KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT (surface micromachining)

• Kỹ thuật này sẽ phủ một lớp vật liệu hy sinh trên lớp đế, khắc lithography lên lớp vật liệu hy sinh để tạo hình cho lớp vật liệu cấu trúc sau đó ăn mòn etching đi lớp vật liệu hy sinh

CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT (Surface Micromachining)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

GVHD: TS ĐẶNG VINH QUANG Nhóm trình bày: Nhóm 10

QUY TRÌNH THỰC HIỆN GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ

CÁC VẤN ĐỀ TRONG CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT

NỘI DUNG

Tp HCM, 19 tháng 06 năm 2020

VI CƠ BỀ MẶT ĐA LỚP ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT

Trương Minh Nhật Phạm Phú Quân 1719134 1719157

Lê Quốc Tâm Nguyễn Văn Thắng 1719168 1719175

Võ Quang Triểu 1719219 Huỳnh Quang Tuyến 1719233 Phan Thị Kim Yến 1719257

1

CÔNG NGHỆ LIGA

01 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT

Micromachining: Kỹ thuật chế tạo cấu trúc 3D

và 2D trên thang đo micromet.

01 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT

• Vi cơ bề mặt là một kỹ thuật được sử

dụng để tạo MEMS.

• MEMS (Microelectromechanical

systems) là hệ thống cơ điện tử.

• Kỹ thuật này sẽ phủ một lớp vật liệu hy

sinh trên lớp đế, khắc (lithography) lên

lớp vật liệu hy sinh để tạo hình cho lớp

vật liệu cấu trúc sau đó ăn mòn

(etching) đi lớp vật liệu hy sinh

(sacrificial) chỉ để lại lớp vật liệu cấu

trúc

3

01 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT

1 Được chế tạo bằng cách khắc (lithography) đi phần không mong muốn trong Wafer silicon. Được chế tạo bằng cách xây dựng các lớp trên các lớp.

2 Vi cơ khối ướt có thể tạo ra các cấu trúc lớn Khó tạo ra cá cấu trúc lớn.

3 Tỷ lệ hình học - Kích thước bề mặt lớn hơn nhiều so với chiều cao vì chiều cao bị giới hạn bởi độ dày của wafer silicon.

Không bị hạn chế bởi độ dày của wafer silicon, vì vậy tỷ lệ hình học cao có thể được chế tạo bằng cách sử dụng vi cơ bề mặt

4 Quá trình đơn nhất dễ khống chế Thiết kế và sản xuất mặt nạ phức tạp

5 Không cần lớp hy sinh Bắt buộc phải có lớp hy sinh.

6 Quy trình ít tốn kém nhưng hao tổn vật liệu nhiều Quá trình tốn kém, ít hao tổn vật liệu.

01 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT

STT Vi cơ khối ướt Vi cơ bề mặt

7 ~ 5mm Kích thước thiết bị < 1mm

9 ~ 100 mm Độ dày 1 – 3 mm

10 Tạo ra các cấu trúc bên

trong đế. Cấu trúc Tạo ra các cấu trúc trên bề mặt đế.

01 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT

 Phải sử dụng các phương pháp làm

sạch đế để loại bỏ đi các lớp Oxide

của các quá trình trước để lại trên

(b) Pattering of the spacer layer.

(c) Deposition of the microstructure layer.

(d) Patterning of desired structure.

(e) Stripping of the spacer layer resolves final structure 7

02 QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Si substrate

Oxide SiO2

Si substrate Oxide SiO2

Bước 4: Lắng đọng lớp linh kiện (structure layer)

Si substrate

Poly-Si

• Phủ lớp vật liệu linh kiện lên lớp hy sinh bằng CVD, PVD

Cụ thể là được chế tạo bằng phương pháp LPCVD ở áp suất 25 – 150 Pa, nhiệt độ 600oC

• Lớp linh kiện thường được sử dụng là vật liệu silic đa tinh thể

Tính chất vật liệu silic đa tinh thể

- Cấu tạo gồm các đám hạt (grains) có định hướng ngẫu nhiên trong cấu trúc tinh thể kích thước hạt tăng cùng với chiều dày màng được tạo ⇒ + Ứng suất đàn hồi Young ~ 140 – 190 Gpa,

+ Sức bền đứt vỡ: ~ 2-3 Gpa, + Biến dạng đàn hồi ~ 0,5%.

