microfabrication & MEMS technology 2

CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN
MEMS
Mộtthế iới ộ ở à ế ũ
Một

thế
g
iới
r
ộ
ng m
ở
v
à
quy
ế
n r
ũ

(An fascinating and openning world)
V. Vi chế tạo và công nghệ MEMS
1. Kỹ thuật ănmòn/Etching Methods
2. Côn
g
n
g
h
ệ
vi c
ơ
kh

ố
i/Bul
k
Micromachinin
g
g
g ệ
g
3. Công nghệ vi cơ bề mặt/ Surface Micromachining
4
Công
nghệ
LIGA/
LIGA
Technology
4
.
Công
nghệ
LIGA/
LIGA
Technology
5. Hàn ghép phiến/Wafer Bonding
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
Khái niệm
) Quá trình chế tạo các vi cấutrúc3chiềutrênbề mặt đế si-líc bằng:
Khái

niệm
ª

Các
lớp
vật
liệu
nền
(vật
liệu
hy
sinh)
và
vật
liệu
cấu
trúc
được
t
ạo
ra
nhờ
ª
Các
lớp
vật
liệu
nền
(vật
liệu
hy
sinh)
và

vật
liệu
cấu
trúc
được
t
ạo
ra
nhờ
công nghệ màng mỏng (thin film technology).
ª Thựchiện các phương pháp ănmònướtcóchọnlọcvớilớpvậtliệu hy sinh.
Tạo lớp vật liệu nền
(vật liệu hy sinh)
Định dạng cấu trúc
(quang khắc)
Tạo lớp vật liệu
cấu trúc
Ăn mòn ướt (underetching)
lớp vật liệu hy sinh
Sấy khô cấu trúc sau ăn mòn
531
Khái iệ
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
) Qui trình chế tạokhống chế theo thờigian
5
.
3
.
1
.

Khái
n
iệ
m
Vật liệu hy sinh
Vật liệu cấu trúc
Lớp cảm quang
(photoresist)
Quang khắc với 1 MASK duy nhất
(photoresist)
Ăn mòn vật liệu hy sinh tạo cấu trúc
Kích thước cấu trúc
khống chế theo thời gian
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
531
Khái iệ
) Qui trình chế tạotựđịnh dạng sử dụng 2 mặtnạ quang (MASK)
5
.
3
.
1
.
Khái
n
iệ
m
Vật liệu hy sinh
Quang khắc với MASK thứ nhất
Lớp cảm quang

(photoresist)
Quang khắc với 1 MASK thứ hai
P
hotoresist
Vật liệu cấu trúc
P
hotoresist
Ăn mòn vật liệu hy sinh tạo cấu trúc
ª Cần kỹ thuật so MASK
532
Cá ấ đề kỹ th ật
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
5
.
3
.
2
.
Cá
c v
ấ
n
đề

kỹ

th
u
ật
Sự dính bám (stiction) giữa các lớp vật liệu

ấ
ố
ấ
ấ
) C
ơ
chế
) Tính ch
ấ
t không mong mu
ố
nlàmhỏng c
ấ
utrúcxu
ấ
thiện sau quá trình ăn
mòn ướtlớpvậtliệuhysinh
ª Lựcmaodẫn (capillary force)
ª Lựctĩnh điện (electrostatic force)
ª Lực hút phân tử (Van der Waals force)
ª Liên kết hydro (Hydro binding)
) Nguyên nhân
ª Hình thành lựccăng bề mặt trong quá trình bay hơi dung dịch sau ănmòn
kéo
các
bề
mặt
dính
lại
với

nhau
.
kéo
các
bề
mặt
dính
lại
với
nhau
.
ª Các bề mặtdínhchặtvới nhau do liên kết phân tử, nguyên tử
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
532
Cá ấ đề kỹ th ật
Sự dính bám (stiction) giữa các lớp vật liệu
Ph
há
hố
dí h
bá
5
.
3
.
2
.
Cá
c v
ấ

