矽基微加工製程與應用技術矽基微加工製程與應用技術

(1)

台灣師範大學機電工程學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-1-

矽基微加工製程與應用技術矽基微加工製程與應用技術

Si-Based Micromachining Technology and its Applications in Microsystem Field

楊啟榮博士

教授

國立台灣師範大學機電工程學系

Department of Mechatronic Engineering National Taiwan Normal University

Tel: 02-7734-3506 E-mail:[email protected]

-2-

綱綱要要

矽面型微加工與應用技術矽體型微加工與應用技術

-3-

矽面型微加工與應用技術矽面型微加工與應用技術

-4-

面型微加工＋體型微加工整合製程

CMOS MEMS製程

複合微加工技術面型微加工

技術

積體電路技術犧牲層結構釋放技術多層推疊技術薄膜技術

雷射微細加工高深寬比製程

電漿蝕刻反應性離子蝕刻離子銑削蝕刻濺擊蝕刻離子束蝕刻乾式

化學蝕刻技術

化學蝕刻電化學蝕刻光輔助電化學蝕刻濕式

蝕刻技術等向性蝕刻非等向性蝕刻蝕刻終止技術體型微加工

技術

矽基微加工

MEMS MEMS領域中微製造技術分類表

領域中微製造技術分類表

(2)

台灣師範大學機電工程學系 -5-

(必須放在最後步驟)

Process Flow

Process Flow of Surface Micromachining of Surface Micromachining Sacrificial layer release by selective etching Sacrificial layer release by selective etching

C. R. Yang, NTNU IMT

-7-

Process Flow

Process Flow of Surface Micromachining of Surface Micromachining

矽或玻璃

Sacrificial Sacrificial Floating

Floating _Poly-Si

SiO

₂

Al, Ti Poly-Si

Insulator Insulator

Si

₃

N

₄

, SiO

₂

(PECVD) Etchant BOE

Etchant _{PAE, H}

2

SO

₄

TMAH, KOH, EDP Si

₃

N

₄

, SiO

₂

(LPCVD)

(注意蝕刻選擇比的觀念 (

注意蝕刻選擇比的觀念)

)

-8-

LPCVD

LPCVD polysilicon polysilicon cantilever beams cantilever beams

Youngjoo Yee, Myoungkyu Park, and Kukjin Chun, JMEMS, 7(3) (1998) 339-344 Two-micron-thick polysilicon cantilever beams bent upward or downward by different values of residual stress gradient. (a) Upwardly bending beams were made from polysilicon as deposited by LPCVD at 625℃ without succeeding heat treatments, and the stress gradient is 42.8 MPa/m.

Downward bending beams show the stress gradient of 16.3 MPa/m, and this structural polysilicon

was deposited at 625℃ and doped and annealed at 850℃. Stress gradient was determined from

measuring the displacement of the free end by a laser interferometer.

(3)

-9-

Characteristics

Characteristics of Surface Micromaching of Surface Micromaching

利用不同材料間蝕刻率的選擇比(犧牲層技術)。

蝕刻為等向性，不似異方性蝕刻受晶向影響。

可以製作出各種形狀及用途的微結構。

與積體電路垂直製造整合(CMOS MEMS)，達到最小使用面積。

-10- B. E. Cole et al., Proceeding of the IEEE, 86(8), 1679-1686

IR Sensor

IR Sensor Based on CMOS Based on CMOS- -MEMS Surface Micromachining MEMS Surface Micromachining

Microemitter pixel

Fabrication process of microbolometer and microemitter IR image with 240×336 microbolometer camera

-11-

梳狀微致動器梳狀微致動器

微夾持器微夾持器

-12-

http://

http://mems.sandia.gov/scripts/memscam.asp mems.sandia.gov/scripts/memscam.asp

(4)

矽面型微加工之基本限制矽面型微加工之基本限制

吸附現象薄膜應力

表面形態學 (topography)

3-D 結構的限制

吸附

吸附 (stiction ( stiction) )現象現象

(b) 錨

基基基基

犧犧犧結結犧

(a)

蝕蝕犧犧犧

吸吸

吸附示意圖

預防吸附的方法預防吸附的方法

(b) 錨

基基基基

犧犧犧結結犧

(a)

