第三章 研究設計與實驗方法
3.1 研究設計
本研究目的將利用 UV-LIGA 與厚膜製程結合的方式，開發微光學 應用之微光開關元件。本研究所用到之設備、藥品之表格，如表3-1 與 表3-2 所示。實驗流程圖，如圖 3-1 所示。茲將研究方法與步驟說明如 下：
( I ) 光罩設計
使用L-edit 8.3 版繪圖軟體設計微致動器、反射鏡、…等光罩圖案，
光罩製作流程圖，如圖 3-2，所示。首先，運用 L-edit 繪圖軟體繪製光 罩上之圖案，此時，對準的問題極為重要，將影響日後對準與良率的重 要關鍵所在。繪製完成之光罩圖案，必須轉換成 GDS 格式，送交交通 大學奈米中心(前身為半導體中心)或國科會奈米元件實驗室(NDL，前身 為毫微米元件實驗室) 或其他民間光罩製作公司製作玻璃鍍鉻光罩，本 研究所使用之玻璃鍍鉻光罩委託交通大學奈米中心加工所製。
微光開關主體之立體示意圖，如圖3-3 所示。微光開關結構體之光 罩設計圖，如圖3-4 與圖 3-5 所示，而微反射鏡部份依力學觀點，若支 撐點在中心位置，而單一力偶與單一作用力分別對同一結構作用時，則 單一力偶所產生之力矩較單一作用力為大。因此，相同的驅動力下，對 稱圖形 (symmetrical patterns)可產生兩倍之力偶，亦即若要產生相同的 力矩，則所需驅動力將可降低，故本研究將致動器設計成對稱圖形。在 此，以單一邊致動結構作說明，敘述如下：
1. 電極板(pads)：電源輸入處，線寬比例較其他結構大，約為 1 公厘見方 (mm2)，主要目的有三：一者為在懸浮結構釋放(release)時，較大的線
寬比例，可以確保不易被掏空，即蝕刻(etch)區與非蝕刻區有較大的選 擇比。二者為供給電源驅動時，肉眼即可清楚辨識其位置，因此探針 容易與其接觸。另一目的為封裝(package)時需接線結合(wire bond)時，
亦可由此與外界連接，其配置情形：中間電極板為共用輸入端，其相 鄰之最上端與最下端兩電極板為同電位之電極，供給電源驅動時非同 時供電，而視作動需求而進行供電，一般原則為左邊之上電極板與右 邊之下電極板為成對供電，同理，左邊之下電極板與右邊之上電極板 亦同。接近於懸臂樑部分的電極板成圓弧，其目的在於漸進作動。
2. 頂塊(stopper)：供電作動時，電極板與懸臂樑之正、負兩極距離愈近作 動效果愈佳，當兩電極相互接觸時發生短路，而頂塊之設立，將使電 極板與懸臂樑兩電極保持安全距離，阻止短路發生。
3. 彈簧結構(spring structures)：具有支撐、儲存能量、減少驅動電壓(58)、…
等功能，當供電停止時將與懸臂樑提供主體(同心環、O 型導軌與微反 射鏡)回復至初始位置之能量。
4. 懸臂樑(cantilever beams)：透過彈簧結構與電極板結合，懸臂樑本身具 有電極功用，供電時末端產生側向位移，經由此位移驅動另一機構，
提供同心環作動所需之機械動力源。
表3-1 實驗設備與儀器相關資料
名 稱 型 號 製 造 商 代 理 商 備 註
曝光機 HB -2510313Y -C Ushio 鑫拓實業股份有限公司
光阻旋塗機 Kyowariken
K - 359SD - 1 Tekstarter 鑫拓實業股份有限公司
熱墊板 HP - 350 汎達科技有限公司
鎳電鑄槽 百聚股份
有限公司
光學顯微鏡 STM6 Olympus 元利儀器股份有限公司 長工作距離
光學顯微鏡 ZOOM 125 Optem 汎達科技有限公司 表面輪廓量測儀 Alpha-Step 500 Tencor 辛耘企業股份有限公司
