第四章 設計與製程結果
4.2 製程結果
此部份包含Poly MEMS 與 Metal MEMS 兩製程開發的相關結果，以及 Poly-MEMS 調整殘留應力的結果。
4.2.1 Poly MEMS (i) 退火對殘留應力的影響
如3.3 所述，量測懸臂的翹曲量可得到與懸臂的長度得到曲率半徑(ρ)，再藉由此 曲率半徑去推估製程的殘留應力；
(式 4-6)
1
1 ) 2( 1
σ ρ= Eν ⋅H
−
由第一批試片的量測結果如圖4-10，可將此四組數據分別作懸臂翹曲量的趨勢線 如圖4-11。
圖 4-10 翹曲量與懸臂長度關係
(a) w = 1 μm 的趨勢線 (b) w = 1 μm 的趨勢線
d) w = 3.5 μm 的趨勢線 圖 4-11 翹曲量與懸臂長度關係
式 4-7
故不同的殘留應力，由上式可得到如圖4-12 上四 勢線擺在
一起，可發覺此批製程的表面殘留應力介於(+5MPa ~ +15MPa 之間)。
(c) w = 3 μm 的趨勢線 (
如3.3 所述，殘留應力與翹曲量關係如下表示；
的應力區塊，將以 組趨
道750
圖4-12 結構層未退火前的殘留應力分布區域
上圖的殘留應力會造成懸臂的翹曲，約減少10%的訊號，故希望可以利用製 程上的操作來調整至近乎0 Mpa 的殘留應力以減少結構和感測懸臂翹曲，故在製 程Pattern 完 Poly3 後，多加了一 ℃ 30sec 的退火製程，高溫的能量讓 Poly
0 2
) 1 (
2 x
H
z E ⋅
= −ν σ⋅ ⋅
原子重新排列，其量測結果如圖4-13，懸臂呈現往下彎曲的現象，如前述方法將
圖 4-13 750℃ 30sec 退火後的懸臂翹曲量 此四組數據作趨勢線，觀察其殘留應力所位於的區塊如圖4-14。
力調整有明顯的改變，期望之後調整退火溫度與時間，可得 的殘留應力。
圖 4-14 750℃ 30sec 退火後的殘留應力分布區域
由上圖可看出，Poly3 表面殘留應力在退火過後，殘留應力落在約-5 MPa ~ -20 Mpa 的區塊，故退火製程的加入，使得結構從原本的+15MPa(壓應力)變成-20Mpa (張應力)，對結構的應
到更低
(ii) 沾黏現象
由於後製程使用濕蝕刻，與感測懸臂與基底的沾黏，感測質量塊缺乏Dimple 而造成感測懸臂連帶被基底吸附住如圖4-15，可增加 Bumps 的數目或調整感測懸 臂K 值來避免沾黏。
圖 4-15 感測懸臂部分沾黏
翹曲1.732um
圖 4-16 質量塊的翹曲情形
(iiii
pa 之間，無明顯趨勢，判定後製程的 Heat up 在 120 ℃以內皆無明顯影響。
(iii) 感測質量塊翹曲
如3.3 所述，質量塊翹曲如下圖 4-16 質量塊邊緣在 SEM 觀察下約 1.3705 um 有 20%的差距。
的高度，與模擬值圖翹曲量
) 後製程加熱對 Poly 結構表面殘留應力的影響
後製程交大自行實驗部分採用HF 來蝕刻 SiO2以釋放結構，但由於結構與基 底距離相當微小(2um)，蝕刻完的處理成為後製程成功實現的關鍵，沾黏現象 才可較易避免，以下為一些實驗參數，驗證後製程的加熱對Poly 結構造成的 影響，但實驗結果顯示，50 ~ 120℃的 IPA 加熱對 Poly3 的結構影響不大，此 處的殘留應力值為試片Finger 翹曲量由前述方法推估。其殘留應力約在 11~20 M
ath p al stress 49% HF DI Water Rinse IPA B Heat u Poly3 Residu
