第二章 新式 SDA 之設計與分析
2.4 等效彈簧系統
2.4.1 懸臂樑等效彈簧常數
2.4.1 懸臂樑等效彈簧常數
由虎克定律可得知，線性彈簧在彈性範圍內受一作用力，其彈性係數(Spring constant)的定義為：
δ
k = F (2‐1)
其中 F 與δ是彈性體所受的作用力(Force)與形變量(Deflection)，單位分別為 N 與 m。
k 單位為 N/m。
至於懸臂樑的等效彈簧常數，可利用材料力學公式可推導出。當施加一力 F 於懸 臂樑端點(圖 2‐4)，產生的彎曲力矩(Bending moment)為：
FL
M = (2‐2)
2
2.5.1 分析設定
首先以 Solidworks® 建立 SDA 組合模型，包括底板與基板的等效模型為 2μm 厚的 矽結構以節省數值分析計算時間。再以 COSMOSWorks® 非線性模組分析。先建立拘束 條件，包括底板底層固定，主板左緣下側視同銷接以避開剛體運動模式；而爪子底部 左側設定為保持與底板的接觸，即無垂直方向的運動。單位面積靜電吸引力的參考坐 標原點設在主板左緣下側中點。有關主板與底板接觸及間隙條件設定為無貫穿，意即 觸底後，接觸長度會隨負荷增加而增加。網格化的特徵尺寸約 1 到 2 微米，以保持恰 當的分析精度及收斂時間為調整原則。
表 2‐1 有限元素分析中所使用到的材料參數
Nickel SC‐Silicon Nitride Dry‐Air E (GPa)
Modulus of Elasticity 210 162 210 * D (Kg/m3)
Density 8500 2420 3100
TD：
1.293‐0.456 (273K‐773K) ν
Poisson Ratio 0.31 0.28 0.278 * κ
Dielectric Constant * * 7.9 1 註：TD = Temperature Dependent
2.5.2 尺寸設計
為了建立比較基準，分別對傳統 SDA 與 LVSDA 兩種結構做分析；主板結構尺寸均 為板長 80μm、板寬 65μm、厚度與高度均為 2μm(圖 2‐8)。對於 LVSDA 撓性接頭的尺 寸設計與位置是關鍵參數，在此先以固定撓性接頭長度 Lj 為 20μm、寬度 Wj 為 6μm 的尺寸為基礎，抓爬樑長度 Ls=20μm、摩擦樑長度 Lf=40μm(圖 2‐8)來做模擬，驅動電 壓由 50V 到 110V，以 10V 為增量逐漸增加。再與傳統沒挖洞的 SDA 做模擬比對。
圖 2‐8 LVSDA 尺寸參數
2.5.3 模擬結果討論
模擬結果如圖 2‐9，分析發現撓性接頭的寬度、長度及位置會有規則地影響輸出 力與步進尺寸的趨勢(圖 2‐10)，當操作電壓越大步進尺寸也越大，LVSDA 與傳統 SDA 相比有較大的步進尺寸，因此作動速度較快。
圖 2‐9 LVSDA
圖 2
步進尺寸 C
2‐10 LVSDA
COSMOS 模
與傳統 SD
模擬結果(a)等
DA 步進尺寸
等角視圖 (
寸模擬結果
(a)
(b) (b)側視圖
第三章 製程流程
在本章將會詳細解說 SDA 元件的製作過程，使用到微機電系統相關製程，包括低 壓化學氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition)、黃光微影(lithography)、濺鍍 (sputtering)與電鍍(electroplating)等表面金屬微加工技術，其中對於前爪的製作、光阻 的選用與電鍍鎳的技術上進行較詳細的介紹，最後對元件的製作成果進行討論。
3.1 前爪製作流程
在 SDA 元件的製作過程中，爪子的設計製作是相當重要的一環，爪子做出來的成 功與否，將是 SDA 能否向前作動的關鍵。如何製造出精良的爪子，光阻的選用與製程 上軟烤、硬烤等參數，都會影響爪子的幾何形狀與精確度，最後如何讓爪子懸浮而不 會沾黏(stiction)，將是製程上必須去克服的。
3.1.1 前爪製作
在開始在設計爪子時，必須先仔細思考該如何規劃製程，因為爪子的設計將會影 響後面的製作流程，如何讓 SDA 後面電極固定在基板上並且能使前爪懸浮，除此之外，
