MEMS và công nghệ vi cơ

MEMS là sự tích hợp của các yếu tố cơ, cảm biến, bộ kích hoạt và các yếu tố điện chung trên một nền Si bằng công nghệ vi chế tạo. Trong khi những thành phần có thuộc tính điện được chế tạo dùng công nghệ mạch tích hợp (IC) như : CMOS, bipolar, BICMOS, thì những thành phần vi cơ được chế tạo dùng quá trình vi cơ phù hợp đó là khắc đi có chọn lựa những phần wafer Si hoặc thêm vào những lớp có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và cơ điện.

MEMS hứa hẹn cách mạng hóa các loại sản phẩm bằng cách mang các yếu tố vi điện lại với nhau trên một nền Si cơ bản theo công nghệ vi cơ, bằng cách tạo ra các hệ thống trên chip hoàn chỉnh (systems on a chip). Công nghệ vi cơ (micromachining) và các hệ thống cơ điện (micro- electromechical system - MEMS) được dùng để tạo ra cấu trúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị đo micro. MEMS là một công nghệ có khả năng cho phép sự phát triển các sản phẩm thômg minh, tăng khả năng tính toán của các yếu tố vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ vi kích hoạt có khả năng nhận biết và điều khiển. Ngoài ra, MEMS còn mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng.

Trong một hệ thống, sự tích hợp các yếu tố vi điện xem là "bộ não", và MEMS tăng cường thêm khả năng như là "mắt" và "tay" cho hệ thống vi điện tử, điều này cho phép vi hệ thống nhận biết và điều khiển theo môi trường. Các cảm biến tập hợp các thông tin từ môi trường thông qua việc đo đạc các yếu tố nhiệt, cơ, quang, hóa, sinh, các hiện tượng từ. Sau đó, các yêu tố điện xử lý thông tin từ cảm biến và thông các nhận biết tác động trực tiếp đến bộ kích hoạt và đáp ứng lại bằng cách di chuyển, thay đổi vị trí, dò tìm, lọc, theo đó điều khiển môi trường theo ý muốn. Do thiết bị MEMS được chế tạo theo công nghệ khối tương tự như dùng cho mạch tích hợp, có chức năng, độ tin cậy và độ tinh vi chưa từng thấy được đặt trên một chip Si nhỏ với giá thành thấp

Thị trường MEMS

Các ứng dụng và thị trường MEMS mở ra khi các ứng dụng IC truyền thống kết thúc. Đặc biệt công nghệ chế tạo vi mô và công nghệ MEMS có thể cung cấp một phương tiện giao tiếp với thế giới điện tử số, được chi phối bởi IC, với thế giới vật lý tương tự. Trong thế giới vật lý, những tín hiệu quan tâm không có bản chất điện , cần các máy biến năng tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện (ví dụ cảm biến) có thể được xử lý bằng hệ thống điện tử IC cho phép. Ngoài ra, sự liên kết các máy biến năng trong một hệ thống cũng có nhiều thuận lợi (ví dụ đầu tiên chuyển tín hiệu nhiệt sang tín hiệu cơ sau đó, thành tín hiệu quang , và cuối cùng thành một tín hiệu điện). Hơn nữa, có thể kết hợp bộ cảm biến và bộ kích hoạt tạo ra vi hệ thống hoàn chỉnh.

Các sản phẩm thành công về thương mại dùng công nghệ MEMS phải kể đến là vi cảm biến. Vì vậy, sự thành công của hầu hết các sản phẩm dùng công nghệ MEMS là do khai thác các tích chất sau đây :

Thuận lợi về tỉ lệ : Một vài hiện tượng vật lý trình bày tốt hơn và hiệu quả hơn khi tối thiểu hoá sang đơn vị đo micro. Chế tạo khối : Với các quy trình in quang (lithographic) và chế tạo khối (batch fabrication), chi phí sản xuất cho môt linh kiện MEMS theo khối thấp hơn so với chi phí sản xuất ra nhiều linh kiện MEMS. Tích hợp mạch : Sự tích hợp mạch theo công nghệ MEMS mang lại giá trị lớn, tuy nhiên giá thành và độ phức tạp có thể bị hạn chế .

