台灣師範大學機電科技學系 -1-
微機電製程技術與其在奈米科技之應用 微機電製程技術與其在奈米科技之應用
MEMS fabrication process and its application to nanotechnology
楊 啟 榮 博士
副 教 授
國立台灣師範大學 機電科技學系
Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University
Tel: 02-23583221 ext. 14 E-mail:[email protected]
台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
綱 綱 要 要
z
微機電系統技術的重要性z
微機電製程技術—
矽基微加工 vs. 非矽基微加工技術z
微機電製程在奈米科技之應用—
微反應器應用於量子點合成之研究z
結論台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
-3-
根據興趣專長選擇研 究方向
z
Optical MEMS
z
Bio-MEMS
z
RF-MEMS
z製程、元件、封裝..
分析模擬與最佳化設計 軟體
z
ANSYS
z
CoventorWare
z
IntelliSuite
z
MEMS Pro
z計算流體力學軟體(CFD) z
……
可支援單位
z自有實驗室
z國實院高速電腦中心
z國科會北中南NEMS中心 z工研院各所
z中科院五所
z個別教授研究室
z私人公司
z
……
元件光罩圖案(Layout) 設計軟體
z
CADENCE
z
L-EDIT
z
AUTOCAD
z
……
轉檔成GDS格式 送件光罩製作單位
z交大奈米中心
z 國家奈米元件實驗室 z台灣光罩
z新台科技
z膠片光罩……
製程、封裝、檢測可支援單位
z自有實驗室
z國科會北、中、南NEMS中心 z國家奈米元件實驗室(NDL) z國實院儀器科技研究中心(ITRC) z國家同步輻射研究中心(NSRRC) z國實院晶片系統設計中心(CIC) z交通大學奈米中心
z 國科會貴儀中心 z工研院各所 z中科院五所 z個別教授研究室 z私人公司
zMUMPs代工(國外)
zMPMC代工 (中區NEMS中心) z
……
MEMS MEMS領域研究流程圖
領域研究流程圖台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
微機電系統技術的重要性 微機電系統技術的重要性 ( I ) ( I )
z
超「輕、薄、短、小」z
高附加價值z
符合環保、省能源z
省空間、省材料等 實現產品以下之優點:實現產品以下之優點:
質譜儀
70 Kg, 30000 cm3, 1200 W Europa Scientific, UK
微質譜儀晶片
0.2 Kg, 3 cm3, 0.5 W DARPA, USA 微機電系統技術
台灣師範大學機電科技學系 -5-
整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件 整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件
感測器
sensors
致動器
actuators
電子電路
circuits
微結構
microstructure
致動器actuators
驅動迴路
driver
力感測器
force sensor
電子電路
circuits
雷射偵測器
laser detector
訊息控制迴路
communication
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微機電系統名稱分類與應用領域 微機電系統名稱分類與應用領域
美 國:Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) 日 本:Micromachines
歐 洲:Micro-Systems Technology (MST)
MEMS applications:
-
Optical MEMS (光學應用)MOEMS: Micro Opto Electro Mechanical Systems MOMS: Micro Opto Mechanical Systems
-
Bio MEMS (生化醫學應用)μTAS:Micro Total Analysis System LOC:Lab. On a Chip
-
RF MEMS (無線通訊應用)台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
-7-
Source: NEXUS III, http://nexus-mems.com/
*Other are: microreaction, chip cooler, MEMS memories, liquid lenses, microspectrometer, wafer probes, micro-mirrors for optical processing, micro-pumps, micromotors, chemical analysis systems
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奈米碳管奈米碳管
AFM探針 AFM
探針H. Dai et al., Nature 384, 147, 1996.