n
đề

kỹ

th
u
ật
)
Ph
ương
phá
pc
hố
ng
dí
n
h
bá
m
ª Sử dụng tương tác điệntừ ⇒ chỉ sử dụng vớivậtliệutừ.
ª T
ạ
o các cấutrúcchốn
g
đ
ỡ
g
iữa các lớ
p

cấutrúcs
ử
d
ụ
n
g
v
ậ
tli
ệ
uhữuc
ơ
ª Sử dụng các dung dịch dễ bay hơinhư
methanol kếthợ
p
vớiCO
2
lỏn
g
để tha
y
thế nước.
ạ
g
g
p
ụ g
ậ
ệ
(organic pillar) ⇒ đượctẩybỏ sau đóbằng pp ăn mòn plasma ô-xy.

p
2
g
y
Hiện tượng ứng suất nội
) Xuấthiện ở cấutrúcvậtliệuchế tạobằng công
nghệ
màng
mỏng
⇒
làm
biến
dạng
cấu
trúc
nghệ
màng
mỏng
⇒
làm
biến
dạng
cấu
trúc
.
Hiệu ứng sợi dây ngang (stringer)
) Hình thành do địahìnhchồng chéo củacấutrúc3
ề
chi
ề

u trong không gian hẹp ⇒ cảntr
ở
hoạt động của
linh kiệnnhưđan xen cơ hay đoảnmạch …
ể
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
5.3.3. Vật liệu si-líc đa tinh th
ể
Đặc điểm
)
Tính
chất
cơ
học
tốt
hơn
so
với
thép
:
) Cấutạogồm các đám hạt (grains) có định hướng ngẫu nhiên trong cấutrúc
tinh thể ⇒ kích thướchạttăng cùng vớichiềudàymàngđượctạo.
ª Suất đàn hồi Young ~ 140 – 190 Gpa,
Tính
chất
cơ
học
tốt
hơn
so

với
thép
:
ª Sứcbền đứtvỡ:~2-3Gpa,
ª
ế
ồ
ª
Bi
ế
ndạng đàn h
ồ
i
~
0,5%.
) Tính chất điện(điệntrở)dễ dàng đượcbiến đổibằng các kỹ thuật pha tạp
như khuếch tán hay cấy i-ôn.
) Tính tương thích với công nghệ chế tạoviđiệntử (IC Tech.) cao ⇒ dễ
dàng
tạo
SiO
bằng
phương
pháp
ô
-
xy
hóa
nhiệt
) Tính chất nhiệtcũng phụ thuộckíchthướchạt.

dàng
tạo
SiO
2
bằng
phương
pháp
ô
-
xy
hóa
nhiệt
.
) Có thểđượcchế tạobằng công nghệ LPCVD.
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
5.3.4. Qui trình SUMMiT
(Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology)
) Sử dụng kỹ thuật công nghệ LPCVD để tạo màng polysilicon và SiO
2
) Sử dụng kỹ thuật quang khắc(cóthểđến14lần) để chép các định
dạng
cấu
trúc
đã
được
thiết
kê
lên
phiến
đế

) Sử dụng ăn mòn i-ôn để tạocấu trúc trên các lớpmàngmỏng.
dạng
cấu
trúc
đã
được
thiết
kê
lên
phiến
đế
.
)
Sử
dụng
ăn
mòn
ướt
để
loại
bỏ
vật
liệu
hy
sinh
(SiO
)
Qi
tì h
th ờ

