2. 雙層式微機電邏輯閘
2.1 設計原理
雙層式微機電邏輯閘的構造，如圖 2.1，是由一個懸浮平板、支撐懸浮平板 的旋轉軸、平板正下方的底電極、以及位於最外側的輸出端所組成。懸浮平板中 間有設計一道絕緣帶，所以能夠同時帶有兩個不同的電位，這個設計的成敗直接 影響著邏輯功能的成功與否。當平板與下方底電極(灰色)因為電位差而產生靜電 力時，平板會傾斜，使得平板兩端與外側兩端的輸出端(下方白色)接觸，進而傳 出訊號。支撐樑(上方平板的中間灰色部分)亦扮演著結構回復的角色，讓懸浮平 板在不受力時自動回到水平狀態。
圖 2.1 雙層式微機電邏輯閘
假設今天輸入的訊號(A,B)為(1,1)時，平板左側的電位與下方底電極相 同，沒有靜電力，但右邊有，所以平板會受力而向右傾斜，輸出 Vcc-(0)，
如圖 2.2；相反的，當(A,B)為(0,0)時，則由左方輸出電極輸出 Vcc+(1)之訊 號，如圖 2.3 所示。
圖 2.2 雙層式微機電邏輯閘，輸入(1,1)
圖 2.3 雙層式微機電邏輯閘，輸入(0,0)
如果輸入訊號(A,B)為(1,0)時，此時懸浮平板的兩邊都會有靜電力產生，但 由於底電極的面積不相同，兩邊產生的靜電力也會不同，平板依然會向底電極較 大的那一邊傾斜。
以圖 2.4 為例，結果為向右傾斜，輸出 Vcc-(0)的訊號，若是將輸入(A,B)改 成(0,1)，結果仍然是一樣的。將結果對照表 2.1 的真值表可得知這是一個具有 NOR 邏輯功能的邏輯閘。
圖 2.4 雙層式微機電邏輯閘，輸入(1,0)
表 2.1 NOR 閘與 NAND 閘的真值表
倘若我們將懸浮平板內部的電極互換，然後輸入(A,B)為(1,0)或(0,1)，如圖 2.6，平板雖然還是向右方傾斜，但此時接觸輸出電極的平板右側電位變成了 Vcc-(0)，比較表 2.1 可得知現在此邏輯閘有 NAND 邏輯功能。
圖 2.6 雙層式微機電邏輯閘，懸浮平板內部電極互換
從上面的結果可以證明我們只需要改變懸浮平板內部的電極分配，便可用同 樣的一個機械結構，同時實現 NOR 跟 NAND 兩種邏輯功能。
2.2 TSMC 0.35μm 2P4M CMOS-MEMS 介紹
圖 2.6 是 台 灣 積 體 電 路 製 造 公 司 TSMC 所 提 供 的 0.35μm 2P4M CMOS-MEMS 標準製程。製程中包含兩層多晶矽(polysilicon)(紅、綠)、四層鋁 (Aluminum)金屬層(黃)、金屬與金屬之間的介電層氧化矽(silicon oxide)，以及黑 色部分，用來連結各個金屬層的通道(via)，其材料為鎢(Tungsten)。
圖 2.6 TSMC 0.35μm 2P4M CMOS-MEMS 標準製程
若更細部的觀察鋁金屬層與 via 部分，如圖 2.7，會發現在鋁金屬層及 via 鎢 上下皆有著一層氮化鈦(Titanium nitride, TiN)及金屬鈦(Titanium)，而此 TiN 便是 我們要拿來做為接觸金屬的材料之一。
圖 2.7 鋁金屬層與 via 的詳細圖
2.3 以 TiN 當作接觸金屬
2.3.1 TiN 簡介
氮化鈦(TiN)屬於一種陶瓷材料，具有高熔點、高硬度、化性穩定及優良的 導熱性、導電性、耐磨耗性、抗腐蝕性等等特點，通常將其鍍於鈦合金、不銹鋼、
碳化鎢和鋁合金表面，以強化基材表面特性。由於具有金色的金屬光澤，也常被 應用於珠寶、汽車等裝飾用途。此外，氮化鈦的無毒性與生物相容性，也常使它 被用於醫療生物方面。
CMOS-MEMS 標準製程中本來就有 TiN 層的存在，如果能將其使用在微機 電邏輯閘中的接觸金屬部分，不僅不用額外增加製程蝕刻掉 TiN 層，以 TiN 優 越的特性，高硬度、導電性、耐磨性，也許可以同時的解決金屬與金屬接觸時所 遇到的種種問題。
2.3.2 設計原理
下方是這次結構的上視圖及剖面圖：