數位式示波器 TDS1012 Tektronix 洛克儀器股份有限公司
多功能函數產生器 FG1510A Lock 洛克儀器股份有限公司
高壓放大器 MODEL 603 Trek 德技股份有限公司
表3-2 實驗材料相關資料
名 稱 型 號 製 造 商 代 理 商 備註
SU-8 50 Microchem 香港電子器材有限公司
AZ P4620 Clariant
台灣科萊恩股份有限公司 光阻
S1813 Shipley
揚博股份有限公司
SU-8 Developer Microchem 香港電子器材有限公司
AZ 300 MIF Clariant
台灣科萊恩股份有限公司 顯影液
MF - 319 Shipley
揚博股份有限公司 異丙醇 Isopropyl Alcohol
100% 聯仕電子化學材料股份有限公司
丙酮 Acetone 日本試藥工業 株式會社
氫氟酸 HF 日本試藥工業
株式會社 醋酸 CH3COOH 日本試藥工業
株式會社 硝酸 HNO3 日本試藥工業
株式會社
Cr-7 Cr-7T Cyantek 帆宣系統科技股份有限公司
光罩製作
厚膜光阻最佳實驗參數探討
ICP-RIE製程
導電層之製作
光學測試
靜電式微致動器光開關之研製
設計、送件製作、測試
1. 旋佈時間、轉速 2. 烘烤時間
3. 曝光劑量 4. 顯影時間 5.膜厚
送件製作、測試
光學檢測設備架設
1.方位控制
2.訊號擷取與分析 3.光傳輸效率
完 成 符合要求
是 否
圖3-1 微光開關實驗流程
轉檔成GDS格式
送件製作光罩 交通大學奈米中心 國科會奈米元件實驗室 Layout 設計
L-EDIT
圖 3-2 光罩的製作流程
圖 3-3 微光開關主體部分之立體示意圖
(a) 5 吋光罩圖形之 layout 全圖
1mm (b) 微光開關元件設計全圖
圖3-4 微光開關光罩之圖形設計
120μm
(a) 局部放大圖
20μm
(b) 主體部分放大圖
圖3-5 微光開關元件設計局部放大圖
5. 懸臂樑末端之 U 型勾結構(U-shape hook structures)：一端結合懸臂樑，
另一端是導塊於 O 型導軌中作動。若是製程或其他限制，晶片需翻轉 180 度時可防止主體脫落。
6. 同心環與 O 型導軌(U-shape slideways)：同心環與 O 型導軌為一體，藉 由懸臂樑所提供之機械動力，經同心環與 O 型導軌，帶動微反射鏡轉 動。同心環實際上為環狀結構之衍生，其目的在減少主體之重量，以 易於被帶動及減少驅動力。O 型導軌設置之目的係將懸臂樑末端之 U 型勾結構限制於其中運動，破壞其平面自由度，並將致動器所產生之 能量藉此處傳遞至主體。
7. 微反射鏡：不以組立方式而是在製程中直接架設於同心環之上，機械 動力由懸臂樑經 O 型導軌傳達至同心環，帶動同心環作動，進而帶動 微反射鏡。
8. 中心軸(shaft)：其組成為圓形軸上每隔 90 度多一圓弧形凸塊，經此四 塊凸塊，將低對(面接觸)轉為高對(點或線接觸)接觸，減少摩擦接觸面 積。
( II ) UV 厚膜光阻微影暨犧牲層製程
標準微影製程配合厚膜光阻的使用，可低成本地實現高深寬比微結 構。一般常使用的厚膜光阻有SU-8、AZ P4620、JSR430N、JSR611P、…
等種類。微影製程必須經過基材(substrate)前處理、光阻塗佈、軟烤、
曝光、(曝光後烘烤)、顯影、去離子水潤溼(rinse)定影、硬烤等步驟。
