製程問題

在製作微加速規結構時，由於合作廠商之前也未曾製作這樣大尺寸且厚的 MEMS 結構，所以其實碰到許多問題，如多晶矽結構與 CMOS 製程整合性、PAD 的保護、殘留應力造成嚴重的結構翹曲、濕蝕刻釋放結構造成沾黏等。而在這些 問題之中，則屬殘留應力影響以及結構沾黏最為嚴重，且最難解決，所以將於接 下來的小節討論，希望能建立一個退火製程對殘留應力影響的資料庫以及訂出一 個可避開沾黏問題的設計規則。

4.1.1 退火製程與結構殘留應力

經由第三章所述之製程流程製作之加速規，若是沒有經過退火製程，則其殘 留應力會使感測質量塊及感測懸臂變形，呈現一極大的壓應力，使感測質量塊中 心會嚴重拱起，四個角落頂到基底如圖 44，而感測懸臂懸浮端則會頂到基底。

這樣製作出之加速規會嚴重變形且觸底，而完全無法作動。

所以希望藉由退火製程，期待可以使整個多晶矽結構的晶格重新排列，釋放 其殘留應力，盡量讓整個結構做到帄坦，而不會因受殘留應力影響而觸底或是嚴 重翹曲。

由於 2um 厚度的多晶矽結構製作較快，所以以此厚度做實驗來測試。

圖 44 未經退火，質量塊因殘留應力影響嚴重拱起。

由於我們希望在較短的時間內完成整個加速規的製作，所以退火製程使用快 速高溫退火(Rapid Thermal Annealing, RTA)的方式。而一開始，嘗試了先固定溫 度，然後改變退火的時間來做比較，即使用 1030 度的溫度，10 秒、15 秒和 20 秒的時間。我們可以發現在這樣的高溫之下，時間越久，殘留應力會由負轉正，

並繼續變大再趨於帄緩，如圖 45 所示。而其中，15 秒的時間做出來的應力最接 近於零，非常帄坦，呈現些微的張應力(tensile stress)。

圖 45 固定退火製程溫度時，退火時間越久，則應力也越來越大

接著，則嘗試了固定退火時間 20 秒，而改變退火的溫度來做比較。即使用 20 秒的時間，1030 度、1050 度和 1100 度的溫度。我們可以發現在同樣退火時 間之下，溫度越高，則應力也越來越大，如圖 46 所示。而其中溫度 1030 度是 做出來最接近零的，其他溫度則會使應力又過大。

圖 46 在退火製程時間不變下，退火溫度越高，則應力也越來越大

最後我們可以由前面不同時間和溫度的退火製程，來得到一些結論：在同樣 退火製程溫度下，退火時間越久則應力會越來越大；而同樣時間下，退火溫度越 高則應力也會越來越大。所以我們可以從這些溫度和時間再做不同的組合，並找 到一個最適合的溫度及時間，將殘留應力調整到最接近於零，來讓感測懸臂的重 疊面積達到最大。

4.1.2 沾黏現象及抗沾黏設計

由於我們釋放結構是使用 HF 溶液來蝕刻犧牲層－二氧化矽，後段還頇經由

成的沾黏現象。由於液體的表面張力在微觀的世界裡，變成是一個不可忽視的力，

而當我們釋放結構時，液體的表面張力大到足夠可以將兩個相鄰的感測懸臂拉在 一起，並且如果這個力道足以將其拉到一個非常小的距離，而使表面力開始作用，

則當液體乾掉時，黏在一起的懸臂還是無法回復，此現象我們稱為沾黏的現象。

而在加速規結構的沾黏裡又分為：感測質量塊與基底的沾黏、感測懸臂與基 底的沾黏和感測懸臂間的側向沾黏。抵抗沾黏的方法有許多種，其中較快速又適 合我們使用的製程方法，大概就是使用直接乾蝕刻來替代濕式蝕刻或用臨界點乾 燥機(CO2 Critical Dryer)來避開液體的表面張力；而在結構設計上抗沾黏的方法，

則會在表面上加一個抗沾黏凸起物(bump)，讓兩個接觸面積變小，使表面張力變 小，而減少沾黏的力量。目前乾蝕刻較無法進行，臨界點乾燥機也沒有可使用來 量產的機台，故我們只能先從結構設計下手，加上抗沾黏凸起物。

為了防止感測質量塊與基底的沾黏，我們在感測質量塊的下方，加上了抗沾 黏凸起物的設計，其高度為 2500A，在這樣高度下，製作出的加速規還是會有基 底沾黏的現象，如圖 47。所以我們試著去加深凸起物的高度，讓感測質量塊與 基底的距離拉長，來減少沾黏的機會。於是嘗試了 6000A 和 10000A 高度的凸起 物，成功的抵抗感測質量塊與基底的沾黏，使其順利懸浮，如圖 48，而之後我 們將使用 6000A 的抗沾黏凸起物，為三軸加速規的製作保留感測質量塊與基底 的空間。

圖 47 質量塊與基底沾黏

圖 48 加高抗沾黏凸起物到 6000A 使結構成功懸浮

而為了防止側向沾黏，我們這邊也提出了兩個設計上的方法。首先是在懸臂 前方懸浮的地方，加上側向的凸出鋸齒，來抗側向沾黏，如圖 49 所示，其如同 對基底的抗沾黏凸起物一樣，藉由接觸面積的減小來降低沾黏力。而如果要完全 的防止側量沾黏的情況發生，我們可以使用感測懸臂兩端固定的設計，讓懸臂完 全定住而不會有沾黏的情況，如圖 50，唯這種設計懸臂一樣不能太長，否則沾 黏會發生在懸臂的中間。

圖 49 鋸齒設計抗側向沾黏

圖 50 兩端固定設計完全防止沾黏