上視圖：圖 2.9 為利用 TSMC 0.35μm 2P4M CMOS-MEMS 標準製程所製作 完成的元件上視圖。左右兩邊分別是兩塊不相連的電極，可以分別帶有兩個電位，
藉由與底電極的靜電力產生傾斜，接觸輸出端後傳出訊號 1 跟 0。
圖 2.9 結構上視圖
剖面圖：圖 2.10 為製作完成的元件剖面圖。M3 為懸浮平板的主要結構，左 右兩邊可以帶有不同的電位，M2 同時為犧牲層跟蝕刻停止層，M1 的中間兩塊 為輸入端 A、B，刻意使左右底電極面積大小不同，讓整個結構達到邏輯功能。
外側兩塊則為輸出端。當 M2 被蝕刻掉時，元件便會懸浮，但 M2 上下的 TiN 會 殘留下來，作為接觸金屬用。M3 藉由 via23 與 M2 上方 TiN 相連接，M1 則藉由 via12 與 M2 下方的 TiN 相連，當平板傾斜時，M2 上方的 TiN 層與下方的 TiN 層互相接觸，然後傳出訊號。
2.10 結構剖面圖
2.3.3 後製程
層上方的 Passivation，以利後面製程的進行。(b) RLS 光罩圖形： CIC 所提供的 RLS 光罩有兩種，一種為非等向性的反
(d) HDP-RIE 乾蝕刻：此道製程使用交通大學奈米中心的 HDP-RIE 進行乾 蝕刻，參數如表 2.2 所示。主要蝕刻氣體為 BCl3跟 Cl2，主要目的是去 除晶片四周電極上的 TiN。利用非等向性的特性，電極上的 TiN 因為曝 露在外面，所以會被蝕刻掉，而結構下要被作為接觸金屬的 TiN 則不會 被攻擊到。
(e) BOE 濕蝕刻：此步驟在時間上需精確掌握。製程目的是要清除晶片四周 電極上面的 SiO2，使下方電極露出。BOE 蝕刻液對 Al 也有可觀的蝕刻 速度，一旦懸浮平板外面的 SiO2被蝕刻完後，作為平板主要結構的 M3 也會開始被攻擊，導致結構損壞。
圖 2.11(a) Pad 光罩圖形
圖 2.11(b) RLS 光罩圖形
圖 2.11(c) FHD-5 濕蝕刻
圖 2.11(d) RIE 非等向性乾蝕刻
表 2.2 HDP-RIE 蝕刻參數
圖 2.11(e) BOE 濕蝕刻
2.4 結合化鎳浸金技術
2.4.1 化鎳浸金簡介
化鎳浸金(Electroless Nickel and Immersion Gold: EN/IG)，又稱為化學鎳金。
在鋁的表面上，利用無電電鍍的方法，鍍上一層鎳和金，是一種普遍用於工業上
2.4.3 無電鍍鎳簡介
無電鍍鎳的反應式如下：
一般鍍液成分有金屬鹽、還原劑、錯化劑、緩衝劑、安定劑和 pH 調整劑，
2.4.4 化鎳浸金流程
由於鋁的還原電位較鋅來的低，所以鋁比鋅更傾向於變為離子形式，故整個 反應會傾向往右邊，鋅自然而然就會沉積在鋁基材的表面上，以便於接下來的無 電鍍鎳。
圖 2.12 為自行製作的試片進行 EDS 元素分析的結果。試片首先蒸鍍一層鋁 之後再用光阻定義出圖形，進行鋅置換的實驗，浸泡鋅置換溶液 15 秒。其中鋅 置換溶液具腐蝕性，在置換同時亦會腐蝕作為基材的鋁。圖 2.13 是用白光干涉 儀測量其高低落差的結果，鋅置換溶液具有腐蝕性，由圖可以看出鋅置換反應的 部分整體比起旁邊位反應的部分來的低一點。
圖 2.12 化鎳浸金鋅置換後進行 EDS 元素分析的結果
圖 2.13 化鎳浸金鋅置換後進行白光干涉儀測量的結果
(3) 無電鍍鎳
圖 2.14 與圖 2.15 為試片經過鋅置換 20s，再浸泡無電鍍鎳溶液 80℃ 15min 的結果。圖 2.14 為進行 EDS 元素分析的結果。鍍層中約含有 10%的磷。圖 2.15 是用白光干涉儀測量其高低落差的結果，厚度約 2~3um。
圖 2.14 化鎳浸金無電鍍鎳後進行 EDS 元素分析的結果
圖 2.15 化鎳浸金無電鍍鎳後進行白光干涉儀測量的結果
(4) 無電鍍金
最後一道製程是無電鍍金，跟鋅置換一樣，這也是一個氧化還原的純化學反 應，反應式如下：
3Ni + 2Au3+ → 3Ni2+ + 2Au
