Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng chế tạo hệ vi cơ – điện cảm biến áp suất (mems)

Việc nghiên cứu MEMS cảm biến áp suất loại áp trở được thực hiện bằng thiết kế mô hình với thông số cụ thể cho một ứng dụng cụ thể.. Chương 2: Giới thiệu về một số công đoạn chế tạo và k

NGUYỄN VĂN TOÀN LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CHẾ TẠO HỆ VI CƠ – ĐIỆN CẢM BIẾN ÁP SUẤT

Lời cảm ơn đầu tiên con xin gửi đến Cha mẹ và những người thân trong gia đình đã động viên và khích lệ con để cho con có thể vượt qua nhiều khó khăn và thử thách trong suốt khoảng thời gian qua

Tôi chân thành cảm ơn đến Thầy TS Đinh Sơn Thạch và TS Nguyễn Văn Hiếu đã hướng dẫn tận tình và chia sẻ trong những khó khăn trong suốt thời gian qua Sự cởi

mở và gần gũi của các Thầy giúp tôi thêm tự tin hơn trong trao đổi giải quyết những vấn đề khó khăn

Tôi chân xin cảm ơn đến nhóm MEMS tại Bộ môn Vật lý Điện Tử, Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và nhóm Chế tạo tại Trung tâm Thiết kế Vi mạch ICDREC, Đại học Quốc gia Tp.HCM đã có những trao đổi và lời khuyên quí giá trong quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn Ban chủ nhiệm cao học Điện Tử Kỹ Thuật khóa 17, Quý Thầy cô giảng dạy các môn học, quý đồng nghiệp bộ môn Vật lý Điện tử, Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên và các bạn học viên cao học khóa 17 đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn tôt luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

Tp.HCM, ngày tháng 12 năm 2009

Nguyễn Văn Toàn

-i-MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ Trang

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

LỜI MỞ ĐẦU

Chương 1 - GIỚI THIỆU

1.1 Tình hình nghiên cứu Hệ vi cơ – điện (MEMS) trong và ngoài nước

nói chung và lĩnh vực đề tài nói riêng

1.1.1 Ngoài nước

1.1.2 Trong nước

1.2 Tổng quan MEMS và một số ứng dụng

1.2.1 Giới thiệu tổng quan MEMS

1.2.2 Lịch sử MEMS

1.2.3 Một số ứng dụng

1.3 Phòng sạch và một số thiết bị phòng sạch

1.3.1 Giới thiệu phòng sạch

1.3.2 Tiêu chuẩn phòng sạch

1.3.3 Một số thiết bị trong phòng sạch

1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 1.4.1 Mục tiêu

1.4.2 Nhiệm vụ

Chương 2 - MỘT SỐ CÔNG ĐOẠN CHẾ TẠO VÀ KỸ THUẬT MEMS

2.1 Một số công đoạn chế tạo

2.1.1 Vật liệu và cấu trúc tinh thể màng

2.1.1.1 Cấu trúc tinh thể

2.1.1.2 Chế tạo vật liệu bán dẫn

2.1.1.3 Chế tạo màng mỏng

2.1.1.4 Xác định trục tinh thể

2.1.1.5 Một số tính chất của vật liệu

2.1.2 Lắng đọng bốc bay vật lý (PVD)

2.1.2.1 Phương pháp bốc bay

2.1.2.2 Phương pháp phún xạ

2.1.3 Lắng đọng bốc bay hóa học

2.1.4 Công đoạn khắc

2.1.4.1 Khắc ướt

2.1.4.2 Khắc Plasma

2.1.5 Kỹ thuật quang khắc

2.2 Kỹ thuật MEMS

2.2.1 Vi cơ khối

2.2.1.1 Ăn mòn ướt

2.2.1.2 Ăn mòn khô

2.2.2 Vi cơ bề mặt

2.2.3 LIGA

Chương 3 - GIỚI THIỆU CẢM BIẾN ÁP SUẤT

3.1 Giới thiệu

3.2 Một số ứng dụng của cảm biến áp suất

3.3 Phân loại cảm biến áp suất

3.3.1 Cảm biến áp suất kiểu tụ

3.3.2 Cảm biến áp suất cộng hưởng

3.3.3 Cảm biến áp suất áp điện

3.3.3 Cảm biến áp suất áp trở

3.3.3.1 Nguyên lý hoạt động và phân loại

3.3.3.2 Cấu tạo

Chương 4 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP SUẤT LOẠI ÁP TRỞ 4.1 Thiết kế mô hình

4.1.1 Các thông số cần quan tâm

4.1.2 Sự ảnh hưởng bởi hình dạng màng

4.1.3 Sự ảnh hưởng bởi áp trở

4.1.3.1 Ứng suất và sức căng

4.1.3.2 Sự thay đổi trong điện trở

4.1.3.3 Hiệu ứng áp trở trong vật liệu Silic

4.1.3.4 Cách phân bố áp trở trên màng

4.1.3.5 Mạch cầu Wheatstone

4.1.4 Tính toán thông số cho mô hình cảm biến với thông số quan tâm

4.1.4.1 Xác định thông số màng

4.1.4.1 Xác định thông số áp trở

4.2 Qui trình chế tạo

4.2.1 Qui trình chế tạo

4.2.2 Thiết kế mặt nạ - MASK

Chương 5 - MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 5.1 Mô phỏng thuộc tính cảm biến

