CN100465786C - 光学微机电元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制造光学微机电元件的方法，其包含提供一基质；沉积一氧化物层于该基质上；于该基质上进行多次蚀刻，以形成多种深度的沟槽(trench)；沉积第一多晶硅层，以回填该沟槽；沉积第一氮化物层与第二多晶硅层于该被回填的沟槽上；移除该第一多晶硅层；沉积第二氮化物层；以及进行一体蚀刻(bulketching)。
Description
技术领域
本发明有关一种光学微机电元件及其制造方法，特别是关于整合薄膜制作工艺、体型微加工技术以及深反应离子蚀刻，用以制造光学微机电元件的方法。
背景技术
微机电系统(Microelectromechanical system，简称MEMS)技术是结合半导体制作工艺，及其他微机械加工(micromachining)的方法，来制造与整合光、机、电等元件于芯片上。光学微机电技术(Optical MEMS)则是MEMS领域内的一项重点发展范畴，其中又以多晶硅MUMP制作工艺为光学微机电元件中最重要的平台技术之一。然而，表面受微机械加工的元件，其应用往往受限于薄膜的刚性(stiffness)以及所残留于其上的应力(stress)，例如现有的薄膜制作工艺所用的多晶硅薄膜，在光学装置的应用中容易变形。相对地，由于单晶硅所具有的应力较低且表面平滑，所以一般是使用单晶硅作为微光学装置中的薄膜材质。
此外，现有的微光学装置缺少隔离层，因此电连接的控制成为关键。2001年6月H.-Y.Lin等人于Transducer′01发表「具高解析度的微机械加工扫瞄镜(Highresolution micromachined scanning mirror)」，其中是使用富含硅的氮化物与机械设计，以改进光学微机电元件。然而，由于SixNy为介电质，所以所得的光学微机电元件仍具有电路问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造光学微机电元件的方法，其是以整合深反应离子蚀刻与面型/体型微加工技术，用以改善现有的薄膜制作工艺。
根据本发明一方面提供一种制造光学微机电元件的方法，包含：提供一基质，沉积一氧化物层于该基质上，于该基质上进行多次蚀刻，以形成多种深度的沟槽(trench)，沉积第一多晶硅层，以回填该沟槽，沉积第一氮化物层与第二多晶硅层于该第一多晶硅层与该氧化物层上，将该第一氮化物层与该第二多晶硅层图案化，移除该第一多晶硅层的一部分，沉积第二氮化物层，以及进行一体蚀刻(bulk etching)。
根据上述构想，该基质较佳是为硅基质。
根据上述构想，该多次蚀刻较佳是为深反应离子蚀刻(Deep Reactive IonEtching，DRIE)。
根据上述构想，该多次蚀刻较佳是为两次蚀刻。
根据上述构想，较佳是该第一氮化物层与该第二多晶硅层经图案化之后仅在该第一多晶硅层上，以形成电连接。
根据上述构想，该第一氮化物层较佳是为SixNy层。
根据上述构想，移除该第一多晶硅层较佳的一部分是通过深反应离子蚀刻(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)而加以移除。
根据上述构想，该第二氮化物层较佳是作为该体蚀刻(bulk etching)的一蚀刻掩膜。
根据上述构想，该体蚀刻较佳是借由一氢氧化四甲基铵(TMAH)溶液而进行。
根据上述构想，该氧化物层与第二氮化物层较佳是作为钝化层(passivation layer)。
根据上述构想，该第二氮化物较佳是为SixNy层。
根据上述构想，较佳是于沉积该第一氮化物层与该第二多晶硅层之后，还包含移除该氧化物层与该第二氮化物层。
根据上述构想，较佳是借由氢氟酸(HF)移除该氧化物层与该第二氮化物层。
根据本发明另一方面提供一种制造光学微机电元件的方法，该方法是包含提供一基质，沉积一氧化物层于该基质上，蚀刻该基质以形成沟槽，沉积一多晶硅层，以回填该沟槽，沉积一氮化物层于该被回填的沟槽上；以及进行一体蚀刻(bulk etching)。
根据本发明又一方面的一种光学微机电元件，其是由本发明方法所制造而得，该光学微机电元件包含多晶硅薄膜基，扭转元件，可用以降低驱动电压，多个垂直梳状电极，其具有多种深度，以及肋补强结构，以强化该光学微机电元件。
根据上述构想，该光学微机电元件可为一扫描镜。
本发明是整合深反应离子蚀刻、多晶硅微机电制作工艺(MUMP)以及体型(bulk)硅蚀刻的制作工艺，可用以制造不易变形却又兼具薄膜特性的多晶硅薄膜，作为光学微机电元件。
附图说明
图1A至图1H是根据本发明的实施例，说明本发明的整合制作工艺。
图2是说明借由本发明实施例的整合制作工艺，所制造而得的单轴光学扫描器。
图3是说明借由本发明实施例的整合制作工艺，所制造而得的双轴光学扫描器。
图4A与图4B是为放大图，其是说明本发明实施例的该扫描镜。
图5A与图5B是为电显图，其是说明本发明实施例中垂直梳状电极的横切面。
图6A与图6B是为电显图，其是说明本发明实施例中垂直梳状电极的自行对位效果。
图7是根据本发明的实施例，所测得该单轴光学扫描器的角运动(angularmotion)。
