KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT (surface micromachining)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT
(Surface Micromachining)
NỘI DUNG

GVHD: TS. ĐẶNG VINH QUANG
Nhóm trình bày: Nhóm 10

GIỚI THIỆU VỀ CƠNG NGHỆ
QUY TRÌNH THỰC HIỆN
CÁC VẤN ĐỀ TRONG CƠNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT
VI CƠ BỀ MẶT ĐA LỚP
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT

Trương Minh Nhật
Phạm Phú Quân
Lê Quốc Tâm
Nguyễn Văn Thắng
Võ Quang Triểu
Huỳnh Quang Tuyến
Phan Thị Kim Yến

CÔNG NGHỆ LIGA
1

Tp HCM, 19 tháng 06 năm 2020

1719134

1719157
1719168
1719175
1719219
1719233
1719257


01

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT

Micromachining: Kỹ thuật chế tạo cấu trúc 3D
và 2D trên thang đo micromet.
Có 3 cơng nghệ chủ yếu:
 Vi cơ khối ướt
 Vi cơ bề mặt
 LIGA: Lithographie, Galvanoformung, 

Abformung.

2


01 GIỚI THIỆU VỀ CƠNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT
• Vi cơ bề mặt là một kỹ thuật được sử
dụng để tạo MEMS.
• MEMS
(Microelectromechanical
systems) là hệ thống cơ điện tử.

• Kỹ thuật này sẽ phủ một lớp vật liệu hy
sinh trên lớp đế, khắc (lithography) lên
lớp vật liệu hy sinh để tạo hình cho lớp
vật liệu cấu trúc sau đó ăn mòn
(etching) đi lớp vật liệu hy sinh
(sacrificial) chỉ để lại lớp vật liệu cấu
trúc.

3


01 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT
STT

So sánh
Vi cơ
khối ướt
và
Vi cơ bề
mặt

4

Vi cơ khối ướt

Vi cơ bề mặt

1

Được chế tạo bằng cách khắc (lithography) đi Được chế tạo bằng cách xây dựng các lớp

phần không mong muốn trong Wafer silicon.
trên các lớp.

2

Vi cơ khối ướt có thể tạo ra các cấu trúc lớn.

3

Tỷ lệ hình học - Kích thước bề mặt lớn hơn Khơng bị hạn chế bởi độ dày của wafer
nhiều so với chiều cao vì chiều cao bị giới hạn silicon, vì vậy tỷ lệ hình học cao có thể được
bởi độ dày của wafer silicon.
chế tạo bằng cách sử dụng vi cơ bề mặt

4

Quá trình đơn nhất dễ khống chế.

Thiết kế và sản xuất mặt nạ phức tạp.

5

Không cần lớp hy sinh.

Bắt buộc phải có lớp hy sinh.

6

Quy trình ít tốn kém nhưng hao tổn vật liệu
nhiều

Q trình tốn kém, ít hao tổn vật liệu.

Khó tạo ra cá cấu trúc lớn.


01 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT
So sánh
Vi cơ
khối ướt
và
Vi cơ bề
mặt

5

STT

Vi cơ khối ướt

Vi cơ bề mặt

7

~ 5mm

Kích thước thiết bị

< 1mm

8

~ 1 mm

Fetures Size

~ 1 mm

9

~ 100 mm

Độ dày

1 – 3 mm

10

Tạo ra các cấu trúc bên
trong đế.

Cấu trúc

Tạo ra các cấu trúc
trên bề mặt đế.


01 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT
Quy trình xử lý đế
 Phải sử dụng các phương pháp làm

sạch đế để loại bỏ đi các lớp Oxide
của các quá trình trước để lại trên
đế.
 Sử dụng plasma để làm sạch đế
trước khi phủ các lớp lên bề mặt
đế. Người ta có thể sử dụng các khí
chứa Flo như CF4, SF6, NF3, và
CHF3 để plasma hóa.

6


02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Figure 1. Process flow the single-layer polysilicon
surface micromachining

7

Figure 2. Basic surface micromachining process.
(a) Spacer layer deposition.
(b) Pattering of the spacer layer.
(c) Deposition of the microstructure layer.
(d) Patterning of desired structure.
(e) Stripping of the spacer layer resolves final structure.
 

02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Bước 1: Biến tính bề mặt đế
tạo lớp Oxide

Bước 2: Phủ lớp Photo resit (lớp hy sinh Sacrificial)

Oxide SiO2

Photo Resit
Oxide SiO2

Si substrate

Si substrate

Bước 4: Lắng đọng lớp linh kiện và tiếp
tục khắc tạo thiết kế

Bước 3: Khắc lớp hy sinh
để tạo rãnh
Photo Resit

Oxide SiO2

Oxide
Si substrate
8

Si substrate


02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Bước 4: Lắng đọng lớp linh kiện (structure layer)
• Phủ lớp vật liệu linh kiện lên lớp hy sinh bằng CVD, PVD.
Poly-Si

Cụ thể là được chế tạo bằng phương pháp LPCVD ở áp
suất 25 – 150 Pa, nhiệt độ 600oC.
• Lớp linh kiện thường được sử dụng là vật liệu silic đa tinh

Si substrate

thể.
• Bề dày lớp ph l: 0.5 5 àm
ã to c silic đa tinh thể, phản ứng silan nhiệt phân như
sau: Si(poly) SiH4  Si + H2
• Ủ nhiệt trong N2 ở 1050oC.

