元件製程流程描述如圖5-1，首先將 n-type (100)雙拋的晶片做標準 RCA 清洗，作為本實驗之基材如圖 5-1(a)，厚度用機械式的游標尺做量測，約 340~350µm左右，而游標尺的精準度為 1µm，厚度將決定最後薄板結構須 蝕刻的深度。在經過標準清洗後，將晶片用爐管沉積上濕氧化層 500nm 做 絕緣層，並用低壓爐管沉積500nm 的多晶矽做為壓阻元件材料如圖 5-1(b)，
用 離 子 佈 植 Boron 摻 雜 壓 阻 使 其 濃 度 達 到 所 設 計 的 3 10× 17 、
6.2 10× 15 atoms/cm3，並將壓阻形狀由第一道光罩經由標準的黃光流程及濕蝕
刻定義出來，如圖 5-1(c)，再使用爐管沉積乾氧化層 100nm 保護壓阻如圖 5-1(d)，再使用第二道光罩與 BOE 蝕刻二氧化矽將壓阻接點(Contact Holes) 定義好，並用離子佈植摻雜高濃度的Boron 作歐姆接觸(Ohmic Contact)降低 矽材料與金屬接觸的接面特性與阻值，之後將晶片放入高溫1000 度兩小時 把剛做離子佈植後的多晶矽退火，如圖5-1(e)，藉由蒸鍍機(Thermal Coater) 鍍上1~2µm的鋁做金屬接線如圖5-1(f)，再用第三道光罩並用鋁蝕刻將金屬 接線定義完成，並以450℃ 30 分鐘將金屬線與半導體的接點燒結(Sintering)
降低接面阻值，如圖 5-1(g)，用 PECVD 長 SiO2100nm 與 Si3N4做保護層，
如圖 5-1(h)，做保護元件之用，再用第四道光罩與 HDP 將保護層蝕刻定義 接線接點(Bond Pad)如圖 5-1(i)，如此正面的工作即完成。往後的製程將把 背面的薄板與中心凸塊結構製作出來，先用 AZP4620 厚膜光阻旋鍍在正 面，並用光阻黏稠性將另一片新的晶片黏上，如圖5-1(j)，其目的是在往後 做深蝕刻時，避免離子轟擊長時間將晶片打薄的製程，晶片無法承受後崩 裂，將背面用第五道光罩用IR 紅外線對準作背面對準，在用 ICP 做背蝕刻 300µm左右，而 ICP 對矽與對光阻的蝕刻選擇比約為 1:60，至少需 5µm厚 的光阻才能抵擋，因此本論文背蝕刻是選擇使用 AZP4620，此光阻可輕易 旋鍍 9µm以上的厚度來阻擋長時間的蝕刻，之後使用濕蝕刻將被面的多晶 矽與氧化矽去除如圖 5-1(k)，如此即可送入深蝕刻機台 ICP 作背面結構製 程，蝕刻率約2µm/min，蝕刻完成後如圖 5-1(l)，經紅外線測距儀量測結果 得蝕刻後膜厚約為 100µm。經過 ICP 背蝕刻後，將晶片以丙酮(ACE)將兩 片晶片分開及去掉背面的光阻，最後完成如圖 5-1(m)，如此即完成矽壓阻 式壓力感測元件的製作。
[100]
Si wafer
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
(k)
(l)
(m)
圖 5-1 多晶矽壓阻式壓力感測元件製作流程
製程中總共使用五道光罩及沉積、蝕刻、氧化、離子佈植等共24 道步 驟，每道製程步驟於第二章已詳述，最後製程完成圖如圖5-2，左上角為元
件正面圖，右邊為原件背面圖，下面為背面之立體圖。圖中可看到背面結 構用ICP 做高深度蝕刻的結果相當垂直，薄板粗糙度也相當的低，非常適 合用於本壓力結構深蝕刻製程。
圖5-2 壓力感測元件正反面實作結果
5.2 封裝壓力感測元件
完成壓力感測器製作後，根據接觸力與壓力的施力兩種模式的需求，
整合一兩用的封裝架構。就接觸力元件而言，最重要乃是施力的中心凸塊 需裸露於外以方便施力，封裝不需要封閉氣室即可正常工作；而對壓力模 式而言，由於其施力原理是靠正反兩面的壓力差，在封裝時將一邊氣密封 裝再由另一邊裸露欲感測壓力的環境即可，此為是最簡單的封裝方法，因