從還原電位得知，此反應也是傾向於向右邊，所以金會在鎳層上置換一層金 層，一旦鎳的表面都被金所覆蓋後，此反應便會停止，故金層厚度有其上限。
雖然金的表面有上限，但有另一種技術，稱為「厚化金」，仍然可以使金層 厚度達到2 ~ 3μm，不過其價錢非常昂貴，在此就不加以說明。
2.4.5 設計原理
與 TiN 當接觸金屬的結構大同小異，有些部分不太一樣須特別考慮：
(1) 結構大致上相同，以 M3 為平板主要結構層，M2 層當犧牲層，M1 為底 電極。其中 M2 與 M3、M1 間的 via23、via12 必須要特別對準，因為之 後無電鍍鎳金是從 via 部分沉積出來，所以要稍微注意一下。
(2) 不同於 TiN 結構，需要在 M2 中間作出絕緣帶。在化鎳浸金的製程中 TiN 將會被去除，所以不用特別去製作絕緣帶，以免增加製程複雜度。
圖 2.16 為製作完成的元件剖面圖。
圖 2.16 結構剖面圖
2.4.6 後製程
圖 2.17 (c) 化鎳浸金
圖 2.17 (d) BOE 濕蝕刻
2.5 實驗結果
以 TiN 為接觸金屬這部份大致上沒甚麼問題，目前完成到最後一道製程，圖 2.18 是將懸浮平板結構去除後的剖面圖，平板上的電極應該要藉由 D、E 分別接 觸 A、B，將訊號從 C 傳出。
經過了多個不同元件及多次的測試，B、C 間目前並沒有完全導通。在最後 一道製程：中 BOE 濕蝕刻中，因為時間較難以掌握，常常多浸泡一點則結構損 壞，少浸泡一點則有殘留 SiO2，導致目前尚無法進行訊號的輸入輸出。
圖 2.18 將懸浮平板結構去除後的剖面圖
在結合化鎳浸金技術的部分，主要問題發生於 H2O2濕蝕刻製程時，如圖 2.19，
可以看出蝕刻速率相當的不平均，而圖 2.20 中，懸浮平板上半部分的 M3 還完 好如初，下半部分卻已經因為 H2O2蝕刻液的滲入而幾乎被蝕刻光光。
H2O2蝕刻液不只對於 TiN、Ti、W 有蝕刻力，同時也會攻擊 Al，當今天 via：
W 被吃完的時候，H2O2蝕刻液便會開始侵蝕結構中的 Al，由於沒有蝕刻停止層，
無法阻止 H2O2蝕刻液繼續攻擊內部結構的 Al，加上濕蝕刻本來就較難以掌握蝕 刻速率，是目前暫時無法解決的問題。
圖 2.19 用來計算 H2O2濕蝕刻速率的 testkey
圖 2.20 同一個結構兩邊蝕刻速率卻差異甚大
第三章 梳狀制動器微機電邏輯閘
3.1 設計原理
3.1.1 概論
本篇文章提出了另外一個機械式邏輯閘的設計，不同於前面所提到的雙層式 結構以傾斜平板，上下觸碰的方式達到接觸。此設計結構的作動方式為水平移動，
以橫向接觸的方式達到開關的功能，如圖 3.1。
淡紫色是整個元件的主要部分，包括中間的質量塊、四個角落的四根懸臂樑、
以及左上及右下的輸出端，四個懸臂樑中，只有兩個有接觸用途，剩下的兩個則 是用來平衡結構。綠色部分則是元件的支撐彈簧，採 Z 型結構設計，經由適當 設計，使得結構在垂直方向上的 k 值遠小於水平方向上，可以有效的限制結構之 運動方向。咖啡色部分為梳狀結構制動器，用以帶動整個結構。
圖 3.1 梳狀結構制動器微機電邏輯閘概要圖
3.1.2 梳狀結構制動器
梳狀結構為一種常見的 MEMS 結構，常用來做為制動器或感測器。一般常 見的梳狀結構制動器，如圖 3.2，藉由左右兩邊的電位不同產生靜電力，互相吸 引，垂直方向的靜電力會因為 finger 間距相同( d = d )而互相抵消，故結構只會 水平移動，且靜電力不受位移多寡影響。
圖 3.2 一般常見的梳狀結構運作方向
當 finger 間的距離不等( D > d )時，垂直部分的靜電力將無法被抵銷掉，結 構將以垂直運動為主，此現象被稱為 Pull-in，如圖 3.3，狀況嚴重的話會導致兩
當 finger 間的距離不等( D > d )時，垂直部分的靜電力將無法被抵銷掉，結 構將以垂直運動為主，此現象被稱為 Pull-in，如圖 3.3，狀況嚴重的話會導致兩