microfabrication & MEMS technology 1

Các đặc trưng cơ bản Đẳng hướng isotropy và dị hướng anisotropy Ăn mòn đẳng hướng: tốc độ ăn mòn như nhau theo mọi phương không gian ª Do cấu trúc tinh thể ăn mòn hóa ướt ⇒ ăn mòn ngang

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

1 Kỹ thuật ăn mòn/ Etching Methods

2 Công nghệ vi cơ khối / g g ệ Bulk Micromachining 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

Định nghĩa Vùng ăn mòn Vùng được

5.1.1 Các đặc trưng cơ bản

) Quá trình tẩy bỏ vật liệu ở những khu

vực được lựa chọn của đế (phiến silíc

-wafer)

Đế

Vùng ăn mòn Vùng được

che chắn (bảo vệ)

wafer)

Vật liệu bảo vệ (mask material)

) Vật liệu che chắn vùng không cần ăn

ª Lớp bảo vệ mềm (soft mask): chất Đế

Soft mask Vùng ăn mòn

mòn, chịu đựng được các tác động hóa-lý

của môi trường ăn mòn

ª Lớp bảo vệ mềm (soft mask): chất

Vật liệu cần được ăn mòn trong qui trình MEMS ậ ệ ợ g q

Ăn mòn

Vật liệu Kim loại Si-líc Vậ điện môi ệ Kim loại

5.1.1 Các đặc trưng cơ bản Đẳng hướng (isotropy) và dị hướng (anisotropy)

) Ăn mòn đẳng hướng: tốc độ ăn mòn như nhau theo mọi phương không gian

ª Do cấu trúc tinh thể (ăn mòn hóa ướt) ⇒ ăn mòn ngang (undercutting)

) Ăn mòn dị hướng: tốc độ ăn mòn khác nhau

ª Do cấu trúc tinh thể (ăn mòn hóa ướt) ⇒ ăn mòn ngang (undercutting)

r H = r

Ăn mòn dị hướng: tốc độ ăn mòn khác nhau

theo tùy thuộc những phương nhất định

ª Hướng CĐ của các hạt trong ăn mòn do tương

tác của i ôn (ăn mòn hóa lý khô)

Ăn mòn hóa học Chất ăn mòn

Di chuyển tới vùng ăn mòn

Sản phẩm của phản ứng

) Phương pháp thực hiện: phiến đế

tiếp xúc trực tiếp với chất ăn mòn (các g

Phản ứng bề mặt

) Cơ chế: kết quả của phản ứng hóa

dung dịch hóa hoặc khí trong môi

trường plasma)

Cơ chế: kết quả của phản ứng hóa

do quá trình khuếch tán các chất ăn

ª Tính chọn lựa cao (highly selective),

ª Tốc độ ăn mòn phụ thuộc nhiệt độ

Khí ra Plasma

) Phương thức thực hiện: phiến đế tiếp

xúc trực tiếp với khí trơ và các i-ôn trong

Ăn mòn vật lý

) Cơ chế: kết quả của quá trình truyền

xung lượng của các i-ôn CĐ định hướng

ó i ố ới ê ử đế ó í h dị

Nguồn xoay chiều Đế

môi trường plasma

có gia tốc với nguyên tử đế, có tính dị

) Đặc điểm:

ª Vách ăn mòn thẳng (vertical wall),

ª Tính lựa chọn thấp (low selectivity),

ª Tạo ra sản phẩm phụ (by-product),

ª Tốc độ ăn mòn phụ thuộc quá trình

vận chuyển khối (mass transport), Vách ăn mòn

ạ p p ụ ( y p ),

) Vật liệu cần ăn mòn được nhúng trực

tiếp vào các dung dịch hóa như a-cid hoặc

Dung dịch

ăn mòn

Ăn mòn ướt (wet etching)

tiếp vào các dung dịch hóa như a cid hoặc

) Vật liệu cần ăn mòn không

tiếp xúc với các dung dịch hóa

ª Ăn mòn plasma (plasma

-Vbias

ạ(reactive ion etching - RIE) Cathode

Vacuum Pump

1 Kỹ thuật ăn mòn/ Etching Methods

2 Công nghệ vi cơ khối / g g ệ Bulk Micromachining 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

há ă ò ( ớt h ặ khô) ó h l ( i f b i ti )

pháp ăn mòn (ướt hoặc khô) có chọn lọc (microfabrication)

