vi he thong ngay04&05 - nh nam

Vi hệ thốngVi hệ thống

1

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

07/09/2010

Vi hệ thống

§4. Các công nghệ cơ bản của vi hệ thống2.1 Công nghệ vi ñiện tử

2.1.1 Phòng sạch2.1.2 Quang khắc2.1.3 Oxy hóa2.1.4 Khuếch tác

Nguyễn Hoàng Nam2

2.1.4 Khuếch tác2.1.5 Cấy ion2.1.6 ðóng vỏ

2.2 LIGA2.3 Vi cơ ñiện tử - MEMS2.4 Quangñiện tử - Optoelectronic2.5 Màng sinh học, thẩm thấu

Vi hệ thống

Vi hệ thống

2.1 Công nghệ vi ñiện tử

2.1.1 Phòng s ạch (clean room)� Phòng thí nghiệm công nghệ không chứa

các tạp bẩn (bụi hoặc vi khuẩn) ñể thực hiện chế tạo các vi mạch ñiện tử.

� ðược xếp hạng theo tiêu chuẩn ISO


� ðược xếp hạng theo tiêu chuẩn ISO 14644 - 1 về “phân loại ñộ sạch khôngkhí“, dựa trên công thức:

CN = 10N(0,1/D)2,08

Vi hệ thống

+ CN: số lượng hạt (bụi, vi khuẩn) cho phép lớn nhất/m3

+ N: chỉ số xếp hạng ISO+ D: kích thước hạt

Vi hệ thống

2.1.1 Phòng s ạch (Clean room)

Phòng sạch tại Viện ðào tạo Quốc tế

Phòng sạch tại ðại học Ritsumeikan(Nhật Bản)


Phòng sạch tại Viện ðào tạo Quốc tếvề Khoa học Vật liệu (ITIMS), ðHBK

Vi hệ thống

Vi hệ thống

2.1.2 Quang kh ắc (photolithography)

Chất cảm quang (photoresist)

� Vật liệu hữu cơ (polymer) nhạy ánh sáng (thường là ánhsáng cực tím, Ultraviolet - UV, hoặc Deep UV - DUV) ⇒sử dụng bộ mặt nạ (Mask) ñóng vai trò làm lớp bảo vệ

⇒


⇒

sử dụng bộ mặt nạ (Mask) ñóng vai trò làm lớp bảo vệcho các vật liệu ñược che phủ ở phía dưới nó.

� Tương tác với ánh sáng (phonon - hν) ⇒ xảy ra phảnứng quang hóa ⇒ hình thành các nhóm axít carboxylic(xúc tác chính ñể loại bỏ polymer khó hòa tan khi xử lýnhiệt) ⇒ chỉ còn nhóm dễ hòa tan trong cấu trúc polymerkhi nhúng trong dung dịch hiện hình (developer - thôngthường là các dung dịch dạng kiềm).

Vi hệ thống

Vi hệ thống

Chất cảm quang (photoresist)

Các thông số quan trọng:

� ðộ phân giải, ñộ tương phản, ñộ nhạy



� ðộ nhớt, ñộ bám dính� Sức căng bề mặt� Khả năng chịu ñựng duy trì sự bền vững trong các

dung dịch� ðộ mịn và ñộ sạch

Vi hệ thống

Vi hệ thống

Thành phần chính:

� Dung môi: làm cho cảm quang tồn tại dưới dạng dung dịch nhằm thuận lợi cho việcsử dụng khi phủ lên trên bề mặt các vật liệu khác.



bề mặt các vật liệu khác.� Chất kết dính (nhựa–resin): thường là các hỗn hợp

polymer (Novolak) gồm phenol-formaldehyde dễ hòa tan và một lượng nhỏ diazonaphthaquinone khó bị hòa tan trong các dung dịch hóa ⇒⇒⇒⇒ tạo ra các liên kết làm nên các tính chất lý hóa cho vật li ệu.

� Chất nhạy sáng.

Vi hệ thống

Vi hệ thống

Phân loại:

� Cảm quang dương: vật li ệu mà vùng không ñược chiếusáng trở nên bền vững trong khi vùng ñược chiếu sánglại dễ dàng bị hòa tan trong vật liệu hiện hình.


Nguyễn Hoàng Nam8Vi hệ thống

lại dễ dàng bị hòa tan trong vật liệu hiện hình.� Cảm quang âm:vật li ệu mà vùng ñược chiếu sáng trở

nên bền vững trong khi vùng không ñược chiếu sánglại dễ dàng bị hòa tan trong vật li ệu hiện hình.

Vi hệ thống



Vi hệ thống

Ánh sáng� ðược sử dụng chủ yếu là ánh sáng cực tím (ultraviolet

– UV): λ = 365 nm (i-line), λ = 405 nm (h-line), λ = 436 nm (g-line).

� Phạm vi λ = 193 ÷ 248 nm ⇒⇒⇒⇒ ánh sángcực tím sâu



� Phạm vi λ = 193 ÷ 248 nm ⇒⇒⇒⇒ ánh sángcực tím sâu (deep UV - DUV)

Nguồn sáng� Tương ứng ánh sáng UV: ðèn hơi Thủy ngân ⇒⇒⇒⇒ tạo ra

bức xạ trong phạm vi λ = 200 nm ÷ 600 nm.

Vi hệ thống

Vi hệ thống



Vi hệ thống

Quang khắc dùng tia x (x-ray lithography) Tia X có bước sóng nhỏ hơn ánh sáng UV⇒⇒⇒⇒ thu nhỏ kích thước cấu trúccần ñịnh dạng (100nm÷ 0,5µm). Kỹ thuật này phức tạp và thiết bị ñắt ti ền,thích hợp với công nghệ LIGA ñể thực hiện kỹ thuật quang khắc xuyênqua khối polymer dày.



qua khối polymer dày.