đ
ử
d
để
hế
t
á
li h
kiệ
i
hấ
hà h
ó
) Vậtliệubảovệ (mask material) thường là Si
3
N
4
.
)
Sử
dụng
ăn
mòn
ướt
để
loại
bỏ
vật
liệu
hy

sinh
(SiO
2
)
.
)
Q
u
i
t
r
ì
n
h
th
ư
ờ
ng
đ
ượcs
ử
d
ụng
để
c
hế
t
ạọ c
á
c

li
n
h
kiệ
nv
i
c
hấ
p
hà
n
h
c
ó
cấutrúcphứctạpnhư các bộ vi hộpsố (microgear), mô-tơ,gương đặt
thẳng đứng.
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
534
Q i t ì h SUMMiT
5
.
3
.
4
.
Q
u
i

t

r
ì
n
h

SUMMiT

(Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology)
) Xuất phát với phiến si-líc loạin
) TạolớpSiO
2
(độ dày ~ 0,63 μm) bằng pp ô-xy hóa nhiệtvàSi
3
N
4
(độ dày ~
0,8 μm) trên lớpSiO
2
.
) Phủ lớp polysilicon đầu tiên – MMPOLY0 (độ dày ~ 0,3 μm) trên bề mặt
lớpSi
3
N
4
.
)
Phủ
lớp
SiO
vật

liệu
hy
sinh
(độ
dày
~
2
μ
m)
–
SACOX
1
)
Phủ
lớp
SiO
2
vật
liệu
hy
sinh
(độ
dày
~
2
μ
m)
–
SACOX
1

.
) Quang khắcvàănmòntạohốc ở lớpSiO
2
vậtliệu hy sinh.
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
534
Q i t ì h SUMMiT
ề
5
.
3
.
4
.
Q
u
i

t
r
ì
n
h

SUMMiT

(Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology)
) Phủ lớp
p
olysilicon th

ứ
hai – MMPOLY1 trên
bề
mặtlớpSACOX1đã
được quang khắc định dạng.
) Phủ lớp SACOX2 (độ dày ~ 0,3 μm) lên trên và quang khắc
)
Ă
ò
MMPOLY
2
à
lớ
hỗ
h
ả
MMPOLY
1
à
MMPOLY
2
bằ
) Phủ lớp polysilicon – MMPOLY2 pha tạp(độ dày ~ 1,5 μm)t rựctiếp
lêntrênbề mặtlớp MMPOLY1.
)
Ă
nm
ò
n
MMPOLY

2
v
à
lớ
p
hỗ
n
h
ợpc
ả
MMPOLY
1
v
à
MMPOLY
2
bằ
ng
pp i-ôn hoạt hóa RIE.
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
534
Q i t ì h SUMMiT
5
.
3
.
4
.
Q
u

i

t
r
ì
n
h

SUMMiT

(Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology)
) Thựchiệnkỹ thuật mài CMP (chemico mechanical polishing) để giảm độ
dày
S
A
CO
X
3
x
uố
n
g
cò
n
~
2
μ
m
.
) TạolớpSiO

2
t
ừ
TEOS (tetraethoxysilane) với độ dày
~
6
μ
m – SACOX3.
dày
SCO
3
uố g
cò
μ
.
) Quang khắcvàđịnh dạng lớp SACOX3 tạohốccấutrúcxuống đếnlớp
MMPOLY2, sau đóphủ Si lấp đầyhốc.
ế
) Phủ lớp
p
olysilicon – MMPOLY3
p
ha tạp(độ dày ~ 2
μ
m) trựcti
ế
plên
trên bề mặtlớpSACOX3.
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
5.3.4. Qui trình SUMMiT

(Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology)
) Tiếptục qui trình với các lớp SACOX3 và MMPOLY4.
) Ănmònướt để tạocấutrúccuối cùng.
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
5.3.4. Qui trình SUMMiT
(Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology)
Các mẫu linh kiện bộ chấp hành n chế tạo
bằng qui trình SUMMiT
5.3. Công nghệ vi cơ bề mặt
5.3.4. Qui trình SUMMiT
(Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology)
Các mẫu linh kiện bộ chấp hành n chế tạo
bằng qui trình SUMMiT
V. Vi chế tạo và công nghệ MEMS
1. Kỹ thuật ănmòn/Etching Methods
2. Côn
g
n
g
h
ệ
vi c
ơ
kh
ố
i/Bul
k
Micromachinin
g
g

g ệ
g
3. Công nghệ vi cơ bề mặt/ Surface Micromachining
4
Công
nghệ
LIGA/
LIGA
Technology
4
.
Công
nghệ
LIGA/
LIGA
Technology
5. Hàn ghép phiến/Wafer Bonding
5. 4. Công nghệ LIGA
541
Khái iệ
5
.
4
.
1
.
Khái
n
iệ
m