Lịch sử MEMS và công nghệ vi cơ

+ Công nghệ vi cơ: Các quy trình lắng đọng, khắc hay xác định vật liệu với đặc trưng tối thiểu được đo theo đơn vị micro hoặc nhỏ hơn

+ Công nghệ MEMS : Mọi thiết bị và hệ thống được sản xuất theo công nghệ vi cơ khác với mạch tích hợp hay với linh kiện bán dẫn truyền thống. Kích thước của chúng được đo theo đơn vị nano (nm) đến centimet (cm)

Lịch sử MEMS, cùng với định nghĩa của nó phụ thuộc vào sự phát triển của các quy trình vi cơ. - Năm 1500. Các quy trình in quang đầu tiên để xác định và khắc đặc tính dưới mm. - Trong những năm1940. Sự phát triển của chất bán dẫn tinh khiết (Ge và Si). - Năm 1947. Sự phát minh của transistor tiếp xúc, báo trước sự khởi đầu nền công nghiệp mạch bán dẫn. - Năm 1949. Khả năng phát triển Si đơn tinh thể tinh khiết cải tiến cách trình bày của transistor bán dẫn, tuy nhiên chi phí cao và độ tin cậy chưa đạt yêu cầu. - Năm1959. Tiến sĩ Feynman đưa ra bài diễn thuyết nổi tiếng có tựa đề"Có rất nhiều chỗ ở dưới đáy ". Trong đó, ông ta trình bày số lượng khoảng trống khổng lồ có sẵn theo đơn vị đo micro. - Năm1960. Sự phát minh của quy trình chế tạo khối phẳng (planar) cải tiến rõ rệt độ tin cậy và giá thành của linh kiện bán dẫn. Ngoài ra, công nghệ phẳng cho phép tích hợp nhiều linh kiện bán dẫn lên một mẩu Si. Sự phát triển này báo trước sự khởi đầu của nền công nghiệp IC. - Năm 1960. Với sự phát triển của transistor hiệu ứng trường oxit bán dẫn kim loại (metal – oxide – semiconductor field – effect transistor _ MOSFET), nền công nghiệp IC đạt đươc những hiệu quả liên tiếp đối với các mạch phức tạp được thu nhỏ. - Năm 1964. Transistor cổng cộng hưởng, được sản xuất bởi Nathenson được trình bày trong hình dưới, linh kiện MEMS chế tạo khối đầu tiên. Sự chuyển động tĩnh điện của thanh đệm điện cực cổng bằng vàng thay đổi đặc tính điện của linh kiện.

- Năm 1970. Sự phát triển của vi xử lý, có nhiều ứng dụng hợp lý làm biến đổi xã hội, đáp ứng tạo nhu cầu về công nghệ IC cao hơn. - Trong những năm 1970 và 1980. Nền thương mại MEMS đã được bắt đầu bởi nhiều công ty sản xuất ra các phần cho nền công nghiệp tự động. - Năm 1982. Bài thảo luận của Kurt Petersen với tựa đề "Si một vật liệu cơ " trình bày sự phát triển của nhiều linh kiện theo công nghệ vi cơ và được xem là công cụ làm tăng sự hiểu biết về những khả năng mà công nghệ MEMS mang lại. - Năm 1984. Howe và Muller thuộc đại học California phát triển quy trình vi cơ bề mặt Si đa tinh thể và được dùng để sản xuất các mạch tích hợp dùng công nghệ MEMS. Công nghệ này là cơ bản cho các sản phẩm MEMS.

- Năm 1989. Các nhà nghiên cứu ở UCB và MIT đã phát triển độc lập động cơ đầu tiên theo công nghệ micro được điều khiển bằng tĩnh điện. - Trong những năm 1990. Sự phát triển mạnh về số lượng lớn linh kiện, công nghệ và các ứng dụng mở rộng phạm vi ảnh hưởng của MEMS và ngày nay vẫn đang tiếp tục. - Năm 1991. Các mấu nối dùng công nghệ micro được phát triển tại UCB bởi Pister mở rộng quy trình xử lý poly được gia công micro bề mặt sao cho cấu trúc lớn có thể được tập hợp lại ra khỏi đường nền, cuối cùng giới thiệu những bước xử lý đặc biệt của MEMS ba chiều.

