中 華 大 學
碩 士 論 文
題目：CMOS製程微機電熱傳式加速儀之設計 與模擬
Heat Conduction Type MEMS Accelerometer Design with CMOS Process
系 所 別：機械與航太工程研究所 學號姓名：M09208017 胡 建 煜 指導教授： 林 君 明 博 士
中華民國 九十四 年 七 月
本研究是以微機電技術，先是令ㄧ標準電流，通過一個標準電阻，當
作熱源。因外界加速度的大小，會使環境熱傳速度改變，如距離熱源
有一固定距離的一個電阻，則此電阻值改變的速率，與載具的加速度
是成正比的關係，即可用來檢測載具的加速度。這種加速儀的特徵，
是沒有任何可移動的結構。其中最重要的就是先做模擬分析，使加速
儀有更佳的頻率響應與更高的靈敏度。此外為便於爾後的製造，本研
究是以相容於 CMOS 的製程，進行微機電加速儀的設計與製作。本研
究是運用 TANNER Tools 光罩繪製套裝軟體，因為它可同時繪製積體
電路與微機電系統的結構。此外尚搭配 IntelliSuite 微機電系統模
擬軟體，進行加速儀設計與模擬。結合此兩套軟體，可設計出不同結
構與外型之加速儀，提供深入的分析與探討。
關鍵字：微機電製程技術、微加速儀、積體電路
Accelerometer used the principle of the thermal expansion is an important research topic of Micro Electro Mechanical Systems, MEMS. Based upon the valid design, there is preferable frequency response, and high sensitivity is presented of accelerometer . In addition, the fabrication of accelerometer is compatible with the manufacture process of compensated metal oxide semiconductor (CMOS), which stands for the high competition on the cost. Accelerometer was investigated in last project.
Tanner tools, which is a kind of computer-assisted tools for the design of integrate circuit, and Micro Electro Mechanical Computer Assisted Designer IntelliSuite would be adopted on the design and analysis of accelerometer.
Structure and shape model of accelerometer would be constructed in optimum design through the tools of Tanner and IntelliSuite. The motion behaviors of accelerometer would be investigated in depth.
Keywords：MEMS， Accelerometer，Integrate Circuit
在這兩年研究所的求學生活中，內心特別要感謝的是我的指導教授 林君明 博士，在老師跟前學習令吾人獲益良多，多元化的學習環境，與其不倦悉心指導 和循循善誘下，給予我許多的指導與寶貴的意見，鍛鍊了獨自解決問題的方法與 能力。還要感謝明新科技大學光電系統工程系蔡健忠主任，感謝蔡老師在我大學 時期帶領我進入微光機電的領域中，並且在大學時期發表了國內微奈米協會多篇 會議論文與國外 SPIE 會議論文。同時亦要感謝陳振文博士、黃榮興博士、范志 海博士給予許多寶貴的指導與建言，使得本論文能順利完成且不致闕失太多而更 臻完善。
再來，要感謝樺晶科技謝總經理及其他長官，以及科謀學長、俊良學長在樺 晶科技對我的指導與照顧，以及在樺晶科技學到了許多寶貴的經驗與業界園區的 生活體驗。
在實驗室感謝李宗翰與莊凱驛學長在研究上給予的指教，同學嘉賢、池榮、
鴻新、凱博、育德、兆弘及曜晨、伯庭、逸超、才賢、俊杰、政嶽、秉潞、安謹 等學弟們在研究和生活上適時的幫忙，非常的感謝，尤其是曜晨、伯庭，沒有你 們的幫忙，無法這麼迅速的完成我的論文。
更要感謝我的家人，父母親在家中這麼困苦時仍全力支持與栽培完成碩士學 位，時時刻刻給予我在精神上的衷心支持與鼓勵，再加上對我無限的包容和永遠 的關心。
我該感謝的人很多，感謝曾經授課於我的每一位師長，感謝在實驗上幫助及 關心過我的大家，謝謝你們讓我的研究生活多采多姿，順利的踏出校園，進入人 生的另一個旅程，在此由衷感謝，謝謝。
謹識
中文摘要……….………Ⅰ 英文摘要………..Ⅱ 誌謝………...Ⅲ 目錄………..……..………...Ⅳ 圖目錄……….……….…………. ..Ⅷ 表目錄………..………...….……….X
第一章 緒論 ………... 1
1.1 前 言 ……… 1
1.2 研究動機與目的 ……….. 2
1.3 文獻回顧 ……….. 6
1.4 MEMS 產業市場分析 ……….. 7
1.5 研究方法 ……… 15
1.6 章節提要 ……… 16
第二章 製程設計與模擬軟體簡介 ………. 17
2.1 製程及設計規範 ………. 17
2.2 CIC 積體電路相容製程 ………. 20
2.3 元件設計流程簡介 ………. 25
2.4 使用軟體簡介 ………. 29
第三章 設計原理簡介 ………. 35
3.1 加速度感測器的種類 ……… 35
3.2 國內外研究近況 ………. 38
3.3 微型加速度感測器之原理 ……… 42
3.4 模擬分析 ………. 44
第四章 蝕刻模擬 ………. 62
4.1 蝕刻 …..………... 62
4.3 乾式蝕刻………... 66
4.4 非等向性蝕刻模擬軟體 ……… 66
4.5 非等向性蝕刻的分析 ………. 68
第五章 結論與未來展望………... 82
5.1 結論 ………. 82
5.2 未來展望 ……… 83
參考文獻………..……...…….85
圖 1.1 MEMS 供應鏈 (source: Yole 2004/06) ………. 8
圖 1.2 三種 MEMS 產業營運模式 ………... 9
圖 1.3 2003 年前 30 大 MEMS 公司的營收排行 ……….. 12
圖 1.4 全球加速儀在 2003 年和 2007 年市場規模預測值 ……… 13
圖 1.5 2003 年全球加速儀製造商市場佔有率 ……… 14
圖 1.6 利用加速儀感測手機位置來調整影像 ………... 14
圖 2.1 CMOS MEMS 常見製作元件示意圖 ………... 20
圖 2.2 CMOS 前製程剖面示意圖 ………... 21
圖 2.3 後製程結構釋放後剖面示意圖 ……… 21
圖 2.4 標準 CMOS 剖面圖 ……… 22
圖 2.5 非等向性乾式蝕刻 ……….. 22
圖 2.6. 非等向性乾式蝕刻 (未懸浮) ……….. 23
圖 2.7 非等向性乾式蝕刻 (已懸浮) ……… 23
圖 2.8 利用 IntelliSuite 建立 3D 模型示意圖 ... 26
圖 2.9 利用 Virtuoso 佈局 ………... 27
圖 2.10 CSP 封裝示意圖 ………. 29
圖 2.11 GSG 封裝示意圖 ……… 29
圖 2.12 L-EDIT 微機構視窗示意圖 ………... 30
圖 2.13 L-EDIT 積體電路視窗示意圖 ………... 31
圖 2.14 設計流程圖 ……… 33
圖 3.1 為電容式加速度感測器結構示意圖 ………..… 36
圖 3.2 壓阻式加速度感測器結構示意圖 ……….. 37
圖 3.3 壓縮型的壓電式加速度感測器的結構示意圖 ……….. 38
圖 3.4 熱氣泡式加速儀元件示意圖 ……….. 39
圖 3.6 熱氣泡式加速儀元件模擬示意圖 ……….. 40
圖 3.7 MEMSIC 感測原理示意圖 ………. 41
圖 3.8 內部功能圖 ……….. 42
圖 3.9 MEMSIC 公司生產之加速儀 ………. 43
圖 3.10 感測加速度與溫度之間的關係示意圖……….. 44
圖 3.11 熱傳式加速儀設計示意圖 ……… 44
圖 3.12 選定欲剖面線的位置 ……… 46
圖 3.13 首先第一層矽基材剖面示意圖 ……… 46
圖 3.14 成長 IC 製程中的場氧化層剖面示意圖 ……….. 47
圖 3.15 沉積第一層 POLY 剖面示意圖 ……… 47
圖 3.16 曝光顯影後，得到所要的圖形剖面示意圖 ……… 47
圖 3.17 沉積第二層氧化層剖面示意圖 ……… 48
圖 3.18 沉積第一層金屬層剖面示意圖 ……… 48
圖 3.19 移除第一層金屬剖面示意圖 ……… 48
圖 3.20 沉積第二層氧化層剖面示意圖 ……… 49
圖 3.21 沉積第二層金屬剖面示意圖 ……… 49
圖 3.22 移除第二層金屬剖面示意圖 ……… 49