此對於壓力模式而言，任一面裸露都可，但最重要的是另一面的氣密封裝 必須確實。综合以上兩種模式需要的封裝條件，本論文使用覆晶封裝(Flip Chip)將元件倒置封裝於封裝腳座上，使施力的凸塊結構裸露，然後再用高 分子材料將之氣密即完成，如圖5-3。如此除了上述優點外，還可以不用打 線減少金屬線在高溫量測時軟化；使用高分子材料做氣密亦可以強化覆晶 接合的，因此相當此適用於本力感測元件。
封裝腳座 氣密封裝
圖5-3 覆晶封裝示意圖
本實驗所使用的封裝儀器是Ok Industries 公司的 MP-2000 覆晶對準平 台，此儀器是利用光學菱鏡將欲對準的元件與封裝腳座的相對腳位對準，
並使用銀膠做接點接合，結果如圖 5-4。在此將封裝腳座的 PCB 板設計較 大的目的是為了之後量測接觸力環境將把元件架在面包板上，針腳必須敷 合面包板上的針腳規範，而 PCB 板上之銅箔厚度約 18µm，約可讓此感測 元件承受9kgw產生的位移量。最後在用黑蠟等氣密材料將元件周圍密封即 完成封裝。
圖 5-4 封裝後壓阻元件完成圖
5.3 量測環境架設
元件完成後，量測環境的建置也是實驗相當重要的一環，在本篇力感 測元件將分別作接觸力的量測與壓力環境做量測。圖5-5 為本實驗架設的接 觸力量測環境，右側為驅動電壓源(Source)和輸出量測儀器(multi meter)；元 件上方以鐵氟龍(Teflon)製作一對準中心凸塊的施力平台，在平台上放至精 準的砝碼做接觸力施力；在平台上架設一Keyece 公司的 LC-2101 雷射微距 儀(Laser Displacement Meter)，目的是測量中心凸塊撓度量，測精確度為 0.2um；除此之外，元件下方放置一可控溫的加熱板，針對元件施加溫度以 測量元件的溫度靈敏係數。
50 g
voltage source multi meter
PCB
+
+ -Teflon
block
needle
pin pin
Laser Displacement Meter
Hot Plate
圖 5-5 接觸力量測環境架設圖
除了量測接觸力外，亦需對元件做壓力部份的測試。本論文設計一簡 單的感測方式，圖5-6 為此針對壓力架設的量測環境示意圖，主要利用液體 深度與壓力正比的觀念設計。圖中右方為驅動電壓源(Source)和輸出訊號量 測儀器(multi meter)，由於我們使用比重較小的水，壓力來源比較小產生的 輸出訊號將會為µV 等級，此將難以被電壓測量儀測量，因此在輸出端使用 AD620 儀表放大器將壓力元件輸出訊號放大 1000 倍，再量測結果除回 1000 即為元件電壓實際的變化量。分別接於上元件接腳，將元件電極用高分子 材料封裝好，放至於水杯中，杯中液面高度決定元件受壓強度，此可以由 水杯上測量；除此之外，元件下方放置一可控溫的加熱板，主針對量測液 體施加溫度以測量元件的溫度效應，而水杯內亦置一溫度計監測目前量測 環境溫度。此環境有兩缺點：一、量測壓力範圍受到容器高度侷限，本論 文使用50cm 高的量桶作為水壓環境，最深水壓約為 0.71 psi，二、水式導 体，需將元件所有導電層皆用防水蠟保護住。但由於此環境只須一高容器 和加熱器，而不需架設壓力管、真空泵控制壓力和管路升溫裝置，因此亦 是一不錯的方法。
圖5-6 壓力量測環境架設圖
5.4 壓力感測元件製程結果與特性量測
完成製程、封裝與架設好量測環境後，再本節將對元件在不同環境、
不同溫度下的運作情況，量測製作結果。本節將分別對接觸力模式之特性 量測，以及元件壓力模式之特性量測二部份，分別討論結果，特別需注意 的是此壓力感測器經製程後的量測，膜厚約為100µm。
首先對於個別壓阻阻值之量測，如表5-1，其中可以明顯看出，在實作 中製作的誤差不小，四個壓阻的阻值並非相近似，這將直接影響到元件未 施力的情況下，輸出訊號在零點的位置，因此我們將在電路中加一可變電 組，用以作零點矯正如表5-1 旁之附圖。
表5-1 每一壓阻的未受力下的阻值
Vo
R1 R2 R3 R4 Ω 82.8 88.8 82.9 80.9
5.4.1 感測元件在接觸力模式下之特性量測
