MEMS và công ngh vi cệ ơ
MEMS là s tích h p c a các y u t c , c m bi n, b kích ho t và các y u tự ợ ủ ế ố ơ ả ế ộ ạ ế ố
đi n chung trên m t n n Si b ng công ngh vi ch t o. Trong khi nh ng thànhệ ộ ề ằ ệ ế ạ ữ
ph n có thu c tính đi n đ c ch t o dùng công ngh m ch tích h p (IC) nh :ầ ộ ệ ượ ế ạ ệ ạ ợ ư
CMOS, bipolar, BICMOS, thì nh ng thành ph n vi c đ c ch t o dùng quáữ ầ ơ ượ ế ạ
trình vi c phù h p đó là kh c đi có ch n l a nh ng ph n wafer Si ho c thêm vàoơ ợ ắ ọ ự ữ ầ ặ
nh ng l p có c u trúc m i đ t o nên các thi t b c và c đi n. ữ ớ ấ ớ ể ạ ế ị ơ ơ ệ
MEMS h a h n cách m ng hóa các lo i s n ph m b ng cách mang các y u t vi đi nứ ẹ ạ ạ ả ẩ ằ ế ố ệ
l i v i nhau trên m t n n Si c b n theo công ngh vi c , b ng cách t o ra các hạ ớ ộ ề ơ ả ệ ơ ằ ạ ệ
th ng trên chip hoàn ch nh (systems on a chip). Công ngh vi c (micromachining) vàố ỉ ệ ơ
các h th ng c đi n (micro- electromechical system - MEMS) đ c dùng đ t o raệ ố ơ ệ ượ ể ạ
c u trúc, linh ki n và h th ng ph c t p theo đ n v đo micro. MEMS là m t côngấ ệ ệ ố ứ ạ ơ ị ộ
ngh có kh năng cho phép s phát tri n các s n ph m thômg minh, tăng kh năng tínhệ ả ự ể ả ẩ ả
toán c a các y u t vi đi n t v i các vi c m bi n và các b vi kích ho t có kh năngủ ế ố ệ ử ớ ả ế ộ ạ ả
nh n bi t và đi u khi n. Ngoài ra, MEMS còn m r ng kh năng thi t k và ngậ ế ề ể ở ộ ả ế ế ứ
d ng.ụ
Trong m t h th ng, s tích h p các y u t vi đi n xem là "b não", và MEMS tăngộ ệ ố ự ợ ế ố ệ ộ
c ng thêm kh năng nh là "m t" và "tay" cho h th ng vi đi n t , đi u này choườ ả ư ắ ệ ố ệ ử ề
phép vi h th ng nh n bi t và đi u khi n theo môi tr ng. Các c m bi n t p h p cácệ ố ậ ế ề ể ườ ả ế ậ ợ
thông tin t môi tr ng thông qua vi c đo đ c các y u t nhi t, c , quang, hóa, sinh,ừ ườ ệ ạ ế ố ệ ơ
các hi n t ng t . Sau đó, các yêu t đi n x lý thông tin t c m bi n và thông cácệ ượ ừ ố ệ ử ừ ả ế
nh n bi t tác đ ng tr c ti p đ n b kích ho t và đáp ng l i b ng cách di chuy n,ậ ế ộ ự ế ế ộ ạ ứ ạ ằ ể
thay đ i v trí, dò tìm, l c, theo đó đi u khi n môi tr ng theo ý mu n. Do thi t bổ ị ọ ề ể ườ ố ế ị
MEMS đ c ch t o theo công ngh kh i t ng t nh dùng cho m ch tích h p, cóượ ế ạ ệ ố ươ ự ư ạ ợ
ch c năng, đ tin c y và đ tinh vi ch a t ng th y đ c đ t trên m t chip Si nh v iứ ộ ậ ộ ư ừ ấ ượ ặ ộ ỏ ớ
giá thành th pấ
Th tr ng MEMSị ườ