Mặc dù nhiều công nghệ và vật liệu chế tạo micro được sử dụng để sản xuất MEMS xuất phát từ nền công nghiệp IC, lĩnh vực MEMS cũng đưa đến sự phát triển và sự cải tiến của các quy trình và vật liệu chế tạo micro khác mà truyền thống không được sử dụng bởi nền công nghiệp IC.

Các quy trình và vật liệu IC truyền thống: -Bản in quang, oxit hoá nhiệt, khuếch tán chất pha, cấy ion, LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), sự làm bay hơi, khắc, khắc ướt, khắc plasma, khắc ion phản ứng. -Si, SiO2, SiN, Al.

Ngoài ra, các quy trình và vật liệu bổ sung được sử dụng trong MEMS: -Khắc ướt không đẳng hướng của Si đơn tinh thể, khắc ion phản ứng sâu (DRIE – Deep Reactive Ion Etching), in quang dùng tia X, mạ điện, màng mỏng LPCVD lực nhỏ, mặt nạ phim dày, khuôn xoay, khuôn đúc công nghệ micro, nối kết micro khối. -Phim hằng số áp điện (ví dụ PZT), phim từ (ví dụ Ni, Fe, Co), vật liệu nhiệt độ cao (ví dụ SiC và sứ), nhôm, thép không gỉ, platinum, vàng, miếng thủy tinh, plastic (ví dụ PVC và PDMS). Ví dụ cấu trúc vi cơ :

Với những vật liệu và quy trình này, kỹ thuật in quang là quy trình đơn quan trọng nhất cho phép tạo ra ICs và MEMS có kích thước vi mô đáng tin cậy và trong thể tích cao.. Các bước cần thiết của quy trình in quang được trình bày trong hình sau:

Quy trình bắt đầu bằng việc chọn vật liệu nền và hình học. Ví dụ một Si đơn tinh thể , đường kính 4" đến 8" , được sử dụng, mặc dù nhiều vật liệu và hình học khác được sử dụng rất thành công (hình a). Tiếp theo, nền được phủ bằng một lớp cản quang (hình b). Một mặt nạ, gồm có một trung gian phụ trong suốt với các vùng chắn sáng được tạo mẫu chính xác, được sử dụng để tạo khuôn bóng chi tiết cao trên lớp cản quang. Các vùng bị tia UV trực tiếp chiếu vào được xử lý bằng chất hóa học (hình c). Sau khi phơi sáng, mặt nạ quang được ngâm trong một chất hòa tan (thuốc tráng phim) mà về mặt hóa học loại bỏ đi những vùng phơi sáng (quy trình dương) hoặc những vùng không phơi sáng (quy trình âm) (hình d). Sau khi wafer được sấy khô, mặt nạ cản quang có thể được dùng như một mặt nạ cho bước lắng đọng tiếp theo (ví dụ quy trình chất phụ da) (hình e), hay khắc (hình f). Cuối cùng, mặt nạ cản quang được lột đi có chọn lọc, thu được kết quả trên một nền vi cơ (hình g, h). Các bước xử lý :

Phương pháp sử dụng để tích hợp nhiều vật liệu được tạo khuôn lại với nhau để chế tạo một linh kiện MEMS hoàn chỉnh thì rất quan trọng ở các quy trình và vật liệu riêng lẻ . Hai phương pháp tích hợp MEMS được trình bày trong hai phần kế tiếp : vi cơ bề mặt và vi cơ khối.

Vi cơ bề mặt

Phát biểu đơn giản, vi cơ bề mặt là một phương pháp sản xuất MEMS bằng cách lắng đọng, tạo mẫu và khắc một chuỗi các màng mỏng, dày 1- 100 mm. Một bước xử lý quan trọng nhất yêu cầu với linh kiện MEMS động là loại bỏ đi có chọn lọc phim nằm dưới, xem là lớp đệm (sacrifical layer) thường là SiO2, mà không có sự xâm lấn một phim nằm bên trên, gọi là lớp khung (structural layer) thường là poly hay SiN. Hình sau minh họa một quy trình vi cơ bề mặt điển hình. Vi cơ bề mặt được sử dụng để sản xuất một lượng lớn linh kiện MEMS khác nhau cho các ứng dụng khác nhau.

