CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN
MEMS
Mộtthế iới ộ ở à ế ũ
Một

thế
g
iới
r
ộ
ng m
ở
v
à
quy
ế
n r
ũ

(An fascinating and openning world)
CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN MEMS
Ýtưởng
Tính toán
Ý

tưởng

sản phẩm
cho một
ứ d
Mô hình hóa

mô phỏng
(tiên đoán
ứng xử và
Hoàn chỉnh
thiết kế
ứ
ng
d
ụng
cụ thể
ứng

xử

và

đặc trưng)
Thiếtkế và
Thiết

kế

và

xây dựng qui
trình chế tạo
Thực hiện
chế tạo
Thử nghiệm
& đánh giá

Thương
phẩm hóa
Ti
ế
ntrìnhcủa linh ki
ệ
nMEMSt
ừ
ý
tưởn
g
đ
ế
nhi
ệ
nth
ự
c
ệ
ý
g
ệ
ự
Ộ
CÔNG NGHỆ VÀ LINH KiỆN MEMS
N
Ộ
I DUNG/CLASS
I. MỞĐẦU/ 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 TẠOVÀPHÂNLOẠI CÔNG NGHỆ MEMS/
MICROFABRICATION AND MEMS TECHNOLOGY
VI. CÁC LINH KIỆNMEMSĐIỂNHÌNH/
TYPICAL MEMS DEVICES
IV. Thiết kế trong MEMS
1. Mởđầu/ Introduction
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước /
Scalin
g
issues fo
r
MEMS
g
3. Mô hình hóa và mô phỏng/
Mdli
d
Si l ti
M
o
d
e
li
ng an
d
Si

mu
l
a
ti
on
4. Thiếtkế qui trình chế tạo/
Process integration
5. Kếtluận/Conclusions
ế ế
4.1. Mở đầu
4.1.1.Vai trò và
ý
n
g
hĩa của thi
ế
t k
ế
Phân loại linh kiện theo mục tiêu thiết kế
) Thể hiện khía cạnh định hướng công nghệ
) Thể hiện khía cạnh làm công cụ nghiên cứu
) Thể hiện khía cạnh định hướng thị trường bằng thương phẩm
Ý nghĩa
) Đáp ứng nhu cầu và đánh giá tiềm năng của thị trường
) Tác động của sản phẩm được thiết kế với quá trình phát triển
ẩ ế ế ể
) Xem xét tính cạnh tranh của sản ph
ẩ
m được thi
ế

t k
ế
đ
ể
tìm ra phương án
tối ưu cả về khía cạnh hiện thực hóa và đặc tính nổi trội nhất
) Sản phẩm có khả năng phù hợp với điều kiện công nghệ
) Khả năng sản xuất hàng loạt với số lượng lớn và giá thành hạ
ế ế
4.1. Mở đầu
4.1.2. Độn
g
lực và qui trình thi
ế
t k
ế
Đánh giá tính
cạnh tranh
Khả năng
chế tạo
Nhu cầu
thị trường
Ý tưởng
sáng tạo
Khả năng
công nghệ
sáng

tạo
Đánh giá

hoạt động
Thiết kế
sản phẩm
Mô hình hóa
và phân tích
ấ
4.1. Mở đầu
4.1.3. Các c
ấ
p độ xâ
y
dựn
g
mô hình
Hệ thống – tính chất động
Linh kiện
Kỹ sư
thiết kế
Tính lặp lại
họccủahệ, đượcmôtả bởi
các phương trình vi phân
mộtbiến (ordinary
diff i l
i
hệ thống
Linh

kiện
Mô phỏng
diff

erent
i
a
l
equat
i
ons -
ODE) thông qua mô hình
khốitương đương (lumped
model)
Qui trình
model)
.
Qi
tì h
i
tì h
hế
t
à
thiết
kế
MASK
Q
u
i
t
r
ì
n

h
–qu
i
t
r
ì
n
h
c
hế
t
ạov
à
thiết
kế
MASK
Mô phỏng –khảosátứng xử của linh kiện trong điềukiện ảotứclàthựchiệngiải
các phương trình vi phân (partial differential equations) để tìm nghiệm chính xác
ầ
ấ
ố
(giải tích) hoặcg
ầ
n đúng nh
ấ
t(các
p
pgiảis
ố
nh

ư
sai
p
hân hữuhạn/finite
differential method – FDM, phầntử hữuhạn /finite element method - FEM).
ấ
4.1. Mở đầu
4.1.3. Các c
ấ
p độ xâ
y
dựn
g
mô hình
ấ
4.1. Mở đầu
Ví d
ụ
thi
ế
t k
ế
cảm bi
ế
n
g
ia t
ố
c á
p