蝕蝕犧犧犧

突突突

製作突出物減少吸附的發生

-15-

預防吸附的方法預防吸附的方法( ( 續) 續 )

-16-

預防吸附的方法預防吸附的方法( (續續) )

使整個微機械結構具斥水性 (hydrophobic) ，以及避免液體殘留在微機械結構與基板之間著 手，方法更是五花八門，例如以低表面張力的液體清洗之；將浸入甲醇 (methanol) 水溶液 的微結構結凍，爾後甲醇水溶液直接昇華；以 p-dichlorbenzene 清洗之，在真空中可以很 輕易的昇華；還有 t-butyl Alcohol 、液態二氧化碳 (CO2

) 等化學藥品，都可以用來減少吸

附的發生。

(5)

-17-

超臨界之乾燥原理超臨界之乾燥原理

臨界點:常見純物質有氣、固、

液三相，於氣-液共存時，液相 密度大於氣相密度，當系統溫度與壓力達到某一特定點時，

氣-液兩相密度趨於相同，合併 為一均勻相。

超過臨界點時，無論壓力如何增加皆無法使之液化，溫度如何升高亦無法使之返回氣相，

此高於臨界溫度與臨界壓力的

均勻相即稱為超臨界流體。 二氧化碳在超過高壓(74atm)與常溫(31℃)的狀 態下會呈現出超流體所具有的高溶解力與高滲透性的特質。

-18-

超臨界乾燥機之應用超臨界乾燥機之應用

結構圖案崩塌（Pattern Collapse）是一種因 潤濕液的表面張力太大，而圖案的間距太小或高深寬比所造成之現象，在微機電元件製造與晶片之奈米製程已成為愈來愈嚴重的課 題。超臨界CO₂ 乾燥法乃以液態CO₂ 置換潤 濕液或吸水劑(如甲醇)，然後加壓至超臨界態

，再緩慢降壓或降低密度至氣態，因此潤濕液可被乾燥卻不出現液氣共存界面，不會對結構圖案造成剪力破壞。

二氧化碳超臨界乾燥機

NTNU MOEMS Lab.

-19-

奈米柱狀陣列結構圖案崩塌奈米柱狀陣列結構圖案崩塌

-20-

結構釋放之結構釋放之結果結果

未處理之試片處理後之試片

(6)

台灣師範大學機電工程學系 -21- 薄薄

基基 (a)

(b)

基基

薄薄

薄膜與基板間因殘留應力而產生彎曲

(a) 薄膜受到壓應力 (b) 薄膜受到拉應力

薄膜應力現象薄膜應力現象

(b) 錨

基基基基

(a)

向向向向應應應應

薄薄A 薄薄B

沈積造成反向彎曲的薄膜抵消應力

薄膜應力的控制薄膜應力的控制

表面形態學牽涉到幾個方面，當設計兩層 2

µm

的多晶矽微機械結構時，整個表面輪 廓相差最大的高度將到達 4

µm

以上，如此不僅造成光阻塗佈與曝光的困難，影響到解析度與深寬比，而且後續沈積之薄膜時也會有階梯覆蓋的問題，所以設計愈多層的結構，將使製程變得窒礙難行，當然平坦化可以多少解決問題，例如旋塗式玻璃

(SOG)、磷矽玻璃(PSG)的回流與化學機械拋光 (CMP)等平坦化製成，但仍必須考慮

衍生之製程上的問題。

表面形態學表面形態學

注意表面輪廓差異

-23-

從面型微機械加工的“面型”兩字就知道這項技術有 3-D 結構的限制，因為薄膜是一層層 成長上去，厚度就有會被設備所限制，基本上只能在 2-D 結構上作變化，而多層犧牲層 與光罩的設計，層數愈多會有製程上的困難，不僅結構設計上的限制，微結構的運動方向也大部分侷限在水平方向。不過仍然有研究群突破限制，製作出可改變反射角度的微 反射鏡、微 Fresnel 透鏡等微光學系統，幾乎已經突破 3-D 的空間限制，並且藉由機構 上的設計，有效的將水平方向的動作轉換成垂直方向。

3 3- -D D 結構的限制結構的限制

-24-

Hinged structures

Schematic of the fabrication process for surface-micromachinined microhinges.