厚膜光阻的微影條件，不同於一般 IC 用光阻的操作參數，且不同厚膜 光阻的操作條件差異甚大，將根據光阻生產公司所提供的處理流程與技 術資料往覆試驗，以求製程條件的最佳化。UV 厚膜光阻微影製程於電 鑄製程中主要是要製作微致動器、同心環、…等第一層的光阻模板，以 進行後續的電鑄程序，而於 SU-8 製程中，其扮演角色為結構體本身。
在LIGA 製程中加入犧牲層技術即可製作可動微結構，擴大 LIGA 製程 技術的應用範圍，最主要原因是犧牲層釋放技術，能製作懸浮結構。圖 3-6 至圖 3-13 為本研究所用到之設備或儀器。
( III) 精密電鑄製程
LIGA 製程技術中電鑄是唯一可用以生產金屬結構的製程，故光刻 所完成的高分子，鋪上適當的金屬導電層作為電鑄起始層(seed layer)，
即可藉由電鑄製程形成金屬結構。為了使電鑄結構達到所需的品質，除 了控制鑄液的 pH、溫度、鎳金屬鹽濃度、及選擇適當的電流密度外，
亦須控制緩衝鑄液 pH 變化的硼酸濃度，及添加應力消除劑(stress reducer)以降低鑄層內應力。另外，為增進電鑄液與光阻結構間的親和 性，促使電鑄液能進入深窄孔道，溼潤劑(wetting agent)的添加亦不可避 免。溼潤劑可降低電鑄液的表面張力，使陰極產生之氫氣與氫氧化物膠 體不易附著於鑄層表面，減低鑄層產生針孔及凹洞的機會，故又稱為針 孔抑制劑。本實驗室將根據以往累積的電鑄經驗，並與國內廠商合作進
行電鑄槽與鑄液配製的改良。電鑄實際設備，如圖 3-14 至圖 3-16 所示。
(IV) 電性驅動測試與光學特性檢測
微光開關結構體製作完成後，進行局部的結構釋放，再濺鍍一金屬 層如銅，使結構體本身具導電性，並提高微反射鏡的光學反射特性。光 開關主要訴求除光路切換的反應性外，微反射鏡是否擁用有良好光學特 性，亦是關鍵因素。
製作完成之光開關最後將進行電性驅動測試，其架構示意圖，如圖 3-17 所示。微致動器的電性驅動設備，如圖 3-13 所示。多功能函數波形 產生器所產生各式波形與頻率經適當搭配與調整，同時接至數位式示波 器與高壓放大器產生高壓電力，傳輸至微光開關，經長工作距離顯微鏡 觀測驅動情形，並將影像於監視器與電腦，進行影像即時監控與儲存工 作。
光學特性的分析方面，將製作完成的微反射鏡光關關，在 PIDC 之 協助下進行光學檢測試驗，以了解本研究所設計完成之光開關，其光路 切換速率與光反射性是否合乎應用要求。光學特性檢測架構圖與實際實 驗設備及儀器之架設，如圖 3-18 至圖 3-19 所示，利用可調式雷射光源 (tunable laser)發出雷射光，經光纖至光纖末端之準直透鏡(collimator lens) 將雷射光調整成為平行光，再藉由聚焦透鏡聚光於待測光開關之微反射 鏡上。反射鏡的位置對準可利用x-y-z 平台之分厘卡作精準的位置定位。
反射之雷射光經由透鏡調整成為平行光，再靠光纖末端之準直透鏡與光 纖傳至功率量測儀(power meter)，將光訊號資料收集紀錄，作為分析評 估的依據。
圖3-6 光阻旋塗機
圖 3-7 熱墊板及抽氣設備
圖3-8 光罩對準 UV 曝光機
圖3-9 化學層流台
圖3-10 超音波震盪器
圖 3-11 工具顯微鏡暨影像量測與紀錄系統
圖3-12 表面輪廓量測儀
圖3-13 電性驅動微探針平台暨影像觀測與紀錄系統
圖 3-14 抽氣式化學工作台
圖3-15 電鑄前處理槽(含脫脂、酸洗及離型處理)
圖3-16 鎳電鑄槽及萬向抽氣罩
多功能函數波形
產生器 高壓放大器 數位式示波器
微光開關
圖3-17 電性驅動系統架構示意圖
(3)
Tunable Laser