5.1.1 Mô phỏng thuộc tính cơ

5.1.1.1 Giới thiệu và đánh giá phần mềm mô phỏng

5.1.1.2 Phân tích độ uốn cong của màng và xét sự thay đổi của các yếu tố

5.1.1.3 Phân tích tần số cộng hưởng của màng

5.1.2 Mô phỏng đặc tính điện

5.1.2.1 Xét ảnh hưởng của việc chia lưới

5.1.2.2 Xét ảnh hưởng của tỉ số L/H đối với điện thế ngõ ra

5.1.2.3 Xét phân bố áp trở trên màng

5.1.2.4 Mối quan hệ giữa áp suất và điện thế ngõ ra

5.1.2.5 Xét ảnh hưởng của áp trở

5.1.2.6 Đánh giá ảnh hưởng bởi điện thế nguồn nuôi

5.1.3 Mô phỏng đặc tính nhiệt

5.2 Mô phỏng chế tạo cảm biến

5.2.1 Chi tiết hóa qui trình chế tạo

5.2.2 Thiết kế mặt nạ cho đơn cảm biến

5.2.3 Một số kế quả mô phỏng chế tạo bằng phần mềm Intellisuite 5.2.4 Đề suất bộ mặt nạ cho wafer 4 inch

Chương 6 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

6.1 Kết luận 6.2 Kiến nghị DANH MỤC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

1 APCVD Atmospheric pressure CVD CVD ở áp suất không khí

2 CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng bay hơi hóa học

3 D-RIE Deep Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng ion sâu

4 EDP Ethylene Diamine

Pyrocatechol Ê-ti-len Điamin Pyrocatechol

5 EUV Extreme UltraViolet Tia tử ngoại cực ngắn

6 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữa hạn

10 MEMS Micro Electro Mechanical

System Hệ thống vi cơ điện tử

11 PECVD Plasma Enhanced CVD Plasma tăng cường

12 PVD Physical Vapor Deposition Lắng đọng bay hơi vật lý

14 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

15 RIE Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng Ion

16 SOI Silicon On Isulator Silic trên chất cách li

17 TMAH Tetramethyl Ammonium

Hydroxide Amôni hiđrôxit Têtramêthy

19 SHTP Saigon Hi-Tech Park Khu công nghệ cao Tp.HCM

HEPA High Efficiency Particulate

Air Máy lọc không khí hiệu quả cao

ULPA Ultra Low Penetration Air Máy lọc tạp chất không khí ở

bậc thấp

ISO International Organization

for Standardization Tổ chức Tiêu chuẩn hóa quốc tế

DANH MỤC BẢNG

01 Bảng 2.2 Nhiệt độ tan chảy đối với các vật liệu khác nhau và dải

nhiệt độ cần thiết cho nhiệt độ để tồn tại áp suất bay hơi ở 10-3 torr

02 Bảng 2.4 Hệ thống vật liệu của Kỹ thuật vi cơ bề mặt

03 Bảng 3.1 Đánh giá các loại cảm biến

04 Bảng 4.1 Bảng tỉ số a/b cho màng hình chữ nhật

05 Bảng 4.2 Hệ số áp trở cho vật liệu đơn tinh thể Silicon tại nhiệt độ

phòng hướng <100>

06 Bảng 4.3 Trình bày các hệ số áp trở song song và vuông góc đối

với một số hướng quan trọng trong đơn tinh thể Silic

07 Bảng 4.4 Các thông số thiết kế cho cảm biến sử dụng màng vuông

10 Bảng 5.3 So sánh độ nhạy khi thay đổi nồng độ pha tạp

11 Bảng 5.4 So sánh độ nhạy khi thay đổi độ dài của áp trở

12 Bảng 5.5 So sánh độ nhạy khi thay đổi chiều rộng của áp trở

13 Bảng 5.6 So sánh độ nhạy khi thay đổi chiều sâu của áp trở

14 Bảng 5.7 So sánh cảm biến thiết kế và cảm biến MPX10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

01 Hình 1.1 Lợi nhuận từ các sản phẩm trong lĩnh vực MEMS từ 2004

đến 2007

02 Hình 1.2 Hệ thống vi cơ điện (MEMS)

03 Hình 1.3 Một số ứng dụng của MEMS trong công nghiệp ô tô

04 Hình 1.4 MEMS trong màn hình

05 Hình 1.5 MEMS trong đầu phun mực in

06 Hình 1.6 MEMS trong hệ thống truyền quang

07 Hình 1.7 MEMS trong hệ thống viễn thông

08 Hình 1.8 MEMS trong lĩnh vực y sinh

09 Hình 1.9 Một số thiết bị trong phòng sạch

10 Hình 2.1 Tổng hợp các loại cấu trúc tinh thể của vật liệu

11

Hình 2.2 Ảnh SEM và phổ tán sắc năng lượng tia X của một tinh

thể TmCoIn5 (a): Ảnh bề mặt tinh thể phân tích và (b): Phổ tán sắc

năng lượng tia X

18 Hình 2.9 Sơ đồ buồng chân không

19 Hình 2.10 Thiết bị DRIE tại SHTP

21 Hình 2.12 Thiết bị Mask Aligner tại SHTP

22 Hình 2.13 Vi cơ khối silicon a) ăn mòn đẳng hướng, b) ăn mòn bất

đẳng hướng, c) ăn mòn bất đẳng hướng với lớp dừng ăn mòn

24 Hình 2.15 Công nghệ LIGA

25 Hình 3.1 Cảm biến áp suất kiểu tụ

26 Hình 3.2 Cảm biến áp suất cộng hưởng

27 Hình 3.3 Các loại cảm biến áp suất kiểu áp trở

28 Hình 3.4 Mặt cắt ngang và cách bố trí áp trở trên màng cảm biến

29 Hình 4.1 Sơ đồ ứng dụng mô hình cảm biến áp suất thiết kế

34 Hình 4.6 Sơ đồ biểu diễn các hệ số áp trở song song và vuông góc

35 Hình 4.7 Các góc Euler trong phép biến đổi các trục tọa độ Đề-các

36

Hình 4.8 Sự phụ thuộc của các hệ số áp trở song song và vuông góc

vào sự định hướng tinh thể trong mặt phẳng (100) – (a) Silic loại p;