- Tính tương thích với công nghệ chế tạo vi điện tử (IC Tech.) cao dễ ⇒ dàng tạo SiO2 bằng phương pháp oxi hóa nhiệt

- Tính chất nhiệt cũng phụ thuộc kích thước hạt.

10

Thay đổi tính chất điện bằng pha tạp

Ứng suất nén Silic đa tinh

Thay đổi tính chất điện bằng pha tạp

Ứng suất kéo

Ecao

Nguyên tử

Ion

E = 10 -500 KeV màng

Ion hóa

E = 10 -50

0 KeV

Hình 6 Sơ đồ pha tạp bằng phương pháp cấy ion

12

Một số vật liệu khác

• Ngoài vật liệu silic đa tinh thể, một số vật liệu khác cũng được sử

dụng trong cấu trúc vi cơ bề mặt như Si3N4, polyimide, SiC, α-Si:H,

Si, poly-Si SiO2 (PSG, TEOS)

Bảng 1 Sự kết hợp giữa lớp linh kiện và lớp

• Màng SiC đa tinh thể thường

được tạo trên đế silic có phủ lớp silic đa tinh thể bằng phương pháp APCVD Trong trường hợp này silic đa tinh thể đóng vai trò là lớp hy sinh

13

Bước 5: Loại bỏ lớp vật liệu hy sinh - Release Sacrificial

 Release trong công nghệ vi cơ bề mặt

là loại bỏ lớp vật liệu hy sinh

(Sacrificial) để tạo thành cấu trúc vật

liệu

 Để có thể ăn mòn (etching) ngang

nhằm loại bỏ vật liệu hy sinh thì thường chọn phương pháp ăn mòn hóa ướt là thích hợp nhất

15

02 QUY TRÌNH THỰC HIỆN

Vấn đề gặp phải:

 Đối với cấu trúc khe hẹp và có diện tích lớn thì quy trình ăn mòn trong BHF phải thức hiện trong thời gian kéo dài nhiều giờ liền Ảnh hưởng đến cấu trúc của vật liệu.

Để giải quyết vấn đề trên, cần:

 Đối với vật liệu có cấu trúc dầm hoặc khối gia trọng cần được đục lỗ trong quá trình ăn mòn linh kiện

 Bề dày lớp hy sinh cần có giá trị đủ lớn

 Ngoài ra, pha tạp cũng là một giải pháp cần được chú ý đến

Bước 5: Loại bỏ lớp vật liệu hy sinh - Release Sacrificial

16

Rs(µm/ phút)

Ri(µm/ phút)

Đối với silic đa tinh thể:

 Lớp cách điện, lớp hy sinh cần được quan tâm trong vi cơ bề mặt

 Đế silic hay lớp silic đa tinh thể pha tạp P cũng bị tương tác hóa học trong dung dịch BHF

 Si3N4 thường sử dụng làm lớp cách điện vì nó sẽ ăn mòn với tốc độ chậm hơn so với SiO2

Bảng 1: Tốc độ khắc của một số loại oxit trong dung dịch HF:HCl

Bước 5: Loại bỏ lớp vật liệu hy sinh - Release Sacrificial

18

02 QUY TRÌNH THỰC HIỆN

DUNG DỊCH ĂN MÒN LỚP CÁCH ĐIỆN LỚP ĐỆM/ LỚP HY SINH LỚP LINH KIỆN

KOH LPCVD Si3N4/SiO2 nhiệt Poly-Si Si3N4

Bảng 2: Tổng hợp của hệ vật liệu cấu trúc, vật liệu hy sinh vad dung dịch khắc,

loại kỹ thuật khắc trong công nghệ vi cơ bề mặt.

Bước 5: Loại bỏ lớp vật liệu hy sinh - Release Sacrificial

19

03 CÁC VẤN ĐỀ TRONG CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT

Ma sát tĩnh - Sự bám dính các lớp vật liệu

Stactic Friction - Stiction

Ứng suất trong màng mỏng

Sợi dây ngang - Stinger

Hình thành do địa hình chồng chéo của cấu trúc 3 chiều trong không gian hẹp Cản trở hoạt động của linh kiện như đan xen cơ hay đoản mạch…

20

3.2 Sự bám dính của các lớp vật liệu (stiction)

 Đây là một tính chất không mong muốn.