) Phân loại công nghệ theo các phương pháp ăn mòn:

Phụ thuộc định

hướng tinh thể trình công nghệ ụ ộ q

Chất ăn mòn

A-xít

Chất ăn mòn Ba-zơ

Ăn mòn plasma

sử dụng gốc F BrF 3 ,

XeF 2

5 2 2 Vi khối ớt 5.2.2 Vi cơ khối ướt Bản chất quá trình

) Vận chuyển (khuếch tán) chất phản

ứng tới bề mặt chất rắn

) Phản ứng bề mặt

Khuếch tán chất ăn mòn

Khuếch tán sản phẩm

ª NL hoạt hóa ⇒ điề khiển phản ứng bề mặt

) Các điều kiện ảnh hưởng:

- EA: NL hoạt hóa (eV)

ª Nhiệt độ khuếch tán ⇒ điều khiển chất phản ứng và sản phẩm

ª NL hoạt hóa ⇒ điều khiển phản ứng bề mặt

ª ( i i id) i ( d để ẩ l hẵ bề )

ª HF (hydroflouric acid): ăn mòn thủy tinh/ quartz, SiO2,

) Các hóa chất chính:

ª HNO3 (nitric acid): ăn mòn Si (sử dụng để tẩy và làm nhẵn bề mặt),

ª HPO4 (Phosphoric acid): ăn mòn nhôm (aluminum),

ª NH F ( i fl i ) kết h ới HF để ă ò SiO ⇒ t thà h

ª NH4F (ammonium flouric): kết hợp với HF để ăn mòn SiO2 ⇒ tạo thànhdung dịch đệm (buffered hydroxflouric acid – BHF)

) Đặc điểm:

ª Đều là các a-xít có tính hoạt hóa cao,

ª Tốc độ ăn mòn cao (từ vài chục đến vài trăm μm/giờ),

ª Nhiệt độ thấp (< 50OC)

ª Tạo ranh giới các tiếp xúc điện

ª Định dạng các màng đơn hoặc đa tinh thể hoặc vô định hình

ª Kết hợp kỹ thuật khuấyp ỹ y ⇒ Tăng tốc độ ăn mòn do bóng khí Hg g 22 sẽ được

“đuổi” nhanh hơn (bóng khí H2 ngăn cản việc vận chuyển sản phẩm phản ứng

ra khỏi bề mặt vật liệu ăn mòn)

5 2 2 Vi khối ớt 5.2.2 Vi cơ khối ướt

hoá hoặc môkt điện trường

ª Quá trình ô-xy hoá Si

ª Quá trình hoà tan ô-xít Si-líc

) Sử dụng hồn hợp HF/HNO3/CH3COOH (HNA)

ª Phương trình phản ứng

Si(s) + HNO3(l) + 6HF(l) + → 2H2O(l) + H2SiF6 (g) + HNO2(l) + H2(g)

ª Vai trò của CH3COOH: ngăn quá trình phân ly HNO3 thành NO3 và NO2

) Lưu ý khi sử dụng dung dịch HF

người khi tiếp xúc với cơ thể ⇒ luôn mang

kính + găng cao su phòng hộ trong khi thực

hiện công nghệ chế tạo

ª Dung dịch a-xít HF sau khi sử dụng phải

được chứa trong các bình (can) đựng an

toàn có nhãn ghi rõ loại hóa chất và thời

gian đã sử dụng và sẽ được hủy bỏ tại

những khu vực cho phép để bảo vệ môi

trường

Vật Dung dịch ăn mòn Tốc độ Mặt nạ bảo Độ chọn

Ăn mòn kim loại

Al 1) H3PO4:H2O:HNO3:CH3COOH

16:2:1:1 2) HCl + H O

~500 nm/min.

thể

nm/min.

