微奈米机械技术研讨会心得报告

微/奈米機械技術研討會心得報告萬旭電業通訊事業部許光信主辦單位：工研院機械所微機電部PARTI：微機電系統微機電系統(Micro-ElectroMechanicalSystems，MEMS)的定義為：(1)元件尺寸大小在微米的範圍(優點：量產後單位材料成本極低)(2)元件同時整合電子與機械零件(優點：可利用機電整合研發多樣化元件)(3)製程與半導體批次生產相容(優點：製程良率高且品質穩定)MEMS所使用的材料：有別於傳統中機械是由金屬材料製造的概念，微機械是以製造微電子的矽為主要材料。矽的硬度及脆性很高，此特性使微機械不易發生金屬常見的疲勞現象，故可以長久使用。大體而言，MEMS乃由下列三部分組成：(1)微感測器(Micro-Sensor)(2)微致動器(Micro-Actuator)(3)控制電路(ControlCircuit)(未來可能設計出Micro-PowerSupply)其中微致動器的作用，在將能量(如電能、磁能、熱能等)轉換成具微米級精度之機械運動，在MEMS中佔有關鍵的地位。其製程技術包括：(1)IC製程技術：如薄膜成長(ThinFilmFormation)、微影罩幕(Lithography)與蝕刻成型(Etching)等(2)矽晶面型微加工技術(SurfaceMicromachining)：不對矽晶片基板蝕刻(3)矽晶體型微加工技術(BulkMicromachining)：對矽晶片基板蝕刻(4)LIGA技術1在MEMS的封裝(WaferBonding：晶圓永久接合)部分，工研院在多種封裝方式中(如陽極接合、熔接接合、金屬材料共晶接合、高分子接合等)分析比較其優劣，結果顯示以高分子接合封裝(PolymerWaferBonding，或稱AdhesionBonding)較為可行。其優點為：(1)接合過程不需通電(2)適合MEMS所需之低溫接合(80~100℃)(3)表面粗糙度要求不嚴(4)接合強度可被接受(約20MPa)(5)Patternable在感光性高分子材料的選定方面，工研院建議採用SU-8(因其具有最強的接合強度)。一般認為MEMS元件易受溫度變化影響降低操作功能。為了解決此問題，可使用絕緣體為基材，亦即導入SOI(SiliconOnInsulator)製程。其結構是將矽晶層長於絕緣體上，或在上層矽晶與下層矽晶之間以矽氧化層隔離，然後以此上層矽晶來製作SOI元件。它除了可抗高溫外，還具備抗輻射、低耗能及低操作電壓等優點。其製作步驟如下：(1)對上層矽晶(DeviceSiWafer)進行氧化、清洗及去自然氧化層(2)對上層矽晶及下層矽晶(HandleSiWafer)進行模具接合(3)WaferBonding(FusionBonding式)(4)氣隙檢驗(5)延性輪磨(6)機/化學拋光此外可利用人工鑽石取代矽晶，其優點為：(1)具高熱傳係數(2)具低熱導係數(3)具高電阻(4)易機械加工其應用為可在鑽石薄膜上精密加工V-Groove，進而達到MEMS光通訊元件中光纖的精準定位。PARTII：微光學元件1.磁流技術應用所謂的磁性流體，就是晶格結構會依所受磁場環境變化而改變之物質。影響其結構改變的因素，包含磁場方向、磁場強度、磁場增加率、磁流體厚度及磁流體濃度等。吾人可利用磁流體結構改變的光學效應，達到對光的繞射與分光之目的。2.繞射光學元件(DiffractiveOpticalElements，DOEs)DOE以繞射理論描述元件對光的行為影響，而不同於傳統光學元件單純以反射或折射影響光的行進。其具高色散特性，易於平面化、縮小化及多工化。製作DOE前，須以數值演算法(如相位迭代法、光線追跡法等)預先計算元件設計是否符合光學規格(如應用波長、繞射效率、能量集中度等)，再依元件量階化原理，以準分子雷射加工技術或超精密加工技術製作元件。DOE與磁性流體一樣，可扮演繞射、分光、甚至分波的光學關鍵元件角色。PARTIII：光通訊元件應用1.OpticalSwitch&VOA應用於MEMS光開關及光衰減器的微致動器有電磁式與靜電式兩種。以下為兩者間之比較：(1)電磁式微致動器原理：利用電與磁的交互作用及磁場相互吸引排斥現象設計驅動結構。特性：致動行程大、致動力大、可雙向致動、頻率適中、消耗功率適中(所需電壓低)。應用：製作Arm懸臂擺盪致動之光開關或光衰減器。(2)靜電式微致動器原理：利用兩個帶電平行電板的吸引力產生平移或旋轉運動設計驅動結構。特性：製程與半導體製程相容、致動效率高、致動行程小、致動頻率高、消耗功率大(所需電壓高)。應用：以犧牲層法製作Hinge樞紐轉動致動之光開關或光衰減器。根據工研院的分析，以電磁式微致動器設計光開關及光衰減器較為可行。其研發流程為：設計材料的幾何大小形狀及相對位置以規劃磁路，設計階段工作重點為降低去磁場效應以避免外加磁場被去磁場相消。所用之材質為具高導磁率及低殘磁之Ni-Fe薄膜合金或高磁能積厚膜磁鐵，製造階段工作重點為提升熱處理製程良率。在磁性流體之應用上，VOA乃利用光穿透率隨外加磁場的增加而減少之原理來設計元件；而Switch則利用折射率隨外加磁場的增加而增加以切換光路。其優點為響應時間短(~μs)、可靠度高及可整合至MEMS等。2.CouplerDOE可被用來繞射一部分的光(如10%ofMainBeam等)達到Monitoring的目的。這方面的應用可取代FBTCoupler，進而實現元件積體化。3.Isolator以FePt高磁能積薄膜或磁流薄膜可製作出μm級Isolator用之極化偏折元件。4.CWDM利用ConcaveGrating原理，僅用單個DOE即可達到4波段分波功能。如此不僅可縮小元件體積，還可大大節省Filter的材料成本。備註1.LIGA(深刻膜造技術)源自德文LIthografie(Lithograp