微機電技術是奈米科技跨入應用的橋樑 微機電技術是奈米科技跨入應用的橋樑…………
微機電系統技術的重要性
微機電系統技術的重要性 ( II ) ( II )
台灣師範大學機電科技學系 -9-
探 探 針 針 陣 陣 列 列
探針陣列可做平行式掃描,大幅提昇掃描速度,並可應用於大面 積加工。(左: http://www.stanford.edu/group/quate_group;右:
http://www.almaden.ibm.com)
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探針陣列於奈米硬 探針陣列於奈米硬
碟之應用 碟之應用
http://www.almaden.ibm.com
IBM奈米硬碟千足計畫(Millipede project)
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微機電製程技術 微機電製程技術
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基礎IC 基礎 IC製程技術 製程技術
台灣師範大學機電科技學系 -13-
國家奈米元件實驗室 http://www.ndl.org.tw
半導體積體電路製程介紹碟片 半導體積體電路製程介紹碟片
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薄膜沉積 薄膜沉積
Chemical Vapor Deposition (CVD)
Chemical Vapor Deposition (CVD)z
PECVD
z
LPCVD
z
APCVD
z
MOCVD
(光電薄膜沉積)台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
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Sputtering Sputtering
Physical Vapor Deposition (PVD) Physical Vapor Deposition (PVD)
Joule heat or Electron beam Joule heat or Electron beam
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基板
光罩 光阻 紫外光曝光
薄膜
基板 基板
薄膜
正光阻 顯影 負光阻
薄膜
基板 薄膜
蝕刻
薄膜 基板
基板 薄膜
光阻去除
薄膜 基板
正、負光阻微影製程示意圖
黃光微影製程
黃光微影製程
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光阻的微影程序 光阻的微影程序
Dehydration Bake
resist resist
Vacuum Spin Coating
Soft Bake
Exposure UV
Post Exposure Bake
Vacuum Spin Drying
Hard Bake 10-15min @ 250℃
(optional)
? min @ ?℃
? dosage/?thickness Development
(agitation)
? min @ ? ℃
(Rinse)
(Priming)
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濕式蝕刻法 乾式蝕刻法
溼式與乾式蝕刻 溼式與乾式蝕刻
電 漿
蝕刻 遮罩層 結構層
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Cr-7
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熱製程 熱製程
熱氧化處理需要在高溫爐管區中進行,爐內溫度控制在800 - 1000℃。矽晶圓在爐內高 溫環境下,晶圓表面會與通入爐管內之氧氣作用而形成二氧化矽膜(SiO2
)。
氧化矽成長 氧化矽成長
SiO2
Si
(a) 熱氧化成長SiO2
(b) 微影及BOE蝕刻SiO2
Si SiO2 PR
Si
(c) TMAH蝕刻液中以不同操作條件蝕刻 SiO2
氧化矽作為蝕刻遮罩 氧化矽作為蝕刻遮罩
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NMOS PMOS
離子摻雜(doping)離子摻雜
(doping)的目的
的目的台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
擴散法
擴散法(diffusion)(diffusion) 離子植入(Ion implantation)
離子佈植是將所需的摻雜元素(如砷)電離 成正離子,並施加高偏壓,使其獲得一定 的動能,以高速射入矽晶圓的技術。
擴散時摻雜物質經由氣體帶入爐管中,藉 由一定時間的高溫擴散,擴散為所需的濃 度分佈曲線。
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-23-
substrate resist
(a) Define resist
(b) Metal deposition
Metal source
Acetone
(c) Strip resist
掀離法製作金屬圖案技術 掀離法製作金屬圖案技術
Construction of metallization patterns by life
Construction of metallization patterns by life- -off process off process
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矽基微加工技術 矽基微加工技術
z
z
面型矽微加工面型矽微加工(Surface micromachining) (Surface micromachining)
z z
體型矽微加工體型矽微加工(Bulk micromachining) (Bulk micromachining)
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(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
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Process Flow
Process Flow of Surface Micromachining of Surface Micromachining
Sacrificial
Sacrificial Floating Floating
Poly-Si
SiO
2BOE
Al,Ti PAE, H
2SO
4Si
3N
4, SiO
2(PECVD)
Etchant Etchant
Poly-Si TMAH, KOH, EDP Si
3N
4, SiO
2(LPCVD)
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梳狀微致動器 梳狀微致動器
旋轉式微馬達 旋轉式微馬達
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矽面型微加工之基本限制 矽面型微加工之基本限制
z
吸附現象z
薄膜應力z
表面形態學 (topography)z 3-D 結構的限制
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吸附 吸附 (stiction ( stiction) )現象 現象
(b) 錨
基板 基板
犧牲層 結構層
(a)
蝕刻犧牲層
吸附
吸附示意圖
預防吸附的方法 預防吸附的方法
(b) 錨
基板 基板
犧牲層 結構層
(a)
蝕刻犧牲層
突出物
製作突出物減少吸附的發生
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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。台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
-31- 薄膜
基板 (a)
(b)
基板
薄膜
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
基板 基板
(a)
向上彎曲 應力抵消
薄膜A 薄膜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
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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
台灣師範大學機電科技學系 -33-
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
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(請自行從網站下載資料)
http://www.memsrus.com/documents/PolyMUM Ps.DR.v11.pdf
國外
國外MEMS
MEMS代工服務
代工服務…… MUMPs
MUMPs ( multi ( multi- -user MEMS process ) Process user MEMS process ) Process
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Micromotor
Micromotor fabricated by fabricated by MUMPs MUMPs Process Process
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矽體型微加工與應用技術
z
矽材料的機械性質z
矽體型微加工技術溼式蝕刻
乾式蝕刻
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Flow sensor
Accelerometer
V-groove Neural microprobe
Force sensor
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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.
