利用矽晶片制造与整合微系统的思维与架构 - NTHU PME Micro.PDF

利用矽晶片製造與整合微系統的思維與架構 方維倫，朱懷遠 國立清華大學動機系 1. 前言 微機電系統包含各種不同的微結構，例如一些不可動的探針、流道、孔穴等 結構，或是一些可動的(剛體運動或是撓性形變)彈簧、連桿、齒輪等結構。將上 述不同的結構和相關的電路相互整合，即可構成各種不同的應用。其中最具代表 性的，就是以 MUMPs 面型微加工 (surface micromachining)平台技術整合梳狀 式致動器 (comb actuator) 、面鏡、樞鈕 (hinge) 、連桿等薄膜元件，構成多種不 同的微光機系統 [1,2] 。另一種常見的例子是，利用晶片接合的方式，整合體微 加工(bulk micromachining)製造的微結構，構成多種不同的微流體系統 [3, 4] 。簡 言之，如何藉由製程，製造與整合各種不同功能的微機械結構，是評估該製程技 術的關鍵指標，也是未來進一步邁向系統晶片時 (無論是單一化的SOC ，或是透 過封裝的 SIP)一項嚴峻的挑戰。因此本文將以筆者實驗室發展的實例，來說明 如何利用體微加工技術，於矽晶片製造與整合微系統的思維與架構。 目前最常見的矽晶片的體蝕刻技術，主要是濕式的非等向性化學蝕刻 (anisotropic wet chemical etching) 以及乾式的深活性離子蝕刻 (Deep Reactive Ion Etching, 以下簡稱DRIE) 。前者發展迄今已有30~40 年，該技術最主要的概 念是，利用化學反應(濕蝕刻)的方式移除矽基材，其中蝕刻速率受到矽基材之結 晶平面影響的非等向性蝕刻，是應用最廣泛的體矽微加工蝕刻技術。一般而言， 非等向性濕式蝕刻具有兩項特色，首先是利用蝕刻速率最慢的 {111}晶格面，來 阻擋蝕刻的進行，以便在矽基材表面形成如孔洞、凹槽、甚至凸塊等結構；其次 是利用凸角底切效應，來破壞 {111}晶格面，然後製造懸浮的薄膜機械結構，如 微懸臂樑或微橋式結構 [5,6] 。然而，受到 (111) 晶格面的限制，利用矽晶片非 等向性濕式蝕刻產生的結構，多侷限於一些特定的幾何形狀，例如: 倒金字塔 型，而沒辦法製造如圓形或三角形等外形之微結構。此外，由於凸角底切效應會 導致許多微結構的 (111) 晶格面遭到破壞，而無法被順利製造，如方形凸塊 [7-10] 。 另一方面， DRIE 則是近年來相當受到重視的非等向性體蝕刻技術 [11,12] ，是其特性和濕式非等向性蝕刻有顯著的差異。簡言之，DRIE 是利用蝕 刻的過程中所形成的保護層，來防止側壁被蝕刻，以達到非等向性蝕刻的目的， 因此蝕刻的結構形狀，不會受到晶格面的影響且沒有凸角底切的特性，因此可以 蝕刻出任意形狀的孔洞或凸塊。另外，利用蝕刻延遲（RIE lag ）的特性 [13,14] ， 還可以在基材表面製造多重高度，這點也是濕式蝕刻不易達到的。由於矽晶片的 乾式深蝕刻技術日益成熟，矽晶片除了作為基材 (substrate) 外，也常被用來作 為微元件的結構 [15,16] ，其主要的原因有三點： (1) 使元件有較佳的材料機械 性質；(2) 提供具備高深寬比的結構特性：例如具有較大的剛性 (stiffness) 及慣 量 (inertia) ；和 (3) 提供元件整合平台：直接蝕刻矽晶片，作為整合各種生光機 電元件的平台 [17,18] ，以實現系統晶片的目標。而早期較著名的有美國 Cornell 大學的 SCREAM 製程 [19,20] ，以及新進的 SOI 製程 [21,22] ，筆者也曾於 [23] 一文中介紹一種利用(111)晶片發展的 BELST 平台製程[24,25] ，這些製程都是以 乾式深蝕刻技術來定義矽結構的幾何外形。反之，因為沒有凸角底切效應，因此 無法製造懸浮的薄膜微結構，且無法利用(111)晶格面來形成一些有用的結構。 綜觀上述兩種體矽微加工技術，皆僅能製造有限的微結構，然而，隨著應用 的多元化，這些微結構逐漸無法滿足需求。筆者將於下文介紹一種整合前述兩種 蝕刻技術的概念