Ă ò Si lí

Ăn mòn Si-líc

) Ba-zơ vô cơ: KOH, NaOH, LiOH, CsOH, NH4OH

) Hóa chất

) Tiêu chuẩn chọn lựa hóa chất

ª Ba-zơ hữu cơ: AH (Amonium Hydroxide), TMAH (Tetra Methyl AmoniumHydroxide ), EDP (Ethylene Diamine Pyrocatechol)

ª Tiện ích (có thể sử dụng cho cả phương pháp ăn mòn dừng)

ª Không độc hại

ọ ự

ª Tốc độ ăn mòn cao

ª Chất lượng bề mặt Si-líc sau ăn mòn

ª Tương thích công nghệ điện tử

ª Phù hợp loại mặt nạ bảo vệ và cả tính chän läc với các vật liệu khác

(2% 70 0C)

~ 22 300:1 SiO2 (ô-xy hóa): ~ 4

Si3N4 (CVD): ~15(2%, 70 C) Si3N4 (CVD): 15

) Ưu điểm: Dễ thực hiện do hóa chất sẵn rẻ không đòi hỏi các thiết bị phức tạp

) Ưu điểm: Dễ thực hiện do hóa chất sẵn, rẻ, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp

) Nhược điểm: Có thể gây bẩn hoặc làm hỏng cấu trúc điện

SiSi

Si

OHOH 4H O+ 4e - → 4OH - +2 H ↑ 4H2O+ 4e → 4OH +2 H2↑

2 Quá trình tạo ra hydroxit Si

+ +

Si Si

Si

OH

OH + 2OH - Si(OH)4 + 2Sir¾n

3 Quá trình tạo ra iôn hydro: Si(OH)4 → SiO2(OH) +2 H+

4 Quá trình hoà tan sản phẩm: H+ + OH- → H2O

) Kỹ thuật bù (compensation) loại bỏ hiện tượng ăn mòn góc lồi

Phần cấu trúc

bù trên MASK

Phần cấu trúc

bù trên mẫu ăn mòn

Phần cấu trúc cần chế tạo sau khi kết thúc ăn mòn

Que khuấy

Khí H 2

Nước ấm từ thiết bị đun Dung dịch

ăn mòn Phiến si-líc

Nước ấm quay trở lại thiết bị đun

Ăn mòn Si-líc

) Bộ gá mẫu (chuck): bảo đảm chỉ một mặt của phiến có cấu trúc cần ăn mòntiếp xúc và mặt còn lại được cách ly hoàn toàn với dung dịch ăn mòn

Ăn mòn Si-líc

Lỗ trên bộ gá mẫu phía không

Gioăng cao su chịu hóa, chịu nhiệt

ª Cải thiện chất lượng bề mặt ăn mòn.

) Phân loại ăn mòn dừng:

ª Ăn mòn phụ thuộc nồng độ pha tạp (doping selective etching - DSE):

ª Ăn mòn phụ thuộc nồng độ pha tạp (doping selective etching - DSE):nồng độ tạp lớn (ví dụ Boron –B) ⇒ hằng số mạng giảm ⇒ các lớp trượt lênnhau ⇒ ngăn các phản ứng hóa của quá trình ăn mòn

ª Ă ò h th ộ dò điệ hó ( l t h i l t hi ECE) Hiệ

ª Ăn mòn phụ thuộc dòng điện hóa (electrochemical etching - ECE): Hiệntượng dòng điện tăng đột ngột khi đi qua tiếp xúc p-n (junction stop etch )

ª Phiến Si líc được đặt trong một bộ

gá giữ (chuck) đóng vai trò làm điện

cực a-nốt,

ª Quá trinh ăn mòn được điều khiển

ăn mòn

ª Màng si líc loại n nồng độ cao (tạo

ª Quá trinh ăn mòn được điều khiển

bằng thiết bị phân thế có thể ghép nối

máy tính (potentionstat),

Điện cực

h ẩ

ª Màng si-líc loại n nồng độ cao (tạo

bằng kỹ thuật pha tạp hoặc epitaxy) ,

ª Phản ứng ăn mòn chỉ xảy ra với

si-líc loại p ⇒ sẽ dừng lại khi đến lớp Si

Ka-tốt chuẩn

líc loại p ⇒ sẽ dừng lại khi đến lớp Si

loại n

Bộ gá giữ phiến

5 2 2 Vi khối ớt

5.2.2 Vi cơ khối ướt

Ăn mòn dị hướng

Ăn mòn phiến Si-líc định hướng mặt (100)

