臺灣博碩士論文加值系統

本論文採用MEMS製程技術於四吋矽晶圓上製作出1μm厚的二氧化矽薄膜微懸臂樑結構，以微拉力試驗機搭配探針對微懸臂樑進行彎曲試驗，探討SiO2微懸臂樑之機械性質。彎曲試驗中，懸臂樑之彎曲強度與破壞應變會隨懸臂樑長度的增加而減少，樑的正背面平均彎曲強度分別為6.32GPa與6.21GPa、平均楊氏係數130.15GPa、破壞應變為0.0528。由於微懸臂樑受TMAH濕蝕刻影響，導致背面彎曲強度減少0.11GPa，減少幅度為1.02%。有關SiO2薄膜殘餘應力的量測，其值在295.88MPa到360.13MPa之間，平均值為328.84MPa。以SEM觀察SiO2微懸臂樑的破斷面得知，斷面大致光滑平整，且放大影像倍率後亦幾乎沒有明顯的表面粗糙與凹凸現象；造成平滑斷面的型態，與二氧化矽本身為脆性且為結晶型之材料性質有關。
在力量放大機構效能探討方面，機構所產生的摩擦力會影響彎曲試驗的結果，透過潤滑油的選擇與測試，發現機構若選擇黏度值為13.8mPa．s的針車油做潤滑，可讓機構的作動較為穩定；不但可降低摩擦力的干擾，且能提升機構的力量精度，達到減少誤差之目的。

In this thesis, the 1μm thick SiO2 micro-cantilever beams is fabricated on 4〞wafers by using MEMS techniques. Experimentally, a MTS micro-force testing machine (Tytron 250) with a probe is adopted for bending test. In the test, bending strength and failure strain decrease as the length of the beam increases. The beam has the following mechanical properties: average bending strength 6.32GPa by front loading and 6.21GPa by back loading, average Young’s moduls 130.15GPa, failure strain 0.0528. Caused by the TMAH wet etching, bending strength of the SiO2 micro-cantilever beam tested by front loading is demonstrated to have bending strength 0.11GPa and 1.02% higher than that by back loading. The residual stress of the SiO2 thin films is measured to have a value ranged from 295.88MPa to 360.13MPa, and the average value is 328.84MPa. In observing the fracture plane by SEM, the cross-sections of SiO2 micro-cantilever beams are approximately smooth. It might be caused by the brittle and crystalline nature of thermal oxidized SiO2 films.
Using the force magnified mechanism, the MTS Tytron 250 is able to achieve the valid strength data of thin SiO2 films. By choosing the lubricant of additive blended oil with viscosity of 13.8mPa．s, it not only reduces the friction but also increases the accuracy of the mechanism. Simultaneously the lubricant can also lower the experimental error.

中文摘要………………………………………………………………….I
英文摘要………………………………………………………………...II
目錄……………………………………………………………………..IV
表目錄…………………………….…………………………………....VII
圖目錄...…………………….………………………………………...VIII
第一章 緒論…………………………………………………………….1
1.1前言…….…………………………………………………………1
1.2文獻回顧………………………………………………………….3
1.3研究動機…………………………………………………………5
1.4論文架構…………………………………………………………6
第二章 基礎理論………………………………………………………12
2.1懸臂梁簡介與理論……………………………………………..12
2.1.1彎曲理論…………………...………………………………12
2.1.2破壞應變理論……………………………………………...14
2.2薄膜材料………………………………………………………..18
2.3槓桿理論………………………………………………………..23
第三章 二氧化矽薄膜微懸臂樑之製程………………………………28
3.1試驗規劃………………………………………………………28
3.1.1試片材料...…………………………………………………28
3.1.2試片尺寸...…………………………………………………29
3.2二氧化矽微懸臂樑製程……………………………………….29
第四章 二氧化矽薄膜微懸臂樑彎曲試驗設備與架構………………54
4.1試驗設備……...……………………………………………….54
4.2力量放大機構之設計………..………………………………..56
4.2.1材料的選用………….……………………………………..56
4.2.2力量放大機構…………….………………………………..57
4.2.3夾具之設計…….…………………………………………..59
4.3試驗設計與流程……………………………..………………..59
第五章 結果與討論……………………………………………………68
5.1二氧化矽微懸臂樑之外型.….…………………………………68
5.1.1尺寸與外觀..………………………………………………68
5.1.2表面粗糙度.……………………………………………….71
5.2力量放大機構…………………………………………………73
5.2.1機構之轉換效率…………………………………………..73
5.2.2機構摩擦力之影響……………………………………….75
5.3二氧化矽微懸臂樑之機械性質……………………………..78
5.3.1彎曲強度與尺寸關係……………………………………..78
5.3.2正背面負載之差異………………………………………..81
5.3.3應力與應變關係..…………………………………………83
5.3.4 楊氏係數…………………………………………………..85
5.3.5殘餘應力之量測…………………………………………..87
5.3.6破壞斷面顯微觀察..………………………………………89
第六章 結論與未來展望…….……………………………………….123
6.1 結論……………………………………………………………123
6.2 未來展望………………………………………………………126
參考文獻………………………………………………………………128
附錄一…………………………………………………………………133
附錄二…………………………………………………………………134
附錄三…………………………………………………………………135