Các ng d ng và th tr ng MEMS m ra khi các ng d ng IC truy n th ng k t thúc.ứ ụ ị ườ ở ứ ụ ề ố ế
Đ c bi t công ngh ch t o vi mô và công ngh MEMS có th cung c p m t ph ngặ ệ ệ ế ạ ệ ể ấ ộ ươ
ti n giao ti p v i th gi i đi n t s , đ c chi ph i b i IC, v i th gi i v t lý t ngệ ế ớ ế ớ ệ ử ố ượ ố ở ớ ế ớ ậ ươ
t . Trong th gi i v t lý, nh ng tín hi u quan tâm không có b n ch t đi n , c n cácự ế ớ ậ ữ ệ ả ấ ệ ầ
máy bi n năng tín hi u v t lý sang tín hi u đi n (ví d c m bi n) có th đ c x lýế ệ ậ ệ ệ ụ ả ế ể ượ ử
b ng h th ng đi n t IC cho phép. Ngoài ra, s liên k t các máy bi n năng trong m tằ ệ ố ệ ử ự ế ế ộ
h th ng cũng có nhi u thu n l i (ví d đ u tiên chuy n tín hi u nhi t sang tín hi uệ ố ề ậ ợ ụ ầ ể ệ ệ ệ
c sau đó, thành tín hi u quang , và cu i cùng thành m t tín hi u đi n). H n n a, cóơ ệ ố ộ ệ ệ ơ ữ
th k t h p b c m bi n và b kích ho t t o ra vi h th ng hoàn ch nh.ể ế ợ ộ ả ế ộ ạ ạ ệ ố ỉ
Các s n ph m thành công v th ng m i dùng công ngh MEMS ph i k đ n là viả ẩ ề ươ ạ ệ ả ể ế
c m bi n. Vì v y, s thành công c a h u h t các s n ph m dùng công ngh MEMS làả ế ậ ự ủ ầ ế ả ẩ ệ
do khai thác các tích ch t sau đây :ấ
Thu n l i v t l : M t vài hi n t ng v t lý trình bày t t h n và hi u qu h n khiậ ợ ề ỉ ệ ộ ệ ượ ậ ố ơ ệ ả ơ
t i thi u hoá sang đ n v đo micro. Ch t o kh i : V i các quy trình in quangố ể ơ ị ế ạ ố ớ
(lithographic) và ch t o kh i (batch fabrication), chi phí s n xu t cho môt linh ki nế ạ ố ả ấ ệ
MEMS theo kh i th p h n so v i chi phí s n xu t ra nhi u linh ki n MEMS. Tích h pố ấ ơ ớ ả ấ ề ệ ợ
m ch : S tích h p m ch theo công ngh MEMS mang l i giá tr l n, tuy nhiên giáạ ự ợ ạ ệ ạ ị ớ
thành và đ ph c t p có th b h n ch .ộ ứ ạ ể ị ạ ế
L ch s MEMS và công ngh vi cị ử ệ ơ
+ Công ngh vi cệ ơ: Các quy trình l ng đ ng, kh c hay xác đ nh v t li u v i đ c tr ngắ ọ ắ ị ậ ệ ớ ặ ư
t i thi u đ c đo theo đ n v micro ho c nh h nố ể ượ ơ ị ặ ỏ ơ
+ Công ngh MEMSệ : M i thi t b và h th ng đ c s n xu t theo công ngh vi cọ ế ị ệ ố ượ ả ấ ệ ơ
khác v i m ch tích h p hay v i linh ki n bán d n truy n th ng. Kích th c c a chúngớ ạ ợ ớ ệ ẫ ề ố ướ ủ
đ c đo theo đ n v nano (nm) đ n centimet (cm)ượ ơ ị ế
L ch s MEMS, cùng v i đ nh nghĩa c a nó ph thu c vào s phát tri n c a các quyị ử ớ ị ủ ụ ộ ự ể ủ
trình vi c . - Năm 1500. Các quy trình in quang đ u tiên đ xác đ nh và kh c đ c tínhơ ầ ể ị ắ ặ