 Xuất hiện sau khi thực hiện quá trình ăn mòn ướt loại bỏ lớp vật liệu hy sinh.

3.2 Sự bám dính của các lớp vật liệu (stiction)

3.2 Sự bám dính của các lớp vật liệu (stiction)

Phương pháp chống bám dính hóa học

Sử dụng các dung dịch dễ bay hơi như methanol kết hợp với CO 2 lỏng để thay thế nước.

Sử dụng các dung dịch dễ bay hơi như methanol kết hợp với CO 2 lỏng để thay thế nước.

Điều chỉnh hóa học bề mặt

Lắng đọng các lớp kỵ nước năng lượng bám dính thấp với góc ướt mc > 90o

Ví dụ: phủ lớp tự tập hợp đơn lớp (self-assembled monolayers), khi rửa SAM

dựa trên hydrocarbon hoặc fluorcarbon chlorosilane

Lắng đọng các lớp kỵ nước năng lượng bám dính thấp với góc ướt mc > 90o

Ví dụ: phủ lớp tự tập hợp đơn lớp (self-assembled monolayers), khi rửa SAM

dựa trên hydrocarbon hoặc fluorcarbon chlorosilane

23

3.2 Sự bám dính của các lớp vật liệu (stiction)

Tránh chuyển đổi trực tiếp lỏng - khí

Tránh sấy qua bước bay hơi

Tránh sấy qua bước bay hơi Sấy thăng hoa

Sấy siêu tới hạn - critical point drying, CPD

24

3.2 Ứng suất trong màng mỏng

• Công nghệ vi cơ bề mặt liên quan

đến các quá trình chế tạo màng mỏng trên bề mặt đế

• Khi đó hệ màng mỏng có thể bị uốn

cong, biến dạng do ảnh hưởng của ứng suất trong màng mỏng.

25

3.2 Ứng suất trong màng mỏng

Theo mô hình lý thuyết của Buckel, nguyên nhân gây ra ứng suất:

Ngoài ra, còn có các mô hình lý thuyết Klokolm & Berry, lý thuyết Hoffman cũng trình bày về nguyên nhân của sự hình thành ứng suất.

• Sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa màng và đế

• Sự khác biệt về hằng số mạng giữa đế đơn tinh thể và màng

• Sự thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử theo kích thước màng

• Quá trình tái kết tinh

• Các sai hỏng rỗng vi mô và sai hỏng lệch mạng

• Các quá trình chuyển pha

26

3.2 Ứng suất trong màng mỏng

Ứng suất trong màng mỏng

vỏ linh kiện.

Ứng suất nhiệt

27

 Ứng suất tạp chất: nguyên nhân do sự co/ dãn định xứ của các sai hỏng điểm.

 Ứng suất nén: xuất hiện ở giai đoạn đầu hình thành màng

 Ứng suất kéo: xuất hiện ở giai đoạn đầu hình thành màng.

28

3.2 Ứng suất trong màng mỏng

3.2.1 Ứng suất nội

Ảnh hưởng của ứng suất nội:

1 • Ứng suất nén gây các hiện tượng vặn xoắn, phồng rộp hay tách lớp màng.

2

• Ứng suất kéo có thể gây đứt gãy nếu ứng suất vượt quá giá trị ngưỡng phá hủy vật liệu.

3 • Có thể tách lớp màng ra khỏi đế nếu trường hợp màng có độ dày lớn.

