中華大學

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中華大學碩士論文

題目：微機電靜電式微型探針與振動干涉儀整合之非接觸式量測系統設計

Non-contact Mode Precision Measurement System Design by Integrating MEMS

Electro-static Micro-Probe and Laser Doppler Interferometer

系所別：機械與航太工程研究所學號姓名：M09108042 彭瑞欽指導教授：林君明博士

中華民國九十四年七月

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摘要

本論文主要是利用微機電製程技術製作靜電式微型探針，並整合微機電元件與相關設備，設計一套非接觸式掃描探針顯微術的一種微機電量測系統。系統元件包含靜電式微型探針、雷射都卜勒振動頻率干涉儀、XYZ 壓電平台、驅動電壓放大模組、信號產生器，及系統程式設計。其中靜電式微型探針是整個系統中最為關鍵的一項微機電元件。

系統的運作原理是先令信號產生器提供弦示波電壓，送至驅動電壓放大模組，使其產生交流電壓，再送至靜電驅動器的兩個電極，使微型探針因靜電力而產生振動，其工作頻率為自然共振頻率。而後利用 XYZ 壓電平台，驅動待測物做 Z 軸高度調整。當探針接近待測物時，原本以等幅振動的探針，其振動頻率及振幅會因兩物體表面凡得瓦爾引力的影響而改變，這時利用雷射都卜勒振動頻率干涉儀，量取探針振動頻率及振幅的改變量而後傳至電腦，配合軟體程式，將量得的訊號進行換算，即可求出待測物表面的高度，再用相同的方法進行 XY 軸的掃描，即可得到待測物輪廓，以 3D 的畫面呈現在螢幕上。

本研究尚運用標準塊規進行調校，並與粗度計所量測的結果進行比較，以驗證本設計之可行性。

關鍵字：微機電製程技術、靜電式微型探針、掃描探針顯微術

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致謝

首先要感謝我的指導教授林君明博士，在我求學過程中給予我循循善誘的教導，促使我不斷的學習、成長，指導我很多專業的知識，並讓我由其中瞭解到做研究的方法及應有的精神，也學習到對事的洞見與積極掌握，大膽假設而小心求證，在此由衷的感謝。也要感謝國家奈米實驗室的蔡明蒔博士，教導我半導體製程的知識與製作技術上所要注意的細節。另外在探針的製作，感謝蔡志宏先生的大力幫忙，讓探針的製作能夠順利完成。而在實驗室裡，我要感謝李宗翰、李高全兩位學長的關照，讓我從中學到許多的經驗，還有我的同學莊凱驛、陳科謀、

賴偉豪，在學校裡我們一起嘻笑、上課、做研究，也感謝學弟胡建煜、陳嘉賢、

張凱博、林俊杰、江政嶽的幫助。最後我要感謝我的家人給予我的支持與鼓勵，

讓我在求學的過程能夠心無旁騖，還有徐志魁、林建芳、柯秉辰、魏嘉良等在生活上幫助。

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目錄

中文摘要………..Ⅰ 英文摘要………..Ⅱ 致謝………..Ⅲ 目錄………..Ⅳ 圖目錄...Ⅶ 表目錄...

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XII

第一章緒論……….……… 1

1.1 前言……… 1

1.2 研究動機……….………...… 2

1.3 文獻回顧………...….… 3

1.4 研究方法……….... 7

1.5 章節提要……… 8

第二章理論基礎……….………… 9

2.1 掃描穿隧電流顯微術……… 9

2.2 原子力顯微術………..……… 11

2.2.1 接觸式原子力顯微術………….…..……… 11

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2.2.3 敲擊式原子力顯微術…………..…….………… 14

2.3 靜電式微致動器原理…………..……… 15

2.3.1 間距近接式微致動器…………..…….………… 15

2.3.2 梳狀電極式微致動器…………..…….………… 17

第三章靜電式微型探針的製程設計與模擬分析….………..… 22

3.1 靜電式微型探針設計…...………...………..… 22

3.2 靜電式微型探針微機電製程步驟………....…..… 24

3.3 微機電模擬軟體 IntelliSuite 對微型探針的模擬分析.. 32

3.3.1 3D 模型的建立與光罩設計...… 32

3.3.2 模擬結構的材料參數設定...… 35

3.3.3 探針結構的應力應變模擬與耦合分析...… 37

3.3.4 自然振動頻率分析...… 44

3.3.5 靜電分析...… 47

3.4 微型探針實作結果與討論...… 49

第四章靜電式微型探針與自製振動式掃描探針顯微系統的整合... 54

4.1 系統架構與各元件說明……….. 54

4.2 系統運作流程圖……….. 58

4.3 探針尖端與待測物間距對於微型探針振幅的影響….. 59

4.4 利用標準塊規驗證校準曲線……….. 62

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4.5 實際樣品的量測……….. 64

4.5.1 印刷電路板表面凹洞量測……….……….. 64

4.5.2 探針卡表面量測……….….. 66

4.6 量測結果討論與誤差分析……….. 67

第五章結論與未來展望……….………….. 68

5.1 結論……….…….. 68

5.2 未來展望……….….. 70

參考文獻...72

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圖目錄

圖2-1 ………...… 10 掃描穿隧電流顯微術（STM）工作原理示意圖

圖2-2 ………...… 12 接觸式原子力顯微鏡（AFM）工作原理及系統架構示意圖

圖2-3 ………...… 14 非接觸式原子力顯微術系統架構及工作原理示意圖

圖2-4 ………...… 16 靜電力致動器的架構與基本工作原理示意圖

圖2-5 ………...… 16 靜電致動器線性振動自然頻率示意圖

圖2-6 ………...… 18 梳狀電極式靜電致動器的基本架構及工作原理

圖2-7 ………...… 19 n 個梳狀電極並聯之靜電致動器基本架構及工作原理示意圖

圖3-1 ………...… 22 靜電式微型探針系統結構及工作原理示意圖

圖3-2 (a) ~ (q) ………..………...… 24~31 靜電式微型探針之微機電製程步驟

圖3-3 ………...… 32 利用IntelliSuite 3DBuilder 所建立的微型探針模型

圖3-4 ………...… 33 利用IntelliSuite IntelliMask 設計之微型探針光罩（mask# 1）

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圖3-10 …..………...… 37 微型探針結構負載為1 MPa，懸臂樑形變與 Y 軸位移對照表

圖3-11 ………..………...… 38 微型探針結構負載為3 MPa，懸臂樑形變與 Y 軸位移對照表

圖3-12 ………..………...… 38 微型探針結構負載為5 MPa，懸臂樑形變與 Y 軸位移對照表

圖3-13 ………..………...… 39 微型探針結構承受負載為1 MPa，應力分佈情形

圖3-14 ………..………...… 39 微型探針結構承受負載為3 MPa，應力分佈情形

圖3-15 ………....… 40 微型探針結構承受負載為5 MPa，應力分佈情形

圖3-16 ………....… 41 在靜電結構下層施予正Y 軸的點負載 0.1 MPa， Y 軸位移量對照圖

圖3-17 ………....… 41 在靜電結構下層施予正Y 軸的點負載 0.5 MPa， Y 軸位移量對照圖

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圖3-19 ………....… 43 施予靜電結構30 伏特的驅動電壓，靜電結構帶動探針懸臂樑在 Y 軸的位移變化對照表

圖3-20 ………....… 44 利用IntelliSuite 的機械分析模組（ME Analysis）進行微型探針結構自然振動頻率分析

圖3-23 ………....… 47 靜電結構兩電極板在驅動電壓10 伏特下，模擬出之電容值

圖3-24 ………....… 48 靜電結構兩電極板在驅動電壓為10 伏特時，施以 5 μm 的 Y 軸位移量，模擬分析探針各部所受壓力的分佈情形

圖3-25 ………....… 49 定義探針尖端區域的光罩（Mask＃2）

圖3-26 ………....… 49 探針尖端在完成蝕刻後的向下凹洞表面輪廓

圖3-27 ………....… 50 表面粗度計量測探針針尖倒三角錐凹洞，深度與寬度之輪廓示意圖

圖3-28 ………....… 50 利用光罩定義微型探針懸臂樑與主體結構整體圖

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圖3-29 ………....… 50 利用光罩定義微型探針（懸臂樑放大圖）

