microfabrication & MEMS technology 2

®" Quá trình chê tạo các v1 câu trúc 3 chiêu trên bê mặt đê si-líc bang: Š Các lớp vật liệu nên vật liệu hy sinh và vật liệu câu trúc được tạo ra nhờ cong nghé mang mong thin film techn

CONG NGHE VA LINH KIEN

MEMS Một thể giới rộng mở và quyền rũ

(An fascinating and openning world)

V Vi chế tạo và công nghệ MEMS

1 Kỹ thuật ăn mòn/ Etching Methods

2 Công nghệ vỉ cơ khối / Bulk Micromachining

3 Công nghệ vi co bê mặt/ Surface Micromachining

®" Quá trình chê tạo các v1 câu trúc 3 chiêu trên bê mặt đê si-líc bang:

Š Các lớp vật liệu nên (vật liệu hy sinh) và vật liệu câu trúc được tạo ra nhờ

cong nghé mang mong (thin film technology)

Š Thực hiện các phương pháp ăn mòn ướt có chọn lọc với lớp vật liệu hy sinh

[_)

Tạo lớp vật liệu nền Định dạng cấu trúc Tạo lớp vật liệu

—ML_ An mòn vật liệu hy sinh tạo câu trúc

Kích thước cấu trúc

không chê theo thời gian 2> a

® Qui trình chế tạo tự định dạng sử dụng 2 mặt nạ quang (MASK)

Quang khắc với MASK thứ nhất

Lớp cảm quang / Vat Hew hy sinh

_EL Quang khắc với 1 MASK thứ hai

5.3 Công nghệ vi cơ bề mặt 5.3.2 Các van dé kỹ thuật

"ự dính bám (sficfion) øiữa các lớp vật liệu

= Tinh chat khong mong muon lam hỏng câu trúc xuât hiện sau quá trình ăn

mòn ướt lớp vật liệu hy sinh

nee Stiction

%, Lue mao dan (capillary force) | Substrate |

% Luc tinh dién (electrostatic force)

% Luc hut phan tir (Van der Waals force)

% Lién két hydro (Hydro binding)

= Neuyén nhân

% Hinh thanh luc cing bé mat trong qua trinh bay hoi dung dich sau ăn mòn

kéo các bê mặt dính lại với nhau

$ Các bê mặt dính chặt với nhau do liên kết phân tử, nguyên tử

5.3 Công nghệ vi cơ bề mặt 5.3.2 Các van dé kỹ thuật

"ự dính bám (sficfion) øiữa các lớp vật liệu

s Phương pháp chống dính bám

Š Sử dụng tương tác điện từ — chỉ sử dụng với vật liệu từ

% Tao cdc câu trúc chống đỡ giữa các lớp câu trúc sử dụng vật liệu hữu cơ

(organic pillar) = duoc tay bo sau do bang pp an mon plasma Ô-xy

% Su dụng các dung dịch dé bay hơi như

methanol két hop voi CO, long dé thay thê nước

Hién tuong tng suat nội

® Xuất hiện ở câu trúc vật liệu chế tạo băng công

nghệ màng mỏng => làm biên dạng câu trúc

Hiéu tng soi day ngang (stringer)

s Hình thành do địa hình chông chéo của câu trúc 3

chiêu trong không gian hẹp — cản trở hoạt động của

linh kiện như đan xen cơ hay đoản mạch

s Câu tạo gồm các đám hạt (grains) có định hướng ngẫu nhiên trong câu trúc

tinh thê — kích thước hạt tắng cùng với chiêu dày màng được tạo

s Tính chất cơ học tốt hơn so với thép:

$ Sức bên đứt vỡ: ~ 2-3 Gpa,

% Suat dan héi Young ~ 140 — 190 Gpa,

% Bién dang dan hdi ~ 0,5%

= Tinh chat điện (điện trở) dễ dàng được biến đôi băng các kỹ thuật pha tạp

như khuéch tan hay cay 1-6n

® Tính chất nhiệt cũng phụ thuộc kích thước hạt

®" Tính tương thích với công nghệ chế tạo vi điện tử (IC Tech.) cao => dé

dang tao SiO, bang phuong phap 6-xy hoa nhiét

® Có thể được chê tạo bằng 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 nghé LPCVD dé tao mang polysilicon va SiO,

® Sử dụng kỹ thuật quang khắc (có thé đến 14 lan) để chép các định

dạng câu trúc đã được thiết kê lên phiến đề

= Str dung ăn mòn i-ôn để tạo câu trúc trên các lớp màng mỏng

œ Sử dụng ăn mòn ướt để loại bỏ vật liệu hy sinh (SiO;)

° Vật liệu bao vé (mask material) thuong la Si,N,

#- Qui trinh thường được sử dụng dé ché tạo các linh kiện vi chấp hành có câu trúc phức tạp như các bộ vi hộp sô (microgear), mô-tơ, gương đặt thăng đứng

(Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology)

# Xuat phat voi phién si-lic loain

* Tao lép SiO, (d6 day ~ 0,63 um) băng pp ô-xy hóa nhiệt và Si:N, (độ dày ~

0,8 um) trén lop S10,

® Phủ lớp polysilicon đầu tiên - MMPOLY0 (độ dày ~ 0,3 im) trên bê mặt

lớp S:N¡

®' Phủ lớp SIO; vật liệu hy sinh (độ dày ~ 2 um) —- SACOXT

® Quang khắc và ăn mòn tạo hốc ở lớp SiO; vật liệu hy sinh

*™ Substrate

5.3 Công nghệ vi cơ bề mặt

5.3.4 Qui trình SUMMIT

(Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology)

= Phu lop polysilicon thu hai - MMPOLY1 trén bê mặt lớp SACOXI đã được quang khăc định dạng

s Phủ lớp SACOX2 (độ dày ~ 0,3 im) lên trên và quang khắc

= Phu lop polysilicon - MMPOLY2 pha tap (do day ~ 1,5 um)t ruc tiép lên trên bê mặt lớp MMPOLY 1

Ăn mòn MMPOLY2 và lớp hỗn hợp cả MMPOLY1 và MMPOLY2 băng

pp I-ôn hoạt hóa RIE

—=MMPOL.Y2

b) MMPOLY2 Layer mmmr Eee ii — -MMPOLY |

patterned and etched

5.3 Công nghệ vi cơ bề mặt

5.3.4 Qui trình SUMMIT

(Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology)

= Tao lop SiO, tu TEOS (tetraethoxysilane) voi d6 day ~ 6 um — SACOX3

* Thuc hién ky thuat mai CMP (chemico mechanical polishing) để giảm độ

dày SACOX3 xuông còn ~ 2 um

s Quang khắc và định dạng lớp SACOX3 tạo hốc câu trúc xuống đến lớp

MMPOLY2, sau đó phủ S¡ lâp đây hốc

= Phu lop polysilicon - MMPOLY3 pha tap (độ dày ~ 2 um) trực tiếp lên

trên bê mặt lớp SACOX3

(Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS IC Technology)

* Tiép tục qui trình với các lớp SACOX3 và MMPOLY4

« An mon uot dé tao cau truc cudi cung

e) Release

Cc mau linh kién b6 chap hanh n ché tao

bang qui trinh SUMMiT

5.3.4

Cc mau linh kién b6 chap hanh n ché tao

bang qui trinh SUMMiT

V Vi chế tạo và công nghệ MEMS

1 Kỹ thuật ăn mòn/ Etching Methods

2 Công nghệ vỉ cơ khối / Bulk Micromachining

3 Công nghệ vi co bê mặt/ Surface Micromachining

4 Cong nghé LIGA/ LIGA Technology

% KY thuat quang khac sur dung tia X (X-ray lithography),

$ Kỹ thuật lăng đọng điện hóa (Galvanoformung),

Š Kỹ thuật tạo khuôn đúc (Abformung)

