CN100392512C

CN100392512C - 结构释放结构及其制造方法

Info

Publication number: CN100392512C
Application number: CNB03148073XA
Authority: CN
Inventors: 林文坚; 蔡熊光
Original assignee: Qualcomm MEMS Technologies Inc
Current assignee: Qualcomm MEMS Technologies Inc
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: CN1567080A

Abstract

一种结构释放结构及其制造方法，适用于光干涉式显示单元结构之上。该光干涉式显示单元结构包括第一电极、第二电极及支撑物，其中，第二电极具有至少一孔洞，并与该第一电极约成平行排列，且支撑物位于第一电极与第二电极之间并且形成一腔室。在光干涉式显示单元制造过程中，当通过结构释放蚀刻制造过程来移除第一电极和第二电极之间的牺牲层用以形成腔室时，孔洞可使蚀刻剂经由孔洞蚀刻牺牲层用以缩短结构释放蚀刻制造过程所需的时间。

Description

结构释放结构及其制造方法

技术领域

本发明是涉及一种结构释放结构及其制造方法，特别涉及一种适用于光干涉式显示单元结构上的结构释放结构及其制造方法。

背景技术

在微机电结构系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)中，为了能制造悬浮微结构，如悬臂梁(cantilever)、横梁(beam)、薄板(membrane)、微流道(channel)、孔穴(cavity)、微接头(joint o hinge)、连杆(link)、曲柄(crank)、齿轮(gear)、齿条(rack)等等。牺牲层技术的发展成为一个重要的关键，其中，移除牺牲层的制造工艺是采用一结构释放蚀刻制造工艺，因此，微机电结构系统中的结构释放结构对于移除牺牲层的制造工艺有关键性的影响。

现以该干涉式平面显示结构为例，先来介绍现有技术中的结构释放蚀刻制造工艺。光干涉显示单元是一微机电系统，而光干涉显示单元的作用是能制造一平面显示器。平面显示器由于具有体积小、重量轻的特性，在可携式显示设备，以极小空间应用的显示器市场中极具优势。先进的平面显示器除了液晶显示器(Liquid Cystal Display，LCD)、有机电激发光二级体(Organic Electro-Luminescent Display，OLED)和等离子显示器(PlasmaDisplay Panel，PDP)等等之外，光干涉式平面显示模式则提供使用者另一种选择。

请参见美国USP5835255号专利，该专利揭示了一可见光的显示单元阵列(Array of Modulation)，可用来作为平面显示器之用。请参见图1，图1示出了现有技术中的显示单元的剖面示意图。每一个光干涉式显示单元100包括两道墙(Wall)102和104，两道墙102、104之间是由支撑物106所支撑而形成一腔室(Cavity)108。两道墙102、104之间的距离，也就是腔室108的长度为D。墙102、104其中之一是一具有光吸收率可吸收部分可见光的部分穿透部分反射层，另一则是一以电高压驱动可以产生型变的反射层。当入射光穿过墙102或104而进入腔室108中时，入射光所有的可见光频谱的波长(Wave Length，以λ表示)中，仅有符合公式1.1的波长(λ₁)可以产生建设性干涉而输出。其中N为自然数。换句话说，

2D＝Nλ (1.1)

当腔室108长度D满足入射光半个波长的整数倍时，则可产生建设性干涉而输出陡峭的光波。此时，观察者的眼睛顺着入射光入射的方向观察，可以看到波长为λ₁的反射光，因此，对光干涉显示单元100而言是处于“开”的状态。

图2示出了现有技术中显示单元加上电压后的剖面示意图。请参照图2，在电压的驱动下，墙104因为静电吸引力而产生型变，向墙102的方向塌下。此时，两道墙极102、104之间的距离，也就是腔室108的长度并不为零，而是为d，d可以等于零。此时，公式1.1中的D将以d置换，入射光所有的可见光频谱的波长λ中，仅有符合公式1.1的可见光波长(λ₂)可以产生建设性干涉，经由电极104的反射穿透墙102而输出。墙102对波长为λ₂的光具有较高的光吸收，此时，入射光所有的可见光频谱均被滤除，对顺着入射光入射墙102的方向观察的观察者而言，将不会看到任何可见光频谱内的反射光。因此，对光干涉显示单元100而言是处于“关”的状态。