表目錄

表1.1 塊材與薄膜材料之機械性質比較表…………………………….7
表1.2 尺寸效應對三種不同規格矽微樑強度之影響………...……..…7
表1.3 矽與二氧化矽之相關機械性質...………………………………..7
表2.1 二氧化矽之物理特性…………………………………………...20
表2.2 二氧化矽厚度與其顏色之關係.……….………………………20
表3.1 二氧化矽微懸臂樑試片尺寸…..……….………………………37
表3.2 二氧化矽微懸臂樑製程順序與其相關參數………...…..……..38
表3.3 矽基材清洗流程與其條件……...….….……....…..………..…..40
表5.1 力量放大機構校正測試結果…………………..……………….92
表5.2 力量放大機構潤滑參數試驗之結果……………….…….…….93
表5.3 力量放大機構潤滑參數對二氧化矽微懸臂樑正面負載的影響…………...……………………….….…………….…………………94
表5.4 力量放大機構潤滑參數對二氧化矽微懸臂樑背面負載的影響………………………………………………………………..………94
表5.5 二氧化矽微懸臂樑正面負載彎曲強度與長度之關係..……….95
表5.6 長度700μm二氧化矽微懸臂樑Ansys模擬彎曲試驗之結果..95
表5.7 二氧化矽微懸臂樑正背面負載彎曲強度之比較………...........96
表5.8 二氧化矽薄膜之殘餘應力量測結果……....….…………...…...97