Power Meter (1) (2)
(2)
(3) (4)
(5)
(1) Fiber (2) Fiber collimator lens (3) Lens (4) 3D Stage (5) Optical switch
(1)
圖3-18 光學性質量測系統架構示意圖
(a) 可調式雷射光源
(b) 光學性質量測裝置 圖3-19 光學性質量測系統實體圖
3.2 光開關製作程序
本研究所製作之光開關，依光開關結構所使用之材料，即微致動器 與微反射鏡為結構材料，一為全為 SU-8 之厚膜製程，另一為 UV-LIGA 製程鎳電鑄結合 SU-8 厚膜製程之光開關，兩種不同製程。首先，微致 動器與微反射鏡結構材料全為 SU-8 厚膜製程之光開關，其製程流程 圖，如圖3-20 所示。步驟說明如下：
步驟一：(第一道光罩微影)
1. 晶片置於 120℃熱墊板(hot plate)上熱烤 10 分鐘以 上，以去除水分。
熱墊板在使用前除必須校正溫度外，校正其水平 度亦是重要，若水平度不夠，後續之軟烤(soft bake)、
曝 後 烤(post exposure bake, PEB) ， 甚 至 硬 烤 (hard bake)，將造成光阻流動(flow)現象，使其分佈於晶片上 之均勻度、結構圖形(pattern)將大受影響。
本實驗室將光阻儲存於冰箱，透由冰箱冷藏作 用，可延長光阻使用期限，欲實驗之前再由冰箱中取 出，故此時必須將 SU-8 由冰箱取出退冰半小時以上，
以利後續製程。
2. 在晶片旋塗 SU-8 光阻，厚度約 30 μm。
本實驗室之旋塗機(spin coater)為三段式速度設 定，第一段速度目的為將光阻徐徐旋塗至晶片邊緣；
第二段速度目的為將光阻均勻旋塗於晶片；第三段速 度目的為旋塗機減速，確保旋塗機使用壽命。因此旋 塗條件：
第一階段：500 rpm，120 秒鐘；
第二階段：3000 rpm，60 秒鐘；
第三階段：500 rpm，5 秒鐘。
3. 軟烤(soft bake)。
立刻將剛旋塗完成之晶片，放置於熱墊板上，其 加熱方式為經由晶片至光阻之熱傳導方式，去除光阻 中的溶劑，同時，光阻亦會在軟烤期間流動，熱墊板 已事先校正水平度，因此平坦程度佳。再者，熱墊板 溫度由室溫加熱至95℃，溫度提升期間，力求熱墊板 溫度與晶片(包含光阻部分) 溫度相同，可採用多段式 加熱與持溫等方式可解決溫差現象，並得到不錯的效 果。因此軟烤條件：(本實驗室之熱墊板升溫速度為 3.3℃/分)
第一階段：由室溫加熱升溫至 50℃，持溫 5 分鐘；
第二階段：再由 50℃加熱升溫至 90℃，持溫 5 分鐘；
第三階段：由90℃加熱升溫至 95℃，持溫 15 分 鐘；
第四階段：經由95℃回溫至室溫。
4. 曝光定義第一道圖形(pattern)。
曝光的劑量可依光阻廠商所提供的處理流程與技 術資料往覆試驗，以求製程條件的最佳化，即視實驗 所需光阻厚度，計算出所需曝光劑量。經曝光後，檢 視此曝光劑量，在修正之，以得到製程最佳參數。若
以I-line (365nm)波段之曝光機能量密度 40mW/cm2為 例，則此光阻層必須曝光6 秒鐘。
5. 曝光後熱烤(以下簡稱曝後烤。post exposure bake, PEB)。
曝後烤目的為消除駐波效應與增加 SU-8 光阻之 交聯效應(crosslinking)。加溫過程中，仍然與軟烤方 式類似，即採用多段式加熱與持溫等方式解決溫差現 象，不同軟烤之處，在 50℃加熱升溫至 90℃之間，