9


02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Tính chất vật liệu silic đa tinh thể
- Cấu tạo gồm các đám hạt (grains) có định hướng ngẫu nhiên trong cấu
trúc tinh thể ⇒ kích thước hạt tăng cùng với chiều dày màng được tạo.
+ Ứng suất đàn hồi Young ~ 140 – 190 Gpa,
+ Sức bền đứt vỡ: ~ 2-3 Gpa,
+ Biến dạng đàn hồi ~ 0,5%.
- Tính tương thích với cơng nghệ chế tạo vi điện tử (IC Tech.) cao ⇒ dễ
dàng tạo SiO2 bằng phương pháp oxi hóa nhiệt
- Tính chất nhiệt cũng phụ thuộc kích thước hạt.

10


02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Thay đổi tính chất điện bằng pha tạp

N2
Khuếch tán
Silic đa tinh thể
chứa tạp chất

Silic đa tinh
thể thuần

T = 1050oC
t = 1 giờ

Hình 5. Sơ đồ pha tạp bằng phương pháp khuếch tán

11

Ứng suất nén


02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Thay đổi tính chất điện bằng pha tạp

Ecao
E=

Ngun
tử

Ion
hóa

Ion
E = 10
-500 KeV

10
-

500
Ke
V

màng
Ứng suất kéo

Hình 6. Sơ đồ pha tạp bằng phương pháp cấy ion

12


02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Một số vật liệu khác
•

Ngồi vật liệu silic đa tinh thể, một số vật liệu khác cũng được sử
dụng trong cấu trúc vi cơ bề mặt như Si3N4, polyimide, SiC, α-Si:H,

Device layer

Sacrificial layer

Màng SiC đa tinh thể thường

Si, poly-Si

SiO2 (PSG, TEOS)

được tạo trên đế silic có phủ lớp

Al

Resist, amorphous Si

silic đa tinh thể bằng phương

Ni

Cu

SiO2/ Si/ SiO2

Al

SiO2, Si3N4, Si3N4/
Si/ Si3N4

Poly-Si

Polyimide

Cu

Ni, W, Al…
•

pháp APCVD. Trong trường
hợp này silic đa tinh thể đóng
vai trị là lớp hy sinh.

13

Bảng 1. Sự kết hợp giữa lớp linh kiện và lớp


02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Trường hợp khác

• Sử dụng cho kim loại như platinum, gold
do rất khó thực hiện etching.
• Khác với surface micromachining là sử
dụng chất photoresist tương đối dày.

Figure 3: Principle of the lift-off process

14


02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Bước 5: Loại bỏ lớp vật liệu hy sinh - Release Sacrificial

 Release trong công nghệ vi cơ bề mặt
là loại bỏ lớp vật liệu hy sinh
(Sacrificial) để tạo thành cấu trúc vật
liệu.
 Để có thể ăn mịn (etching) ngang
nhằm loại bỏ vật liệu hy sinh thì
thường chọn phương pháp ăn mịn
hóa ướt là thích hợp nhất.

15


02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Bước 5: Loại bỏ lớp vật liệu hy sinh - Release Sacrificial
Vấn đề gặp phải:
 Đối với cấu trúc khe hẹp và có diện tích lớn thì quy trình ăn mịn trong BHF phải
thức hiện trong thời gian kéo dài nhiều giờ liền.

Ảnh hưởng đến cấu

trúc của vật liệu.
Để giải quyết vấn đề trên, cần:
 Đối với vật liệu có cấu trúc dầm hoặc khối gia trọng cần được đục lỗ trong q
trình ăn mịn linh kiện.
 Bề dày lớp hy sinh cần có giá trị đủ lớn.
 Ngoài ra, pha tạp cũng là một giải pháp cần được chú ý đến.
16

02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Bước 5: Loại bỏ lớp vật liệu hy sinh - Release Sacrificial
Tốc độ ăn mòn của lớp hy sinh Rs cần có giá trị lớn hơn tốc độ ăn mòn của lớp
cấu trúc Rm và tốc độ ăn mịn của lớp cách điện Ri
Rm (µm/ phút)

 SiO2 đa tinh thể là vật liệu cấu

SiO2 đa tinh
thể

Rs
(µm/ phút)

Ri
(µm/ phút)

PSG
Si3N4
n+ Si

 PSG là vật liệu hy sinh.
SiO2

Si

17

trúc.

Hình 1: Mẫu được xử lý ăn mòn ước trong dung dịch BHF
nhầm loại bỏ lớp hy sinh PSG

 Si3N4 là lớp cách điện.


