二、 微/次微米結構射出成形實驗
2.4 矽基微/次微米結構模仁的製作
為了製造具有基本特徵且線寬在微米及次微米尺度的薄流路模仁，必 須使用微影並配合蝕刻的製程方可獲得符合要求的表面粗糙度。矽晶基材 在潔淨度及結晶定向性上非常適合用來製作微細尺寸結構。開始之前，必 須先了解不同方法製作線寬的能力極限，以方便設計製程。在矽晶模仁的 設計方面，結構側壁採垂直，溝槽線寬與深度呈倍數比值在2~8 倍之間，
節距一般定為線寬的3~10 倍距離。線寬設計上，以鉻膜製作的光罩來說，
1µm 以下的微結構模仁須改以電子束直寫加工方式製作次微米模仁，其製 程設備如表2，這是因為線寬尺寸達到 1µm 以下時，光罩尺寸的解析度已 達極限，光罩圖形的邊界以顯微鏡 1000 倍放大觀測實為鋸齒狀，這種線 寬用UV 光源對正光阻(FH-6400)顯影時，入射波與反射波因為光學干涉作 用而產生的駐波現象，無法正確的轉移圖形[44]，會造成顯影後以大小不 均的圓孔分佈在圖案上，狀態如圖8 所示。
在溝槽蝕刻深度方面，本研究取(110)矽晶片，使用 KOH 做非等向性 濕式蝕刻，對不同線寬尺寸的模仁進行加工，目標深寬比 8~12 倍。文獻 提到KOH 濃度大約在 4M(莫耳)時蝕刻率可最大，濃度越大，對應的表面 粗糙度(Surface roughness, Ra)越佳，在 80℃濃度 8M 時，表面粗糙度可低 到100nm 以下[45,46]，此為本實驗所使用的濃度。在實際的濕式蝕刻過程 中，微溝槽的蝕刻均勻性是一個棘手的問題，因此本研究中亦針對蝕刻均 勻性做了相關的研究，曾使用單一頻率超音波進行蝕刻，發現其蝕刻深度 並不均勻，所以本研究改用攪拌子輔助流體的流動。實驗時晶片結構平面 朝下浸入液中，蝕刻液體則藉由攪拌作用促進濃度均勻，同時驅使反應產 生的氣泡與微結構表面分離，反應物則因重力作用沉落，如此可有效解決 蝕刻深度不均等問題，說明如圖 9 所示。模仁的詳細製作過程如下所述。
- 22 - 2. 高溫氧化爐管擴散系統(Oxidation & Diffusion Furnaces Systems)
3. 低壓化學氣氣相沈積系統
(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD) 4. 薄膜測厚儀(Surface Profile) Dektak Ⅱ A
5. 橢圓測厚儀(Ellipsometer) RUDOLPH RESEARCH Auto ELR-11
6. 真空烤箱(Vacuum Bake, Vapor Prime Processing System)
Yield Engineering Systems YES-5
7. 光阻塗佈機(Spinner Coater) Synrex 1-PM101D-R790 8. 光罩對準曝光機(Mask
Aligner)
Karl Suss MJB-3
9. 四點探針(4-Point Probe) NAPSON RT-7 10. 介電薄膜活性離子蝕刻系統
(Dielectric RIE)
瑞典Vacutec AB 1500-series
11. 電子束直寫系統 Leica- WEPRINT200
SurfaceTechnology system(STS) Mutiplex Cluster CVD
14. 場發射掃描式電子顯微鏡 FESEM
HITACHI S-4000
15. 濺鍍機(Sputter) 英國 Ion Tech Microvac 450CB
16 射出成形機 ARBURG-270s 交通大學
17 熱壓機 自製 機械所
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圖8 利用 UV 光源微影光阻，由於 1μm 以下的線寬具有的光學干涉問題，
導致光阻顯像不良的狀況。
heating Die
Holder
40%wt KOH solution with a temperature of 70 °C
Agitator
In front of the ground
圖 9 濕式蝕刻設計示意圖。
2.4.1 微米級模仁
本研究在製作微米級尺度的模仁時使用直徑 4 吋，厚 525µm，(110) 方向，P 型的矽晶圓為模仁胚料，其電阻率為 1-100Ω/cm，表面粗糙度低 於10nm。選用（110）晶片的主要目的是，這型晶片在定位邊平行的方向
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上利用濕式蝕刻時其縱深對側壁方向的選擇比約為 100:1，且側壁為垂直 的，非常適合做為基本薄流路所要求的特徵。實際製作時，首先利用RCA 製程清洗晶片，再置於乾式熱氧化爐以1050℃的溫度經過 180 分鐘，使生 長緻密的二氧化矽(SiO2)層達 1500Å 厚，作為矽與氮化矽(Si3N4)的附著介 面。然後置於低壓氣相沉積爐管(LPCVD)，沉積出密實無孔洞的氮化矽 2000Å 厚，用以當作圖形的保護層。
微 影 製 程 時 首 先 在 氮 化 矽 上 沉 積 一 層 非 常 薄 的 六 甲 基 二 矽 胺 烷 (hexamethyldisilazane, HMDS)預濕潤劑再塗佈正光阻(FH-6400)，可防止光 阻因為張力與密度因素，造成塗佈不完全、傾斜或駐波狀曲面，致使後續 製程良率受到表面厚度不均的影響而下降。隨後使用UV 光源微影技術將 圖案定義在晶圓上，隨即進行反應離子蝕刻(RIE)，直接對氮化矽轉移圖 形。在此所使用的乾式蝕刻系統為瑞典Vacutec 公司製造的 AB 1500-series 型介電薄膜反應離子蝕刻機(Dielectric RIE)，可加工材料有二氧化矽、氮 化矽，本實驗所使用的蝕刻氣體為CF4 = 40%，O2 = 5%，射頻(RF)功率為 100W，對氮化矽蝕刻率約為 1000Å/min，對光阻與氮化矽的選擇比為 1：