增加70℃，使得加溫與回溫過程由原本四個階段增至 五個階段，而每階段持溫時間皆為2 分鐘。因此，曝 後烤條件：
第一階段：由室溫加熱升溫至50℃，持溫 2 分鐘；
第二階段：再由 50℃加熱升溫至 70℃，持溫 2 分鐘；
第三階段：自70℃加熱升溫至 90℃，持溫 2 分鐘；
第四階段：由 90℃加熱升溫至 95℃，持溫 2 分鐘；
第五階段：經由 95℃回溫至室溫。
6. 顯影。浸泡於 SU-8 之顯影液 PGMEA，其顯影時間 為3 分鐘，接著再浸泡於稀釋液(GBL thinner)中約 20 秒，異丙醇(IPA) 中約 1 分鐘，避免光阻殘留。
步驟二：(SU-8 旋塗與軟烤)
1. 旋塗 SU-8 光阻，厚度約 80 μm。旋塗條件為：
第一階段：500 rpm，120 秒鐘；
第二階段：1000 rpm，60 秒鐘；
第三階段：500 rpm，5 秒鐘。
2. 軟烤如同第一層 SU-8 光阻之多階段加溫與持溫軟烤 方式與條件。
步驟三：(第二道光罩曝光)
1. 曝光定義第二道圖形，以曝光機能量密度40mW/cm2 為例，則此光阻層必須曝光12 秒鐘。
2. 此時，不進行曝後烤、顯影等程序，晶片仍置於曝光 機上，本研究第二道與第三道光罩需同時完成曝光程 序後，再進行曝後烤、顯影等程序步驟。晶片置於曝 光機之目的在於易於第三道光罩對準。
3. 換下一道光罩，即第三道光罩。
步驟四：(第三道光罩曝光與曝後烤)
1. 精密計算第三道圖形所需曝光劑量。此光阻層必須曝 光6 秒鐘。曝後烤參數條件同步驟一之曝後烤條件。
2. 進行曝光與曝後烤程序，由光阻表面至下計算，完成 曝光後之結構厚度為 75μm。
步驟五：(顯影與掏空)
1. 浸泡於 SU-8 之顯影液 PGMEA，其顯影時間為 3 分 鐘，接著再浸泡於稀釋液(GBL thinner)中約 20 秒，
異丙醇(IPA) 中約 1 分鐘，避免光阻殘留。值得注意 的是顯影過程中，必須單一方向顯影，以防止微反射 鏡因顯影液或其他化學液體(如異丙醇)流動，受到損 壞。更不可使用超音震盪器進行顯影程序。
2. 應用 ICP-RIE 蝕刻矽晶片基板，使欲懸浮結構進行底
部掏空程序，深度約 10 μm。
步驟六：(濺鍍金屬)
濺鍍金屬如銅，厚度為5000Å，使電路、鏡面，具有導電、
反射光線之功能。製程條件：直流電壓(DC)為 420 伏特、功 率(Power)為 150 瓦特、背景壓力為之 5 x 10-6 Torr、製程壓力 為20 m Torr、氬氣流量為 8 sccm。
步驟五：顯影與掏空
步驟六：濺鍍金屬
步驟四：第三道光罩曝光與曝後烤 步驟三：第二道光罩曝光
步驟二；SU-8旋塗與軟烤 步驟一:第一道光罩微影
矽基板 未曝光之SU-8 已曝光之SU-8 金屬 圖3-20 全為 SU-8 厚膜製程之微光開關製作流程圖
再者，微致動器與微反射鏡結構材料為UV - LIGA 製程鎳電鑄結合 SU-8 厚膜製程之光開關，其製程流程圖，如圖3-21 所示。步驟說明如下：
步驟一：(第一道光罩微影)
1. 在矽晶片上分別長二氧化矽(SiO2) ／鍍鉻(Cr)／銅(Cu) 厚度約為 1μm、200Å 與 2000Å 之絕緣層與電鑄起始 層。
2. 旋塗 AZ P4620 光阻形成膜厚約 14.2μm。旋塗條件：
第一階段：500 rpm，5 秒鐘；
第二階段：1000 rpm，60 秒鐘；
第三階段：500 rpm，5 秒鐘。
3. 在 100℃熱墊板上進行軟烤程序，時間為 3 分鐘，而後 置於桌面，使其回溫至室溫。
4. 進行曝光程序，時間為 10 秒。