图3A至图3B示出了现有技术中显示单元的制造方法。请参照图3A，在一透明基材109上先依序形成第一电极110以及牺牲层111，再于电极110及牺牲层111中形成开口112以适用于在其内形成支撑物。接着，在开口112内形成支撑物106。然后，在牺牲层111和支撑物106上形成电极114。最后，请参照图3B，通过结构释放蚀刻(Release Etch Process)移除图3A所示的牺牲层111而形成腔室116(牺牲层111的位置)，腔室116的长度即为牺牲层111的厚度。

在微机电制造工艺中，是以牺牲层的观念来制做微悬浮结构。制作悬浮可动的微结构，是利用元件结构层与牺牲层材料之间的选择性蚀刻(selective etching)，将牺牲层去除而留下结构层，此过程则称为结构释放蚀刻。不同于IC制造工艺之处，选择性蚀刻方式必须为等向性蚀刻(isotropicetching)，如此才可在结构层处造成底切或侧蚀(undercut or undertching)现象，顺利地使结构层与基底(substrate)分离。

最广为采用的结构释放蚀刻制造工艺是湿式结构释放制造工艺，在蚀刻完成之后通常必须再经历清洗(rinsing)和干燥(drying)两个步骤，微结构才可真正悬浮于基底之上，但是过程中却非常容易发生结构与基底之间的沾粘(stiction)现象，导致元件无法操作的情况，因此，以二氟化氙为蚀刻剂的干式蚀刻可以解决湿式蚀刻所产生的问题。

二氟化氙(Xenon Difluoride，Xef₂)在常温常压下为固态，在低压的环境下会升华成气态物质。二氟化氙对于硅材质，例如单晶硅、多晶硅及非晶硅，及某些金属材质，例如钼金属、钼合金......等等，具有相当高的蚀刻率。氙是钝气，二氟化氙相当不稳定。二氟化氙进行蚀刻的机制是由氙将两个氟自由基带至反应位置，当二氟化氙接触到待蚀刻材质时，二氟化氙会分解并放出两个氟自由基。二氟化氙均相蚀刻的效果极佳，因而具有优异的侧向蚀刻的能力。因此，二氟化氙被用于微机电系统制造工艺中，作为蚀刻剂之用。

请参照图4，图4示出了现有技术中的光干涉式显示单元的俯视示意图。光干涉式式显示单元200具有分隔结构202，如虚线2021所示，位于相对的两边，而支撑物204位于光干涉式显示单元200的另外两对边，分隔结构202及支撑物204是位于两电极之间。支撑物204与支撑物204及支撑物204与分隔结构之间具有间隙，气态二氟化氙会由间隙渗入而对牺牲层(未示于图上)进行蚀刻。以气态二氟化氙为蚀刻剂的结构释放蚀刻的速度会因所欲蚀刻的牺牲层材质的不同而有所差异，一般而言，蚀刻速度可超过每分钟10微米，对有些材质的蚀刻速度甚至可到达每分钟20-30微米。对目前光干涉式显示单元的尺寸而言，一次结构释放蚀刻仅需十数秒至3分钟。

以气态二氟化氙为蚀刻剂进行结构释放蚀刻制造工艺虽然具有上述的优点，但是二氟化氙本身的特点在结构释放蚀刻制造工艺上具有无法降低成本的劣势。二氟化氙价钱昂贵不说，对水汽特别敏感且不稳定，二氟化氙一碰到水汽立刻产生氟化氢，氟化氢组织危险，而且会降低蚀刻的效率。再者，在半导体制造工艺和一般平面显示器的制造工艺上很少见到类似以二氟化氙为蚀刻剂进行结构释放蚀刻的制造工艺。因此，目前办导体制造工艺及液晶显示器制造工艺中已发展成熟的蚀刻机台并不适用于以二氟化氙为蚀刻剂进行结构释放蚀刻制造工艺之中。光干涉式显示器的主要制造工艺大多可沿用半导体或一般平面显示器的制造工艺设备，而结构释放蚀刻的制造工艺却需要完全不同的机台设计，制造工艺设备的重新整合对光干涉式显示器的发展及量产会造成极大的障碍。

发明内容

由于以二氟化氙为蚀刻剂的蚀刻设备的发展并未成熟，不利于光干涉式显示器的发展及量产。而且蚀刻剂二氟化氙的价钱昂贵且不稳定，因此，若能运用半导体或一般平面显示器的蚀刻制造工艺设备来进行结构释放蚀刻制造工艺，将可轻易整合光干涉式显示器的制造工艺设备，而且以低廉的成本来进行结构释放蚀刻制造工艺。

