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
2.3.1 Ăn mòn – Etching
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
2.3.1 Ăn mòn – Etching
Nguyễn Hoàng Nam4
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
2.3.1 Ăn mòn – Etching
Nguyễn Hoàng Nam5
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.
2.3.1 Ăn mòn – Etching
Ăn mòn khô (dry etching): vật
Nguyễn Hoàng Nam6Vi hệ thống
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
Nguyễn Hoàng Nam7
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
2.3.2 Vi cơ khối – Bulk micromachining
Nguyễn Hoàng Nam8
+ 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.
2.3.2 Vi cơ khối – Bulk micromachining
Nguyễn Hoàng Nam9
+ 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
Nguyễn Hoàng Nam10Vi hệ thống
Vi hệ thống
ðặc ñiểm
+ Tốc ñộ ăn mòn (r) theomọi phương như nhau.
Ăn mòn ướt ñẳng hướng
+ Vách hốc ăn mòn bị ăn mòn nhiều hơn so với ñáy⇒ hốc
Nguyễn Hoàng Nam11Vi hệ thống
+ 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
Ăn mòn ướt ñẳng hướng
Nguyễn Hoàng Nam12
⇒
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
Ăn mòn ướt ñẳng hướng
Nguyễn Hoàng Nam13
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.
Ăn mòn ướt ñẳng hướng
Nguyễn Hoàng Nam14
⇒
+ 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
Ăn mòn ướt ñẳng hướng
Nguyễn Hoàng Nam15Vi hệ thống
Vi hệ thống
Ăn mòn ướt dị hướng
Nguyễn Hoàng Nam16Vi hệ thống
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-
Ăn mòn ướt dị hướng
Nguyễn Hoàng Nam17
+ 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),
Ăn mòn ướt dị hướng
Nguyễn Hoàng Nam18
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]
Ăn mòn ướt dị hướng
Nguyễn Hoàng Nam19
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
Nguyễn Hoàng Nam20
+ 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
Nguyễn Hoàng Nam21Vi hệ thống
Vi hệ thống
Ăn mòn khô
Nguyễn Hoàng Nam22Vi hệ thống
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
Nguyễn Hoàng Nam23
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
Ăn mòn khô dị hướng
Nguyễn Hoàng Nam24
⇒
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
Ăn mòn khô dị hướng
Nguyễn Hoàng Nam25Vi 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
Ăn mòn khô dị hướng
Nguyễn Hoàng Nam26
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.
Ăn mòn khô dị hướng
Hiện tượng black-silicon:
Nguyễn Hoàng Nam27Vi hệ thống
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
Ăn mòn khô dị hướng
Nguyễn Hoàng Nam28
+ 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
Ăn mòn khô dị hướng
Nguyễn Hoàng Nam29Vi hệ thống