341_088-132CP-TW

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341_088-132CP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

DTD版本：

1.0.0

發明專利說明書


※申請案號：086120039	※I P C 分類：H01L 21/3205

一、	發明名稱：
	一種製作懸臂式微機電結構的新製程 (全文下載)

二、

中文發明摘要：

本發明係提供一種製作懸臂式微機電結構的製程，其係提供一種克服薄膜成長非特定區域汙染問題之新穎製程，其優點除可取代傳統犧牲層等複雜技術外，尚能於微機電系統中，進行成長金屬薄膜時，亦因結構與製程之簡易而提高其良率；又以目前相當成熟的蝕刻技術，足可應付次微米以上之微機電製程。

三、

英文發明摘要：

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第（　　）圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：

五、	本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、	發明說明：
	【發明所屬之技術領域】
[0001]	本發明係提供一種製作懸臂式微機電結構的製程，尤指一種克服薄膜成長非特定區域汙染問題之新穎製程，其優點除可取代傳統犧牲層等複雜技術外，尚能於超大型積體電路及微機電系統中，進行成長金屬薄膜時，亦因結構與製程之簡易而提高其良率；又以目前相當成熟的蝕刻技術，足可應付次微米以上之微機電製程。
	【先前技術】
[0002]	一般而言，金屬的沉積技術之應用，包括有蒸鍍及濺鍍等兩種。但在超大型積體製程方面，對於如何提昇其微機電結構之階梯覆蓋與填塞等製程持續發展，尤其對非特定區域所造成之濺鍍沉積污染與破壞等問題，將是現今所面臨主要課題之一。
[0003]	在微機電系統技術之懸臂式結構上，進行後續製程如金屬薄膜或氧化層等沈積過程時，傳統的方法可概分為兩種(如圖一所示)：①犧牲層技術，如圖一(A)，其係將一層矽氧化物薄膜當作遮罩，此遮罩即為犧牲層11在懸臂式微機電結構10上區隔出特定金屬薄膜12(如PbTiO₃)與13(如Bi)區域，待濺鍍或蒸鍍完成後，再以蝕刻技術將此犧牲層11去除；②破壞性區隔成長技術，如圖一(B)，亦即在懸臂式微機電結構20上先全面濺鍍或蒸鍍成長金屬薄膜22(如PbTiO₃)與23(如Bi)區域，再分別對非特定區域進行蝕刻成元件尺寸與形狀。
[0004]	上述兩種傳統技術之缺失，除了①製程增加光罩次數外，且易於非特定成長區域造成濺(蒸)鍍污染，致使降低整個元件對直流信號的靈敏度與對交流信號的響應速度等缺點；又由於②製程過於複雜，易造成非特定區域之尺寸破壞，尤其容易使積體電路中其他已製作完成元件受損等問題；同時，主要感測部分無法重複製成陣列式，對大面積之偵測範圍內，不能提高其感測性能，且不易減少積體化之元件總體積，致消耗功率增加而使整個系統之速度降低。
[0005]	此兩種傳統技術除分別增加製程複雜性或困難度外，均對非特定區域造成汙染與破壞等問題，進而影響電子元件之操作速度與使用壽命甚巨。因此，如何在發展微機電系統的同時，克服此項問題將是現今所面臨主要課題之一。
	【發明內容】
	【實施方式】
[0044]	本發明之製作程序內容如下：(請參閱圖二所示之步驟流程)(1)首先準備兩塊(111)之P-Si晶片來作矽晶片模31與32，其係分別以光罩塗上光阻與鍍銅，並以濕蝕刻技術，製成與元件試片30上下之相同圖區，如圖二(A)與圖二(B)所示。
[0045]	(2)將模31模32以顯微技術對準且以銀膠黏於元件試片30之上下後，再進行所需濺鍍成長之金屬薄膜，如圖二 (C)所示。
[0046]	(3)待濺鍍成長所需之金屬(如PbTiO₃、Bi、Al)等薄膜33後，再剝離矽晶片模31，32，元件試片30即告完成，如圖二(D)所示。
[0047]	誠如上述之製作程序，適合本發明之矽晶片模31，32，可以是常用之p-Si晶片(電阻值3-4 Ω-cm、厚度約4-5 μm)；分別以元件試片30上下相同圖區之光罩塗上光阻與鍍銅，並以濕蝕刻技術，製成與元件試片30上下之相同圖區的兩塊矽晶片模31，32；再將二矽晶片模31與32以顯微技術對準且以銀膠黏於元件試片30之上下後，再進行所需濺鍍成長之金屬薄膜33。此時懸臂微機電結構之感測薄膜與其陰陽電極已完成，接下來可依需要配合進行其他之製程。
[0048]	晶模之蝕刻技術，是一般EDP化學溶液(即Ethylenediamine:120 ml, Pyrocatechol: 20 g, DI Water: 60 ml;T=100℃,Etch Rate: 72μm/hr)進行濕蝕刻；又其黏劑所使用銀膠(一種感光材料之黏劑)，只要於非特定區域之重點任意塗抹(只要固定即可，此並非本案之特徵所在。)待濺鍍成長所需之金屬(PbTiO₃、Bi、Al)等薄膜後，僅需於塗抹處小心施力即可剝離矽晶片模與元件試片；倘若不慎損壞或有銀膠污染時，茲因其黏著點乃於非特定區域(即非元件區之任意點)，待所需薄膜成長與陰陽電極完成後，進行接線封裝時可將非元件區切割(dicing)之，故其主要元件部分不致被損壞或有銀膠污染之虞。