ª vách hốc ăn mòn nghiêng một góc 54,740 so với

5.2.2 Vi cơ khối ướt

Ăn mòn phiến Si-líc định hướng mặt (110)

35 2

2 arctan =

) Nếu ăn mòn sâu ⇒ vách hốc ăn

mòn vát chéo do sự gặp nhau của các

mặt (111)

) Ăn mòn bề mặt chất rắn trong pha khí theo các cơ chế:

) Ăn mòn bề mặt chất rắn trong pha khí theo các cơ chế:

ª Ăn mòn hóa do phản ứng bề mặt với các chất hoạt hóa,

ª Ăn mòn lý do quá trình bắn phá i-ôn,

ª Ăn mòn i-ôn hoạt hóa (reactive ion etching - RIE) là sự kết hợp của cả

ăn mòn hóa và lý

) Điều kiện ăn mòn: áp suất thấp (tử 101 xuống 10-6 Torr)

Ă ò i ô

) Điều kiện ăn mòn: áp suất thấp (tử 101 xuống 10 6 Torr)

Ăn mòn plasma Ăn mòn i-ôn

hoạt hóa (RIE) Ăn mòn i-ôn

Áp suất (Torr)

5 2 3 Vi khối khô 5.2.3 Vi cơ khối khô

ª Ăn mòn di hướng hoàn hảo: RL = 0 R L = 0

) Tỷ sô giữa độ sâu và độ rộng hốc ăn mòn: Tỷ số cạnh (aspect ratio)

5 2 3 Vi khối khô Bản chất quá trình ăn mòn

5.2.3 Vi cơ khối khô

Sản phẩm phản ứng (khí) Khí phản ứng

Khuếch tán Kh ế h tá

Nguyên tử Khuếch tán Khuếch tán

Phản ứng bề mặt

ế M

Nguyên tử vật liệu đế (khí)

Vùng tối a-nốt Vùng tối Ka-tốt

ª Khí trơ (Ar) ⇒ bị i-ôn hóa (NL i-ôn hóa

~ 15,7 eV) do va chạm ⇒ phát sinh thác lũ

ấ

dao động tự do giữa 2 bản cực

Hút chân không không

RF

e- và i-ôn ⇒ phóng điện hào quang áp suất

thấp (10-3 ÷ 1 Torr)

ª Plasma được duy trì không cần eợ y g - thứ

cấp do sự tự phân áp âm (bias) ở catốt với

điện áp RF

ª Điện áp đánh thủng áp s ất à khoảng cách 2 điện cực

ª Điện áp đánh thủng ∈ áp suất và khoảng cách 2 điện cực

ố Bản chất quá trình ăn mòn

5.2.3 Vi cơ khối khô

) Ăn mòn vật lý: Quyết định bởi năng lượng i-ôn

ª < 3eV: Chỉ xảy ra quá trình hấp thụ hay

q

Vùng tối a-nốt

ª 3eV: Chỉ xảy ra quá trình hấp thụ hay

phản xạ,

ª 4 – 10 eV: i-ôn dịch chuyển trên bề mặt

⇒ phá hỏng bề mặt,

a nốt Vùng tối Ka-tốt

Đế

⇒ phá hỏng bề mặt,

ª 0 – 5000 eV: quá trình phún xa ăn mòn,

ª > 20 keV: quá trình cấy i-ôn

Hút chân không

Hút chân không

ª Tính định hướng cao (high anisotropy)

ª Tính chọn lọc thấp (low selectivity)

RF

Ar + khí

) Ăn mòn hóa

ª Khí phản ứng đưa vào được tách thành

các gốc hoạt chất tự do (free reactive

Ar + khí phản ứng

các gốc hoạt chất tự do (free reactive

radicals) như nguyên tử, phân tử bởi

sản phẩm pha hơi và không bị hấp phụ

ª Tính chọn lọc cao (high selectivity)