Làm biến dạng cấu trúc vật liệu

29

3.2 Ứng suất trong màng mỏng

 Hình thành trong điều kiện lắng đọng màng mỏng ở nhiệt độ cao hoặc màng được nung ủ (annealing)

 Thường không thể loại trừ do tồn tại sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa màng và đế

 Xét hệ màng mỏng – đế cứng ở điều kiện nhiệt độ cao được làm nguội xuống nhiệt độ phòng Khi đó:

3.2.2 Ứng suất ngoại - Ứng suất nhiệt

• Kích thước của để bị co (thu nhỏ) không đáng kể

• Kích thước của màng mỏng giãn mạnh

Ứng suất nhiệt tỷ lệ thuận với độ chênh lệch nhiệt độ

Các tính toán ứng suất được tính qua công thức Stoney và các phép biến đổi

Các tính toán ứng suất được tính qua công thức Stoney và các phép biến đổi

30

04 VI CƠ BỀ MẶT ĐA LỚP

(SMM with multiple layer)

 Độ phân giải tối thiểu của lithography

 Thẳng hàng giữa các lớp

 Hiệu ứng địa hình (topography) của nhiều lớp

 Yêu cầu Etching của từng loại vật liệu

4.1 MEMS CAP’s PolyMUMPs Process

(SMM with multiple layer)

- Phát triển tại trung tâm cảm biến và thiết bị

truyền động Berkeley (BSAC) tại Đại học California vào cuối thập niên 80 và đầu 90

- PolyMUMPs: quá trình vi cơ bề mặt có 3 lớp

polysilicon.

- Bao gồm 8 lần lithography, và 7 lớp phủ:

2 mechanical polysilicon (poly 1,2)

1 electrical polysilicon (poly 0)

2 sacrificial layers (Oxide 1,2)

1 electrical conduction (metal)

1 electrical isolation layer (nitride)

- Ngoài ra còn dùng thêm thủy tinh

silicat-photpho để ăn mòn nhanh hơn.

32

4.1 MEMS CAP’s PolyMUMPs Process

(SMM with multiple layer)

• Bắt đầu với việc khuếch tán lớp POCL3 lên

bề mặt Si

• Phủ lớp nitride và poly 0 ,resist

• Lithography và dùng RIE để etching

• Lớp oxide đầu (2.0 µm) được lắng đọng bằng LPCVD và phủ resist

• Exposed và tạo hình lớp oxide 0 theo ý

33

4.1 MEMS CAP’s PolyMUMPs Process

(SMM with multiple layer)

• Phủ poly 1 và 1 lớp PSG làm hard mask

• Phủ resist chiếu UV và RIE

• Phủ lớp oxide 2 (0.75 µm),

• Phủ resist 2 lần

34

4.1 MEMS CAP’s PolyMUMPs Process

4.1 MEMS CAP’s PolyMUMPs Process

(SMM with multiple layer)

Sem cross section

4.2 SUMMiT - Sandia Ultra-Planar Multi-Level MEMS Technology

• Sử dụng ăn mòn ướt để loại bỏ vật liệu hy sinh (SiO2 )

• Phức tạp nhất

• Dùng CMP làm bằng phẳng bề mặt

37

4.1 MEMS CAP’s PolyMUMPs Process

(SMM with multiple layer)

• Bắt đầu với lớp Silic loại n

• Tạo lớp SiO2 (độ dày ~ 0,63 μm) bằng pp ô-xy hóa nhiệt và Si3N4 (độ dày ~ 0,8 μm) trên lớp SiO2.

• Phủ lớp polysilicon đầu tiên – MMPOLY0 (độ dày ~ 0,3 μm) trên bề mặt lớp Si3N4.

• Quang khắc và ăn mòn tạo hốc ở lớp SiO2 vật liệu hy sinh

• Phủ lớp polysilicon thứ hai – MMPOLY1 trên b mặt lớp SACOX1 đã được quang khắc định dạng.

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

• Phủ lớp polysilicon – MMPOLY2 pha tạp (độ dày ~ 1,5 μm) trực tiếp lên trên bề mặt lớp MMPOLY1.

• Ăn mòn MMPOLY2 và lớp hỗn hợp cả MMPOLY1 và MMPOLY2 bằng phương pháp ion hoạt hóa RIE

38

4.1 MEMS CAP’s PolyMUMPs Process

(SMM with multiple layer)

• Tiếp tục qui trình với các lớp SACOX3 và MMPOLY4

• Tạo lớp SiO2 từ TEOS (tetraethoxysilane) với độ dày ~ 6 μm – SACOX3.

