微機電製程與應用

(1)

台灣師範大學機電科技學系 -1-

微機電製程與應用

微機電製程與應用技術技術

MEMS fabrication process and application technology

楊啟榮博士

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]

Prof. C. R. Yang, NTNU IMT

-2-

綱綱要要

z

微機電系統技術的重要性

z

基礎IC製程技術

z

微機電製程技術 – 矽基微加工

– 非矽基微加工技術

面型矽微加工 (Surface micromachining)

體型矽微加工 (Bulk micromachining)

LIGA與LIGA-Like製程與應用技術

SIGA製程與應用技術

軟式微影製程與應用技術

(2)

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 cm

³

, 1200 W

Europa Scientific, UK

微質譜儀晶片

0.2 Kg, 3 cm

³

, 0.5 W

DARPA, USA 微機電系統技術

台灣師範大學機電科技學系 Prof. C. R. Yang, NTNU IMT

-4-

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)

(3)

Digital Mirror Display/Digital Light Processing Digital Mirror Display/Digital Light Processing

Texas Instruments 15 μm

-6-

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

(4)

Philips 所發表的液體鏡片與取像模組 液體鏡頭構造與原理示意圖

-8-

Electrostatic

Electrostatic 現象現象

(5)

奈米碳管

奈米碳管AFM

AFM探針

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 )

-10-

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)

(6)

微機電製程技術微機電製程技術

-12-

基礎基礎 IC製程技術 IC 製程技術 (MEMS (MEMS製程基礎

製程基礎)

)

(7)

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)

-14-

Sputtering Sputtering

Physical Vapor Deposition (PVD) Physical Vapor Deposition (PVD)

Joule heat or Electron beam

(8)

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

-16-

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)

(9)

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

-18-

反應性離子蝕刻(RIE)系統, NTNU MOEMS Lab.

濕式蝕刻槽加熱與磁石攪拌器

蝕刻槽

溫控器

冷凝管

(10)

熱氧化製程熱氧化製程

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(SiO

₂

)。

氧化矽成長氧化矽成長

SiO

₂

Si

(a) 熱氧化成長SiO

₂

(b) 微影及BOE蝕刻SiO

₂

Si SiO

₂

PR

Si

(c) TMAH蝕刻液中以不同操作條件蝕刻 SiO

₂

氧化矽作為蝕刻遮罩氧化矽作為蝕刻遮罩

-20-

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。

離子摻雜離子摻雜 (doping) (doping)

(11)

NMOS PMOS

離子摻雜(doping)離子摻雜

(doping)的目的

的目的

-22-

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

(12)

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

體型矽微加工體型矽微加工

(Bulk micromachining)

(Bulk micromachining)

-24-

(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

(13)

梳狀微致動器梳狀微致動器

旋轉式微馬達旋轉式微馬達

-26-

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

(14)

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

-28-

矽體型微加工與應用技術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

(15)

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.

-30-

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:

(16)

Effects of mask geometry and agitation for isotropic wet etching

z

Etchant:

HNA (HF, HNO₃, CH₃COOH) z

Room temperature (<50℃)

z

Diffusion control

z

High etching rate (50μm/min)

z

Undercut mask

z

Mask:

Au/Cr or Si₃N₄is good SiO₂is simple

z

Undercut嚴重

z

Dimension定義嚴重失真

矽濕式蝕刻技術矽濕式蝕刻技術 ( I ) ( I )

Isotropic Etching of Silicon

Isotropic Etching of Silicon

-32-

z Etchant:

KOH, TMAH, EDP, H

₂

N

₄

(110) (100)

矽濕式蝕刻技術矽濕式蝕刻技術 ( II ) ( II )

Anisotropic Etching of Silicon

Anisotropic Etching of Silicon

(17)

Corner Compensation Corner Compensation

KOH etchant

Pure TMAH

TMAH+BR (界面活性劑)

-34-

Si

₃

N

₄

Si

(b) 微影及用RIE蝕刻Si₃N₄

(c) 在KOH蝕刻液中蝕刻

Si PR Si

₃

N

₄

Si

₃

N

₄ (a) LPCVD沉積Si₃N₄

(18)

濕式矽體型微加工之基本限制濕式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

-36-

Flow sensor Accelerometer

V-groove Neural microprobe

Force sensor

濕式矽體型微加工之應用濕式矽體型微加工之應用

(19)

High

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

感應耦合電漿之高深寬比非等向性

感應耦合電漿之高深寬比非等向性乾式乾式矽蝕刻技術矽蝕刻技術

Mask材料選擇的原則：高選擇比, 蝕刻深度, 非等向性…

Etching mask Substrate

Plasma

etch stop

感應耦合電漿蝕刻(ICP-RIE)系統, ITRC

-38-

STS

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

(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 (nCF

₂

)

( a )

nCF_x⁺ nCF_x^-

nCF_x^- nCF_x⁺

silicon

mask Sidewall polymeric passivation (nCF

₂

)

( 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

(20)

Dry Release Process Dry Release Process

-40-

MCNC, USA

Comb-driver Nested Gears

Micromotor Gyroscope

(21)

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

-42-

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

(22)

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

準分子雷射微加工

z

感應耦合電漿離子蝕刻

USA APS 同步輻射環

Excimer laser system

UV mask aligner

-44-

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) CO2 laser, (c) Excimer laser

F

₂

(157 nm)、ArF (193 nm)、KrF (248 nm)、

XeCl (308 nm)、XeF (351nm)

(23)

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

-46-

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)

(24)

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

-48-

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

(25)

SiO

₂

Si

Si (a) 熱氧化沉積SiO

₂

(b) 微影及用BOE蝕刻SiO

₂

(c) 以最佳蝕刻參數蝕刻

Si SiO PR

₂

SiO

₂

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：：

-50-

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製程應用於微光學元件製作 SIGA 製程應用於微光學元件製作

(26)

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

-52-

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

(27)

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.

-54-

Variable

Variable- -focusing focusing microlens microlens with with microfluidic microfluidic chip chip

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

(28)

Microfluidic

Microfluidic Chip Fabrication Chip Fabrication

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

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微機電製程與應用