(b) Silic loại n

37 Hình 4.9 Phân bố ứng suất trên màng

38 Hình 4.10 Mạch cầu Wheatstone

39 Hình 4.11.Hệ số P(N,T) theo độ pha tạp và nhiệt độ của p-Si

40 Hình 4.12 Qui trình thiết kế MEMS

41 Hình 4.13 Sơ đồ qui trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở

42 Hình 4.14. Một số dạng hình học nên và không nên sử dụng trong

thiết kế mặt nạ

43 Hình 4.15 Tính toán bù trừ cho lớp dưới của quá trình khắc đẳng

hướng

45 Hình 5.1 Một số Module của phần mềm Intellisuite

46 Hình 5.2 Một số Module của phần mềm CoventorWare

47 Hình 5.3 Một số công cụ của ANSYS

48 Hình 5.4 Độ biến dạng của màng được phóng lớn 10

4 lần – CoventorWare

49 Hình 5.5 Độ biến dạng của màng – ANSYS

50 Hình 5.6 Mối quan hệ giữa áp suất và độ biến dạng của màng

51 Hình 5.7 Sự tương quan của việc thay đổi kích thước và thay đổi độ

dày của màng với độ biến dạng tại tâm màng vuông

52 Hình 5.8 Phân bố ứng suất trên bề mặt màng (100) hướng <110>

theo trục xx

53 Hình 5.9 Phân bố ứng suất trên bề mặt màng (100) hướng <100>

theo trục xx

54 Hình 5.10 Sự phân bố ứng suất trên bề mặt màng <110>

55 Hình 5.11 Phân bố theo Von Mises

56 Hình 5.12 Ứng suất phân bố theo Von Mises

57 Hinh 5.13 Mối quan hệ giữa áp suất và ứng suất cực đại tại tâm các

cạnh màng

59 Hình 5.15 Mối quan hệ áp suất và độ biến dạng (P- D) xét tại màng

1000 x 15 μm và quan sát được tăng lên 100 lần

60 Hình 5.16 Mối quan hệ giữa áp suất và độ biến dạng tối đa bề mặt

61 Hình 5.17 Ứng suất phân bố theo phân bố Von Mises

62 Hình 5.18 Sự tương quan của việc thay đổi kích thước hoặc thay

đổi độ dày của màng với độ biến dạng tại tâm màng tròn

63 Hình 5.19 Mối quan hệ giữa áp suất và độ biến dạng tối đa của

màng chữ nhật

64 Hình 5.20 Sự tương quan của việc thay đổi kích thước hoặc thay

đổi độ dày của màng với độ biến dạng tại tâm màng chữ nhật

65 Hình 5.21 Sự phân bố ứng suất theo hướng xx và yy

66 Hình 5.22 Đồ thị biên độ (a) và pha (b) của màng vuông

67 Hình 5.23 Sơ đồ thuật giải trong ANSYS

68 Hình 5.24 Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và áp suất với mật độ

chia lưới khác nhau

69 Hình 5.25 Ảnh hưởng của tỉ số L/H đối với đáp ứng ngõ ra của cảm

biến

70 Hình 5.26 Một số kiểu bố trí áp trở trên màng vuông

71 Hình 5.27 Mối quan hệ áp suất và điện thế ngõ ra đối với các kiểu

bố trí điện trở khác nhau

72 Hình 5.28 Sự tương quan của việc thay đổi kích thước và thay đổi

độ dày của màng vuông đối với đáp ứng điện thế ngõ ra

74 Hình 5.30 Ảnh hưởng của yếu tố chiều dài

75 Hình 5.31 Ảnh hưởng của yếu tố chiều rộng

76 Hình 5.32 Ảnh hưởng của yếu tố chiều sâu

78 Hình 5.33 Mô hình cải tiến - áp trở dạng U

79 Hình 5.34 Ảnh hưởng bởi thế nguồn nuôi

80 Hình 5.35 Sự ảnh hưởng của nhiệt lên điện thế offset

81 Hình 5.36 Sự ảnh hưởng của nhiệt lên điện thế ngõ ra tại áp suất là 10Kpa

82 Hình 5.37 Ảnh hưởng của nhiệt lên đáp ứng ngõ ra của cảm biến thiết kế

83 Hình 5.38 Ảnh hưởng của nhiệt lên đáp ứng ngõ ra của cảm biến MPX10

84 Hình 5.39 Chi tiết qui trình chế tạo cảm biến áp suất áp trở

85 Hình 5.40 Bộ mặt nạ cho đơn cảm biến áp suất áp trở

86 Hình 5.41 Các bước mô phỏng chế tạo sử dụng phần mềm Intellisuite

87 Hình 5.42 Một số kết quả mô phỏng bằng phần mềm Intellisuite

88 Hình 5.43 Bộ mask đề suất cho wafer 4 inch

phát minh ra các linh kiện mới có kích thước vô cùng nhỏ với tính năng ứng dụng cao

đã trỏ thành một xu thế tất yếu của công nghệ điện tử hiện đại Các linh kiện đã được tích hợp theo quy trình sản xuất theo công nghệ cao góp phần thu gọn các sản phẩm điện tử Công nghệ vi cơ điện tử đã được phát triển mạnh ở nhiều nước và vẫn đang được được đầu tư phát triển vì trong tương lai công nghệ này sẽ góp phần vào việc phát triển ngành công nghệ điện tử với những ưu điểm của nó Trong “Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010”đã đưa ra một số hướng cơ điện

tử mới, có triển vọng, đó là: hệ vi cơ điện tử (MEMS) và hệ nano cơ điện tử (NEMS) Việc nghiên cứu MEMS cảm biến áp suất loại áp trở được thực hiện bằng thiết kế

mô hình với thông số cụ thể cho một ứng dụng cụ thể Ngoài việc mô phỏng đặc tính của mô hình với thông số đề ra, tác giả đồng thời cũng nghiên cứu đề suất qui trình chế tạo và mô phỏng quá trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở

Nội dung của luận văn được trình bày tóm lược thành các phần như sau:

Chương 1: Tìm hiểu tình hình nghiên cứu MEMS trong và ngoài nước nói chung

và lĩnh vực đề tài nói riêng, tổng quan về MEMS, mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài Chương 2: Giới thiệu về một số công đoạn chế tạo và kỹ thuật MEMS

Chương 3: Giới thiệu và phân loại về các loại cảm biến áp suất được chế tạo theo công nghệ MEMS

Chương 4: Xây dựng mô hình và qui trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở Chương 5: Mô phỏng đặc tính cảm biến - cơ, nhiệt và điện Đồng thời mô phỏng chế tạo và đề suất bộ mặt nạ cho quá trình chế tạo thử nghiệm tại phòng sạch

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến chân thành của quý thầy cô và các bạn cho việc nghiên cứu và phát triển đề tài được hoàn thiện hơn

-i-Chương 1 - GIỚI THIỆU

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ VI CƠ - ĐIỆN (MEMS) TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC NÓI CHUNG VÀ LĨNH VỰC ĐỀ TÀI NÓI RIÊNG

1.1.1 Ngoài nước

Năm 1939, nhà bác học W Schottky đã phát minh ra bán dẫn mối nối P-N đầu tiên, điều này đã mở ra một chân trời mới cho một ngành công nghiệp vi cơ điện tử (MEMS - MicroElectro-Mechanical Systems) đầy non trẻ nhưng hứa hẹn rất tiềm năng Trải qua nhiều giai đoạn phát triển, đến nay ngành công nghiệp vi cơ - điện (MEMS)

đã có những buớc phát triển vượt bậc và có sự đóng góp to lớn đến sự phát triển khoa học và công nghệ trên thế giới Có thể kể qua một vài cột mốc phát triển trong lĩnh vực này như: chế tạo transitor đầu tiên (1948), chế tạo IC đầu tiên (1958), chế tạo Sensor áp suất (1983) và đến những năm gần đây với việc chế tạo ra sợi quang học (2000) đã giúp làm tăng khả năng tốc độ truyền thông tin trong lĩnh vực viễn thông

Hình 1.1 Lợi nhuận từ các sản phẩm trong lĩnh

vực MEMS từ 2004 đến 2007 [41]

Số liệu từ hình 1.1 cho thấy rằng: lợi nhuận thu được từ các sản phẩm như Sensor pressure, inertial sensor, inkjet head… tăng từ gần 5

tỉ USD năm 2004 lên đến 8.5 tỉ USD năm 2007 Đặc biệt, sản phẩm cảm biến áp suất (Pressure sensor)

có sự phát triển khá mạnh, giá trị lợi nhuận năm 2004 từ sản phẩm này là hơn 1 tỉ USD đã phát triển lên tới gần hơn 2 tỉ USD năm 2008

