materials & fabrication technology 1

Hi Đại Học Bách Khoa Hả Nội 3.1.1.Liên kêt giữa các nguyên tử ® Vật chất cầu tạo từ nguyên tử —= khoảng 100 loại nguyên tử khác nhau — tính chất của vật liệu e nguyên tử và dạng liê

CONG NGHE VA LINH KIEN

MEMS Một thể giới rộng mở và quyền rũ

(An fascinating and openning world)

MATERIALS AND MICROELECTRONIC PROCESSES

IV THIET KE LINH KIEN VA XAY DUNG QUY TRINH

CHE TAO/ MEMS DESIGN

V VI CHE TAO VA PHAN LOAI CONG NGHE MEMS/

MICROFABRICATION AND MEMS TECHNOLOGY

VI CAC LINH KIEN MEMS DIEN HINH/

TYPICAL MEMS DEVICES

3.1 Cơ sở cầu trúc vật liệu / Material structure

3.2 Vật liệu cho MEMS / Materials for MEMS

3.3 Ky thuat ché tao vi dién ti/ IC Technology

3.4 Cong nghé mang mong/ Thin Film Technology

3.5 Kết luận/Conclusions

3.1 Cơ sở cầu trúc vật liệu / Material structure

3.2 Vật liệu cho MEMS / Materials for MEMS

3.3 Kỹ thuật chế tạo vi điện tử/ IC Technology

3.4 Cong nghé mang mong/ Thin Film Technology

3.5 Kết luận/Conclusions

Hi Đại Học Bách Khoa Hả Nội

3.1.1.Liên kêt giữa các nguyên tử

® Vật chất cầu tạo từ nguyên tử —= khoảng 100 loại nguyên tử khác nhau

— tính chất của vật liệu e nguyên tử và dạng liên kết giữa các nguyên tử

6 Cs/| Ba| La] Hf | Ta| W | Re| Os| Ir | Pt | Au Tl | Pb | Bi | Po} At | Rn

3s NA | l9 Ð t2 aie "me | te02 | soz | W2 | tose _| coro | seve | seas | sora | s000 | coo || src | soso

a co s9 104 108 107 109 oy #10

7 Fr | Ra | Ac| Rf | Db| Sg| Bh| Hs | Mt |Uun Metals |Nom-

“So | ‘mec | a7 N A0 | MÔ | ses | Ma | MO | 2 | are l@zIllz

3.1 Cơ sở câu trúc vật liệu

3.1.1.Liên kết giữa các nguyên tử

Lién két i-6n (ionic bonding)

C6 su di chuyén cua cac dién tir hinh thanh i-6n (+) — (anion) va (-) — (cation)

®" Hình thành do lực hút tĩnh điện giữa cac 1-6n lân cận

®" Luôn duy trì trung hòa điện

s Liên kết trong vấu trúc mạng

Điện tử hóa trị

›— CE

> OO

3.1 Cơ sở câu trúc vật liệu

3.1.1.Liên kết giữa các nguyên tử

Liên kết đồng hóa trị (covalent bonding)

2 Cấu trúc điện tử của một nguyên tử chỉ ôn định khi lớp vỏ hóa trị ngoài

cùng được điên đây — liên kết đôi (chia sẻ điện tử hóa tr1)

® Chủ yêu xuât hiện ở các chât hữu cơ

3.1 Cơ sở câu trúc vật liệu

3.1.1.Liên kết giữa các nguyên tử

Liên két kim loai (metallic bonding)

= Cac kim loại thường chỉ có 3 e' hóa

trị ở lớp ngoài cùng — liên kết yếu với

hạt nhân và cấu trúc bên trong > dé

dàng bứt ra khỏi câu trúc của một

nguyên tử > các điện tử tự do => hình

thành đám mây điện tử — các e' có độ

linh động lớn — tăng tính dẫn nhiệt và

điện và tính chất cơ học đàn hồi

®" Các lõi nguyên tử mang điện tích (+)

liên kêt với nhau nhờ lực hút với các

3.1.2 Câu trúc vật liệu

s Cầu trúc nguyên tử của chất rắn được chia làm 3

loạ: tinh thê (crystalline), đa tình thê

(polycrystalline) va vo dinh hinh (amorphous)

