微奈米机电工程

1第四章微奈米機電工程4.1前言4.2微機電系統4.3微機電元件之簡介4.4微機電系統的製造技術4.5微機電系統的應用4.6奈米機電系統的優點4.7奈米機電系統的製程4.8奈米機電系統的應用24.1前言將各式機械元件和電子元件縮小至微奈米尺寸，是成為微奈米科技產品的必經之路，這種縮小技術稱之為微機電系統或微系統(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)。微機電系統（MEMS）技術是以TopDown方式來作奈/微米科技元件的關鍵技術。奈米機電系統（NEMS）與微機電系統（MEMS），都是處理微尺度的前瞻科技，常被等同處理。微機電是指在微米尺寸，也就是10尺度下之製程技術，所製造出的迷你機械元件。就電子零組件的觀點而言，SOC（systemonchip）就是一個明顯的例子，這就是把許多不同功能的積體電路（IC）整合在一顆積體電路上，不但可以大幅度縮小元件體積、並且提高系統性能，以求生產成本的降低。就產品的機構而言，以傳統的製造方式無法縮小體積，隨之是一種新的製造技術產生，達到元件的微小化目的，這就是微機電系統（MEMS），藉此微小化許許多多的關鍵組件，進而能製造出更智慧的，更可靠的產品與系統。3機電系統最早有紀錄的機電系統儀器，是在1785年時由Charles-AugustinedeCoulomb建造用來量測電子電量。他的電扭矩平衡包含了兩個球型金屬球，一個是固定的，另一個則是沿著一根桿移動，這機構的運作有點類似電容板。此例子說明了，大多數機電系統裡兩個常見的基本原件：一個機械原件和一個感測器（transducer)。From”PRINCIPLESOFPHYSICS,SecondEdition”byRaymondSerwayF=keq1q2r2Coulomb’sLaw4微機械電子系統(微機電)Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)在1950年代末期，RichardFeynman博士聲明說要發給第一個「小於1/64英吋」的電子馬達發明者$1000當作獎勵。一位叫做WilliamMcLellan的年輕人用顯微鏡及鉗子做出獲得了此殊榮。(a)RichardFeynman用顯微鏡觀察WilliamMcLellan(左)所做出來小於1/64英吋的馬達。(b)光學顯微鏡下的馬達(3.81mm)。旁邊的巨無霸是一支筆的筆尖。(Picturecredit:CaltechArchives)MEMS的發展由來，根源於1960年代中期利用半導體製程，製造機械結構於矽晶片上的概念後，吸引了許多人投入該技術的研究。到了1970年代中期，利用該製造技術，結合機械和電子元件的半導體感測器，成功地開發出來。1980年後，研究內容也不侷限於感測器，還包含一些複雜的機構與元件，如幫浦、閥門、齒輪、馬達、夾子等等。研究目標已訂在發展一個完整的微型系統，包含感測、致動、訊號處理、控制等多項功能的系統，例如微型機器人和微型硬碟機。一般而言，對於能夠把每個微結構元件或系統本身尺寸定義在微米範圍，或是微結構的機械運動範圍，能夠達到微米的精準度或位移量，在這樣的精度與尺寸範圍內的微元件，我們皆可以稱之為微機電元件，而把這些微機電元件與其他周邊IC組成的系統稱為微機電系統。6微機電系統的特性與優點微機電系統的特性與優點如下：1.當一個機械系統從傳統大小縮小至微機械系統時，因其組成元件尺寸的微小化，故系統的精度大為提高。2.因為尺寸的微小化，質量都很小，許多巨觀世界不需考慮的物理特性與環境因素，在此都無法省略。3.在生產上所消耗的產品原料少，且在製造與整合上，多利用現有的半導體製程技術或是其他的特殊技術，易於大量的批次生產，大幅降低生產的成本。4.方便於更多可攜式產品的衍生與複雜系統的簡單微小化。