圖3-30 ………....… 51 微型探針主體結構之表面輪廓示意圖

圖3-31 ………....… 52 微型探針結構懸臂樑之表面輪廓示意圖

圖3-32 ………....… 52 光學顯微鏡觀察微型探針整體結構之照片

圖3-33 ………....… 53 掃描電子顯微鏡（SEM）放大 80 倍之探針整體的照片

圖3-34 ………....… 53 掃描電子顯微鏡（SEM）放大 1500 倍之探針懸臂樑與探針針尖的照片

圖4-1 ………..………....… 54 系統整體架構示意圖

圖4-2 ………..………....… 55 系統整體架構

圖4-3 ………..………....… 56 控制XYZ 移動平台人機的程式操作介面

圖4-4 ………..………....… 57 電壓放大驅動模組與雷射都卜勒振動式干涉儀

圖4-5 ………..………....… 57 雷射都卜勒振動式干涉儀之檢測裝置

圖4-6 ………..………....… 58

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圖4-8 ………..………....… 60 探針與待測物接近產生凡得瓦爾引力作用時之振動頻率及振幅變化示意圖圖4-9 ………..………....… 60 探針至待測物之間距與振幅變化關係校準曲線圖

圖4-10 ………..………..………....… 62 以粗度計量測標準塊規的輪廓示意圖

圖4-11 ………..………..………....… 63 以本系統量測標準塊規的輪廓示意圖

圖4-12 ………..………..………....… 64 以本系統及M ATLAB 量測 PC 板樣品 3D 立體曲面圖

圖4-13 ………..………..………....… 65 粗度計量測PC 板樣品 3D 立體曲面圖

圖4-14 ………..………..………....… 65 粗度計量測PC 板樣品參數設定條件表

圖4-15 ………..………..………....… 66 利用本系統及MATLAB 量測探針卡表面 3D 立體曲面圖

圖4-16 ………..………..………....… 66 粗度計量測探針卡3D 立體曲面圖

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表目錄

表1-1 ………..………...… 5 各種掃描探針顯微術之分類

表3-1 ………..…………..…...… 35 不同沈積方式之氧化矽（SiO2）材料特性參數表

表3-2 ………..…………..…...… 35 不同沈積方式之氧化矽（Si3N4）材料特性參數表

表3-3 ………..…………..…...… 36 標準製程沈積銅（Cu）材料特性參數表

表3-4 ………..…………..…...… 46 三種邊界條件之探針運動模態與自然共振頻率分析

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第一章第一章緒論

1.1 前言

微機電系統（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）在歐洲被稱為微系統科技（Micro System Technology），其起源最早是在 1959 年由費曼博士所提出微型機械的概念，但真正促使此一領域蓬勃發展的推手，還是由於半導體製程技術的日趨成熟，使得製作微機電元件的可行性大大提升。所以標準半導體製程技術與微機電製程技術常密不可分，如薄膜沈積、微影與蝕刻技術，可是微機電系統的發展，雖然是搭著半導體製程設備與技術的便車，但由於在性能及結構上的要求，已不同於積體電路，所以也逐步發展出不同的製造技術。演變至今，微機電系統的發展已逐漸從學術研究走進產業界，衍生出多項商品，潛力產品更是廣泛。所涵蓋的範疇包含光學、電子、電機、機械、通訊、材料、物理、化學及生化醫學等多種知識與技術，形成一個典型的跨領域型整合科技。

隨著半導體與微機電製作技術的成熟，各種機械及電子元件尺寸的微型化已成一種趨勢。近十年來，工業界的半導體電路技術，由次微米（Submicron, 1 Micron=10^-6 m）推向深次微米，新的電子元件也越做越小，各國的學術研究實驗室也正積極進行所謂超薄膜及超晶格（Superlattice）技術，甚至要求到原子層的精確控制，很多人將奈米（Nanometer, 1 Nanometer = 10^-9 m）大小的結構，視為未來的明星材料。奈米尺度下的科學研究，也隨著顯微技術的進步而逐漸發展，

而奈米材料的各種物理、化學性質等，和材料表面特性更是有著密不可分的關係。因此，一套可以量測奈米尺度下的各種物理和化學性質的顯微技術的確有其必要性，而掃描探針顯微術（Scanning Probe Microscopy, SPM）[3]正好滿足了此種要求。

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第一章 1.2 研究動機與目的

我國目前及將來最重要的產業，是半導體及微機電精密工業。這兩大工業都需要奈米級(Nanometer)的精密定位及量測技術。傳統光學式顯微鏡由於受限於波長的關係，所以解析度的極限約為 2000Å。另一方面雖然掃描電子顯微鏡

（Scanning Electro Microscopy, SEM）的解析度可達 0.1Å ，但是它必須在真空中工作，非常麻煩，在元件生產時便無法辦到即時的檢測。而且當SEM 所打出來的電子，在樣品的表面掃描時，會對樣品產生破壞性效應。如靜電累積產生電場崩潰效應等，對大部分半導體元件而言皆不能適用，所以是一大缺點，於是掃描探針顯微術（Scanning Probe Microscopy, SPM）便應運而生。

掃描探針顯微術乃是一系列顯微技術的通稱，而這些顯微技術的共同點，在於其操作原理，是利用一根探針對樣品表面進行掃瞄，並且利用探針和樣品間的交互作用，來量測材料的各種物理及化學性質。而掃描探針顯微術除了作為檢測儀器外，目前也廣泛應用在各種領域上，如材料的檢定、奈米結構的製作、原子操縱術等，而近來亦有文獻提出利用奈米碳管（carbon nanotube）取代探針來量測樣品，藉以得到更高的空間解析度。所以掃描探針顯微術解析度的優劣，是取決於微型探針的性能好壞。

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第一章 1.3 文獻回顧

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（Micromachines）』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』之名稱。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。

掃描探針顯微術乃是一系列顯微技術的通稱，而這些顯微技術的共同點，在於其操作原理是利用一探針對樣品表面進行掃描，並且利用探針和樣品間的交互作用，來量測材料的各種物理及化學性質。而這一系列的顯微技術中，最早發明的當屬掃描穿隧顯微術（Scanning Tunneling Microscopy, STM）[4~8]。掃描穿隧顯微術起源於1980 年代初期，為 G. Binning 及 H. Rohrer 在瑞士的 IBM 實驗室所發展出來的一種新量測技術，發明者因此於1986 年獲頒諾貝爾物理獎。

掃描穿隧顯微技術能有效並穩定地操控金屬探針，且利用量子力學的電子穿隧原理，藉探針在距樣品表面，僅約幾個原子大小的範圍內來回掃描，讓原子的排列能夠具體地呈現，有助於我們從基本層面，來瞭解許多物理及化學現象。這種利用穿隧電流的大小，來量測樣品表面的形貌，可以得到原子級的空間解析度，但此種顯微技術僅適用於導體樣品，是其缺點。於是在1986 年，G. Binning、

C. F. Quate 及 C.H. Gerber 利用當時 STM 技術，發展出一套能偵測探針與樣品間的凡得瓦爾引力（Van Der Waals Force）的原子力顯微鏡，而隨著原子力顯微術

（Atomic Force Microscopy, AFM）[9~12]的問世，即可利用探針與半導體以及非導體材料樣品間的作用力，如凡得瓦爾引力等，來量得樣品的表面形貌。其後，

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第一章

以掃描穿隧顯微術和原子力顯微術為基礎，各種不同的掃描探針顯微術不斷的被發展出來，Williams, H. Wickramasinghe 在 1986 年發展出掃描熱力顯微術

（Scanning Thermal Microscopy, SThM）[13]。1987 年，Y. Martin, H. K.