Ming C. Wu, UCLA

3 3- -D D 結構的限制與突破結構的限制與突破

R. S. Muller, Berkeley

(7)

-25-

http://www.omminc.com/mems.html

Dynamic focusing microlens Deformable micro mirror

2 X 2 FDDI optical switch

Free Space Integrated Optics Rotating micro mirror

-26-

(請自行從網站下載資料)

http://www.memscap.com/mumps/docu ments/PolyMUMPs.DR.v11.pdf

-27-

MUMPs

MUMPs Process guideline Process guideline

MUMPs (multi-user MEMS process)

是 Case Western Reserve University - MCNC

Electronic Techologies Division

所發展的幾種標準微機械加工製程，尤其是三層多晶矽面 型微機械加工製程 (three-layer polysilicon surface micromachining process) 、此製程提供 三層多晶矽，分別為底層導電層、中間、與上層之微機械結構層，主要犧牲層則是厚 2 µm 與 0.5 µm 的磷矽玻璃，同樣的磷矽玻璃具有在高溫下摻雜多晶矽的雙重功能，金屬圖案的 形成則利用到剝離技術，最後則利用 49 % 氫氟酸蝕刻犧牲層，以純水沖洗後浸入甲醇中 防止吸附，烘乾則是利用 110 °C 的烤箱烤 5 min ，另外也製作突出物來防止吸附。

-28-

Micromotor

Micromotor fabricated by MUMPs fabricated by MUMPs Process Process

(8)

台灣師範大學機電工程學系 -29- 台灣師範大學機電工程學系 -30-

-31-

-32-

(9)

-33- 台灣師範大學機電工程學系

-34-

-35-

PolyMUMPs

PolyMUMPs flow show flow show ( (動動畫畫展展示) 示 )

-36-

旋轉式微馬達旋轉式微馬達

Side- Side -drive drive micromotor micromotor

12 stators, 8 sliders

1

1 1 2 1

2 2 2

3

順時針轉：1→2→3；逆時針轉：3→2→1

(10)

http://www.memscap.com/en_mumps.html

矽體型微加工與應用技術矽體型微加工與應用技術

-39-

矽體型微加工與應用技術

矽材料的機械性質矽體型微加工技術

矽體型微加工技術的應用

溼式蝕刻乾式蝕刻

-40-

體型體型 vs. 面型矽微加工技術 vs. 面型矽微加工技術

(11)

-41-

Flow sensor

Accelerometer

V-groove Neural microprobe

Force sensor

矽體型微加工技術的應用矽體型微加工技術的應用

-42-

Mechanical properties of some basic thin film materials Mechanical properties of some basic thin film materials

These mechanical properties may depend on the deposition processes.

-44-

Three Working Planes of Silicon Substrates Three Working Planes of Silicon Substrates

Ref: Prof. Hsu, Tai-Ran, ITRI Lecture, Jan., 2001

(100) Plane (110) Plane (111) Plane

0.543 nm 0.768 nm 0.768 nm

0 .7 6 8 n m

x

y z

x

y z

x

y

Normal plane: Diagonal plane: Incline plane:

z

(12)

矽

矽濕式蝕刻技術濕式蝕刻技術

Silicon Wet Etching Technique Silicon Wet Etching Technique

Effects of mask geometry and agitation for isotropic wet etching

Isotropic Etching of Silicon Isotropic Etching of Silicon

Etchant:

HNA (HF, HNO

₃

, CH

₃

COOH) Room temperature (<50℃) Diffusion control

High etching rate (50 µ m/min) Undercut mask

Mask:

Au/Cr or Si

₃

N

₄

is good SiO

₂

is simple Undercut嚴重 Dimension定義嚴重失真

-47-

Anisotropic Etching of Silicon Anisotropic Etching of Silicon

Etchant:

KOH, TMAH, EDP, H

₂

N

₄

-48-

(110)

(100)

Anisotropic etching (KOH)

(13)

-49- (a) <100>矽矽矽

矽矽矽

54.75o (100)

(111) 二二二矽

或或二矽

(b) <110>矽矽矽矽矽矽

(100) (111) 二二二矽

或或二矽

單晶矽非等向性蝕刻

由上圖比較 <100> 與 <110> 矽晶片的非等向性蝕刻，假設光罩設定的形狀 為正方形或長方形，對 <100> 的晶片來說，既然 (111) 方向及 (100) 方向的 夾角為 54.75°，因此若光罩的寬度為 a ，蝕刻的深度為 t ，則蝕刻後底部 的寬度 b 為下式所示。

b = a - 2t cot (54.75°)

