Vi he thong ngay07&08 - nh nam

Vi hệ thốngVi hệ thống

1

GV: Nguy ễn Hoàng Nam(chương trình Kỹ sư CLC – Khóa 51)

21/09/2010

Vi hệ thống

§7. Các công nghệ cơ bản của vi hệ thống (tiếp)

2.1 Công nghệ vi ñiện tử2.2 LIGA2.3 Vi cơ ñiện tử - MEMS

2.3.1 Ăn mòn – Etching

Nguyễn Hoàng Nam2

2.3.1 Ăn mòn – Etching2.3.2 Vi cơ khối – Bulk micromachining2.3.3 Vi cơ bề mặt – Surface micromachining

2.4 Quangñiện tử - Optoelectronic2.5 Màng sinh học, thẩm thấu

Vi hệ thống

Vi hệ thống


Ăn mòn

Silic Vật liệu ñiện môi Kim loại Polymer

Nguyễn Hoàng Nam3Vi hệ thống

Silic Vật liệu ñiện môi Kim loại Polymer

Poly-Si (conductor)Si (semi-conductor)

Ô-xít (SiO2)Ni-trít (Si3N4)

TiN / Al-Cu Photoresist

Vi hệ thống

Ăn mòn ngang (undercutting):hiện tượng vật liệu bị ăn mòn phía

dưới mask.

Ăn mòn ñẳng hướng (isotropy): tốc ñộ



ăn mòn như nhau theo mọi phương không gian.

Ăn mòn dị hướng (anisotropy): tốc ñộ ăn mòn khác nhau theo tùy thuộc những phương nhất ñịnh.

Tốc ñộ ăn mòn phụ thuộc nhiệt ñộ.

Vi hệ thống

Vi hệ thống

Ăn mòn vật lý:Phiến ñế tiếp xúc trực tiếp với khí trơvà các i-ôn trong môi trường plasma.Ăn mòn là kết quả của quá trình truyềnxung lượng của các i-ôn chuyển ñộng



xung lượng của các i-ôn chuyển ñộngñịnh hướng có gia tốc và nguyên tử ñế,có tính dị hướng, cùng cácñặc trưng:

+ Váchăn mòn thẳng (vertical wall),

+ Tạo ra sản phẩm phụ (by-product),

+ Tốc ñộ ăn mòn phụ thuộc quá trình

vận chuyển khối (mass transport)

Vi hệ thống

Vi hệ thống

Ăn mòn ướt (wet etching): vật liệu cầnăn mòn ñược nhúng trực tiếp vào cácdung dịch hóa như a-xít hoặc ba-zơ.


Ăn mòn khô (dry etching): vật


liệu cần ăn mòn không tiếp xúcvới các dung dịch hóa.+ Ăn mòn plasma (plasma -etching),+ Ăn mòn i-ôn hoạt hóa (ReactiveIon Etching - RIE).

Vi hệ thống

ðịnh nghĩa: quá trình chế tạo các vi cấu trúc 3 chiềubên trongñế si-líc bằng các phương phápăn mòn (ướthoặc khô) có chọn lọc (microfabrication).

Phân loại: côngnghệ theocácphươngphápăn mòn

2.3.2 Vi cơ khối – Bulk micromachining


Phân loại: côngnghệ theocácphươngphápăn mòn

Vi hệ thống

Vi hệ thống

Ăn mòn ướt+ Bản chất quá trình là vận chuyển (khuếch tán) chất phản ứng tớibề mặt chất rắn

+ Phản ứng bề mặt



+ Vận chuyển(khuếch tán) sản phẩm ra khỏi bề mặt

Vi hệ thống

Cácñiều kiện ảnh hưởng:+ Năng lượng hoạt hóa ñiềukhiển phản ứng bề mặt .

+ Nhiệt ñộ khuếch tánñiều khiểnchất phản ứng và sản phẩm

Vi hệ thống

Hóa chất ăn mòn:

+ HNO3: ăn mòn Si (sử dụng ñể tẩy và làm nhẵn bềmặt).

+ HF: ăn mònthủy tinh/ quartz,SiO2.



+ HF: ăn mònthủy tinh/ quartz,SiO2.