圖 3.23 沉積第三層氧化層剖面示意圖 ……… 50
圖 3.24 沉積第三層金屬剖面示意圖 ……… 50
圖 3.25 移除第三層金屬剖面示意圖 ……… 50
圖 3.26 沉積第四層氧化層剖面示意圖 ……… 51
圖 3.27 沉積第四層金屬剖面示意圖 ……… 51
圖 3.28 曝光顯影後，第四層金屬成形剖面示意圖 ……… 51
圖 3.29 剖面完成圖………..…… 52
圖 3.30 通入電壓 1V 之溫度分佈圖 ……….... 53
圖 3.32 通入電壓 1V 之溫度分佈圖 (速度 10m/s) .………. 54
圖 3.33 通入電壓 2V 之溫度分佈圖 ……….... 55
圖 3.34 通入電壓 2V 之溫度分佈圖 (靜止狀態) ...…….……….……… 56
圖 3.35 通入電壓 2V 之溫度分佈圖 (速度 10m/s) .………. 56
圖 3.36 通入電壓 3V 之溫度分佈圖 ……….... 57
圖 3.37 通入電壓 3V 之溫度分佈圖 (靜止狀態) ...…….……….……… 58
圖 3.38 通入電壓 3V 之溫度分佈圖 (速度 10m/s) .………. 58
圖 3.39 通入電壓 4V 之溫度分佈圖 ……….... 59
圖 3.40 通入電壓 4V 之溫度分佈圖 (靜止狀態) ...…….……….……… 60
圖 3.41 通入電壓 4V 之溫度分佈圖 (速度 10m/s) .………. 60
圖 3.42 通入電壓 5V 之溫度分佈圖 ……….... 61
圖 3.43 通入電壓 5V 之溫度分佈圖 (靜止狀態) ...…….……….……… 62
圖 3.44 通入電壓 5V 之溫度分佈圖 (速度 10m/s) .………. 62
圖 4.1 由四種不同型式蝕刻方法所得壕溝截面示意圖 ……….……. 65
圖 4.2 非等向性蝕刻示意圖 ……….……. 67
圖 4.3 濕式蝕刻模擬分析流程圖 ……….……. 68
圖 4.4 蝕刻圖形預測圖………...……….… 69
圖 4.5 蝕刻模擬光罩圖..……….……….… 70
圖 4.6 蝕刻時間為 3 分鐘模擬結果示意圖 ……….. 70
圖 4.7 蝕刻時間為 30 分鐘模擬結果示意圖 ……… 71
圖 4.8 蝕刻時間為 60 分鐘模擬結果示意圖 ……… 71
圖 4.9 蝕刻時間為 90 分鐘模擬結果示意圖 ……… 72
圖 4.10 蝕刻時間為 102 分鐘模擬結果示意圖 ……… 72
圖 4.11 不規則形狀蝕刻光罩示意圖………...……….… 73
圖 4.12 蝕刻時間為 30 分鐘模擬結果示意圖 ….……….… 74
圖 4.14 蝕刻時間為 90 分鐘模擬結果示意圖 ……… 75
圖 4.15 蝕刻時間為 120 分鐘模擬結果示意圖 ……… 75
圖 4.16 蝕刻時間為 150 分鐘模擬結果示意圖 ……… 76
圖 4.17 蝕刻時間為 180 分鐘模擬結果示意圖 ……… 76
圖 4.18 蝕刻時間為 210 分鐘模擬結果示意圖 ……… 77
圖 4.19 蝕刻時間為 240 分鐘模擬結果示意圖 ……… 77
圖 4.20 蝕刻時間為 270 分鐘模擬結果示意圖 ……… 78
圖 4.21 蝕刻時間為 300 分鐘模擬結果示意圖 ……… 78
圖 4.22 蝕刻時間為 330 分鐘模擬結果示意圖 ……… 79
圖 4.23 蝕刻時間為 360 分鐘模擬結果示意圖 ……… 79
圖 4.24 蝕刻時間為 390 分鐘模擬結果示意圖 ……… 80
圖 4.25 蝕刻時間為 420 分鐘模擬結果示意圖 ……… 80
圖 4.26 蝕刻時間為 450 分鐘模擬結果示意圖 ……… 81
圖 4.27 蝕刻時間為 480 分鐘模擬結果示意圖 ……… 81
圖 4.28 蝕刻時間為 504 分鐘模擬結果示意圖 ……… 82
表 1.1: 慣性感測器市場產值 (億美金) 對照表 ………... 3
表 1.2: 加速儀感應器主要應用於汽車、國防及醫學市場分析表 ……….... 3
表 1.3 常見微機電晶片 MEMS 共用製程列表 ………... 5
表 2.1 多晶矽層材料參數 ………... 24
表 2.2 金屬層材料參數 ………... 24
表 2.3 氧化層材料參數 ………... 24
表 2.4 保護層之材料參數 ………... 24
表 2.5 各層材料之其他參數 ………... 24
表 2.6 各層材料之其他參數 ………...… 25
表 3.1 三種加速度感測器的比較 ………. 38
第一章 緒論
1.1 前 言
著名的費曼博士（1965 年諾貝爾物理獎得主）在 1959 年美國物理學年會上 發表『There’s Plenty of Room at the Bottom』的專題演講中，首先提到把機器微 型化的概念，而『微機器（Micro-machines）』此一名詞在 1978 年首次正式出現 在國際學術研討會的名稱中；接著彼得森博士在1982 年發表了著名的『以矽為 機械材料（Silicon as a Mechanical Material）』研究報告；1989 年在美國猶他州鹽 湖城的一場研討會（Micro-Tele-Operated Robotics Workshop）中，則具體提出『微 機電系統』此一名稱。這名稱也正顯現了當時此一新科技的特質，以原本用於微 電子產業的半導體製程技術來製作微米（百萬分之一公尺）尺度的機械結構，並 可整合多種微元件，包括積體電路，而成為一微型系統。
二十世紀上半葉，世人自從發展半導體 IC 之後，使我們人類跨向更高階層 的科技領域。半導體IC 從始至今，深深的影響我們人類很大，把巨體的電路縮 裝在一個晶片上，應用在我們日常生活中。然而晶片裡只有電路，所以有些必須 配合致動器(Actuators)、振動器(Vibrator)或機械結構來達成人們所需的產品或工 具。但是這些必須配合晶片的外加物件都非常大，所以要利用半導體的製程基礎 技術來製作微機電系統，這樣一來全部縮裝在一晶片上，不但省空間、工作效益 高、價錢也會降低以及製程穩定即可批量生產。相信未來我們在日常生活中，微 機電所生產的物品與人類有著密不可分的關聯。
1.2 研究動機與目的
在半導體工業全面發展的今日，許多的機械結構、零件、感測器等，都已朝 向輕、薄、短、小的潮流發展。而目前在機械、電子、化工、航空、通信等各領 域，均已投入了大量的人力與資源在SOC（System On Chip）的發展。
在通訊、定位與導航方面，是朝向整合與微小化發展。GPS（全球定位系統）
早在幾年前，就已經成功的發展成熟，並普遍的應用在生活上。但由於科技持續 的在進步，人口逐漸的在成長，建築物的遮敝效應，及其它電磁訊號的雜訊干擾，
都有可能使 GPS 接收機脫鎖，而這個現象在都會區更是特別嚴重。GPS 與 INS
（慣性導航系統）的整合，將可以互相補償兩種系統的缺點。INS 可以補償 GPS 會不定時脫鎖，且導航資訊較慢的缺點；而GPS 則可以修正 INS 會隨時間發散 的缺點。慣性導航系統是由加速儀與陀螺儀組合而成的。前者量測載具加速度，
而後者是量測角速度。
目前大多數感測元件所使用的微加工技術，皆為自行設計製程。本論文採用 CMOS 標準製程來設計加速儀，透過廠商現有的製程生產線來製作，如 TSMC 0.35 μm 2P4M(Two-Poly Four-Metal) 製程，如此價格才會便宜，且品質可靠。
未來還可與陀螺儀及其它的感測元件，和信號處理與放大電路整合，製作在同一 塊晶片上，成為一個完整的系統[1]。
慣性感測元件在日常生活中是經常被應用的一種感測器，它被廣泛地應用在 科學及工業上。 例如：飛機、汽車及量測設備。 近幾年來，由於汽車工業的蓬 勃發展，使得感測元件大量地被運用在汽車零組件上。 例如在安全氣囊、主動 懸吊系統及安全帶等。為了提升其安全性，使得感測元件的需求明顯的增加，並 且使得全球積極的研究發展慣性感測元件，也使得工業快速的成長與發展。在慣 性感測元件中，加速儀是較具代表性的一種感測元件[2]。
而根據 Yole Development 新出爐的報告 World Mems Inertial Sensor Markets
2002-2005 中，分析微機械加速感測器(Acceleration Sensor)、 陀螺儀(Gyroscopes) 主要應用於汽車製造產業與市場 。MEMS 應用最積極的就是慣性感測器(Inertial Sensor)，Yole 發現 2002 和 2005 年間陀螺儀感測器，是以年複合成長率 25%，
從3.4 億美金達至 6.49 億美金。而加速感測器是以年複合成長率 13%，從 4.2 億 美金達至 5.6 億美金。陀螺儀感測器市場規模，將於 2005 年首次超越加速感應 器市場。慣性感測器市場產值，如表1.1 及 1.2 所示。(Source: Yole Development 2004/02) [3] 。
表1.1: 慣性感測器市場產值 (億美金) 對照表
慣性感測器市場產值 2002 2005 年複合成長率
加速感測器 4.2 5.6 13%
陀螺儀感測器 3.4 6.49 25%
總值 7.6 12.09
表1.2: 加速儀感應器主要應用於汽車、國防及醫學市場分析表
加速感應器應用市場產值分析 (us$B) 2002 2005
Airbag 2.7 3
Suspension 1.15 1.8