đi
ệ
n trở 3 b
ậ
c t
ự
do
4.1.3. Các c
ấ
p độ xâ
y
dựn
g
mô hình
ụ g p ệ ậ ự
) ĐL 2 Newton: trong hệ CĐ,giatốc sinh ra khi có ngoạilựctácđộng,
Thiết kế mô hình tổng thể của hệ
F=ma⇔ cấutrúcmềmdẻo(rầm – beam) có phầntử tạodaođộng (khối
gia trọng - m) ⇒ tạoraứng suất trên beam ⇒ nhậnbiếtbằng sự thay đổi
điệntrở củaápđiệntrở
Mô hình khối tương đương
(lumped-model
)
Mô tả toán học của mô hình
(bài toán mộtchiều)
F
d
dxb
x
k

d
xd 1
2
2
+
−
−
=
(bài

toán

một

chiều)
m
dt
mm
dt
2
ấ
4.1. Mở đầu
Ví d
ụ
thi
ế
t k
ế
cảm bi
ế

n
g
ia t
ố
c á
p
đi
ệ
n trở 3 b
ậ
c t
ự
do
4.1.3. Các c
ấ
p độ xâ
y
dựn
g
mô hình
Thiết kế mô hình linh kiện
ụ g p ệ ậ ự

Khối gia trọng
Thanh dầm
nhạy cơ
a
z
Z=3’


Thanh dầm
treo
Khung ngoài

a
x
a
y
Y=2’

X=1’

ấ
4.1. Mở đầu
Ví d
ụ
thi
ế
t k
ế
cảm bi
ế
n
g
ia t
ố
c á
p
đi
ệ

n trở 3 b
ậ
c t
ự
do
4.1.3. Các c
ấ
p độ xâ
y
dựn
g
mô hình
Mô phỏng hoạt động của linh kiện
ụ g p ệ ậ ự
Giải
phương
trình
:
Giải
phương
trình
:
F
d
y
EI
d
y
m
=

∂
+
∂
4
4
2
2
d
x
d
t
4
2
Điềukiệnbiên:y(0) = 0; y’(0) = 0;
y
(
L
)
=0
;
y
’
(
L
)
=0
y
(
)
;

y
(
)
ấ
4.1. Mở đầu
ế ế
Ví dụ thiết kế cảm biến gia tốc áp điện trở 3 bậc tự do

4.1.3. Các c
ấ
p độ xâ
y
dựn
g
mô hình
Thi
ế
t k
ế
MASK

MASK 1
MASK 4
MASK

1

MASK 5
MASK 2




MASK 6
MASK 3
MASK

6
ấ
4.1. Mở đầu
iế ế iì ế
Ví dụ thiết kế cảm biến gia tốc áp điện trở 3 bậc tự do
4.1.3. Các c
ấ
p độ xâ
y
dựn
g
mô hình
Th
iế
t k
ế
qu
i
tr
ì
nh ch
ế
tạo


1
10
2
9
MASK 1
MASK 6
3
7
8
MASK 2
MASK 5
5
4
6
7

MASK 3
MASK 4
Si
Buried SiO
2

SiO
2

Boron doping layer
Al
IV. Thiết kế trong MEMS
1. Mởđầu/ Introduction
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước /

Scalin
g
issues fo
r
MEMS desi
g
n
g
g
3. Mô hình hóa và mô phỏng/
M d lli
d
Si l ti
M
o
d
e
lli
ng an
d
Si
mu
l
a
ti
on
4. Thiếtkế qui trình chế tạo/
Process integration
5. Kếtluận/Conclusions
4.2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước

421
Kí h h ớ ủ hệ ậ lý
4
.
2
.
1
.
Kí
c
h
t
h
ư
ớ
c c
ủ
a
hệ
v
ậ
t
lý
4.2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
421
Kí h h ớ ủ hệ ậ lý
Thu nhỏ kích thước và hình học
4
.
2

.
1
.
Kí
c
h
t
h
ư
ớ
c c
ủ
a
hệ
v
ậ
t
lý
) Hệ số thu nhỏđộdài hình học: cơ sởđểđánh giá ảnh hưởng củahiệu ứng
thu nhỏ kích thướcvớihệ vi mô
đ di
đ hh ố
h l (h ố hh)(
)
) Xét
đ
ộ
d
à
i

X
0
đ
ược t
h
u n
h
ỏ xu
ố
ng X
S
t
h
eo tỉ
l
ệ
(h
ệ s
ố
t
h
u n
h
ỏ
)
S
(
0 < S
≤
1

)
,
tức là:
X
S
= S.X
0
ª Diện tích: A
S
= X
S
.Y
S
= S
2
.X
0
.Y
0
= S
2
.A
0
ª Thể tích: V
S
= X
S
.Y
S
.Z