-50-

蝕刻液組成溫度

(°C) 蝕刻率

(µm/min) (100)/(111) 蝕刻率比值

摻雜硼蝕刻率降低倍數

蝕刻幕罩與 蝕刻率(nm/min)

KOH (water) KOH (isopropyl)

44 g 100 ml

50 g 100 ml

85 50

1.4 1.0

400:1 400:1

≥10²⁰cm^-3 降低20倍

二氧化矽(1.4) 氮化矽

ethylenediamine pyrocatechol (water) ethylenediamine pyrocatechol (water)

750 ml 120 g 100 ml 750 ml 120 g 240 ml

115

115 0.75

1.25 35:1

35:1

≥7×10¹⁹cm^-3 降低50倍

二氧化矽(0.2) 氮化矽,金,鉻, 銀,,銅,鉭

TMAH (water)

25 % 80 0.4 * ≥2.5×10²⁰cm^-3

降低40倍

二氧化矽

H₂N₄ (water, isopropyl)

100 ml 100 ml

100 2.0 * 無相關性 二氧化矽,鋁

NaOH (water)

10 g 100 ml

65 0.25-1.0 * ≥3×10²⁰cm^-3

降低10倍

二氧化矽(0.7) 氮化矽

蝕刻液組成與蝕刻特性蝕刻液組成與蝕刻特性

-51-

Etching apparatus Etching apparatus

temperature controller water out

water in

pump water

hot plate thermal

couple

wafer etchant water nitrogen in

-52- 氣氣

氫二二氫 80 C 33%o 矽矽

保保保保

加加加

溫溫控控加溫溫溫溫加

攪攪加恆溫槽

Etching apparatus Etching apparatus

磁石攪拌槽

超音波攪拌槽

(14)

Effects of surfactants

Effects of surfactants on silicon anisotropic on silicon anisotropic etching properties in TMAH solutions etching properties in TMAH solutions

10 wt% TMAH 30 wt% KOH

Defects induces from ultrasonic agitation

Topology of etched surfaces in 90℃, 10 wt. % TMAHsolution at various etching conditions: (a) no agitation, (b)~(d) ultrasonic agitation.

( a ) no agitation, Ra 100 nm ( b ) 50W, Ra 46.1 nm

( c ) 100W, Ra 33 nm ( d ) 150W, Ra 26 nm

台灣師範大學機電工程學系 -54- Topology of etched surfaces in 90^oC, 10 wt. % TMAH solutions with various

ion-typed surfactants:(a) no agitation , (b) anionic MA, (c) cationic DC and (d) non-ionic BR.

(a) Ra 100 nm

(c) Ra 3.5 nm (d) Ra 20 nm

(b) Ra 200 nm

-55-

Corner Compensation Corner Compensation

EDP etchant KOH etchant

-56-

(15)

-57-

Corner Compensation ( Corner Compensation ( 續) 續 )

Mask layout for various convex corner compensation structure Source: M. Madou, Fundamentals of Microfabrication

-58-

Mesa microstructures etched in TMAH-BR solution and pure solution without using the corner compensation technique.

Pure TMAH

BR-Added

-59-

TMAH-BR for etching depth of 300 µm

Microchannel used for fuel cell fabrication

-60-

蝕刻終止技術蝕刻終止技術

Etching stop technology Etching stop technology

矽矽矽薄薄

二二二矽

薄薄氫二二氫

(a) 薄膜蝕刻終止 (b)

摻雜濃度蝕刻終止

必須使用雙面拋光晶片

矽矽矽 p+ 單矽矽

二二二矽

p+ 微結結氫二二氫

(a) (b)

蝕刻率與摻雜物質的型態及摻雜濃度有關 (摻雜硼蝕刻率降低、摻雜磷蝕刻率上升)

(16)