Defence 0.16 0.5
Medical pacemaker 0.11 0.15
Consumer 0.0006 0.03
Seismic 0.08 0.11
Total 4.2 5.59
由於元件與技術日新月異，為了降低研發成本，提升晶圓使用面積與利用效 率，目前研究多利用共用製程發展元件。共用製程(Common Process)或稱多計劃 晶片(Multi-Project Chip, MPC)，是於晶圓上同時製作多種設計與結構，可包含新 型前瞻元件，測試元件(Test Key)等，為近年來應用與研究之最佳製程平台，其 範圍橫跨積體電路與微機電領域。目前微機電共用製程常見的有：面型微加工 (Surface Micromachining)共用製程，與積體電路相容微機電加工技術(CMOS MEMS)共用製程等兩類。目前國內晶圓代工廠亦有提供共用製程，稱為多用戶 製程晶片MPW(Multi-Project Wafer)。
在共用製程中以CMOS-MEMS 共用製程，具有能與電路直接整合、可同時 批次製造、低雜訊、降低外部連接線數目、製作精度高等特點，成為目前大量使 用，與最具商業化的微機電製造方式。CMOS-MEMS 共用製程，是指利用積體 電路之共用製程技術，製作微機電元件，可單獨使用 CMOS 製程(Just-CMOS Process) ， 或 是 在 製 程 中 加 入 前 製 程 (Pre-CMOS Process) 、 中 間 製 程 (Intermediate-CMOS Process)，或後製程(Post-CMOS Process)，用以製作各種微 結構之微機電技術元件[4]。
2003 年 7 月，國家晶片系統設計中心（National Chip Implementation Center，
CIC），以台灣積體電路股份有限公司（Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited, TSMC），提供之0.35μm 混合示信號製程（TSMC 0.35μm 2P4M Mixed Signal Model Process）作為前製程（Pre-Process），並委託工業技術研究院
（Industrial Technology Research Institute, ITRI），使用非等向性反應式離子蝕刻
（Reactive Ion Etching, RIE），作為微機電後製程（Post-Process）之整合方式，
作為CMOS MEMS 之用，其架構不同於一般微機電之面型加工，共用製程使用 之3P1M，可製作結構與元件也稍有差異。
本研究以微機電元件設計流程作為主軸，利用國內常見之微機電共用製程 (Common Process)，探討設計與製作上的差異，並補充國外常見之微機電共用製 程，諸如美國Cornos 提供之 MUMPs (Multi-User MEMS Processes)製程，與製程 中 將 MEMS 結 構 視 為 前 製 程 的 美 國 Sandia 國 家 實 驗 室 (Sandia National Laboratories, SNL)之積體微機電製程(Intergrated Microelectromechanical System Technology, IMEMS)等，與其他相關之矽微加工製程技術，作為參考依據，如表 1.3。
本研究是使用電子自動化設計工具(EDA Tools)繪製佈局，並運用微機電有限 元素分析軟體(IntelliSuite)進行模擬，設計出加速儀的模型，制定討論參數。模 擬分析後，送 CIC 下線，以 CMOS MEMS 共用製程製作，探討與比較 CMOS MEMS 共用製程，與面型微加工技術之異同，以及是否可製造微機電之整合元 件。
表1.3 常見微機電晶片 MEMS 共用製程列表
公司 製程名稱 微結構材料層 CRONOS MUMPs 3P1M SNL SUMMIT V 5P1M CMC MPMC 3P1M 面型微加工
共用製程
tMt SMart 3P1M MOSIS CMU 1P3M SNL IMEMS 4P2M CMOS-MEMS
共用製程
CIC CMOS MEMS 2P4M
1.3 文獻回顧
1972 年，Frobenius[5]曾經利用多種不同懸臂樑的長度，製作加速儀感測元 件。當賦予加速度作用時，懸臂樑之自由端會受到慣性力的作用，產生位移，而 與懸臂樑底下的導體接觸，產生開關(On-Of)的訊號。由於設計自由端懸臂樑長 度的不同，所以自由端位移的難易程度就各不相同，因此可利用此特性，作為判 斷加速度值的大小。但所設計之懸臂樑，那時還無法能有效的量測出連續的類比 訊號。
1979 年，Roylance[6]利用矽的壓阻性值，成功地製作出一個由懸臂樑與質量 塊(Proof Mass)，所構成的壓阻式微加速儀。提出改變懸臂樑的尺寸，以降低測 向的靈敏度(Cross-axis Sensitivity)，以及利用阻尼來增大頻寬等概念，為日後的 微型加速儀的結構，奠定了雛型基礎。
1982 年，美國加州大學柏克萊分校，發表以二氧化矽作為犧牲層的技術 [7]。這種概念是在晶片上，做一個有倒「L」型結構的微機電結構晶片，即在矽
晶圓基板上，先定義並沉積出一塊準備事後要被氫氟酸蝕刻掉的二氧化矽，這個 部位就是「犧牲層」。
1992 年，William C. Tang[8]等人提出梳狀的微致動器，並成功地將梳狀微致 動器，以30 伏特的直流電壓輸入，使梳狀的微致動器垂直抬高 2μm。
1993 年 Kampen[9]所設計出的加速儀感測器，有包含控制電容的型式，它是 利用靜電力迴授的方法，將阻尼控制至臨界值，這是為了使加速儀有較大的頻寬。
1994 年 Rockstad[10]為了要達到大頻寬的需求，且為了克服頻率上的限制，
所以提出了雙元件的設計，將質量塊和電能轉換器分成兩個部分，使其機械特性
可以獨立。
1995 年，Clark T.-C. Nguyen[11]利用CMOS 表面微加工技術，製作一懸臂 樑，並將雙端固定，而形成一個振盪器。經由外部輸入交流訊號以及直流偏壓，
並且量測溫度於300K 時，有一 -60dB/Hz 的相位雜訊密度(Phase Noise Density)。
1996 年 Kubena[12]發展出以懸臂樑振動方式，取代質量塊的穿隧式加速儀。
1997 年，John R. Clark[13]等人，使用多晶矽薄膜表面微加工技術，製作出 微機械帶通濾波器，它是由兩個並聯的共振器所組成，工作於 14.5MHz 的中心 頻率。
1998 年，Liwei Lin[14]等人，同樣也使用多晶矽薄膜表面微加工技術，以及 氮化矽真空密封技術，製作一串聯的梳狀共振器。並成功量測到工作於18.7KHz 的中心頻率，及1.2KHz 的 3dB 頻寬。
1.4 MEMS 產業市場分析
1.4.1 2004 MEMS 產業現況與趨勢
MEMS 產業歷經 2000-2001 年光通訊的美夢幻滅，隨之 2002-2003 年全球將 近100 家 MEMS 廠商關門的窘態，使得 MEMS 產業現在回歸到基本面。雖然，
未來 16 個月內仍有 10-15 家工廠面臨關門，但是整體來看漸趨穩定。據 Yole Development 公司於 2004 年 6 月預測，全球 MEMS 市場規模 2005 年將達 54 億 美元，其中 Top 30 的 MEMS 廠商，就佔 60%整體 MEMS 市場。其餘 40%由 200
家 MEMS 廠商分食。而他們大都是小型公司，營運模式有二種：為某特別產品 作R&D 而少量生產，或者是屬於整合型工廠作系統的製造。[15]
圖1.1 MEMS 供應鏈 (source: Yole 2004/06) 一、 MEMS 產業營運模式
一般來說，MEMS 產業分成零組件製造商、設計公司與系統製造商等三種。而 這三種不同類型的企業，營運模式又不同，如圖1.2。
圖1.2 三種 MEMS 產業營運模式 Source :Yole Development, 2004 年 6 月
（一） 零組件製造商（Components Manufactures）
1.委外製造商（Contract Manufacturers）
他們著重於產品的開發與生產，提供高附加價值且客制化的產品與製程，所以目 標市場為利基市場。一般公司型態都是中小型企業，例如：Colibrys、Tronic’s、
Memscap 或 Micralyne。
2.晶圓代工（Foundries）
一般來說，他們是針對每年需要1 萬片以上晶圓的客戶，進行代工生產。也就是 在已確立的製程中，為客戶開發與生產自己的晶片。例如探微科技（tMt, Touch Micro-system Technology）就是屬於這個類型的公司。
3.成品製造商（Off-the-Shelf）
其目標市場是大量應用的成品領域。例如：汽車（安全氣囊、汽車底盤管理），
電腦硬體（噴墨印表機噴頭），與工業領域的特殊應用（壓力與加速測量）。許多 公司現在也開放他們的生產線給外部客戶，以擴展市場，獲得更多的利潤。例如：
AD、STM 與 Motorola 等公司。
（二） 設計公司（Design Companies）
1.工程與設計（Engineering & Design Houses）