® Được phát triển bởi trung tâm nghiên cứu hạt nhân Karlsruhe, Đức (1980)

® Cho phép tạo câu trúc có chiêu cao ~ hàng trăm tìm đến mm, và chiều

ngang vân chỉ là ~ um hoặc nhỏ hơn (submicron) do bước sóng ngăn của tia

X trong kỹ thuật quang khắc

= Vat ligu da dang: Polymer (PMMA), kim loai, sốm, điện môi

% Thời gian chiêu xạ dài — giá thành cao (do thiết bị quang khắc tia X).

V Vi chế tạo và công nghệ MEMS

1 Kỹ thuật ăn mòn/ Etching Methods

2 Công nghệ vỉ cơ khối / Bulk Micromachining

3 Công nghệ vi co bê mặt/ Surface Micromachining

4 Công nghệ LIGA/ LIGA Technology

5 Han ghép phién/ Wafer Bonding

5.5 Han ghép phién VY atthe

§.5.1 Han tinh dién (anodic bonding)

* Han ghép dé Si-lic véi thuy tinh Pyrex bang dién truong co hé tro nhiét

Thuy tinh Pyrex

®" Thủy tính chịu nhiệt được sử dụng làm các chai lọ đựng hóa chất cho

quI trình xử lý nhiệt

s Thành phần: 80.6% SiO,, 12.6% B,O;, 4.2% Na,O, 2.2%AI,0;, 0.04%

Fe,O;, 0.1% CaO, 0.05% Mgo, and 0.1% Cl

Co ché qua trinh

* Thuy tinh pyrex tiép xúc trực vs

tiêp với sI-lÍc

Glass

Si

= Thuy tinh pyrex néi véi dién thé (-)

œ Si-líc nỗi với điện thế (+)

= Nhiét do ~ 400 °C

= Thuy tinh Pyrex bi nong chay > cac 1-6n kim loai bị phan ly

[ôn Na' trôi về điện cực (-), i-ôn Or đi về phía si-lic => hình thành điện trường tiếp xúc kéo Si+ sang thủy tỉnh — tạo ô-xít si-líc tại vùng tiếp giáp

—> vùng nghèo Na

#' Điện trường cao (1000 — 1500 V) = Quá trình két hop si lic và thủy tỉnh

tại vùng tiêp xúc <> quá trình hàn nóng chảy giữa 2 vật liệu

Han ghép phién

5.5.1

Bảo đảm sự tiêp xúc thực sự tại bê mặt tiêp xúc giữa SI-líc và.Pyrex

GlaSS - Bond Interface

Local Roughness

* Don gian, dé dang tu tao

= Tao cau truc hoac gia cô bảo VỆ Các

VI cầu trúc đôi VỚI Các cảm biến ap

suat, gia tốc và vận tốc ĐÓC

5.5 Han ghép phién Wi etch

5.5.2 Hàn nóng chảy trực tiếp (fusion)

s Hàn ghép trực tiếp các đề Si-líc với nhau có hỗ trợ nhiệt

® Đặc điểm quá trình

$ Đề si-líc được cho tiếp xúc với nhay bang 4 pt ue

% Bé mat phang tuyét doi

tao lién kết với H' > bay hơi sau

khi sây khô — còn lại liên kết SI-SI

hole

Supporting Spring

= Tao cau trúc hoặc gia cô bảo vệ các vi câu trúc đối với các cảm biến

áp suất, gia tốc và vận tốc góc (micromachined øyroscope)

5.5 Han ghép phién

5.5.3 Cac phuong phap khac

®" Hàn nóng chảy Eutectic: Su dung cac hop kim cua si-lic voi cac kim

loai nhu Si-Au, Si-Ag, Si-Al

* Cac keo dan: epoxy 2 thanh phan, Silicones, photoresist,