® Vật liệu tỉnh thể: câu trúc nguyên tử 3 chiều, kích

thước lớn, các nguyên tử chiếm các vị trí đặc biệt,

xắp xếp có trật tự và lặp lại trong không gian tạo ra

cầu trúc mạng tuân hoản

s Vật liệu đa tinh thể có đám hạt (grains) hình thành

bởi các tính thê nhỏ và các chât trung gian giữa các

đám hạt gọi là cac bién hat (grain boundary)

Hat tinh thé

Bién hat

3.1 Cơ sở câu trúc vật liệu

3.1.2 Câu trúc vật liệu

®" Vật liệu vô định hình: vị trí các nguyên tử có một

khoảng cách với nhau và không có tính lặp lại > các phân

tử sắp xếp ngẫu nhiên giống như chất lỏng (gọi là chất

lỏng siêu nguội - supercooled liquids), tính chất vật lý như

nhau theo mọi hướng (vật liệu đắng hướng — isotropy)

O-xit Si-lic (SiO,) cau tric tinh thé Ô-xít Si-líe (SiO,) vô định hình

= 0 co so don gian nhat có dạng hình lập phuong (cubic), cac nguyén tu

năm ở các đỉnh — cau truc nay dé dang bi méo

s Thể tích của các nguyên tử trong 1 ô cơ sở / thê tích của ô gọi là hệ sô xếp

chat (packing factor)

* 3 cau tric dién hinh: lap phuong tam khdi (body centered cubic — BCC),

lap phuong tam mat (face centered cubic — FCC ); sau phuong xép chặt

(hexagonal closed packed - HCP)

* Cau trúc tinh thê có vai trò quan trọng do những đóng góp về tính chất cơ

hoc cho vật liệu Nêu các mặt phăng nguyên tử gân nhau chúng sẽ dê dàng

trượt lên nhau — dê bị biên dạng

11

Cơ sở câu trúc vật liệu LT

3.1.3

Mạng lập phương đơn giản có thêm một nguyên tử tại tâm lập phương >

số nguyên tử trong 1 ô cơ sở = 2 (1 + 8x1/8)

Packing factor = 0.68 => vật liệu câu trúc bcc có độ cứng cao, tính đàn

14

3.1.4 Chỉ số Miller (Miller index)

® Cách thức dé biéu diễn định hướng phương của truc va mat phang

trong câu trúc tinh thê

s Ký hiệu dựa trên vector đơn vị (số nguyên - integer) tương ứng 3

phương của tọa độ Decartes > ký hiệu trục tinh thê là | | hoặc < >; mặt

truc [101]; phuong di qua 2

3.1 Cơ sở câu trúc vật liệu

Định hướng n mat tinh thé

s Mặt phăng // (x,y) > (001); Mat phang // (x,z)

IV Vật liệu và các kỹ thuật chế tạo

1 Cơ sở câu trúc vật liệu / Material structure

2 Vật liệu cho MEMS / Materials for MEMS

18

3.2.1 Si-lic (silicon - Si)

= Duoc su dung lam vat lieu dé (substrate)

trong CN IC va MEMS

Cấu trúc tỉnh thể của Si

œ Sị là vật liệu tinh thể dị hướng có cấu trúc

“ 3 mặt phăng nguyên lý đặc trưng cho

3.2.1 Si-lic (silicon - Si)

Ky thuat ché tao tinh thé Si

= Si đa tinh thé duoc làm từ cát —> được nung nóng chay (1417 °C) => tao mam

Si don tinh the => tạo hình thỏi S1 băng cơ chê kéo va quay

Sỉ đơn: ^ Si đa tinh thé

3.2 Vật liệu cho MEMS

3.2.1 Si-lic (silicon - Si)

Quy trình kỹ thuật chế tạo phiên Sỉ

Si da tinh thé

Đánh bóng

bê mặt

thanh pham

3.2.1 Si-lic (silicon - Si)

Phân loại phiến Si

s Phiến S¡ định hướng mặt ƒ100} loại n

s Phiến Si định hướng mặt {100} loại p

Tính chất cơ học

® Vật liệu khối: cứng và ròn, biến

dạng đàn hôi nhỏ

® Độ bên kéo: 7 GPa

® Phụ thuộc nôn độ pha tạp: xuất hiện

Ứng suất nội khi nông độ pha tạp ~

1020 cm”

s Thay đối tính chất cơ tùy khi được

(diaphragm) hoặc thanh dầm (beam)

3.2 Vật liệu cho MEMS

3.2.2 Si-lic da tinh thé (polysilicon)

2 Câu trúc là các đám hạt (grains) hình thành bởi

các tinh thể si-líc nhỏ giữa chúng là các biên hạt

(grain boundary)