他們是使用委外或晶圓代工廠，來生產製造客戶所需的產品。因此，這些公司必 須提出不同MEMS 裝置的設計方案，例如 Lionix。
2.無晶圓或設計公司（Fabless）
其與半導體的 IC 設計公司的角色一樣。例如 Microphones 只設計出一種類型 MEMS 解決方案提供給客戶。而 Akustica 與 Discera 等公司，則是與晶圓代工廠 合作，將設計製造出來的產品提供給客戶。
（三） 系統製造商（System Manufacturers）
1.整合晶圓廠（Integrated Fab）
他們除了擁有系統製造能力之外，還擁有自己的晶圓廠。大部分都在特殊領域，
例如汽車業的Bosch、Denso 與 Delphi；國防工業的 ThalEs、Boeing 與 Honeywell；
儀器設備領域的Olympus 與 Input/Output。
2.外部 MEMS 晶圓廠（External MEMS Fab）
他們主要擁有一些研發機構，並做出產品雛型，或開發商品化之前的產品，提供 客戶設計參考。
二、 前 30 大 MEMS 廠商
根據Yole 統計且第一次發表 2003 年前 30 大 MEMS 廠商，如圖三。其中，
HP 因為製造噴墨頭而高居首位。德州儀器則因生產投影機中的 DMD（Digital Mirror Device）而居第二位。觀察前五名廠商，我們發現，除了 Bosch 是在汽車 業外，其他四個都是IT 廠商，其中，HP、Epson 與 Lexmark 都與噴墨頭有關係。
可見得，近年來MEMS 產業的發展，IT 佔有很重要的地位。
此外，原本在半導體產業的STM、Infineon、Motorola（Freesacle）、Fairchild、
Dalsa Semiconductor、Semefab、Elmos 與 Xfab 等，為了尋求另一個成長事業，
也相繼投入MEMS 產業。他們期望能透過整合 MEMS，而產生低成本、高性能 且具優勢的解決方案。不過，MEMS 與 IC 畢竟在製程上仍存在差異，例如：犧 牲層、蝕刻、雙面配向、Lithography Critical Dimension、晶圓大小、Handling、
刮片、封裝與測試。加上，並沒有標準製程。更重要的是IC 與 MEMS 產品，技 術生命週期並不相同。總之，仍有許多挑戰等待克服。
此外，MEMS 產業在不同的營運模式上，有些事情也還沒定義清楚，甚至 不能用半導體概念套用。例如：在不同的製程上，智財的Reuse 的觀念很難利用 在MEMS 設計上。MEMS 製程具體化並不容易，這可能需要更多的時間與金錢 投入才行。
總之，對於 MEMS 產業來說，這還是一個百花爭鳴的時代，未來需要努力 的時間還不算短，唯有一步一步來，才能將MEMS 產業發揚光大。
圖1.3 2003 年前 30 大 MEMS 公司的營收排行 Source :Yole Development, 2004 年7 月
1.4.2 微機電技術慣性感測器市場分析
隨著全球汽車市場不斷的成長，車用的慣性感測器(Inertial Sensors)市場規模也不 斷增加。根據Yole 公司預測，全球加速度器(Accelerometers)市場規模在 2007 年 將達504 百萬美元。圖 1.4 為 Yole 公司對全球加速儀在 2003 年和 2007 年市場規 模的預測值。在2003 年市場總值達 351 百萬美元，2005 年可達 410 百萬美元，
而2007 年將可達 504 百萬美元。其中以應用在汽車碰撞時，感測速度變化(high g) 的 Airbag 產值最大，2003 年為 180 百萬美元，2007 年可達 204 萬美元。而 應用在汽車主動懸吊(active suspension)系統的 Low g 加速儀的產值則相對低許 多，2003 年的產值為 12 百萬美元，2007 年增加至 13 百萬美元。High g 加速儀
的製造商包括Bosch、Analog Devices 和 Freescale 等公司。而 Low g 加速儀的市 場目前主要由VTI Technologies 及 Bosch 兩家公司所掌控，新的製造商包括 ADI 和 Freescale 也相繼推出新產品。產品是否能夠進入市場，價格是一重要因素，
對Airbag 用的 High g 加速儀而言，如果是單軸感應器，其單價必須低於 1.8 美 元才有機會；對於三軸感測器，價格則須在5~6 美元下才有競爭力。[16]
(資料來源：Yole公司) 圖1.4 全球加速儀在2003年和2007年市場規模預測值
圖1.5為2003年全球加速儀製造商市場佔有率，其中6家公司就佔整個市場的90﹪
以上，包括Analog devices、Bosch、Denso、Freescale、VIT Hamlin及Delphi-Delco 等。在2004年，車用加速儀總量超過120百萬顆，產值超過400百萬美元。除了以 加速儀做為速度變化感測元件外，Infineon公司也使用將壓力感測器(Pressure sensors)放至車門側邊的Airbag內，取代原有加速儀的功能。
圖1.5 2003年全球加速儀製造商市場佔有率(資料來源：Yole公司)
從圖1.4可以看出，加速儀除了在車用的Airbag有很大的應用外，Mobile Phones 和Consumer市場的成長也相當大，尤其是Mobile Phones的市場，雖然2003年還 沒有產值，但在2007年預估會有60百萬美元的市值。Mitsubishi Mobile Phone公 司在2004年推出一款內含加速儀的手機(此CMOS-based的加速儀是由MEMSIC 公司提供，該公司的晶片委由TSMC及Fujitsu公司代工)。該加速儀是具有幾項功 能，例如可以調整影像旋轉模式(Image Orientation Mode)，藉由感測手機的位置，
讓影像做適度的調整，如圖六所示。此外，也可做為計步器(Pedometer)之用，無 論是走路或跑步，都可以計算步數，並量測移動的距離，未來也可以應用在Video game產品上。除了MEMSIC外，有幾家公司也已經提供相關產品，包括STM、
Kionix、OKI、Omron、Panasonic/MEW、Hitachi、VTI Technology等等。
圖1.6 利用加速儀感測手機位置來調整影像
此外，在醫學應用產品上如心律調節器(Pacemaker)也裝有加速儀，做為監控心跳 之用。在2003年，其市場規模約為11百萬美元，在2007年可達18百萬美元。目前 在這領域主要的加速儀生產公司，包括VTI Technologies、Endevco和Tronic’s Microsystems 。 此 外 ， 兩 家 心 律 調 節 器 的 生 產 公 司 ， J&J(with Guidant) 和 Medtronic，也準備進入加速儀生產者的行列。另外，應用在國防(Defence)市場 也相當大，2003年產值為40百萬美元，預計2007年可成長至102百萬美元。
1.5 研究方法
1.5.1 本論文採用之研究方法與原因
（1）收集各種加速儀元件設計相關資料
經由各大圖書館搜尋相關期刊、論文、雜誌等，並從網路上搜尋電子期刊和 刊登在網路上的資料。相關資料收集後，進行整理、分類的工作，依照加速儀的 形狀、應用場合、工作原理、尺寸規格加以分類整理，以了解各種加速儀的工作 原理和驅動方式，供設計模擬分析的參考。
（2）元件之設計與繪製
首先是利用L-Edit 套裝軟體進行設計。L-Edit 具有高效率、互動性佳等特性，
因其具備繪圖功能，同時兼具光罩產生功能，效率高，又可與不同的軟體相結合，
例如 AutoCAD，IntelliSuite 等軟體相結合，所以本研究室也是利用 L-Edit 進行 光罩設計。
（3）佈局驗證
光罩設計繪製完成後，由於必須符合CIC 之規定，要使用 Calibre 佈局驗證 軟體，作佈局驗證(DRC, Design Rule Check)的工作，以確保設計符合 TSMC 0.35 2P4M 製程的規定。
（4）建立模型
在建立模型之前須先用 L-Edit 繪製光罩圖檔，然後透過轉檔過程，再利用
IntelliSuite 建立模型，過程中須檢視所轉檔過來的形狀是否與原先設計相同，以 確保模擬分析前所得的模型是正確的，之後才由IntelliSuite 進行元件性能分析。
1.6 章節提要
第一章是緒論，除了說明本研究的動機、文獻回顧、研究方法之外，另一則 是MEMS 市場上的分析，介紹國內那些廠商在從事 MEMS 的事業，做些什麼產 品，及未來MEMS 領域的發展。
第二章是介紹MEMS 加工製程，包括體型微加工、面型微加工、LIGA、微 放電加工(Micro-EDM)、積體電路相容製造技術 CMOS MEMS 製程等。製作微 加速度感測器。本研究是選用台積電0.35μm 2P4M CMOS MEMS 製程，製作模 擬微加速儀。
第三章是設計原理簡介，說明在眾多的加速儀中，如何選取一種合乎要求的 加速儀。種類選取好之後，再進一步說明其微結構與感測原理。最後是說明加速 儀模擬與分析方法，並舉例說明如何運用微機電模擬軟體(IntelliSuite)，模擬 熱傳式加速儀的熱源熱分佈與流場分析與變化。
第四章是介紹蝕刻模擬，在 MEMS 製程中，蝕刻的成敗掌握著元件的成 功。因此，蝕刻模擬與驗證是很重要的分析方法。
第五章是則是結論與未來展望，敘述本研究所設計之加速儀的模擬結果，並 提出可以再精進的部分，以及後續研究的方向。
