CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN MEMS Một thế giới rộng mở và quyến rũ ( An fascinating and openning world ) ( An fascinating and openning world ) 1 NỘI DUNG /CLASS CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN MEMS NỘI DUNG /CLASS I . MỞ ĐẦU/ INTRODUCTION I . MỞ ĐẦU/ INTRODUCTION II. CƠ SỞ VỀ CƠĐIỆN/ ELECTRO-MECHANICAL BACKGROUND III. VẬTLIỆU VÀ CÁC KỸ THUẬTCHẾ TẠOVIĐIỆNTỬ/ MATERIALS AND MICROELECTRONIC PROCESSES IV. THIẾTKẾ LINH KIỆNVÀXÂYDỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO/ MEMS DESIGN V VI CHẾ TẠO VÀ PHÂN LOẠI CÔNG NGHỆ MEMS/ V . VI CHẾ TẠO VÀ PHÂN LOẠI CÔNG NGHỆ MEMS/ MICROFABRICATION AND MEMS TECHNOLOGY VI. CÁC LINH KI Ệ NMEMSĐI Ể NHÌNH/ Ệ TYPICAL MEMS DEVICES 2 III. Vật liệu và công nghệ vi điện tử 3.1. Cơ sở cấutrúcvậtliệu/Material structure 3.2. V ậ tli ệ u cho MEMS / Materials fo r MEMS ậ ệ 3.3. Kỹ thuậtchế tạoviđiệntử/ IC Technology 3 4 Công nghệ màng mỏng / Thin Film Technology 3 . 4 . Công nghệ màng mỏng / Thin Film Technology 3.5. Kếtluận/Conclusions 3 3.4. Công nghệ màng mỏng 341 Lắ đ hhibằ Vậtlý 3 . 4 . 1 . Lắ n g đ ọn g p h a h ơ i bằ n g pp Vật lý (physical vapour deposition – PVD) ố B ố c bay (evaporation) ồ Định nghĩa ) Phương pháp tạo màng mỏng (thin film) nhờ quá V ậ t li ệ u Bu ồ n g chân không cao Bộ đo độ dày màng (dùng trình các nguyên tử, phân tử tự tách khỏi nguồn rắn do nhiệt trong môi trường chân không cao. ậ ệ màng (dùng QCM) Đầu đo chân không ) Kim loại: Cr, Au, Ni, Fe, Al, Ti, Cu, Pt,… ) Hợp kim: FeNi, TiNi, SiW… ) Ô-xít: ZnO , … Đặc điểm Vật liệu bốc bay , ) Nitride: AlN, SiN, ) Làm nóng chảyKLbằng nhiệt độ Nguồn điện Làm nóng chảy KL bằng nhiệt độ , ) Mật độ màng khá cao, kích thước hạt từ 0,1 ÷ 5 μm, ) Độ dính bám không tốt. 4 3.4. Công nghệ màng mỏng 341 Lắng đọng pha hơibằng pp Vậtlý 3 . 4 . 1 . Lắng đọng pha hơi bằng pp Vật lý (physical vapour deposition – PVD) Bốc bay (evaporation) Nguồn điện trở nung Yê ầ ) Yê u c ầ u ª Chịu được nhiệt độ cao (1000 – 3000 0 C) ª Không gây nhiễmbẩn 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 3.4. Công nghệ màng mỏng 341 Lắng đọng pha hơibằng pp Vậtlý ố 3 . 4 . 1 . Lắng đọng pha hơi bằng pp Vật lý (physical vapour deposition – PVD) B ố c bay (evaporation) Nguồn bốc bay dùng chùm điện tử (e-beam) ) Đ iện tử được tạo bằng pp nhiệt (đốt Chùm điệntử Đế (substrate) Đ iện tử được tạo bằng pp nhiệt (đốt nóng dây điệntrở - tungsten fillament) sử dụng điện áp DC cao (súng điệntử/ e-gun) ⇒ đám mây điệntửđượcgiatốc tạo thành chùm hạt năng lượng cao Chùm điện tử N g uồn Chùm