1.1.2 Trong nước

Trong “Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010”[12] đã đưa ra một số hướng cơ điện tử mới, có triển vọng, như: hệ vi cơ điện tử (MEMS) và hệ nano cơ điện tử (NEMS)… Những năm qua, Việt Nam đã trở thành điểm dừng chân của các nhà đầu tư nước ngoài Trong số đó có không ít công ty hàng đầu có sản phẩm cần đến các linh kiện được chế tạo từ công nghệ MEMS Có thể thấy điều này ở những điển hình như Canon Inc đã mở ra một nhà máy tại khu công nghiệp Thăng Long, Hà Nội từ năm 2002 và một tại Khu công nghiệp Quế Võ, Bắc Ninh sản xuất máy in phun với số vốn đầu tư gần 100 triệu USD, công suất 700.000 sản phẩm/tháng dành cho xuất khẩu, doanh thu dự kiến là 400 triệu USD/năm[13] Một trong những chi tiết quan trọng trong thiết bị máy in là bộ phận phun mực được chế tạo bằng công nghệ MEMS Trong ngành ô tô là Honda với một nhà máy ở Vĩnh Phúc, Toyota với một nhà máy trung tâm ở Mê Linh và một ở khu công nghiệp Thăng Long cùng hệ thống các nhà máy vệ tinh ở nhiều địa phương, Ford với một nhà máy hoàn chỉnh tại Hải Dương Một số lượng lớn các chi tiết được chế tạo bằng công nghệ MEMS để lắp đặt trong các xe ô tô gồm vi cảm biến áp suất cho hệ thống nhiên liệu và chỉ thị áp suất lốp xe, gia tốc kê cho bộ phận túi khí an toàn (airbag), vận tốc góc để cân bằng xe hoạt cho các thiết bị định vị khi xe lưu thông trong hệ thống giao thông (navigations)… Nhận xét về lợi ích của việc áp dụng công nghệ này vào ngành công nghiệp Việt Nam, do trình độ phát triển các ngành công nghệ cao ở nước ta còn hạn chế, việc phát triển công nghệ MEMS sẽ cho phép chúng ta thực hiện các chiến lược đi tắt đón đầu vì những tiềm năng to lớn phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau Hiện nay rất nhiều sản phẩm của công nghệ MEMS như cảm biến MEMS quán tính dùng trong các hệ thống điều khiển, công nghiệp robot loại nhỏ với các microsensor dạng con quay vi cơ cho các thiết bị điều khiển bay, kỹ thuật môi trường với các microsensor đo độ ẩm, đo độ PH, ứng dụng y sinh với các microsensor đo áp suất màu,

đo nồng độ Glucose, nồng độ khí… Để Việt Nam có tên trên bản đồ nồng công nghệ

Micro-Nano thế giới, cần có những cơ sở nghiên cứu chế tạo và đưa ra thị trường những sản phẩm trên cơ sở công nghệ này Một khi những nhà sản xuất bị thuyết phục rằng chúng ta có thể đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất, chế tạo linh kiện MEMS tại Việt Nam khi đó việc đầu tư xây dựng những nhà máy tại Việt Nam cho những mục đích này là hoàn toàn có tính khả thi

Hiện nay, nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực MEMS tại Việt Nam chưa thực

sự phát triển mạnh mẽ [06, 08, 12, 13] Điều này có thể dễ dàng nhận thấy bởi 2 lý do:

Lĩnh vực nghiên cứu này đòi hỏi trang thiết bị hiện đại và độ chính xác cao

Đội ngũ cán bộ trong lĩnh vực này chưa thực sự mạnh và nhiều

Tuy đã có một số nghiên cứu về cảm biến áp suất [6, 12] nhưng thực sự vấn đề ứng dụng cảm biến áp suất vào trong cuộc sống nhằm phục vụ lợi ích dân sinh vẫn vấp phải bài toán khó giải: Chưa tìm ra được toàn bộ quy trình từ thiết kế đến chế tạo, đóng gói và ứng dụng chip cảm biến áp suất Bên cạnh đó, hiện nay trên thị trường có hàng ngàn chủng loại chip cảm biến áp suất xuất xứ từ nhiều nước trên thế giới với giá thành cũng khác nhau từ giá thấp nhất vài trăm ngàn VNĐ đến giá vài trăm ngàn USD Mỹ

1.2 TỔNG QUAN MEMS VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

1.2.1 Giới thiệu tổng quan MEMS

MEMS (viết tắt của cụm từ MicroElectroMechanical Systems) là hệ thống vi điện MEMS là sự tích hợp của các yếu tố cơ (mechanical elements), cảm biến(sensors),

cơ-bộ kích hoạt (actuators) và các yếu tố điện chung (electronics) trên cùng một chip bằng công nghệ vi chế tạo (micro-fabrication tech) [40]

Trong khi những thành phần có thuộc tính điện tử (electronics) được chế tạo dùng công nghệ mạch tích hợp (IC) như : CMOS, bipolar, BICMOS, thì những thành phần

vi cơ mechanical components) được chế tạo dùng quá trình vi cơ machining) phù hợp đó là loại bỏ có chọn lựa những phần wafer Si hoặc thêm vào

(micro-những lớp có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và cơ điện

Hình 1.2 Hệ thống vi cơ điện (MEMS) [27]

MEMS hứa hẹn cách mạng hóa các loại sản phẩm bằng cách mang các yếu tố vi cơ điện lại với nhau trên một nền Silicon cơ bản theo công nghệ vi cơ, bằng cách tạo ra các hệ thống trên chip hoàn chỉnh (systems on chip) MEMS

là một công nghệ cho phép phát triển các sản phẩm thông minh, tăng khả năng tính toán của các yếu tố vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ vi kích hoạt có và điều khiển Ngoài ra, MEMS còn mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng

Trong một hệ thống, sự tích hợp các yếu tố vi điện xem là “bộ não”, và MEMS tăng cường thêm khả năng như là “mắt” và “tay” cho hệ thống vi điện tử, điều này cho phép vi hệ thống nhận biết và điều khiển hệ thống theo môi trường Các cảm biến tập hợp các thông tin từ môi trường thông qua việc đo đạc các yếu tố nhiệt, cơ, quang, hóa, sinh, các hiện tượng từ Sau đó, các yếu tố điện xử lý thông tin từ cảm biến, rồi tác động trực tiếp đến bộ kích hoạt Hệ thống đáp ứng lại bằng cách di chuyển, thay đổi vị trí, dò tìm, lọc, theo đó điều khiển môi trường theo ý muốn

Năm 1947 Sự ra đời của transistor, báo trước sự khởi đầu nền công nghiệp mạch bán dẫn

Năm 1949 Khả năng phát triển Si đơn tinh thể để cải tiến transistor bán dẫn, tuy nhiên chi phí cao và độ tin cậy chưa đạt yêu cầu

Năm 1959 Tiến sĩ Feynman đưa ra bài diễn thuyết nổi tiếng có tựa đề”Có rất nhiều chỗ ở dưới đáy “ Trong đó, ông ta trình bày số lượng khoảng trống khổng lồ

có sẵn theo đơn vị đo micro

Năm 1960 Sự phát minh của quy trình chế tạo khối phẳng (planar) cải tiến

rõ rệt độ tin cậy và giá thành của linh kiện bán dẫn Ngoài ra, công nghệ phẳng cho phép tích hợp nhiều linh kiện bán dẫn lên một mẫu Si Sự phát triển này báo trước sự khởi đầu của nền công nghiệp IC

Năm 1960 Với sự phát triển của transistor hiệu ứng trường oxit bán dẫn kim loại (MOSFET), nền công nghiệp IC đạt đươc những hiệu quả liên tiếp đối với các mạch phức tạp được thu nhỏ

Năm 1964 Transistor cổng cộng hưởng, được sản xuất bởi Nathenson, linh kiện MEMS chế tạo khối đầu tiên Sự chuyển động tĩnh điện của thanh đệm điện cực cổng bằng vàng thay đổi đặc tính điện của linh kiện

Năm 1970 Sự phát triển của vi xử lý, có nhiều ứng dụng hợp lý làm biến đổi

xã hội, đáp ứng tạo nhu cầu về công nghệ IC cao hơn

Trong những năm 1970 và 1980 Nền thương mại MEMS đã được bắt đầu bởi nhiều công ty sản xuất ra các phần cho nền công nghiệp tự động

