Nguồn bốc bay dùng chùm điện tử e-beam Điện tử được tạo bằng pp nhiệt đốt Chùm điện tử Đế substrate Điện tử được tạo bằng pp nhiệt đốt nóng dây điện trở - tungsten fillament sử dụng điệ
Trang 1Một thế giới rộng mở và quyến rũ
1
Trang 2III VẬT LIỆU VÀ CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO VI ĐIỆN TỬ/
MATERIALS AND MICROELECTRONIC PROCESSES
IV THIẾT KẾ LINH KIỆN VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH
CHẾ TẠO/ MEMS DESIGN
V VI CHẾ TẠO VÀ PHÂN LOẠI CÔNG NGHỆ MEMS/
MICROFABRICATION AND MEMS TECHNOLOGY
TYPICAL MEMS DEVICES
2
Trang 33.1 Cơ sở cấu trúc vật liệu / Material structure
3.2 Vật liệu cho MEMS / ậ ệ Materials for MEMS
3.3 Kỹ thuật chế tạo vi điện tử/ IC Technology
3 4 Công nghệ màng mỏng/ Thin Film Technology
3.4 Công nghệ màng mỏng/ Thin Film Technology
3
Trang 4Bộ đo độ dày màng (dùng
trình các nguyên tử, phân tử tự tách khỏi nguồn rắn
do nhiệt trong môi trường chân không cao
QCM) Đầu đo chân không
) Kim loại: Cr, Au, Ni, Fe, Al, Ti, Cu, Pt,…
) Hợp kim: FeNi, TiNi, SiW…
Trang 5ª Chịu được nhiệt độ cao (1000 – 3000 0C)
ª Không gây nhiễm bẩn
ª Không gây nhiễm bẩn
ª Không gây phản ứng hóa học với vật
liệu bốc bay
) Phân loại
ª Kiểu dây điện trở (filement) dùng Tungsten
ª Kiểu thuyền (boat) dùng W Ta Mo
ª Kiểu thuyền (boat) dùng W, Ta, Mo,…
ª Kiểu chén nung (crucible) dùng BN, TiBN, ô-xít nhôm (alumina),… 5
Trang 6Nguồn bốc bay dùng chùm điện tử (e-beam)
) Điện tử được tạo bằng pp nhiệt (đốt Chùm điện tử
Đế (substrate)
Điện tử được tạo bằng pp nhiệt (đốt
nóng dây điện trở - tungsten fillament)
sử dụng điện áp DC cao (súng điện tử/
e-gun) ⇒ đám mây điện tử được gia tốc
tạo thành chùm hạt năng lượng cao
Chùm điện tử
Nguồn
Chùm hơi vật liệu
Vật liệu
tạo thành chùm hạt năng lượng cao,
được định hướng tới, truyền năng lượng
và hóa hơi vật liệu bốc bay (trong điều
kiện chân không ~ 10-4 Torr) ⇒ khi tới
bề ặ đế đá h i ậ liệ à
g điện tử Nam
châm Cửa chắn
Hệ nước làm mát
ậ ệ bốc bay
bề mặt đế, đám hơi vật liệu ngưng tụ và
tạo thành màng mỏng phủ lên trên đế
Đường hút chân không
Trang 7) Kim loại: Cr, Au, Ni, Fe, Al, Ti, Cu, Pt,…
) Hợp kim: FeNi, TiNi, SiW…
) Ô-xít: ZnO, SiO2, Al2O3,…
Ni id AlN SiN
) Nitride: AlN, SiN,
) Làm hóa hơi vật liệu trong môi trường áp suất thấp và plasma,
Đặc điểm
ậ ệ g g p p p ,) Mật độ màng khá cao, kích thước hạt từ < 0,1 μm,
) Độ dính bám đế tốt 7
Trang 8) Khí Argon (Ar) được đưa vào trong
buồng (chamber) có điện cực dương A
(a-nốt) và âm K (Ka-tốt), nơi đặt vật liệu
nguồn để tạo màng mỏng, gọi là bia
) Nhờ điện trường giữa A và K (1000 V)
⇒ quá trình i-ôn hóa nguyên tử khí Ar tạo
(Target)
Hút chân không
ra Ar+ và e- (plasma Ar) trong môi trường
chân không cao (10-3 Pa)
) I-ôn Ar+ năng lượng cao bị hút về Kg ợ g ị ⇒ bắn phá và lôi các nguyên tử vật liệup g y ậ ệtạo màng ra khỏi bia → lắng đọng lên đế (đặt ở A)
8
Trang 10) Điện áp xoay chiều tần số vô tuyến (Radio
Frequency – RF) ~ 13.5MHz được đặt lên hệ DC
Frequency RF) 13.5MHz được đặt lên hệ DC
Do đặc tính xoay chiều các điện tích dương sẽ ở lại
trong vùng plasma và không tích tụ ở ca-tốt ⇒
giúp duy trì hiệu điện thế cao ⇒ có thể phún xạ
Lối vào khí Ar Hút chân không10
Trang 11CĐ xung quanh đường sức
⇒ tăng lượng i-ôn Ar do
Trang 12) Các yếu tố ảnh hưởng chất lượng tạo màng:
ª Hiệu suất phún xạ của vật liệu;
ª Hiệu suất phún xạ của vật liệu;
Trang 133 4 1 Lắ đ h h i bằ Vật lý
3.4.1 Lắng đọng pha hơi bằng pp Vật lý
(physical vapour deposition – PVD)
Tạo màng dùng xung Laser (pulse laser deposition - PLD)
