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研究生:許偉達
研究生(外文):Wei-Ta Hsu
論文名稱:微多孔矽形成與應用研究
論文名稱(外文):Formation and Applications of Silicon-bsased Microporous Structures
指導教授:張興政
指導教授(外文):Hsing-Cheng Chang
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:產業研發碩士班
學門:商業及管理學門
學類:其他商業及管理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:96
中文關鍵詞:非等向性蝕刻微多孔陣列結構電化學蝕刻三維微結構高深寬比微結構
外文關鍵詞:Three-dimensional microstructureElectrochemical etchingMicroporesAnisotropic etchingHigh-aspect-ratio microstructure
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本文依據矽半導體微機電製程技術配合電化學蝕刻法,研究微多孔矽結構物理特性,藉以設計感測電阻電容微結構。微多孔矽結構感測器,具有製程簡單、可批量生產、成本低廉、具高深寬比,感測靈敏度高等優點。影響微多孔電化學蝕刻的因素眾多,其中蝕刻液濃度提高會使蝕刻深度提高,同時有蝕刻圖形分歧現象產生,濃度過低易進入電解拋光,不易蝕刻較深的孔洞。照光強度的強弱會影響蝕刻電流密度,強照光會使電流密度提高,使蝕刻狀態進入電解拋光區,產生異向蝕刻現象,弱照光則會使電流密度降低,使蝕刻表面粗糙不平滑,無照光則無法產生垂直的蝕刻結構,實驗結果由高解析可變真空掃瞄式電子顯微鏡(VVSEM)等驗證。矽微結構蝕刻2小時其蝕刻深度達82μm左右,其蝕刻速率約為0.35μm/min,鍍上金屬電極後以阻抗分析器(LCR meter)量測,在低頻狀態下測得電容密度平均值約為5.85 nF/cm2,微結構電容值隨著頻率的增加而降低。
Based on microelectromechanical system (MEMS) and electrochemical etching technologies, the research studies the physical properties of micropore structures of silicon that are proved by designing micoresistors and microcapacitors. The advantages of the developed sensor with silicon-based micropore structures are simple process, batch fabrication, low cost, high aspect ratio and high sensitivity. The etchant concentration and background illumination are arranged to understand the variation of electrochemical etching process. The denser the etching solution concentration gets, the deeper the etching depth obtains but disfavored branches also obtain. Low etchant concentration is poor to etch silicon bulk because of the electropolished state dominant. Illumination intensity can increase current density that transfers etching process to electropolished state to enhance a lateral etching. The weak illumination reduces current density to rough etched surface and a vertical structure can not be performed without illumination assisted. The depth of microstructure was about 82 μm by etching for 2 hours and the rate of etching was about 0.35 μm/min. The aluminum was deposited on the microstructure as electrodes and measured by a LCR meter. The average capacitance density measured at low frequency was 5.85 nF/cm2. The capacitance of microstructures increased with decreasing the operation frequency.
致謝 i
中文摘要 ii
Abstract iii
圖目錄 vii
表目錄 x
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2文獻研討 2