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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
Normal plane: Diagonal plane: Incline plane:
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矽濕式蝕刻技術 矽 濕式蝕刻技術
Silicon Wet Etching Technique Silicon Wet Etching Technique
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Effects of mask geometry and agitation for isotropic wet etching
Isotropic Etching of Silicon Isotropic Etching of Silicon
z
Etchant:
HNA (HF, HNO
3, CH
3COOH)
zRoom temperature (<50℃)
z
Diffusion control
z
High etching rate (50μm/min)
z
Undercut mask
z
Mask:
Au/Cr or Si
3N
4is good SiO
2is simple
z
Undercut嚴重
z
Dimension定義嚴重失真
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-43-
Anisotropic Etching of Silicon Anisotropic Etching of Silicon
z Etchant:
KOH, TMAH, EDP, H2N4
(110) (100)
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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
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Etching apparatus Etching apparatus
temperature controller water out
water in
pump water
hot plate
thermal couple
wafer etchant water nitrogen in
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Corner Compensation Corner Compensation
EDP etchant KOH etchant
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-47-
台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
Mesa microstructures etched in TMAH-BR solution and pure solution without using the corner compensation technique.
Pure TMAH
BR-Added
(添加劑)
台灣師範大學機電科技學系 -49-
蝕刻終止技術 蝕刻終止技術
Etching stop technology Etching stop technology
矽晶片 薄膜
二氧化矽
薄膜 氫氧化鉀
(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
矽晶片 p+ 單晶矽
二氧化矽
p+ 微結構 氫氧化鉀
(a) (b)
蝕刻率與摻雜物質的型態及摻雜濃度有關
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隔膜 懸臂樑
金字塔結構 皺狀結構
微探針結構 碗狀結構
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
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-51- Si3N4
Si
(b) 微影及用RIE蝕刻Si3N4
(c) 在KOH蝕刻液中蝕刻
Si PR Si3N4
Si Si3N4 (a) LPCVD沉積Si3N4
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矽體型微加工之基本限制 矽體型微加工之基本限制
z 3-D 結構的限制
z
蝕刻保護的必要性z
應力問題製程的殘留應力
(高溫製程、薄膜沉積、薄膜改質)
膜薄間因熱膨脹係數不同所造成的殘留應力
台灣師範大學機電科技學系 -53-
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
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蝕刻保護的必要性 蝕刻保護的必要性
矽晶片
元件 保護層
矽晶片 元件經由側壁被蝕刻
氫氧化鉀蝕刻
二氧化矽
氫氧化鉀從側壁滲入破壞元件
正面元件
矽晶片 螺絲懸緊
O-ring 二氧化矽
壓克力或鐵氟龍夾具
利用鐵氟龍或壓克力夾具保護正面的元件
鐵氟龍夾具
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-55-
薄膜應力的控制 薄膜應力的控制
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
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矽乾式蝕刻技術 矽 乾式蝕刻技術
Silicon Dry Etching Technique
Silicon Dry Etching Technique
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感應耦合電漿蝕刻(ICP-RIE)系統,
PIDC
反應性離子蝕刻(RIE)系統,
NTNU MOEMS Lab.
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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
3N
4, SiO
2, Si, Polysilicon…...
substrate PR, metal, SiO
2, Si, Polysilicon…...