SDA 懸浮高度又不能太高，太高會造成 SDA 結構與基板之間靜電力不足不易吸附，因 此光阻的選用、製程參數將是關鍵。
的接
3.1.2 光阻選用
爪子的高度是依照塗佈的光阻厚度而定，旋佈光阻後曝光、顯影開出爪子的孔洞，
最後電鍍上 SDA 結構，因此光阻的高度就等於爪子的高度。一旦決定好爪子的高度後，
則開始選擇合適的光阻製程，一般來說，常用的正光阻 AZ 系列，如 AZ4620 與 AZ9260，
最薄也只能達到 4µm 左右，爪高設計在 4µm 以上即可使用此類光阻；若想要讓爪高 低於 2µm 以下的高度就必須找尋其他光阻，因此我們採用 FH6400 光阻來做爪子的設 計，且 FH6400 光阻製程相較 AZ 系列光阻製程來的簡易、省時，所以最後決定採用 FH6400 作為犧牲層光阻，省去部分曝光步驟與對光罩產生的對準誤差。
3.2 電鍍鎳流程
電鍍製程係把原型母模放在陰極上，利用電鍍原理沉積材料至適當的高度，在使 其與母模脫離，可用來生產各種金屬模和精密零件組。在本論文中，我們使用了電鍍 鎳金屬作為主要元件的製作製程，電鍍品質的好壞將影響 SDA 結構是否精良，而在電 鍍製程前還需要搭配其他製程，來做電鍍前的準備工作，如電鍍前需濺鍍黏著層 (adhesion layer)與種子層(seed layer)，接著定義電鍍元件區域的模(mold)的黃光製程，
完成前述步驟方能真正開始電鍍製程。所以，在此將逐一介紹這一系列電鍍相關製程，
與最後電鍍品質結果討論。
3.2.1 黏著層與種子層的選擇
在進行電鍍製程前，必須先鋪上一層金屬，能夠在電鍍時將電流由陰極板傳遞到 電鍍的位置，我們稱之為種子層，為了不影響後面製程平整性，所以種子層盡量要薄 且不能夠具有太大的電阻，阻值太大會造成電鍍時電鍍薄膜厚度差異大。在這裡我們 選擇銅(Cu)作為種子層，因為銅金屬的電阻率小易導電，很適合作為電鍍時導電的金 屬層。但銅與單晶矽基底的黏著性並不是很好，因此必須在種子層與單晶矽基底之間 建立促進兩著接合的黏著層，所以選擇了鈦(Ti)金屬當黏著層，因為鈦對銅或著是單晶 矽基底都有相當好的附著性，不會因為釋放結構而產生剝離。最後黏著層與種子層在 製程結束後都需要移除，而鈦、銅兩金屬與電鍍結構鎳都有適當的溶液可以產生良好 的蝕刻選擇比，也有類似犧牲層的作用。
3.2.2 黃光製程
濺鍍上黏著層與種子層後，接下來需要定義出電鍍結構的圖形，也就是建立電鍍 的模仁(mold)，在這裡選用正光阻 AZ9260 來作為電鍍的模仁，AZ9260 的光阻深寬比 與側壁準直性要比同系列的 AZ4620 來的好，做出來的模仁結構較為精美，不易造成 線寬的損失；因為電鍍效應的影響，為了避免厚度不均，所以製程上電鍍模必須要比 電鍍結構還要厚，AZ9260 的特性適合做較厚的光阻層，特別是使用在電鍍模仁上。表 格 3‐1 列出我們所使用的黃光參數。
表 3‐1 黃光參數表
光阻種類 FH6400 AZ9260
光阻厚度 2.1 µm 5 µm
旋佈 500 rpm (10 sec) 1200 rpm (25 sec)
1000 rpm (10 sec) 5000 rpm (30 sec)
靜置 5 min 10min
軟烤 2 min 10 min
水合 5 min > 20 min
曝光 3 sec (+20%) (46mW/cm2) 6 sec (+20%) (46mW/cm2) 顯影 30 sec (AZ‐400k) 2 min 30 sec (AZ‐400k) 定影 1 min (DI Water) 1 min (DI Water)
硬烤 10 min X
3.2.3 電鍍製程
電鍍是一種電化學反應，把一種金屬材料鍍在另一個金屬的表面上，形成一層金 屬薄膜。電鍍時所獲得電鍍層的析鍍量是根據法拉第定律，電化學反應產物的量正比 於所施加的總庫侖數，在定電量下，電化學反應產物的量正比於產物的當量數。因為 微結構電鍍的品質，深受結構圖案設計、圖案密度、圖案分布位置、深寬比與電鍍液 等因素有很大的關係，在本實驗中使用鎳材料的電鍍，鎳電鍍是最常使用的瓦特浴 (Watt bath)，主要的原因不外乎鍍率高且品質好，因此在這我們使用鎳金屬電鍍瓦特