• Thực hiện kỹ thuật mài CMP (chemical mechanical polishing) để giảm độ dày SACOX3 xuống còn ~ 2 μm

• Quang khắc và định dạng lớp SACOX3 tạo hốc cấu trúc xuống đến lớp MMPOLY2, sau đó phủ Si lấp đầy hốc

• Phủ lớp polysilicon – MMPOLY3 pha tạp (độ dày ~ 2 μm) trực tieps lên trên bề mặt lớp SACOX3

39

4.1 MEMS CAP’s PolyMUMPs Process

(SMM with multiple layer)

Các mẫu linh kiện tạo bằng quy trình SUMMiT

• Ăn mòn ướt để tạo cấu trúc cuối cùng

40

4.1 MEMS CAP’s PolyMUMPs Process

(SMM with multiple layer)

CMP - chemical mechanical polishing

4.1 MEMS CAP’s PolyMUMPs Process

(SMM with multiple layer)

 Hình thành trong điều kiện lắng đọng màng mỏng ở nhiệt độ cao hoặc màng được nung ủ (annealing)

 Thường không thể loại trừ do tồn tại sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa màng và đế

 Xét hệ màng mỏng – đế cứng ở điều kiện nhiệt độ cao được làm nguội xuống nhiệt độ phòng Khi đó:

42

05 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT

Chế tạo Bộ xử lý trung trâm (CPU)

 Trong CPU chứa hàng tỷ Transistor hay còn gọi là Bóng bán dẫn.

 Số nanomet (nm) chúng ta thường thấy đó chính là kích thước của transistor.

 Kích thước này càng nhỏ thì càng giảm mức điện năng tiêu thụ và cải thiện sức mạnh của CPU.

Để tạo ra các CPU kích thước siêu nhỏ như vậy thì thường được ứng dụng công nghệ vi cơ

bề mặt: khắc quang học với các mặt nạ thiết kế và sau đó loại bỏ các lớp phụ trợ (hy sinh)

Và đặc biệt được chế tạo trong phòng sạch với độ sạch 1 hạt kích thước 0.5 mm/10 lít không khí.

43

05 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VI CƠ BỀ MẶT

Chế tạo Bộ xử lý trung trâm (CPU)

 Quy trình chế tạo này gọi tắt đó là tiến trình,

mới nhất hiện nay là tiến trình 7nm Xuất hiện lần đầu tiên trên Kirin 980 của Huawei

2018 Và mới đây là AMD Ryzen 9 3900X.

 Với tiến trình 7nm ứng dụng trong Mechine

Learning có thể nhận diện được 4500 hình/phút

 Với tiến trình nhỏ thì socket của CPU cũng

được tăng (cao nhất hiện nay với 2066 chân kết nối trên tiến trình 10nm trên các CPU Intel)

44

Giới thiệu về công nghệ LIGA

Abformung (molding)

Định nghĩa: là một kỹ thuật quang khắc mạ

điện dựa trên khuôn mẫu Thường được dùng

để tạo ra các vi cấu trúc.

Giới thiệu về công nghệ LIGA

Ảnh SEM của một con kiến mang một thiết bị vi mô LIGA Bức ảnh này đã được chọn làm trang bìa của Science American vào tháng 11 năm 1992 (G Stix, Science American 267, 5 (1992))

Giới thiệu về công nghệ LIGA

Phân loại:

Gồm 2 công nghệ chế tạo LIGA

X-Ray LIGA

Sử dụng tia x do synchrochon tạo ra

để tạo cấu trúc tỷ lệ khung hình cao

UV LIGA

Là một phương pháp dễ tiếp cận hơn, sử

dụng ánh sáng cực tím để tạo ra các cấu trúc có khía cạnh tương đối thấp tỷ lệ.

Giới thiệu về công nghệ LIGA

Giới thiệu về công nghệ LIGa

Sơ đồ kỹ thuật

X-Ray

Chế tạo PMMA bằng quang khắc

Giới thiệu về công nghệ LIGa

Ứng dụng

 Tạo ra các cấu trúc chi tiết cỡ micromet.

 Chế tạo linh kiện MEMS (hệ vi cơ điện tử).

 Tạo cảm biến trong vi mạnh điện.

 Chế tạo linh kiện bánh răng siêu nhỏ.

…

Giới thiệu về công nghệ LIG

Một số hình ảnh sản phẩm

Tài liệu tham khảo

Any questions?

Ask me here You can find me at

✘ 1719233@student.hcmus.edu.vn

53