hơi vật liệu V ậ t li ệ u tạo thành chùm hạt năng lượng cao , được định hướng tới, truyềnnăng lượng và hóa hơivậtliệubốc 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 ba y bề m ặ t đế , đá m h ơ i v ậ t liệu ngưng tụ v à tạo thành màng mỏng phủ lên trên đế. Đường hút chân không ) Ưu điểm: - Tạo màng đồng đều và chất lượng cao do giảm thiểu khả năng Tạo màng đồng đều và chất lượng cao do giảm thiểu khả năng nhiễmbẩn. - Cho phép bốcbayvậtliệu có nhiệt độ nóng chảy cao. 6 3.4. Công nghệ màng mỏng 341 Lắ đ hhibằ Vậtlý 3 . 4 . 1 . Lắ n g đ ọn g p h a h ơ i bằ n g pp Vật lý (physical vapour deposition – PVD) Phún xạ (sputtering) ) P hương pháp tạomàngmỏng (thin film) nhờ quá trình các nguyên tử bị tách Định nghĩa ) P hương pháp tạo màng mỏng (thin film) nhờ quá trình các nguyên tử bị tách khỏi nguồn rắn do va đập của các i-ôn (+) trong môi trường chân không cao. Vật liệu ) Kim loại: Cr, Au, Ni, Fe, Al, Ti, Cu, Pt,… ) Hợp kim: FeNi, TiNi, SiW… ) Ô-xít: ZnO, SiO 2 , Al 2 O 3 ,… Ni id AlN SiN ) Ni tr id e: AlN , SiN , ) Làm hóa hơi v ậ t li ệ u tron g môi trườn g á p suất thấ p và p lasma , Đặc điểm ậ ệ g gp pp , ) Mật độ màng khá cao, kích thước hạt từ < 0,1 μm, ) Độ dính bám đế tốt. 7 3.4. Công nghệ màng mỏng 341 Lắng đọng pha hơibằng pp Vậtlý 3 . 4 . 1 . Lắng đọng pha hơi bằng pp Vật lý (physical vapour deposition – PVD) Phún xạ (sputtering) Phún xạ DC Bia ) Khí Argon (Ar) được đưa vào trong Khí Argon (Ar) được đưa vào trong buồng (chamber) có điệncựcdương A (a- nốt) và âm K (Ka-tốt), nơi đặtvậtliệu n g uồn để tạomàn g mỏn g , g ọilà b ia ) Nhờđiệntrường giữa A và K (1000 V) ⇒ q uá trình i-ôn hóa n g u y ên t ử khí A r t ạ o g g g g (Target). Hút chân không q gy ạ ra Ar + và e - (plasma Ar) trong môi trường chân không cao (10 -3 Pa). ) I-ôn A r + năn g lư ợ n g cao bị hút về K ⇒ b ắn p há và lôi các n g u y ên t ử v ậ tli ệu g ợ g ị p gy ậ ệ tạomàngrakhỏibia→ lắng đọng lên đế (đặt ở A). 8 3.4. Công nghệ màng mỏng 341 Lắ đ hhibằ Vậtlý 3 . 4 . 1 . Lắ n g đ ọn g p h a h ơ i bằ n g pp Vật lý (physical vapour deposition – PVD) Phún xạ (sputtering) Đế Phún xạ DC Đế Nguyên tử bia trung hòa Nguyên tử khí i Nguyên tử bia trung hòa Điện tử Nguyên tử bị i-ôn hóa B i a ) Ka-tốtphảilàmbằng kim loại ố ầ ể ) i-ôn dương tích t ụ ở ka-t ố t ⇒ c ầ n10 12 V đ ể p hún xạ vậtliệ u điệnmôi⇒ điện áp quá cao ⇒ nguy hiểm 9 3.4. Công nghệ màng mỏng 341 Lắ đ hhibằ Vậtlý Phún xạ (sputtering) 3 . 4 . 1 . Lắ n g đ ọn g p h a h ơ i bằ n g pp Vật lý (physical vapour deposition – PVD) Phún xạ (sputtering) Phún xạ RF ) Điệnápxoaychiềutầnsố vô tuyến(Radio Frequency – RF) ~ 13 . 