dàng
bị
méo
.
) Thể tích của các nguyên tử trong 1 ô cơ sở /thể tích củaôgọilàhệ số xếp
chặt (packing factor).
) 3cấutrúcđiểnhình:lậpphương tâm khối (body centered cubic – BCC),
lậpphương tâm mặt(facecenteredcubic–FCC);sáuphương xếpchặt
(hexagonal
closed
packed
-
HCP)
) Cấu trúc tinh thể có vai trò quan trọng do những đóng góp về tính chấtcơ
hoc cho vậtliệu. Nếu các mặtphẳng nguyên tử gần nhau chúng sẽ dễ dàng
trượt
lên
nha
⇒

dễ
bị
biến
dạng
(hexagonal
closed
packed
HCP)
.
trượt
lên
nha
u
⇒
dễ
bị
biến
dạng
.
11
3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
ể
Lập phương tâm khối (Body Centered Cubic- BCC)
3.1.3. Mạn
g
tinh th
ể
) Mạng lậpphương đơngiảncóthêmmột nguyên tử tạitâmlậpphương ⇒
số nguyên tử trong 1 ô cơ sở = 2 (1 + 8x1/8).
ấ

) Packing facto
r
=0.68⇒ vậtliệuc
ấ
utrúc
b
cc có độ cứng cao, tính đàn
hồikém.
12
3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
ể
Lập phương tâm mặt (Face Centered Cubic - FCC)
3.1.3. Mạn
g
tinh th
ể
) Mạng lậpphương đơngiản có thêm các nguyên tử tạitâmcủa các mặtlập
phương ⇒ số nguyên tử trong 1 ô cơ sở = 4 (6x1/2 + 8x1/8).
) Packing factor = 0.74 ⇒ vậtliệucấu trúc fcc có tính đàn hồitốt.
13
3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
313
i ể
Lập phương tâm mặt kết hợp (merged FCC)
3
.
1
.
3
. Mạn

g
t
i
nh th
ể
FCC kết hợp
FCC cơ bản
Ô cơ sở của cấu trúc
FCC k
ế
t h
ợp
Liên kết nguyên
ợp
Liên

kết

nguyên

tử trong cấu trúc
FCC kết hợp
14
3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
313
M ti h thể
Sáu phương xếp chặt (Hexagonal Close Packed - HPC)
3
.
1

.
3
.
M
ạn
g

ti
n
h

thể
) Có 3 lớp nguyên tử sắpxếpliềnkề nhau: 2 lớpmặttrênvàdướicó6
nguyên tửở6 đỉnh củahìnhlục giác và 1 nguyên tử tạitâmcủalụcgiác;lớp
ở
g
iữacó3n
g
u
y
ên t
ử
xế
p
theo hình tam
g
iác l
ọ
t vào khe của các n
g

u
y
ên t
ử
ở
g
gy
p
g
ọ
gy
mặttrênvàdưới ⇒ số nguyên tử trong 1 ô cơ sở = 6 (12x1/6 + 2x1/2 + 3).
) Packing factor = 0.74 ⇒ tính chấtcơ họctương tự fcc.
15
ố
3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
3.1.4. Chỉ s
ố
Miller (Miller index)
) Cách thức để biểudiễn định hướng phương củatrụcvàmặtphẳng
ấ
ú
ih
hể
trong c
ấ
utr
ú
ct
i

n
h
t
hể
) Ký hiệudựa trên vector đơnvị (số nguyên - integer) tương ứng 3
phương củatọa độ Decartes ⇒ ký hiệutrục tinh thể là [ ] hoặc<>;mặt
Định hướng trục tinh thể
tinh thể sử dụng ký hiệu()hoặc {}.
)
T
ti h
thể
t
ặt
)
T
rục
ti
n
h
thể
t
rong m
ặt
phẳng tọa độ xz có phương
vuông góc trụcxvày⇒ trục
[
001
]
;

cũng
trong
mf
này
a
[
001
]
;
cũng
trong
mf
này
,
nhưng nghiêng góc 45
0
⇒
trục [101]; phương đi qua 2
đỉnh đốidi
ệ
n ⇒ tr
ụ
c
[
111
]
a
a
ệ
ụ