ª h đị h h hấ (l i )

Plasma

Cathode

Bias

ª Tính định hướng thấp (low anisotropy)

do quá trình chuyển hóa tới bề mặt ngẫu

nhiên (diffusion)

Hút chân không

ắ

) Lắng đọng hóa

ª Ngăn cản quá trình ăn mòn và bảo vệ bề mặt

5 2 3 Vi khối khô

) Trong cấu trúc hệ ăn mòn điện cực

a-ICP coilPlasma cảm ứng (inductively couple plasma - ICP)

5.2.3 Vi cơ khối khô

) Trong cấu trúc hệ ăn mòn, điện cực

a-nốt được thay thế bằng cuộn dây (coil) tạo

từ trường ⇒ e- CĐ xung quanh đường sức

⇒ tăng quá trình i-ôn hóa do quá trình va

chạm ⇒ tăng mật độ plasma (inductively

Plasma

Plasma

chạm ⇒ tăng mật độ plasma (inductively

couple plasma - ICP)

Hệ RIE thông thường Hệ ICP /RIE

) Các loại cuộn dây (coil) tạo plasma

cảm ứng Hệ RIE thông thường Hệ ICP /RIE

cảm ứng

Cuộn phẳng (planar) Cuộn hình trụ (cylindrical) Cuộn hình xoáy ốc

(tornado)

Cửa mở cho vùng Plasma

Mẫu ăn mòn Đường hút khí

của bơm chân

không Turbo

ộ

Chốt khóa buồng phản ứng Đường cung cấp khí Heli làm mát mẫu ăn mòn

Van điều tiết áp suất buồng phản ứng của

bộ điều khiển APC g

5 2 3 Vi khối khô

5.2.3 Vi cơ khối khô

Cơ chế ăn mòn Si-líc (Si)

F ti

) Quá trình ăn mòn vật lý có thể gây ra hiện

tượng đánh vát góc (faceting) của vật liệu bảo

vệ ⇒ các i-ôn tới va đập theo góc trượt ⇒

ất hiện rãnh ăn mòn (trenching) không

Mask

Faceting

Trenching

) Tốc độ ăn mòn bị ảnh hưởng bởi nồng độ gốc tự do và mật độ i-ôn

xuất hiện rãnh ăn mòn (trenching) không

mong muốn

) Năng lượng i-ôn hóa ảnh hưởng đến mức độ ăn mòn dị hướng

) Áp suất thấp (< 10-2 Torr) ⇒ quãng đường tự do các i-ôn lơn hơn ⇒ các i-ôndương có thể đập vuông góc bề mặt ⇒ tăng tính ăn mòn dị hướng

dương có thể đập vuông góc bề mặt ⇒ tăng tính ăn mòn dị hướng

) Điện áp tạo plasma thấp + áp suất cao ⇒ tăng tính ăn mòn đẳng hướng

Hiệu ứng tải (loading effect)

) Sự nghèo chất ăn mòn cần thiết cho

phản ứng hóa trên bề mặt mẫu (trong ăn

ª sự tiêu thụ chất ăn mòn được tạo bởi plasma trong quá trình ăn mòn

nhau trên phiến cần được ăn mòn ⇒ ảnh hưởng quá trình chuyển tải chất ănmòn và sản phẩm ăn mòn

) Mức độ vi mô (microloading): tốc độ ăn

mòn phụ thuộc diện tích ăn mòn trên chip

Hiệu ứng tải (loading effect)

ª Nguyên nhân: Thiếu chất ăn mòn cục bộ

trong quá trình ăn mòn

(kích thước chi tiết)

Tốc độ ăn

ò hấ Tốc độ ăn

Nồng độ chất ăn mòn

) Ăn mòn phụ thuộc tỉ số cạnh (aspect ratio

dependent etching - ARDE): tốc độ ăn mòn

với chi tiết có tỉ số cạnh lớn, lớn hơn tốc độ ăn

ò ới hi iế ó ỉ ố h hỏ

mòn thấp mòn cao

mòn với chi tiết có tỉ số cạnh nhỏ

Hình thái học ảnh

ª Cơ chế quá trình: Quá trình vận chuyển

(transport) các phần tử trung hòa (neutral)