d i mm. - Trong nh ng năm1940. S phát tri n c a ch t bán d n tinh khi t (Ge vàướ ữ ự ể ủ ấ ẫ ế
Si). - Năm 1947. S phát minh c a transistor ti p xúc, báo tr c s kh i đ u n n côngự ủ ế ướ ự ở ầ ề
nghi p m ch bán d n. - Năm 1949. Kh năng phát tri n Si đ n tinh th tinh khi t c iệ ạ ẫ ả ể ơ ể ế ả
ti n cách trình bày c a transistor bán d n, tuy nhiên chi phí cao và đ tin c y ch a đ tế ủ ẫ ộ ậ ư ạ
yêu c u. - Năm1959. Ti n sĩ Feynman đ a ra bài di n thuy t n i ti ng có t a đ "Cóầ ế ư ễ ế ổ ế ự ề
r t nhi u ch d i đáy ". Trong đó, ông ta trình bày s l ng kho ng tr ng kh ngấ ề ỗ ở ướ ố ượ ả ố ổ
l có s n theo đ n v đo micro. - Năm1960. S phát minh c a quy trình ch t o kh iồ ẵ ơ ị ự ủ ế ạ ố
ph ng (planar) c i ti n rõ r t đ tin c y và giá thành c a linh ki n bán d n. Ngoài ra,ẳ ả ế ệ ộ ậ ủ ệ ẫ
công ngh ph ng cho phép tích h p nhi u linh ki n bán d n lên m t m u Si. S phátệ ẳ ợ ề ệ ẫ ộ ẩ ự
tri n này báo tr c s kh i đ u c a n n công nghi p IC. - Năm 1960. V i s phátể ướ ự ở ầ ủ ề ệ ớ ự
tri n c a transistor hi u ng tr ng oxit bán d n kim lo i (metal – oxide –ể ủ ệ ứ ườ ẫ ạ
semiconductor field – effect transistor _ MOSFET), n n công nghi p IC đ t đ cề ệ ạ ươ
nh ng hi u qu liên ti p đ i v i các m ch ph c t p đ c thu nh . - Năm 1964.ữ ệ ả ế ố ớ ạ ứ ạ ượ ỏ
Transistor c ng c ng h ng, đ c s n xu t b i Nathenson đ c trình bày trong hìnhổ ộ ưở ượ ả ấ ở ượ
d i, linh ki n MEMS ch t o kh i đ u tiên. S chuy n đ ng tĩnh đi n c a thanhướ ệ ế ạ ố ầ ự ể ộ ệ ủ
đ m đi n c c c ng b ng vàng thay đ i đ c tính đi n c a linh ki n.ệ ệ ự ổ ằ ổ ặ ệ ủ ệ
- Năm 1970. S phát tri n c a vi x lý, có nhi u ng d ng h p lý làm bi n đ i xã h i,ự ể ủ ử ề ứ ụ ợ ế ổ ộ
đáp ng t o nhu c u v công ngh IC cao h n. - Trong nh ng năm 1970 và 1980. N nứ ạ ầ ề ệ ơ ữ ề
th ng m i MEMS đã đ c b t đ u b i nhi u công ty s n xu t ra các ph n cho n nươ ạ ượ ắ ầ ở ề ả ấ ầ ề
công nghi p t đ ng. - Năm 1982. Bài th o lu n c a Kurt Petersen v i t a đ "Si m tệ ự ộ ả ậ ủ ớ ự ề ộ
v t li u c " trình bày s phát tri n c a nhi u linh ki n theo công ngh vi c và đ cậ ệ ơ ự ể ủ ề ệ ệ ơ ượ
xem là công c làm tăng s hi u bi t v nh ng kh năng mà công ngh MEMS mangụ ự ể ế ề ữ ả ệ
l i. - Năm 1984. Howe và Muller thu c đ i h c California phát tri n quy trình vi c bạ ộ ạ ọ ể ơ ề