壓阻式壓力計壓阻式壓力計

易於以摻雜方式製作出壓阻，配合惠氏電橋靈敏度高，精確度及穩定性亦不錯，最重要的是其製作成本低，但易受外界應力影響且較耗電。

壓阻式壓力感測器基本結構壓阻式壓力感測器基本結構

低應力之超大薄膜低應力之超大薄膜

可用以製作X-ray曝光用光罩

-63-

Low energy x

Low energy x- -ray mask fabrication process ray mask fabrication process

Source: J. Klein et al., Microsystem Technologies, 4 (1998) 70-73

-64-

Electrochemical (P

Electrochemical (P- -N junction) etch stop N junction) etch stop

(17)

-65-

隔薄懸懸懸

金金金結結皺皺結結

微微微結結碗皺結結

經由摻雜濃度的改變與摻雜區域的控制、蝕刻液的選擇以及選擇適當的蝕刻終 止技術，逐漸發展出摻雜選擇性蝕刻 (doping selective etching) ，可以製作出隔 膜、懸臂樑、金字塔型、皺狀 (corrugated) 、探針、碗狀等特定微機械結構。

利用選擇性蝕刻、蝕刻終止技術所得之各種不同形狀之微結構

-66- Si₃N₄

Si

(b) 微影及用RIE蝕刻Si

₃

N

₄

(c) 在KOH蝕刻液中蝕刻

Si PR Si₃N₄

Si Si₃N₄

(a) LPCVD沉積Si

₃

N

₄

-67-

矽體型微加工之基本限制矽體型微加工之基本限制

3-D 結構的限制

蝕刻保護的必要性應力問題

製程的殘留應力

(高溫製程、薄膜沈積、薄膜改質)

膜薄間因熱膨脹係數不同所造成的殘留應力

-68-

受限於單晶矽的鑽石立方結晶，蝕刻出來的角度是特定而無法改變的，不能蝕刻出特殊形狀的微結構，所以設計元件時就得考慮結構上的基本限制。

3- 3 -D D 結構的限制結構的限制

(18)

蝕刻保護的必要性蝕刻保護的必要性

矽矽矽

元元保保犧

矽矽矽元元元元元元元蝕蝕

氫二二氫蝕蝕

二二二矽

氫氧化鉀從側壁滲入破壞元件

正正元元

矽矽矽螺螺懸螺

O-ring 二二二矽

壓壓應或壓壓壓保保

利用鐵氟龍或壓克力夾具保護正面的元件鐵氟龍夾具

Heavily Boron Doped Silicon Layer Microstructures

未經處理之P⁺

layer (高應力形變)

經退火處理之P⁺

layer (低應力形變)

中區微機電中心技術資料

-71-

(續 (

續)

)

方維倫等人, 控制微懸臂結構曲度之原理與製程, 第十五屆機械工程研討會 由PECVD氮化矽薄膜，及數種後處理方式製成

之微懸臂樑之形變流程圖

殘留應力造成結構變形

利用熱處理改變應力梯度

熱處理後再加上氧化矽膜

(高溫爐管氧化)

氮化矽薄膜

500℃, 4hrs, 200MPa -600~700 MPa

控制熱處理溫度時間

、薄膜厚度可改變懸臂樑的曲度

-72-

矽

矽乾式蝕刻技術乾式蝕刻技術

Silicon Dry Etching Technique

(19)

-73-

High

High- -aspect aspect- -ratio, Anisotropic Silicon Etching ratio, Anisotropic Silicon Etching Techniques Techniques by Inductively by Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching (ICP

Coupled Plasma Reactive Ion Etching (ICP- -RIE) RIE)

Mask材料選擇的原則：高選擇比, 蝕刻深度, 非等向性…

感應耦合電漿之高深寬比非等向性矽蝕刻技術感應耦合電漿之高深寬比非等向性矽蝕刻技術

mask PR, metal, Si

₃

N

₄

, SiO

₂

, Si, Polysilicon…...

substrate PR, metal, SiO

₂

, Si, Polysilicon…...

