ch 4 微機電元件之關鍵製程 蝕刻 與 liga. 蝕刻製程的功能...

CH 4

微機電元件之關鍵製程

蝕刻 與 LIGA

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。

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.

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.

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

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.

Anisotropic Etching

Etching speed depends on the crystal’s orientation in single-crystal silicon.

Typical etching rate : {110}>{100}>>{111} Precisely structured in 3D.

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

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

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

Silicon Lattice Structure

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

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) 。

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

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

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

Example of Dry Etching

Free standing Al structure on a silicon substrate

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

Typical Application of Lift-Off

Interdigital capacitor

1

2

3

4

5

Bulk Micromachining

Structuring of silicon in three dimensions using anisotropic etching

High aspect ratio is possible. Crystal orientation decides the structure geometry

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

Basic Structures in Silicon

Anisotropic Etching of Silicon

(110)

<100> 晶圓的蝕刻夾角 <111> 與 <100> 向量的餘弦定理

<100> <111>

54.74 ,cos001111010111

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

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

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

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

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

Electrostatic Micromotor

Motor diameter: 100 m Distance between rotor

and stator: 1-2 m. 15,000 rpm at 35V

Optical Microshutter

Drive by comb actuator Made from 2 m polysili

con 光柵： 100X30 m Max. move: 8.3 m(53V)

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

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

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

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

LIGA Process

Source : IMM home page

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 )

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

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

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

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

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

SLIGA

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

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

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)

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

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

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

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