一般半导体或一般平面显示器的蚀刻设备不适用于结构释放蚀刻的原因在于侧向蚀刻能力差，即使是使用例如三氟化氮(Nitrogen Trifluoride，Nf₃)或六氟化硫(Sulphur Hexafluoride，SF₆)等蚀刻性质极佳的蚀刻剂，其蚀刻速率也仅介于每分钟3微米至10微米之间，比以二氟化氙为蚀刻剂的蚀刻速度慢数倍至十数倍。这对于光干涉式显示器的生产速度(Throughput)有极不利的影响。

鉴于此，本发明的目的就是提供一种结构释放结构，可适用于光干涉式显示单元结构之上，可大幅度减少结构蚀刻制造工艺所需要的时间，能提高光干涉式显示器的生产速度。

本发明的另一目的是提供一种结构释放结构，可适用于光干涉式显示单元结构之上，可以不必使用二氟化氙制造工艺进行结构释放蚀刻，避免了制造工艺设备重新整合的困难。

本发明的又一目的是提供一种结构释放的结构释放蚀刻制造工艺，可适用于光干涉式显示单元结构之上，可以使用含有氟基或是氯基的蚀刻剂，例如四氟化碳、三氟化硼、三氟化氮或六氟化硫等蚀刻剂来取代二氟化氙，以进行结构释放蚀刻，降低制造成本。

本发明的再一目的是提供一种结构释放结构的结构释放蚀刻制造工艺，可适用于光反射式显示单元结构，可以使用现有技术中的时刻制造工艺设备，避免了制造工艺设备重新整合的困难。

根据本发明的上述目的，在本发明的一个较佳实施例中，是以一种光干涉式显示单元结构为例，来说明本发明如何应用于微机电结构系统之上。一种光干涉式显示单元结构，具有第一电极及第二电极，第二电极与该第一电极成平行排列，两电极间通过支撑物支撑。在第二电极之上具有多个孔洞，孔洞贯穿第二电极并暴露出位于第二电极下方的牺牲层。因为第二电极之上的孔洞，使得蚀刻等离子可自孔洞蚀刻暴露出牺牲层，而加速结构释放蚀刻制造工艺，因此，现有技术中，适用于半导体或一般平面显示器的制造工艺中使用含有氟基或是氯基的蚀刻剂，例如四氟化碳、三氟化硼、三氟化氮或六氟化硫等蚀刻剂的蚀刻制造工艺进行光干涉式显示单元的结构释放蚀刻制造工艺，所需的制造工艺时间与二氟化氙制造工艺相当，当然，也可以选用将含有氟基或是氯基的蚀刻剂任意混合之后的组成作为蚀刻牺牲层的蚀刻剂。

另一方面，本发明所使用的等离子较佳是使用远端等离子(RemotePlasma)，远端等离子是在等离子发生器中产生等离子之后，先将等离子中带电的成分部分或完全滤除后，再送入反应室中进行反应。远端等离子中主要的成分是自由基，因此，其生命周期较长，而能更有效地进行牺牲层的结构释放蚀刻。另外，自由基不带电，较不易受到电场的影响，均向蚀刻的效果较好，也较有利于侧向蚀刻。

根据本发明所揭露的光干涉时显示单元结构及其制造方法，在第二电极上的孔洞确实可以缩短结构释放蚀刻所需的时间，而使现有技术中的蚀刻制造工艺取代二氟化氙蚀刻制造工艺成为可能，进而避免了制造工艺设备重新整合的困难。远端等离子的使用增加了蚀刻等离子的生命周期及等离子侧向蚀刻的能力，更加速了结构释放蚀刻的速度，缩短结构释放蚀刻所需的时间，进而增加光干涉式显示器的生产速度。

附图说明

图1是现有技术中的显示单元的剖面示意图；

图2是现有技术中的显示单元加上电压后的剖面示意图；

图3是现有技术中的显示单元的制造方法；

图4是现有技术中的光干涉式显示单元的俯视示意图；

图4A是图4所示结构的I-I’剖面线所示的剖面示意图；

图5是本发明较佳实施例的一种光干涉式显示单元结构的俯视示意图；

图5A是图5所示位于II-II’剖面线圆圈308所示的剖面示意图的放大图；

图6A至图6C是本发明较佳实施例的一种光干涉式显示单元结构的制造方法。

其中，100、200、300：光干涉式显示单元；102、104：墙；106、204、304、412：支撑物；108、116：腔室；109、401：透明基材；110、114、301、402：电极；111、210、314、406：牺牲层；112、408：开口；202、302：分隔结构2021、3021：虚线206、310、316：箭头208、312：间隙；306、414：孔洞；308：圆圈；410材质层；D：长度。