Vi Cơ Khối

Vi cơ khối khác với vi cơ bề mặt trong đó vật liệu nền, Si đơn tinh thể, được tạo mẫu và được định dạng để hình thành một thành phần có chức năng quan trọng trong sản phẩm cuối cùng (ví dụ nền Si không đơn giản hoạt động như một nền thụ động như trong trường hợp vi cơ bề mặt). Lợi dụng đặc tính khắc không đẳng hướng dự đoán được của Si đơn tinh thể, nhiều hình dạng ba chiều phức tạp với độ chính xác cao như rãnh V, kênh, via../ có thể được hình thành.

Minh họa quy trình vi cơ khối

Khắc ion phản ứng sâu:(Deep Reactive Ion Etching-DRIE)

Quy trình khắc khô có thể được sử dụng để khắc sâu vào wafer Si và vẫn để lại những vách bên thẳng đứng và độc lập với sự định hướng tinh thể. Khả năng đặc biệt này mở rộng tính đa dạng và sự hữu dụng của vi cơ khối. Minh họa quy trình khắc khô

Một ví dụ về DRIE

Vi cơ khối Si bằng DRIE

Tạo vi khuôn (HEXSIL)

Sự kết hợp của DRIE với các quy trình lắng đọng phù hợp, như poly LPCVD và SiO2, có thể được sử dụng để tạo ra cấu trúc được tạo vi khuôn. Quy trình bắt đầu với một mẫu được khắc khối trong nền Si bằng DRIE (hình a). Kế tiếp, sự lắng đọng phù hợp liên tiếp được thực hiện (ví dụ SiO2, polysilic không pha, polysilic pha và miếng Ni) (hình b, c). Chú ý rằng các rãnh hẹp sẽ được bồi đầy trước các rãnh rộng hơn và do đó độ rộng có thể điều chỉnh cấu tạo tổng quát của vật liệu trong mỗi rãnh. Xử lý với SiO2 đệm sau đó đạt được bằng khắc hay đánh bóng. Cuối cùng, lớp đệm được bỏ đi và cấu trúc micro, được tạo khuôn vào nền, được giải phóng và quy trình lặp lại với nền tái sinh (hình d). Với quy trình này, cấu trúc micro dày (khoảng 500 um) có thể được xem là lắng đọng màng mỏng và chỉ một bước khắc sâu.

Quy trình hủy wafer là sự kết hợp những ưu điểm của công nghệ vi cơ bề mặt và vi cơ khối. Trong quy trình này, một cấu trúc vi cơ được xác định trong một wafer Si bằng pha Bo những vùng sẽ thiết lập cấu trúc cơ. Để tạo ra các dạng hình học "topo", Si ban đầu phải được khắc không đẳng hướng và sau đó tiếp theo các bước pha.

Một khi qui trình Si hoàn tất, thì wafer được nối trên wafer thủy tinh Bo - Silicat. Sau đó, wafer Si được hủy đi bằng chất khắc EDP để lại đằng sau cấu trúc vi cơ pha Bo trên nền thủy tinh. Cấu trúc vi cơ pha Bo chế tạo theo công nghệ này có thể thay đổi bề dày từ 2 đến 15 mm. Ưu điểm chính của quy trình này là cấu trúc vi cơ được chế tạo với mật độ cao và có tỉ số "aspect" cao hơn khi so sánh với các phần vi cơ bề mặt. Trong một vài ứng dụng, hằng số điện môi của nền thủy tinh cao cung cấp thêm các thuận lợi. Mô tả quy trình hủy wafer :

Chế Tạo Công Nghệ Vi Cơ Không Si

Sự phát triển của MEMS góp phần quan trong để cải tiến kỹ thuật chế tạo vi cơ không Si. Hai kỹ thuật điển hình là LIGA và tạo khuôn nhựa từ nền gia công vi cơ.