Năm 1982 Bài thảo luận của Kurt Petersen với tựa đề “Si như là một vật liệu cơ ” (Silicon as a mechanical material) trình bày sự phát triển của nhiều linh kiện theo công nghệ vi cơ và được xem là công cụ làm tăng sự hiểu biết về những khả năng

mà công nghệ MEMS mang lại

Năm 1984 Howe và Muller thuộc đại học California phát triển quy trình vi

cơ bề mặt Si đa tinh thể và được dùng để sản xuất các mạch tích hợp dùng công nghệ MEMS Công nghệ này là cơ bản cho các sản phẩm MEMS

Năm 1989 Các nhà nghiên cứu ở UCB và MIT đã phát triển độc lập động cơ đầu tiên theo công nghệ micro được điều khiển bằng tĩnh điện

Trong những năm 1990 Sự phát triển mạnh về số lượng lớn linh kiện, công nghệ và các ứng dụng mở rộng phạm vi ảnh hưởng của MEMS và ngày nay vẫn đang tiếp tục

Năm 1991 Các mấu nối dùng công nghệ micro được phát triển tại UCB bởi Pister mở rộng quy trình xử lý poly được gia công vi bề mặt sao cho cấu trúc lớn có thể được tập hợp lại, cuối cùng giới thiệu những bước xử lý đặc biệt của MEMS ba chiều

1.2.3 Một số ứng dụng

Hình 1.3 Một số ứng dụng của MEMS trong công nghiệp ô tô [27]

Lĩnh vực đầu tiên áp dụng các thiết bị MEMS chính là ngành công nghiệp đang phát triển mạnh mẽ tại thời điểm những năm 90: ngành công nghiệp ô tô Thiết bị đầu tiên ứng dụng công nghệ MEMS là gia tốc kế túi khí với kích thước chỉ bằng tinh thể hạt đường Ngoài lợi thế về kích thước, gia tốc kế túi khí còn làm giảm đáng kể giá thành Ban đầu một gia tốc kế khối nối với một mạch điện tử có giá thành là 50$, thì đến hiện nay, một gia tốc kế tích hợp trên cùng mạch điện tử chỉ còn khoảng 10$ Gia tốc kế túi khí đang được sản xuất với số lượng 35 triệu thiết bị mỗi năm và không chỉ dừng ở đó, nó còn đang được nghiên cứu để có các chức năng thông minh như có đáp ứng riêng đối với các lái xe có khổ người và cân nặng khác nhau Hay một thiết bị khác

là bánh xe thông minh, bên trong bánh xe sẽ có một thiết bị MEMS đo áp suất và thông tin về cho bộ xử lý bằng sóng radio Nó có khả năng báo cho người lái xe biết trước 50 dặm trước khi cần phải thay thế Trong lĩnh vực ứng dụng ô tô, các thiết bị MEMS khác chủ yếu nhằm vào độ an toàn, độ an ninh hay theo dõi môi trường, ví dụ như : đo lượng nhiên liệu, vi valve điều chỉnh dòng nhiên liệu và không khí sao cho phù hợp, tự động gìm dây bảo hiểm, hệ thống khóa cửa dựa trên sinh trắc học hoặc RFID, hệ thống định vị GPS

Hình 1.4 MEMS trong màn hình [27] Hình 1.5 MEMS trong đầu phun mực in [27].Lĩnh vực thứ hai cũng phát triển nhanh không thua kém là lĩnh vực điện tử dân dụng và máy tính, với đầu in phun, đầu đọc từ của ổ cứng, vi hệ thống gương trong projector, chuyển mạch quang Cùng với cuộc cách mạng về máy tính cá nhân là sự

cần thiết không thể thiếu của thiết bị lưu trữ (ổ cứng) Rồi sự chế ngự của các sản phẩm máy in phun và projector, một thiết bị không bao giờ vắng mặt trong bất kì một công

ty hay một trung tâm nghiên cứu nào Ngoài ra còn các thiết bị khác như HDTV definition TV), màn hình phẳng TFT, LCD với ma trận vi điểm

(High-Một trong những ứng dụng chính của công nghệ MEMS có giá trị thương mại: là chế tạo đầu viết mực in phun, dùng linh kiện áp điện Ứng dụng này đã được Epson thương mại hoá Ứng dụng mực in phun dùng nguyên tắc áp trở được thương mại hoá bởi HP, Canon, Lexmark… Công nghệ máy in phun đã tiến đến giai đoạn ưu việt, in nhanh, giá thành rẻ, trong khi đó máy in Laser có giá trị cao, tốc độ in màu của Laser lại không nhanh hơn và hạt mực Laser lớn hơn Tuy nhiên, ứng dụng đầu mực in phun

có thể phun trên bất kỳ dung môi hay loại giấy in nào Các loại mực khác nhau, bao gồm DNA, chất cảm quang, phát sáng hữu cơ Công nghệ này mở ra một hướng đi mới cho phương pháp tạo vi mạch không dùng mask, cải thiện về tốc độ phun, đóng vai trò quan trọng trong sản xuất đại lượng của công nghệ vi mạch

Hình 1.6 MEMS trong hệ thống truyền quang [27]

Vi hệ thống hiện nay cũng đang được phát triển mạnh mẽ từng ngày trong lĩnh vực viễn thông di động, các thế hệ di dộng được tung ra liên tục với các tính năng mới, tích hợp ngày một nhiều các chức năng nhưng lại luôn có xu hướng thu nhỏ lại Các

thiết bị passive và active được tích hợp như chuyển mạch, điện dung, điện cảm, bộ cộng hưởng, bộ lọc, nhằm tăng tần số sử dụng, chọn lọc và giảm nhiễu parasit, nâng cao chất lượng cuộc thoại, mở rộng băng tần làm việc Không những thế, một chiếc điện thoại di động trong tương lai gần có thể được trang bị có ổ cứng mini, máy ảnh số, máy quay số, hệ thống sinh trắc học

Công nghệ MEMS được sử dụng thành công trong công nghệ Switch quang học, micro-mirror có thể xoay đổi hướng chiều laser trong viễn thông, có thể dùng trong hệ thốngchiếu sáng

MEMS có mặt hầu hết trong một hệ thông viễn thông hình 1.7

Hình 1.7 MEMS trong hệ thống viễn thông [28]

Hình 1.8 MEMS trong lĩnh vực y sinh

[25]

Lĩnh vực hóa và y sinh học hiện là hướng phát triển trong tương lai nhằm chăm sóc sức khỏe, chuẩn đóan và phân tích rồi điều trị chi tiết hơn, tránh được các sai sót và giảm giá thành các sản phẩm y học