[
]
…
16
3.1. Cơ sở cấu trúc vật liệu
314
Chỉ ố Mill (Mill i d )
Định hướng mặt tinh thể
)
M
ặt
hẳ
//
()
(
001
)
M
ặt
hẳ
//
()
3
.
1
.
4
.
Chỉ
s

ố

Mill
er
(Mill
er
i
n
d
ex
)
)
M
ặt
phẳ
ng
//
(
x,y
)
⇒
(
001
)
;
M
ặt
phẳ
ng
//

(
x,z
)
⇒ (100); mf chứa đường chéo đi qua 2 đỉnh đối
diện ⇒ (110) …
(001)
(010)
17
IV. Vật liệu và các kỹ thuật chế tạo
1. Cơ sở cấutrúcvậtliệu/Material structure
2. V
ậ
tli
ệ
u cho MEMS / Materials fo
r
MEMS
ậ
ệ
3. Kỹ thuậtchế tạoviđiệntử/ IC Technology
4
Công
nghệ
màng
mỏng/
Thin
Film
Technology
4
.

Công
nghệ
màng
mỏng/
Thin
Film
Technology
5. Kếtluận/Conclusions
18
3.2. Vật liệu cho MEMS
3.2.1. Si-líc (silicon - Si)
) Đượcsử dụng làm vậtliệu đế (substrate)
CN
IC
à
MEMS
Cấu trúc tinh thể của Si
Si
là
ậ
liệ
ih
hể
dị
h ớ
ó
ấ
ú
trong
CN

IC
v
à
MEMS
.
)
Si
là
v
ậ
t
liệ
ut
i
n
h
t
hể
dị
h
ư
ớ
ng c
ó
c
ấ
utr
ú
c
mạng giống kim cương (FCC kếthợp).

)
3
mặt
phẳng
nguyên
lý
đặc
trưng
cho
3
mặt
phẳng
nguyên
lý
đặc
trưng
cho
tính dị hướng : [100], [110] và [111].
Z
ZZ
Z
Y
(100)
Y
(
110
)
(111)
X
Y

(100)
X
Y
()
X
Y
19
3.2. Vật liệu cho MEMS
Kỹ thuật chế tạo tinh thể Si
3.2.1. Si-líc (silicon - Si)
C hế à
) Si đa tinh thểđượclàmtừ cát ⇒ được nung nóng chảy (1417
0
C) ⇒ tạomầm
Si đơn tinh thể ⇒ tạohìnhthỏiSibằng cơ chế kéo và quay .
Mầm tinh thể
C
ơ c
hế
quay v
à

kéo đơn tinh thể
Si đa tinh thể
Si đơn
ể
nóng chảy
Vách ngăn nhiệt
tinh th
ể

Ống lò
thạch anh
Áo nước làm mát
thạch

anh
Bộ phận gia nhiệt
20
3.2. Vật liệu cho MEMS
321
Si
lí ( ili
Si)
Si đa tinh thể
Mầm Si
Mài cạnh
3
.
2
.
1
.
Si
-
lí
c
(
s
ili
con -

Si)
Quy trình kỹ thuật chế tạo phiến Si
Qui trình
mọc TT
Nồi ấ
Dây điện
trở
đơn TT
Mài mặt
sơ bộ
Nồi
n
ấ
u
Thỏi Si
sơ

bộ
Ăn mòn làm
nhẵnbêgmặt
Cắt đầu thừa
và mài tròn
nhẵn

bêg

mặt

trong dd hóa
Dụng cụ

mài
Bột
mài
Mài đánh dấu
trục chính
Đánh bóng
bề mặt
mài
Cắt rời thành
từng phiến
Kiểm tra
thành phẩm
21
3.2. Vật liệu cho MEMS
Phân loại phiến Si
3.2.1. Si-líc (silicon - Si)
) PhiếnSiđịnh hướng mặt {100} loạin
Vết cắt đánh dấu trục
tinh thể chính [110]
180
O
) PhiếnSiđịnh hướng mặt {100} loạip
Tính chất cơ học
) Vậtliệukhối: cứng và ròn, biến
dạng
đàn
hồi
nhỏ
Vết cắt đánh dấu trục
tinh thể chính [110]