Plasma

etch stop

-74-

STS’s ASE (Advanced Silicon Etch) Process (Bosch Patent)

交替蝕刻與高分子鈍化過程

(C

₄

F

₈

/SF

₆

)：

1. 矽壁沈積鈍化高分子

C

₄

F

₈被電漿分解成活性機，並進行高分子沈積反應，使壁上形成鈍化膜

2. 矽底部的高分子與矽被蝕刻

SF

₆被電漿分解成F^-，先蝕刻鈍化膜再蝕刻Si

3. 交替反覆，平衡鈍化沈積與蝕刻步驟

選擇適當的反應氣體，以維持蝕刻與鈍化的平衡沈積膜必須具有良好的一致性，並足以保護側壁 silicon

mask

Sidewall polymeric passivation (nCF₂)

( a )

nCF_x⁺ nCF_x^-

nCF_x^- nCF_x⁺

silicon

mask Sidewall polymeric passivation (nCF₂)

( b )

CF_x

F^- SiF_x SF_x⁺

SF_x⁺

Source: 鍾震桂等人, 第三屆奈米工程暨微系統技術研討會, 新竹, (1999)

Alternating etch and polymerization process

-75-

Silicon trenches 80 µm deep 4.5 µm space width 2 µm line width Aspect ratio=18:1

http://www.stsystems.com/ase.html#ase SiO

₂

mask

Deep Reactive Ion Etching (DRIE) Deep Reactive Ion Etching (DRIE)

Rimple Rimple現象

現象

鏡面品質鏡面品質

垂直結構側壁放大圖

-76-

凹面型微光柵元件凹面型微光柵元件

ITRC

(20)

MCNC, USA

Comb-driver Nested Gears

Micromotor Gyroscope

Dry Release Process ( I ) Dry Release Process ( I )

-79-

Dry Release Process ( II ) Dry Release Process ( II )

Application of XeF

₂₂

to isotropically to isotropically etch bulk silicon etch bulk silicon

Metal structure released by XeF

₂

based etching of

a sacrificial polysilicon interlayer XeF

₂

release etch process

-80-

穿孔蝕刻與垂直導線電鑄技術在晶圓級封裝之應用

(21)

-81-

Applications of high

Applications of high- -aspect aspect- -ratio Si structures ratio Si structures

3D IC interconnect package Through Silicon Via (TSV) Si

-82-

矽內連金屬導線與金屬陣列結構之製作矽內連金屬導線與金屬陣列結構之製作

電化學蝕刻矽穿孔(Through-silicon via, TSV)結構 電鑄填孔結構(已去除矽基材)

TSV為直通矽晶穿孔封裝技術，是一種能讓3D封裝遵循摩爾定律(Moore's Law)演進的互連

技術，其設計概念是來自於印刷電路板(PCB)多層化的設計，TSV可像三明治一樣堆疊數片 晶片，是一種可以電力互相連接的三次元堆疊封裝(Stack Package)，TSV使2D平面晶片配 置技術演進至3D堆疊技術，並且已經開始在生產線上運作。TSV 立體堆疊技術，包含晶圓 的薄化、鑽孔、以導電材質填孔、晶圓連接等，將所有晶片結合為一。

-83- (a)

Si

Si SiO2

(b)

PR

(c)

DRIE trenches

(d)

HF etching

(e)

metallisation

(f)

assembly

SOI (Silicon on insulator) SOI (Silicon on insulator) Fabrication Process Fabrication Process

-84- Cornel Marxer and Nicolaas F. de Rooij J. of Lightwave Technology, 17(1), 2-6, 1999

DRIE Bulk Micromachining for Optical Switch DRIE Bulk Micromachining for Optical Switch

(SOI Fabrication Process)

(22)

Hybrid Micromachining Hybrid Micromachining

Hybrid Micromachining ( I ) Hybrid Micromachining ( I )

Welham, Gardner, and Greenwood, 199)

-87-

Hybrid Micromachining ( II ) Hybrid Micromachining ( II )

(a) USG CVD contact hole RIE.

(b) Ti/TiN sputtering, RIE patterning.

(c) Anisotropic etching (EDP).

(d) PVDF pyroelectric film deposition.

(e) Au-black evaporation.

Process flow of the IR image sensor.

Ref: N. Fujitsuka, etc. Transducer’97.