7微機電系統(MEMS)與奈米機電系統(NEMS)將各式機械元件和電子元件縮小至微奈米尺寸，是成為微奈米科技產品的必經之路，這種縮小技術稱之為微機電系統或微系統(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)。微機電系統（MEMS）技術是以TopDown方式來作奈/微米科技元件的關鍵技術。近年來矽微細加工（siliconmicromachining）技術發展迅速，已可在矽晶圓（siliconwafer）上製作出三次元的微結構，若將這些微結構及具有換能功能的材料與微電子放大電路整合在同一晶片上，即可製作成微型的感測器與致動器。微機電(MEMS)是指在微米尺寸，也就是10E-6尺度下之製程技術，所製造出的迷你機械元件。奈米機電(NEMS)則是處理更細微的10E-9尺度。微機電技術可說是跨入奈米機電的橋樑之一，如觀測奈米尺寸物質的AFM顯微鏡，其探針與懸臂樑就是微機電產品。8靜電共振器在微機電系統（MEMS）或奈米機電系統（NEMS）中，使用感測器來將機械能轉換成電子或光學訊號。通常來說，微機電系統元件的輸出，是機械元件的移動。(a)機械式的靜電共振器，由矽絕緣體所組成，此扭轉共振器的轉動，產生一電場，可經由電極量測得知，而當有電子在柵門電極時，電場會改變共振器轉動頻率。(b)第一和第二代的機械式靜電器，由加州理工學院所建造。94.3微機電元件之簡介1.光纖耦合光學元件。2.微流量感測機電控制元件:微流量控制元件，包含微閥門和微幫浦，它們是微流量特性控制之成敗關鍵。3.非侵入式脈波感測器之研製:非侵入式脈波感測器，可在動脈處作中醫浮、中、沈切脈方式，量測穩定脈波訊號。4.化學晶片:化學晶片是實現晶片實驗室(Lab-on-a-chip，LOC)的機電元件，可以說是將一化學實驗室完整的濃縮在一晶片，它本身即具備有樣品前處理、分離、偵測等功能，可望成為未來生化與醫療科技的主流。5.生物晶片:生物晶片(Biochip)包括，去氧核糖核甘酸晶片(DNAchip)，蛋白晶片(Proteinchip)，以及基因晶片(Genechip)等。6.噴墨印表頭:噴墨印表頭噴嘴有微加熱電阻片，瞬間加熱墨水匣內的墨水至沸騰，利用膨脹氣泡的力量，將墨水由發射腔(firingchamber)噴出以進行列印。7.膠囊內視鏡:膠囊內視鏡只有1130mm大小，約等於一顆魚肝油丸的大小，前端有鏡頭及攝影機、內含影像感應傳送器和電池。104.4微機電系統的製造技術半導體製程概分為三類：（1）薄膜成長，（2）微影罩幕，（3）蝕刻成型。而微機電元件的製造技術，則是利用半導體製造技術為基礎，再加以延伸應用，其製造技術的彈性與變化比一般的IC製造技術來的大，從薄膜成長，黃光微影罩幕，乾濕蝕刻成型等製程，都在微機電製程的應用範疇。同時配合其他新發展的精密加工與矽微加工技術，包括異方性蝕刻，電鑄，LIGA等技術，而呈現的微機電元件的新製造技術。整個微機電系統的完成，則是靠各個關鍵元件的整合，而最後系統的封裝測試，也是重要的步驟。以下，由製造技術做一簡單的介紹。11(1)薄膜成長它是在已清潔的矽晶圓上，成長半導體或介電(dielectric)薄膜，作為電性導通或隔絕的材料，通常為了品質的要求，製程溫度會控制在攝氏1000度左右，此型製程機器常被稱為高溫爐管(hightemperaturefurnace)。又按著不同的化學反應，爐管有氧化(oxidation)、低壓化學蒸氣沉積(lowpressurechemicalvapordeposition，LPCVD)、常壓化學蒸氣沉積(atmosphericpressureCVD，APCVD)、磊晶(epitaxy)等之分。高溫爐管通常允許50片或更多的矽晶片，進行批次性的加工，成本極為經濟。另外常用來沈積金屬薄膜的是蒸鍍(Evaporation)，與濺鍍(Sputter)。12(2)微影罩幕以薄膜成長法之薄膜係均勻地成長在矽晶片上，另外必須以光蝕微影法(photo-lithography)，來進行平面圖形化(patterning)。