臺灣博碩士論文加值系統

本文以微機電製程在(111)單晶矽晶圓上製作具有柵狀質量塊之環式振動陀螺儀，並以7740玻璃晶圓製作陀螺儀之基座與感應電極層。利用柵狀質量塊與感應電極層的差動運動，進行待測物體之轉動物理量量測。
由於(111)單晶矽晶圓為等向性材料，因此沒有頻率偏移問題；但其原子排列密度高，所以使用電感耦合電漿蝕刻機進行製程。其中，使用陽極接合法進行矽材與玻璃的接合，而陀螺儀的封裝係以覆單晶矽玻璃方式，並於真空環境中進行封裝。如此可確保陀螺儀內部為真空空間，使得環形振子的運動不受空氣阻力影響，增加陀螺儀的靈敏度。

In this research, a micro-ring vibratory gyroscope with grid-like masses was fabricated on a (111) single-crystal silicon wafer by MEMS technology. The base and the electrode sensing layer of the gyroscope were fabricated with Corning Pyrex #7740 glasses. The gyroscope can be used to measure any object’s rotational information through differential motions between grid-like masses and the electrode sensing layer.
The frequency-offset problem was solved by using (111) silicon to fabricate the gyroscope. However, due to the high density of atomic arrangement in (111) silicon, fabricating processes were difficult. The ICP was used to fabricate the main part of the gyroscope and ring oscillator. The anodic bonging process was used to bond (111) silicon and glasses. The SiOG process was used for the gyroscope packaging process. To ensure the internal part of gyroscope was in vacuum, the SiOG process must be done under vacuum environment. With such procedure, interferences between air resistances and ring oscillator’s motions can be avoided, and the sensitivity of the gyroscope can be enhanced.