图8是根据本发明的实施例，所测得该单轴光学扫描器的角位移与驱动电压的关系图。
图9是根据本发明的实施例，说明由垂直梳状电极所驱动的单轴扫描镜的频率反应。
图10是根据本发明的实施例，说明由一PZT致动器所驱动的双轴扫描镜的动态反应。
具体实施方式
本发明的整合制作工艺是以薄膜硅为基质11，使用氧化物(oxide)12与光阻13作为自行对位(self-align)的蚀刻掩膜(如图1A所示)。借由两次深反应离子蚀刻(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)，制造两种不同深度的沟槽14(trench)(如图1B所示)，以作为垂直梳状电极。而后进行热氧化作用(thermal oxidation)形成热氧化物层15，以及沉积第一多晶硅层16(lstploly-Si deposition)回填上述所产生的沟槽(如图1C所示)，形成肋补强结构(rib reinforced structure)，因而大幅提高薄膜结构的刚性。而后，如图1D中所示，沉积第一氮化物(SixNy)层17与第二多晶硅(2nd poly-Si)层18，且将其图案化，以形成电连接。接着进行第三次深反应离子蚀刻(Deep ReactiveIon Etching，DRIE)，以移除该第一多晶硅层16(如图1E中所示)，用以调整梳状电极的深度。而后沉积低应力的第二氮化物(SixNy)层19，且将其图案化而成为体型硅蚀刻(bulk silicon etching)的蚀刻掩膜，且在蚀刻区域上开口化，如图1G至图1F中所示。而后将该基质浸泡于一氢氧化四甲基铵(TMAH)溶液中，以进行体型硅蚀刻(bulk silicon etching)。在体型硅蚀刻(bulk siliconetching)的过程中，该热氧化物层15与该第二氮化物(SixNy)层19是作为该多晶硅结构的钝化层(passivation layer)，而后以氢氟酸(HF)移除该钝化层，得到如图1H所示的结构，其中110为肋补强结构的镜板，120为扭转元件，130为梳状电极。
在本发明的方法中，回填步骤是为最关键的步骤。其设计的重点在于薄膜沉积前，先于芯片表面蚀刻出一深沟槽，当薄膜沉积后，便会沿此沟槽覆盖进一步形成U型结构，称之为沟槽回填技术，因此便可以在不增加结构厚度的前提下，改变了结构形状，而元件的结构刚性因此获得增加，根据模拟结果发现，相同厚度相同尺寸的两薄膜元件，有设计肋补强结构的元件，其结构刚性将提高100倍以上，而越深的沟槽，其刚性补强效果越好，因此将可解决薄膜面镜刚性不足的问题。
请参阅图2与图3，其分别是利用本发明方法所制造而得的单轴光学扫描镜(l-axis optical scanning mirror)与双轴光学扫描镜(2-axis opticalscanning mirror)。图4A与图4B是为本发明方法所制造的光学扫描镜的局部放大图。该光学扫描镜包含垂直的梳状致动器42、扭转元件42、镜板(mirrorplate)21或31、多重深度的电极43、架构44以及肋补强结构45。该多重深度的电极43其深度是为20微米与40微米，如图4A中所示。由于该光学扫描镜主要是以厚度为2微米的薄膜所形成，所以该扭转元件42相当容易扭转。再者，如图4B中所示，本发明更形成厚度20微米的肋补强元件45，以强化该镜板(mirror plate)与架构的刚性。
本发明实施例中所形成的沟槽，其开口约为4微米，而在回填步骤后，以扫描式电子显微镜检视垂直梳状电极，得其侧视图如图5A所示，其中深度为20微米的浅沟槽可被完全回填，而图5B中深度为40微米的深沟槽仍保有其中的空间。图6A与图6B是分别为体型蚀刻(bulk etching)后，梳状电极的俯视电显图与侧视电显图，由图可知，借由多重DRIE蚀刻与多晶硅回填步骤所制造的梳状电极，具有良好的自行对位(self-align)效果。
为了证明借由本发明方法所制造的光学扫描器具有良好的功效，因而进一步测量扭转镜板(mirror plate)21与31的静态与动态特性。
在测试本发明实施例的单轴光学扫描器的静态负载偏向效果(staticload-deflection performance)过程中，是以DC电压驱动该扫描器。以光学干涉计(optical interferometer)测量该镜板21的出平面角位移，所得测量结果是如图7所示，且驱动电压与对应的角位移变化关系图是如图8中所示。如图8中所示，驱动电压为40伏特时，该扫描器具有最大扫描角1.5度。所以，总扫描角度为±3度。若驱动电压超过40伏特，则会由于侧边效应(side-sticking effect)，造成垂直梳状致动器的不稳定。虽然本发明的设计中，该垂直梳状致动器可被允许的最大位移距离为20微米，但是该垂直梳状致动器的出平面位移被限制在6.4微米。当然，亦可使用形状为V型的扭转元件以克服电极的不稳定性，以增加扫描角度。
以垂直梳状致动器借由AC电压(峰至峰为4伏特，4V peak-to-peak)驱动该单轴光学扫描器，且借由激光都卜勒振动测量器(Laser DopplerVibrometer)，进行测试该扫描器的动态负载偏向，其所得的振动频率与振幅的关系图是如图9中所示，由图可知该单轴光学扫描器的共振频率为1.8kHz。由此一结果可知：由于该共振频率大于1kHz，所以扫描镜不会受到环境干扰的影响。