具体实施方式

为了让本发明所提供的结构释放结构及其制造方法更加清楚，现在在本发明实施例中，以一种光干涉式显示单元结构及其制造方法为例，来详细说明如何运用本发明所揭露的结构释放结构及其制造方法，并进一步由实施例来解释发明的优点。

图5示出了本发明较佳实施例的一种光干涉式显示单元结构的俯视示意图。请参见图5，光干涉式显示单元300具有一电极301，分隔结构302，如虚线3021所示，位于光干涉式显示单元300相对的两边，而支撑物304位于光干涉式显示单元300的另外两对边，分隔结构302及支撑物304是位于电极301及另一电极(未在图中示出)之间。在电极301上具有至少一个孔洞306贯穿电极301，其中，为能使远端等离子能有效地扩散进入孔洞306，孔洞306的尺寸以不小于1微米为较佳。越大的孔洞尺寸能提供越短的蚀刻时间，但是会对于光干涉式显示单元300的解析度造成不利的影响，因此，孔洞306的尺寸较佳是不大于10微米，总言之，孔洞的较佳尺寸是约介于1微米到5微米之间。支撑物304与支撑物304及支撑物304与分隔结构302之间具有间隙，蚀刻等离子可由间隙及孔洞306渗入而对牺牲层(未在图中示出)进行蚀刻。

在本实施例中，光干涉式显示单元300的尺寸约在50微米到100微米之间。图4A是图4所示出的结构的I-I’剖面线所示的剖面示意图。气态二氟化氙会由箭头206所示方向由支撑物(未在图中示出)与支撑物及支撑物与分隔结构(未在图中示出)之间的间隙208渗入而对牺牲层210进行蚀刻。气态二氟化氙虽然蚀刻的速度会因所欲蚀刻的牺牲层材质的不同而有所差异，一般而言，完成结构释放蚀刻制造工艺约需时数十秒到3分钟。但是，若以现有技术中的蚀刻制造工艺来进行结构释放蚀刻，所需的时间约在10分钟到20分钟之间，有时甚至超过20分钟。

图5A是图5所示位于II-II’剖面线上圆圈308所示的剖面示意图的放大图。以图5所示的光干涉式显示单元300为例，以含有氟基或是氯基的蚀刻剂，例如四氟化碳、三氯化硼、三氟化氮或六氟化硫等蚀刻剂形成的远端等离子进行结构释放蚀刻时，蚀刻等离子不只可由箭头310所示的方向由支撑物(未在图中示出)与支撑物及支撑物与分隔结构(未在图中示出)之间的间隙312渗入而对牺牲层314进行蚀刻，而且，可由箭头316所示的方向由贯穿电极301的孔洞306渗入来蚀刻牺牲层314。所需的时间小于5分钟，即能完成结构释放蚀刻制造工艺，一般而言所需的时间约在1分钟到3分钟之间。

由于本发明所揭露的光干涉式显示单元结构，使得现有技术中的蚀刻制造工艺的引入成为可能，因而不再需使用昂贵且不易整合的二氟化氙蚀刻制造工艺，进而避免了制造工艺设备重新整合的困难。

图6A到图6C示出了本发明较佳实施例的一种光干涉式显示单元结构的制造方法。请先参照图6A，在一透明基材401上先依序形成第一电极402及牺牲层406，其中，牺牲层406可以采用透明的材质，例如介电材质，或是不透明材质，例如金属材质、多晶硅或非晶硅，在本实施例中是采用非晶硅作为形成牺牲层406的材质。以一微影蚀刻制造工艺在第一电极402以及牺牲层406中形成开口408，开口408是适用于在其内形成支撑物。

接着，在牺牲层406形成一材质层410并填满开口408。材质层410用于形成支撑物，一般可以使用感光材质，例如光阻，或是非感光的聚合物材质，例如聚酯或聚醋等等。若是使用非感光材质形成材质层，则需要一微影蚀刻制造工艺在材质层410上定义出支撑物。在本实施例中时已感光材质来形成材质层410，故仅需一微影制造工艺图案化材质层410。

请参照图6B，经由一微影制造工艺图案化材质层410而定义出支撑物412，接着，在牺牲层406及支撑层412上方形成一第二电极404，其中，第二电极404具有至少一孔洞414。

