國立台灣師範大學機電工程學系

(1)

台灣師範大學機電工程學系 -1-

微機電系統(MEMS)製程技術

MEMS Fabrication Technologies

楊啟榮教授

國立台灣師範大學機電工程學系

Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University

Tel: 02-7734-3506; 0955-052-392

E-mail: ycr@ntnu.edu.tw

綱要



矽面型微加工與應用技術



矽體型微加工與應用技術



LIGA與LIGA-Like製程與應用技術



SIGA製程與應用技術



精密模仁電鑄技術



微模造成型技術

台灣師範大學機電工程學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-3-

矽基微加工

體型微加工技術

蝕刻技術

等向性蝕刻

非等向性蝕刻

蝕刻終止技術

化學蝕刻技術

濕式

化學蝕刻電化學蝕刻光輔助電化學蝕刻

乾式

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雷射微細加工

高深寬比製程

面型微加工

技術

薄膜技術積體電路技術

犧牲層結構釋放技術多層推疊技術

複合微加工

技術

面型微加工＋體型微加工整合製程

CMOS MEMS製程

MEMS領域中微製造技術分類表

-4-

LIGA技術 X-ray深光刻術

LIGA-like 技術

紫外光厚膜光阻微影準分子雷射微加工感應耦合電漿離子蝕刻* 電子束光刻術

切削加工微切削加工、微鑽孔加工、微銑削加工、微輪磨加工非切削加工微電鍍成形、微壓模成形、微射出成形、微沖壓成形特殊加工微放電加工、雷射微加工、離子束微加工、電子束微加工、

超音波微加工、原子力顯微加工術高分子微加工

技術

微雷射光合高分子成形(Microstereolithography,-SL) 軟式微影技術(Soft Lithography)

微接觸印刷術(Microcontact Printing,-CP) Micromolding in Capillaries (MIMIC) Microtransfer Molding (-TM) Replica Molding (REM) 其他低溫製程技

術與材料

聚對二甲苯(Parylene)、明膠(Gelatin)蛋白質、鐵氟龍(Teflon)、矽膠(Silicone) 微機械加工

精密電鑄技術

純金屬電鑄

合金電鑄

微成形技術

 塑膠微結構成形熱壓成形、射出成形輪壓成形、紫外線硬化法

陶瓷微結構成形粉末射出成形、帶板鑄造

非矽基微加工

MEMS領域中微製造技術分類表

註：感應耦合電漿離子蝕刻技術通常歸類為非等向性高深寬比矽基蝕刻技術。

(2)

-5-

矽面型微加工與應用技術 (Surface Micromachining)

-6-

(必須放在最後步驟)

Process Flow of Surface Micromachining Sacrificial layer release by selective etching

-7-

Process Flow of Surface Micromachining

矽或玻璃

Sacrificial

Floating

_Poly-Si

SiO2 Al, Ti Poly-Si

Insulator

Si₃N₄, SiO₂(PECVD)

Etchant

BOE _{PAE, H}

2SO₄ TMAH, KOH, EDP Si₃N₄, SiO₂(LPCVD)

(注意蝕刻選擇比的觀念)

-8-

Characteristics 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。

(3)

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

注意表面輪廓差異

薄膜應力吸附現象 Hinged structures

Schematic of the fabrication process for surface-micromachinined microhinges.

Ming C. Wu, UCLA

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。

-11-

超臨界乾燥之應用

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CO

₂

乾燥法乃以液態CO

₂

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。

奈米柱狀陣列結構圖案崩塌

建議參考此論文：超臨界流體的應用, 科學發展,

2002年11月, 359期, 12-17 (網路即找得到)

-12-

奈米柱狀陣列結構圖案崩塌

(4)

-13-

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

-14-

(請自行從網站下載資料)

http://www.memscap.com/__data/assets/pdf_f ile/0019/1729/PolyMUMPs-DR-13-0.pdf

-15-

MUMPs 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

m 與

0.5

m 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。

-16-

旋轉式微馬達

Side-drive micromotor

12 stators, 8 sliders

1

1 2 1

2 2

2 3

3

順時針轉：1→2→3；逆時針轉：3→2→1 Releasing

(5)

PolyMUMPs flow show (動畫展示)

Micromotor fabricated by MUMPs Process

-19- 台灣師範大學機電工程學系

C. R. Yang, NTNU IMT

-20-

(6)

-22-

-24-

(7)

矽體型微加工與應用技術 (Bulk Micromachining)

體型 vs. 面型矽微加工技術

-27-

Flow sensor

Accelerometer

V-groove Neural microprobe

Force sensor

矽體型微加工技術的應用

-28-

Mechanical properties of some basic thin film materials

These mechanical properties may depend on the deposition processes.