) Quá trình chế tạo các vi cấutrúc3chiềubằng:
ª Kỹ thuật quang khắcsử dụng tia X (X-ray lithography),
ª Kỹ thuậtlắng đọng điện hóa (Galvanoformung),
ª Kỹ thuậttạo khuôn đúc (Abformung).
)
Được
phát
triển
bởi
trung
tâm
nghiên
cứu
hạt
nhân
Karlsruhe
Đức
(
1980
)
Được
phát
triển
bởi
trung
tâm
nghiên
cứu
hạt
nhân

Karlsruhe
,
Đức
(
1980
)
.
) Cho phép tạocấutrúccóchiều cao ~ hàng trăm μm đếnmm,vàchiều
ngang vẫnchỉ là ~ μmhoặcnhỏ hơn (submicron) do bước sóng ngắncủa tia
ắ
X trong kỹ thuật quang kh
ắ
c.
) Vậtliệu đadạng: Polymer (PMMA), kim loại, gốm, điệnmôi…
) Thờigianchiếuxạ dài ⇒ giá thành cao (do thiếtbị quang khắc tia X).
542
Qitìh ô hệ
5. 4. Công nghệ LIGA
5
.
4
.
2
.
Q
u
i

t
r

ì
n
h
c
ô
n
g
n
ghệ
MASK
Quang khắc
(X
ray lithography)
Tia X
(X
-
ray

lithography)
Tẩy bỏ PMMA tạo hình
Polymer (PMMA)
Si-líc (hoặc kim loại)
Tetrahydro-1,4-oxazine (20 %),
2
ithl
1
(
5
%
)

2
(
2
(polymer developing)
Lắng đọng điện hóa
(electroplating)
Kim loạitạo khuôn
2
-am
i
noe
th
ano
l
-
1
(
5
%
)
,
2
-
(
2
-
butoxyethoxy)ethanol (60 %),
và H
2
O(15%)

(electroplating)
Tạo khuôn bằng cách tẩy bỏ
si-líc và
p
ol
y
mer
(
etchin
g)
Khuôn kim loại
py ( g)
Thực hiện kỹ thuật đúc
(molding)
Vậtliệu đúc
Thành phẩm
ẩ
5. 4. Công nghệ LIGA
5.4.3. Sản ph
ẩ
m
V. Vi chế tạo và công nghệ MEMS
1. Kỹ thuật ănmòn/Etching Methods
2. Côn
g
n
g
h
ệ
vi c

ơ
kh
ố
i/Bul
k
Micromachinin
g
g
g ệ
g
3. Công nghệ vi cơ bề mặt/ Surface Micromachining
4
Công
nghệ
LIGA/
LIGA
Technology
4
.
Công
nghệ
LIGA/
LIGA
Technology
5. Hàn ghép phiến/Wafer Bonding
1
à ĩ iệ (i i)
5.5. Hàn ghép phiến
) Hàn ghép đế Si-líc vớithủy tinh Pyrex bằng điệntrường có hỗ trợ nhiệt.
5.5.