-88-

矽基微光學元件製作技術

(23)

-89- V-型溝槽結構已廣泛應用於光纖陣列晶片(fiber array chip)中的光纖放置與固定結構，即 為業界一般通稱的V-grooved。

一整組V-grooved封裝完成的成品，包括V-grooved、帶狀光纜(ribdon)、分線盒、光接頭 等，其價格至少在200美元以上。

V-grooved的潛在應用包括陣列波導(AWG) 、DWDM、OXC、光開關、MEMS等，因此 其市場效益普遍受到國內外光通訊、光電、微機電廠商的重視。

Bulk Micromachining for Optical Devices Fabrication Bulk Micromachining for Optical Devices Fabrication

-90-

-91-

Micro-optical bench on top of a micromachined Si wafer Scheme of optical bench

-92-

光罩在水平面上 (z-軸) 轉動的角度對非等 向性蝕刻也會有影響，如下圖以 <100> 的 晶片為例，當長方形或正方形光罩的邊緣 和晶片的大平邊垂直，亦即與 (110) 方向平 行時，理所當然會將晶片蝕刻出具 54.75°

的夾角，但若光罩的邊緣和 (110) 方向呈一 角度時，蝕刻出的角度會隨之變化，當角 度到達 45°時，可以蝕刻出垂直的溝渠。

因為 (110) 晶片比較少不容易買到，所以當 製程中需要製作垂直的溝渠時，其實可以 利用 (100) 晶片改變曝光角度為 45°，達到製作垂直壁的目的，不過在轉角處則會出 現 (111) 面，所以必須在光罩上做適當的補 償 (Compensation)有限度克服之。

<100>矽矽 <100>矽矽

光光光光

90 45

氫二二氫蝕蝕

二二二矽二二二矽

(a) (b)

<100> 晶片上光罩方向對蝕刻截面的影響

晶片上光罩方向對蝕刻截面的影響晶片上光罩方向對蝕刻截面的影響

(24)

晶片上光罩方向對蝕刻截面的影響晶片上光罩方向對蝕刻截面的影響

(續 (

續)

)

軟體模擬的結果實際蝕刻的結果

晶片上圖案旋轉法＋

晶片上圖案旋轉法＋使用添加劑法使用添加劑法

45 45 ^o ^o Mirror Mirror 的製作方法的製作方法

KOH+IPA

TMAH+IPA TMAH+Triton

-95- Top MOEMS

substrate Si{111}micromirror

Polmer bump Alignment

pedestal GaAs MSM photodetectors

Optic fiber Pressure

Contact metal pads Flip-chip bonding

Pre-heated substrate Diced photodetector

flip-chip

Alignment pedestal

bump Micromachined

Conductive Polymer bump

Hot plate (~170 ℃)

-96-

垂直矽鏡面於光干涉儀之應用垂直矽鏡面於光干涉儀之應用

H. Toshiyoshi, Optical MEMS, UCLA, (2002).

Y. Uenishi, M. Tsugai, and M. Mehregany, J. Micromech. Microeng., 5, 305 (1995).

(25)

-97-

Assembled microswitch with 200μm-tall mirror

A. A. Yasseen et al., IEEE MEMS., 116-120 (1998)

DRIE Bulk Micromachining for Optical Switch DRIE Bulk Micromachining for Optical Switch

-98-

複合製程技術複合製程技術- -1 1

Electromagnetic Torsion Mirror

Ref: Toshiyoshi et al., Journal of selected topics in quantum electronics, 1999.

-99-

複合製程技術複合製程技術- -2 2

M. Mita, P. Helin, D. Miyauchi, H. Toshiyoshi, and H. Fujita, Transducers’ 99, 332 (1999).

-100-

微機電製程於可調光衰減器之研製微機電製程於可調光衰減器之研製

Variable optical attenuator (VOA) fabricated using MEMS process Variable optical attenuator (VOA) fabricated using MEMS process

臺灣師大機電所、台灣科大電子所

研

研究究動動機機

利用低成本單晶矽晶片，以感應耦合電漿離子蝕刻(ICP-RIE) 技術與一道光罩製程，開發三種MEMS-based VOA元件。

(26)

微機電式VOA 微機電式 VOA製作技術製作技術

(1) 面型微加工技術

(2) 體型微加工技術 (3) SOI製程技術

W. Noell et al., J. on selected topics in quantum electronics, 8, 148, 2002 X. M. Zhang et al., Electronics Letters, 38, 32, 2001 A. Q. Liu et al., Transducer ’01, 1314-1317, 2001