Plasma
etch stop
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-59-
STS’s ASE (Advanced Silicon Etch) Process
(Bosch Patent)交替蝕刻與高分子鈍化過程
(C
4F
8/SF
6):
1. 矽壁沈積鈍化高分子
C
4F
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Si3. 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 )
nCFx+ nCFx-
nCFx- nCFx+
silicon
mask Sidewall polymeric passivation (nCF2)
( b )
CFx
F- SiFx SFx+
SFx+
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
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MCNC, USA
Comb-driver Nested Gears
Micromotor Gyroscope
台灣師範大學機電科技學系 -61-
Dry Release Process Dry Release Process
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(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
台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
-63- 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)
台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
非矽基微加工技術 非矽基微加工技術
z
LIGA與LIGA-Like製程與應用技術z
SIGA製程與應用技術z
軟式微影製程與應用技術台灣師範大學機電科技學系 -65-
2. 顯影
4. 金屬模仁
6. 脫模
Mould cavity Resist structure
Plastic structure
5.模造 3. 電鑄 1. 光刻
Plastic (moulding compound)
Metal Resist structure
Electrical conductive base plate Base plate Absorber structure Maskmembrane
Resist
Source: Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM), Germany
Li thographie:
光刻G alvanoformung:
電鑄A bformung:
模造LIGA製程: LIGA 製程:
MCNC, USA
IMM, Germany
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LIGA
LIGA 製程 製程 vs. 類 vs. 類LIGA LIGA 製程 製程
光刻源的差異
LIGA 製程:
同步輻射X光類LIGA 製程:低成本替代性光源
z
加工深度數mm、次微米級精度、深寬比>100
z
同步輻射光源為一龐大且昂貴的設備
z
X-ray 光罩製作複雜且成本高
z
加工深度≦ 1mm、微米級精度、深寬比≦50
z
紫外光–厚膜光阻微影製程
z
準分子雷射
z
反應性離子蝕刻
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-67-
Synchrotron Radiation Research Center (for LIGA process) Synchrotron Radiation Research Center (for LIGA process)
JAPAN SPring-8
USA APS FRANCE ESRF
ICP-RIE System Excimer Laser System UV mask aligner
Low- Low -cost Exposure System (for LIGA cost Exposure System (for LIGA- -like process) like process)
Instrument Technology Research Center, ITRC
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Comparison of a low energy x-ray mask (left) and a high energy x-ray mask (right) both designed and created at Wisconsin.
4μm Gold on a 1μm SiN membrane
50μm Gold on a 400μm Si substrate
Photomask
Photomask of X- of X -ray Lithography ray Lithography
台灣師範大學機電科技學系 -69-
Source: http://daytona.ca.sandia.gov/LIGA/mask.html ( Sandia National Laboratory, USA )
Photomask
Photomask of UV Lithography of UV Lithography
(a) CAD Layout (b) Chrome Mask
台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT具厚膜光阻及電鑄起始層的試片製備方法具厚膜光阻及電鑄起始層的試片製備方法
Substrate with seed layer Special Special Photoresist Photoresist
Spin coater
Vacuum
Spin coating process
Dry film Dry film
Substrate with seed layer
Laminating process
Glass plate Substrate with seed layer
Pressing machine
Solvent bonding process Solvent layer Solvent layer Polymer film Polymer film
Spacer
Polymerized resist Polymerized resist
Casting machine
Casting process Glass plate Substrate with seed layer