Wickramasinghe 發明了磁力顯微術（Magnetic Force Microscopy, MFM）。而同是1987 年，Mate, McClelland, Erlandsson, Chiang 等人也發展出摩擦力顯微術

（Friction Force Microscopy, FFM）。1988 年，Martin, Abraham, Wickramasinghe, 等人發明靜電力顯微術（Electric Force Microscopy, EFM）。1989 年，C. C. Williams, J. Slinkman, H. Wickramasinghe 等人，發展出掃描式電容顯微術(Scanning

Capacitance Microscopy, SCM)[14]。Maivald, Hansma 等人在 1991 年發明了力調節顯微術（Force Modulation Microscopy, FFM）。而在現今科技進步一日千里的時代，顯微術的進步無疑是帶動奈米科學發展的最大動力，德國物理學家Franz Giessibl 等人在 2005 年，成功製作出能觀察小於 100 皮米（picometer, 亦稱微微米，即10^-12公尺）尺度的原子力顯微鏡[15]，此顯微鏡是採用單一探原子作為探針，其解析度至少為傳統掃描穿隧顯微鏡的三倍以上。

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第一章

常見的掃描探針顯微術之分類，如表1-1：

掃描探針顯微術(Scanning Probe Microscopy, SPM) 掃描式作用力顯微術

掃描穿隧顯微術(Scanning Tunneling Microscopy, STM)

）原子力顯微術(Atomic Force Microscopy, AFM) 靜電力顯微術(Electric Force Microscopy, EFM) 磁力顯微術(Magnetic Force Microscopy, MFM) 側向力顯微術(Lateral Force Microscopy, LFM) 摩擦力顯微術(Friction Force Microscopy, FFM) 掃描式電容顯微術(Scanning Capacitance Microscopy, SCM)[14] 掃描熱力顯微術(Scanning thermal microscopy, SThM)[13]

表1-1 各種掃描探針顯微術之分類

而運用於掃描探針顯微術的微型探針，是配合最佳化設計與半導體製程製作，因微型探針的剛性極小（約0.1 - 10 N / m），可利用原子力、電力、磁力等極微弱之物理與化學特性，便能達到原子或奈米等級之檢測解析度與加工線寬。

而微型探針的製作，目前在國內外已有許多的文獻提出，主要是依各種不同之應用，而有不同之製作方式，以下將簡略敘述常見四種探針之製作方式[16]：

（1）掃瞄穿隧顯微術微探針

一般是用0.5 mm的鎢絲，以電化學的方法，在KOH或NaOH溶液中腐蝕。

或將0.25 mm的鉑銥合金（PtIr）絲，拉剪而成。

（2）原子力顯微術微探針

將角錐形的矽材料尖端，蝕刻形成單晶矽探針之微製造（Micro Fabricated）

技術，然後用手工操作，接在以蝕刻玻璃基體產生的懸臂上。最後再以蝕刻去除

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第一章

矽，並在懸臂上沈積包覆一層折射率高的黃金薄膜。

（3）掃描近場顯微術微探針

目前一般常見的掃描式近場光學顯微儀，所用的近場光學光纖探針，是由 Eric Betzig在1992年左右，所發展的熔拉方式製作出來的。其方法是將裸光纖以二氧化碳雷射聚焦加熱熔拉，而形成具奈米尺度的尖銳探針，再以熱蒸鍍的方式，覆蓋一層金屬薄膜。

（4）、磁力顯微術微探針

運用於此顯微術的微型探針，其製作是透過電化學蝕刻鐵磁性材料，或者透過塗佈有磁薄層材料的非磁性探針而做成。

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第一章 1.4 研究方法

本論文是利用半導體與微機電製程技術，設計製作精密量測系統中最關鍵的靜電式微型探針。在矽晶圓上沈積薄膜材料，如複晶矽、氮化矽或二氧化矽及金屬等，運用半導體製程製作出來的，製程中定義靜電式微型探針結構與尺寸大小的光罩，是運用微機電設計模擬軟體IntelliSuite 來設計，並將設計好的光罩圖，

委託國家奈米元件實驗室（NDL）製作。就探針結構的設計與應用，相較於其他微型探針，此靜電式微型探針最大的不同處，是在懸臂樑上設計一靜電結構，如此可將單純靜態的探針賦予動態的效果，此靜電結構主要由兩金屬結構層與中間的絕緣層所組成，再將中間絕緣層做微結構釋放（Released），形成部分裸空。

當兩金屬層施以交流電壓，兩金屬層會因庫倫靜電力而相互吸引或排斥，進而驅動微懸臂樑使其產生振動，這便是此靜電結構設計的工作原理。

靜電式微型探針製作完成後，本研究尚整合實驗室其它設備，如雷射都卜勒振動頻率干涉儀、電壓驅動模組與XYZ 壓電平台，來組成一套薄膜輪廓精密掃描量測系統。此系統是屬於非接觸式掃描探針顯微術的一種，其工作原理為，架構於Z 軸壓電平台的靜電式微型探針是工作在共振模式下，待測物置於 XY 壓電平台之上，起始時是將Z 軸的微型探針下探至待測物的位置，利用信號產生器的出電壓做為探針驅動電壓的供應器，提供一等幅之交流電壓給微型探針，使其產生共振。此時運用雷射都卜勒振動頻率干涉儀打在微懸臂樑之上，並接收其反射的信號，來量測目前微型探針的振動頻率與振幅大小，並以此量測值做為基準。開始量測時，利用壓電平台將待測物沿著Z 軸方向升高，當探針的針頭快要接觸到待測物時，由於材料表面的凡得瓦爾引力，會使探針的振動頻率與振幅改變，藉由雷射都卜勒干涉儀量取振動頻率改變量，經過換算，便可得到待測物的表面高低起伏與形狀。

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第一章

1-5 章節提要

第一章主要是敘述目前精密製造產業的發展與需求、本論文的研究動機與目的、文獻回顧與研究方法。

第二章則是理論基礎的介紹，說明掃描探針顯微術的基本工作原理，分析各種掃描探針顯微術的優缺點，並介紹各種掃瞄探針顯微術微型探針的製作方式。

最後再推導本研究在探針製作上，所採用的理論基礎。

第三章是靜電式微型探針的製程設計與模擬分析。內容包含微型探針結構的設計理論、製程設計流程、以及利用微機電模擬軟體IntelliSuite 做微型探針的模擬分析。分別詳細就應力應變與結構耦合、自然振動頻率、與靜電三大方向，作模擬分析，最後則是微型探針實作的結果與討論。

第四章是微型探針與振動式掃描探針顯微系統的整合設計。首先先說明系統的架構，各元件的功能以及系統運作的流程。而後針對探針尖端與待測物間距，

對於微型探針振幅的影響，並量測兩者變化的關係曲線，而後利用標準塊規對此曲線做一驗證。接著利用此量測系統對實際樣品做量測，並與表面粗度計量測的結果進行比對，最後是量測結果討論與誤差分析。

第五章則是結論與未來展望，敘述本研究量測系統的設計結果，並提出可以再精進的部分，以及後續研究的方向。

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第二章第二章理論基礎

本章節要敘述的是本論文運用靜電式微型探針自製的一套量測系統的設計原理基礎。主要分成兩大部分來闡述，第一部分是說明掃描探針顯微術的基本架構，原理與量測方式。第一節與第二節分別敘述了掃描穿隧電流顯微術與原子力顯微術。其中原子力顯微術又細分為接觸式、非接觸式與敲擊式三種工作模式，

而本研究自製的量測系統，便是利用非接觸式原子力顯微術的原理，作為基礎而設計的。第二部分則是介紹靜電力致動器的設計原理，其驅動方式可分成平行電極板與梳狀電極板，本文是應用平行電極版的原理，設計靜電式微型探針。它是利用靜電力作為驅動源，只要給予些許電壓，便可利用兩電極板產生的靜電力，

驅動微型探針產生振動。

2.1 掃描穿隧電流顯微術（Scanning Tunneling Microscopy, STM）

在介紹掃描穿隧電流顯微術（Scanning Tunneling Microscopy, STM）的原理之前，首先要先說明何謂『穿隧效應（Tunneling Effect）』[16]。電子穿隧現象乃量子物理的重要內涵之一。所謂的『穿隧效應』就是指物質波粒子，可跳過比本身總能高的能量障礙。當然，穿隧的機率和距離有關；距離愈近，穿隧的機率愈大。當兩個電極相距在幾個原子大小的範圍時，電子便能從一極穿隧到另一極。