1
. H
à
n t
ĩ
nh đ
iệ
n
(
anod
i
c bond
i
n
g)

) Thủy tinh chịunhiệt đượcsử dụng làm các chai lọđựng hóa chấtcho
qui trình xử lý nhiệt.
Thủy tinh Pyrex
) Thành phần: 80.6% SiO
2
, 12.6% B
2
O
3
,4.2%Na
2
O,2.2%Al
2
O

3
,0.04%
Fe
2
O
3
, 0.1% CaO, 0.05% MgO, and 0.1% Cl.
C hế át ì h
C
ơ c
hế
qu
á

t
r
ì
n
h
) Thủy tinh pyrex tiếp xúc trực
tiế
p
với si-líc.
p
) Thủy tinh pyrex nốivới điệnthế (-)
) Si-líc nốivới điệnthế (+)
) Nhiệt độ ~ 400
0
C
5.5. Hàn ghép phiến

1
à ĩ iệ (i i)
)
Thủ
ti h
P
bị
ó
hả
á
i
ô
ki
l i
bị
hâ
l
Cơ chế quá trình
5.5.
1
. H
à
n t
ĩ
nh đ
iệ
n
(
anod
i

c bond
i
n
g)

)
Thủ
y
ti
n
h
P
yrex
bị
n
ó
ng c
hả
y ⇒ c
á
c
i
-
ô
n
ki
m
l
oạ
i

bị
phâ
n
l
y.
) I-ôn Na
+
trôi vềđiệncực (-), i-ôn O
-
đivề phía si-líc ⇒ hình thành điện
trường tiếpxúckéoSi+sangthủy tinh ⇒ tạo ô-xít si-líc tại vùng tiếpgiáp
⇒
vùng
nghèo
Na
⇒
vùng
nghèo
Na
.
) Điệntrường cao (1000 – 1500 V) ⇒ Quá trình kếthợp si líc và thủy tinh
tại vùng tiếp xúc ⇔ quá trình hàn nóng chảygiữa2vậtliệu.
5.5. Hàn ghép phiến
1
à ĩ iệ (i i)
Đặc điểm quá trình
)
Bảo
đảm
sự

tiếp
xúc
thực
sự
tại
bề
mặt
tiếp
xúc
giữa
Si
-
líc
và
Pyrex
5.5.
1
. H
à
n t
ĩ
nh đ
iệ
n
(
anod
i
c bond
i
n

g)

Bảo
đảm
sự
tiếp
xúc
thực
sự
tại
bề
mặt
tiếp
xúc
giữa
Si
líc
và
.
Pyrex
Si
Glass
) Nếucóđộ nhám (roughness) ⇒ quá trình hàn chỉ xảyratạinhững chỗ tiếp xúc
5.5. Hàn ghép phiến
1
à ĩ iệ (i i)
Dụng cụ hàn và ứng dụng
5.5.
1
. H

à
n t
ĩ
nh đ
iệ
n
(
anod
i
c bond
i
n
g)

) Đơngiản, dễ dàng tự tạo
) Tạocấutrúchoặcgiacố bảovệ các
i
ấ
đối
i
biế
v
i
c
ấ
utrúc
đối
vớ
i
các cảm

biế
náp
suất, gia tốcvàvậntốc góc
(micromachined gyroscope).
ế
5.5. Hàn ghép phiến
5.5.2. Hàn nón
g
chả
y
trực ti
ế
p (fusion)
) Hàn
g
hé
p
tr
ự
ctiế
p
các đế Si-líc với nhau có hỗ tr
ợ
nhi
ệ
t.
gp
ự
p
ợ

ệ
) Đặc điểm quá trình
ª Đế si-líc đư
ợ
cchotiế
p
xúc với nha
y
b
ằn
g
á
p
l
ự
c.
ợ
p
y
g
p
ự
ª Bề mặtphẳng tuyệt đối
) Các bướcthựchiện:
ª
N
hiệt độ cao
~
1000
0

C
ª 1- tạobề mặttiếp xúc: Tạorabề mặt có nhóm OH hoặcH
ª 2- Thựchiệntiếp xúc: Kếtdínhbề mặt,
ª 3- Hàn trựctiếpbằng nhiệt độ cao.