(8)

-29-

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

x

y z

x

y z

x

y

Normal plane: Diagonal plane: Incline plane:

z

-30-

矽濕式蝕刻技術

Silicon Wet Etching Technique

-31-

Effects of mask geometry and agitation for isotropic wet etching

Isotropic Etching of Silicon



Etchant:

HNA (HF, HNO3, CH3COOH)



Room temperature (<50℃)



Diffusion control



High etching rate (50m/min)



Undercut mask



Mask:

Au/Cr or Si₃N₄is good SiO₂is simple

Undercut嚴重

Dimension定義嚴重失真

-32-

Anisotropic Etching of Silicon



Etchant:

KOH, TMAH, EDP, H

₂

N

₄

(9)

台灣師範大學機電工程學系 -33- (110)

(100)

Anisotropic etching (KOH)

台灣師範大學機電工程學系 -34- (a) <100>矽晶片

矽晶片

54.75o (100)

(111) 二氧化矽

或氮化矽

(b) <110>矽晶片矽晶片

(100) (111) 二氧化矽

或氮化矽

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 54.74 ，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 (54.74)

-35- 氣泡

氫氧化鉀 80 C 33%o 晶片

保護夾具

加熱器

溫度控制器溫度感測器

攪拌器恆溫槽

Etching apparatus

磁石攪拌槽

超音波攪拌槽

-36-

reactant etchant

product

chemical reaction

boundary layer

Silicon Silicon nitride H2 bubble

Schematic diagram of mechanism of wet etching reaction, and

natural etching mask caused by hydrogen bubbles (not to scale).

(10)

-37-

Effects of surfactants on silicon anisotropic 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

-38- 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

-39-

Corner Compensation

EDP etchant KOH etchant

TMAH etchant (無角落補償)

-40- Mesa microstructures etched in TMAH-BR solution and pure solution without using the corner compensation technique.

Pure TMAH

BR-Added

(界面活性劑)

(11)

台灣師範大學機電工程學系 -41- TMAH-BR for etching depth of 300 m

Microchannel used for fuel cell fabrication

蝕刻終止技術 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

(摻雜硼蝕刻率降低、摻雜磷蝕刻率上升)

-43-

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

-44-

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

(12)

-45-

Atomic force microsocpe (AFM) probes

Process flow of AFM probe fabrication. (a) Bare (111) wafer, (b) SiO2patterning on both sides, (c) Dry etching of front side for the cantilever precursory, (d) Patterning of tip mask, (e) Dry etching to 50m, (f) Wet etching in TMAH + Triton, (g) Thermal oxidation, (h) Dicing, (i) Wet etching in TMAH, (j) SiO2removal.

-46- 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

-47-

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

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

3-D 結構的限制

應力可能造成的問題

-48-

矽乾式蝕刻技術

Silicon Dry Etching Technique

(13)

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

mask

PR, metal, Si₃N₄, SiO₂, Si, Polysilicon…...

substrate

PR, metal, SiO₂, Si, Polysilicon…...

Plasma

etch stop

感應耦合電漿離子蝕刻(ICP-RIE)

系統, ITRC 反應性離子蝕刻(RIE)系統,

NTNU MOEMS Lab.

RIE vs. ICP-RIE for dry etching

-51- Schematic of ICP-RIE system, which produces high plasma densities at low pressure

with exceptional uniformity, Surface Technology Systems (STS) process

gas inlet

wafer/sample pumping

port

plasma chamber

Helium cooling gas inlet 13.56 MHz

13.56 MHz RF power

RF power temperature controlled

bellows sealed electrode isolation

valve weighted

clamp

ceramic process chamber

STS Multiplex ICP

-52-



Etch Rate: ~3 m/min



Selectivity to resist:  75:1



Selectivity to SiO

₂

:  150:1



Etch depth: 10-500 m



Aspect ratios:  40:1



Anisotropy:  0.98



Uniformity:  ± 3%



Low wafer temperature:  60℃

(No LN

₂

cooling required) Capability of STS-ASE Process

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

(14)

-53-

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

C₄F₈

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

SF₆

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 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

-54- Silicon trenches

80 m deep 4.5 m space width 2 m line width Aspect ratio=18:1

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

SiO₂mask

Deep Reactive Ion Etching (DRIE)