) Phương pháp tạo màng mỏng (thin film) nhờ quá trình các nguyên tử bị táchkhỏi nguồn rắn do sự bắn phá của chùm xung laser năng lượng cao trong môitrường chân không cao
Buồng chân không
Trang 143 4 1 Lắ đ h h i bằ Vật lý
3.4.1 Lắng đọng pha hơi bằng pp Vật lý
(physical vapour deposition – PVD)
Tạo màng dùng xung Laser (pulse laser deposition - PLD)
) Quá trình bào mòn vật liệu bia do bức xạ
laser được thực hiện bởi sự hóa hơi tại Laservùng bề mặt (xảy ra trong thời gian rất
ngắn,10 ps đến ns):
Đế Bia
Bộ phận gia nhiệt
ª xung laser tới đi xuyên vào bề mặt của
ế
Vùng plassma
t bởi l
vật liệu đến 1 độ sâu nào đó tùy thuộc bước
sóng laser (~10 nm) và chiết suất của vật
liệu bia (xoay quanh 1 trục)
ª Điệ t ờ đ t bởi á h á
Buồng chân không tạo bởi laser
ª Các e- dao động trong điện từ trường của ánh sáng laser và có thể va chạm
ª Điện trường cao được tạo bởi ánh sáng
laser đủ mạnh để bứt các e- khỏi vật liệu
khối của vùng được xuyên qua
ª Các e dao động trong điện từ trường của ánh sáng laser và có thể va chạmvới các nguyên tử của vật liệu khối và chuyển hóa năng lượng đến mạng tinh thểcủa vật liệu bia tại bề mặt làm cho bề mặt nóng lên và vật liệu bị bốc hơi 14
Trang 153 4 2 ắ i ằ ó
3.4.2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học
(chemical vapour deposition – CVD)
) Phương pháp tạo màng mỏng (thin film) chất lượng
và độ tinh khiết cao thông qua phản ứng hóa xảy ra ở
h h i
Định nghĩa
pha hơi
Diễn tiến quá trình
) Nguyên liệu đầu vào: hỗn hợp khí chứa nguyên tử,
ầ
phân tử khí mang + nguyên tử, phân tử vật liệu cần tạo
màng (tiền chất – precursor) → vận chuyển (mass
transport) vào buồng phản ứng
B ồ hả ứ ( h b ) diễ á á ì h hó h để lắ
) Buồng phản ứng (reactor chamber): diễn ra các quá trình hóa học để lắngđọng các nguyên tử, phân tử cần thiết từ pha khí tạo thành màng trong điều kiệnnhiệt độ cao (quá trình nhiệt - heat transport) và áp suất thấp (chân không)
) Sả hẩ d thừ ủ hả ứ khí thải đ đ ài
) Sản phẩm dư thừa của phản ứng → khí thải được đưa ra ngoài
ª Lưu ý: Hỗn hợp khí tiền chất và khí thải thường độc hại ⇒ nguy hiểm! 15
Trang 163 4 2 ắ i ằ ó
3.4.2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học
(chemical vapour deposition – CVD)
Khí đã xử lý không gây ô nhiễm
Cấu trúc cơ bản của hệ CVD
Van khí
Lối vào
Buồng phản ứng tạo màng
Lối ra
Tủ khí
Bộ điều khiển lưu lượng khí
Bộ phận
gá phiến đế
16
Trang 173 4 2 ắ i ằ ó
Các quá trình hóa lý trong buồng phản ứng
3.4.2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học
(chemical vapour deposition – CVD) Các quá trình hóa lý trong buồng phản ứng
Quá trình khuếch tán pha khí
Dòng chảy chất lưu
Di chuyển ngang qua dòng khí do chênh lệch nồng độ
buồng PƯ
Cá á t ì h
Các quá trình hóa học pha khí Các quá trình
Các quá trình nhiệt
Đối lưu, dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt tạo
ra nhiệt trong buồng PƯ 17
Trang 183 4 2 Lắ đ h h i bằ Hó h
Các loại phản ứng tạo màng
3.4.2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học
(chemical vapour deposition – CVD)
Trang 193 4 2 ắ i ằ ó
3.4.2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học
(chemical vapour deposition – CVD) Phân loại CVD
Lò hiệt độ
Điều khiển áp suất
Khí (đã nén) cho PƯ
Lắng đọng nhiệt (thermal CVD)
Lò nhiệt độ cao Bơm hút
tạo màng vật liệu na-nô
như Carbon Nano Tube
(CNT) sợi Carbon Chiều dài lò
Đầu lò Đầu lò
(CNT), sợi Carbon
(carbon nanowire)
19
Trang 203 4 2 ắ i ằ ó
3.4.2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học
(chemical vapour deposition – CVD) Phân loại CVD
) Được thực hiện trong buồng phản