1.3研究方法與動機 7
1.4研究流程與架構 8
第二章 微多孔矽製程技術與原理 10
2.1微機電製程技術 10
2.1.1氮化矽的長成 10
2.1.2微影技術 11
2.1.3矽體蝕刻技術 11
2.2電化學蝕刻原理 13
2.2.1法拉第定律 13
2.2.2輔助光源的照射 15
2.3多孔矽形成的機制與模型 16
2.3.1 Beale 模型 16
2.3.2 量子模型 17
2.3.3電流爆發模型 17
2.4 多孔矽之I-V特性曲線 18
2.5 表面溶解反應 21
2.6 多孔矽發光原理 23
2.7 感測原理 23
2.7.1 電阻感測原理 23
2.7.2 電容感測原理 25
第三章 微多孔蝕刻裝置與製程規劃 27
3.1蝕刻設備 27
3.1.1電極材料選擇 27
3.1.2蝕刻液選擇 28
3.1.3 非等向性蝕刻液的選擇 29
3.1.4蝕刻速率與電流密度相關性 30
3.1.5 臨界電流的評估 31
3.2光罩設計 32
3.2.1矩型結構 33
3.2.2溝渠型結構 33
3.2.3 流道型結構 34
3.2.4 指叉型結構 35
3.2.5線圈型結構 36
3.2.6電阻型結構 37
3.2.7 電容型結構 39
3.2.8 線圈型感測結構 41
3.3 微製程規劃與測試 42
第四章 微感測結構製作與量測 48
4.1 微結構製程的實踐 48
4.1.1 晶圓的清洗 48
4.1.2 微影製程的實行 48
4.1.3 微結構預蝕刻凹槽製作 49
4.1.4電化學製作矽微結構 53
4.1.5 電化學蝕刻後表面變化與SEM掃瞄 57
4.1.6 能量散佈光譜儀(Energy dispersive spectrometer, EDS)成份分析 59
4.2 電化學蝕刻特性 60
4.2.1 電化學蝕刻特性 60
4.2.2 電化學蝕刻速率 66
4.2.3 照光強度的影響 67
4.2.4 蝕刻濃度變化對蝕刻反應的影響 68
4.2.5 光激發光現象 69
4.3 微結構特性量測 70
4.3.1 微結構蝕刻問題檢討 70
4.3.2 電阻值與電容值量測 72
4.3.3 厚度量測 73
4.3.4 微力量測與感測 73
第五章 結論 77
5.1 結論 77
5.2 未來發展 77
參考文獻 79
附錄一 84
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[20]林景崎,賴建銘,鄭文達,陳威宇,李勝隆,“n-型(100)矽單晶巨孔洞之電化學研究,”防蝕工程,第十八卷第四期,pp. 363-374,民國93年。
[21]鄭文達,林景崎,“光電化學蝕刻反應下n型(100)矽與氫氟酸溶液界面之能帶圖研究,”防蝕工程,第十九卷第一期,pp. 83-90,民國94年。
[22]林景崎,陳威宇,賴建銘,鄭文達,陳韋旭,“光電化學蝕刻製作矽質微米連續壁結構,”防蝕工程,第十九卷第三期,pp. 351-360,民國94年。
[23]林景崎,陳韋旭,賴建銘,楊仁泓,鄭文達,蔡明蒔,“在氟化氨中以光電化學蝕刻n-Si(100)單晶表面製作微米溝槽,”防蝕工程,第二十卷第四期,pp. 353-362,民國95年。
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[44]黃國智, “矽微孔結構之電阻與電容特性研究, ” 碩士論文, 逢甲大學自動控制工程系, 2008.
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1. [19] 林景崎,蔡志昌,蕭文助,賴建銘,黃戎巖,“n-型(100)矽單晶的光電化學腐蝕研究,”防蝕工程,第十六卷第三期,pp. 209-218,民國91年。
2. [19] 林景崎,蔡志昌,蕭文助,賴建銘,黃戎巖,“n-型(100)矽單晶的光電化學腐蝕研究,”防蝕工程,第十六卷第三期,pp. 209-218,民國91年。
3. [20] 林景崎,賴建銘,鄭文達,陳威宇,李勝隆,“n-型(100)矽單晶巨孔洞之電化學研究,”防蝕工程,第十八卷第四期,pp. 363-374,民國93年。
4. [20] 林景崎,賴建銘,鄭文達,陳威宇,李勝隆,“n-型(100)矽單晶巨孔洞之電化學研究,”防蝕工程,第十八卷第四期,pp. 363-374,民國93年。
5. [21] 鄭文達,林景崎,“光電化學蝕刻反應下n型(100)矽與氫氟酸溶液界面之能帶圖研究,”防蝕工程,第十九卷第一期,pp. 83-90,民國94年。
6. [21] 鄭文達,林景崎,“光電化學蝕刻反應下n型(100)矽與氫氟酸溶液界面之能帶圖研究,”防蝕工程,第十九卷第一期,pp. 83-90,民國94年。
7. [22] 林景崎,陳威宇,賴建銘,鄭文達,陳韋旭,“光電化學蝕刻製作矽質微米連續壁結構,”防蝕工程,第十九卷第三期,pp. 351-360,民國94年。
8. [22] 林景崎,陳威宇,賴建銘,鄭文達,陳韋旭,“光電化學蝕刻製作矽質微米連續壁結構,”防蝕工程,第十九卷第三期,pp. 351-360,民國94年。
9. [23] 林景崎,陳韋旭,賴建銘,楊仁泓,鄭文達,蔡明蒔,“在氟化氨中以光電化學蝕刻n-Si(100)單晶表面製作微米溝槽,”防蝕工程,第二十卷第四期,pp. 353-362,民國95年。
10. [23] 林景崎,陳韋旭,賴建銘,楊仁泓,鄭文達,蔡明蒔,“在氟化氨中以光電化學蝕刻n-Si(100)單晶表面製作微米溝槽,”防蝕工程,第二十卷第四期,pp. 353-362,民國95年。
 
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