Rimple現象

鏡面品質

垂直結構側壁放大圖

-55-

MCNC, USA

Comb-driver

Nested Gears

Micromotor Gyroscope

-56-

ICP-RIE 缺陷

RIE grass

蝕刻溝槽外擴蝕刻溝槽內凹蝕刻延遲

雜草現象側壁橫紋

RIE lag

(15)

台灣師範大學機電工程學系 -57- http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2010/0

9/cheaper-better-solar-cell-is-full-of-holes

“Black” silicon is a better light receiver

Black silicon is a surface modification of silicon with very low reflectivity and correspondingly high absorption of visible (and infrared) light.

http://www.answers.com/topic/black-silicon

Dry etching

Black silicon applied for IR image sensor

Responsivity is the amount of current detected for

a given amount of light power

http://spie.org/x31676.xml?ArticleID=x31676

-59-

凹面型微光柵元件

ITRC

-60-

Dry Release Process ( I )

(16)

-61-

Dry Release Process ( II )

Application of XeF

₂

to isotropically etch bulk silicon

Metal structure released by XeF

₂

based etching of

a sacrificial polysilicon interlayer XeF

₂

release etch process

-62- (a)

Si Si SiO₂

(b)

PR

(c)

DRIE trenches

(d)

HF etching

(e)

metallisation

(f)

assembly

SOI (Silicon on insulator) Fabrication Process

-63- Cornel Marxer and Nicolaas F. de Rooij J. of Lightwave Technology, 17(1), 2-6, 1999

DRIE Bulk Micromachining for Optical Switch (SOI Fabrication Process)

-64-

Applications of high-aspect-ratio Si structures

3D IC interconnect package Through Silicon Via (TSV)

WLP: wafer level packaging (晶圓級封裝 )

(17)

Hybrid Micromachining

Hybrid Micromachining ( I )

Welham, Gardner, and Greenwood, 199)

-67-

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.

-68-

(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

微機電製程於可調光衰減器之研製

Variable optical attenuator (VOA) fabricated using MEMS process

(18)

-69-

LIGA與LIGA-Like製程與應用技術

-70- 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：

高深寬比(high aspect ratio)的微結構

MCNC

-71-

犧牲層LIGA (S-LIGA)技術的應用範圍



微感測器的懸浮結構



可控制流量進出的微閥門



各型微致動器的移動或轉動結構等…...

Micromotor Micropump

Acceleration microsensor

-72-

Key Features of X-ray LIGA Microstructures



Realization of arbitrary shape



Extreme structure height (>mm)



Extreme aspect ratio (>100)



Minimum lateral dimensions 0.50.1m



Surface roughness 0.03-0.05 m



Vertical & smooth sidewalls



Wide variety of materials



Successful in mass fabrication

IMT and IMM, Germany

(19)

台灣師範大學機電工程學系 -73- medium

fraction light fraction

heavy fraction U²³⁵

heavy substance

light substance

medium substance

Separation stage

UF₆+H₂

supply compressor dual separation nozzle

Principle of separation nozzle fabricated by FZK, Germany U

²³⁵

Source: M. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC, New York, 1997

Source: 中島尚正, 梅田章, LIGA PROCESS, 日刊工業新聞社, 1998 (In Japanese)

( a ) 微齒輪組 ( b ) 微鏡片 ( c ) 整合光學分光器 ( d ) 近場光學探針 ( e ) 微熱交換器

( f ) 微組合 ( h ) 微幫浦 ( g ) 微反應器 ( i ) 光纖固定器 ( j ) 微馬達

( k ) 光纖開關 (l) 微小直升機 IMM 微系統研究中心

IMM微系統研究中心所開發的產品

Source: http://www.imm-mainz.de

-75-

LIGA 製程 vs. 類LIGA 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



加工深度數mm、次微米級精度、深寬比＞100



同步輻射光源為一龐大且昂貴的設備



X-ray 光罩製作複雜且成本高



加工深度≦ 1mm、微米級精度、深寬比≦50



紫外光–厚膜光阻微影製程



準分子雷射



反應性離子蝕刻

-76-

Synchrotron Radiation Research Center (for LIGA process)

JAPAN SPring-8

USA APS FRANCE ESRF

ICP-RIE System Excimer Laser System UV mask aligner

Low-cost Exposure System (for LIGA-like process)

Instrument Technology Research Center, ITRC

(20)

同步輻射原理與應用簡介 https://www.youtube.com/watch?v=VG3hCN_Tj4s

-77-

國家同步輻射研究中心(NSRRC)

台灣光子源 TPS 台灣光源

TLS

實驗站

實驗站實驗站

-78-

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-ray Deep Lithography Scanner

https://www.youtube.com/watch?v=PTYKmWvvlL0

-79-

Comparison of a low energy x-ray mask (left) and a high energy x-ray mask (right) both designed and created at Wisconsin.

