以非等向濕式蝕刻製作微結構之研究

Abstract

為了在矽晶片上製作微機電系統元件，則製作各種形狀的微結構是必要的。本論文運用非等向濕式蝕刻製程，發展晶向對準技術、蝕刻停止技術，以及角落補償技術，來製作：（1）精確地對準晶格方向的高解析度前置蝕刻圖案，（2）高深寬比的超長懸臂樑，（3）利用雷射控制蝕刻停止所製作的矽薄膜，（4）凸直角結構，以及（5）半圓柱結構。在研究中，我們為各種微結構設計特殊的光罩圖案，經由微影以及蝕刻製程將光罩圖案轉移到矽晶片上，最後利用KOH溶液蝕刻出所設計的微結構。在本實驗中，我們發展出解析度為0.00625°的晶向對準技術，並製作出深寬比12.5且1cm長的懸臂樑、厚度50μm的矽薄膜、凸直角結構，以及近似半圓柱的結構。

In order to implement the MEMS devices on the silicon wafers, it's necessary to fabricate various microstructures. In this thesis, we employed the anisotropic wet-etching process to develop the crystallographic- orientation alignment technology, the etch-stop technology, and the corner compensation technology. We used photolithography and etch processes to transfer the various designed photomask patterns onto {100} silicon wafers, which would be etched in the aqueous KOH until the desired microstructures have been achieved. In this experiment, we achieved the following structures: (1) a pre-etching pattern to determinate the crystallographic orientation with resolution 0.00625°, (2) a cantilever beam with aspect ratio 12.5 and length 1cm, (3) a 50μm thick silicon membrane using laser-controlled etch-stop technology, (4) a convex-corner structure, (5) a approximate semi-cylindrical structure. 英文摘要 ii 誌謝 iii 目錄 iv 表目錄 vi 圖目錄 vii 符號說明 ix 第 1 章 緒 論 1 1.1 微機電系統簡介 2 1.2 塊狀微細加工的關鍵技術 4 1.3 研究目的 5 第 2 章 非 等 向 濕 式 蝕 刻 8 2.1 非等向濕式蝕刻的基礎 8 2.1.1 基本概念 8 2.1.2 化學蝕刻機制 10 2.1.2.1 Ethylenediamine-Pyrocatechol-Water (EDP) 10 2.1.2.2 Potassium Hydroxide (KOH) 10 2.1.2.3 Tetramethylammonium Hydroxide (TMAH) 11 2.1.2.4 廣義非等向蝕刻機制 11 2.1.3 物理解釋 12 2.1.4 蝕刻速率 14 2.1.5 蝕刻幕罩 14 2.1.6 基本結構 17 2.2 晶向對準 17 2.3 蝕刻停止的機制 18 2.3.1 高摻雜硼濃度蝕刻停止 18 2.3.2 電化學控制蝕刻停止 18 2.4 角落補償 19 2.5 製程整合 20 第 3 章 實 驗 設 計 21 3.1 決定晶格方向的實驗設計 21 3.1.1 機制 21 3.1.2 光罩設計 22 3.1.3 對準方式 23 3.2 製作高深寬比的超長懸臂樑的設計 29 3.2.1 機制 29 3.2.2 光罩設計 31 3.3 雷射控制蝕刻停止-控制矽薄膜厚度 33 3.3.1 蝕刻停止機制 33 3.3.2 光罩設計 33 3.4 凸直角微結構的實驗設計 37 3.4.1 角落補償機制 37 3.4.2 光罩設計 38 3.5 蝕刻半圓柱結構的實驗設計 40 3.5.1 角落補償機制 40 3.5.2 光罩設計 40 第 4 章 製程與結果討論 44 4.1 實驗配置 44 4.2 決定晶格方向 47 4.2.1 製程 47 4.2.2 實驗結果與討論 47 4.3 製作高深寬比的超長懸臂樑 51 4.3.1 製程 51 4.3.2 實驗結果與討論 51 4.4 雷射控制蝕刻停止-控制矽薄膜厚度 55 4.4.1 製程 55 4.4.2 實驗結果與討論 55 4.5 製作凸直角微結構 59 4.5.1 製程 59 4.5.2 實驗結果與討論 59 4.6 製作蝕刻半圓柱結構 66 4.6.1 製程 66 4.6.2 實驗結果與討論 66 第 5 章 結論與未來工作 72 參考資料 74