浴室最適合的方式。
在電鍍過程中最重要的參數是電流密度，因為電流密度將會決定結構的完整性、
表面平滑度、結構應力與模厚均勻度等，電流密度提高，可以減少電鍍時間，但易造 成電鍍結構表面粗糙；電流密度太低，則容易使電鍍液中的氣泡與雜質停留在電鍍物 表面上，造成結構不完整，因此取用可保持結構完整性的最小電流是我們希望的，表 格 3‐3 列出電鍍所使用的參數。
表 3‐2 電鍍參數表
光罩 Mask #2
電鍍金屬 Nickel
電鍍面積 3.526
電流密度 10 mA/cm2
電鍍速率 0.2 µm/min
3.3 沾黏
最後釋放元件部分，將是整個製程中最困難也是最重要的關鍵步驟，因為面型微 加工製程常常會有懸浮結構，又必須以溼式蝕刻方式釋放結構，元件容易因為表面張 力在烘乾的過程中，將可動或不受拘束的部分緊緊黏到下方的基材上而黏底(stiction)，
容易造成結構的損壞。因此根據學長實驗經驗，在製程方面，將最後蝕刻完的晶片放 入去離子水清洗，再浸泡異丙醇(IPA)來取代水，原因是異丙醇是沸點低(82.4℃)的有機
溶液，相較於去離子水容易揮發，最後放在烤盤上直接烤乾，將可改善結構沾黏的情 況發生。
3.4 製程流程
利用金屬面型微加工技術進行 SDA 結構製作，步驟如下圖表 3‐1 所示。步驟(a)中，
將經過 RCA 清潔後的 n‐type 矽晶片(阻值 1~10Ω‐cm)，放入爐管長出 6000Å 的氮化矽 作為電性絕緣層；步驟(b)進行第一道光罩黃光製程，塗佈 2µm 左右厚的 FH6400 光阻 作為犧牲層，90℃軟烤 10 分鐘後靜置 20 分鐘讓光阻水合，水合時間將會影響光阻曝 光顯影後線寬的好壞，接著進行微影製程開出所要的前爪與接觸電極圖形；因為光阻 不導電，無法作為電鍍附著層，所以步驟(c)分別濺鍍 Ti 黏著層 200Å 與 Cu 種子層 1500Å；
步驟(d)進行第二道光罩黃光製程，塗佈 5µm 左右厚的 AZ9260 光阻，微影出電鍍所需 要的模；步驟(e)電鍍鎳結構，以電流密度 10 mA/cm2進行 10 分鐘金屬鎳電鍍，大約 生成 2µm 左右的結構厚度；最後步驟(f)釋放元件，首先將試片泡進丙酮(ACE)除去電鍍 模仁光阻，再分別以溶液 CR‐7T 浸泡 20 秒去除種子層 Cu，與溶液 BOE 浸泡 10 秒去除 黏著層 Ti，接著放入丙酮浸泡 30 分鐘去除大部份犧牲層光阻，浸泡在異丙醇(IPA)內，
放置超音波震盪器中震盪 20 秒，將犧牲層光阻硬烤後產生的薄膜震掉，最後將試片 從異丙醇溶液中取出直接 60℃烤乾。
圖 3‐2 製程步驟
Step1
(a)爐管長出 6000Å 的 Si3N4，作為絕緣層
Step2
(b)塗佈光阻 FH6400，微影定義前爪與電極
Step3
(c)濺鍍 Ti/Cu 黏著層與種子層
Step4
(d)塗佈光阻 AZ9260，微影定義 SDA 模仁結構
(a) 圖 3‐
(a) 圖 3‐
圖
‐3 元件 SEM
)
‐4 元件 SEM
圖 3‐5 SDA
M 側視照
M 俯瞰照
A 元件爪高與
(a)傳統 SDA
(a)傳統 SDA
與厚度 SEM (b) A (b)LVSDA
(b) A (b)LVSDA
M 照片 A
A
第四章 量測結果與討論
本章將介紹實驗量測設置與實驗量測結果，分別對傳統 SDA 與 LVSDA 的驅動電壓 與輸出力做分析討論，並將 LVSDA 效能與傳統 SDA 做評比，最後對量測時可能產生的 誤差進行討論。
4.1 量測設置
在實驗量測架設上(圖 4‐1)，首先分別將兩組探針(probe)接觸到試片上的 SDA 元件 電極與矽基材上，接上訊號產生器(Function generator)來產生方波訊號，頻率設為
在實驗量測架設上(圖 4‐1)，首先分別將兩組探針(probe)接觸到試片上的 SDA 元件 電極與矽基材上，接上訊號產生器(Function generator)來產生方波訊號，頻率設為