5. 使用 AZ 300MIF 顯影液顯影 3 分鐘後，於去離子水中 潤絲 3 分鐘。
步驟二：(鎳電鑄)
經 45℃脫脂處理 3 分鐘、酸洗處理 1 分鐘、…等電鑄程 序形成約 7μm 的鎳(Ni)金屬結構，並以丙酮去除 AZ P4620 光阻。
步驟三：(SU-8 旋塗與軟烤)
旋塗前需經電鑄前處理程序(如脫脂、酸洗)，以去除氧化 物及增加鎳電鑄結構與SU-8 之結合性。旋塗 SU-8 光阻，
厚度約 80μm。軟烤仍採用 SU-8 光阻之多階段加溫與持 溫軟烤方式與條件。
步驟四：(第二道光罩曝光)
1. 曝光定義第二道圖形，以曝光機能量密度 40mW/cm2 為例，則此光阻層必須曝光12 秒鐘。
2. 此時，不進行曝後烤、顯影等程序，晶片仍置於曝光機 上，本研究第二道與第三道光罩需同時完成曝光程序 後，再進行曝後烤、顯影等程序步驟。目的在於易於第 三道光罩對準。
3. 換下一道光罩，即第三道光罩。
步驟五：(第三道光罩曝光與曝後烤)
1. 精密計算第三道圖形所需曝光劑量。此光阻層必須曝光 6 秒鐘。曝後烤參數條件同全為 SU-8 厚膜製程光開關 步驟一之曝後烤條件。
2. 進行曝光與曝後烤程序，由光阻表面至下計算，完成曝 光後之結構厚度為 75μm。
步驟六：(顯影)
浸泡於 SU-8 之顯影液 PGMEA，其顯影時間為 3 分 鐘，接著再浸泡於稀釋液(GBL thinner)中約 20 秒，異丙 醇(IPA) 中約 1 分鐘，避免光阻殘留。值得注意的是顯影 過程中，必須單一方向顯影，以防止微反射鏡因顯影液或 其他化學液體(如異丙醇)流動，受到損壞。更不可使用超 音震盪器進行顯影程序。
步驟七：(蝕刻與掏空)
使用 Cr - 7 去除起始層，以蝕刻速率 1000~1500 Å BOE 蝕刻 SiO2時間約 6~10 分鐘，再應用 50 公克 HNA
藥劑配方為氫氟酸(HF)8.6 毫升(ml)、硝酸(HNO3)3.062 毫 升(ml)、醋酸(CH3COOH)53.8 毫升(ml)，蝕刻時間約 1.5 分鐘，蝕刻矽晶片基板，使欲懸浮結構懸空。
步驟一：第一道光罩微影
步驟二：鎳電鑄
步驟三：SU-8旋塗與軟烤
步驟四：第二道光罩曝光
步驟五：第三道光罩曝光與曝後烤
步驟六：顯影
步驟七：蝕刻與掏空
起始層 矽基板
已曝光之SU-8
鎳 未曝光之SU-8
SiO2 AZ P4620
圖3-21 UV-LIGA 製程鎳電鑄結合 SU-8 厚膜製程之製作流程圖
UV-LIGA 製程鎳電鑄結合 SU-8 厚膜製程實驗之初規劃，如圖 3-21 所示。在實驗過程中發現，微反射鏡缺乏支持外框支架，造成微反射鏡 存活率極低(約 1%)，若在旋塗 SU-8 光阻之前，將第二道光罩搭配 AZ P4620 光阻模穴與鎳電鑄香菇頭結構，如圖 3-22 步驟三所示，實驗結果 顯示微反射鏡存活率大為提高(約 90%以上)。
圖 3-22 為改良後製作流程圖與圖 3-21 差異，在圖 3-21 步驟二與 步驟三之間，增加AZ P4620 光阻模穴與鎳電鑄香菇頭結構製作程序，
完成電鑄後以丙酮去除光阻，如圖 3-22 步驟三，其他製作程序不作更 動。
步驟一：第一道光罩微影
步驟二：鎳電鑄
步驟四：SU-8旋塗與軟烤
步驟五：第二道光罩曝光
步驟六：第三道光罩曝光與曝後烤
步驟七：顯影
步驟八：蝕刻與掏空 步驟三：鎳電鑄
起始層 矽基板
已曝光之SU-8
鎳 未曝光之SU-8
SiO2 AZ P4620
圖 3-22 改良 UV-LIGA 製程鎳電鑄結合 SU-8 厚膜製程之製作流程圖