10min 30 sec 5min 120℃ 12MPa 5min 30sec 5min 120℃ 15MPa 3min 30sec 5min 90℃ 11Mpa 1:2 5min 30sec 5min 90℃ 17MPa 1:2 3min 30sec 5min 70℃ 17Mpa 1:2 2min 30sec 5min 50℃ 20Mpa 表 4 - 2 後製程對表面殘留應力影響
，無法成功製作出 Tungsten 結構的加速規如圖 4-17，蝕刻情形如圖 4-18 所示。
4.2.2 Metal MEMS
Metal MEMS 使用高密度的材料 Tungsten，由於其與 Nitride、Oxide 的表面 附著性不好，故在製程中皆需要加入Ti/TiN 來當作 W 的黏著層，TiN 幫助 W 對 Nitride 和 Oxide 的黏合，Ti 則為了降低接觸阻抗；但蝕刻液 HF 會攻擊 Ti，使得 結構體的固定點(Anchor)會因為黏著層被攻擊，而脫離基底表面
圖 4-17 黏著層 Ti/TiNg 受 HF 攻擊示意圖
(a) Metal 1(訊號層)蝕刻前 (b) Metal 1 脫離 Nitride 表面
(c) 黏著層被蝕刻而翹曲 (d) Metal 1 完全脫離 Nitride 表面 圖 4-18 Metal-MEMS 蝕刻結果
故 Metal-MEMS 的關鍵點變成了該如何保護黏著層不受 HF 攻擊，故新的製 程規劃，採用包覆式的設計，希望利用W 本身不受蝕刻液 HF 攻擊的特性，來實 現保護黏著層的目的。
圖 4-19 利用結構 Tungsten 保護黏著層 Ti/TiN
4.3 量測平台校正結果
交大機械微機電實驗室加速度計量測平台，此量測平台主要分為五部份如圖4-20；
1. 電腦(內含 LabView 程控軟體)
2. 一個 20MHz 的任意波型產生器 NI 5402
3. 一個 14Bit 100MHz 高解析度示波器 NI 5122；
4. 一個 20 倍放大器 A303；
5. 一個可提供 0 ~ 20000G 加速度的壓電致動器；
圖 4-20 加速度計量測平台
量測訊號時，先將製作好的加速度計以及參考用的市售加速度計(ADXL330) 安置在電路板上，由電腦中程控式軟體NI LabView 發出指令，讓 NI5402 透過一 反相器(Inverter)，將兩個高頻訊號輸入至加速度計中，經由壓電致動器給予加速度 至電路板，透過NI5122 同步觀察加速度計以及市售加速度計的輸出訊號波形，以 量測各訊號，此量測平台最大的好處在於可同步觀察訊號波形，且不用再另外購 買一昂貴的頻譜儀，透過LabView 軟體內自己寫好的程式搭配波形產生器 NI 5402 與示波器NI 5122，即可得到一虛擬頻譜儀，此頻譜儀是在 On-Wafer test 階段時所 需要的，在沒有後端的解調電路時藉由頻譜來讀出靈敏度(Sensitivity)、解析度(雜 訊)(Resolution)、線性度、耦合度(Cross Sensitivity)。
以下為此量測平台所欲量測的各個加速規性能；
(1)靈敏度(Sensitivity): 受到一加速度時所能輸出的訊號(mVolts/G)。
(2)解析度(Resolution): 加速度計某一頻帶下所能感測的最小加速度(mG)。
(3)雜訊強度(Noise Density): 分子熱運動與電腦所造成的雜訊(μg/√Hz)。
(4)耦合度(Cross Sensitivity): 受到單軸加速度時，另一軸的誤差輸出比(%) (5)非線性度(Nonlinearity):隨著加速度增加，訊號增加的線性關係(%) (6)動態範圍(Dynamic Range): 加速度計所可量測的範圍(±G)
以下列出此六項參數量測的大概機制與方法，並量測市售加速度計ADXL330 的部 份性能，加以驗證此平台的可用性。