C. Marxer et al., J. Microelectromech. Syst., 6, 277, 1993

設計一：微面鏡前後移動式設計一：微面鏡前後移動式

微面鏡前後移動式原理示意圖

input

fiber

output fiber

mirror mirror mirror

實際光罩圖

^U-groove

局部放大圖

electrode

comb driver

spring

mirror

-103-

軸心偏移軸心對準

push

設計二：光纖不對準式設計二：光纖不對準式

光纖不對準式原理示意圖

實際光罩圖局部放大圖

electrode spring comb driver

U-groove mirror

擋塊

-104-

A B

可動電極(mirror)

固定電極 _A

v

B

設計三：微面鏡轉動式設計三：微面鏡轉動式

微面鏡轉動式原理示意圖

A B

v v

electrode

U-groove

實際光罩圖局部放大圖局部放大圖

spring

擋塊

mirror

(27)

-106-

微面鏡前後移動式VOA之SEM圖 微面鏡之SEM圖

設計一：微面鏡前後移動式設計一：微面鏡前後移動式VOA VOA

插入損失大之原因：微面鏡表面粗糙度不均勻光纖與微面鏡之間的距離

-107-

設計二：光纖不對式設計二：光纖不對式VOA VOA

光纖不對準式VOA之SEM圖

不需經過微面鏡反射，

插入損失小於0.5dB

靜電致動力太小，

無法推動光纖優點：

缺點：

-108-

微面鏡轉動式VOA之SEM圖 彈簧結構之SEM圖

設計三：微面鏡轉動式設計三：微面鏡轉動式VOA VOA

擋塊目的：避免短路

增加電極間間距；

提高驅動電壓；

尺寸太小，無法負荷高電壓缺點：

(28)

+ -

1Hz

TV監視器

訊號產生器電壓增幅器示波器

PC擷取影像

儲存系統長工作距離顯微鏡

待測晶片

工作平台探針棒

電性驅動量測電性驅動量測

電性驅動量測系統

微面鏡前後移動式光纖不對準式

電性驅動量測實際影像圖電性驅動量測實際影像圖

-111-

微面鏡前後移動式光纖不對準式

電性驅動量測實際影像圖電性驅動量測實際影像圖

-112-

光學特性量測結果光學特性量測結果設計一：微面鏡前後移動式設計一：微面鏡前後移動式

-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8

0 8 16 24 32 40 48 56

Volt (V)

Attenuation (dBm)

驅動電壓 vs.衰減量

Insertion loss: 8dB Dynamic range: 12dB Average resolution: 0.32dB/V

梳狀電極致動器之SEM圖

電極寬度：5 μm 電極間相互重疊面積驅動起始電壓

(29)

-113-

高斯光束傳播示意圖 1 / 2 2

0 2

0

1 z

w w w λ π

   

 

=



+

  

λ：傳播波長 z：光束傳播距離

w：在距離z上光點半徑大小

w0：光纖初始端之光束半腰寬

高斯光束距離與光點大小關係曲線圖實際設計：

z：142 μm

w

：8.85 μm

插入損失之探討：光纖至微面鏡間的距離插入損失之探討：光纖至微面鏡間的距離

U-groove Mirror

80um 71um

~125um

6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5

0 50 100 150

Displacement (um)

Beam waist (µm)

λ：1550 nm

●

(71,7.3)

(142,8.85)

-114-

插入損失之探討：微面鏡表面粗糙度插入損失之探討：微面鏡表面粗糙度

(4 cos / )

2

1

ⁱ

scat tot

P e

P

πσ θ λ

= − −

Pscat：散射光能量

P

tot：反射光總能量

λ

^{：入射光波長}

θ

i ：入射角

σ ：表面粗糙度的均方根值(RMS)

1 2 3 4 5 6 7 8

0 50 100 150 200 250

Attenuation (dB)

Surface Roughness (nm)

表面粗糙度與光散射損失理論曲線圖

J. Li et al., Sensors and Actuators A, 102, 286, 2003

-115-

結結論論

設計三種VOA，分別為微面鏡前後移動式、光纖不對準式和光纖轉動式 微面鏡前後移動式：

插入損失為8dB，動態範圍為12dB。

插入損失大的主要原因：1. 表面粗糙度的不平滑

2. 光纖至微面鏡之間的距離

光纖不對準式VOA：

插入損失<0.5dB，但致動力太小，無法推動光纖。

光纖轉動式VOA：

電極間距太大，導致驅動電壓太大。

-116-

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