穿隧的機率是和兩極的間距，成指數反比的關係。掃描穿隧電流顯微術，即利用這種電子穿隧特性而發展出來的。如果上述兩電極中的一極為金屬探針，另一極為導電樣品，當它們相互距離很近時，如在其間加上微小電壓，則探針所在的位置，便會有穿隧電流的產生。

掃描穿隧電流顯微術（STM）的工作原理，是藉由探針在樣品表面進行二維掃描，並記錄在每一取樣點（Sampled Point）上的高度值，便能構成一幅三維圖像，該圖像之解析度取決於探針結構。如果探針尖端只含幾顆原子，則樣品表面原子排列情形便能獲知，如圖2-1 所示。因此，掃描穿隧顯微鏡是研究導電樣品表面原子性質的有利工具。依照近代物理的量子力學理論，電子有穿隧效應，若

(26)

第二章

可導電的探針與可導電的樣品間通有一偏壓，當兩者靠近至某一程度後，電子會越過探針與樣品間的能量障礙，因此有穿隧電流（Tunneling Current）的產生。

依量子力學理論，若穿隧電流的大小為I，則此穿隧電流與探針到樣品間的距離 d 之關係如式（2-1）所示:

) 2) (

( V d

e

A

I

（2-1）

其中 h m

A 2 ，h 為普朗克常數（Planck`s Constant），m 為電子質量，V 為所施加的電壓，d 為探針與樣品間的距離，φ為位能障礙的高度（Tunneling Gap），不同材料的樣品和探針有不同的φ值。

由於穿隧電流隨著探針和樣品間的距離成指數遞減，當距離減小1 Å 時，其間穿隧電流的變化增加約10 倍，此種對距離變化非常靈敏的現象，便非常適合小尺寸下的表面形貌量測。

圖2-1 掃描穿隧電流顯微術（STM）工作原理示意圖

(27)

第二章 2.2 原子力顯微術（Atomic Force Microscopy, AFM）

它的工作原理和穿透式電流顯微術不同，而是可掃描導體及非導體樣品的表面。而當探針和樣品接近到一定程度之後，兩者間的作用力場，主要的是短距力

（Short-Range Force），而此時長距力（long-range force）的作用則較不重要。最常見的短距力為凡得瓦爾引力（Van Der Waal’s Force），屬於分子-分子間的作用力；而靜電力、磁力等則是典型的長距力。除此之外，隨著原子力顯微術操作環境的不同，亦有不同的作用力。以液相環境操作來說，液-氣介面上的毛細作用力，對於探針懸臂變形量所造成的影響，也必須加以考慮，才能得到探針和樣品間真正的交互作用力。

而依探針是否接觸樣品的表面，可進一步分成三種類型，即接觸式（Contact Mode）、非接觸式（Non-Contact Mode）與敲擊式（Tapping Mode）[17-19]原子力顯微鏡，分別應用在不同需要的情況。

2.2.1 接觸式原子力顯微術

當探針和樣品的間距約在數埃（Å）左右，此時兩者間的作用力為排斥力，這是因為當兩原子彼此接近時，兩原子之電子雲開始重疊，而為了遵守包利不相容原理（Pauli Exclusion Principle），兩原子之電子雲會有互斥現象

（Exchange Interaction）。

這種接觸式原子力顯微術，其原理及系統架構如圖2-2所示，探針頭是裝在一個懸臂支架（Cantilever）的頂端，斜壓在樣品表面上。當探針在樣品表面以一定的高度進行掃描時，由於樣品表面有高低起伏的關係，可造成懸樑支架隨之彎曲，而照在支架上雷射光束的反射方向也隨之改變。此種幾乎接觸時產生的排斥力情況，可由一個四象限光源偵測器，所感測的光度位置變化，而解算出來。依據虎克定律（Hooke’s Law），支架彎曲量d（即待測樣品表面的高度變化）與施力之間的關係為式（2-2）

(28)

第二章 F = -kd

（2-2）

其中k 為常數。由於要偵測的距離約為 0.1Å，而 k 值通常為 1 N/m，所以偵測力的解析規格，須能小至10 ¹¹牛頓。

在接觸式原子力顯微術操作時，由於樣品的表面性質，如吸附現象、表面黏性、彈性等種種的原因，都有可能會對所測得的表面形貌有所影響。此種接觸模式對於表面形貌的解析度較高，不過對於一些生物樣品或軟性薄膜試片，則不適用。這是因為在此操作模式下，探針和樣品會接觸，在掃描量測的過程中，探針容易刮傷樣品，而影響量測的結果。

圖2-2 接觸式原子力顯微鏡（AFM）工作原理及系統架構示意圖

(29)

第二章 2.2.2 非接觸式原子力顯微術

接觸式原子力顯微術有一個壞處，就是當它在樣品表面進行掃描時，可能會對樣品表面造成傷害，如樣品表面為較軟或易碎的微生物或聚合物。因此在這種情況下，需要使用非接觸式原子力顯微術。這種非接觸式原子力顯微術的工作模式，是令探針的懸臂樑以一微小振幅振動，然後將探針慢慢接近量測樣品表面。當探針針頭非常靠近樣品表面時，由於材料表面凡得瓦爾吸引力（Van Der Waal’s Force）的關係，如圖 2-3，會改變懸臂樑共振的大小和相位。由這兩種變化的資訊，即可設計一個閉迴路控制系統，用來控制探針在樣品表面接近的程度。如果懸樑支架的共振振幅較大時，可用振幅偵測模式，而如果懸樑支架的共振振幅較小時，為改善靈敏度之不足，可改以相位偵測模式，進行控制迴路的設計。

當探針和樣品表面之間產生交互作用力時，探針懸臂樑的振幅會因此改變，而振幅衰減的大小，與探針和樣品表面之間交互作用力的梯度有關[20]，

其關係可以下式表示之

1

2 1 '

k Q F

A

（2-3）

其中A 為振幅，Q 為品質因子（Quality Factor），此參數和懸臂樑的自然共振頻率有關，F′為作用力梯度，k 為該懸臂樑的彈簧常數。

除了利用振幅的改變進行偵測之外，亦可利用探針共振頻率的改變，來量得作用力梯度，進而得到樣品表面形貌，共振頻率的改變量和作用力梯度間有如下的關係[20]

F

'

k k

n

c

（2-4）

其中c 為一常數

非接觸式原子力顯微術，由於探針並未和樣品實際接觸，因此可大大降低對軟性樣品表面的刮傷，探針受損的情形也可以減少，這是它優於接觸式

(30)

第二章

測試法的地方，但也因為探針未與樣品接觸，因此非接觸式原子力顯微術的空間解析度較差，而為其缺點。

圖2-3 非接觸式原子力顯微術系統架構及工作原理示意圖

2.2.3 敲擊式原子力顯微術

敲擊模式和非接觸模式的操作原理相當類似，但探針懸臂樑振動的振幅較大，而探針和樣品間的距離也比非接觸模式來的大。這種敲擊式原子力顯微術的工作原理，乃是利用探針輕敲樣品表面，故對樣品表面的刮傷可降到最低，對於像生物試片這樣的軟性樣品，使用敲擊模式的原子力顯微術，通常都可在不損傷試片下，得到極佳的量測結果[21]。

(31)

第二章 2.3 靜電式微致動器原理

靜電力屬於表面力的一種，在巨觀世界裡常因能量密度太小而未被採用，但在尺寸逐漸縮小的微系統而言，便常被用來作為致動源。因此，在微機電的發展過程中，靜電式微致動器[22]佔有舉足輕重的地位。而與其他的驅動方式比較，

靜電式致動器具有製造容易、材料選擇多（但需為導體）、可靠度佳等優點，不像其他以電流源操作的電磁及電熱式致動器，有熱破壞的問題。

一般而言，根據靜電力產生的原理，可將靜電式致動器的致動方式區分為兩種，分別是間距近接式（Gap Closing）與梳狀電極式（Lateral Comb），以下將依據這兩種靜電式致動器的致動方式與原理，做一詳細介紹。

2.3.1 間距近接式微致動器

早在1967年左右，Nathanson提出的共振式閘極電晶體（resonant gate transistor, RGT）[23]，就已利用靜電力驅動一根微懸臂樑，使其產生振動。

Nathanson採用的方式是將其中一固定電極，鍍在晶片表面上。另外由於懸浮的機械樑本身由導體形成，因此可視為一可動電極。當此兩電極有電位差時，可動電極將受到靜電力的作用而運動。這種致動方式產生的靜電吸力，

將使可動電極朝固定電極移動，而造成此二電極間距變小，因此一般稱之為間距近接式靜電致動器。

如圖2-4所示，兩塊面積A、間距d之平行電極板，當兩者具有電位差V時，

會在圖2-4的y方向產生靜電力F，使兩平行電極板受靜電力的吸引而互相靠近，該靜電力F的數學式可表示為[24]

2 2

2d

F AV

（2-5）

其中ε為空氣的介電常數。

(32)

第二章

圖2-4 靜電力致動器的架構與基本工作原理示意圖

假設其中一塊電極板固定不動，而另一塊電極板沒有任何的約束

（Constraint），則後者將受到靜電力F的作用而運動；而如果後者如圖2-5所示，受到剛性為ky的彈簧約束，則靜電力F將使彈簧產生形變，並致使電極板產生位移Δy。由虎克定律得知此位移量Δy為

2 2

2 d k y AV

y

（2-6）

(33)

第二章

一般而言，靜電力致動器的驅動模式，有固定電壓（DC）和交流電壓（AC）

兩種操作模式。根據數學式（2-5）可知，對靜電力致動器施加定值的電壓V，

則致動器會產生一相對應的位移y，因此在DC模式下，靜電力致動器可經由驅動電壓來控制其線性位移量。而在AC的操作模式下，靜電力致動器將扮演一個機械震盪器（Oscillator）的角色，如圖2-5所示。

假設致動器是具有彈簧和質量塊的系統，彈簧的彈性係數可以計算得知，其等效質量m也可依據材料性質和幾何尺寸計算出來，因此由該系統的動態特性可知，其線性振動（Linear Vibration）的自然頻率fn為[25]

m f

_n

k

^y

2 1

（2-7）

如果驅動的簡諧波Vcosωt頻率ω，和致動器彈簧與質量塊系統的自然頻率fn一致時，該致動器將產生一個相當大的輸出，此即為所謂的共振現象，

而此時致動器將扮演一個機械共振器（Resonator）的角色。

2.4.2 梳狀電極式微致動器

雖然間距近接式靜電致動器的概念很早就被提出，然而在操作時所面臨的靜電吸附問題，以及電極板必須不斷地保持導電接觸，會衍生接觸不良的可靠度問題，都相當難以解決，也限制了間距近接式靜電致動器在某些方面的應用。直到1989年Tang等人[26]，提出具有梳子狀致動電極的梳狀電極式靜電致動器，才克服了這兩個問題。

梳狀電極式靜電致動器的架構及工作原理如圖2-6所示，是具有兩塊固定不動的電極板，和另一塊位於其間、氣隙間距為d之可動電極板。和間距近接式致動器最大的不同是，此可動電極板運動方向是平行於固定電極板（如圖2-6之X方向），當可動電極板和固定不動的電極板厚度為t，其間空氣介電常數為ε，且假設彼此完全重疊時，會在其運動方向產生一靜電力Fx，以達

(34)

第二章

到致動的目的，其中Fx可表示為[26]

d F

_x

tV

2

（2-8）

圖2-6 梳狀電極式靜電致動器的基本架構及工作原理

如果將上述電極n個並聯排列成如圖2-7所示之梳狀形式，則該梳狀電極的總靜電力可增為

d tV F

_x

n

2

（2-9）

此即為典型之梳狀電極式靜電致動器的致動力。如果在x方向有一剛性為之彈簧附著在可動電極上，則根據虎克定律得知，彈簧將受到致動力的作用產生形變Δx，其中同時也使得致動器產生位移。

(35)

第二章

圖2-7 n個梳狀電極並聯之靜電致動器基本架構及工作原理示意圖除了利用重疊的梳狀電極板來造成靜電力外，電極板的邊緣電場效應

（Fringe Effect），所造成的靜電力也可利用來協助達到致動的目的。和間距近接式致動器相同，如果妥善地設計彈簧及電極的形狀與位置，便可以產生各種不同的運動。

由於圖2-7之電極板所形成之靜電場，主要仍是在y方向而非x方向，然而將可動電極置於固定電極中間的對稱設計，會使得y方向的淨靜電力為零，因此可動電極僅在期望的x方向致動，這種方式的電壓和靜電力的轉換效率並不好，產生的靜電力較小，所以需要相當高的驅動電壓。對於一個理想的梳狀電極式致動器，在移動的過程中，電極間距d為一定值，且其餘的參數t、ε、

V也不至於受到電極移動的影響，換言之，梳狀電極產生的靜電力在致動的過程中為一常數而不隨位置變化，這是和間距進接式致動器最大的不同點，

也因此梳狀電極式靜電致動器有較大的可操控行程。

雖然理想的梳狀電極式致動器，在移動的過程中，電極間距d為一定值，

然而在實際的運動過程中，可動電極仍有可能在Y軸方向產生位移Δy，如黃光製程中，顯影或蝕刻都會造成偏差，致使一側的y方向靜電力上升，而另一

(36)

第二章

側的y方向靜電力下降，最後將造成y方向的淨電力Fy不為零，由式2-7得知Fy

為

2 2

2

1 1

2 d y d y LtV

F

_y

n

（2-10）

其中L為梳狀電極重疊的長度，如圖2-6所示。

如圖2-7所示，如果Fy過大，將致使移動電極在方向的位移，大於電極間距d，而造成可動電極的側壁，吸附於固定電極的側壁，此現象稱之為側壁吸附（Side Sticking）[27]。因此對於彈簧結構的設計，除了必須考慮kx之剛性對驅動電壓的影響外，還必須考慮ky之剛性對側壁吸附問題的抵抗能力。

(37)

第二章

本研究所提出之靜電式微型探針，其基本設計原理，便是利用間距近接式微致動器的設計概念，而利用靜電力來驅動微型探針探針懸臂樑，使其產生振動，無論是探針製程或驅動操作都非常方便。但仍有若干問題需要考量，首先是驅動電壓和活動空間，兩者相互牽制的問題。根據式（2-5）得知，

靜電結構在小間距內可產生較大的力量，但是其靜電力將隨著電極間距增大而快速遞減，因此為了減低起始的驅動電壓，必須將兩電極板起始的間距拉近。然而由於電極板的間距拉近，便會減少靜電結構活動的空間，因此設計者在設計時必須在驅動電壓和活動空間兩者間，進行取捨。

另一問題是靜電力和金屬的間距，是呈非線性關係，以及其衍生的靜電吸附（Pull-in）[28-30]的問題。在靜電與結構耦合作用的系統中，由於靜電力與兩電極間距離平方成反比，而結構的彈性回復力，則隨兩電極間距離的減少而線性增加。亦即當兩電極受到靜電力相互吸引而拉近時，其靜電力是隨距離減少的平方增加，而彈性回復力則隨距離減少的一次方增加。因此靜電力的增加率較彈性回復力的增加率大許多，當施加在兩電極上的電壓差增加，便會使兩電極之間距減少，而隨著電壓增加至一極限時，結構本身的彈性回復力便無法與靜電力抗衡，造成兩電極彼此吸引至接觸，形成所謂的靜電吸附。所以，在設計此靜電式微型探針時，在這個問題便要多加考量。

(38)

第三章第三章靜電式微型探針的製程設計與模擬分析

3.1 靜電式微型探針設計

圖3-1 為利用靜電式微致動器的概念，再輔以微機電與半導體製程，所設計之靜電式微型探針剖面示意圖。如圖3-1 a 所示，為此探針懸臂樑（Cantilever），

探針尖端部分是利用半導體微影（Photolithography）與蝕刻（Etching）技術，在矽晶圓上蝕刻出一個四面錐形的凹槽，再利用薄膜沈積（Deposition）技術，把微型探針針尖與懸臂樑結構的材料沈積於矽晶圓上。另外在這懸臂樑的上方，蒸鍍一層金屬薄膜，做為雷射光的反射鏡。如圖3-1 b 所示，在反射鏡的上方，架設一雷射都卜勒振動式干涉儀之檢測裝置，它是利用連接板固定於Z 軸移動平台上。依據雷射都卜勒干涉儀光學部分的設計要求，檢測裝置與微型探針懸臂樑上的反射鏡面，兩者距離為60 mm 時，有最好的解析效果。檢測裝置是以垂直方式發射雷射光束至懸臂樑的反射鏡上，並同時接收反射回去的雷射光，進而產生干涉作用。雷射振動頻率干涉儀將干涉訊號藉由USB 介面傳至電腦，利用分析軟體先建立每一量測點的振動頻率或振幅與位移變化之關係，即可進行其他點的量測與高度位移變化。雷射都卜勒振動式干涉儀之檢測裝置

圖3-1 靜電式微型探針系統結構及工作原理示意圖

(39)

第三章

RIE）掏空靠右邊約三分之二。操作的原理是將上層金屬電極板固定於 Z 軸平台，

而後將此兩片金屬電極通以交流電，由於電極板會有充電作用，產生正負電荷，

故可使兩金屬電極板在已掏空部分產生相互吸引力，進而帶動下方的探針懸臂樑產生振動。

(40)

第三章 3.2 靜電式微型探針微機電製程步驟

Step1: 首先取< 100 >晶格方向的矽晶圓（約450 μm厚），並在其上下兩邊，長一層約10μm厚的氧化層SiO2，如圖3-2（a）。

圖3-2（a）

Step2: 在SiO2上沈積一層光阻P.R.（Photo Resist），並運用Mask＃1，經曝光顯影後，留下左半邊的部分，再利用蝕刻方式，將右半邊沒被P.R.覆蓋的SiO2去除掉，

結果如圖3-2（b）。

圖3-2（b）

(41)

第三章

Step3: 將P.R.去掉，並以SiO2作為阻隔層，放入加熱之KOH溶液，對Si進行蝕刻

（KOH對Si的蝕刻，在< 100 >晶格方向之蝕刻率，較在< 111 >晶格方向之蝕刻率大很多，約差兩個級數）。蝕刻完後，可得如圖3-2（c）之斜面。

圖3-2（c）

Step4: 先去掉上下表面之SiO2，再於上表面沈積一層鎳（Ni）厚度約3 μm，再覆蓋一層P.R.。沿用先前的Mask＃1，經顯影後，用蝕刻鎳的溶液，把沒有被P.R.

保護的區域蝕刻掉。當鎳蝕刻完成後，把P.R.去除，結果如圖3-2（d）。

圖3-2（d）

(42)

第三章

Step5: 沈積一層SiO2，再沈積一層P.R.。運用Mask＃2，經曝光顯影後，對SiO2

進行蝕刻，蝕刻完成後將P.R.去除。利用留下的SiO2區域，做為蝕刻Si的遮蔽層，

結果如圖3-2（e）。

圖3-2（e）

Step6: 同樣地，利用KOH對Si < 100 >與< 111 >方向，蝕刻速率的不同，在沒有被SiO2保護的區域進行蝕刻，可以蝕刻出有如V型的錐面，如圖3-2（f）。此步驟中Si蝕刻掉的區域，是準備下一步驟沈積一層Si3N4，做為探針尖端的結構。蝕刻完後，將SiO2去除。

圖3-2（f）

(43)

第三章

Step7: 利用化學氣相沈積法（Chemical Vapor Deposition, CVD），沈積一層Si3N4，厚度約20 μm。之後再沈積一層P.R.，並運用Mask＃3，經曝光顯影後，利用留下的P.R.區域做為遮蔽層，對未被P.R.阻隔的Si3N4進行蝕刻，蝕刻完後之部分，做為微型探針的結構主體。最後將P.R.去除，結果如圖3-2（g）。

圖3-2（g）

Step8: 在Si3N4的上方，蒸鍍一層鎳，並再沈積一層P.R.，運用Mask＃4，經曝光顯影後，將P.R.做為蝕刻鎳的遮蔽層。蝕刻完畢後將P.R.去除，留下的鎳做為雷射光的反射鏡，結果如圖3-2（h）。

圖3-2（h）

(44)

第三章

Step9: 沈積一層厚光阻，厚度約20μm，運用Mask＃5（負光罩），經顯影後，留下的光阻，則是做為蝕刻Si3N4的遮蔽層，結果如圖3-2（i）。利用蝕刻的方式將 Si3N4懸臂樑向下吃穿一條通道，此步驟的目的，是為了能讓交流電壓透過這個通道，連至靜電結構的底層，。

圖3-2（i）

Step10: 濺鍍一層鎳厚度約20 μm，將鎳填滿整個通道。最後利用光阻剝除法，

將光阻及覆蓋在光阻上的鎳去除，結果如圖3-2（j）。

圖3-2（j）

(45)

第三章

Step11: 沈積一層P.R.，厚度約30 μm，運用Mask＃6，經曝光顯影後，去掉左邊區域的光阻，預備做微機電靜電結構的下電極板，結果如圖3-2（k）。

圖3-2（k）

Step12: 濺鍍一層銅，作為靜電結構的下電極板，Cu的厚度控制在20 μm左右（不超過P.R.的厚度），結果如圖3-2（l）。

圖3-2（l）

(46)

第三章

Step13: 利用光阻剝除法，將沈積在P.R.上多餘的Cu去除，結果如圖3-2（m）。

圖3-2（m）

Step14: 利用CVD法沈積一層SiO2作為絕緣層，厚度約30 μm。再沈積一層P.R.，

厚度約40μm，結果如圖3-2（n）。

圖3-2（n）

Step15: 利用Mask＃6，經曝光顯影後，留下右邊區域的光阻。之後濺鍍一層銅以便製作上電極板，厚度約20 μm。而後利用光阻剝除法，去除多餘的銅，結果如圖3-2（o）。

圖3-2（o）

(47)

第三章

Step16: 利用反應離子蝕刻法（Reactive Ion Etching, RIE）去除SiO2。（因在兩金屬間的SiO2受到上層的Cu阻隔，所以必須利用RIE做掏空。掏空右邊約2/3即可，

剩下1/3的左邊，做為兩電極板間的支撐結構），結果如圖3-2（p）。

圖3-2（p）

Step17: 最後利用KOH將基材的Si去除，便可得到靜電式微型探針，結果如圖3-2

（q）。

圖3-2（q）

(48)

第三章 3.3 微機電模擬軟體 IntelliSuite 微型探針模擬分析

3.3.1 3D 模型建立與光罩設計

完成靜電式微型探針製程設計後，可以先利用模擬軟體，做製程結構模擬，以確定微型探針設計流程沒有瑕疵，或是整體結構合乎需求。圖3-3 是利用IntelliSuite 3DBuilder 建立的微型探針模型，設計的步驟是先定義出每一層的正視圖，而後再設定每一層厚度，如此即可形成3D 結構模型。模型建置完成後，有一點需要特別注意，就是要避免結構重疊（Overlap）的產生，

在確定沒有結構重疊之後，便可輸出至IntelliSuite 其他模組做機械（ME Analysis）、機電（EM Analysis）及靜電（ES Analysis）等的性能分析。

圖3-3 利用 IntelliSuite 3DBuilder 建立的微型探針模型

圖3-4 則是利用 IntelliSuite IntelliMask 設計之靜電式微型探針製程光罩，共定義了六塊光罩。在完成各層光罩設計後，這個光罩設計模組輸出的格式，可依照使用者的需求，選擇GDSⅡ或 DXF 等，兩種光罩的製作格式。

(49)

第三章

圖3-4 利用 IntelliSuite IntelliMask 設計之微型探針光罩（mask#1）

(50)

第三章

(51)

第三章 3.3.2 靜電式微型探針結構模擬材料參數設定

在3D 模型建立完成後，必須定義每一層的材料特性，如此才能使軟體模擬的結果符合實際情況，而就此靜電式微型探針而言，探針結構的底層與懸臂樑部分是採用氮化矽（Si3N4），而靜電結構的電極板材料則選擇銅（Cu），分隔靜電結構兩電極板的絕緣層則是選擇氧化矽（SiO2）。各種材料的參數特性表如下所示。

表3-1 不同沈積方式之氧化矽（SiO2）材料特性參數表 SiO2_Bulk

_General

SiO2_LPCVD _TEOS

SiO2_PECVD _TEOS

SiO2_Thermal _Dry

Property Value Value Value Value Units

YOUNG 73 61 64 50 GPa

POISSON 0.175 0.26 0.25 0.15 const DENSITY 2.2 2.2 2.2 2.26 g/cm³ BIAXMOD 88 82 85 63.3 GPa

CTExp 5.2 ### 26.1 5 10(-7)/C REFR_IN 1.46 1.45 1.45 1.486 const TH_COND 1.40E-02 ### ### ### W/cm/deg_C

DIELEC 3.9 ### ### ### const RESIST 5.05E+15 ### ### ### ohm.cm SR_TIME 50000 ### ### 5100 hr

STRESS ### ### 6 -450 MPa

表3-2 不同沈積方式之氧化矽（Si3N4）材料特性參數表 Si3N4_Bulk

_General

Si3N4_PECVD _N2

Si3N4_PECVD _Ar

Property Value Value Value Units

YOUNG 299.5 300 300 GPa

POISSON 0.275 0.27 0.27 const DENSITY 3.1 2.784025 2.55 g/cm³

CTExp 28 16 16 10(-7)/C

REFR_IN 2.05 1.910543 2.05 const

DIELEC 7.5 7 ### const

RESIST 0.1 ### ### ohm.cm STERSS ### -1100 500 MPa

(52)

第三章

表3-3 標準製程沈積銅（Cu）材料特性參數表 Cu_Bulk_General

Property Value Units

YOUNG 122.5 Gpa

POISSON 0.34 const

DENSITY 8.9165 g/cm³

Y_stress 100 Mpa

CTExp 168 10(-7)/C TH_COND 3.995 W/cm/deg_C

C 384.78 J/Kg/C

(53)

第三章 3.3.3 探針結構應力應變模擬與耦合分析

3D 模型建置完成後，即可輸出至機械分析模組（ME Analysis），做結構模擬，以下分三個部分來探討微型探針結構的分析方法。第一部份模擬，是先給予Y 軸負載，觀察探針懸臂樑的位移變化、懸臂樑所能承受的負載大小、

以及探針結構在受力之後結構內應力（Reaction Force）分佈情形。模擬的邊界條件，是將探針靜電結構最上層固定，因為探針製作完成後，是將這ㄧ面結構，固定於振動式掃描探針顯微術的Z 軸連接板上。而負載是設定在探針靜電結構的底層，為面負載，方向為負Y 軸，大小分別為 1 MPa、3 MPa 與 5MPa，模擬結果如圖 3-10、3-11 與 3-12 所示。在給予負載為 5 MPa 時，可知探針結構的形變非常明顯，因為模擬時並不會有呈現斷裂的情況產生，因此若以實際情形來判斷，在此負載之下，結構應無法承受而產生斷裂。

圖3-10 微型探針結構負載為 1 MPa，懸臂樑形變與 Y 軸位移對照表

（負值表示位移方向為負Y 軸，位移單位 μm）

(54)

第三章

（負值表示位移方向為負Y 軸，位移單位 μm）

(55)

第三章

電結構上層，與中間絕緣層的接合部分，最大值為60116.6 x 10^-6牛頓。

圖3-13 微型探針結構承受負載為 1 MPa，應力分佈情形

（單位為10^-6牛頓）

(56)

第三章

第二部分是分析靜電結構在施加負載後，上下兩電極板結構吸附耦合的狀況。也就是施加正Y 軸的負載，讓靜電結構下層帶動探針懸臂樑往正 Y 軸產生位移，而當位移大於或等於靜電結構兩電極板之間絕緣層的厚度時，兩電極板，就會因靜電吸附，而產生結構耦合的情況。這表示在靜電壓超過多少時，靜電結構的兩電極板會產生靜電吸附現象，藉由換算便能夠推估出施加在靜電結構的最大電壓值。在這個模擬分析裡，我們在靜電結構下層施予正Y 軸的點負載，而設定的邊界條件是靜電結構兩電極板中間的絕緣層，這絕緣層結構除了分隔兩電極板，與對上層電極板的結構支撐外，還承受了微型探針在振動時產生的應力，因此其尺寸若是太厚，則兩電極板的間距過大，

則需更大的起始驅動電壓來驅動微型探針使其振動。而厚度若是太薄，兩電極板的活動空間便被壓縮，驅動電壓稍大，往往會造成靜電吸附的效應，而使整體結構在運動的過程中產生停擺。

(57)

第三章

圖3-16 在靜電結構下層施予正 Y 軸的點負載 0.1 MPa， Y 軸位移量對照圖

（位移的單位為μm）

(58)

第三章

觀察圖3-16、3-17 與 3-18，可以瞭解到靜電結構下層電極板，施加正 Y 軸的負載，結構下層便會帶動懸臂樑與探針，往正Y 軸方向產生位移，而位移量會隨著負載的增加而變大。這種運動模式即是模擬實際操作探針時，是將上層電極板固定，靜電結構下層因靜電力的作用，會帶動懸臂樑與探針往靜電結構上層靠近。

我們分別分析三種負載下，靜電結構下層與探針懸臂樑接合處的位移，

量測位置是選擇接合的兩個端點（node 7227 與 node 16853）。負載為0.1 MPa 時，靜電結構的位移為4.69166 μm。負載為 0.5 MPa 時，靜電結構的位移為 11.5342 μm。而在負載為 0.8 MPa 時，靜電結構的位移為 16.6672 μm。因絕緣層的厚度是設定在20 μm，所以可知此時下層電極板結構的位移，已經很接近極限了。為了避免因靜電吸附導致結構耦合的情況產生，因此負載不可超過0.8 MPa。

(59)

第三章

懸臂樑，在Y 軸所產生的位移變化，結果如圖 3-19 所示。在施予 30 伏特的驅動電壓時，靜電結構下層邊緣節點的位移量，在最靠近探針懸臂樑的節點

（node 1364 與 node 5854），Y 軸的位移量為 3.17951 μm。

圖3-19 施予靜電結構 30 伏特的驅動電壓，靜電結構帶動探針懸臂樑在 Y 軸的位移變化對照表（位移方向為正Y 軸，單位 μm）

(60)

第三章 3.3.4 自然振動頻率分析

本節是利用微機電設計模擬軟體IntelliSuite，模擬分析微型探針結構自然共振頻率。首先將建置完成的3D 模型，輸出至 ME Analysis 模組。由於結構的自然共振頻率，取決於結構的設計形狀，與結構本身材料的選擇，因此在模擬之前，需先把各個材料的參數設定好，之後才給予結構的邊界條件。

而不同的邊界條件，所產生的自然振動模態與頻率也會有所不同。因此本節做了三種不同邊界條件的設定，來做為比對。第一種是將邊界設定在探針整體結構的左側表面，其自然共振頻率的模擬結果，如圖3-20 所示。

圖3-20 利用 IntelliSuite 的機械分析模組（ME Analysis）進行微型探針結構自然振動頻率分析（邊界為結構左側表面）

第二種則是將邊界，設於靜電結構的上層表面，自然共振頻率模擬結果，

如圖3-21 所示。而第三種則是將邊界，同時設於探針主體結構的左側表面，

與靜電結構上層表面，其自然共振頻率模擬結果，如圖3-22 所示。

(61)

第三章

圖3-21 利用 IntelliSuite 的機械分析模組（ME Analysis）進行微型探針結構自然振動頻率分析（邊界為靜電結構上層表面）

圖3-22 利用 IntelliSuite 的機械分析模組（ME Analysis）進行微型探針結構自然振動頻率分析（邊界為結構左側表面與靜電結構上層表面）

(62)

第三章

在進行自然共振頻率模擬分析時，我們做了十個模態的自然共振頻率分析。然而在這10 個模態裡，質量塊有彎曲的模式、波浪的模式、扭曲的模式、

上下振動的模式、直線運動的模式、左右搖擺的模式等。在這麼多種的模式裡，本研究主要是觀察上下振動的模式即可，因為這才符合微型探針設計的要求。經由這個分析模組Mode Animation 功能來做檢視，可以得到各模態的振動特性，本研究找到兩個符合需求的模態，其運動模式與自然共振頻率，

如表3-4 所示。

表3-4 三種邊界條件之探針運動模態與自然共振頻率分析邊界條件設定

運動模態

固定結構左側表面

固定靜電結構上層表面

固定結構左側與靜電結構上層表

面靜電結構下層與探

針結構底層帶動懸臂樑上下振動

32319.5 Hz 84961.5 Hz 84962.7 Hz

單純探針懸臂樑上下振動

172432 Hz 264485 Hz 264485 Hz

(63)

第三章 3.3.5 靜電分析

由於本研究之靜電式微型探針，是利用上下電極板靜電力的吸引力，來帶動微型探針的懸臂樑產生振動，所以本節是利用微機電設計模擬軟體的靜電分析模組，作靜電方面的分析。首先定義微型探針的邊界條件，如同先前的模擬分析，

本研究是將邊界定義在微型探針靜電結構上層電極板的表面，而給予的負載，是施以10 伏特的驅動電壓。

圖3-23 是在給予靜電結構 10 伏特的驅動電壓下，針對靜電結構兩電極板所產生的電容值作一分析，由模擬的結果可知電容值為33.81 x 10^-6法拉。

圖3-23 靜電結構兩電極板在驅動電壓 10 伏特下，模擬出之電容值

圖3-24 是分析靜電結構兩電極板，在驅動電壓為 10 伏特時，探針各部所受壓力的分佈情形。

(64)

第三章

圖3-24 靜電結構兩電極板在驅動電壓為 10 伏特時，模擬分析探針各部所受壓力的分佈情形

(65)

第三章 3.4 微型探針製作結果與討論

本論文所提靜電式微型探針的設計，由於未有標準的製作流程，因此在微型探針的設計概念成形後，是利用微機電模擬軟體（IntelliSuite）進行結構模擬，

以提供製程及設計的修正，以期微型探針實測時能合乎需求，並能找到克服問題的方法。

整個微型探針的製程中，光罩的定義與製作是首要完成目標。本研究將光罩設計好後，是以GDSⅡ的格式輸出，委託國家奈米實驗室（NDL）製作。光罩大小規格為4 吋，材料是選用玻璃，而後便可開始進行微型探針的製程。

圖3-25 定義探針尖端區域的光罩

（Mask＃2）

圖3-26 探針尖端在完成蝕刻後的向下凹洞表面輪廓

圖3-25 與圖 3-26 是在光學顯微鏡（Optical Microscopy, OM）下，所拍攝的微型探針針尖圖。圖3-25 是在經過光阻塗佈，然後利用光罩來定義針尖所要蝕刻的範圍。所定義的區域是預備利用蝕刻的方式，來形成一個倒三角錐的凹洞，

而後沈積Si3N4作為探針針尖。在這倒三角錐凹洞蝕刻完成後，其表面輪廓，如圖3-26 所示。

(66)

第三章

圖3-27 表面粗度計量測探針針尖倒三角錐凹洞，深度與寬度之輪廓示意圖

微型探針針尖倒三角錐凹洞區域蝕刻完成後，以表面粗度計量測，分析蝕刻區域的深度與寬度，量測的輪廓如圖3-27 所示。可知蝕刻完後探針基部寬度

（Pitch AB）為 0.136 mm，而深度約在 9.476 與 9.420 μm 之間。

完成微型探針針尖區域的定義、蝕刻後，在晶片表面沈積一層氮化矽

（Si³N⁴），作為探針結構與針尖的材料。而後利用光罩（Mask＃3）定義探針主體結構，與懸臂樑結構的尺寸。圖3-28 與 3-29 是在光學顯微鏡下，對探針整體結構與懸臂樑結構的拍攝結果。

圖3-28 利用光罩定義微型探針懸臂圖3-29 利用光罩定義微型探針

(67)

第三章

探針主體結構與懸臂量結構尺寸的定義，是採取濕式蝕刻的方式，針對不要的區域，把多餘的氮化矽材料去除掉。而後運用表面粗度計量測沈積材料的表面輪廓，結果如圖3-30 與 3-31 所示。

圖3-30 是針對探針主體結構表面輪廓量測結果，氮化矽材料沈積的厚度約在25 μm 左右，兩側邊緣稍微厚一點。由任意取三點的高度值（分別為 26.038 μm、23.595 μm 與 23.831μm），可以概括推算平均的高度差約在3 μm，這即為沈積氮化矽材料表面的平坦度。

圖3-30 微型探針主體結構之表面輪廓示意圖

而針對探針懸臂樑結構之表面輪廓量測，結果如圖3-31 所示，所沈積的氮化矽材料厚度約在28 μm 與 34 μm 之間。由圖可以得知這種情況形成的原因，

是因為這部分是把先前作為探針針尖區域的倒三角錐凹洞填滿，因此才會造成後續懸臂樑結構表面有凹下的現象。由任意取三點所得的高度值（分別為32.515 μm、28.255 μm 與 34.104 μm），可以概括推算平均的高度差超過了 5 μm。在實際工作時，當雷射光打在懸臂樑的金屬反射面時，會由於反射面的凹下現象，而使雷射光的反射與折射信號，產生干涉效應，造成量測結果的失真。

(68)

第三章

圖3-31 微型探針結構懸臂樑之表面輪廓示意圖

完成探針部分的製作，最後的步驟便是將底部基材矽晶圓蝕刻掉，這樣完成釋放的探針就可拿來使用。圖3-32 是微型探針在光學顯微鏡下，整體結構的全貌。

(69)

第三章

圖3-33 是利用掃描式電子顯微鏡（SEM），對微型探針的拍攝照片。拍攝的條件是在電壓15kV，放大倍率 80。而圖 3-35 則是在放大 1500 倍下，對微型探針懸臂量結構與探針針尖所做的拍攝。由圖左側部分可知，探針針尖的部分，是呈現三角錐的外形，但針尖的長度不夠，而且頂點尖端的部分，也不夠尖銳。這對後續使用此微型探針之量測精度，可能會有一些影響。

圖3-33 掃描電子顯微鏡（SEM）放大 80 倍之探針整體的照片

圖3-34 掃描電子顯微鏡（SEM）放大 1500 倍之探針懸臂樑與探針針尖的照片

(70)

第四章

第四章靜電式微型探針與自製振動式掃描探針顯微系統的整合

4.1 系統架構

圖4-1為本研究之靜電式掃描探針顯微系統整體架構示意圖，系統元件包括微型探針、XYZ移動平台、雷射都卜勒振動式干涉儀、電壓放大驅動模組、信號產生器及桌上型電腦，而圖4-2為本系統架構的實體照片。

圖4-1 系統整體架構示意圖

(71)

第四章

圖4-2 系統整體架構

系統工作原理是在桌上型電腦撰寫程式，控制XYZ平台，其操作的人機介面如圖4-3所示。本系統所使用的移動平台，為PI（Physic Instrument）公司直流伺服馬達驅動之精密三軸平台。X軸與Y軸移動平台的最大行程為200 mm，解析度為0.034 μm。其滾珠導螺桿（Ball Bearing）牙距（Pitch）為2 mm / rev，重複精度（Repeatability）為1 μm，最高移動速度為6 mm / sec。Z軸平台的最大行程為100 mm，解析度為0.017 μm。其滾珠導螺桿牙距為1 mm / rev，重複精度為0.5 μm，最高移動速度為3 mm / sec。

中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目：微機電靜電式微型探針與振動干涉儀整合 之非接觸式量測系統設計