(1)靈敏度(Sensitivity): 受到一加速度時所能輸出的訊號(mVolts/G)。
系統受到一加速度時，微機電結構的感測電容如下得到一個已調變過的訊 號，此高頻(1MHz)的調變主要是為了降低電容感測的阻抗，在未外加解調、濾波 電路的情況下(下圖紅線虛線右邊)，透過一簡單的放大器(圖 4-21)，直接用頻譜儀 來做量測，此頻譜儀將感測的訊號做快速傅立葉轉換；如下x(t)為感測的訊號，當 系統受到一來回震盪的加速度時，會使得感測訊號形成(圖 4-21)的波型，調變的波 型即外界給予晶片加速度的頻率(約 200Hz)，再透過頻譜儀的傅立葉分析可在頻譜 上三個地方ωc、ωc+ωs、ωc-ωs看到如(圖 4-22)的峰值，由式子 4-8 可知此值與 感測訊號差一個係數π，故調整外界給予加速度的大小，讀取頻譜儀上的峰值，
即可得到加速度計靈敏度。
圖 4-21 (a) 感測電路 (b) 調變過的訊號
)
圖 4-24 (a) 線性區域 (b)線性迴歸線
(2)解析度(Resolution): 加速度計單一頻帶下所能感測的最小加速度(mG)。
頻譜儀上可讀出雜訊的最高峰值(如下圖 4-25)，此值(Vout)與靈敏度做換算後，
可得到-66.7dB = 0.4624mV = (0.4624/260) mG =1.78 mG。代表著此加速規在 100Hz 時最小可讀到1.78mG 的解析度。
圖 4-25 100Hz 頻譜儀上的雜訊
(3)雜訊(Noise Density): 與解析度是同樣的一項參數，最高的解析度即雜訊。
將前述的解析度再除以工作頻率的根號值即可得到雜訊強度此參數，如下式表示。
式 4-9 m
b kT f
anoise ⋅
Δ =
2 4
(4)耦合度(Cross Sensitivity): 受到單軸加速度時，另一軸的誤差輸出比(%) 耦合度代表多軸感測時，他軸對感測軸的影響程度，此值越小越好，代表結 構軸與軸間的耦合不嚴重，以此計畫的雙軸來說可分為x 對 y 的耦合度(C x_to_y) 以及y 對 x 的耦合度(C y_to_x)，利用前述頻譜儀量測靈敏度的方法，當系統在 Y 方向震動時，求得此時兩者輸出的比值(X 軸靈敏度與 Y 軸靈敏度)如下圖 4-26，
就可以得到耦合度。X toY = 17.2 %，Z to Y = 5.3 %。
圖 4-26 ADXL330 耦合度量測
(5)非線性度(Nonlinearity):隨著加速度增加，訊號增加的線性關係(%)
由前面頻譜儀得到的靈敏度圖，求其與線性迴歸線的差的方均根值，除上整 個Scale 的 Vout 可得到此批 ADXL330 的量測非線性度為 5%
圖 4-27 ADXL330 的非線性度
將前述靈敏度的Data，作線性迴歸線，每筆資料對回歸線的差取方均根值，
與最大輸出的比值，此為非線性度的定義，此值越小越好，0%代表著量測數據完 全線性。
(6)動態範圍(Dynamic Range): 加速度計可量測的範圍。
加速度計受到停止器的阻擋，以及感測電容間不同電位的Pull-in Effect，會造 成當系統受到再大的加速度時，輸出已達一飽和的電壓，故此飽和電壓的加速度 即為加速度計的動態範圍，亦可稱做為此加速度計的量測範圍，由此圖可得到量 測範圍為±2.35G。
圖4-28 ADXL330 的動態範圍
ADXL330 Measurement
ADXL330 Datasheet
Unit
靈敏度 Sensitivity @ 3V ~ 260 mV/G 300 mV/G (+/-10%)
mV/G
頻寬 Bandwidth (kHz) No Result 1.6 kHz kHz
