• 沒有找到結果。

國立台灣師範大學 機電科技學系

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "國立台灣師範大學 機電科技學系"

Copied!
27
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-1-

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: 02-7734-3506 E-mail:ycr@ntnu.edu.tw

非 非矽基微加工製程與應用技術 矽基微加工製程與應用技術

Non-Si-Based Micromachining Technology and its Applications in Microsystem Field

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-2-

綱 綱 要 要

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

z 非矽基微光學元件製作技術

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-3-

LIGA與 LIGA 與LIGA LIGA- -Like Like製程與應用技術 製程與應用技術

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-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, μ-SL) 軟式微影技術(Soft Lithography)

微接觸印刷術(Microcontact Printing, μ-CP) Micromolding in Capillaries (MIMIC) Microtransfer Molding (μ-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 y純金屬電鑄 y合金電鑄

微成形技術 y 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 y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 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)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-5-

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:

高深寬比 高深寬比( (high aspect high aspect ratio)

ratio)的微結構 的微結構

MCNC

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-6-

LIGA LIGA技術的起源與發展 技術的起源與發展

 LIG技術:

z1975年, Romankiw等人(IBM)結合X-ray 曝光及電鍍技術, 製作厚度20μm之高

深寬比金屬結構

 LIGA技術:

z1982年, 由德國W. Ehrfeld等人在Karlsruche Nuclear Research Center (KernForschungszentrum Karlsruhe, KfK)所發展

目前技術發展地點:

Forschungszentrum Karlsruhe (FZK), Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) z

最初目的:為了製作高深寬比的核能原料分離元件



美國Wisconsin大學之Guckel教授, 將LIGA技術與半導體製程結合, 使LIGA接近 標準的製造技術

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-7- medium

fraction light fraction

heavy fraction

U

235

heavy substance

light substance

medium substance Separation stage

UF

6

+H

2

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)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-8-

LIGA製程技術

微電鑄技術

複合製程技術 微成型技術

Deep lithography

電鍍液配方

合金微電鍍技術 陶瓷複合

電鍍技術 純金屬 電鍍技術

光罩製造技術 光阻塗佈技術

Alignment技術

光阻材料技術

反應性微射出成型

塑膠微射出成型 陶瓷微射出成型 微陶瓷結構燒結技術 熱壓微成型

陶瓷精密脫蠟技術

Bonding技術

製程設計技術 Alignment技術

LIGA LIGA製程技術的技術關聯圖 製程技術的技術關聯圖

(3)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-9-

犧牲層 犧牲層LIGA (S LIGA (S- -LIGA) LIGA)技術的應用範圍 技術的應用範圍

z

微感測器的懸浮結構

z

可控制流量進出的微閥門

z

各型微致動器的移動或轉動結構等…...

Micromotor Micropump

Acceleration microsensor

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-10-

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

IMT and IMM, Germany

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-11-

( 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 IMM微系統研究中心所開發的產品 微系統研究中心所開發的產品

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-12-

IMT微系統研究中心所開發的產品 IMT 微系統研究中心所開發的產品

Source: http://www.fzk.de/imt/eimt

(4)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-13-

LIGA

LIGA 製程 製程 vs. 類 vs. LIGA 製程 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

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-14-

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-15-

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

-16-

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

(5)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-17-

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

-18- (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

-19-

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 C. R. Yang, NTNU IMT

-20-

(c) LIGA microstructure with inclined sidewalls

Fabrication of microstructure with inclined sidewalls

Source: P. Bley, Interdisciplinary Science Reviews, 18(3) (1993) 267-272

(b) development (a) SR exposure

SR

mask resist

substrate

resist structure

(6)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-21-

Fabrication of

Fabrication of nonplanar nonplanar microstructure microstructure

X-ray lathe

Microstructure on the cylindrical substrate

helical structure mask

SR

blank substrate

mask

SR

mask

SR

Source: A. D. Feinerman et al., J. Microelectromechanical Systems, 5(4) (1996) 250-225

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-22-

Fabrication Techniques of Novel Microstructures Fabrication Techniques of Novel Microstructures

using

using Excimer Excimer Laser Ablation Laser Ablation

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)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-23-

準分子雷射的光分解挖除

準分子雷射的光分解挖除( (photoablation photoablation) ) 加工機制示意圖

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 μm (NIR)、二倍頻0.53μm (Vis)、四倍頻0.26μm(UV))

2. UV準分子雷射:F

2

(157 nm), ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm), XeF (351nm) z 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.

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-24-

準分子雷射加工高分子材料

準分子雷射加工高分子材料 蘇聯氫彈試爆 蘇聯氫彈試爆( (一九五三年八月 一九五三年八月) )

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

(7)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-25-

Optimum laser Materials

XeCl

308 nm 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

Optimum Excimer Excimer Laser for Various Materials Laser for Various Materials

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-26-

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-27-

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-28-

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

(8)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-29-

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-30- 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 不同之 Fresnel透鏡與傳統透鏡之比較圖 透鏡與傳統透鏡之比較圖

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-31- Mask

Crystal Substrate

RIE Crystal

Substrate HMDS

Coating Lithography

Crystal 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 微透鏡之半導體製作流程示意圖

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-32-

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 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

(9)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-33-

Mask

Workpiece Stage

Fresnel Lens

以Mask Dragging Mask Dragging 的方式製作微鏡片 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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-34-

背光模組光反射元件的製作 背光模組光反射元件的製作

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-35-

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-36-

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

(10)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-37-

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-38-

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 C. R. Yang, NTNU IMT

-39-

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-40-

SU- SU -8 Microstructures to be filled by electroforming 8 Microstructures to be filled by electroforming

(11)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-41-

SU

SU- -8 Structure filled by electroforming with Ni 8 Structure filled by electroforming with Ni- -Fe alloy Fe alloy

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-42-

Preparing

Preparing Photoresist Photoresist Reflow Lens Pattern Reflow Lens Pattern

H. Toshiyoshi

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-43-

Lens Shape (Sag) After

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

H. Toshiyoshi

( )

1/3

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-44-

Transferring

Transferring Photoresist Photoresist Pattern into Silicon Pattern into Silicon

(12)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-45- (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 C. R. Yang, NTNU IMT

-46-

厚膜光阻與犧牲層技術於微元件的開發應用 厚膜光阻與犧牲層技術於微元件的開發應用

( a ) 微繼電器 ( b ) ( a )圖之局部放大圖

( c ) 微致動器 ( d ) ( c )圖之局部放大圖

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-47-

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-48-

0 30 60 90 120

1 2 3

V olta ge

數列1

側位移量 側位移量25 25μ μm m不同彈簧結構下所需驅動電壓 不同彈簧結構下所需驅動電壓

Micro-relay, PIDC

(13)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-49-

Application of ICP RIE

Application of ICP RIE- -LIGA Process LIGA 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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-50-

Principle of an Electroforming Technology 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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-51-

E-beam mask

Intermediate mask

Working mask

Resist structure

Mold insert

Lots of Plastic/ceramic

products

Electro- forming

Plastic molding

Au

Au

Metal

products

Lots of Metal products

Cu, Au Ni, Ni-Fe

Ni, Ni-Fe Ni-Co, Ni-W Alloys, Composites

Cu, Au, Ni, Ni-Fe, Ni-Co, Ni-W, Alloys, Composites

Electro-

forming

Lithography, Development

Electro-

forming Electro-

forming

Illustration of electroforming role within LIGA process

X-ray mask

Metallic microstructures

Mold insert

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-52-

Ni Metal microstructures, mold inserts Au Absorber material for X-ray mask

Material for intermediate layers

Cu Microstructures, Material for intermediate layers Ni-Fe High magnetic and corrosion resistance property

Invar (64% Fe: 36% Ni) — low thermal expansion property Thermal coefficient of expansion (TCE):

Ni:13.4×10

-6

/K Cu: 16.5×10

-6

/K Silicon: 2.6×10

-6

/K Invar: 2.0×10

-6

/K Permalloy (21% Fe: 79% Ni) — high magnetic property

Saturation magnetization:

Nickel:6K Gauss Permalloy: 10K Gauss

Ni-Co High strength property for punch mold Ni-Mn High hardness property for punch mold

Ni-W High temperature resistance property

Characteristics and Application of Electroformed Metals

Characteristics and Application of Electroformed Metals

(14)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-53-

Schematic of an electrochemical cell

Power supply

Cathode Anode

e

-

e

-

Ni → Ni

2+

Ni 2e

-

2e

-

2H

2

O + 2e

-

→ H

2

+ 2OH

-

H2

H2

H2

H2

Ni deposition H

2

evolution Ni dissolution

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-54-

Electrolyte Laminar flow

Microstructured polymer layer

Conducting substrate as cathode

mass transport mainly by convection mass transport mainly by diffusion

Mechanisms of mass transport to recessed microelectrodes of different lateral dimensions during electroforming

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-55-

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 LIGA 製程之電鑄品質影響參數與條件

DC, pulsed, periodic reverse current

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-56- (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

(15)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-57-

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 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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-58- 電源

供應器

陽極 遮蔽

陰極

電源 供應器

電流密度分布

( a ) ( b )

(a) (a) 陰陽極間電流密度分布;

陰陽極間電流密度分布;(b)

(b) 遮蔽使陰極表面電流密度均勻化示意圖

遮蔽使陰極表面電流密度均勻化示意圖

電鑄層厚度控制方法

電鑄層厚度控制方法- -增加遮蔽層 增加遮蔽層

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-59-

電鑄層厚度控制方法

電鑄層厚度控制方法- -外圍虛電鑄區 外圍虛電鑄區

無增加虛電鑄區

增加虛電鑄區

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-60-

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

(16)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-61-

a

電流密度分布

a/b=1/4

a/b=6/1 b

電鑄金屬 電鑄起始層

光阻

overplating

Plating stopped at ~2/3 of the total depth

不同深寬比對電鑄輪廓曲線影響示意圖

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-62-

電鑄金屬 電鑄起始層 光阻

避免鑄層沈積厚度差異過大之製程示意

避免鑄層沈積厚度差異過大之製程示意 (a) (a) 改良前; 改良前;(b) (b) 改良後 改良後

( a ) ( b )

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-63-

精密電鑄技術 精密電鑄技術

金屬模仁製作 精密電鑄設備, NTNU MOEMS Lab.

微齒輪

鎳電鑄結構 高分子光刻圖案

Fresnel圖案 (深寬比25)

四階全像片 像素5 μm

z光學元件:線寬≦1 μm 、深寬比3 z高深寬比微結構:線寬10 μm、深寬比25 技術

能量

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-64-

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 精密電鑄技術的應用領域

(資料來源:中科院)

(17)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-65-

塑膠微模造成型技術 塑膠微模造成型技術

z 熱印壓模法 (Hot embossing) z 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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-66-

反應式射出成型示意圖

z

鑄材成份在射出前才混合

z

常用於熱固型樹脂

z

成份必須以精準重量比例混合

z

低黏度液體以低壓(約10bar)射入模仁內

缺點:

z必須使用真空模去除氣泡

z高分子聚合反應性強,具爆炸性

z模內壁之平滑要求高,否則脫模困難

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-67-

熱鑄式射出成型示意圖

z

鑄材加熱後才射入模仁內

z

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-68-

Principle of Hot Embossing Process

Heating and cooling for temperature control

(18)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-69-

Design

CNC-μMachining

μEDM

Si-processes Wet etch Dry etch DEEMO

High resolution techniques LIGA LIGA-like

Vacuum heating of substrate and tool

above Tg

Contact force typ.

several kN

Cooling of tool and substrate

below Tg

Demolding

Bonding of cover lid Mold insert fabrication

Embossing process

Hot Embossing Process Schematics Hot Embossing Process Schematics

Quality control Trimming

DEEMO: Dry Etching, Electroplating, Moulding

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-70-

IR- IR -Spectrometer Spectrometer produced by injection molding 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)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-71-

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

z

Economical in high volumes because of injection molding techniques

z

Compact and robust

z

No moving parts

z

High measuring stability through dual beam principle

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-72-

Principle of the VIS

Principle of the VIS- -Spectrometer Spectrometer

Source: http://www.microparts.de/01OPTICVIS.htm Light input λ1….λx

through optical fiber

Light output via 45

o

reflecting edge Diode

array

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

λ2λ1

Characteristics

z

Molded construction allows for cost effective volume pricing

z

Small dimensions, lightweight

z

Excellent thermal stability

z

Long-term stability

z

Flexible operation

z

Robust monolithic construction

z

No moving parts

(19)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-73-

LIGA技術的未來發展方向 LIGA 技術的未來發展方向

z

更高深寬比微結構的開發: 曝光設備、高敏感光阻

z

3D微結構的開發: 曲面、複雜微結構

z

複合製程的開發: 整合IC製程與微機械加工、製程設計規劃

z

新合金材料電鑄技術的開發: 金屬基陶瓷複合材

z

陶瓷材料成型及燒結技術的開發: 壓電、磁致伸縮陶瓷

z

新型微系統產品的開發與應用

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-74-

SIGA製程與應用技術 SIGA 製程與應用技術

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-75- 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/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 : :

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-76-

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

(20)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-77-

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 SIGA製程應用技術 製程應用技術

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-78-

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 C. R. Yang, NTNU IMT

-79-

軟式微影製程與應用技術 軟式微影製程與應用技術

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-80-

Soft Lithography Soft Lithography

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

(21)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-81- n=~60

n=~10

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-82-

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)

(2) Good optical properties 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 C. R. Yang, NTNU IMT

-83-

毛細管微成形

毛細管微成形( (micromolding micromolding in capillaries, MIMIC) in capillaries, MIMIC)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-84-

Schueller et al., Sensors and Actuators A72 (1999) 125–139

Preparation of a glassy carbon microstructure with a

triangular diffraction grating embossed on its surface

(22)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-85-

Schueller et al., Sensors and Actuators A72 (1999) 125–139

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-86-

Variable

Variable- -focusing focusing microlens microlens with microfluidic with 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

-87-

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

-88-

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

(23)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-89-

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 C. R. Yang, NTNU IMT

-90-

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.

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-91-

Towards the on

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

fibers and PDMS material

Camou et al., University of Tokyo

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-92-

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

(24)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-93-

Effect of the PDMS lens on the fluorescent light emission from the dye

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-94-

非矽基微光學元件製作技術 非矽基微光學元件製作技術

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-95-

Thermal impressing for the fabrication of microprism arrays

PMMA Oblique illumination

Beam splitters

Retroreflectors

Microprism

Microprism fabrication by the LIGA technique fabrication by the LIGA technique

Source: H. Peter Herzig, Micro-optics, Taylor & Francis (1997)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-96-

Planar integrated free

Planar integrated free- -space optics space optics

Optical pickup unit for data storage applications (Shiono and Ogawa)

(25)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-97-

Spherical lens

fiber fiber

Source: A. Müller et al., J. Micromech. Microeng., 3 (1993) 158-160

Single-mode fibres adjusted to a ball lens Schematic of a microoptical switch with

single-mode fibres

Movable mirror and fibre grooves mirror

LIGA Process for Optical Switch LIGA Process for Optical Switch

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-98-

應用X 應用 X- -ray LIGA ray LIGA製程開發之光學陣列開關 製程開發之光學陣列開關

J. Mohr, A. Last, and U. Wallrabe, 8th Microoptics Conference, Osaka, Japan, (2001).

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-99-

微型流式細胞

微型流式細胞/ /顆粒計數與分類感測器 顆粒計數與分類感測器 之研發及其應用

之研發及其應用

李國賓等人, 科儀新知第24卷第4期, 92年, 15-24

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-100-

微流體細胞計數器 微流體細胞計數器

z樣品由中間管道注入 z兩側則注入邊鞘流

z適當的操縱邊鞘流速,使中間流達到預期的寬度 (邊鞘流流速愈快,集中效果愈佳)

流式細胞/顆粒計數及分類感測器的操作原理則是利用水力所引發的流體聚焦效 應(hydrodynamic focusing effect) 而進行細胞計數及分類,其基本結構由三條 平行管道、噴嘴與集中流管道組成。

李國賓等人, 科儀新知第24卷第4期, 92年, 15-24

(26)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-101-

Pictures of a pre-focused 1 × 7 flow switch, fabricated on a quartz template (a) and then imprinted on PMMA substrates (b) using micromachining techniques and hot embossing

methods. The average depth of the microchannels is 40 μ m.

( a )

( b )

Lithography

Developing

Cr etching

PR stripping

Quartz etching (BOE 6:1) Quartz

UV

PR Cr film Photomask

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-102-

微流體聚焦現象 微流體聚焦現象

⎟⎟

⎜⎜

⎛ + + +

=

2 3 2 3 3 2 2 1 2 1 5 1 . 1

2

D D v v D

D v v

aD d

ρ ρ ρ

ρ

理論公式

d、D

1

、D

2

、D

3

為細胞流集中寬度和1-3入口微管道寬度 v

1

、 v

2

、 v

3

為流體入口微流管道之流速

ρ

a

、ρ

1

、ρ

2

、ρ

3

為出口流體和入口微管道1-3之流體密度

李國賓等人, 科儀新知第24卷第4期, 92年, 15-24

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-103-

Port B: and

Port A: and

流量比

流量比 (flow- (flow -rate rate- -ratio) ratio)控制流向法 控制流向法

李國賓等人, 科儀新知第24卷第4期, 92年, 15-24

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-104-

流向導引部分:利用兩側邊鞘流不同的速度控制流向。

李國賓等人, 科儀新知第24卷第4期, 92年, 15-24

(27)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU IMT

-105-

z

(a)圖下方為無微粒子時的訊號。

z

(a)圖上方為通過微粒子時的訊號

,其中每一峰值代表有一微粒子 通過。

計數器不僅可計數,還可分辨不 同粒子的大小。

( a )

數據

Illustration of electroforming role within LIGA process

參考文獻

相關文件

我畢業於國立大學科技法律研究所,大學時代則就讀國立大學法律

夏俊雄 教授 國立臺灣大學數學系 王偉仲 召集人. 國立臺灣大學數學系

C7 國立台中護理專科學校護理科 台中市 主任 C8 中臺科技大學老人照顧系 台中市 助理教授 C9 中山醫學大學公共衛生學系 台中市 助理教授 C10

J28 廣亞學校財團法人育達科技大學 幼兒保育系系學會 J29 美和學校財團法人美和科技大學 觀光系系學會 J30 環球學校財團法人環球科技大學 餐飲廚藝系學會 J31

健行學校財團法人健行科技大學 清雲科技大學 台灣首府學校財團法人台灣首府大學 致遠管理學院 大華學校財團法人大華科技大學 大華技術學院 醒吾學校財團法人醒吾科技大學

Researches of game algorithms from earlier two-player games and perfect information games extend to multi-player games and imperfect information games3. There are many kinds of

1.分離板塊邊界(Divergent Plate Boundary) 2.聚合板塊邊界 (Convergent Plate Boundary).. Ch2 造岩礦物及板塊構造學說 Ch2

punch bowl (B) crushed ice:Frappé (C) cubed ice:cocktail glass (D) lump of ice:old fashioned