[0049]	有關不同金屬薄膜成長，則依本實驗室之最佳沉積速率來控制。以PbTiO₃薄膜之成長條件(射頻磁控濺鍍法)為例：靶成分(原子數比)為Ti:Pb=1:1.12，基板成長壓力/溫度為10mTorr/580℃，濺鍍使用氣體流量分別為Ar:100 sccm與O₂:10 sccm；在此條件下PbTiO₃薄膜之沉積速率為10A/min。此沉積速率亦可由圖三所示濺鍍PbTiO₃薄膜的SEM側面圖可知(並請參閱圖四所附之照片)，即為沉積100分鐘之成長厚度為1000A (=0.1μm)。
[0050]	為充分說明本新穎製程發明之精神及技術特徵和內容，以下特舉一最佳實施例來說明之。
[0051]	以一種有懸臂式微機電結構上沉積鈦酸鉛鐵電薄膜之紅外線感測元件為例，請參閱圖五所示之步驟流程，其製作程序內容如下：(a)請參看圖五(A)，首先以預先成長好(111)的單晶矽n-Si/p-Si晶片作為基板試片40，並進行清洗；並取光罩分別置於基板試片上下，塗上正光阻41後鍍銅42; (b)請參看圖五(B)，再以EDP化學溶液(即Ethylenediamine:120 ml, Pyrocatechol: 20 g,DI Water: 60 ml;T=100℃,Etch Rate: 72μm/hr)進行濕蝕刻，並設定懸臂主動感測區域之面積、懸臂部分的有效尺寸面積為300×100μm²，厚度為3μm; (c)請參看圖五(C)，準備兩片(111)之p-Si晶片作矽晶片模43與44，分別以光罩依步驟(b)、(c)，蝕刻成相同圖區，再以顯微鏡對準基板試片40上下，以銀膠黏住並區隔出待成長薄膜之區域。(d)請參看圖五(D)以RF磁控濺鍍機，於基板試片40上方濺鍍PbTiO₃薄膜45，厚度約為1000A。(e)請參看圖五(E)，以E-Gun蒸鍍法，於 PbTiO₃薄膜45上成長鉍(Bi)金屬，作為陽極電極46；並於元件懸臂之背面成長鋁(Al)金屬，作為陰極電極47。(f)；請參看圖五(F)，最後取出上下區隔之矽晶片模43與44，完成之元件作接線測試。
[0052]	如圖三所示，成長PbTiO₃薄膜作為紅外線感測時，其厚度需適中。太薄會因輸入電壓太大而崩潰，太厚則電流無法穿透薄膜；吾人在多次實驗測試後，得知當PbTiO₃厚度為1000A (=0.1μm)可得最佳之照光度。
[0053]	如圖六所示為一具有懸臂式微機電結構之鈦酸鉛鐵電薄膜紅外線感測元件為例：本發明在克服污染非特定區域之技術下，於懸臂式微機電結構主要感測部分之SEM正視圖與側面圖，請分別參看圖六(A)與圖六(C)。另請參閱圖六(B)與圖六(D)所附之照片。
[0054]	如圖七所示為本案中元件試片懸臂樑上PbTiO₃層的厚度層之典型電流/電壓特性。顯示出感測金屬薄膜越厚，其電流/電壓具越佳之特性。
[0055]	如圖八所示為本案中成長完全之元件試片在不同強度紅外線的入射光功率下之電流/電壓特性，其中入射光源為一波長為910nm、強度為5mW之雷射二極體。由圖可知，在1000μW可量測出其靈敏度(即I/Idark比)高達64，其中Idark為當入射光功率=0W之暗電流。
[0056]	上述之實施例是用來詳細說明本發明之目的，特徵及功效，對於熟悉此類技藝人仕而言，根據上述說明，可能對該具體實施例作部分變更及修改，而並不脫離出本發明之精神範疇，所以，本發明之專利保護範圍，是僅由以下申請專利範圍來加以說明。
	【圖式簡單說明】
[0036]	請參閱以下有關本發明一較佳實施例之詳細說明及其附圖，將可進一步瞭解本發明之技術內容及其目的功效；有關該實施例之附圖為：圖一(A)~(B)：懸臂式微機電結構上傳統的濺[蒸]鍍金屬薄膜沉積方法。
[0037]	圖二(A)~(D)：濺[蒸]鍍過程中克服污染非特定區域之技術流程示意圖。
[0038]	圖三：懸臂式微機電結構鈦酸鉛鐵電薄膜紅外線感測器之製程步驟示意圖。
[0039]	圖四：懸臂式微機電結構鈦酸鉛鐵電薄膜紅外線感測器之製程步驟示意圖之附件照片。
[0040]	圖五(A)~(F)：濺鍍PbTio₃薄膜的SEM側面圖：沉積速率為10Å/min成長100分鐘，厚度為1000Å(~0.1um)，其它成長條件：靶成分(原子數比)為Ti:Pb=1:1.12、基板成長壓力/溫度為10mTorr/580℃、靶-試片座距離為5cm、設頻濺鍍功率為50Watt。
[0041]	圖六(A)~(D)：以一具有懸臂式微機電結構之鈦酸鉛鐵電薄膜紅外線感測元件為例：本發明在克服污染非特定區域之技術下，於懸臂式微機電結構主要感測部分之SEM(A)正式圖與(C)側面圖；圖六(B)、圖六(D)則分別為(A)及(D)之照片對照示意圖。
[0042]	圖七：為本案中元件試片懸臂樑上PbTio₃層的薄膜厚度之典型電流/電壓特性圖。
[0043]	圖八：為本案中成長完成之元件試片在不同強度紅外線的入射光功率下之電流/電壓特性，其中入射光源為-波長為910nm、強度為5mW之雷射二極體。
	【主要元件符號說明】
[0017]	10‧‧‧懸臂式微機電結構
[0018]	11‧‧‧犧牲層
[0019]	12‧‧‧金屬薄膜
[0020]	13‧‧‧金屬薄膜
[0021]	20‧‧‧懸臂式微機電結構
[0022]	22‧‧‧金屬薄膜
[0023]	23‧‧‧金屬薄膜
[0024]	30‧‧‧元件試片
[0025]	31‧‧‧矽晶片模
[0026]	32‧‧‧矽晶片模
[0027]	33‧‧‧金屬薄膜
[0028]	40‧‧‧基板試片
[0029]	41‧‧‧光阻
[0030]	42‧‧‧銅
[0031]	43‧‧‧矽晶片模
[0032]	44‧‧‧矽晶片模
[0033]	45‧‧‧PbTiO₃薄膜
[0034]	46‧‧‧陽極電極
[0035]	47‧‧‧陰極電極