最后，以含有氟基或是氯基的蚀刻剂，例如四氟化碳、三氯化硼、三氟化氮或六氟化硫等蚀刻剂等为前驱物用以生产一远端等离子蚀刻牺牲层406，其中，远端等离子除了由支撑物与支撑物之间的间隙(未在图中示出)进行蚀刻，而且可由孔洞414渗入来蚀刻牺牲层406而以结构释放蚀刻(Release Etch Process)移除牺牲层406而形成如图6C所示的腔室416。

在本发明中适用于作为形成支撑物412的材料包括正光阻、负光阻、各种聚合物，例如，亚克力(Acrylic)树脂、环氧树脂等等。

根据本实施例所揭露的光干涉式显示单元，在可动电极上形成至少一孔洞，孔洞的数目和光干涉式显示单元的尺寸及孔洞的大小有关，如光干涉式显示单元的尺寸约在50微米到100微米之间，而孔洞的大小介于1微米到5微米之间时，则需要形成4至6个孔洞，才能使结构释放蚀刻的时间缩短到可以接受的程度。反之，如光干涉式显示单元的尺寸小于50微米，所使用的孔洞数目可以在4个以下，甚至可以只需要一个孔洞既可达成使结构释放蚀刻的时间缩短到可以接受的程度。

在可动电极上的孔洞可以大幅缩减结构释放蚀刻所需的时间，而使适用于半导体制造工艺或平面显示器制造工艺的蚀刻制造工艺可以运用在光干涉式显示单元结构释放蚀刻制造工艺之上。因此，避免了二氟化氙蚀刻制造工艺设备与其他沉积蚀刻制造工艺设备整合的困难。再者，因为不需使用昂贵的二氟化氙蚀刻制造工艺，可以降低制造的成本。

虽然本发明已经通过一较佳实施例进行了说明，但并非用以限定本发明，本发明所揭露的结构释放结构及其制造方法可应用于各种微机电结构系统之上，任何熟悉本技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可作出各种更动与润饰，因此，本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。

Claims

1.一种结构释放结构，适用于光干涉式显示单元结构之上，该结构至少包括：

第一电极；

第二电极，具有至少一孔洞，并与该第一电极成平行排列；以及

支撑物，位于该第一电极与该第二电极之间形成一腔室；

其中，当通过结构释放蚀刻制造工艺来移除位于该第一电极与该第二电极间的牺牲层用以形成该腔室时，蚀刻剂可经由该孔洞蚀刻该牺牲层用以缩短该结构释放蚀刻制造工艺所需的时间，

其中该第二电极中孔洞的数量与该装置的尺寸及孔洞的尺寸有关，且

其中该孔洞的尺寸介于1微米到10微米之间。

2.如权利要求1所述的结构释放结构，其特征在于：该结构释放蚀刻制造工艺是远端等离子蚀刻制造工艺。

3.如权利要求2所述的结构释放结构，其特征在于：该远端等离子蚀刻制造工艺中形成远端等离子的前驱物可以为含有氟基或是氯基的蚀刻剂。

4.如权利要求2所述的结构释放结构，其特征在于：该远端等离子蚀刻制造工艺中形成远端等离子的前驱物是选自于四氟化碳、三氯化硼、三氟化氮、六氟化硫和其任意组合所组成的族群。

5.如权利要求1所述的结构释放结构，其特征在于：该牺牲层的材质可以为介电材质、金属材质、硅材质。

6.一种光干涉式显示单元的制造方法，适用于一基材之上，该方法至少包括：在该基材上形成第一电极；

在该第一电极上形成牺牲层；

在牺牲层及该第一电极内形成至少两个开口，并定义出该光干涉式显示单元的位置；

在该开口内形成支撑物；

在该牺牲层及该支撑物上形成第二电极，

其中该第二电极具有至少一孔洞，该孔洞暴露出下方的牺牲层，

其中该第二电极中孔洞的数量与该显示单元的尺寸及孔洞的尺寸有关，且

其中该孔洞的尺寸介于1微米到10微米之间；且

通过远端等离子蚀刻制造工艺移除该牺牲层。

7.如权利要求6所述的光干涉式显示单元的制造方法，其特征在于：该远端等离子蚀刻制造工艺中形成远端等离子的前驱物可以为含有氟基或是氯基的蚀刻剂。

8.如权利要求6所述的光干涉式显示单元的制造方法，其特征在于：该远端等离子蚀刻制造工艺中形成远端等离子的前驱物是选自于四氟化碳、三氯化硼、三氟化氮、六氟化硫和其任意组合所组成的族群。

9.如权利要求6所述的光干涉式显示单元的制造方法，其特征在于：该牺牲层的材质可以为介电材质、金属材质、硅材质。