圖目錄

圖1.1 「On - chip」拉伸測試之試片…………………………………….8
圖1.2 「On - chip」拉伸試驗之架構示意圖……………………………8
圖1.3 以原子力顯微鏡在SIMOX矽晶圓上製作出矽微樑示意圖………………..…………………………………………..……………9
圖1.4 以AFM進行微樑之彎曲試驗之步驟圖…………………….…10
圖1.5 以天秤法量測薄膜楊氏係數之實驗架構示意圖……………...11
圖2.1 樑受到力偶作用而產生之變形………………………………...14
圖2.2 最大彎曲力矩位置示意圖…………..………….……………....14
圖2.3 懸臂樑承受垂直負載示意圖…..………..……………………...15
圖2.4 樑承受剪力與彎曲力矩作用示意圖….….…………………….15
圖2.5 懸臂樑彈性變形及與其邊界條件……………………………...17
圖2.6 製作二氧化矽之熱氧化裝置…………………………………...21
圖2.7 二氧化矽與矽基材間作用示意圖……………………………...21
圖2.8 CVD水平式反應器…………….…....…….…………………….22
圖2.9 CVD垂直式反應器…….………..….….………………………..22
圖2.10 等臂式槓桿…...………………………………………………..27
圖2.11 非等臂式槓桿(a=2b)……….……………...……………..……27
圖2.12 非等臂式槓桿傳遞關係示意圖……………………………….27
圖3.1 二氧化矽微懸臂樑試片切割路徑示意圖……….…..…..……..41
圖3.2 切割完後單一試片示意圖……….……………………………..41
圖3.3 二氧化矽微懸臂樑製程圖示……..…………………………….42
圖3.4 生長二氧化矽(氧化層)專用之氧化擴散系統…..……………..45
圖3.5 旋鍍光阻用之光阻旋鍍機………………………..……….……45
圖3.6 可提供軟硬烤用途之加熱平板………………………………...46
圖3.7 提供光罩圖形轉移用之雙面光罩對準曝光機…..…………….46
圖3.8 第一道光罩定義正面二氧化矽微懸臂樑圖形…..…………….47
圖3.9 第二道光罩定義背面蝕刻窗口圖形.………….……………….47
圖3.10 可蝕刻二氧化矽薄膜之反應離子蝕刻機..…………..……….48
圖3.11 可蝕刻矽基材之電感耦合電漿蝕刻機……..…….….….……48
圖3.12 鐵弗龍模具組剖面構造示意圖……………...………………..49
圖3.13 耐酸鹼強化橡膠O型環……………………………...………..49
圖3.14 鐵弗龍模具之上模…………….………………………………50
圖3.15 鐵弗龍模具之下模………..…………………………………...50
圖3.16 含試片之鐵弗龍模具組全貌………………………………….51
圖3.17 晶圓切割機…………………………………………………….51
圖3.18 通風櫃內之濕式蝕刻試驗架設圖…………..………………...52
圖3.19 電磁加熱攪拌器.………………………………………………52
圖3.20 光學顯微鏡…………………………………………………….53
圖4.1 MTS Tytron 250微拉力試驗機...……………………………….61
圖4.2 致動器下方的精密位移計……………………….…….……….61
圖4.3 夾具固定座……..……………………….…….…….…………..62
圖4.4 CCD可動式鏡頭………………………………………………...62
圖4.5 連接CCD之監看螢幕………………………………………….63
圖4.6 光源產生器...……………………………………………………63
圖4.7 氣壓式懸浮桌…...………………………………………………64
圖4.8 「雙非等臂槓桿機構」作用原理示意圖………………………64
圖4.9 力量放大機構之組裝相關位置示意圖.………………………..65
圖4.10 組合後之力量放大機構組.……..……………………………..65
圖4.11 二氧化矽微懸臂樑彎曲試驗架構示意圖………...…………..66
圖4.12 CCD顯示以探針施加負載之進給過程(試片長度600μm)….66
圖4.13 二氧化矽微懸臂樑彎曲試驗之完整實際架設……………….67
圖4.14 力量放大機構與試片夾持端……………………………….....67
圖5.1 二氧化矽微懸臂樑試片之正面結構…………………………...98
圖5.2 二氧化矽微懸臂樑試片之背面結構….………………………..98
圖5.3 二氧化矽微懸臂樑試片之正面結構正視顯微圖………….…..99
圖5.4 二氧化矽微懸臂樑前端局部放大圖……….….……...………..99
圖5.5 二氧化矽微懸臂樑根部局部放大圖……………….…..……..100
圖5.6 單晶矽之背蝕刻面與其蝕刻特性標註…...……………..……100
圖5.7 二氧化矽微懸臂樑與背面蝕刻窗口…………………….…....101
圖5.8 二氧化矽微懸臂樑背面顯微圖……………………………….101
圖5.9 二氧化矽微懸臂樑根部背面放大影像……………………….102
圖5.10 矽基材經TMAH蝕刻後之表面蝕刻凹痕…………………102
圖5.11 二氧化矽微懸臂樑之邊緣輪廓……………….……………..103
圖5.12 二氧化矽微懸臂樑之邊緣輪廓(局部放大)…………..……..103
圖5.13 奈米壓痕器…………………………………………………...104
圖5.14 奈米壓痕器表面粗糙度測試………………………………...104
圖5.15 以奈米壓痕器進行試片正面之表面狀態掃描……………...105
圖5.16 壓痕試驗之三角錐型壓痕(壓痕深度約為80nm)……….....105
圖5.17 潤滑參數對於二氧化矽微懸臂樑正面負載強度之影響…...106
圖5.18 潤滑參數對於二氧化矽微懸臂樑背面負載強度之影響…...106
圖5.19 二氧化矽微懸臂樑正面負載彎曲強度與長度之關係……...107
圖5.20 長度700μm二氧化矽微懸臂樑背面殘餘單晶矽實際分佈狀態(左圖)與模擬分析時狀態(右圖)之比較…………………………107
圖5.21 二氧化矽微懸臂樑背面負載彎曲試驗……………………...108
圖5.22 二氧化矽微懸臂樑正背面負載彎曲強度之比較…………...108
圖5.23 長度300μm微懸臂樑正背面負載之力量與位移關係….....109
圖5.24 長度400μm微懸臂樑正背面負載之力量與位移關係...…..109
圖5.25 長度500μm微懸臂樑正背面負載之力量與位移關係…….110
圖5.26 長度600μm微懸臂樑正背面負載之力量與位移關係…….110
圖5.27 長度700μm微懸臂樑正背面負載之力量與位移關係…….111
圖5.28 長度300μm微懸臂樑之應力與應變關係………………….111
圖5.29 長度400μm微懸臂樑之應力與應變關係………………….112
圖5.30 長度500μm微懸臂樑之應力與應變關係………………….112
圖5.31 長度600μm微懸臂樑之應力與應變關係………………….113
圖5.32 長度700μm微懸臂樑之應力與應變關係….………………113
圖5.33 奈米壓痕試驗之結果………………………………...………114
圖5.34 懸臂樑根部之矽基材厚度量測………………………...……114
圖5.35 二氧化矽薄膜厚度量測……………………………..……….115
圖5.36 二氧化矽微懸臂樑之破斷面背影像(長度為300μm)……...115
圖5.37 承圖5.36破斷面局部放大……………..…………………….116
圖5.38 微懸臂樑破斷面正面上方視角觀察(長度為400μm)…..….116
圖5.39 承圖5.38破斷面局部放大..…………………..…………..….117
圖5.40 破斷面之正面觀察影像(長度為500μm)...…………………117
圖5.41 承圖5.40破斷面由側面觀察之影像………………………...118
圖5.42 破斷面之正面觀察影像(長度為600μm)…………………...118
圖5.43 承圖5.42破斷面局部放大…………………………………...119
圖5.44 破斷面之正面斜上方視角觀察(長度為700μm)...…………119
圖5.45 承圖5.44破斷面局部放大………………………..……..…...120
圖5.46 微懸臂樑輪廓邊緣的表面缺陷………………….…………..120
圖5.47 輪廓邊緣之表面缺陷局部放大影像….…………..…………121
圖5.48 殘留在矽基材表面上之蝕刻凹痕…...………………………121
圖5.49 殘留在二氧化矽表面上之蝕刻凹痕…..…………………….122

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