第二章 製程設計與模擬軟體簡介
2.1 製程及設計規範
2.1.1 製程介紹
現有微機電元件在製造上大部分是使用現有MEMS 技術製造，且現今國科 會在北中南分別設有微機電中心，提供微機電的相關製程儀器。一般而言，微機 電製造技術大致可以分為下列四種，簡介如下:
1. 體型微加工(Bulk Micro Machining)
利用矽晶之晶格方向，對化學藥品的蝕刻選擇性，予以成形，如對基材進行 等向及非等向乾/濕蝕刻。一般基材主要是單晶矽及 Pryex 玻璃、PMMA 或是其 他高分子材料等。由於單晶矽之機械特性非常穩定，且強度頗佳，所以導航用之 感測器等，常採用單晶矽(或石英)為元件之重要結構。此外，需要高深寬比結構 之應用，也常採用體型微加工。
2. 面型微加工(Surface Micro Machining)
利用傳統半導體製程之薄膜成長與蝕刻，來建構所需要之結構，例如Cronos 所發展之MUMPs 製程，SNL 所發展之 SUMMIT V 製程，與國內中區微機電中 心所發展之MPMC 製程、及 tMt 所發展之 SMart 製程皆屬此類。薄膜材質主要 是多晶矽(Poly-Si)、氧化矽(Silicon Dioxide)或磷矽玻璃(PSG)、氮化矽(Silicon Nitride)及各種金屬薄膜等。其主要優點是結構設計較具彈性，製程設備與傳統 積體電路製程較接近；缺點則是殘留應力(residue stress)，會造成結構翹曲 (Bending)以及黏滯現象(Sticking)等先天性問題。
3. LIGA、微放電加工(Micro-EDM)、準分子雷射等方式
LIGA(Lithographie GaVanoformung Abformung)是利用 X 光進行厚膜光阻曝
再利用子模製作成最終金屬或陶瓷元件，如德國IMM 公司[17]便是使用LIGA 製程，來發展微元件的著名廠商之一。LIGA 之優點是可以得到 1mm 以上高深 寬比(High Aspect Ratio)的結構，缺點是必須利用同步輻射光源進行曝光，儀器 設備建構非常不容易。所以應用並不普遍，且在厚度1mm 以下有逐漸被 UV-LIGA 取代之趨勢。
微放電加工(Micro Electrostatic Discharge Machining , Micro-EDM)是利用放 電及化學蝕刻進行基材加工；而準分子雷射(Excimer Laser)則是利用雷射之局部 高能量密度光束，將不要基材以高溫加熱方式移除。且若配合精密定位控制系統 的話，便能製作精密之三維結構；缺點是兩者均為序列製程(Serial Process)，生 產速度非常慢，難以符合大量生產之要求。
4. 積體電路相容製造技術(CMOS-MEMS)
前述數種製程方式在微機電元件的發展上，均扮演著舉足輕重的角色，然目 前科技發展趨勢著重微小化和積體化，因而考慮到前幾種製程均較難將微機電元 件，與積體電路同時整合在單一晶片上，其須採用打線(Wire Bonding)、或覆晶 (Flip Chip)、MCM(Multi-Chip Module)等方式，將兩者封裝在一起。雖目前商品 化之微機電元件均採用此方法，由於低雜訊、高性能之元件需要降低雜訊、降低 外連線接點數，需將微機電元件與積體電路，儘可能地整合在同一晶片。所謂 CMOS MEMS(CMOS-Compatiable MEMS)，實為將標準 CMOS 積體電路，與微 機電系統兩者，充分整合之發展技術。此種方式一般通稱為Monolithic Integration 之方式[17]。
CMOS-MEMS 技術製作微機電系統，往往極度受限於以下三種因素:
一、標準化的製程程序和固定的薄膜厚度。
二、標準化的設計規範(Design Rule)，和電路元件模型(Device Model)。
三、結構和力學上的考量。
而使用 CMOS 製程來製作加速儀，有優點也有缺點，以下就分別對其優缺 點作說明 [1] :
優點：
1. CMOS 製程在半導體工業上早已發展成熟，可直接發包給國內各晶圓廠 下線製作。
2. 可大量製作、製作時間短、單價便宜、良率高、可靠度高等。
3. 可與信號處理、濾波、運算、放大等電路製作在同一片晶片上，大幅節 省時間與空間。
4. 增加設計的靈活度。
缺點：
1. 製程參數固定，包括擴散的濃度、離子植入的能量、沉積的材料與順序、
沉積的厚度、蝕刻的時間與方式等，皆須配合固定的製程參數，不可更 改。
2. CMOS 製程為了保障電路製作結果的可靠度，制定了一套設計規範，設 計者須遵循設計規範來設計。如導線（POLY1、POLY2、METAL1、
METAL2）之寬度（WIDTH）與間距（SPACING）、接觸窗（CONTACT、
VIA）的尺寸大小、各層間的重疊面積（OVERLAP）等，在設計電路時 須遵循這些規範。
3. 由於 CMOS 製程是針對製作電路使用的，所以並沒有犧牲層的考量，故 若要設計懸空型態的架構，便須在晶片製作完成後，再自行運用後製程，
將犧牲層蝕刻去除。如此將增加設計與製作的困難度。
2.2 CIC 積體電路相容製程
CIC CMOS MEMS 製程平台係利用 TSMC 0.35μm 2P4M Mixed Mode CMOS Process，並提供後製程選項，其後製程委由 ITRI 製作，此製程包含兩層 多晶矽以及四層金屬(鋁)，其實際製作流程以及薄膜厚度與材料參數等，可以在 TSMC 的設計手冊與參考資料中找到。一般閘極多晶矽層常做為微結構之主體 層，並使用場氧化層為其犧牲層。後製程多為濕蝕刻搭配超臨界乾燥技術，或是 使用乾式非等向性蝕刻等釋放微結構[18]。常應用於加速儀、熱阻(Heating Resistor)、微面鏡(Micro Mirror)、熱流感測器、壓力計、紅外線感測器、電容式 感測器、微致動器等的製程，如圖2.1 (a)(b)(c)(d)(e)(f)所示[19]。
圖2.1 CMOS MEMS 常見製作元件示意圖
CIC 之 CMOS MEMS 平台技術概念可於圖 2.2 與圖 2.3 得知。圖 2.2 為完成 CMOS 前製程之剖面示意圖，剖面中包含 N-MOS、P-MOS、電路導線，以及右 上方裸露之外連線金屬墊(PAD)等。圖 2-3 為使用 MEMS 後製程釋放由犧牲層所 保護之微結構之剖面示意圖。
圖2.2 CMOS 前製程剖面示意圖
圖2.3 後製程結構釋放後剖面示意圖
由於 CMOS 製程為一般所習知，在此僅細述 MEMS 後製程的部分。如圖 2.2，此為晶片經由 TSMC 完成前製程之剖面示意圖，待拿到晶片後，便可進行 後製程。常見之後製程有乾式蝕刻、濕式蝕刻、臨界點乾燥、雙面對準蝕刻、電 鍍..等。其中以乾式蝕刻將結構懸浮較常被使用，它的優點是製程簡單、無需額 外的光罩與製程。圖2.5 至圖 2.7 所示為乾式蝕刻製程之過程。
在此，所謂的乾式蝕刻是指反應離子蝕刻(Reactive Ion Etching, RIE)，它是 利用RF 電源供應器與 DC 電源供應器將反應氣體，如 CF4/O2 或 SF6，由氣相 轉變為電漿(plasma)，電漿成份中含有反應氣體分解的離子，部分離子便會與晶
Part)懸浮, CIC 利用標準 CMOS 製程之鋁矽銅合金，當作蝕刻阻擋層，藉由 CF4/O2 電漿非等向性蝕刻介電層、多晶矽、場氧化層及矽基板，如圖 2.5 所示。
而後，利用 SF6 電漿等向性蝕刻介電層、多晶矽、場氧化層及矽基板，藉由底 切(Undercut)造成結構懸浮，如圖 2.6、圖 2.7 所示。其中由於固定端(Fixed Part) 基底面積較大，因此仍舊固定在矽基板上[20]。
圖2.4 標準 CMOS 剖面圖
圖2.5 非等向性乾式蝕刻
圖2.6 非等向性乾式蝕刻 (未懸浮)
圖2.7 非等向性乾式蝕刻 (已懸浮)
以下為前製程之材料參數列表，這是CIC 為 CMOS MEMS 製程所提供，材 料參數表中包含機械特性、電氣特性等資料。這些參數並非一定符合 TSMC 之 實際製程，僅作為在設計之參考，以及測試上之考量，如表2.1 至表 2.8 所示。
表2.1 多晶矽層材料參數
Temperature:300K Poly1 n + Poly2 p + n(p) (1020 cm-3 ) 3.4 ± 7% 1.6 ± 7%
α ( m V/K) -120 ± 5% 190 ± 5%
κ (W/mK) 24 ± 1.5 17 ± 1.5 ρ (mΩ ·cm) 0.85 ± 7% 5.8 ± 7%
TC of ρ (10-3 /K) 0.86 ± 3% -0.14 ± 3%
表2.2 金屬層材料參數
Temperature:300K Metal1 Metal2 κ (W/mK) 181 ± 8 166 ± 8
Rsq ( Ω /sq) 65 ± 0.7 36 ± 0.4 TC of r (10-3/K) 2.96 ± 0.1 3.01 ± 0.1
表2.3 氧化層材料參數
Temperature:300K Field oxide Contact oxide κ (W/mK) 1.28 ± 0.11 1.32 ± 0.18 c (J/cm3 K) 1.05 ± 0.1
表2.4 保護層之材料參數
Temperature:300K Intermetal oxide Passivation κ (W/mK) 1.16 ± 0.24 1.5 ± 0.25 c (J/cm3 K) 1.05 ± 0.1 2.7 ± 0.25