đặc trưng bời hằng sô Knudsen

5 2 3 Vi khối khô

5.2.3 Vi cơ khối khô Vấn đề thường gặp

Hiện tượng black-silicon

) Những cấu trúc không mong muốn dạng sợi (filament) hoặc que nhọn(spikes) thẳng đứng trên bề mặt hốc ăn mòn ⇒ còn được gọi là hiện tượng

“vi cỏ” (micrograss)

Hiện tượng black-silicon

) Nguyên nhân

ª Sự hình thành các mặt nạ thứ cấp

ª Sự hình thành các mặt nạ thứ cấp

(micromasking) trong quá trình ăn mòn do

xuất hiện lớp SiO2

ª Thời gian bước lắng đọng (deposition

ª g g ọ g ( p

hay passivation) dài

ª Tỉ lệ lưu lượng các khí ăn mòn (SF6:C4F8)

không phù hợp

) Khắc phục:

ª Thực hiện các nghiên cứu khảo sát để

ª Nhiệt độ đế

ª Thực hiện các nghiên cứu khảo sát để

loại trừ từng nguyên nhân bằng cách thay

đổi các điều kiện công nghệ tương ứng

5 2 3 Vi khối khô

Ăn mòn hoạt hóa sâu (deep reactive ion etching - DRIE)

5.2.3 Vi cơ khối khô

) Quá trình ăn mòn có tính dị hướng cao để tạo ra các hốc (hole) hoặc rãnh(trench) có vách thẳng đứng (vertical wall) trên phiến với tỉ số cạnh (aspectratio) ~ 20:1 hoặc lớn hơn

Ứ d

) Ứng dụng

ª Các vi cấu trúc siêu nhỏ và phức tạp trong các linh kiện MEMS,

ª Tạo mật độ cao các tụ điện siêu nhỏ trong các linh kiện DRAM

ª Qui trình Bosch: Bao gồm 2 bước công nghệ có thời gian ngắn tác động

như là các xung (pulse) của 2 chế độ ăn mòn (etch) và lắng đọng (deposition)được thực hiện liên tiếp và lặp lại

e-5 2 3 Vi khối khô

Ăn mòn sâu qui trình Bosch

5.2.3 Vi cơ khối khô

) Lặp lại bước 2 (e)

ª Hình thành nếp nhăn (scalloping) trên vách ăn mòn

5 2 3 Vi khối khô Hóa chất

5.2.3 Vi cơ khối khô

Touch Panel

Panel Display

RF & BIAS

Generators

Gas Inlet

5.2.4 Qui trình SCREAM (single crystal reactive etching and metallization)

) Sử dụng ăn mòn hoạt hóa dị hướng trong plasma để tạo ra các cấu trúc

treo từ si-líc đơn tinh thể (single crystal silicon - SCS)

) Chỉ sử dụng duy nhất 1 mặt nạ quang (MASK) trong quá trình chế tạo

) Qui trình có thể tạo ra một cấu trúc (beam) làm các bản cực có độ rộng

) Thường được ứng dụng để chế tạo các cấu trúc kiểu tụ như cảm biến

) Qui trình có thể tạo ra một cấu trúc (beam) làm các bản cực có độ rộng

~ 100 μm (tương ứng độ sâu ăn mòn) và cách nhau nhỏ nhất có thể ~ 1.5

μm (tỉ số cạnh > 66.6)

) Thường được ứng dụng để chế tạo các cấu trúc kiểu tụ như cảm biến

gia tốc, con quay vi cơ và các bộ vi chấp hành (microactuators)

ª Bước 2: Quang khắc và ăn mòn lớp

ô-xít bằng qui trình RIE (CF4/O2)

ª Bước 3: Tẩy cảm quang bằng

plasma O2 Ăn mòn sâu lần I để tạo

cấu trúc (từ 4 đến 20 μm) sử dụng khí

BCl /Cl

BCl3/Cl2