Pretreatment glass plate Separation foil
Polymer film
Polymer film
Separation foil
台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
-71- (1) 塗佈光阻
聚合物 基材
(2) 光蝕刻
雷射光
電鑄起始層
(3) 金屬濺鍍
金屬
(4) 電鑄
金屬模
聚合物 (5) 研磨修整
(6) 剝離
(7) 熱壓印成形
(8) 脫模
substrate seed layer
photoresist nickel
光學元件之LIGA製程示意圖
母模幾何形狀與電鑄起始層位 置對電鑄沈積層的影響示意圖
台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
Schematic of a X-ray mask/substrate scanner
Source: http://daytona.ca.sandia.gov/LIGA/mask3.html
X-Ray Scanner DEX 02
JENOPTIK Mikrotechnik GmbH
X- X -ray Deep Lithography Scanner ray Deep Lithography Scanner
台灣師範大學機電科技學系 -73-
Key Features of X
Key Features of X- -ray LIGA Microstructures ray LIGA Microstructures
z
Realization of arbitrary shape
z
Extreme structure height (>mm)
z
Extreme aspect ratio (>100)
z
Minimum lateral dimensions 0.5±0.1μm
z
Surface roughness 0.03-0.05 μm
z
Vertical & smooth sidewalls
z
Wide variety of materials
z
Successful in mass fabrication
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準分子雷射微加工技術 準分子雷射微加工技術
以不同雷射,加工 Polyimide 的結果比較:
(a) Nd-YAG laser, (b) CO
2laser, (c) Excimer laser
F
2(157 nm)、ArF (193 nm)、KrF (248 nm)、
XeCl (308 nm)、XeF (351nm)
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-75-
Excimer
Excimer Laser Micromachining Laser Micromachining
Laser LIGA technology Laser LIGA technology
Fresnel structure ablated into dry film with 50 μm thick
Nickel electroplated metallic microstructure
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以控制工件平台運動狀態之方式進行雷射加工
以控制工件平台運動狀態之方式進行雷射加工
台灣師範大學機電科技學系 -77-
Excimer
Excimer Laser Laser Micromachining: Mask Dragging Micromachining: Mask Dragging
以光罩拖拉(移動工件平台)技巧進行雷射加工的方式
shaped mask
可快速製作不同幾何斷面之微流道
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準分子雷射單光罩多層階加工技術 準分子雷射單光罩多層階加工技術
光罩圖案
雷射 聚焦成像
加工圖案重疊
(光罩移動)
(工件固定)
光罩圖案
1 2 3
2 1
2 3
3 3
3 八階光罩組合
準分子雷射微透鏡加工技術
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-79-
準分子雷射微加工 準分子雷射微加工
微光學繞射元件製作與檢測
微光學元件檢測系統
像素5 μm四階全像片 “HELLO” 影像輸出
焦平面光強度 十六階微透鏡陣列
孔徑250 μm、焦距15 mm
表面檢測 光學檢測 準分子雷射LIGA製程
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Applications of Ultrathick Photoresist for Microstructure Fabrication
光罩對準UV曝光系統 特殊光阻塗佈機
●
Low-Cost LIGA製程的發展因素:
(Poor-Man LIGA Technology)
z
厚膜光阻材料的開發
z
特殊光阻塗佈機的發展
z
UV曝光設備的改良
● 厚膜光阻材料
AZ4000 series,
Hoechst (Germany)
ma-P 100, ma-N 400,
Micro resist technology (Germany)
PMER P-LA 900,
tok (Japan)
Probimide,
Olin microelectronic materials (Japan)
THB-611P, THB-430N,
JSR (Japan)
SU-8,
Microlithography chemical corporation (USA)台灣師範大學機電科技學系 -81-
SU- SU -8 8 厚膜光阻 厚膜光阻 UV UV -LIGA - LIGA製程 製程
光阻微結構 vs. 螞蟻
國科會精密儀器發展中心 (PIDC)
電鑄鎳金屬結構
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Preparing
Preparing Photoresist Photoresist Reflow Lens Pattern Reflow Lens Pattern
H. Toshiyoshi
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-83-
Transferring
Transferring Photoresist Photoresist Pattern into Silicon Pattern into Silicon
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G. Engelmann, J. Micromech.