七、

申請專利範圍：

1.一種製作懸臂式微機電結構的製程，其係提供一種克服薄膜成長非特定區域汙染問題之新穎製程，包括濺鍍過程中克服污染非特區之技術，此技術乃利用二塊P-Si晶片作模，以遮蓋濺鍍之非特定區，其先分別蝕刻出與元件試片上下相同圖區，次以銀膠將其對準黏于試片上下，且區隔出欲濺鍍或蒸鍍區域，待完成氧化物及金屬等薄模成長後，再將上下模與元件試片剝離，藉由如此之製程以克服非薄膜成長特定區域之汙染問題及避免元件試片之製程傷害。
2.如申請專利範圍第1項之所述之製作懸臂式微機電結構的製程，其中兩塊矽模係由單晶矽或多晶矽之一層或多層基版所構成。
3.如申請專利範圍第1項之製作懸臂式微機電結構的製程，其中矽模之圖區係由化學蝕刻溶液或物理蝕刻技術所形成。
4.如申請專利範圍第1項所述之製作懸臂式微機電結構的製程，其中結構由上而下分別是矽模/元件試片/矽模，並以任何方式對準與黏著。
5.如申請專利範圍第1項所述之製作懸臂式微機電結構的製程，其中成長金屬薄膜，係可物理或化學沉積技術來完成。
6.如申請專利範圍第1項所述之製作懸臂式微機電結構的製程，其中完成金屬薄膜沉積技術之先利用”矽模/元件試片/矽模”沉積金屬，然後再剝離的技術。

八、	圖式：
	圖一(A) 圖一(B) 圖二(A) 圖二(B) 圖二(C) 圖二(D) 圖三圖四圖五(A) 圖五(B) 圖五(C) 圖五(D) 圖五(E) 圖五(F) 圖六(A) 圖六(B) 圖六(C) 圖六(D) 圖七圖八

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