+ HPO4: ăn mòn nhôm (aluminum).

+ NH4F: làm dung dịch ñệm kết hợp với HF ñể ănmòn SiO2

Vi hệ thống

Vi hệ thống

Ăn mòn ướt ñẳng hướng


Vi hệ thống

ðặc ñiểm

+ Tốc ñộ ăn mòn (r) theomọi phương như nhau.


+ Vách hốc ăn mòn bị ăn mòn nhiều hơn so với ñáy⇒ hốc


+ Vách hốc ăn mòn bị ăn mòn nhiều hơn so với ñáy⇒ hốcăn mòn có dạng phẳngở ñáy, góc bị vát tròn có bán kính:

R = r.t

Vi hệ thống

Ăn mòn SiO2 (hoặc thạch anh):SiO2 + 6HF → H2 + SiF6 + 2H2O

NH4F ↔NH3 + HFKết hợp kỹ thuật khuấy ⇒ Tăng tốc ñộ ăn mòn do bóng khí H2 sẽ ñược “ñuổi”nhanhhơn (bóngkhí H2 ngăn cản việc vận chuyển sản phẩm phản ứng ra khỏi bề



⇒

nhanhhơn (bóngkhí H2 ngăn cản việc vận chuyển sản phẩm phản ứng ra khỏi bềmặt vật liệu ăn mòn).

Ăn mòn Si: HNO3 + H2O + HNO2→ 2HNO2 + 2OH- + 2H+

Si4+ + 4OH-→ SiO2 + H2

6HF + SiO2→ 2H2O + H2SiF6 (tan trong nước) Si + HNO3 + 6HF → 2H2O + H2SiF6 + HNO2 + H2

Sử dụng hỗn hợp HF/HNO 3/CH3COOH (HNA) ngăn quá trình phân ly

HNO3 thành NO3 và NO2

Vi hệ thống

Vi hệ thống

Ăn mòn Si3N4A-xít HF

Hỗn hợp HF:NH4F:H2O => Tốc ñộ ăn mòn chậm hơn so vớiHỗn hợp HF:HNO3 SiO2



Hỗn hợp HF:HNO3 SiO2NaOH

A-xít HF hoặc H3PO4

Hỗn hợp 6NH4F:HF:H3PO4 => Tốc ñộ ăn mòn nhanh hơn rấtnhiều.

Vi hệ thống

Vi hệ thống

Lưu ý khi sử dụng dung dịch HF:+ A-xít HF có thể gây bỏng hoặc chết người khi tiếp xúc với cơthể ⇒ luôn mang kính + găng cao su phòng hộ trong khi thựchiện công nghệ chế tạo.



⇒

+ Dung dịch a-xít HF sau khi sử dụng phải ñược chứa trong cácbình (can)ñựng an toàn có nhãn ghi rõ loại hóa chất và thời gianñã sử dụng và sẽ ñược hủy bỏ tại những khu vực cho phép ñểbảo vệ môi trường.

Vi hệ thống

Vi hệ thống

Ăn mòn kim loại



Vi hệ thống

Ăn mòn ướt dị hướng


Vi hệ thống

Ăn mòn Si-lícHóa chất:

+ Ba-zơ vô cơ: KOH, NaOH, LiOH, NH4OH

+ Ba-zơ hữu cơ: AH (Amonium Hydroxide), TMAH (Tetra-



+ Ba-zơ hữu cơ: AH (Amonium Hydroxide), TMAH (Tetra-Methyl Amonium Hydroxide ), NH4OH, EDP (EthyleneDiamine Pyrocatechol)

Vi hệ thống

Vi hệ thống

ðịnh hướng mặt (100): cạnh cửa sổ ănmòn song song phương [110]

+ Vách hốc ăn mòn nghiêng một góc54,740 sovới mặt (100),



54,74 sovới mặt (100),

+ Mối quan hệ giữa các kích thước củahốc ăn mòn.