S
= S
3
.X
0
.Y
0
.Z
0
= S
3
.V
0
ª Khi hệ số thu nhỏ độ dài = 10
-3
⇒ thể tích và khối lượng giảm 10
-9
ầ
l
ầ
n
4.2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
421
Kí h h ớ ủ hệ ậ lý
Thu nhỏ kích thước và hình học
4
.
2
.
1

.
Kí
c
h
t
h
ư
ớ
c c
ủ
a
hệ
v
ậ
t
lý
0
1
AA
S
=
) Xét tỉ số:
0
V
S
V
S
ª Khi kích thước
bị thu nhỏ ⇒ tỷ số
A/V tăng ⇔ hiệu

ứng vậtlýliên
quan tỉ số A/V sẽ
khác vớihệ vĩ mô.
4.2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
421
Kí h h ớ ủ hệ ậ lý
Thu nhỏ kích thước và tính chất cơ học
4
.
2
.
1
.
Kí
c
h
t
h
ư
ớ
c c
ủ
a
hệ
v
ậ
t
lý
Hệ số đàn hồi - Độ cứng (stiffness)
) Xét biến dạng của lò xo (phần tử đàn hồi)

dướitácdụng của ngoạilựcF có:
dưới

tác

dụng

của

ngoại

lực

F
,
có:
)(
ij
uukkF
−
=Δ=
ª
ằ
ª
Theo ĐL 3 Newton ⇒ có cân b
ằ
ng lực tại 2
vị trí của chuyển dời – nút (node) i và j, tức là:
ku
ku

u
u
k
F
f
−
=
−
−
=
−
=
)
(
jiiji
ku
ku
u
u
k
F
f
=
=
=
)
(
jiijj
kukuuukFf
+

−
=
−
== )(
⎬
⎫
⎨
⎧
⎬
⎫
⎨
⎧
⎥
⎤
⎢
⎡
−
ii
fu
k
k
F
k
F
k
h
ă
Hay:
⎭
⎬

⎩
⎨
=
⎭
⎬
⎩
⎨
⎥
⎦
⎢
⎣
−
jj
fu
kk
u
k
F
k
u
h
o
ă
o
=
⇒=
4.2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
421
Kí h h ớ ủ hệ ậ lý
w

F
L
Thu nhỏ kích thước và tính chất cơ học
4
.
2
.
1
.
Kí
c
h
t
h
ư
ớ
c c
ủ
a
hệ
v
ậ
t
lý
) Trường hợp beam bị uốn cong (bending):
3
w
t
F
d

Hệ số đàn hồi - Độ cứng (stiffness)
S
L
Ew
t
L
E
I
k ∝∝∝
3
3
F
d
y
x
z
o
ª Độ cứng beam giảm tương ứng với hệ số
y
thu nhỏ kích thước.
T
=
k
φ
.
φ
) Trường hợp beam bị xoắn (torsion) :
φ
φ
3

4
0
44
)(
S
Sd
ddGGJT
k
∝
∝
∝
=
==
π
(k
φ
hệ sốđàn hồixoắn,
φ
là góc xoắncủadầm)
⇒
0
32
S
SLLLL
k
φ
ª Lực để vặn xoắn beam giảm đi nhiều lần so với hệ vĩ mô
4.2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
421
Kí h h ớ ủ hệ ậ lý

Thu nhỏ kích thướcvàtínhchấtcơ học
4
.
2
.
1
.
Kí
c
h
t
h
ư
ớ
c c
ủ
a
hệ
v
ậ
t
lý
Thu

nhỏ

kích

thước


và

tính

chất

cơ

học
Tần số dao động riêng
ối ih d đ
) Đ
ối
vớ
i

h
ệ
d
ao
đ
ộng cơ, có:
S
S
S
M
k
M
k
f

1
2
1
3
=∝∝=
S
S
M
M
2
3
π
ª S càng nhỏ (giảm kích thước nhiều) ⇒ f càng lớn,
ª Cấutrúccơ củalinhkiệnMEMSchịu đựng tác động cơ họclớnhơn
nhiều
lần
so
với
hệ
vĩ
mô
nhiều
lần
so
với
hệ
vĩ
mô
.
4.2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước

421
Kí h h ớ ủ hệ ậ lý
Thu nhỏ kích thước và các
q
uá trình nhi
ệ
t
4
.
2
.
1
.
Kí
c
h
t
h
ư
ớ
c c
ủ
a
hệ
v
ậ
t
lý
q ệ
Truyền nhiệt

Bức xạ nhiệtĐối lưu nhiệt
T
W
T
∂
2
S
T
K
A
x
T
K
Aq
∝
∇
=
∂
∂
=
24
4
2
4
1
)(
SAT
TTAq
∝∝
−=