4m Gold on a 1m SiN membrane

50m Gold on a 400m Si substrate

Photomask of X-ray Lithography

-80-

Synchrotron X-ray exposure

https://www.youtube.com/watch?v=PTYKmWvvlL0

(21)

Applications of Ultrathick Photoresist for Microstructure Fabrication

光罩對準UV曝光系統特殊光阻塗佈機

●

UV LIGA製程的發展因素：

^

^{厚膜光阻材料的開發}



特殊光阻塗佈機的發展



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)

Source: http://daytona.ca.sandia.gov/LIGA/mask.html ( Sandia National Laboratory, USA )

Photomask of UV Lithography

(a) CAD Layout (b) Chrome Mask

-83-

SU-8厚膜光阻UV-LIGA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

UV-LIGA by Mimotec SA - English https://www.youtube.com/watch?v=MBnsCEg5zg8

-84-

UV-LIGA by Mimotec SA

https://www.youtube.com/watch?v=MBnsCEg5zg8

(22)

-85-

Preparing Photoresist Reflow Lens Pattern

H. Toshiyoshi

-86-

Lens Shape (Sag) After Photoresist Reflow as a function of initial resist thickness

H. Toshiyoshi

( )

^1/3

-87-

D=100 m D=75 m

Images of AZ4620 reflow lens array

Electroformed Ni mold insert

-88-

Transferring Photoresist Pattern into Silicon

(23)

Movable Microstructure fabricated by Single Mask Lithography & Dry Releasing Techniques

Micro-relay fabrication process

(a) SU-8 resist lithography

(b) Dry etching

(c) Metal Sputtered

Micro-relay, PIDC

0 30 60 90 120

1 2 3

Vo lt ag e

數列1

側位移量25μm不同彈簧結構下所需驅動電壓

Micro-relay, PIDC

-91-

C-MEMS & C-NEMS: 3D Carbon Microfabrication

http://www.microchem.com/Appl-MEMs-CMEMS.htm

Conductivity after pyrolysis of 1000˚C for 1 hour, the SU-8 is similar to glassy carbon

-92-

Fabrication Techniques of Novel Microstructures using Excimer Laser Ablation (Laser LIGA)

以不同雷射，加工 Polyimide 的結果比較：

(a) Nd-YAG laser, (b) CO

2

laser, (c) Excimer laser F

₂

(157 nm)、ArF (193 nm)、KrF (248 nm)、

XeCl (308 nm)、XeF (351nm)

(24)

-93-

準分子雷射的光分解挖除(photoablation) 加工機制示意圖

Excimer laser beam incident on surface

Ablated material ejected at high speed

Pulsed lasers = low thermal damage

1.

倍頻Nd: YAG雷射(基礎1.06 m (NIR)、二倍頻0.53m (Vis)、四倍頻0.26m(UV))

2. UV準分子雷射：F2 (157 nm), ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm), XeF (351nm)



The short-duration UV excimer laser pulse (10-30 ns) rapidly breaks chemical bonds in a polymer within a restricted volume to cause a mini-explosion that ejects material and carries excess energy away from machining site.



Excimer laser micromachining is often classified as a non-thermal process.

-94-

準分子雷射加工高分子材料蘇聯氫彈試爆(一九五三年八月)

Source: E. Harvey, Microsystems technology, Short Course Text at Imperial College (UK), (1997)

-95- Optimum laser

Materials

308 nmXeCl KrF

248 nm ArF

193 nm F2

157 nm Polymer PEEK, PEI, PET, PI PA, PES, PC, PUR,

PPS, Polyparaxylylene

Polyacetylene, PE, PMMA, PS, PVC, PVDC,

PVOH, PVDF, Silicone rubber, Nitrocellulose

PTFE (Teflon)

Composites of fibers in epoxy

Glass fiber, Carbon fiber, Aramid Ceramics Alumina, LiTaO₃,

SiC, Si₃N₄, ZrO₂

Si₃N₄(gas pressure sintered or reaction

bonded), PZT SiC (toughened) Crystals and

glasses

Fused silica, SiO₂, Silicon, Borosilicate glass, Yttrium aluminium garnet (YGA)