m t Si đa tinh th và đ c dùng đ s n xu t các m ch tích h p dùng công nghặ ể ượ ể ả ấ ạ ợ ệ
MEMS. Công ngh này là c b n cho các s n ph m MEMS.ệ ơ ả ả ẩ
- Năm 1989. Các nhà nghiên c u UCB và MIT đã phát tri n đ c l p đ ng c đ u tiênứ ở ể ộ ậ ộ ơ ầ
theo công ngh micro đ c đi u khi n b ng tĩnh đi n. - Trong nh ng năm 1990. Sệ ượ ề ể ằ ệ ữ ự
phát tri n m nh v s l ng l n linh ki n, công ngh và các ng d ng m r ng ph mể ạ ề ố ượ ớ ệ ệ ứ ụ ở ộ ạ
vi nh h ng c a MEMS và ngày nay v n đang ti p t c. - Năm 1991. Các m u n iả ưở ủ ẫ ế ụ ấ ố
dùng công ngh micro đ c phát tri n t i UCB b i Pister m r ng quy trình x lý polyệ ượ ể ạ ở ở ộ ử
đ c gia công micro b m t sao cho c u trúc l n có th đ c t p h p l i ra kh iượ ề ặ ấ ớ ể ượ ậ ợ ạ ỏ
đ ng n n, cu i cùng gi i thi u nh ng b c x lý đ c bi t c a MEMS ba chi u. ườ ề ố ớ ệ ữ ướ ử ặ ệ ủ ề
M c dù nhi u công ngh và v t li u ch t o micro đ c s d ng đ s n xu tặ ề ệ ậ ệ ế ạ ượ ử ụ ể ả ấ
MEMS xu t phát t n n công nghi p IC, lĩnh v c MEMS cũng đ a đ n s phátấ ừ ề ệ ự ư ế ự
tri n và s c i ti n c a các quy trình và v t li u ch t o micro khác mà truy nể ự ả ế ủ ậ ệ ế ạ ề
th ng không đ c s d ng b i n n công nghi p IC.ố ượ ử ụ ở ề ệ
Các quy trình và v t li u IC truy n th ng:ậ ệ ề ố -B n in quang, oxit hoá nhi t, khu chả ệ ế
tán ch t pha, c y ion, LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), PECVDấ ấ
(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), s làm bay h i, kh c, kh c t, kh cự ơ ắ ắ ướ ắ
plasma, kh c ion ph n ng. -Si, SiO2, SiN, Al.ắ ả ứ
Ngoài ra, các quy trình và v t li u b sung đ c s d ng trong MEMS: -Kh c tậ ệ ổ ượ ử ụ ắ ướ
không đ ng h ng c a Si đ n tinh th , kh c ion ph n ng sâu (DRIE – Deep Reactiveẳ ướ ủ ơ ể ắ ả ứ
Ion Etching), in quang dùng tia X, m đi n, màng m ng LPCVD l c nh , m t n phimạ ệ ỏ ự ỏ ặ ạ
dày, khuôn xoay, khuôn đúc công ngh micro, n i k t micro kh i. -Phim h ng s ápệ ố ế ố ằ ố
đi n (ví d PZT), phim t (ví d Ni, Fe, Co), v t li u nhi t đ cao (ví d SiC và s ),ệ ụ ừ ụ ậ ệ ệ ộ ụ ứ
nhôm, thép không g , platinum, vàng, mi ng th y tinh, plastic (ví d PVC và PDMS). Víỉ ế ủ ụ
d c u trúc vi c :ụ ấ ơ
V i nh ng v t li u và quy trình này, k thu t in quang là quy trình đ n quan tr ngớ ữ ậ ệ ỹ ậ ơ ọ
nh t cho phép t o ra ICs và MEMS có kích th c vi mô đáng tin c y và trong th tíchấ ạ ướ ậ ể