Ví dụ điển hình là các cảm biến áp suất

và cảm biến hóa chất, đo nồng độ các chất

có trong máu, hay hệ thống kích thích cơ và dây thanh nhân tạo, rồi hệ thống vi phẫu thuật, hệ thống hỗ trợ tim (pacemaker) Các vi mũi tiêm vô cùng nhỏ (khoảng 150 µm) có thể di chuyển trong mạch máu

và mang thuốc trực tiếp đến các khu vực nội tạng và tiêm thuốc vào đó

Lĩnh vực hóa và y sinh học hiện là hướng phát triển trong tương lai nhằm chăm sóc sức khỏe, chuẩn đóan và phân tích rồi điều trị chi tiết hơn, tránh được các sai sót và giảm giá thành các sản phẩm y học Ví dụ điển hình là các cảm biến áp suất và cảm biến hóa chất, đo nồng độ các chất có trong máu, hay hệ thống kích thích cơ và dây thanh nhân tạo, rồi hệ thống vi phẫu thuật, hệ thống hỗ trợ tim (pacemaker) Các vi mũi tiêm vô cùng nhỏ (khoảng 150 µm) có thể di chuyển trong mạch máu và mang thuốc trực tiếp đến các khu vực nội tạng và tiêm thuốc vào đó

Một ứng dụng mới và quan trọng của công nghệ vi cơ điện tử là hệ thống chuyển thuốc vào cơ thể Thuốc khi uống chỉ có thể hấp thụ 10% , ta có thể bỏ các phần tử thuốc rất nhỏ vào các cell, từ đó các máy bơm siêu vi có thể bơm thuốc vào cơ thể con người qua các lỗ chân lông, tăng hiệu quả sử dụng thuốc

Ngoài ra, còn có lĩnh vực hàng không vũ trụ, đây là một lĩnh vực lớn đòi hỏi tính

an tòan và an ninh rất cao, độ tin cậy phải lớn dù giá cả có thể đắt Thường được sử

dụng trong lĩnh vực cấp cao và quân đội Các thiết bị MEMS này gồm : gia tốc kế, đổi hướng kế, bộ vi dẫn tiến, các cảm biến áp suất, cảm biến dòng khí…

Các lĩnh vực ứng dụng của MEMS rất lớn, các lĩnh vực không chỉ dừng lại như ở trên, mà ngày một đi vào nhiều lĩnh vực khác Trong tương lai gần, chúng ta có thể thấy được sự có mặt của các thiết bị MEMS ở khắp mọi nơi, đây thực sự là một cuộc cách mạng Các thiết bị MEMS trong tương lai, không những chỉ có các chức năng đơn giản mà sẽ tự động thực thi đa chức năng, và có khả năng tự cung cấp nguồn, hay liên kết không dây với các thiết bị trung tâm

1.3 PHÒNG SẠCH VÀ MỘT SỐ THIẾT BỊ PHÒNG SẠCH

1.3.1 Giới thiệu phòng sạch [11]

Phòng sạch là môi trường dùng trong sản xuất hay nghiên cứu mà trong đó độ

tạp chất môi trường là rất thấp như bụi, vi khuẩn trong không khí, các phân tử hóa chất

và hơi hóa học Hay chính xác hơn, phòng sạch là phòng có thể điều khiển mức tạp chất hay là số phân tử trên đơn vị milimet khối với cùng một kích thước phân tử cụ thể

Ví dụ như với không khí môi trường ở cùng nông thôn chứa 35,000,000 phân tử /m3 với đường kính 0,5 micromet thì phòng sạch thuộc ISO9 Phòng sạch được ứng dụng trong sản xuất bán dẫn, kỹ thuật sinh học và những lĩnh vực khác mà có sự nhạy cảm với tạp chất môi trường

Không khí vào phòng sạch từ bên ngoài sẽ được lọc để loại trừ bụi và không khí bên trong được giữ ổn định nhờ máy lọc không khí hiệu quả cao (High Efficiency Particulate Air - HEPA) và máy lọc tạp chất không khí ở bậc thấp (Ultra Low Penetration Air - ULPA) để loại bỏ các tạp chất sinh ra ở bên trong Những ai đi vào hay ra khỏi phòng sẽ đi qua khóa không khí (có thể có cả buồng phun không khí) và phải mặc đồ bảo vệ như áo, mũ, mặt nạ bảo vệ, giày và găng tay Các thiết bị trong phòng sạch để giảm thiểu tạp chất ngay cả rẻ lau và thùng cũng đặc biệt Các thiết bị

được thiết kế để giảm thiểu tạp chất và dễ dàng làm sạch thiết bị Các vật liệu phổ biến như giấy, chì, vải được tạo từ sợi tự nhiên thường bị loại bỏ hay được thay thế

1.3.2 Tiêu chuẩn phòng sạch [11]

Có khá nhiều các Tiêu chuẩn Quốc tế định nghĩa về “Phòng sạch” Các lĩnh vực liên quan đến khái niệm phòng sạch có ngành Sinh học, Dược phẩm, Vi điện tử và nhiều ngành khác nữa Có các tiêu chuẩn quốc tế quan trọng về phòng sạch là:

Các tiêu chuẩn này thường có các phần chính như sau:

Nguyên lý Kiểm soát không gian sạch (Principles of Clean Space Control): Đưa ra các nguyên lý kiểm soát một không gian sạch Có 6 mức độ không khí sạch được mô tả và các chỉ dẫn về việc lựa chọn kiểu thổi gió, kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm, điều chỉnh áp suất không khí, vật liệu và kỹ thuật xây dựng cũng như các quy trình tiến hành Các không gian sạch có thể đạt được trong phạm vi một phòng hoặc trong phạm

vi vị trí làm việc hoặc trong phạm vi buồng nhỏ trong một phòng

Các phòng sạch thổi gió từng lớp (Laminar Flow Cleanrooms): Mô tả các yêu cầu đối với phòng sạch có thổi gió từng lớp, với độ sạch không khí tối thiểu đạt cấp 3.5 theo tiêu chuẩn phòng sạch

Các phòng sạch có thổi gió thông thường (Non-laminar Flow Cleanrooms) Cấp 350 và cao hơn: Mô tả các yêu cầu đối với phòng sạch có thổi gió thông thường với độ sạch không khí tối thiểu đạt Cấp 350 theo tiêu chuẩn phòng sạch

Các phòng sạch có thổi gió thông thường (Non-laminar Flow Cleanrooms) Cấp 3500: Mô tả các yêu cầu đối với phòng sạch có thổi gió thông thường với độ sạch không khí tối thiểu đạt Cấp 3500 theo tiêu chuẩn phòng sạch

Vị trí làm việc sạch (Clean Workstations): Mô tả các yêu cầu đối với vị trí làm việc sạch

Thực hiện và Kiểm tra về phòng sạch (Operation and Inspection of Cleanrooms): Đưa ra các gợi ý và yêu cầu đối với việc tiến hành và kiểm tra về phòng sạch có thổi gió từng lớp và phòng sạch có thổi gió thông thường Tài liệu tham khảo cho 3 giai đoạn đánh giá cho 3 giai đoạn khác nhau của phòng sạch (phòng sạch đang được thiết lập, phòng sạch tĩnh và phòng sạch đang trong vận hành)

Lắp đặt và sử dụng Vị trí làm việc sạch (Installation and Use of Clean Workstations): Đưa ra các gợi ý về thực hành lắp đặt, vận hành, duy trì và kiểm tra vị trí làm việc sạch (có thổi gió từng lớp) như đã được mô tả trong tiêu chuẩn phòng sạch