GaAs, quartz, fused silica, sapphire, silicon

Metal film Aluminium, Copper

Biological tissue

Artery wall, Bile duct, Carcinoma tumour, Prostate

tissue

Cornea Teeth Enamel, Dentine

Optimum Excimer Laser for Various Materials

R. C. Crafer and P. J. Oakley, Laser processing in manufacturing, Chapman & Hall, New York, 1993

-96-

Excimer Laser Micromachining

Laser LIGA technology

Fresnel structure ablated into dry film with 50 m thick

Nickel electroplated metallic microstructure

(25)

以控制工件平台運動狀態之方式進行雷射加工

http://www.exitech.co.uk/

-99-

Excimer Laser 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

-100- A B C D E F

A: Fresnel 波帶片 B: 平面化二元式Fresnel微透鏡

C: 兩階二元式Fresnel微透鏡 D: 四階二元式Fresnel微透鏡

E: 鋸齒狀Fresnel微透鏡 F: 傳統透鏡

不同之Fresnel透鏡與傳統透鏡之比較圖

(26)

-101- Mask

Crystal Substrate

RIE Crystal

Substrate HMDS

Coating Crystal Lithography

Substrate PR Coating

PR Crystal Substrate

Crystal Substrate Two-Step

Microlens HMDS & PR

Coating

RIE

Lithography

four-Step Microlens

微透鏡之半導體製作流程示意圖

-102-

SU-8光阻微透鏡陣列光強度分布圖

氦氖雷射 CCD

物鏡

物鏡折射式微透鏡

陣列針孔

透鏡光圈

三維移動平台

光束品質分析器

光學檢測設備架構圖

準分子雷射應用於微透鏡陣列之製作技術

光罩圖案示意圖

-103- Mask

Workpiece Stage

Fresnel Lens

以Mask Dragging 的方式製作微鏡片

(b) Groove pattern of the kinoform cylindrical lens (a) Mask used to make cylinderical lens

Dark: 透光 Clear:不透光

-104-

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

(27)

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 m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 m、焦距15 mm

表面檢測光學檢測準分子雷射LIGA製程

SIGA製程與應用技術

-107-

Application of ICP RIE-LIGA Process

Fabrication of Silicon Fuel Atomiser

Si mold

Ni atomizer

1. Grow oxide and pattern

2. Spin on thick resist and pattern

3. First 275 m deep DRIE etch

4. Remove oxide and second DRIE etch for an additional 125 m

6. Polish excess and release 5. Deposit 400 m of Ni

N. Rajan et al., J. Microelectromechanical Systems, 8(3), 251(1999)

Fabrication of Silicon Fuel Atomiser

-108- 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 SiO₂ PR

SiO₂

Si

(d) 使用BOE去除SiO₂

Si Cr/Cu

(e) 蒸鍍電鑄起始層Cr/Cu

Si Cr/CuNi

(f) 微鎳電鑄

(g) 脫模 In German: In English:

Silizum-mikrostrukyur

Silicon-microstructuring

Galvanoformum Electroforming Abformung Molding

SIGA製程：

(28)

-109-

矽模仁二次電鑄鎳模仁 PMMA壓模成形

微結構充填不足

微結構收縮變形一次電鑄鎳模仁

SIGA製程：矽蝕刻、電鑄模仁、模造成型

-110-

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

-111-

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

SIGA製程光學元件製作技術

-112-

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。

製程尺寸的範圍從30 nm 到100 nm，應用的範圍包括光學導線、感測器、致動器、微型幫浦、生醫晶片、微流結構與奈米表面處理等。

SU-8 master structure PDMS replica of SU-8 master structure

Hong et al., Columbia University

軟式微影(Soft Lithography)製程與應用技術

(29)

Advantage and Disadvantage of PDMS

 Advantage :

(1) Favorable mechanical properties (such as extreme flexibility and stability) (2) Good optical properties(transparent) (3) High biocompatibility

(4) Peel off the PDMS easily (5) Low costs

 Disadvantage :

(1) Use soft lithography techniques to fabricate (2) The PDMS is poisoned easily.

台灣師範大學機電工程學系 -114- Schueller et al., Sensors and Actuators A72 (1999) 125–139

Preparation of a glassy carbon microstructure with a square diffraction grating surface relief

-115-

Variable-focusing microlens with microfluidic chip

J. Chen et al., J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 675–680

-116-

Microfluidic Chip Fabrication

J. Chen et al., J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 675–680

(30)

-117-

Camou et al., University of Tokyo

On the left : classic experimental set-up to perform fluorescent spectroscopy with a microscope integrating the light source, filters and lenses and on the right : example of a lab-on-a-chip device with an integrated detection system.