5 MHz được đặt lên hệ DC . Frequency RF) 13 . 5 MHz được đặt lên hệ DC . Do đặc tính xoay chiều các điện tích dương sẽởlại trong vùng plasma và không tích tụởca-tốt ⇒ g iú p du y trì hi ệ u đi ệ nthế cao ⇒ có thể p hún x ạ gp y ệ ệ p ạ nhiềuloạivậtliệu(kimloại, bán dẫn, điệnmôi). Bia Đế Hệ thống nước làm mát Lối vào khí Ar Hút chân không 10 [...]... trong buồng PƯ 3. 4 Công nghệ màng mỏng 3. 4.2 Lắng đ 3 4 2 Lắ đọng pha h i bằng pp Hó học h hơi bằ Hóa h (chemical vapour deposition – CVD) Các loại phản ứng tạo màng Ô-xít si-líc (SiO2) SH4 +O2 → SiO2 + H2 SiCl2H2 + 2 N2O → SiO2 + 2 N2 + 2 HCl Polysilicon y Si(OC2H5)4 → SiO2 + byproducts SiH4 → Si + 2H2 Silicon Nitride (Ni3Si4) 3SiH2Cl2 + 4NH3 → Si3N4 + 6HCl + 6 H2 Kim loại 3 SiH4 + 4 NH3 → Si3N4 + 12 H2... gây ra hiện tượng phún xạ ⇒ có g y gp thể tạo ra tạp không mong muốn cho màng hoặc quá trình ăn mòn để Phân tử khí Nguyên tử đế bị Điện bắn ra ngoài trường i-ôn Đế 23 3.4 Công nghệ màng mỏng 3. 4 .3 Phương pháp điện hóa ( l t l ti ) 3 4 3 Ph há điệ hó (electroplating) Định nghĩa Phương pháp tạo màng dày kim loại sử dụng gp p ạ g y ạ ụ g dòng điện để tách các i-ôn kim loại và vận chuyển trong dung dịch.. .3. 4 Công nghệ màng mỏng 3. 4.1 Lắng đọng pha hơi bằng pp Vật lý ắ ằ (physical vapour deposition – PVD) Phún xạ (sputtering) Phún xạ Magnetron Bằng cách đặt các nam châm vĩnh cửu phía sau bia ⇒ từ trường sẽ làm cho eg CĐ xung quanh đường sức ⇒ tăng lượng i-ôn Ar do quá trình va chạm (~ 10 13 ion/cm3) ⇒ tăng tốc độ ố phún xạ ở áp suất thấp ⇒ tạo ra màng... byproducts SiH4 → Si + 2H2 Silicon Nitride (Ni3Si4) 3SiH2Cl2 + 4NH3 → Si3N4 + 6HCl + 6 H2 Kim loại 3 SiH4 + 4 NH3 → Si3N4 + 12 H2 2 MCl5 + 5 H2 → 2 M + 10 HCl WF6 + 3 H2 → W + 6 HF Zn(C2H5)2+ 7 O2= ZnO + 4CO2 + 5H2 18 3. 4 Công nghệ màng mỏng 3. 4.2 ắ 3 4 2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học i ằ ó (chemical vapour deposition – CVD) Khí (đã nén) cho PƯ Phân loại CVD Lắng đọng nhiệt (thermal CVD) Điều khiển áp... k) như ZnO 3. 4 Công nghệ màng mỏng 3. 4.2 ắ 3 4 2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học i ằ ó (chemical vapour deposition – CVD) Phân loại CVD Lắng đọng plasma tăng cường (Plasma Enhanced -PE CVD) Các phản ứng hóa xảy ra sau khi có plasma của các khí phản ứng 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 13. 56 Hz Đế Lối... áp suất buồng phản ứng khi có plasma: mTorr ÷ Torr; nhiệt độ: ≤ 30 0 0C Thông số chính: Lưu lượng khí PƯ, áp suất và công suất nguồn RF Áp Á dụng để tạo màng bảo vệ (passivation layer), si-líc vô định hình và siể líc đa tinh thể, sợi quang dẫn, carbon giống kim cương (diamond like carbon), 22 các kim loại… 3. 