« Tính chất vật liệu

% Ban chất là vật liệu bán dẫn giống Si — có thể

pha tạp dé tao ra loại n/hay p

$ Có khả năng chịu nhiệt cao hơn Sĩ, có liên kết tốt

% Vat liệu nguôn dé ché tao si-lic

% Vai tro nhu Si trong ché tao linh kién MOSFET

% Vat liéu quan trong trong céng nghé vi co bé mat 23

“Làm cực cửa (gate) trong cầu trúc transistor CMOS

= Vat liệu bảo vệ (MASK materrial)

$ Trong qui trình pha tạp băng kỹ thuật khuếch tán hoặc cay i-6n;

Š Trong qui trình ăn mòn ướt tạo câu trúc

s Vật liệu hy sinh (sacrificial materrial) trong công nghệ vi cơ bê mặt 24

3.2.3 Vật liệu điện môi

Ô-xít si-líc (SiO.)

s Lắng đọng hóa pha hơi áp suất thấp (low

25

3.2 Vật liệu cho MEMS

3.2.3 Vật liệu điện môi

Thạch anh (SIO,)

Câu trúc tinh thể và tính chat

®Irigonal (œ-Quartz) ở nhiệt độ phòng:

Š 6 mặt bao quanh với 3 trục x (hoặc 3 trục y)

hợp với nhau 1200 cùng xoay xung quanh trục z

(trục quang)

Š Các trục y vuông góc với các mặt bên còn

các trục x chia đôi góc tạo bởi các mặt bên

« Thé hiện hiệu ứng áp điện mạnh

Ứng dụng

®" Được sử dụng làm cảm biên đo khối lượng

= vi cân tinh thé thach anh (quartz crystal

3.2.3 Vật liệu điện môi

Vat liéu g6m (Ceramic Materials)

PZT

* Cau tric Perovskite, hon hợp ô-xíÍt

Pb(Zr,, 110, _,.)O3; —> vật liệu gôm

« Thê hiện tính chất áp điện mạnh

s Phương pháp chế tạo:

S Sol-gel => quay phu tạo màng

% Phun xa (sputtering) str dung bia (target)

= Ung dụng:

%, Cam bién sinh hoc;

% Actuator;

3.2 Vật liệu cho MEMS

3.2.3 Vật liệu điện môi

Vật liệu gôm (Ceramie Materials)

Silicon Nitride (Si,N,)

= Tinh chat vật liệu

% Vat liéu chiu nhiét cao, hé s6 din no nhiét nho (~ 3,3);

% D6 cing cao, chiu mài mòn tốt;

$ Không xốp, trơ với nước;

Š Không có phản ứng ô-xy hóa khử trong môi trường

= Ung dung

© Vật liệu MASK trong quy trình ăn mòn ướt (tốt hơn SiO,);

% Lép bao vé trén bé mat chip (passivation layer);

= Ché tao

% Lang đọng hóa từ pha hơi (CVD); 28

3.2 Vật liệu cho MEMS

3.2.4 Kim loại

Nhôm (Aluminum -— Al)

2 Làm đường dẫn điện trong cấu trúc điện của linh kiện;

® Giới hạn chịu đựng nhiệt độ < 400 9C;

s Phản xạ ánh sáng tốt (làm gương)

Vang (gold - Au)

* Lam dién cực dẫn điện trong câu trúc điện của linh kiện;

®" Chịu được nhiệt độ cao hơn nhôm;

® Không bị ô xy hóa;

s Phản xạ tốt hơn với ánh sáng hông ngoại (IR)

Các kim loại khác

® Platinium (Pt): điện cực dẫn cho câu trúc thạch anh hoặc mang PZT;

Titanium (Ti), Tantanium (Ta), Crom (Cr): lớp lót kết dinh cho điện cực 1t:

3.2 Vật liệu cho MEMS

s Tính chất quang tốt (trong suôt);

% Tương thích với các tê bảo sinh học;

% Polyvinyl Alchohol (PVA/PAA);

% Polyethylene Glycol (PEG);

Polyethylene Diacrylate (PEGDA);

> PolyHEMA:

Chitosan

Ung dung

® Vật liệu cầu trúc sử dụng trong công nghệ LIGA ché tao actuators;

« Vat liéu chức năng sử dụng trong chê tạo sensors như môi trường trung