其程序是先塗敷一層感光性極強的光阻(photo-resist)，輔以光罩(photo-mask)進行對準(alignment)、曝光(exposure)，最後顯影(development)、烤乾(hardbaking)。對準曝光可在曝光機(maskaligner)或步進機(stepper)上，以紫外光(UVlight)進行之；也有直接以電子束書寫機(E-beamwriter)，一點一點進行曝照。顯影，係將曝光區域之光阻洗去或留存，剩下之光阻圖形在烤乾後，即可作為下一道蝕刻之遮幕或掩膜(etchingmask)使用。基本上，微影是半導體製程中常用的昂貴步驟，因為必須一片一片進行，無法批次製作。13(3)蝕刻成型在所需要圖形之光阻保護遮掩下，矽晶片可浸入腐蝕酸液中，進行薄膜之濕蝕刻(wetetching)。傳統之化學蝕刻，通常在清洗槽中操作，機具成本低廉，但加工側向誤差大。較先進之腐蝕，是利用電漿(plasma)之乾蝕刻法(dryetching)，優缺點恰與濕蝕刻法互補之。以上三個步驟，算是完成了半導體元件一層結構之製作，其他數層或數十層之半導體或金屬結構，也將如法泡製。若每一層結構，都盡如設計般連接，該晶片製作可算初步成功。14接下來的矽半導體之矽微加工技術，也是基於半導體製程技術，但把矽半導體視為一機械性材料，進行切削或堆疊，又可分為下列三種技術：矽微加工技術(1)塊材微加工技術(2)面型微加工技術(3)LIGA技術15（1）塊材矽微加工技術（Bulksiliconmicromachining）塊材矽微加工技術，就是把矽晶片等材料當成一塊加工母材，來作蝕刻切削的加工技術。常用的材料為矽晶片及玻璃，利用這些材料製成零件後，可因零件之加工處理，如摻雜，而有接合溫度限制；或因含有電子電路，而有接合溫度及電場限制。若利用高溫來增強接合強度，在降回室溫時，不同材料會有熱應力產生，因而導致元件破裂及良率降低。在特殊用途的元件，常有材料上的限制，例如電泳分離晶片，使用高電壓，必須採用絕緣材料如玻璃，因而在接合方式不同。在蝕刻方面，主要還是以濕蝕刻為主，而加工之尺寸，約在mm至數十微米的範圍。深度由數十微米至晶片厚度（蝕穿晶片400~700微米）不等。16IsotropicWetEtching等方向性濕蝕刻AnisotropicWetEtching非等方向性濕蝕刻(100surfaceorientation)17（2）面型矽微加工技術（Surfacesiliconicromachining）面型矽微加工，是比較靠近積體電路半導體製程的作法，主要是利用蒸鍍、濺鍍或化學沈積方法，將多層薄膜疊合而成，此種方法較不傷及矽晶片。因為任何微機械結構，都是以薄膜沉積製作，所以不管是加工的精確度或者是解析度，面型微細加工技術都遠勝於塊材微加工技術。因此在整合晶片電路（on-chipcircuitry）與微結構（micro-structure）或微感測器（micro-sensor）方面，面型微加工都比塊材微加工法佔有優勢。但是此兩種方式，在微機電製程技術中的優劣，要看所要製作元件的特性與方式，有時甚至可將此兩種方式結合為一。18HFetching(MCNC-MUMPS-)MCNC,USA3Poly0-1-21metal2oxides19(3)LIGA技術微光刻電鑄造模（LIGAprocess）是另外一種加工技術，其中LIGA是德文字LithographieGalvanoformungAbformung的縮寫，主要是綜合光學、電鍍、模造等三項技術來製作微機械元件，可知LIGA技術是由德國所發展出來的。LIGA技術是以X-ray為主的光蝕刻技術，利用製程圖型的光罩或光阻，選擇性地保護工件表面後，以各種不同光源蝕刻未被光罩或光阻覆蓋的部分，再結合電鑄翻模與射出成型技術，而得到欲加工的幾何形狀。LIGA技術可以得到高深寬比的微結構，所應用的材料