90
O
dạng
đàn
hồi
nhỏ
) Độ bềnkéo:7GPa
) Phụ thuộcnồn độ pha tạp: xuấthiện
Đường đánh dấu
t TT h
ứng suấtnộikhinồng độ pha tạp~
1020 cm
-3
) Tha
y
đổi tính chấtc
ơ
tù
y
khi được
t
rục
TT
p
h
ụ
y
y
tạo thành các cấutrúcmàng
(diaphragm) hoặc thanh dầm (beam).

22
3.2. Vật liệu cho MEMS
ể
3.2.2. Si-líc đa tinh th
ể
(pol
y
silicon)
) Cấu trúc là các đám hạt (grains) hình thành bởi
các
tinh
thể
si
-
líc
nhỏ
giữa
chúng
là
các
biên
hạt
Tinh thể Si
Biên hạt
các
tinh
thể
si
líc
nhỏ

giữa
chúng
là
các
biên
hạt
(grain boundary).
) Tính chấtvậtliệu
ª
Bản
chất
là
vật
liệu
bán
dẫn
giống
Si
⇒
có
thể
ª
Bản
chất
là
vật
liệu
bán
dẫn
giống

Si
⇒
có
thể
pha tạp để tạoraloạin/hayp
ª Có khả năng chịunhiệtcaohơnSi,cóliênkếttốt
với
SiO
với
SiO
2
.
) Chế tạo:
ª Màng mỏng poly-si tạobớippLPCVD(nhiệt độ 580–650
0
C; áp suất
100
400
mTorr)
) Ứng dụng:
ª Vậtliệu nguồn để chế tạo si-líc
100
–
400
mTorr)
.
ª Vai trò như Si trong chế tạo linh kiện MOSFET
ª Vậtliệu quan trong trong công nghệ vi cơ bề mặt
23
3.2. Vật liệu cho MEMS

3.2.3. Vật liệu điện môi
Ô-xít si-líc (SiO
2
)
) Điệntrở suất
ρ
=10
16
Ω.cm
Tính chất
)
N ỡ
đáh
thủ
500
V/
Si
O
2
)
N
gư
ỡ
ng
đá
n
h
thủ
ng cao
~

500
V/
μ
m
) Hằng sốđiệnmôi
μ
=3,9
)
Chịu
nhiệt
cao
do
nhiệt
độ
nóng
chảy
~
1789
0
C
Ứng dụng
) Làm cựccửa (gate) trong cấu trúc transistor CMOS
Chịu
nhiệt
cao
do
nhiệt
độ
nóng
chảy

1789
C
) Vậtliệubảovệ (MASK materrial)
ª Trong qui trình pha tạpbằng kỹ thuật khuếch tán hoặccấy i-ôn;
ª
ấ
) Vậtliệu hy sinh (sacrificial materrial) trong công nghệ vi cơ bề mặt
ª
Trong qui trình ănmònướttạoc
ấ
utrúc.
24
3.2. Vật liệu cho MEMS
3.2.3. Vật liệu điện môi
Ô-xít si-líc (SiO
2
)
) Ôx
y
hóa
(
oxidation
)
ở
á
p
suấtkhí
q
u
y

ển,
Phương pháp chế tạo
y
()
p
qy
nhiệt độ ~ (900 - 1050
0
C)
ª Trong môi trường khô + thổi khí H
2
và O
2
ª Trong môi trường ẩm+thổi khí N
2
và O
2
Si+O
2
→ SiO
2
Si+
2
H
O
→
SiO
+
2
H

) Lắng đọng hóa pha hơiápsuấtthấp(low
p
ressure chemical va
p
o
r
de
p
osition – LPCVD
)
Si+
2
H
2
O
→
SiO
2
+
2
H
2
p
p
p
)
25