表2.5 各層材料之其他參數
Layer σ (Mpa) E (Gpa) v
BPSG -40 ± 10 20 ± 10 -
BSG -37 ± 6 65 ± 5 0.2 ± 0.2
Si3 N4 82 ± 6 97 ± 6 0.13 ± 0.07 Poly n+ -134 ± 10 52 ± 6 0.2 ± 0.1 Poly p+ -260 ± 20 140 ± 14 0.2 ± 0.1 Metal1 -73 ± 10 50 ± 10 0.3 ± 0.2
Metal2 -30 ± 5 55 ± 10 0.2 ± 0.2
表2.6 各層材料之其他參數
εr K (W/mK) E (Gpa) αT ( µ strain/K)
P-type Si 11.7 156 C11 = -80.5 C12 = -115 C44 = -52.8 2.33 N-type Si 11.7 156 C11 = -97.1 C12 = -54.8 C44 = -172 2.33
SiO2 3.9 1.4 72-75 0.4-0.55 Si3 N4 7.0 3.2 260 1.1-3.8
2.3 元件設計流程簡介
2.3.1 建立模型(Modeling)
在晶片下線製作之前，必須將所設計之微感測元件與微結構，建立模型，
以進行元件模擬或系統模擬。元件之結構可用下列三種軟體產生，1.有限元素分 析軟體，例如ANSYS。2.電腦輔助設計軟體，例如 I-DEAS、Pro/E。3.製程描述 產生3D 模型，例如 CoventorWare、IntelliSuite 等。除以軟體建立實體幾何模型 外，也可以利用語言描述，例如SPICE netlist、硬體描述語言(HDLs)，及 2D 電 路平面圖，如Symbol View、Schematic View 等，皆可用於表示元件之幾何模型 與行為。
上述兩者建模方法的差別在於利用ANSYS、I-DEAS、Pro/E、CoventorWare 及IntelliSuite所建立的模型，屬於實體3D模型，如圖2.8所示，因此可做切網格 (Mesh)的動作，以進行有限元素分析。唯須注意數值解之精確度與是否收斂，與 元素的選擇、網格的數量，及網格本身的幾何形狀(六面體或三角錐)等問題。此 種建模方法的缺點，在於無法與電路模型整合。而以SPICE netlist、HDLs、Symbol View及Schematic View所建立的幾何模型，乃是以等效電路的方式，表示實體3D 模型。其優點為與電路模型完全相容，但缺點則是無法分析模型本身的結構，甚 至是熱流、光學、生物化學等跨領域的問題。
圖2.8 利用 IntelliSuite 建立 3D 模型示意圖 2.3.2 模擬(Simulation)
微機電系統之模擬分為元件模擬與系統模擬。元件定義為微感測元件與微結 構等。系統則定義為不同微元件，與驅動電路之組合。元件模擬主要是針對應力 分佈、位移變化、溫度分佈、繞射效率、共振頻率、品質因數等作分析。以確認 其反應行為符合設計規格，若與設計規格不符，則需修正設計至符合規格為止。
由於元件的種類涵跨各個領域，因此目前並無單一軟體可分析所有問題，在此設 計者可將問題先做部分區隔。若是屬於機械結構方面，例如應力分佈、溫度分佈、
位移變化、流場分析、共振頻率等，皆可由ANSYS處理。高頻元件，如S參數，
可利用HFSS處理。目前也有一些整合型的軟體，如IntelliSuite、MEMS Pro、MEMS Xplorer或CoventorWare，可處理上述及耦合場間的問題，其優點為可透過許多方 式迅速建立3D幾何模型，但分析能力與範圍有限。設計時可利用整合型軟體建 立模型，然後視情況，決定是否將模型轉成專業分析軟體，可讀取的檔案格式。
所謂視情況是指軟體本身無法處理或計算時間過長。
系統模擬主要針對不同元件，與電路組合做整體分析。目前主要的模擬方法 有兩種，方法一為，將之前所做的元件模擬轉換成等效電路，以SPICE 或 HDLs 做系統模擬，如運用ANSYS、MEMS Pro、MEMS Xplorer 或 CoventorWare 等 軟體，皆可將元件轉換成等效電路。方法二為，自行建立模型，將元件之統御方 程式(Governing Equations)，輸入至模擬軟體中做系統模擬，此類軟體，如 Saber，
已具有電路分析的能力，因此無需再建立電路模型。
2.3.3 佈局(Layout)
當模擬結果達到設計規格後，此時便可確定元件，利用佈局軟體，如 Virtuoso、Laker、L-Edit等軟體，繪製元件之平面幾何形狀。或是利用整合軟體 內建搭配模型轉換成光罩功能，將之轉換成光罩佈局，然後做細部修改。整個佈 局流程包括佈局、設計規範確認(Design Rule Check, DRC)、3D模型驗證，如圖 2.8所示。在進行佈局前，須先決定下線製程，準備相關之製程資料，以及設定 環境參數，而後才可進行佈局。
圖2.9 利用 Virtuoso 佈局
設計規則檢查是根據晶圓製造商，所提供之製程資料進行驗證，防止元件因 製程變化等因素，而造成其功能上的失效。目前CIC之所有製程，尚無提供微機 電系統，相關的設計規則檢查，因此在進行設計規則檢查時，難免會有違反設計
規則的情況產生，此時需與CIC負責工程師討論，提出書面說明確認不影響設計 即可。而tMt SMart與國外MUMPs等微機電共用製程，則已可提供微機電系統元 件相關之DRC檔案。
3D模型驗證則是為確認，佈局後所產生之3D模型，符合設計之構想。由於 目前佈局屬於平面佈局，相當於3D模型中之俯視圖，設計上若元件結構簡單，
則可自行檢查；而若元件結構複雜，則需藉由軟體輔助。上述之佈局軟體L-Edit、
MEMS Pro、MEMS Xplorer，皆有提供剖面圖功能，唯需另建剖面檔。而在佈局 階段欲瀏覽完整3D模型，則需利用MEMS Pro、MEMS Xplorer，並另建其3D模 型建構檔，或是利用CoventorWare、InetlliSuite，將佈局結合製程資料，轉換成 3D模型。
2.3.4 製作(Fabrication)
佈局完成並驗證無誤後，即可送件予下線單位進行製作，本研究中元件設計 與模擬完成後之下線，是使用CIC CMOS MEMS 共用製程製作，在此不再贅述。
由於日後元件製作完成後，需進行後製程，且需利用探針平台等做電性量 測，因此晶片製作完成後，皆不會進行封裝、為求設計流程之完整性，於下一節 尚有補述。又國科會在北、中、南成立三個區域性的微機電中心，目前已開始營 運且對外開放，可就近至微機電中心，進行所需之後製程。
2.3.5 封裝(Packaging)
目 前 微 機 電 元 件 常 見 的 封 裝 有 CSP(Chip Scale Package) 與 GSG(Glass-Silicon-Glass)，如圖2.9所示。CSP是用一片矽晶片，將微機電系統元 件密封，僅留Pad做為打線用，如圖2.10 2.11所示。而GSG則是將兩片玻璃，利 用陽極接合之技術，將微機電系統元件密封。
圖2.10 CSP封裝示意圖
圖2.11 GSG 封裝示意圖 2.3.6 測試(Testing)
後製程完成後，便可進行晶片測試。常見之測試平台，有探針座、探針平台 (Probe Station)、電源供應器、頻譜分析儀、示波器、干涉儀、網路分析儀、光譜 儀、表面輪廓儀、光強度計等。如有外加儀器，則與測試參數之輸入輸出有關[20]。
2.4 使用軟體簡介
2.4.1. 光罩設計與設計規範確認軟體
元件光罩設計是使用一般半導體光罩佈局軟體，例如 Virtuoso、Laker、
L-EDIT、MEMS Pro、MEMS Xplorer 等，並配合設計製程規範加以確認(Design Rule Check, DRC)。能繪製圓形或灰階光罩者更佳，由於實驗室有購置 L-EDIT，
L-EDIT 全名 Tanner EDA's L-Edit Pro，為專業繪製光罩佈局之工程設計輔助 軟體，一般簡稱為L-Edit Pro 或是 L-EDIT，由 Tanner research 公司開發。此軟體 是以各種不同的顏色，或圖樣的圖層代表佈局，並整合成同一光罩圖樣，可利用 剖面工具確認設計，常應用於類比或混合訊號電路、微光機電元件設計等方面。
L-EDIT 包含有 Layout 編輯、DRC 驗證、自動放置與繞線等功能，支援 GDSII、
CIF、 SPICE 和 EDIF 等業界標準的光罩檔案格式，其使用介面如圖 2.12、圖 2.13 所示。
圖2.12 L-EDIT 微機構視窗示意圖
圖2.13 L-EDIT 積體電路視窗示意圖
2.4.2 光罩繪製流程
佈局圖形之光罩設計，需先根據製程的設計手冊(Design Handbook) ，進行 以下繪製流程，如圖2.14 所示。
A. 使用設定
1. 環境設定(Design Setup) - 定義使用技術名稱、單位與間距設定。
2. 編輯元件 - 定義元件(Cell)。
3. 設定圖層(Setup Layer) - 定義圖層顏色、層號與圖形堆疊關係。
4. 設計規範設定(Design Rule Setup) - 定義光罩設計規範繪製圖層。
5. 截面流程定義(Cross-Section Process Definition) – 定義下列事項與參數：a.