ứng có áp suất ~ vài trăm mTorr
) Cho phép tạo màng đồng thời trên cả 2 mặt của mẫu
) Cho phép tạo màng đồng thời trên cả 2 mặt của mẫu
) Thường sử dụng để tạo màng kim loại 20
Trang 213 4 2 ắ i ằ ó
Phân loại CVD
3.4.2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học
(chemical vapour deposition – CVD) Phân loại CVD
Lắng đọng kim loại hữu cơ (Metallorganic-MO CVD)
Dung dịch tiề hất tiền chất Buồng hóa hơi
khí được tách ra ⇒ hình thành các tiền chất (precursor) để tạo màng trên đế
) Thường được sử dụng để tạo màng hợp chất bán dẫn như GaN, SiGe,…hoặc điện môi (high k) như ZnO 21
Trang 223 4 2 ắ i ằ ó
3.4.2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học
(chemical vapour deposition – CVD) Phân loại CVD
Lắng đọng plasma tăng cường
(Plasma Enhanced -PE CVD)
Lối vào khí 13.56 Hz
Đế Buồng PƯ (chamber)
) Các phản ứng hóa xảy ra sau khi
có plasma của các khí phản ứng
) Plasma được tạo bởi điện áp xoay
Hút chân không
Điện cực được làm mát bằng nước
) Plasma được tạo bởi điện áp xoay
chiều (AC) tần số RF hoặc quá trình
phóng điện hào quang giữa 2 điện cực
(DC) chứa đầy khí phản ứng
) Dải áp suất buồng phản ứng khi có plasma: mTorr ÷ Torr; nhiệt độ: ≤ 300 0C
) Thông số chính: Lưu lượng khí PƯ, áp suất và công suất nguồn RF
) Áp dụng để tạo màng bảo vệ (passivation layer), líc vô định hình và líc đa tinh thể, sợi quang dẫn, carbon giống kim cương (diamond like carbon),
Trang 233 4 2 ắ i ằ ó
3.4.2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học
(chemical vapour deposition – CVD) Phân loại CVD
Vai trò plasma trong phương pháp PE CVD
) Năng lượng nhiệt để tách e- khỏi phân tử ~ 3 i ôn Điện
radicals Phân tử khí
) Năng lượng nhiệt để tách e khỏi phân tử ~ 3
eV, plasma có NL từ 10 eV ÷ hàng trăm eV ⇒
dễ dàng phân ly các phân tử ⇒ tăng khả năng
phá vỡ các phân tử bền vững và làm cho quá Đế
i-ôn trường
) NL lớ ủ l ⇒ á t ì h bắ há i ô
phá vỡ các phân tử bền vững và làm cho quá
trình lắng đọng tạo màng có thể xảy ra ở nhiệt độ
và áp suất thấp hơn so với pp lắng đọng nhiệt
plasma
) NL lớn của plasma ⇒ quá trình bắn phá i-ôn:
ª Ưu điểm: Tăng mật độ màng
i-ôn
Nguyên tử đế bị bắn ra ngoài trường Điện
ª Nhược điểm: gây ra hiện tượng phún xạ ⇒ có
Đế
g y g pthể tạo ra tạp không mong muốn cho màng hoặc
quá trình ăn mòn để 23
Trang 243 4 3 Ph há điệ hó ( l t l ti )
3.4.3 Phương pháp điện hóa (electroplating)
) Phương pháp tạo màng dày kim loại sử dụng
Định nghĩa
g p p ạ g y ạ ụ gdòng điện để tách các i-ôn kim loại và vận chuyển
trong dung dịch dẫn (điện phân) ⇒ tạo ra lớp phủ
trên bề mặt vật dẫn
) A-nốt: kim loại cần tạo màng
Cơ chế
) Ca-tốt: Nơi đặt đế (phiến Si) để lắng đọng màng
) Dung dịch điện phân: Chứa một hoặc nhiều hơn muối kim loại hòa tan để tạo
ra các phần tử dẫn điện cho phép dòng điện chạy trong mạch kín
Ứng dụng
Yêu cầu
) Màng phẳng, ứng suất nội nhỏ ⇒ phụ thuộc nhiệt độ và mật độ dòng điện phân
) Chế tạo “khuôn đúc” (mold) trong công nghệ LIGA
) Chế tạo vật liệu xốp (porous) cho các cấu trúc cảm biến khí hoặc độ ẩm 24
Trang 25) Khoa học vật liệu và công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu líc là cơ sở cho phát triển công nghệ MEMS
si-líc là cơ sở cho phát triển công nghệ MEMS.
dựa trên định hướng mặt theo trục tinh thể sử dụng khái niệm chỉ
<111> (100) (110) và (111)
<111>, (100), (110) và (111).
pha tạp (khuếch tán, cấy i-ôn), ô-xy hóa, cùng công nghệ màng mỏng cho phép thực hiện ý tưởng thu nhỏ cấu trúc linh kiện xuống các kích thước mong muồn tùy thuộc điều kiện công nghệ
và khả năng chế tạo
và khả năng chế tạo.
25