LIGA

LIGA là một từ viết tắt tiếng Đức (lithography, plating và molding). Tuy nhiên, trong thực tế LIGA là một quy trình kết hợp mặt nạ phim dày (thường dày hơn 1 mm) với một in quang tia X năng lượng cao (~ 1 GeV) mà có thể tạo mẫu mặt nạ dày với độ tin cậy cao và cũng tạo ra kết quả vách bên thẳng đứng. Mặc dù một vài ứng dụng chỉ yêu cầu các cấu trúc mặt nạ tạo khuôn cao theo chiếu đứng, các ứng dụng khác thu được từ việc sử dụng cấu trúc mặt nạ dày như mạ khuôn (ví dụ vật liệu có thể được lắng đọng nhanh chóng vào một khuôn chi tiết cao bằng mạ điện). Hạn chế của LIGA là đòi hỏi một nguồn năng lượng tia X cao, điều này đòi hỏi chi phí cao và hiếm. Quy trình LIGA :

SU-8

Gần đây, một thay thế cho phương pháp LIGA rẻ, với cách trình bày gần như tương tự, được phát triển. Chất hòa tan có tên SU-8, có thể được phân tán ly tâm lên lớp dày (>500 mm), được tạo mẫu với các công cụ in quang thu nhỏ được phép phổ biến và vẫn đạt được vách bên thẳng.

Tạo mẫu nhựa bằng PDMS

PDMS (polydimethylsiloxane) là một chất đàn hồi trong suốt được đổ tràn trên một khuôn (ví dụ wafer với khuôn có cấu trúc SU-8 cao), được polyme hóa và sau đó được loại bỏ đi một cách đơn giản bằng cách lột bỏ nó ra khỏi nền được tạo khuôn. Ưu điểm của quy trình này bao gồm : (1) Nhiều phần PDMS không đắt có thể được chế tạo từ một khuôn đơn, (2) PDMS tạo lại những cấu trúc dưới micron trong mẫu, (3) PDMS tương hợp vế mặt sinh học và do đó có thể được sử dụng trong ứng dụng BioMEMS và (4) vì PDMS là trong suốt , các chuỗi liên quan, các tế bào và các vật liệu khác có thể được mô tả xuyên qua nó.

Sự Liên Kết Nền (Wafer Bonding)

Minh họa liên kết wafer Si

Minh họa liên kết wafer Si

Sự liên kết nền là một công nghệ mấu chốt cho việc phát triển các cấu trúc 3D cho các vi hệ thống và tạo ra các nối trong cho việc đóng gói MEMS lớp đầu tiên và các linh kiện vi điện tử. Khả năng tạo ra lớp nối đồng nhất, chất lượng tốt với một wafer Si phụ thuộc vào tính chất bám dính của bề mặt và đặc tính cơ của quá trình xử lý khối.Các nền Si, thủy tinh, kim loại và poly có thể được liên kết với nhau thông qua nhiều quy trình như liên kết nấu chảy, liên kết cực dương, liên kết eutectic và liên kết bám dính. Ít nhất một nền liên kết được gia công vi cơ trước bằng khắc ướt với một chất khắc ăn mòn Si không đẳng hướng hay khắc khô bằng DRIE.. Liên kết nền được hoàn thành để đạt được một cấu trúc theo mong muốn (Các lỗ hổng lớn phải được hàn kín, một hệ thống kênh phức tạp kèm theo) hoặc đơn giản bổ sung hỗ trợ cơ cấu và bảo vệ.

Si theo hướng liên kết nấu chảy là công nghệ mấu chốt cho nhiều thiết bị MEMS mật độ công suất cao. Hệ số chính để xác định chất lượng của liên kết nấu chảy, bao gồm độ dày wafer, mật độ của cấu trúc khắc, độ linh hoạt, độ thô và độ bám dính bề mặt. Tóm tắt quá trình liên kết nấu chảy :

Liên kết cực dương là một công nghệ liên kết khá phát triển của Si với thủy tinh Bo-Silicat. Tuy nhiên, đòi hỏi là mở rộng kỹ thuật này với vật liệu khác và cho phép liên kết các wafer đã được khắc. Một chương trình thực nghiệm đang xem xét khả năng đạt được của mục tiêu này. Minh họa liên kết cực dương :