σ
σ
2
)(
S
T
T
hAq
w
∝
−
=
∞
ª Kích thước thu nhỏ ⇒ các hiện tượng nhiệt tăng mạnh
4.2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
421
Kí h h ớ ủ hệ ậ lý
Thu nhỏ kích thước và chất lưu
4
.
2
.
1
.
Kí
c
h
t
h
ư

ớ
c c
ủ
a
hệ
v
ậ
t
lý
Cơ học chất lưu được đặc trưng bởi 3 hằng số: số Reynold, Knudsen và Webe
) Hằng số Reynold (Re): chỉ số chế độ dòng chảy theo lớp (laminar) hoặc
cu
ộ
n xoá
y

(
turbulent
)
xác đ
ị
nh bằn
g
tỉ số của l
ự
c
q
uán tính và đ
ộ
nhớt

ộ y( ) ị g ự q ộ
Laminar
(Re < 2000)
Vùng chuyển tiếp
(2000<Re < 4000)
Turbulent
(Re > 4000)
ộ hớ hiế hế
Phụ thuộc độ nhám
ề
ế ế
Đ
ộ
n
hớ
t c
hiế
m ưu t
hế
bề
mặt dòng chảyLực quán tính chi
ế
m ưu th
ế
S
vL
Re ∝
μ
ρ
=

Có:
ª Kích thước thu nhỏ ⇒ Re Ì ⇔ trong linh kiện MEMS độ nhớt chiếm ưu thế
4.2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
421
Kí h h ớ ủ hệ ậ lý
Thu nhỏ kích thước và chất lưu
4
.
2
.
1
.
Kí
c
h
t
h
ư
ớ
c c
ủ
a
hệ
v
ậ
t
lý
) Hằng số Knudsen (Kn): thước đo dòng chảy chất khí xác định bằng tỉ
số của quãng đường tự do TB phân tử khí (
λ

) và độ dài đặc trưng (L)
Kn
< 0 01: liên tục
Kn
<

0
,
01:

liên

tục
0,01 < Kn < 0,1: trượt
0,1 < Kn < 10: chuyển tiếp
L
nK
λ
=
Kn > 10: Phân tử tự do
ª Linh kiện MEMS:
λ
~ 0,1 và L ~ 2μm ⇒ Kn ~ 0,05: dòng khí trượt trong
cấu trúc.
) Hằng số Webe (We): chỉ số về sự tăng ảnh hưởng của sức căng bề mặt khi
kích thước của hệ giảm, xác định bằng tỉ số của lực quán tính và sức căng
b
ề m
ặ
t.

ặ
S
Lv
We ∝
σ
ρ
=
2
4.2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
421
Kí h h ớ ủ hệ ậ lý
Thu nhỏ kích thước và phần tử mạch điện
C ộ ả
Điệ ở
4
.
2
.
1
.
Kí
c
h
t
h
ư
ớ
c c
ủ
a

hệ
v
ậ
t
lý
Tụ điện
C
u
ộ
n c
ả
m
Điệ
n tr
ở
S
A
L
R
1
∝
ρ
=
S
l
AN
L
∝
μ
=

2
S
g
A
C ∝
ε
=
S
A
ρ
l
g
Kích thước thu nhỏ Kích thước thu nhỏ
⇒ R Ê ⇒
C
và L Ì
2
2
0
1
2
1
S
Ew
E
∝ε=
Năng lượng điện trường
Kích thước thu nhỏ ⇒ w
E
Ê

0
2
0
2
1
S
B
w
H
∝
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
μ
=
Năng lượng từ trường
Kích thước thu nhỏ ⇒ w
E
Ì
4.2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
422
S th đổi đ ị
Đại lượng MKS Hệ số nhân
μMKS
4

.
2
.
2
.
S
ự
th
a
y

đổi

đ
ơn v
ị
Độ dài M 10
6
μM
LựcN10
6
μN
Thờigian
s
1
s
Thời

gian
s

1
s
Khối lượng Kg 1 Kg
Áp suất (ƯS) N/M
2
10
-6
μN/μM
2
ố
Kh
ố
i lượng riêng Kg/M
3
10
-18
Kg/
μ
M
3
Điện tích C 10
12
pC
Cường độ dòng A 10
12
pA
ª Sai số tính toán gồmgiớihạn chính xác của các dãy số kếtquả
(truncation
error)
và

giới
hạn
chính
xác
của
phép
tính
(round
-
off
error)
Thế V1V
(truncation
error)
và
giới
hạn
chính
xác
của
phép
tính
(round
-
off
error)
khi giảiphương trình.