摘要…………………………………………………………………………………….Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………………………Ⅱ
目錄………………………………………………………………………………….....Ⅲ
圖目錄………………………………………………………………………………….Ⅵ
表目錄……………………………………………………………………………….…Ⅹ
第一章 緒論……………………………………………………………………….…..1
1-1 陀螺儀簡介……………………………………………………………………..1
1-2 研究背景………………………………………………………………………..1
1-3 研究動機與方法………………………………………………………………..2
1-4 文獻回顧………………………………………………………………………..2
1-5 本文陀螺儀簡介………………………………………………………………..3
第二章 特徵頻率模擬與電容計算…………………………………………………...8
2-1 有限元素法簡介………………………………………………………………..8
2-2 模型建立………………………………………………………………………..8
2-2-1 外部固定對稱型撓性支撐架矩形質量塊圓環陀螺儀模型……………...9
2-2-2 內部固定S型撓性支撐架梯形質量塊圓環陀螺儀模型……………….10
2-2-3 內部固定對稱型撓性支撐架梯形質量塊圓環陀螺儀模型…………….11
2-3 特徵頻率模擬結果……………………………………………………………12
2-3-1 外部固定對稱型撓性支撐架矩形質量塊圓環陀螺儀之特徵頻率
模擬結果………………………………………………………………...12
2-3-2 內部固定S型撓性支撐架梯形質量塊圓環陀螺儀之特徵頻率模
擬結果…………………………………………………………………...15
2-3-3 內部固定對稱型撓性支撐架梯形質量塊圓環陀螺儀之特徵頻率
模擬結果………………………………………………………………...18
2-4 感應電容計算…………………………………………………………………21
2-4-1 矩形柵狀質量塊電容計算(外部固定圓環陀螺儀)……………………..22
2-4-2 大梯形柵狀質量塊電容計算(內部固定圓環陀螺儀)…………………..25
2-4-3 小梯形柵狀質量塊電容計算(內部固定圓環陀螺儀)…………………..28
2-4-4 電容計算討論…………………………………………………………….31
第三章 製程設計…………………………………………………………………….32
3-1 感應電極層製程………………………………………………………………32
3-2 矽晶圓主結構層正面製程……………………………………………………33
3-3 第一次陽極接合………………………………………………………………34
3-4 矽晶圓主結構層背面製程……………………………………………………35
3-5 第二次陽極接合………………………………………………………………35
3-6 切割晶圓………………………………………………………………………36
第四章 製程方法…………………………………………………………………….37
4-1 感應電極層製程………………………………………………………………37
4-1-1 清洗玻璃晶圓…………………………………………………………….37
4-1-2 鍍金屬製程……………………………………………………………….37
4-1-3 梳狀電極黃光製程…………………………………………………….…38
4-1-4 梳狀電極濕蝕刻製程…………………………………………………….40
4-1-5 鍍二氧化矽製程………………………………………………………….41
4-1-6 絕緣層黃光製程……………………………………………………….…42
4-1-7 絕緣層乾蝕刻製程……………………………………………………….43
4-2 矽晶圓主結構層正面製程……………………………………………………43
4-2-1 清洗(111)矽晶圓…………………………………………………………43
4-2-2 黏貼擋片晶圓………………………………………………………….…44
4-2-3 正面活動空間黃光製程……………………………………………….…45
4-2-4 正面活動空間乾蝕刻製程……………………………………………….46
4-2-5 環形振子黃光製程……………………………………………………….46
4-2-6 環形振子乾蝕刻製程…………………………………………………….47
4-2-7 導線溝槽黃光製程…………………………………………………….…48
4-2-8 導線溝槽乾蝕刻製程…………………………………………………….48
4-3 第一次陽極接合………………………………………………………………49
4-4 矽晶圓主結構層背面製程……………………………………………………49
4-4-1 分離擋片晶圓…………………………………………………………….49
4-4-2 背面活動空間黃光製程………………………………………………….50
4-4-3 背面活動空間乾蝕刻製程……………………………………………….50
4-4-4 龍骨結構黃光製程……………………………………………………….51
4-4-5 龍骨結構乾蝕刻製程…………………………………………………….52
4-5 第二次陽極接合………………………………………………………………52
4-6 切割晶圓………………………………………………………………………53
第五章 製程結果…………………………………………………………………….54
5-1 感應電極層製程結果…………………………………………………………54
5-1-1 矩形梳狀電極製程結果……………………………………………….…57
5-1-2 大梯形梳狀電極製程結果……………………………………………….59
5-1-3 小梯形梳狀電極製程結果……………………………………………….60
5-1-4 二氧化矽絕緣層製程結果……………………………………………….62
5-2 矽晶圓主結構層正面製程結果………………………………………………64
5-2-1 正面活動空間製程結果………………………………………………….64
5-2-2 環形振子製程結果………………………………………………….……67
5-2-3 導線溝槽製程結果…………………………………………………….…72
第六章 問題與討論……………………………………………………………….…75
6-1 感應電極層製作之問題與討論………………………………………………75
6-1-1 使用厚膜光阻SPR220定義梳狀電極圖形問題……………………..…75
6-1-2 使用舉離法製作梳狀電極問題………………………………………….76
6-1-3 梳狀電極濕蝕刻製程討論……………………………………………….78
6-1-4 感應電極層之金屬層厚度問題………………………………………….79
6-1-5 梳狀電極的線寬補償問題……………………………………………….81
6-1-6 卡羅酸破壞梳狀電極問題………………………………………...……..82
6-1-7 使用舉離法製作絕緣層問題…………………………………………….83
6-2 矽晶圓主結構層正面製作之問題與討論……………………………………84
6-2-1 (111)矽晶圓易破裂問題…………………………………………………84
6-2-2 黃光製程問題………………………………………………………….…84
6-2-3 乾蝕刻後去除光阻問題……………………………………………….…86
6-2-4 ICP膠汙染矽晶圓表面問題………………………………………….….86
6-2-5 電感耦合電漿蝕刻機單一循環蝕刻量討論…………………………….87
6-2-6 柵狀結構乾蝕刻製程問題……………………………………………….90
6-2-7 矽晶圓主結構層正面製程次序討論…………………………………….90
6-3 光罩設計之問題與討論………………………………………………………91
第七章 結論與建議…………………………………………………………. ……...92
7-1 製程結論………………………………………………………………………92
7-2 製程建議………………………………………………………………………92
7-2-1 增加矽晶圓厚度………………………………………………………….92
7-2-2 增加柵狀質量塊面積…………………………………………………….93
7-2-3 乾蝕刻尺寸補償………………………………………………………….93
7-3 未來工作………………………………………………………………………93
參考文獻……………………………………………………………………………….94
附錄一 光罩示意圖………………………………………………………………….96
附錄二 外接電極說明……………………………………………………………...104

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