02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Bước 5: Loại bỏ lớp vật liệu hy sinh - Release Sacrificial
Đối với silic đa tinh thể:
 Lớp cách điện, lớp hy sinh cần được quan tâm trong vi cơ bề mặt.
 Đế silic hay lớp silic đa tinh thể pha tạp P cũng bị tương tác hóa học trong dung
dịch BHF.
 Si3N4 thường sử dụng làm lớp cách điện vì nó sẽ ăn mịn với tốc độ chậm hơn so
với SiO2

Bảng 1: Tốc độ khắc của một số loại oxit trong dung dịch HF:HCl

Màng Oxit

18

Tốc độ ăn mòn (Å/phút)

1. CVD SiO2 (T= 1050oC và t=30 phút)

6.177

2. CVD SiO2 pha tạp P (Nồng độ 8.1015/cm3)

8.330

3. Photphosilicate (PSG)

11.330

4. Borophotphosilicate

41.670


02

QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Bước 5: Loại bỏ lớp vật liệu hy sinh - Release Sacrificial
Bảng 2: Tổng hợp của hệ vật liệu cấu trúc, vật liệu hy sinh vad dung dịch khắc,
loại kỹ thuật khắc trong công nghệ vi cơ bề mặt.

19

DUNG DỊCH ĂN MÒN

LỚP ĐỆM/
LỚP CÁCH ĐIỆN

LỚP HY SINH

LỚP LINH KIỆN

BHF

LPCVD Si3N4/SiO2 nhiệt

PSG

Poly-Si

RIE; khí CF3

LPCVD Si3N4

LPCVD SiO2

CVD W

KOH

LPCVD Si3N4/SiO2 nhiệt

Poly-Si

Si3N4

Ferric chloride

SiO2 nhiệt

Cu

Polyimide

HF

LPCVD Si3N4/SiO2 nhiệt

PSG

Polyimide

Ammonium iodie

SiO2 nhiệt

Au

Ti

EDP

SiO2 nhiệt

Poly-Si

SiO2


03 CÁC VẤN ĐỀ TRONG CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT
Sợi dây ngang - Stinger
Hình thành do địa hình chồng chéo của cấu trúc 3 chiều trong không gian hẹp
Cản trở hoạt động của linh kiện như đan xen cơ hay đoản mạch…

Ma sát tĩnh - Sự bám dính các lớp vật liệu
Stactic Friction - Stiction

Ứng suất trong màng mỏng
20


03 CÁC VẤN ĐỀ TRONG CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT
3.2 Sự bám dính của các lớp vật liệu (stiction)
 Đây là một tính chất khơng mong muốn.
 Xuất hiện sau khi thực hiện q trình ăn mịn ướt loại bỏ lớp vật liệu hy sinh.
 Ngun nhân:
• Hình thành lực căng bề mặt trong quá trình bay hơi dung dịch sau ăn mịn, kéo các bề mặt
dính lại với nhau.
• Các bề mặt dính chặt với nhau do các liên kết phân tử, nguyên tử:
 Liên kết hydro
 Lực tĩnh điện
 Lực mao dẫn
 Lực hút phân tử
21

03 CÁC VẤN ĐỀ TRONG CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT
3.2. Sự bám dính của các lớp vật liệu (stiction)
Phương pháp chống bám dính vật lý
Giảm diện tích tiếp xúc
• Tạo các bề mặt ghồ ghề
• Tạo các điểm lúm đồng tiền (dimples): tạo các đỉnh (spikes) cục bộ trong 1 lớp
bổ sung

22


03 CÁC VẤN ĐỀ TRONG CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT
3.2. Sự bám dính của các lớp vật liệu (stiction)
Phương pháp chống bám dính hóa học
Sử dụng các dung dịch dễ bay hơi như methanol kết hợp với CO 22 lỏng để thay thế nước.
Điều chỉnh hóa học bề mặt

Lắng đọng các lớp kỵ nước năng lượng bám dính thấp với góc
ướt qc > 90o.
Ví dụ: phủ lớp tự tập hợp đơn lớp (self-assembled monolayers), khi rửa SAM
dựa trên hydrocarbon hoặc fluorcarbon chlorosilane.
23


03 CÁC VẤN ĐỀ TRONG CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT
3.2. Sự bám dính của các lớp vật liệu (stiction)
Tránh chuyển đổi trực tiếp lỏng - khí

Tránh sấy qua

bước bay hơi

24

Sấy thăng hoa
(Sublimation)

Sấy siêu tới hạn critical point
drying, CPD


03 CÁC VẤN ĐỀ TRONG CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT
3.2. Ứng suất trong màng mỏng

• Cơng nghệ vi cơ bề mặt liên quan
đến các quá trình chế tạo màng
mỏng trên bề mặt đế.
• Khi đó hệ màng mỏng có thể bị uốn
cong, biến dạng do ảnh hưởng của
ứng suất trong màng mỏng.

25