截面觀察之製程步驟與作用(Step)、b.層材質(Layer)、c.製作厚度(Depth)、d.
步驟特點(Label)、蝕刻或擴散傾角(Angle[offset])以及 e.註解(Comment)。
B. 繪製圖形(Pattern)
將結構設計由堆疊分層構成，並轉化成圖形繪製。
C. 截面觀察(Cross-Section)
檢查圖形截面結構是否如預期，否則修改圖形。
D. 光罩完成(Mask Layout)
當所有層圖形皆如設計，且截面如預期，即完成所需之光罩。
E. 設計規範確認(Design Rule Check - DRC) 確認光罩設計符合設計規範。
F. 完成光罩繪製
轉成GDS II 檔，即可輸出(Export Mask)送件製作 [21]。
圖2.14 設計流程圖
2.4.3 製程模擬與元件分析軟體
在 微 機 電 系 統 設 計 上 ， 製 程 模 擬 與 模 型 分 析 最 常 使 用 IntelliSuite，或 CoventerWare 等兩套專業微機電輔助設計分析軟體，或亦有利用 MEMS Pro 轉入 ANSYS 的作法。此三者皆是使用有限元素分析法，在微光學部分，由於部分元 件需搭配灰階光罩，且目前僅部分微光學元件有其專用軟體，尚未發展出完整之 套裝軟體，一般分析是使用有限時域差分法。以下介紹本研究之IntelliSuite 軟體：
IntelliSuite 軟體是一專為微機電系統所開發的軟體，其設計方式是由製程及 機台的設定主導，藉此建立高精確度的模型，並證實元件的外型，及性能都是製 作過程所導出。可以在實際製作前進行最佳化 MEMS 的設計，減少原型發展的 週期時間。此發展平台結合了製程模擬、材料資料庫、光罩設計及元件分析等功 能，其主要功能簡介如下：
一、製程模擬：
包括製程模擬器、製程檢驗、材料庫、製程庫、設計樣本庫、非等向蝕刻 模擬、製程除錯等。
二、模型建立與光罩編輯工具：
包括模型建立、製程步驟結果顯示、光罩佈局建立、標準光罩檔案輸出與 輸入(DXF, GDSII)、自動網格產生、幾何編輯、3D 幾何模型直接建立。此 外並可與PATRAN、ANSYS 的有限元素模型進行雙向介面轉換。
三、分析模組：
包括靜電邊界元素分析、熱固耦合有限元素分析、電熱固耦合分析等。
四、材料分析：
包括材料庫、材料性質預測、實驗數據Fitting、使用者數據整合。
五、非等向蝕刻模擬：
包括上下光罩任意定義、蝕刻率資料庫、角落補償、使用者數據整合。
2.4.4 建立模型與模擬製程建立
利用 IntelliSuite 建立模型的方式有二：一為使用 IntelliFab 模組、輸入光罩 圖檔，模擬實際製程步驟，建立模型。並利用剖面工具與觀察，確認三維模型無 誤後，轉入分析模組(Mechanical Model)。二為直接依據設計圖形，使用 3DBuilder 模組，人工繪製建立三維模型。再呼叫材料資料庫，設定不同元素之材料條件後，
轉入分析模組(Mechanical Model)。
使用上若選擇IntelliFab，在建立模型之前，須先使用 L-Edit Pro 將繪製的光 罩圖檔(TDB)，轉換成標準格式(GDS II)後，再利用 IntelliSuite 建立模型。過程 中須檢視轉檔之後光罩編號是否無誤、光罩形狀是否相同，以確保模擬前所得的 光罩圖形是正確的。而後由IntelliSuite 建立有限元素模型，與元件性能分析。
5. 模擬流程
元件模擬方面， IntelliFab 流程如下：
建立模擬製程條件Î製程模擬與模型建立Î改變條件 建立模擬製程條件
根據使用製程的不同，利用 IntelliFab 製程模擬模組，輸入製程參數，建立 標準模擬製程檔，而後驗證完成模擬製程的正確性。
製程模擬與模型建立
由InterlliFab 匯入光罩(Import Mask)，進行製程模擬，建立模型並轉入分析 模組(Analysis Model)，進行模擬分析。確認模型有限元素之網格(Mesh)建立，給 予模擬條件，進行模擬次數，並確認條件相同時，顯示結果，並記錄模擬結果。
改變條件
利用上述方法，逐一改變參數條件，重新分析模擬。將所有模型依據製程與條件，
做出比較表格，並與參考資料比對，來確認模擬條件，與模擬值是否接近實際製 程，如此則可確定所得的值皆為有實質意義。
第三章 設計原理簡介 3.1 加速度感測器的種類
工業上，加速度感測器經常被應用在感測方面。最近這幾年精密機械產業的 蓬勃發展，以及大量的應用加速度感測器，使得加速度感測器的需求逐漸增加，
並且使得加速度感測器的研究及工業快速的發展。如今，已有非常多的加速度感 測器，被發表出來，如：電容式、壓阻式、壓電式、光學式、熱型式……等等，
種類繁多。本章列舉三個具有代表性的加速度感測器來說明。它們的型式是：電 容式、壓阻式及壓電式，之後再列舉國內外熱傳式加速儀之相關研究。[22]
3.1.1 電容式加速度感測器
電容式加速度感測器，主要是以量測一可變電容來得知其加速度。圖2.1 為 電容式加速度感測器結構示意圖。可變電容的兩塊電極，其中一塊為固定電極，
另一塊則為可動電極。可動電極附著在一質量塊上，而質量塊由一或數根支撐樑 支撐。在受到加速度作用時，質量塊會因慣性作用而產生位移，因此改變了固定 電極與可動電極間的距離。電極板間距改變，電容值也會跟著改變，再經由電容 的量測電路及補償放大電路，即可得知加速度的大小。
圖3.1 為電容式加速度感測器結構示意圖
3.1.2 壓阻式加速度感測器
壓阻式加速度感測器也是運用質量塊與支撐樑的組合，如圖3.2 壓阻式加速 度感測器結構示意圖所示，利用慣性作用來產生量測時所須的變化。與可變電容 式加速儀不同的是，它是在支撐樑上或是變形量最大的區域，放置一或數個壓 阻，當加速度作用時，質量塊會因慣性作用而產生位移，進而導致支撐樑產生局 部的拉伸變形，使得支撐樑上的壓阻之阻值改變，故只要量測壓阻阻值的變化，
即可得到加速度的變化。
圖3.2 壓阻式加速度感測器結構示意圖
3.1.3 壓電式加速度感測器
壓電材料(如：石英、鋯酸鈦鉛陶瓷、鋯酸鈦鉛膠合體、氧化鋅、砷化鎵等 等)的壓電性質屬於非等向性，其應用有壓縮及剪力模式。圖 3.3 為壓縮型的壓電 式加速度感測器結構的示意圖。在圖中可看到，當支撐樑受到慣性力的作用時，
質量塊會因慣性力的作用而產生位移，質量塊一經位移的改變，即會擠壓到壓電 材料，此時壓電材料會受到壓力的影響，而產生壓電的效應(有正有負)。一個值 得探討的問題是，儘管壓電材料隨著不同的應力值變化，會有正負電荷密度的變 化，但是如果沒在壓電材料上下兩端鍍上電極，則絕對無法將電荷變化訊號顯示
出來。所以在壓電材料上下兩端會有電荷的累積，而產生電壓輸出。利用此性質 就可以用來作為加速度感測器的原理[24]。
圖3.3 壓縮型的壓電式加速度感測器的結構示意圖
這三種加速度感測器的性能經過整理後，可以得到如表 3.1 所示。
表3.1 三種加速度感測器的比較
壓阻式 壓電式 電容式
溫度敏感度 大 中 小
靈敏度 中 中 高
線性度 1~2% 2~5% 1~3%
等加速度信號量測
能力 有 無 有
被測物理量 面內振動 離面振動 離面振動
頻寬 中 寬 中
G 值量測範圍 小 大 中
3.2 國內外研究近況：
3.2.1 國內研究情況