Mmicroeng., (1994) 152-154
(b) 曝光顯影
(c) 鍍Cr/Au
(d) Lift-off
(e) 正光阻 (犧牲層)
(f) 曝光顯影
(g) 鍍Ti/Cu
(i) 曝光顯影
(j) 電鑄Ni (h) 負光阻
(k) 去除光阻結構釋放 (a) 上正光阻
犧牲層厚膜光阻製程技術
犧牲層厚膜光阻製程技術
台灣師範大學機電科技學系 -85-
Movable Microstructure fabricated by Single Mask Movable Microstructure fabricated by Single Mask
Lithography & Dry Releasing Techniques Lithography & Dry Releasing Techniques
Micro-relay fabrication process
(a) SU-8 resist lithography
(b) Dry etching
(c) Metal Sputtered
Micro-relay, PIDC
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SiO2 Si
Si (a) 熱氧化沉積SiO2
(b) 微影及用BOE蝕刻SiO2
(c) 以最佳蝕刻參數蝕刻
Si SiOPR2
SiO2
Si
(d) 使用BOE去除SiO2
Si Cr/Cu
(e) 蒸鍍電鑄起始層Cr/Cu
Si Cr/Cu
Ni
(f) 微鎳電鑄
(g) 脫模
In German: In English:
Silizum-mikrostrukyur Silicon-microstructuring Galvanoformum Electroforming
Abformung Molding
SIGA SI GA製程 製程: :
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-87-
Lenses
Gratings Waveguides Holograms
成形方法:
1. Lithography +RIE etching 2. Photoresist reflow
3. Direct writing of e-beam or laser 4. Shaped light beam method 5. Grey tone mask technique
Grey tone mask technique Shaped light beam method
Direct writing of e-beam
SIGA製程應用技術 SIGA 製程應用技術
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Lens profile in resist on glass or silicon
Ion etching
Lens profile etched into glass or silicon
Ni stamper
glass UV-curable polymer
UV exposure
Ni stamper
Substrate
Polymer film
台灣師範大學機電科技學系 -89-
Application of SIGA Process Application of SIGA Process
Fabrication of Silicon Fuel
Fabrication of Silicon Fuel Atomiser Atomiser
Si mold
Ni atomizer
1. Grow oxide and pattern
2. Spin on thick resist and pattern
3. First 275 μm deep DRIE etch
4. Remove oxide and second DRIE etch for an additional 125 μm
6. Polish excess and release 5. Deposit 400 μm of Ni
N. Rajan et al., J. Microelectromechanical Systems, 8(3), 251(1999)
Fabrication of Silicon Fuel
Fabrication of Silicon Fuel Atomiser Atomiser
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軟式微影製程與應用技術 軟式微影製程與應用技術
軟式微影製程主要是利用一種透明的彈性高分子聚合材料二甲基矽氧 烷(polydimethylsiloxane, PDMS),作為翻模用的彈性印章(stamp),利 用印章圖形轉移的方式,並搭配不同的後處理(如蝕刻、灌模等),來 完成各種不同的微結構。
SU-8 master structure PDMS replica of SU-8 master structure
Hong et al., Columbia University
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-91- n=~60
n=~10
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Advantage and Disadvantage of PDMS Advantage and Disadvantage of PDMS
z z Advantage : Advantage :
(1) Favorable mechanical properties (1) Favorable mechanical properties
(such as extreme
(such as extreme flexibility and stability flexibility and stability) ) (2) Good optical properties (2)
Good optical properties(transparent) (transparent) (3) High biocompatibility
(3) High biocompatibility (4) Peel off the PDMS easily (4) Peel off the PDMS easily (5) Low costs
(5) Low costs
z z Disadvantage : Disadvantage :
(1) Use soft lithography techniques to fabricate (1) Use soft lithography techniques to fabricate (2) The PDMS is poisoned easily.
(2) The PDMS is poisoned easily.
台灣師範大學機電科技學系 -93-
Variable
Variable- -focusing focusing microlens microlens with with microfluidic microfluidic chip chip
J. Chen et al., J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 675–680
台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
Microfluidic
Microfluidic Chip Fabrication Chip Fabrication
J. Chen et al., J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 675–680
台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT
-95-
Polymer
Polymer- -based variable focal based variable focal length
length microlens microlens system system
M. Agarwal et al., J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 1665–1673
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Series of images taken at different volumes of fluid by actuating the variable focal length lens as: (a) DCX lens, (b) DCV lens
M. Agarwal et al., J.
Micromech. Microeng. 14 (2004)
1665–1673
台灣師範大學機電科技學系 -97-
MEMS- MEMS -based based的奈米科技研究
的奈米科技研究微反應晶片應用於硒化鎘奈米微粒合成之研製 微反應晶片應用於硒化鎘奈米微粒合成之研製
Development of a MEMS
Development of a MEMS--based based microreactormicroreactorfabricated
fabricated for synthesizing composite
for synthesizing composite CdSeCdSenanoparticles
nanoparticles
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Introduction of
Introduction of CdSe CdSe nanoparticles nanoparticles
2
E 1 Δ ∝ a
a: particle size UE: band gap
Ref: http://www.qdots.com
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-99-
Quantum-dot LEDs
Ref: Seth Coe et al., Nature 420, 800, 2002.
Identification codes
Ref︰ Shoude Chang et al., Optics Express, 2004.