1.3.3 Một số thiết bị phòng sạch [36]

Một số thiết bị cơ bản được sử dụng trong phòng sạch

Quang khắc - Lithography Bốc bay hóa học plasma tăng cường -

PECVD

Ủ nhiệt, khuếch tán, và Oxi hóa -

Annealing, diffusion and oxidation

Đo độ dày và độ khúc xạ của lớp màng

Khắc phản ứng Ion - RIE Lò chân không - Vacuum Oven

Hình 1.9 Một số thiết bị trong phòng sạch

1.4 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu một số công đoạn chế tạo và kỹ thuật MEMS

Tìm hiểu về qui trình chế tạo MEMS

Tìm hiểu về các loại cảm biến áp suất được chế tạo bằng công nghệ MEMS

Tìm hiểu về qui trình thiết kế mặt nạ cho đơn cảm biến và cho wafer 4 inch

Tìm hiểu và sử dụng một số phần mềm mô phỏng: ANSYS, CoventorWare, Intellisuite, AutoCAD,…

1.4.2 Nhiệm vụ

Đề tài “ Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng chế tạo Hệ Vi Cơ – Điện Cảm biến áp suất (MEMS) ” với một số nhiệm vụ được đề ra:

Xây dựng và tính toán thông số cho mô hình cảm biến áp suất loại áp trở

Xây dựng qui trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở với ứng dụng cụ thể

Mô phỏng thuộc tính cảm biến: Cơ – Điện – Nhiệt

Mô phỏng chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở

Đề xuất bộ mặt nạ trên wafer 4 inch cho việc chế tạo thử nghiệm

Chương 2 – MỘT SỐ CÔNG ĐOẠN CHẾ TẠO VÀ KỸ THUẬT MEMS

2.1 MỘT SỐ CÔNG ĐOẠN CHẾ TẠO

2.1.1 Vật liệu và cấu trúc tinh thể màng

2.1.1.1 Cấu trúc tinh thể[2]

Hiện nay, chúng ta đã biết đến 7 loại tinh thể đó là : lập phương (cubic), tứ phương (tetragonal), trực thoi (orthorhombic), lục giác (hexagonal), đơn tà (monoclinic) và tam tà (triclinic) kết hợp với 3 phân loại khác như tâm khối (body centred), tâm mặt (face centred) và tâm bên (side centred) Như thế, chúng ta có tổng cộng 14 loại tinh thể như hình dưới:

Hình 2.1 Tổng hợp các loại cấu trúc tinh thể của vật liệu

Như thế, khi tạo các màng mỏng trong công nghệ MEMS, định hướng mọc tinh thể và xác định cấu trúc tinh thể cần phải biết để chúng ta có thể điều chỉnh tốc độ mọc tinh thể, độ tinh khiết, bề dày,… các màng mỏng

2.1.1.2 Chế tạo vật liệu bán dẫn[1]

Những vấn đề cơ bản xuất hiện trong quá trình nhận đơn tinh thể bán dẫn liên quan đến việc không làm bẩn vật liệu đa tinh thể ban đầu, đến việc không làm bẩn vật liệu đa tinh thể ban đầu, đến việc nhận đơn tinh thể có đường kính tối ưu và khối lượng cực đại để giảm giá thành, đến sự phân bố các tính chất đồng đều trong thể tích đơn tinh thể và cấu trúc hoàn hảo tới mức tối đa của đơn tinh thể Đơn tinh thể bán dẫn cần

có tính chịu nhiệt cao để bảo đảm các tính chất lý điện không bị thay đổi, sau khi sử lý nhiệt các đế được xẻ ra từ chúng Ngoài ra, đơn tinh thể bán dẫn cần chức rất ít ứng suất nhiệt trong thể tích

Quá trình kết tinh định hướng là nội dung chủ yếu của các phương pháp tổng hợp, làm sạch, cũng như cấu đơn tinh thể bán dẫn Ba quá trình này có thể tiến hành riêng rẽ hoặc đồng thời trong một chu trình Biện pháp sau thường tối ưu hơn vì tránh làm nhiễm bẩn thêm nguyên liệu đa tinh thể

Trong công nghệ vật liệu bán dẫn sử dụng các phương pháp nuôi đơn tinh thể như sau: phương pháp Bridgeman, phương pháp Czochralski và kết tinh định hướng ngang hoặc luyện vùng thẳng đứng, hay có tên gọi chung là luyện vùng

Tinh thể Ge và Silic: Ge được chế tạo từ các chất thải của các dây chyền sản xuất

của ngành luyện kim, hoặc các phân xưởng cốt hóc than Vì hàm lượng Ge có trong những chất thải này rất nhỏ, phải tiến hành làm giàu Ge tới nồng độ (50 ÷ 60)% Ge tồn tại trong các chất thải đã cô đọng ở đạng Ge02 hoặc Tinh thể Silic: Silic là nguyên

tố có mặt khắp nơi trên trái đất Hàm lượng Si có trong lòng đất là 27,7% Hai phương pháp thông dụng để chế tạo Silic: Silic đa tinh thể có độ sạch cao được chế tạo bằng phương pháp hoàn nguyên triclosilan (SiHCl3)

2.1.1.3 Chế tạo màng mỏng [1]

Các màng mỏng có thể được chế tạo bằng phương pháp phun tĩnh điện (electro – deposition), bốc bay chân không (vacuum evaporation) và phún xạ (sputtering) Hai phương pháp đầu tiên đã được sử dụng từ những năm 50 Hiện nay, các màng mỏng, nhất là các màng mỏng đất hiếm – kim loại chuyển tiếp thường được chế tạo bằng phương pháp phún xạ Đây cũng là phương pháp phổ biến được sử dụng trong nhiều phòng thí nghiệm ở Việt Nam(mục 2.1.2)

2.1.1.4 Xác định trục tinh thể [5]

Sau khi chế tạo màn xong, chúng ta có thể kiểm tra cấu trúc tinh thể bằng nhiều phương pháp khác nhau như chụp nhiễu xạ tinh thể tia X Chúng ta có thể dùng phần mềm mô phỏng Laue để xác định trục tinh thể khi biết thông số ban đầu: hằng số mạng, vị trí của nguyên tử trong ô cở sở cũng tinh thể thuộc hệ mạng nào

Sau đó, kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microcopy: SEM) được sử dụng xác định cấu trúc bề mặt, độ gồ ghề, độ dầy Kết hợp với việc phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy: EDX) để phân tich nhờ phổ kế tán sắc năng lượng và xác định thông tin về thành phần các nguyên tố Khả năng khuếch đại của SEM là rất lớn, trong phạm vi từ x 25 đến x 250,000, vượt xa giới hạn khuếch đại tốt nhất của kính hiển vi quang học là khoảng 250 lần

2.1.1.5 Một số tính chất của vật liệu [3]

Tính cơ tính của vật liệu là khả năng chịu lực tác động bên ngoài làm thay đổi hình dạng và trạng thái của vật liệu Tức là độ biến dạng của vật liệu khi có tải trọng đặt vào Chúng bao gồm: Biến dạng đàn hồi, Biến dạng dẻo và giả đàn hồi

Một số đặc tính khác như : nồng độ hạt tải, mật độ phân bố, điện trở suất, tính chất nhiệt, tính chất quang, độ truyền qua, khúc xạ, phản xạ,… là các tham số cần xác