cao.. Các b c c n thi t c a quy trình in quang đ c trình bày trong hình sau:ướ ầ ế ủ ượ
Quy trình b t đ u b ng vi c ch n v t li u n n và hình h c. Ví d m t Si đ n tinh thắ ầ ằ ệ ọ ậ ệ ề ọ ụ ộ ơ ể
, đ ng kính 4" đ n 8" , đ c s d ng, m c dù nhi u v t li u và hình h c khác đ cườ ế ượ ử ụ ặ ề ậ ệ ọ ượ
s d ng r t thành công (hình a). Ti p theo, n n đ c ph b ng m t l p c n quangử ụ ấ ế ề ượ ủ ằ ộ ớ ả
(hình b). M t m t n , g m có m t trung gian ph trong su t v i các vùng ch n sángộ ặ ạ ồ ộ ụ ố ớ ắ
đ c t o m u chính xác, đ c s d ng đ t o khuôn bóng chi ti t cao trên l p c nượ ạ ẫ ượ ử ụ ể ạ ế ớ ả
quang. Các vùng b tia UV tr c ti p chi u vào đ c x lý b ng ch t hóa h c (hình c).ị ự ế ế ượ ử ằ ấ ọ
Sau khi ph i sáng, m t n quang đ c ngâm trong m t ch t hòa tan (thu c tráng phim)ơ ặ ạ ượ ộ ấ ố
mà v m t hóa h c lo i b đi nh ng vùng ph i sáng (quy trình d ng) ho c nh ngề ặ ọ ạ ỏ ữ ơ ươ ặ ữ
vùng không ph i sáng (quy trình âm) (hình d). Sau khi wafer đ c s y khô, m t n c nơ ượ ấ ặ ạ ả
quang có th đ c dùng nh m t m t n cho b c l ng đ ng ti p theo (ví d quyể ượ ư ộ ặ ạ ướ ắ ọ ế ụ
trình ch t ph da) (hình e), hay kh c (hình f). Cu i cùng, m t n c n quang đ c l t điấ ụ ắ ố ặ ạ ả ượ ộ
có ch n l c, thu đ c k t qu trên m t n n vi c (hình g, h). Các b c x lý :ọ ọ ượ ế ả ộ ề ơ ướ ử
Ph ng pháp s d ng đ tích h p nhi u v t li u đ c t o khuôn l i v i nhau đ chươ ử ụ ể ợ ề ậ ệ ượ ạ ạ ớ ể ế
t o m t linh ki n MEMS hoàn ch nh thì r t quan tr ng các quy trình và v t li u riêngạ ộ ệ ỉ ấ ọ ở ậ ệ
l . Hai ph ng pháp tích h p MEMS đ c trình bày trong hai ph n k ti p : vi c bẻ ươ ợ ượ ầ ế ế ơ ề
m t và vi c kh i.ặ ơ ố
Vi c b m tơ ề ặ
Phát bi u đ n gi n, vi c b m t là m t ph ng pháp s n xu t MEMS b ng cáchể ơ ả ơ ề ặ ộ ươ ả ấ ằ
l ng đ ng, t o m u và kh c m t chu i các màng m ng, dày 1- 100 mm. M t b c xắ ọ ạ ẫ ắ ộ ỗ ỏ ộ ướ ử
lý quan tr ng nh t yêu c u v i linh ki n MEMS đ ng là lo i b đi có ch n l c phimọ ấ ầ ớ ệ ộ ạ ỏ ọ ọ
n m d i, xem là l p đ m (sacrifical layer) th ng là SiO2, mà không có s xâm l nằ ướ ớ ệ ườ ự ấ
m t phim n m bên trên, g i là l p khung (structural layer) th ng là poly hay SiN.ộ ằ ọ ớ ườ
Hình sau minh h a m t quy trình vi c b m t đi n hình. Vi c b m t đ c s d ngọ ộ ơ ề ặ ể ơ ề ặ ượ ử ụ
đ s n xu t m t l ng l n linh ki n MEMS khác nhau cho các ng d ng khác nhau.ể ả ấ ộ ượ ớ ệ ứ ụ