在一真空室中，以PZT致动器激发本发明实施例的该双轴光学扫描器，以测试其动态性质，所得该扫描镜31的动态反应是如图10中所示，其中外部扭转模式的共振频率为2.94kHz，且内部扭转模式的共振频率为5.44kHz。
本发明的方法是以薄膜为基质，整合多次DRIE蚀刻、多晶硅微机电制作工艺(MUMP)以及体型(bulk)硅蚀刻，用以制造多晶硅光学微机电元件。本发明方法可制造如实施例中所示由垂直梳状致动器所驱动的扫描镜。在薄膜中，微光学装置的长度范围约在1微米至100微米。此外，可将该薄膜扭转元件设计为相当具弹性且长度约为2微米。本发明利用回填沟槽，形成高深宽比(highaspect ratio)，使薄膜结构变厚，但仍保留其易于转折的特性。现有技术中，由于薄膜上残留的应力，使得该多晶硅镜板容易具有静态变形，再加上其内部的力往往造成多晶硅镜板的动态变形；然而，借由实施本发明的方法，可在扫描镜结构中形成肋补强元件，用以强化多晶硅镜板，使得该镜板可承受撞击且增加其结构的刚性。再者，本发明的方法中，借由进行体型硅蚀刻而产生凹处(>100微米)，提供镜运动的空间。本发明方法所制造的多晶硅微机电光学装置更可与MUMP装置整合，建立更具效力的MOMES平台。
本发明方法所制造的光学扫描器，其是借由垂直的梳状致动器而被驱动，且该光学扫描器的镜板(mirror plate)可进行出平面的运动(out-of-planemotion)。由于本发明方法的效益，使得的该光学扫描器具有以下四种特色：(1)该扭转元件具有足够的弹性，可用以降低驱动电压；(2)镜板(mirror plate)具有足够的坚硬度可防止结构变形；(3)该垂直梳状电极具有多重深度的结构；以及(4)由于该光学扫描器是以薄膜为基质，所以其下仍具有足够空间，以利进行角运动(angular motion)。
综上所述，本发明的「光学微机电元件及其制造方法」可用以克服现有技艺的缺失，提供不易变形却又兼具薄膜特性的多晶硅薄膜，可应用于光学装置中，故当然具有产业上的利用性。
Claims (11)
1.一种制造光学微机电元件的方法，其包含:
提供一基质；
沉积一氧化物层于该基质上；
于该基质上进行多次蚀刻，以形成多种深度的沟槽；
沉积第一多晶硅层，以回填该沟槽；
沉积第一氮化物层与第二多晶硅层于该第一多晶硅层与该氧化物层上；
将该第一氮化物层与该第二多晶硅层图案化；
移除该第一多晶硅层的一部分；
沉积第二氮化物层；以及
进行一体蚀刻。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于:
该基质是为硅基质；及/或
该多次蚀刻是为深反应离子蚀刻。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于该多次蚀刻是为两次蚀刻。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于:
该第一氮化物层与该第二多晶硅层经图案化之后仅在该第一多晶硅层上，以形成电连接；及/或
该第一氮化物层是为SixNy层。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于移除该第一多晶硅层的一部分是通过深反应离子蚀刻而加以移除。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于:
该第二氮化物层是作为该体蚀刻的一蚀刻掩膜；及/或
该体蚀刻是借由一氢氧化四甲基铵溶液而进行。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于:
该氧化物层与第二氮化物层是作为钝化层；及/或
该第二氮化物层是为SixNy层。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于:
于沉积该第一氮化物层与该第二多晶硅层之后，还包含移除该氧化物层与该第二氮化物层；及/或
借由氢氟酸移除该氧化物层与该第二氮化物层。
9.一种利用权利要求1所述的方法所制造的光学微机电元件，其包含:
多晶硅薄膜基质；
扭转元件，用以降低驱动电压；
多个垂直梳状电极，其具有多种深度；以及
肋补强结构，以强化该光学微机电元件。
10.如权利要求9所述的光学微机电元件，其特征在于该光学微机电元件是为一扫瞄镜。
11.一种制造光学微机电元件的方法，其包含:
提供一基质；
沉积一氧化物层于该基质上；
蚀刻该基质以形成沟槽；
沉积一多晶硅层，以回填该沟槽；
沉积一氮化物层于该被回填的沟槽上；以及
进行一体蚀刻。
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Granted publication date: 20090304 Termination date: 20140824 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |