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CH 4
微機電元件之關鍵製程
蝕刻 與 LIGA
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蝕刻製程的功能 蝕刻製程的功能,是將
微影製程前所沉積的薄膜,把沒被光阻覆蓋的部份以化學反應或物理作用的方式去除掉,已完成轉移光罩圖案到薄膜上面的目的。
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Etching Mechanisms
Chemical Wet Etching( 濕式蝕刻 ) Dipping the substrate into an etching bath or spraying it with th
e etching solution. Etching solution is acidic or alkaline to dissolve the material to b
e removed. Dry Etching( 乾式蝕刻 )
Expose the substrate to an ionized gas. Chemical or physical interaction occur between the ions in the g
as and the atoms of the substrate.
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Characteristics of Etching Techniques
Selectivity Etching method removes a specific material but does not
(or only slightly) remove other materials (或蝕刻率的比值)
Directional Property Isotropic: etching speed is the same in every direction. Anisotropic: etching speed is NOT the same in every direc
tion.
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MEMS 材料與常用之蝕刻液 Si (Single-Crystal Silicon, Polysilicon)
Anisotropic etching: KOH (Potassium Hydroxide) 對 (100) 比 (111) 快很多 , EDP (Ethylene-Diamine Pyrocatecol 乙烯二胺 ), TMAH( 氫氧化四甲基銨 )
Isotropic etching: HNA etching system, hydrofluoric (HF 氫氟酸 ), nitric (HNO3硝酸 ), acetic acid (CH3COOH 醋酸 )
SiO2 (Thermal SiO2, LTO, PSG) Release process using 49% HF Oxide patterning using buffered HF (28 ml 49% HF, 170 ml H2O, 113 g NH4F
氟化氨 ), also know as Buffered Oxide Etch (BOE) 氟化氨當氫氟酸的緩衝劑以補充氟離子蝕刻時的消耗。
Quartz (Crystalline SiO2): Anisotropic etching in heated HF and ammonium fluoride (NH4F) solution
氮化矽 :磷酸
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Isotropic Etching
Chemical wet etching for amorphous( 非結晶 ) or polycrystalline (ex. polysilicon) is always isotropic.
Cavities with rounded off edges (undesired in design). Resist is undercut. Limited in deep forming. Dimension control is difficult. Useful in surface micromachining.
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Anisotropic Etching
Etching speed depends on the crystal’s orientation in single-crystal silicon.
Typical etching rate : {110}>{100}>>{111} Precisely structured in 3D.
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矽非等向蝕刻液的種類 有機溶液: TMAH( 氫氧化四甲基銨,( CH3 )4 NOH ) 、聯氨 (Hydra
zine) 及 EDP (乙烯二胺 ) 聯氨 (Hydrazine) 及 EDP 具毒性且不穩定 TMAH 與 IC 製程相容,可以二氧化矽作為蝕刻阻擋層 (etching mas
k) ,無毒,但蝕刻速率較低 鹼液: KOH, NaOH, LiOH, CsOH, NH4OH, 並可添加異丙醇 (IPA) 等
KOH 低毒性、較佳的蝕刻面,故常被使用,但鉀離子會污染 IC 製程 影響蝕刻速率除了晶格方向與蝕刻液的種類外,尚包括溫度、濃度、攪
拌形式、滲雜種類、表面缺陷、薄膜應力、表面雜質的殘留、氣泡、 PH值等
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非等向蝕刻液的比較
SiO2 淺蝕刻 ** etch rate of SiO2= 435 nm/hr at 80°C 30% KOH ,不適於深蝕刻
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溼蝕刻的機制 濕蝕刻的機制
蝕刻液由邊界層外傳輸至蝕刻表面 蝕刻液與蝕刻面反應產生生成物 生成物由蝕刻表面傳輸至邊界層外
外加攪拌可產生強制對流,增加第一、三道的質量傳遞過程,而第二道過程為化學反應
溫度越高蝕刻速率越高,但蝕刻面粗糙度將變差 固定溫度下存在一蝕刻速率最高的蝕刻液濃度
4eSi(OH)2OHSi 2
22 2H4OH4eO4H
O2H(OH)SiO4OHSi(OH) 2222
2222- 2H(OH)SiOO2H2OHSi
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Silicon Lattice Structure
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晶格鍵結與蝕刻
{100} 與 {111} 面的共價鍵與懸垂鍵 KOH 蝕刻時蝕刻液的 OH- 與矽原子
的懸垂鍵反應 {111} 有三個共價鍵,強度較高,故
蝕刻速率低 {100} 只有兩個共價鍵,蝕刻速率高 速率 R<111>/R<100> = 1:80~1:120
Si atoms on a {100} plane
Si atoms on a {111} plane
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單晶矽的晶格方向與蝕刻速率 {110} 晶面雖然有三個共價鍵,但因晶面的原子排列鬆散,以致蝕刻液對
矽原子結構產生穿遂效應 (Channeling effect) ,造成蝕刻速率較快 (Hesketh, 1993) 。
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Dry Etching
Expose the substrate to an ionized inert gas (argon, helium, xenon). Chemical or physical interaction between the ions in the gas and th
e atoms of the substrate. Three groups:
Physical sputter etching (ion beam etching)
Chemical plasma etching Combined physical/
chemical etching 最大特點就是可進行非等向性蝕刻
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Dry Etching
Physical sputter etching / Ion beam etching Inert ions bombard the substrate fixed to the cathode Anisotropic Selectivity is not guaranteed. Etch rate ~10 nm/min
Chemical plasma etching Active radical (活性初生基) Isotropic Excellent Selectivity Etch rate ~100 nm/min
Combined physical chemical etching Reactive Ion Etching (RIE) 選擇性 2:1 到 40:1 Etch rate 20~200 nm/min
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Reactive Ion Etching
RIE乃以 F, Cl, C, O 等組成之氣體電漿,經電和磁場時離子在低壓中加速,以化學與機械撞擊的方式去除材料
RIE 常用之氣體
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Example of Dry Etching
Free standing Al structure on a silicon substrate
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Lift-Off (掀去技術)
Often used for making electrically conductive layers from hard-to-etch metals
Lithography of PR pattern Sputtering structuring material (o
r CVD) Aceton( 丙酮 ) as solvent
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Typical Application of Lift-Off
Interdigital capacitor
1
2
3
4
5
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Bulk Micromachining
Structuring of silicon in three dimensions using anisotropic etching
High aspect ratio is possible. Crystal orientation decides the structure geometry
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Bulk Micromachining
蝕刻幾何形狀將沿著 (111) 晶面被切割 常用於橋、樑、薄膜等特徵的構造
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Basic Structures in Silicon
Anisotropic Etching of Silicon
(110)
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<100> 晶圓的蝕刻夾角 <111> 與 <100> 向量的餘弦定理
<100> <111>
54.74 ,cos001111010111
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Surface Micromachining Planar structuring of the surface of a substrate Use thin layer techniques and selective etching Make complicated planar structures with a maximum
thickness of a few micrometers
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表面微機械加工之步驟
沈積二氧化矽(犧牲層) 以微影蝕刻在犧牲層(二氧
化矽) 沈積複晶矽作為結構層 以微影製程與蝕刻製作複晶
矽結構之幾何外型 以 HF蝕刻法將犧牲層移去
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結構層與犧牲層的材料 多晶矽結構層
犧牲層採低溫氧化矽( Low-Temperature Oxide, LTO )或磷矽酸玻璃 (Phosphorous Silicate Glass, PSG)
犧牲層蝕刻液為 BOE(Buffer-Oxide-Etch; HF:NH4F=1:6) 絕緣材料(氧化矽、氮化矽)為結構層
犧牲層採金屬(鋁) 犧牲層蝕刻液為非 HF系之酸液
金屬為結構層 以絕緣材料為犧牲層 以化學電漿乾蝕刻(非氯系,如 SF6)去除矽基絕緣犧牲層
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Comb-like Free-standing Microstructure
以表面微細加工所製作的複晶矽梳子驅動器 Beam: 0.8 m wide and 2 m high
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Microgripper
Microgripper made from polysilicon using surface micromachining
Moved by electrostatic force from comb-like actuators
用於顯微手術或微組力工作
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Electrostatic Micromotor
Motor diameter: 100 m Distance between rotor
and stator: 1-2 m. 15,000 rpm at 35V
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Optical Microshutter
Drive by comb actuator Made from 2 m polysili
con 光柵: 100X30 m Max. move: 8.3 m(53V)
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Micro-Mechanical Devices
可重複以上步驟以獲得更複雜的立體微結構(可達 20微米厚),但每層之間需鍍上氮化矽作為保護層
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What is LIGA
LI Lithographie Deep Lithography
深微影 (平版法 )
G Galvanoformung Micro electro forming
微電鑄 (微流電 )
A Abformung Micro moulding 微模造
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1998/6
Why LIGA?
80年代發展於 Research Center Karlsruhe 用來作製造濃縮鈾所需的擴散噴嘴
可製作高度達數百微米的立體結構極困難的構造,而側面尺寸可達約0.2微米之微元件
可用於矽基製程無法製造之材料如金屬件,或作為塑膠、陶瓷元件之成形模具或以上不同材料之合用 .可將各種元件整合
缺點:需以 X-ray 作為曝光源,製作成本高
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1998/6
Why “LIGA”?
• any materials• mass production
• high aspect ratio• any lateral pattern• high precision • low surface roughness
by SRRC by SRRC
by SRRC
by IMT
by IMT
1 m
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LIGA Process
Source : IMM home page
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1. 數百 um 的阻抗
2. 顯影
3. 流電流填充
4. 除去阻抗 ( 成品 )
5. 當塑膠模 ( 量產 )
5.6.7. 用流電法作成互補的塑膠模( 用脫模技術生產金屬零件 )
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LIGA 的光罩製作
光罩由吸收體、承載模、與支撐框所構成
X光可穿透鈦 (2um)或鈹 (20-60um) ,而會被金、鉑、鎢或鉭所吸收( 流電法 ) 形成高對比覆罩
造價高 X光波長 0.225nm 金屬層 10um 結構 400
um 本光罩 20um 650um
但數千 USD
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X-Ray Lithography
同步輻射源 X光:磁場加速電子,波長 0.2 ~ 0.6奈米,平行度佳、穿透性高,可製 1mm 高的 3D 結構
一般 PR採 PMMA ,但 PMMA 對 X光不很敏感,一次只能照射很小面積,照射時間久( 350 微米需八小時),易劣化
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微流電
成形 PMMA 在導電基板(金屬板加氧化鈦增加附著性)
流電法沈積金屬(鎳、銅、金以及鎳鈷、鎳鐵合金),鎳基的電解液常用
可製成完工金屬件 或作為射出之成形 模具
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Plastic Molding
Injection Molding 聚甲醛 (Polyoxymethylene) PMMA 加熱冷卻變硬
Reaction Injection Molding 低黏性、所需壓力低,故較
常用 使用反應樹脂如甲基丙烯酸膠、矽膠、乙內醯胺膠
成形塑膠件可進行第三級的微電鑄成金屬件,或以陶瓷粉末注入塑膠模後燒結成陶瓷件
陶瓷糊 -注入模 - 生胚 90 度乾燥 -燒結 -微零件
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Sacrificial LIGA Technique (SLIGA)
在 LIGA 製程之前在基材先鍍上一層鈦, LIGA 成形後再以濕蝕刻選擇性移除鈦,便可得到分離的微元件
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SLIGA
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電容式微加速度計之位移感測器 鎳製振動質塊,高 100微米與上下電極間隙為 3微米 右下方為 mechanical over load stop 以防止過載破壞
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以 LIGA技術製作的鎳齒輪,直徑 260微米,高 150微米(左圖)
微渦輪機的致動齒輪
http://ultra10.pidc.gov.tw/Research/Nano/index.html
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具齒輪變速器之微馬達 鎳製,高 100微米,軸與轉子間隙為 500(nm)
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Electrostatic Comb Actuators 下方梳狀結構與基材連接,上方梳狀結構為懸浮與一微彈簧結構連接,可受靜電力吸引而移動
梳尺長 200微米
寬 20微米
齒間距 5微米 結構高 70微米
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微幫浦示意圖
外殼為金製 100微米高,約2.7微米的薄鈦層與玻璃層
聚醯胺膜閥門 (Polyimide)
可傳輸水或空氣
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Microfluidic Controllers
流體因 Coanda 效應而沿開關壁流動
控制埠施加壓力改變流體出口的方向
不需移動原件的開關
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High Pass Optical Filter
LIGA technique by reaction molding 孔徑 80微米,高 170微米,間隙 8微米 共 74,400 個孔