định trước, trong và ngay cả sau khi tạo màn nhằm so sánh và tính toán các hiện tượng vật lý đối với linh kiện

Hình 2.2 Ảnh SEM và phổ tán sắc năng lượng tia X của một tinh thể TmCoIn5 [5] (a): Ảnh bề mặt tinh thể phân tích và (b): Phổ tán sắc năng lượng tia X

2.1.2 Lắng đọng bốc bay vật lý (PVD) - Physiscal Vapor Deposition [14]

Quá trình lắng đọng bốc bay vật lý là phương pháp phủ các lớp vật liệu mà ở đó không yêu cầu xảy ra phản ứng hóa học trong quá trình lắng đọng Phương pháp lắng đọng bốc bay vật lý có khả năng phủ lớp mỏng của bán dẫn và chất cách điện được sử dụng trong những ứng dụng MEMS, phủ ngoài thiết bị quang học hoặc bán dẫn điện Hai phương pháp lắng đọng bốc bay vật lý được đưa ra thảo luận dưới đây là phương pháp bốc bay (evaporation) và phương pháp phún xạ (sputtering)

2.1.2.1 Phương pháp bốc bay

Quan sát hình 2.2, vật liệu cần bay hơi được đặt trên chén nung chứa trong buồng nung, ở nhiệt độ cao vật liệu sẽ bay hơi và lắng đọng trên lớp bề mặt của wafer thông qua lớp cửa chớp(shutters)

Khi quá trình phủ bắt đầu thì wafer và vật liệu được phủ ở áp suất thấp và nhiệt

độ cao, tồn tại áp suất bay hơi Pv Vật liệu được phủ phải có khả năng bốc bay để tạo nên lớp phủ Vật liệu cần cần kết tủa được tải vào chén nung Chén nung có thể được đốt nóng bằng lò điện trở Vật liệu được nung nóng đến khi bay hơi Vì áp suất trong buồng chân không thường cỡ 10-5 mmHg, các nguyên tử vật liệu bay thẳng lên đế và tích tụ thành màng trên đế

Các bệ chân không có thể được trang bị 4 chén nung và có thể kết tủa 24 phiến

Để tạo màng hợp kim, có thể sử dụng nhiều chén nung cùng lúc Để khởi động và kết thúc quá trình, người ta sử dụng cửa chớp cơ học ngay trên chén nung

Bảng 2.2 Nhiệt độ tan chảy đối với các vật liệu khác nhau và dải nhiệt độ cần

thiết cho nhiệt độ để tồn tại áp suất bay hơi ở 10-3 torr

Vật liệu Al Cr Si Au Ti Pt Mo Ta W Nhiệt độ nóng chảy(0C) 660 1900 1410 1063 1668 1774 2622 2996 3382 Nhiệt độ để tạo áp suất

PV=10-3torr 889 1090 1223 1316 1570 1904 2295 2820 3016

Lý thuyết động lực học của khí được quan hệ với áp suất buồng chân không PV và nhiệt độ T, dòng nguyên tử thoát khỏi bề mặt mẫu nung chảy J

2

V

P J

Hệ phún xạ bao gồm buồng chân không chứa lò plasma bản cực song song, được thiết kế sao cho các ion năng lượng cao bắn phá bia làm từ vật liệu cần kết tủa Ban đầu, người ta hút chân không trong buồng xuống cỡ 10-6 Torr Sau đó xả khí trơ (Ar) vào buồng đến áp suất 10-1-10-2 Torr, khí Ar bị ion hóa dưới tác dụng của điện trường, các ion Ar bắn phá bia (được đặt dưới điện áp âm) là cho vật liệu bay hơi và kết tủa trên đế

Để thu được nhiều nguyên tử bắn ra từ bia, cathode và anode trong phún xạ được đặt rất gần nhau (nhỏ hơn 10 cm)

Hình 2.5 Thiết bị Phún xạ tại SHTP

Phún xạ là phương pháp có thể thay thế phương pháp bay hơi để tạo màng kim loại

Ưu điểm của phương pháp này là phủ bậc thang tốt hơn so với bay hơi, ít sai hỏng và tạo màng hợp chất và hợp kim tốt hơn nhiều Phương pháp này có thể sử dụng để kết tủa nhiều loại vật liệu khác nhau

Hình 2.4 là một hệ thống dùng để tạo màng mỏng, vật liệu chất điện môi, hoặc kim loại bằng sử dụng súng từ trường

Hệ thống thường được sử dụng để tạo lớp màng có bề dày từ 2000 Â đến 5000 Â

Tuy nhiên bề dày của lớp màng phủ có thể phủ nằm trong dải từ 100 Â đến 200 um 2.1.3 Lắng đọng bốc bay hóa học (CVD) - Chemical Vapor Deposition [14]

Phương pháp bay hơi hóa học bao gồm các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình lắng đọng vật liệu Phản ứng hóa học xuất hiện trên bề mặt thì thường hữu dụng hơn Phản ứng có thể xuất hiện trong pha khí cũng tạo ra các tạp chất Phản ứng hóa học có thể có dạng khác nhau:

Hợp chất phân hủy dưới tác dụng của nhiệt độ Ví dụ: khí silan (SiH4) có thể

bị phân hủy dưới tác dụng nhiệt lớn hơn 4000C để tạo ra silicon và Hydrogen

Kết hợp hợp chất phản ứng để tạo ra màng Ví dụ: Khí Silan SiH4 và oxi phản ứng để hình thành Silicon dioxide

Một số phản ứng CVD có thể hữu ích cho việc lắng đọng (bảng 2.3) Phản ứng CVD thường được sử dụng cho việc lắng đọng Si, SiO2, và Si3N4

Hình 2.6 Sơ đồ buồng phản ứng CVD.

Lò phản ứng CVD là hệ thống phức tạp, trong đó áp suất, năng lượng và lưu lượng các chất tương tác phải được điều khiển cẩn thận để có lớp màng tốt Hệ thống thoát khí cũng cần cho bình phản ứng để loại bỏ sản phẩm phụ và tạp chất Quá trình tạo màng khí hóa xảy ra theo các bước sau:

Đưa khí tải phản ứng vào lò và đưa lên bề mặt vật liệu nền

Kết tủa hay hấp thụ chất phản ứng trên bề mặt vật liệu nền

Phản ứng hóa học trên bề mặt vật liệu

Thoát khí thải của phản ứng hóa học

Vận chuyển khí thải khỏi bề mặt vật liệu nền và lò phản ứng

Một vài kiểu của quá trình CVD:

CVD ở áp suất không khí (APCVD-Atmospheric pressure CVD), vì tỉ lệ lắng đọng cao, nhiều tạp chất APCVD được sử dụng chủ yếu để lắng đọng chất như silicon nitride

CVD ở áp suất thấp (LPCVD- Low pressure CVD) hoạt động ở áp suất 0.1 đến 1 torr và ảnh hưởng đến sự khuếch tán trong quá trình chế tạo là nhỏ nhất LPCVD được dùng để lắng đọng silicon dioxide, polycrystalline silicon, Vonfamat (tungsen) và silicon nitride