15。乾式蝕刻後再使用 BOE 溶液對 SiO2進行等向性濕式蝕刻 120 秒，使 於線寬露出矽基表層。以硫酸移除光阻後，即完成濕式蝕刻前步驟。晶片 模仁製作流程如圖10，製程參數如表 3 所示。
最後將含有圖案的矽晶片置於 80℃，重量百分濃度 40％的 KOH 溶液 中進行非等向性濕式蝕刻，蝕刻速率為 1.2~1.4µm/min，蝕刻率如圖 11。
蝕刻過程中氮化矽與矽在 KOH 溶液的選擇比約在 1：2500 以上。蝕刻過 程為避免矽的蝕刻反應物堆積在高深寬比垂直溝槽內無法排放出來，造成 蝕刻速率減緩，本實驗採晶片結構面朝下，並以攪拌子 120 rpm 擾動流體。
蝕刻時間必須依據線寬尺寸適度調整，結果可得均勻的蝕刻深度。當完成 微結構時，可利用 RIE 去除矽表層的氮化矽，再以 BOE 去除二氧化矽保 護層，此時表面具有微溝槽的晶片模仁即完成。圖12 及圖 13 分別為線寬 10µm 和 2µm 的微米矽晶模仁的加工結果。
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表 3 微米級結構製程參數。
Clean wafer RCA process
Procedure Temp (℃) Time(min) Thickness(Å) Equipment SiO2(dry O2) 1050 90 2200 Furnace(CVD)
Si3N4 821 26 2000 LPCVD*
Photolithograph
Prupose Material Parameter Time Removal mist HMDS 150℃ 40min
Spin Coat FH-6400 1000rpm 12sec 5000rpm 25s Soft Bake Hot plate 90℃ 60s
UV Exposure No filter (7.5MW/cm2) 45s(10µm) PostExposureBake Hot plate 90℃ 60s
Development FHD-5 Tg 20s
Fixing D.I.Water Rinse 30s
Hard back Hot plate 120 ℃ 180s Si3N4 etching RIE etching CF4 40sccm*
160s(100W)
O2 5sccm
SiO2 etching Wet etching BOE Tg 150s Removal PR* Wet etching H2SO4 80℃ 7min
Etching Si Wet etching KOH(40%wt) 70℃/100rpm min
*SCCM( standard cubic centimeter, cm3 )
*PR( positive photoresist )
*LPCVD( low pressure chemical vapor deposition )
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圖10 晶片模仁製作流程。
圖11 40% KOH 對(110)矽晶片的蝕刻率[47]。
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圖12 溝寬 10µm 矽晶模仁截面。
圖13 溝寬 2µm 矽晶模仁截面。
2.4.2 次微米級模仁
次微米模仁主要以 RIE 對 SiO2加工製得，其溝槽尺寸設計有 700、
600、500、400、300、280、260~140nm 等多種寬度，深寬比在 4~6 倍以 上。由於蝕刻源RIE 即為非等向性加工，所以可採較便宜的 6 吋(100)晶圓 作基材，但是側壁的斜度會隨深度而變大為一缺點，其製程如下所述：
首先在(100)矽晶片上以熱氧化爐管生長 10000Å 的 SiO2，再塗佈正型 光阻劑 DSE 達 570nm 厚，然後以電子束直寫光阻形成圖案。電子束直寫 系統採用Leica 公司製造之 WEPRINT200 型電子束系統，最大直寫晶片規 格 150 mm，燈絲採用 LaB6，功率為 40keV，真空度>10-3 Pa，劑量範圍 0.1~1000µC/cm2。實驗中設計的不同線寬例所使用的劑量如表 4 所示。
當以電子束直寫完成光阻圖案後，使用反應離子氧化矽乾式蝕刻(RIE) 對二氧化矽加工到矽基表層，使形成微細溝渠，即可以鑽石鋸片切割成小 片的成形用模仁或利用劈裂形式得到所要的方形模仁，最後再利用硫酸去 除光阻後，就完成次微米模仁的製作。其中所用活性離子氧化矽乾式蝕刻
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Clean wafer RCA process
Development Temperature(℃) Time(min) Thickness(Å) Equipment SiO2 1050(set 1036) 210 10000 Wet
O2(CVD)
Photolithograph
Procedure material Parameter Time Removal mist HMDS 150℃ 40min
Spin Coat DSE thickness 570nm
1000rpm 12sec 5000rpm 25s Soft Bake Hot plate 90℃ 60s
E-beam writing WEPRINT200 8~20µC/cm2 380nm/min Hard back Hot plate 120 ℃ 180s RIE etching CHF3 40sccm
160s (100W)
O2 5sccm
Removal PR Wet etching H2SO4 80℃ 7min
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圖 14 溝寬 300nm 矽晶模仁。
圖 15 溝寬 180nm 矽晶模仁。
(a) (b)
圖16 溝寬 160nm 矽晶模仁(a)截面圖及(b)上視圖。