Biological detection
Ref: Quantum dot, Nature Biotechnology, 21, 2003.
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Conventional
Conventional macroscale macroscale reactor reactor
z
Can’t control reaction temperature and reaction time exactlyz
Can’t control of reagent concentrationssize selection process Aging
Injection of Reagents at high
temperature
Hot surfactant
solution Surfactant
Ref: Rogach et al., J. Phys. Chem. B , 103, 1999, 3065-3069.
台灣師範大學機電科技學系 -101-
Preparation of
Preparation of CdSe CdSe nanoparticles nanoparticles in a in a glass capillary
glass capillary
Ref: Hongzhi Wang et al., Chem. Commun., 2004.
Ref: Hideaki aeda et al., Chem. Commun., 23, 2002.
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Preparation of
Preparation of CdSe CdSe nanoparticles nanoparticles in a chip in a chip
Cd(NO3)2·4H2O
Na2S
Ref: Andrew demello et al., Chem.
Commun., 2002, 1136–1137.
What are the benefits of synthesis in microreactor system ?
- rapidly rising temperature
- reaction temperature and reaction time control exactly
- precise control of reagent concentrations - higher plant security
- offering continuous process
Ref: John, Andrew deMello, Lab on a chip, 4, 2004, 11N-15N.
T. Schwalbe et al., Chemical Synthesis in Microreactors, CHIMIA 56 , 2002, 636-646.
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-103-
1. CdSe synthesis section:
- heated at 300℃ to form CdSe nanoparticles
2. Mixing section:
- mixing CdSe nanoparticles with ZnS raw materials
3. ZnS coating section:
- heated at 220℃ to coating ZnS shell
Glass
Glass- -based based microreactor microreactor system for synthesizing system for synthesizing CdSe CdSe nanoparticles nanoparticles
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Passive mixing by chaotic advection Passive mixing by chaotic advection
Ref: Liu R. H. et al., JMEMS, 2000.
台灣師範大學機電科技學系 -105-
Photomask
Photomask of Mi of Microchannel crochannel
(d) etching by HF
(f) fusion bonding
(g) photoresist patteren
(i) lift-off glass
Cr/Au Ti/Pt AZ 4620
(e) remove Cr/Au (b) deposition Cr/Au
(c) lift-off
(a) defined PR patterns
(h) sputter Ti/Pt
Fabrication Process Fabrication Process
This device including - micromixer - microheater - thermal sensor
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Corni ng 1737
Pyrex 7740 Soda-lime
Glass etched result Glass etched result
fusion bonding
fusion bonding
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-107-
Mixing experiment Mixing experiment
PH indicator:
●
0.31mol/L phenolphthalein/ethyl alcohol solution;
●
1 ml ammonia /16 ml water
●
Flow rate (water): 100~370 μl/min
Ref: Liu, Stremler et al., Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9, No.2, June 2000;
Dong Sung Kim et al., J. Micromech. Microeng. 14(2004), 1294-1301.
row 2 row 3 row 1
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Distribution of temperature at
Distribution of temperature at microreactor microreactor
• IR image of microreactor
• 296.9 ℃ at CdSe nucleation region
• 224 ℃ at ZnS coating region
台灣師範大學機電科技學系 -109-
Synthesis of CdSe
Synthesis of CdSe nanoparticles nanoparticles
CdSe products blocked up the channel
• Se stock solution:
10 mmole Se+25 g TOP
• Cd stock solution:
266.6 mg Cd(AcO)2 + 20 g ODE,565 mg Oleic acid + 10g TOPO
• CdSe raw solution: 1Cd : 1Se
• Flow rate: 150 μl/min
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300 400 500 600 700
Wavelength (nm) 0
0.2 0.4 0.6 0.8
Absorbance (a.u.)
UV UV - - VIS absorption spectrum VIS absorption spectrum
220 ℃ 240 ℃ 260 ℃
• CdSe nucleation region heated on 220, 240, 260 ℃
• Flow rate: 150 μl/min
260℃
220℃ 240℃
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-111-
Micro/Nano-Machines
(機械:"kikai")
create
Macro-Opportunities (機會:"kikai" )
By Dr. Osamu Tabata, Ritsumeikan University
Conclusion Conclusion
Keep on moving !
By Dr. Yang, National Taiwan Normal University
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