Vi hệ thống

Vi hệ thống

ðịnh hướng mặt (100)

Cạnh cửa sổ ăn mòn song song phương[100], tức là nghiêng 1 góc 450 so vớiphương [110]



phương [110]

+ Vách hốc ăn mòn thẳngñứng

+ Hiện tượng ăn mòn ngang (undercut)

Vi hệ thống

Vi hệ thống

ðịnh nghĩa: ăn mòn bề mặt chất rắn trong pha khí theo các cơ chế

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

+ Ăn mòn lý do quá trình bắn phá i-ôn

+ Ăn mòn i-ôn hoạt hóa(reactiveion etching- RIE) là sự kết hợp của

Ăn mòn khô


+ Ăn mòn i-ôn hoạt hóa(reactiveion etching- RIE) là sự kết hợp củacả ăn mòn hóa và lý).

ðiều kiện ăn mòn: áp suất thấp (từ 101 xuống 10-6 Torr)

Vi hệ thống

Vi hệ thống

Ăn mòn khô


Vi hệ thống

Ăn mòn khô


Vi hệ thống

Ăn mòn hoạt hóa sâu (Deep Reactive Ion Etching - DRIE)+ Quá trìnhăn mòn có tính dị hướng caoñể tạo ra các hốc (hole) hoặcrãnh (trench) có vách thẳng ñứng (vertical wall) trên phiến với tỉ sốcạnh (aspect ratio) ~ 20:1 hoặc lớn hơn.

Ăn mòn khô dị hướng


Ứng dụng� Các vi cấu trúc siêu nhỏ và phức tạp trong các linh kiện MEMS

� Tạo mật ñộ cao các tụ ñiện siêu nhỏ trong các linh kiện DRAM

Vi hệ thống

Vi hệ thống

Công nghệ� Qui trình làm lạnh bằng ni-tơ lỏng (cryogenic process):ñế ăn mònñược làm lạnh xuống dưới -1100C (1630K) ⇒ cho phép tạo ra hốc,rãnhăn mòn có vách thẳng ñứng. Tuy nhiên, khó có tìm vật liệu bảovệ thích hợp chịu ñược nhiệt ñộ thấp, cũng như việc tạo ra các sản



⇒

vệ thích hợp chịu ñược nhiệt ñộ thấp, cũng như việc tạo ra các sảnphẩm phụ lắngñọng lênñế.

� Qui trình Bosch: Bao gồm 2 bước công nghệ có thời gian ngắn tácñộng như là các xung (pulse) của 2 chế ñộ ăn mòn (etch) và lắngñọng (deposition)ñược thực hiện liên tiếp và lặp lại.

Vi hệ thống

Vi hệ thống



Vi hệ thống

Hiệu ứng tải (loading effect)Sự nghèo chất ăn mòn cần thiết cho phản ứnghóa trên bề mặt mẫu (trongăn mòn khô, …).

+ Tốc ñộ ăn mòn phụ thuộc diện tích ăn mòn



trên toàn bộ bề mặt phiến.

+ Tốc ñộ ăn mòn phụ thuộc diện tích ăn mòntrên chip (kích thước chi tiết).

Vi hệ thống

Vi hệ thống

+ Ăn mòn phụ thuộc tỉ số cạnh (aspect ratiodependent etching - ARDE): tốc ñộ ăn mònvới chi tiết có tỉ số cạnh lớn, lớn hơn tốc ñộăn mòn với chi tiết có tỉ số cạnh nhỏ.


Hiện tượng black-silicon:


Hiện tượng black-silicon:Những cấu trúc không mong muốn dạng sợi hoặc que nhọn thẳng ñứngtrên bề mặt hốc ăn mòn ⇒ còn ñược gọi là hiện tượng “vi cỏ”(micrograss).

Vi hệ thống

Nguyên nhân+ Sự hình thành các mặt nạ thứ cấp (micromasking) trong quátrình ăn mòn do xuất hiện lớp SiO2.

+ Thời gian bước lắngñọng (deposition hay passivation) dài



+ Tỉ lệ lưu lượng các khíăn mòn (SF6:C4F8) không phù hợp

+ Nhiệt ñộ ñế

Khắc phục+ Thực hiện các nghiên cứu khảo sátñể loại trừ từng nguyênnhân bằng cách thayñổi cácñiều kiện công nghệ tươngứng

Vi hệ thống

Vi hệ thống



Documents

Vi he thong ngay07&08 - nh nam