清華大學陳榮順教授的研究群主要研究是利用其研究群所設計之熱汽 泡式加速儀[25]，示意圖如圖3.4。
圖3.4 熱氣泡式加速儀元件示意圖
清華大學陳榮順教授的研究群是利用熱氣泡作為重力塊，就像其他加速 度感測器有重力塊一樣，其研究採用美國CFD Research Corporation 公司的 CFD-ACE+ 這套軟體做為分析的數值運算工具。
根據模擬的結果，如圖3.5 圖 3.7 所示，補強效果越好。
圖3.5 熱氣泡式加速儀元件模擬示意圖
圖3.6 熱氣泡式加速儀元件模擬示意圖
3.2.2 中國大陸加速儀研究現況
位於中國無錫市的 MEMSIC 公司研發的微加速儀 MEMSIC 元件是利用單 層CMOS 積體電路製程的一個的雙軸加速度測量系統。就像其他加速度感測器 有重力塊一樣，MEMSIC 元件是以可移動的熱對流小氣團作為重力塊。元件通 過測量由加速度引起的內部溫度的變化來測量加速度。MEMSIC 感測器中的質 量塊是氣體。氣態的質量塊比傳統的實體質量塊具有很大的優勢。MEMSIC 的 感測器不會有電容式感測器所存在的粘連、顆粒等問題，這使得MEMSIC 元件 的損壞率和故障率很低。MEMSIC 加速儀通過測量溫度變化的裝置原理將敘述 如下。[26]
一個被放置在矽晶片中央的熱源在一個空腔中產生一個懸浮的熱氣團。同時 由鋁和多晶矽組成的熱電耦組被等距離對稱地放置在熱源的四個方向。在未受到 加速度或水準放置時，溫度的下降陡度是以熱源為中心完全對稱的，此時所有四 個熱電耦組因感應溫度而產生的電壓是相同的，如圖3.7所示。
圖3.7 MEMSIC感測原理示意圖
由於自由對流熱場的傳遞性，任何方向的加速度都會擾亂熱場的輪廓，從而導致 其不對稱，此時四個熱電耦組的輸出電壓會出現差異。而這熱電耦組輸出電壓的 差異是直接與所感應的加速度成比例的。在加速度感測器內部有兩條完全相同的 加速度信號傳輸路徑：一條是用於測量X 軸上所感應的加速度；另一條則用於 測量Y 軸上所感應的加速度，如圖3.8所示)。
圖3.8 內部功能圖
加速度感測器量程和輸出：MEMSIC 加速度感測器最大可以測量範圍是±1g 到±
100g。除了動態加速度（如震動），MEMSIC 元件還可以測靜態加速度（如重 力加速度）。元件可以提供類比或數位的輸出信號。模擬輸出有絕對模式和相對 模式兩種。絕對模式的輸出電壓和供電電壓無關，而相對模式的輸出電壓和供電 電壓成比例。數字輸出信號是一種PWM調製後的和加速度大小成正比的占空比 信號（高電平占一個週期脈寬的比率）。
解析度，也就是能測量到的最小加速度變化量,取決於信號雜訊。MEMSIC 的典型雜訊水準低於1 mg/ Hz 。在低頻條件下可以測量到低於1mg 的信號。
頻率回應，也就是對快速變化的加速度的反應能力，由結構來決定。對元件來說，
在-3dB 處頻響為30Hz。通過外部擴展，頻響可以擴展到160Hz 以上。其晶片如 圖3.9所示。
圖3.9 MEMSIC 公司生產之加速儀
3.3 微型加速度感測器之原理
本熱傳式微加速儀元件是利用國家晶片中心的CMOS MEMS 共用製成而設 計的一個的雙軸加速度測量系統，但是熱傳式微加速儀不像是電容式加速儀有可 動元件與實體的質量塊，熱傳式微加速儀本身設計是以可移動的熱對流小氣團作 為質量塊。元件通過測量由加速度引起的內部溫度的變化來測量加速度。本感測 器中的質量塊是氣體。氣態的質量塊比傳統的實體質量塊具有很大的優勢。這使 得熱傳式微加速儀的損壞率和故障率降低。
是速度向量 ，t 是時間，∇ 是梯度 ρ ， μm， p，g，與 Fk 分別是密度，
動態的黏性, 壓力, 徹體力, 與表面張力，以及cp，T ，與 k 分別是比熱，溫度 和熱傳導係數。 [25]
熱傳式微加速儀在感測加速度前的溫度分佈，如圖3.10的實線部份，當感測到加 速度時，溫度偏移如圖3.10虛線所示。
圖3.10 感測加速度與溫度之間的關係示意圖
圖3.11 熱傳式加速儀設計示意圖
3.4 模擬分析
3.4.1 光罩製程剖面模擬
在繪製完成光罩後，須確認所繪製之光罩是否符合預期的結構，因此，因此 可利用 LEDIT 內建之製程剖面驗證功能，將繪製完成的光罩檔直接套用其製作 完成的製程檔案，即可進行2D 製程剖面驗證，如圖 3.12 所示。
簡述製程驗證過程如下：
使用一般標準(100)矽晶片作為矽基材，如圖 3.13 所示，在成長 IC 製程中的 場氧化層如圖3.14 所示，沉積第一層 POLY 如圖 3.15 所示，使用第一道光罩曝 光顯影後，得到所要的圖形如圖 3.16 所示，沉積第二層氧化層後，得到所要的 圖形如圖3.17 所示，沉積第一層金屬層後，得到所要的圖形如圖 3.18 所示，移 除第一層金屬剖面後，得到所要的圖形如圖 3.19 所示，沉積第二層氧化層後，
得到所要的圖形如圖 3.20 所示，沉積第二層金屬後，得到所要的圖形如圖 3.21 所示，移除第二層金屬後，得到所要的圖形如圖 3.22 所示，沉積第三層氧化層 後，得到所要的圖形如圖 3.23 所示，沉積第三層金屬後，得到所要的圖形如圖 3.24 所示，移除第三層金屬後，得到所要的圖形如圖 3.25 所示，沉積第四層氧 化層後，得到所要的圖形如圖 3.26 所示，沉積第四層金屬後，得到所要的圖形 如圖3.27 所示，曝光顯影後，第四層金屬成形後，得到所要的圖形如圖 3.28 所 示，只要後製程將四層氧化層移除掉，金屬就會懸浮後，得到所要的圖形如圖 3.29 所示。
圖3.12 選定欲剖面線的位置
圖3.13 首先第一層矽基材剖面示意圖
圖3.14 成長 IC 製程中的場氧化層剖面示意圖
圖3.15 沉積第一層 POLY 剖面示意圖
圖3.16 曝光顯影後，得到所要的圖形剖面示意圖
圖3.17 沉積第二層氧化層剖面示意圖
圖3.18 沉積第一層金屬層剖面示意圖
圖3.19 移除第一層金屬剖面示意圖
圖3.20 沉積第二層氧化層剖面示意圖
圖3.21 沉積第二層金屬剖面示意圖
圖3.22 移除第二層金屬剖面示意圖
圖3.23 沉積第三層氧化層剖面示意圖
圖3.24 沉積第三層金屬剖面示意圖
圖3.25 移除第三層金屬剖面示意圖
圖3.26 沉積第四層氧化層剖面示意圖
圖3.27 沉積第四層金屬剖面示意圖
圖3.28 曝光顯影後，第四層金屬成形剖面示意圖
圖3.29 剖面完成圖，只要後製程將四層氧化層移除掉，金屬就會懸浮。
3.4.2 電阻熱源之流場分析
以矽為材料的電阻熱源，使用 IntelliSuite 的流場分析模組 Microfluidic ，分 析是否符合預期之熱源設計。
首先仍先以 IntelliSuite 的熱機電分析整合模組，分析出 1~5V 之溫度分佈。
再將分析所得到的溫度值設定在流場分析模組Microfluidic 內的參數中。其分析 結果，如圖3.30~3.43 所示。
藉由微機電分析軟體IntelliSuite 之 3DBuilder 建立分析模型，利用 IntelliSuite 之 ThermoElectroMechanical 分析模組分析其最高溫度，經改變加入電壓 1~5 伏 特，觀察微機電熱傳式加速儀施加電壓與溫度變化量的關係，其研究結果如下：
在探討微機電熱傳式加速儀施加不同電壓時，微機電熱傳式加速儀所產生的溫度 變化有所不同。
微機電熱傳式加速儀在施加不同電壓後，加入單軸速度的變化後，模擬實驗