4 Công nghệ màng mỏng 3. 4.2 ắ 3 4 2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học i ằ ó (chemical vapour... tử bị tách khỏi nguồn rắn do sự bắn phá của chùm xung laser năng lượng cao trong môi trường chân không cao Buồng chân không Thấu kính hội tụ Laser Bia quay Bộ phận g gia nhiệt ệ Đế 13 3.4 Công nghệ màng mỏng 3. 4.1 Lắng đ 3 4 1 Lắ đọng pha h i bằng pp Vật lý h hơi bằ (physical vapour deposition – PVD) Tạo màng dùng xung Laser (pulse laser deposition - PLD) Quá trình bào mòn vật liệu bia do bức xạ Laser... Nhiệt độ đế; Sự mài mòn bia; Vị trí của anode và góc tới của i-ôn; Kiểu phún xạ (DC hay RF); ẩ ằ Độ từ thẩm của bia và sự cân bằng của từ trường với phún xạ magnetron; Cấu hình nguồn 12 3. 4 Công nghệ màng mỏng 3. 4.1 Lắng đ 3 4 1 Lắ đọng pha h i bằng pp Vật lý h hơi bằ (physical vapour deposition – PVD) Tạo màng dùng xung Laser (pulse laser deposition - PLD) Phương pháp tạo màng mỏng (thin film) nhờ quá... tốc độ ố phún xạ ở áp suất thấp ⇒ tạo ra màng có độ sạch cao Đế Lớp màng phủ Nguyên tử bề mặt bứt ra khỏi bia I-ôn Ar+ gia tốc tới bề mặt bia Điện trường Từ trường Bia Nam N châm 11 3. 4 Công nghệ màng mỏng 3. 4.1 Lắng đ 3 4 1 Lắ đọng pha h i bằng pp Vật lý h hơi bằ (physical vapour deposition – PVD) Phún xạ (sputtering) Các yếu tố ảnh hưởng chất lượng tạo màng: Hiệu suất phún xạ của vật liệu; Mức độ... nước Đế Đầu phun làm mát Ống thạch anh Nhiệt độ Phương pháp đơn giản, với buồng phản ứng ống thạch h ứ là ố th h anh đặt trong lò nhiệt độ cao (01500 0C) Đầu lò Chiều dài lò ề Đầu lò 19 3. 4 Công nghệ màng mỏng 3. 4.2 ắ 3 4 2 Lắng đọng pha hơi bằng pp Hóa học i ằ ó (chemical vapour deposition – CVD) Phân loại CVD Lắng đọng áp suất thấp (Low Pressure -LP CVD) Cảm biến áp suất Lò nhiệt độ cao Được thực hiện . V ậ tli ệ u cho MEMS / Materials fo r MEMS ậ ệ 3. 3. Kỹ thuậtchế tạoviđiệntử/ IC Technology 3 4 Công nghệ màng mỏng / Thin Film Technology 3 . 4 . Công nghệ màng mỏng / Thin Film Technology 3. 5. Kếtluận/Conclusions 3 3.4 SiO 2 +2N 2 +2HCl y ) Silicon Nitride (Ni 3 Si 4 ) ª 3 SiH Cl + 4 NH Si N + 6 HCl + 6 H ª SiH 4 → Si + 2H 2 ) Kim loại ª 3 SiH 2 Cl 2 + 4 NH 3 → Si 3 N 4 + 6 HCl + 6 H 2 ª 3SiH 4 +4NH 3 → Si 3 N 4 +12H 2 ª 2 MCl 5 +5H 2 →. trình va chạm (~ 10 13 ố N am châm ion/cm 3 ) ⇒ tăng t ố c độ phún xạởáp suấtthấp ⇒ tạoramàngcóđộ sạch cao. 11 3. 4. Công nghệ màng mỏng 34 1 Lắ đ hhibằ Vậtlý Phún xạ (sputtering) 3 . 4 . 1 . Lắ n g