CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Mạ không điện cực và công nghệ vi cơ điện tử Công nghệ vi cơ điện tử đang là một xu hướng phát triển tiềm năng ở Việt Nam. Với sự phát triển công nghệ hiện nay, các nhà khoa học nhận thấy các linh kiện, thiết bị điện, điện tử, cả thiết bị cơ khí đều có thể được giảm kích thước xuống thước micro-nano và sản xuất hàng loạt nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng và hiệu suất cần thiết, điều đó hứa hẹn các khoản lợi nhuận như đã từng thấy đối với công nghệ mạch tích hợp. Trong khi điện tử đóng vai trò như bộ não cho các hệ thống và sản phẩm thì các thiết bị vi cơ điện tử lại có vai trò như bộ phận cảm biến, các bộ chấp hành và đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi thông tin và tương tác với thế giới bên ngoài.
Chính vì vậy, thiết bị vi cơ điện tử là bộ phận chủ chốt trong rất nhiều loại sản phẩm quan trọng được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống đặc biệt trong các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại di động, máy tính bảng đồng hồ đeo tay, túi khí xe hơi, vòi phun của máy in, thiết bị đo huyết áp và hệ thống hiển thị. Chắc chắn rằng trong tương tai rất gần những thiết bị vi cơ điện tử sẽ đóng vai trò thống trị như điều đã từng xảy ra đối với các mạch tích hợp trong công nghiệp bán dẫn. Thời điểm được coi như mốc đánh dấu sự ra đời các linh kiện MEMS là vào năm 1954 nhưng cho đến thập kỷ 60 của thế kỷ 20 đã có sự thành công trong các nghiên cứu triển khai dẫn đến sự ra đời của hai nhánh công nghệ căn bản của lĩnh vực hệ thống vi cơ điện tử là công nghệ vi cơ khối ướt và công nghệ vi cơ bề mặt, sự kết hợp của công nghệ vi cơ điển tử với quy trình vi chế tạo các cấu trúc siêu nhỏ trong phạm vi kích thước micromet. MEMS hứa hẹn cách mạng hoá gần như tất cả các loại sản phẩm bằng việc kết hợp công nghệ vi điện tử trên nền tảng silicon và công nghệ vi cơ, tạo khả năng hiện thực hoá cái gọi là “hệ thống trên một chíp” hay “phòng thí nghiệm trên một chíp”.
MEMS là công nghệ khả thi cho phép phát triển các sản phẩm thông minh, làm tăng khả năng tính toán điện tử với sự tham gia điều khiển của các cảm biến và bộ chấp hành đồng thời mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng. Phần lớn các thiết bị MEMS được sản xuất hàng loạt, cho phép hàng ngàn thậm chí hàng triệu sản phẩm được chế tạo cùng lúc giúp hạ giá thành sản phẩm. MEMS cũng rất phù hợp với các ứng dụng ở diện rộng và mang tính khả thi với các hệ thống tinh vi được chế tạo hàng loạt mà trước đó không thể triển khai với các công nghệ chế tạo khác. Rất nhiều các sản phẩm MEMS tương tác cùng nhau mở ra các khả năng và cơ hội mới trong các ngành công nghiệp cũng như trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau.
Kích thước micro- nano của thiết bị MEMS cho phép chúng tương thích với các hệ thống mà những sản phẩm có kích thước lớn hơn không thể thực hiện được và nhờ sự hoạt động ở kích thước nhỏ như vậy, cảm biến MEMS có thể phát hiện những tín hiệu cực nhỏ và bộ chấp hành MEMS có thể thực thi những nhiệm vụ với độ chính xác rất cao, tạo ra các sản phẩm hoàn toàn mới. Kích thước nhỏ của linh kiện MEMS đồng nghĩa với việc tiêu thụ ít năng lượng, có ý nghĩa mấu chốt đối với các linh kiện điện tử. Các chuyển mạch tĩnh điện MEMS tiêu thụ điện TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3 năng chỉ vài nW. Thiết bị MEMS cho độ tin cậy hơn hẳn so với thiết bị truyền thống.
Thiết bị MEMS thường được chế tạo với cấu trúc nguyên khối, không có mối nối, không dùng bi, bạc hoặc các gioăng có nguy cơ bị ăn mòn. Thay thế các thiết bị cồng kềnh bằng thiết bị MEMS làm giảm khối lượng một cách đáng kể. Hiệu năng của MEMS có thể nâng cao rất nhiều bằng việc sử dụng phản hồi và điều khiển điện tử, các thiết bị điện tử có thể có được những chức năng mới khi hoạt động cùng với MEMS. Khả năng ứng dụng trong phạm vị rộng là hoàn toàn có thể đối với các hệ thống thông minh trên một chíp bao gồm cả các hệ thống truyền thông không dây, phòng phân tích hoá học, hệ thống xác định sinh trắc học trên một chip[1].
MEMS và công nghệ nano góp phần vào các phát kiến mới trong khoa học và kỹ thuật như vi hệ thống phản ứng chuỗi polymer ứng dụng trong việc phân chuỗi và xác định DNA, kính hiển vi đầu dò quét, cảm biến sinh học để phát hiện và chọn lọc thuốc chữa. Bằng việc ứng dụng phương pháp mạ hóa học không điện cực cho MEMS và vi mạch tích hợp (ULSI), nickel – vonfram và coban – vonfram được hình thành đóng vai trò làm tăng độ dẫn điện bề mặt của các thanh kết nối hoặc các thành phần tần số cao. Phương pháp mạ không điện cực còn được nghiên cứu thiết kế chip dò CMOS – MEMS và ứng dụng nó với CMOS kích thước nhỏ. Chip thăm dò cấu trúc gói kết hợp với các mối liên kết đa lớp trong quá trình chế tạo CMOS giúp đơn giản hóa rất nhiều việc bố trí hệ thống dây điện và cải thiện khả năng kết nối giữa các đầu dò và các thiết bị bên ngoài.
Ngoài ra các thành phần hoặc các mạch được tích hợp chung với CMOS để tăng băng thông tần số và nâng cao chất lượng đo lường, hợp kim Ni-P có thể áp dụng để tăng cường làm giảm phần sai số của các thiết bị đầu dò. Mạ không điện cực còn được ứng dụng trong công nghệ tích hợp ba chiều của hệ thống MEMS và CMOS từ đó tạo được linh kiện với hiệu suất cao, giảm chi phí và cải thiện nhiều chức năng, các quá trình bổ sung công nghệ ba chiều không gây ảnh hưởng trên hệ thống mảng MEMS và mạch CMOS, các hệ thống tích hợp có năng suất tốt, tính đồng bộ và độ tin cậy cao. Việc sử dụng mạ không điện cực trong việc tích hợp mật độ cao giữa MEMS và mạch CMOS được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng như thiết bị cảm biến hồng ngoại, các cảm biến âm thanh, cảm biến bức xạ, cảm biến khí. Mạ không điện cực còn được ứng dụng trong các linh kiện như transistor có tác dụng bảo vệ các vị trí tiếp điểm, các chân kết nối.
Chip bán dẫn, được làm từ các tấm nền silicon, rất khó trong việc hàn để đảm bảo các tính chất chính vì vậy phương pháp thường sử dụng mạ không điện cực để tạo thành một vị trí kết nối, tiếp điểm, bám chặt, được sử dụng như phương pháp không thể thiếu. Trong nhiều ứng dụng, vàng được mạ bằng phương pháp không điện cực vào những vị trí kết nối và các dấu vết mạch để cung cấp khả năng dẫn điện và kháng oxy hóa[6,7]. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1: Cấu trúc treo của linh kiện cảm biến hồng ngoại nhiệt mà nhóm nghiên cứu đang chế tạo Trong linh kiện nhóm nghiên cứu đang chế tạo, cột nickel có kích thước micro-nano được chế tạo bằng phương pháp mạ hóa học không điện cực vừa có tác dụng cột đỡ cho các lớp màng mỏng phía trên, vừa có tac dụng kết nối điện giữa lớp phía trên và phía dưới. Các lớp SiNx được chế tạo bằng phương pháp PECVD, phương pháp phún xạ được dùng để hình thành lớp VOx.
Sau khi tạo được cột nickel, các lớp phía trên sẽ được thực hiện để chế tạo cấu trúc treo ứng dụng trong vi mảng cảm biến hồng ngoại nhiệt. Mạ hóa học không điện cực 1. Khái niệm Mạ hóa học không điện cực, còn được gọi tắt là mạ không điện cực (electroless plating), hay mạ hóa học tự động xúc tác là một phương pháp mạ có liên quan đến một số phản ứng đồng thời xảy ra trong dung dịch mạ, quá trình mạ xảy ra một cách tự nhiên mà không cần đến việc sử dụng nguồn điện tác động từ bên ngoài. Mạ không điện cực khác với mạ điện phân ở chỗ mạ không điện cực không sử dụng dòng điện cung cấp từ bên ngoài.
Quá trình mạ này dựa vào phản ứng oxi hóa – khử của các muối kim loại và kim loại có trong dung dịch mạ. Trong đó chất khử là thành phần nằm trong dung dịch mạ và kim loại kết tủa có tác dụng xác tác cho phản ứng đó. Quan trọng của phản ứng này là khả năng tự xúc tác của kim loại kết tủa đối với phản ứng oxi hóa khử[2]. Ví dụ: Mạ nickel hóa học Khử: Ni2+ + 2e Ni (1.1) Oxi hóa: H3PO2 + H2O H3PO3 + 2H+ +2e (1.2) Phản ứng tổng quát: Ni2+ + H3PO2 + H2O Ni + H3PO3 + 2H+ (1.3) Trong luận văn nhóm sẽ nghiên cứu chi tiết về phương pháp mạ không điện cực nickel hóa học.
Mạ không điện cực hóa học là phương pháp đơn giản, lớp mạ mỏng, cải thiện được nhiều tính chất quan trọng về điện, từ, độ ăn mòn… Các đặc điểm chung của mạ hóa học: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 5 + Thế bị oxi hóa khử trong dung dich cần nhỏ hơn điện thế bị khử ion kim loại có tác dụng giúp cho kim loại tác dụng trên nền cần mạ. + Kim loại khử bị tách ra, có tác dụng tự xúc tác làm tăng độ dày lớp mạ. + Tốc độ mạ có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi độ pH, nhiệt độ của dung dịch mạ. + Phản ứng chỉ được tiến hành trên bề mặt chi tiết có tính chất tự xúc tác, trong dung dịch phản ứng không được sinh ra để tránh sự phân hủy tự nhiên của dung dịch.
+ Chất sinh ra trong quá trình phản ứng không cản trở quá trình mạ. Ngoài phương pháp mạ không điện cực còn có phương pháp mạ hóa học điện phân. Mạ điện phân là phương pháp mạ rất quen thuộc, trong quá trình mạ điện phân thì vật cần mạ được gắn với cực âm catôt, kim loại cần mạ gắn với cực dương anôt của nguồn điện trong dung dịch điện môi. Cực dương của nguồn điện sẽ hút các electron trong quá trình ôxi hóa và giải phóng các ion kim loại dương, dưới tác dụng lực tĩnh điện các ion dương này sẽ di chuyển dần về cực âm, tại đây chúng nhận lại electron trong quá trình ôxi hóa - khử hình thành lớp kim loại bám trên bề mặt của vật được mạ.