Quang khắc dùng chùm ñiện tử (e-beam lithography) Chùm ñiện tử quét trên bề mặt ñế ñể ñịnh dạng cần tạo ñược bằng vật li ệunhạy ñiện tử ⇒⇒⇒⇒ ñộ nhạy cao. Kỹ thuật này cũng phức tạp và thiết bị ñắttiền. Qui trình kh ắc dùng E-beam cũng lâu hơn (gấp 10 lần) ⇒⇒⇒⇒ sử dụngtrong chế tạo ñòi hỏi tính chính xác cao và các chi tiết r ất nhỏ.

Vi hệ thống

2.1.3 Oxy hóa (oxidation)

Phương pháp ôxy hóa2 pp ôxy hóa tạo SiO2:+ Ôxy hóa khô: Si+O2 → SiO2+ Ôxy hóa ẩm: Si+2H2O → SiO2+2H2SiO2 nhận ñược từ pp ôxy hóa ẩm xốp hơnso với pp khô ⇒⇒⇒⇒ chất lượng kém hơn


so với pp khô ⇒⇒⇒⇒ chất lượng kém hơnCơ chế và ñộng học quá trình

Nồng ñộ O2 tới bề mặt (Cg)O2 ñược ñưa ñến bề mặt SiO2 qua lớp trơ (dead layer) J1 ⇒⇒⇒⇒ nồng ñộ còn CS.Có sự dính bám 1 lượng O2 tại bề mặt lớpSiO2 (C0) Khuếch tán O2 qua lớp SiO2 (J2) ⇒⇒⇒⇒ nồng ñộ Ci.Phản ứng hóa tại mặt phân cách (J3)

Vi hệ thống


Cơ chế và ñộng học quá trìnhTừ phương trình khí lý tưởng

P.V = N.k.T

Nồng ñộ luồng khí O2 tới: Cg = N/V = Pg/k.THay: P = C .k.T


Hay: Pg = Cg.k.T

Nồng ñộ C0: C0 = kH.PS = kH.CS.k.T (ðịnh luật Henry với kH (O2) = 1,3.10-3 mol/L.atm)

Lưu lượng J1: J1 = hg.(Cg–CS) ⇒⇒⇒⇒ dòng chảy xoáy

Lưu lượng J2: J2 = D.(CS–C0)/xox⇒⇒⇒⇒ quá trình khuếch tán

Lưu lượng J3: J3 = ki.Ci ⇒⇒⇒⇒ phản ứng ôxy hóa

Nồng ñộ (tốc ñộ) ôxy hóa⇒⇒⇒⇒ 1 µm SiO2 hình thành ⇒⇒⇒⇒mất ñi 0.46 µm Si

Vi hệ thống



Vi hệ thống

2.1.4 Khuếch tán (diffusion)

Phương pháp ñược sử dụng trong kỹ thuật pha tạp vật li ệu (doping)

Cách th ức khu ếch tán� Phủ một lớp chất có nồng ñộ tạp cao lên bề mặt của ñế.� ðẩy các nguyên tử tạp vào sâu trong cấu trúc tinh th ể của ñế (T0 cao:

900- 11000C)


900- 1100C)Cơ chế khuếch tán

Vi hệ thống


Phương pháp ki ểm tra

ðo ñộ sâu khu ếch tánSử dụng một viên bi thép mài b ề mặt mẫu (mechanical grinding) ⇒⇒⇒⇒ tạo ra một hố có kích th ước bằng ñúng chỏm cầu (viên bi).


⇒⇒⇒⇒

kích th ước bằng ñúng chỏm cầu (viên bi).

Nhỏ hỗn hợp dung d ịch axít lên h ố mài ñể tạo phản ứng ôxy hóa ⇒⇒⇒⇒

bán dẫn khác nhau có ph ản ứng ôxy hóa khác nhau (differentialchemical staining) ⇒⇒⇒⇒ thể hiện màu khác nhau ⇔⇔⇔⇔ “nhu ộm” ⇒⇒⇒⇒ biếnñổi thông tin v ề vùng v ật liệu pha t ạp (ñộ sâu) khá m ỏng ⇒⇒⇒⇒ hình tháibề mặt dễ quan sát.

ðộ sâu khu ếch tán: x j = d2 – d1

Vi hệ thống


ðo ñiện trở lớp khu ếch tán

R = RS.(L/W)

RS là ñiện trở vuông (square resistance)


Phương pháp 4 m ũi dò (4-point probes)

Vi hệ thống



Vi hệ thống

2.1.5 Cấy iôn (ion-implantation)

ðịnh ngh ĩa

Qui trình k ỹ thuật sử dụng cho k ỹ thuật pha t ạp (doping) v ật liệubằng cách ñưa các iôn c ủa1 vật liệu vào c ấu trúc c ủa 1 vật rắn.

ðặc ñiểm


ðặc ñiểm

Có thể làm thay ñổi tính ch ất hóa h ọc của vật liệu gốcCó thể làm thay ñổi cấu trúc tinh th ể của vật liệu gốc (do va ch ạmmạnh khi iôn ñược ñưa vào)

Cơ chế quá trình

Iôn ñược tạo ra → gia tốc t ĩnh ñiện → ñược tách b ằng từ trường →tiếp tục gia t ốc với tốc ñộ caoNăng lượng cao 10 – 500 keV

Vi hệ thống

2.1.5 Cấy iôn (ion-implantation)


Vi hệ thống

2.1.6 ðóng v ỏ linh ki ện (Packaging)


Vi hệ thống



vi he thong ngay04&05 - nh nam

Documents