解析度 Resolution @ 100Hz 1.78 mG N.A mG
雜訊強度 Noise Density 178 (μG/√Hz) 280 (μG/√Hz) μG/√Hz
耦合度 Cross Sensitivity (%) 17.2 % (y to x) 5.3 % (z to x)
N.A %
非線性度 Nonlinearity (%) ~ 4 %F.S N.A %F.S
動態範圍Dynamic Range +/- 2.35 G +/- 3 G +/- G 表 4-3 量測平台所得 ADXL330 性能表
第五章 結論
5.1 總結
從製程、設計分析到量測技術上主要有三大部分的結果，說明如下；
(i)製程
Poly-MEMS 雖因與 Oxide 熱膨脹係數相近而具備低殘留應力的優勢，但此開 發中的製程尚在調整階段，不易取得降低殘留應力的熱製程；實驗證明結構實行 750℃退火製程時，可成功調整試片表面的殘留應力從+15MPa 到-20MPa，藉以改 變電容板翹曲，嘗試提升加速規的靈敏度；但由於前端搭配電路製程，且沉積4μm 厚的Poly 結構造成晶片有相當大的應力存在，在製程尚未穩定前，降低殘留應力 的製程參數尚須長時間的累績來取得。
Metal-MEMS 使用 Tungsten 作為結構層材料，原本期望藉由其高密度的特性 來減少所佔用的晶片面積，但目前受限於Tungsten 本身薄膜應力過大，且黏著層 Ti/TiN 會被後製程的蝕刻液所攻擊，尚無法成功製作出感測結構體。
(ii) 尺寸設計
本論文在 Poly-MEMS 設計上建立尺寸最佳化的機制，各參數列表如下；
單軸 雙軸 晶片面積 550 x 500 μm2 700 x 700 μm2 感測質量塊 1.2 μg 2.95 μg
懸吊系統 K 值 1.1 N/m KX: 1.16 N/m KY: 1.09 N/m 感測懸臂 長 170 μm 寬 3 μm 長 170 μm 寬 3 μm
單邊差動對數目 35 16
靈敏度 1.96 fF/G 2.01 fF/G
感測軸共振頻率 7279.4 Hz X: 2855.5Hz Y: 2942.2Hz
頻寬 5000 Hz 1500 Hz
表 5 - 1 尺寸設計參數
由上表可看出單雙軸的設計頻寬皆較規格要求的1.6kHz 來的小許多，乃由於此批 試片期望在開發中的製程裡，將靈敏度推高至極限，之後的設計再降靈敏度來獲 得頻寬。
(iii)量測技術
目前已利用壓電致動器、LabView 程控軟體與 NI Scope 5122 完成加速規量測平台 的架設，並以加速規ADXL330 作驗證測試。其量測所得性能與產品標示比較如下；
5.2 未來工作
5.2.1 Poly-MEMS (i) 性能量測
此研究所架設的量測平台，乃直接擷取結構體的訊號，故待此批設計試片完 成打線後，可透過此量測平台，獲得靈敏度、解析度、雜訊強度、耦合度、非 線性度與量測範圍等六項參數。
(ii) 整合電路製作後的量測
除了結構體訊號的擷取，加速規搭配電路感測是必須的，期望之後的試片 能完成電路與結構體的整合製作，再行如前述的性能量測。
(iii) 封裝後的再量測
封裝的進行，可減低系統的壓力，期望藉由降低系統阻尼，來提升加速規的性 能，並完成從設計、製程、封裝到量產的目標。
(iiii) 懸吊系統的改進
由此次實驗結果可觀察出，雙軸設計的感測質量塊受殘留應力影響而翹曲嚴 重，初步評估為雙軸懸吊系統的懸臂過長，拉長了質量塊連接點與Anchor 的
由此次實驗結果可觀察出，雙軸設計的感測質量塊受殘留應力影響而翹曲嚴 重，初步評估為雙軸懸吊系統的懸臂過長，拉長了質量塊連接點與Anchor 的