-118-

Towards the on-chip fluorescence spectroscopy using optical fibers and PDMS material

Camou et al., University of Tokyo

-119-

Main steps to fabricate a PDMS layer from SU-8 mold, with a design that integrates a 2-D optical lens

Camou et al., University of Tokyo

-120-

Effect of the PDMS lens on the fluorescent light

emission from the dye

(31)

精密電鑄技術

(Electroforming Technology)

影響電鑄品質的重要因素：

電鑄是唯一可生產精密厚金屬微結構的製程!!



濺鍍 (sputtering)



熱蒸鍍 (thermal evaporation)



化學氣相沈積 (CVD)



無電鍍(electroless plating)



精密電鑄 (electroforming)



微機械加工(micromachining)



溼式蝕刻(wet etching)

金屬微結構成型技術



鍍件前處理程序、電鑄槽幾何設計、溫度、電流密度、

鑄液成份、添加劑、pH值、攪拌、過濾….



內應力、針孔、氫脆、樹枝狀晶….

結構厚度受限

結構精度較差與加工時間較長

-123-

電鍍、電鑄、無電鍍(化學鍍)之差異

基材陽極

電鍍層

陽極

電鑄層

光阻層

脫膜電化學反應沉積

電鑄：利用電鍍原理，將所需之金屬(或合金)沉積於母模上，待沉積到所需厚度後再與母模脫離，即可產生金屬微結構。

電鍍：將鍍件做為陰極，浸於含欲鍍金屬離子之電解液中，另一端置適當陽極，通入直流電後，在鍍件表面析出金屬膜。

-124-

電鍍、電鑄、無電鍍(化學鍍)之差異(續)

化學反應沉積

無電鍍：利用鍍液中添加的還原劑進行氧化還原反應，使溶液中的金屬離子還原成金屬，又稱為化學鍍。



純金屬電鑄(鍍)： Ni, Cu, Cr, Zn, Sn, Au, Ag,…



合金電鑄(鍍)： Ni合金(Co, Fe, Mn, W, P);

Cu合金(Zn, Sn);

Sn合金(Pb, Cu, Au, Ag), …



複合電鑄(鍍)： Ni, Ni-P, Ni-Co/Al

₂

O

₃

, SiC, Diamond, PTFE; Cu/Diamond,…

電鑄(鍍)的種類

(32)

-125-

Schematic of an electrochemical cell

Power supply

Cathode Anode

e

^-

e

^-

Ni → Ni

²⁺

→ Ni

2e^- 2e^-

2H2O + 2e^- H₂+ 2OH^-

↑

H2 ↑

H₂

↑ H₂

Ni deposition H₂evolution Ni dissolution

-126-

Principle of an Electroforming Technology

PMMA微齒輪 鎳金屬微齒輪

微系統LIGA製程之精密電鑄技術, 科儀新知, 21(6), 15-27, 2000

-127-

光電業

導線架微過濾器

微閥微感測器

微致動器

CD DVD

民生工業

票券印製珠寶飾品信用卡識別證特殊網罩

機械工業

微機械零件精密模具

精密儀器耐磨零件

伸縮囊管

通訊工業

導波管光纖耦合器

非球面反射鏡抬頭顯示器全像片光學鏡片

半導體工業

精密電鑄技術

精密電鑄技術的應用領域

(資料來源：中科院)

利佳精密科技 http://www.liga.com.tw/zh/company.html

-128-

電鑄技術的加工特性與應用領域

精密電鑄可用於製作一般傳統機械加工不易完成或成本偏高之零件與模具。

1. 只要一個加工道次，即可得形狀複雜工件；

2. 對母模複製性極佳，可複製量產用公模；

3. 複製精度高，適合作光學信號複製；

4. 配合其他加工技術，可得多種特殊設計工件。

光學鏡面複製、表面複雜細紋複製。例：塑膠鏡片用光學模仁、各類光碟片沖模

以傳統加工方法製作不易或製作成本太高之模具複製。

例：非球面鏡模具複製、精密模具以傳統加工方法製作不易掌握再現性者。例：設計複雜之光學模仁、全像片、雷射鏡面複製工件壁薄，很難以傳統方法加工者。

例：伸縮囊管、反射鏡、燈罩、內部為鏡面之環、管希望透過大量翻製，縮短製程時間者。

例：塑膠鏡片用光學模仁複製、光學全像片製作工件內含複雜結構，以傳統方法加工困難者。例：導波管、板模(stencil)及航空零組件微篩網、微過濾膜等微結構之複製量產。

例：微機電應用結構與元件金屬箔之製造。例：銅箔、鎳箔

(33)

台灣師範大學機電工程學系 -129- Ref:金屬工業中心邱先拿正工程師

精微電鑄技術應用例：

1. 光纖連接器套管(ferrule)。

2. 微機電元件，如微小馬達轉子。

3. 人工關節、骨骼固定器。

4. 人工齒根。

5. 電池用導電板、金屬網篩。

6. 細微衝壓治具、精密對位治具。

7. 噴墨頭用之噴孔片。

8. 蒸鍍用金屬罩(metal mask)。

9. 半導體覆晶封裝(Flip-chip BGA)。

10. 印刷用鋼板。

複合電鑄應用於鑽石砂輪碟之製作

http://www.kinik.com/KINIK/products/CMP.asp

-131-

Electroforming Apparatus for LIGA Process Installed at ITRC 恆電位儀抽

氣管路

控制器

PC 介面控制

循環幫浦 0.1m

濾心電鑄槽體

陰極擺動隔水加熱液位控制流場控制

浴溫控制雙陽極設計

：

實驗型電鑄設備

-132- 高分子微結構製作

試片前處理

參數控制

高分子層與電鑄基板結合 RIE 去除 純水清洗電流密度陰極擺動速率電鑄種子層長成殘餘光阻酸洗活化表面張力鍍液組成

結構分布均勻脫脂銀鏡反應遮板使用陰陽極效率結構尺寸一致無電鍍離型劑使用輔助電極電流波形

時間、溫度 pH 值

電鑄技術影響參數

流場設計攪拌方式金屬濃度複合電鑄濃度成份比例溫度控制循環過濾合金電鑄濃度雜質分析與過濾機械性質

陰極擺動電極設計安定劑活性碳處理物理性質

液位控制藥液自動光澤劑、硼酸弱電解處理表面特性電流供應分析添加平坦劑、溼潤劑應力降低劑複製精確度

電鑄槽設計鍍液成份管理電鑄品檢測分析

LIGA製程之電鑄品質影響參數與條件

DC, pulsed, periodic reverse current

製造規劃者的責任？使用者的需求考量？→ 都是專業技術

(34)

-133-

氣泡所造成的缺陷

後處理所造成的缺陷

一般常見之電鑄缺陷與解決之道

內應力導致電鑄層嚴重變形內應力已獲得控制之鑄層

-134-

電流密度分布

電流密度分布對薄光阻結構電鑄厚度影響示意圖電鑄金屬電鑄起始層

光阻

-135- (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

-136- Trench width 25 m

高深寬比結構電鑄與脈波(Pulse reverse)電流應用

Seed layer of sputtered Ti/Cu 5000Å

Trench width 20 m Trench width 15 m

Trench width 10 m Trench width <10 m Trench width <5 m Copper

Si

I DC直流

I PP 脈衝

I PR 脈波 t

t

(35)

模造成型技術

(Molding and forming technology)

塑膠微模造成型技術



熱印壓模法 (Hot embossing)



微射出成型 (Injection molding)

 反應式射出成型技術 (Reactive Injection Molding, RIM)

 熱鑄式射出成型技術 (Thermal Injection Molding, TIM) 大量批次(batch)生產、降低成本、滿足工業市場需求

-139-

反應射出成型 (RIM) 是針對熱固性塑料的成型方法,成型過程中有化學反應的一種射出成型方法﹐這種方法所用原料不是聚合物﹐而是將兩種或兩種以上液態單體或預聚物﹐以一定比例分別加到混合頭中﹐在加壓下混合均勻﹐立即射出到閉合模具中﹐在模具內聚合固化

﹐定型成製品。

反應式射出成型技術

-140-

鑄材成份在射出前才混合

常用於熱固型樹脂

成份必須以精準重量比例混合

低黏度液體以低壓(約10bar)射入模仁內

缺點：



必須使用真空模去除氣泡



高分子聚合反應性強，具爆炸性



模內壁之平滑要求高，否則脫模困難

反應式射出成型技術

(36)

-141-

鑄材加熱後才射入模仁內

適用材料範圍廣：

熱塑性塑料

熱固性樹脂

橡膠

熱鑄射出成型之步驟：

1. 加熱塑化 2. 高壓射出注模 3. 冷卻脫模

熱鑄式射出成型技術

依照不同的樹脂原料，控制射出成型時的個各參數，如射出溫度、射出速率、射出壓力、鎖模力…等。

-142-

Principle of Hot Embossing Process

-143-

Principle of Hot Embossing Process

-144-

Schematic diagrams of three modes of micro hot embossing: (a) P2P, (b) R2P-

roller mold, (c) R2P-flat mold and smooth roller, and (d) R2R.

(37)

Principle of Hot Embossing Process

Heating and cooling for temperature control

The process parameters and factors influencing the quality of the molded parts.

Parameters and influence factors of hot embossing

-147-

Nanoimprinting technology

林聖文,郭惠隆, 工業材料雜誌282 期, (2010) 144-151

-148-

Roller to roller imprinting (R2R process)

林聖文,郭惠隆, 工業材料雜誌282 期, (2010) 144-151

韓國延世大學開發之UV固化式R2R連續式轉印製程示意圖：(a)軟性基板使用架構；(b)硬式基板使用架構

(薄形壓模)

(38)

-149-

IR-Spectrometer produced by injection molding

Self-focusing blazed reflective grating

•spectral range: 3.0 μm - 4.3 μm

•dispersion: 0.23 μm/mm

•spectral resolution: 0.07 μm

Cover plate coated with gold

Linear focal line ready to attach to detector array

mirror Gold coating

Molded polymer substrate

Entrance (free-space optics or fiber optics)

-150- Hollow waveguide

Gas Miniature tungsten lamp PbSe detector

Self focusing reflection grating

Gas microsensor with an integrated IR-spectrometer

Source: http://www.microparts.de/01OPTICIR.htm Characteristics:



Economical in high volumes because of injection molding techniques



Compact and robust



No moving parts



High measuring stability through dual beam principle

-151-

Principle of the VIS-Spectrometer

Source: http://www.microparts.de/01OPTICVIS.htm

Light input 1….x

through optical fiber

Light output via

45^oreflecting edge Diode array

Self focusing reflection grating (d=0.2 m, g=2  m)

21

Characteristics



Molded construction allows for cost effective volume pricing



Small dimensions, lightweight



Excellent thermal stability



Long-term stability



Flexible operation



Robust monolithic construction



No moving parts

-152-

https://www.youtube.com/watch?v=m0E7wxTCKDY

(39)

台灣師範大學機電工程學系 -153- Spectrometer miniaturized for working with cellular

phones and other portable electronic devices(US8537343 B2 )

國立台灣師範大學 機電工程學系

微機電系統(MEMS)製程技術

MEMS Fabrication Technologies

楊 啟 榮 教授

國立台灣師範大學 機電工程學系

Tel: 02-7734-3506; 0955-052-392

E-mail: ycr@ntnu.edu.tw

綱 要

矽面型微加工與應用技術

矽體型微加工與應用技術

LIGA與LIGA-Like製程與應用技術

SIGA製程與應用技術

精密模仁電鑄技術

微模造成型技術

矽 基 微 加 工

體型微加工 技術

濕式

乾式

面型微加工

技術

複合微加工

技術

CMOS MEMS製程

MEMS領域中微製造技術分類表

非 矽 基 微 加 工

MEMS領域中微製造技術分類表

矽面型微加工與應用技術 (Surface Micromachining)

(必須放在最後步驟)

Process Flow of Surface Micromachining Sacrificial layer release by selective etching

Process Flow of Surface Micromachining

矽或玻璃

Sacrificial

Floating

Insulator

Etchant

(注意蝕刻選擇比的觀念)

Characteristics 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。

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

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。

超臨界乾燥之應用

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CO

乾燥法乃以液態CO

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。

奈米柱狀陣列結構圖案崩塌

2002年11月, 359期, 12-17 (網路即找得到)

奈米柱狀陣列結構圖案崩塌

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

(請自行從網站下載資料)

http://www.memscap.com/__data/assets/pdf_f ile/0019/1729/PolyMUMPs-DR-13-0.pdf

MUMPs Process guideline

是

微機械加工製程

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

m 與

m 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

防止吸附，烘乾則是利用

C 的烤箱烤 5 min ，另外也製作突出物來防止吸附。

旋轉式微馬達

Side-drive micromotor

12 stators, 8 sliders

PolyMUMPs flow show (動 畫 展 示)

Micromotor fabricated by MUMPs Process

Micromotor fabricated by MUMPs Process

矽體型微加工與應用技術 (Bulk Micromachining)

國立台灣師範大學機電工程學系

楊啟榮教授

國立台灣師範大學機電工程學系

綱要

矽基微加工

體型微加工技術

非矽基微加工

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，

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CO

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，

m 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

PolyMUMPs flow show (動畫展示)

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。

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。