本論文製作的壓阻式壓力元件對接觸力模式的特性量測，利用圖 5-5 的量測環境，分別針對力、溫度對微力感測元件輸出訊號作圖，並考慮不 同驅動源產生的溫度補償效果，其將測試數據有：
(a) 固定常溫、80、135℃的溫度量測不同力的輸出變化 (b) 將電壓驅動源換成電流驅動源、重複做(a)
(c) 受到接觸力下中心凸塊的移動情況
如圖5-5，我們將完成封裝的元件置於加熱盤上，並架上鐵氟龍施力平 台，接上驅動電壓源5V 及電壓訊號量測器後，先於常溫下直接施力，由於 施力使用法碼，因此以每50gw 記錄三次，以穩定之平均值紀錄，直到 1kgw；
之後將加熱盤升溫，設定於80 度並如常溫施加法碼量測、記錄之，完成後 再將溫度深至 135 度，再以同樣方法紀錄；完成後為確保元件並未脆化，
逆向降至80 度再量測一次結果，之後再關閉加熱盤直到室溫再量測，如此 可得到圖5-7。
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2.7
2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4
Voltage Source ( 5v )
output voltage (V)
weight (g.w.)
25oC 80oC 135oC
圖5-7 電壓驅動源下，不同溫度環境下受不同接觸力的輸出結果
圖中明顯看出零點偏移，此為由於製程上所導致的TCO 誤差值，約為 0.29%/℃，其中約略可以看出當溫度上升時，除了零點偏移增加外，元件受 接觸力輸出值漸緩。圖5-5 為平移後的輸出訊號曲線圖，去除 TCO 後明顯 看出輸出訊號受溫度影響而減弱，就第三章溫度係數部份描述，由式(3.70) 得電壓驅動源輸出訊號只受 TCS 所影響，由圖中計算得元件 TCS 約為 -0.39%/℃。由圖中對常溫下輸出訊號計算，本論文製作之矽型壓阻式壓力 感測器在接觸力模式下，靈敏度為 11.2mV V kgf/ / ，約只有第四章估計值
47.6573mV V kgf/ / 的14倍。
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -60
-50 -40 -30 -20 -10 0
Voltage Source ( 5v )
output voltage (mV)
weight (g.w.)
25oC 80oC 135oC
圖 5-8 電壓驅動源下，溫度對電壓輸出源輸出訊號的影響
除了電壓驅動源元件外，亦可使用電流源驅動，將裝置中電壓驅動源 置換成電流源，並作如電壓源一樣的量測動作；從室溫、80℃、135℃，以 每50 顆為單位進行接觸力量測，如此可得到圖 5-5。
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2.6
2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0
Currect Source ( 50mA )
output voltage (V)
weight (g.w.)
25oC 80oC 135oC
圖5-9 電流驅動源下，不同溫度環境下受不同接觸力的輸出結果
在圖5-9 中亦可看到與電壓源相似的 TCO 零點偏移，除此之外當溫度 上升時，元件受接觸力輸出值漸緩的情況較電壓輸出源小許多，將圖平移 後的輸出訊號曲線圖5-9，去除 TCO 後看出輸出訊號亦受溫度影響而減弱，
但稍較電壓輸出源小，就第三章溫度係數部份描述，由式(3.71)得知電流驅 動源輸出訊號受TCS 與 TCR 相互補償所影響，當 TCR 與 TCS 異號、甚至 值相近時使用電流驅動源可以降低元件溫度效應。其中由量測結果可估算
但稍較電壓輸出源小，就第三章溫度係數部份描述，由式(3.71)得知電流驅 動源輸出訊號受TCS 與 TCR 相互補償所影響，當 TCR 與 TCS 異號、甚至 值相近時使用電流驅動源可以降低元件溫度效應。其中由量測結果可估算