CN102311090B - 二维梳形致动器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二维梳形致动器及其制造方法，包括支承基座、框架以及可移动体。该支承基座设置第一梳形电极，该框架具有内部梳形电极以及外部梳形电极，该外部梳形电极分别叉合于该第一梳形电极。该可移动体具有第二梳形电极，分别叉合于该内部梳形电极，其中该第二梳形电极的厚度与相对应叉合的该内部梳形电极的厚度不相等，且该外部梳形电极的厚度与相对应叉合的该第一梳形电极的厚度不相等。本发明利用一导电层设置于该第一梳形电极、内部梳形电极及外部梳形电极以及第二梳形电极，以增加旋转角度以及可使用频率范围。

Description

二维梳形致动器及其制造方法

【技术领域】

本发明是关于一种致动器及其方法，特别是有关于一种二维梳形致动器及其制造方法。

【背景技术】

近年来，利用微机电加工技术制造的微结构元件广泛应用于各种传感器或致动器领域，例如加速度传感器、角速度传感器或是微振镜致动器中皆包含不同设计的微结构元件。

参考图1A，其绘示现有技术中一致动器100的局部剖视图。该致动器100包括支撑座102以及可振动元件104，该支撑座102具有基材106、绝缘层108以及元件层110，该可振动元件104设置于该元件层110中空区域之间，且该可振动元件104与该元件层110是共平面(co-planar)，由于共平面的特性，该可振动元件104无法转动至一个固定角度，因而必须额外施加一固定偏移作用力(constant biasing force)，以启动该可振动元件104的转动，致使该致动器100的结构太过于复杂。

参考图1B，其绘示现有技术中另一致动器100的局部剖视图。该致动器100包括支撑座102以及可振动元件104，该支撑座102具有基材106、绝缘层108以及元件层110，该可振动元件104设置于该支撑座102的上方。由于现有技术必须使用等向性蚀刻(Isotropic etch)法移除该可振动元件104下方的部分该绝缘层108以及该元件层110的材料，以于该元件层110形成梳形(comb)结构，然而等向性蚀刻会使该元件层110产生不当的横向过切(lateralundercut)，以致于无法正确控制该梳形结构的尺寸大小，例如该可振动元件104相对于该支撑座102产生尺寸不对称的状态，使得该致动器100无法正常运作。

参考图1C，其绘示现有技术中又一致动器100的局部剖视图。该致动器100包括支撑座102以及可振动元件104，该支撑座102具有基材106、绝缘层108以及元件层110，该元件层110的高度h1小于该可振动元件104的高度h2，导致该可振动元件104与该元件层110的重迭面积缩减，而该重迭面积与该致动器100的静电驱动力(electrostatic force)相关，该重迭面积缩减表示该可振动元件104与该元件层110之间的静电驱动力降低，故该致动器100无法正常启动。此外，当蚀刻该元件层110造成高度减少时，该元件层110所在的绝缘体上覆硅(Silicon On Insulator，SOI)晶圆在制造过程中亦会产生高度变异(height variation)，亦即造成该元件层110的表面不均匀。有鉴于此，需要发展一种新式的致动器及其制造方法，以解决上述问题。

【发明内容】

为解决上述问题，本发明的一目的在于提供一种二维梳形致动器及其制造方法，其可增加该致动器的旋转角度以及可使用的频率范围。

本发明的又一目的在于提供一种二维梳形致动器及其制造方法，其可解决该致动器启动困难的问题，并解决致动器的上、下层梳形电极因利用不同罩幕层图案分别蚀刻而造成对准的问题，以及进一步解决使用等向性蚀刻导致使元件层不当的横向过切的问题。

为达成上述目的，本发明提供一种二维梳形致动器及其制造方法，该二维梳形致动器主要包括支承基座、框架以及可移动体。该支承基座依序具有堆栈的基材、绝缘层以及元件层，该支承基座设置两组第一梳形电极。该框架依附于该支承基座，用以绕着一第一旋转轴作转动，该框架具有两组内部梳形电极以及两组外部梳形电极，其中该两组外部梳形电极分别叉合于该两组第一梳形电极。该可移动体依附于该框架，用以绕着垂直于该第一旋转轴的一第二旋转轴作转动，该可移动体具有两组第二梳形电极，分别叉合于该两组内部梳形电极，其中该两组第二梳形电极中的其中之一的厚度与相对应叉合的该两组内部梳形电极的厚度不相等，该两组外部梳形电极的其中之一的厚度与相对应叉合该两组第一梳形电极的厚度不相等。

此二维梳形致动器的制造方法，包括下列步骤：

(a)沉积第一罩幕层于一绝缘层上覆硅(SOI)晶圆上，并定义第一图案，其中该绝缘层上覆硅(SOI)晶圆依序具有堆栈的基材、绝缘层以及元件层。

(b)依据该第一图案，蚀刻该元件层至曝露出该绝缘层，以形成一沟渠，并且移除该第一罩幕层。

(c)沉积一氧化硅层于该沟渠元件层上并填满该沟渠。

(d)移除位于该元件层上的该氧化硅层。

(e)沉积一导电层，以覆盖该元件层。

(f)沉积第二罩幕层于该导电层上，并定义第二图案。

(g)依据该第二图案，蚀刻该导电层以曝露该元件层，并且移除该第二罩幕层。

(h)沉积第三罩幕层于该导电层以及该元件层上，并定义第三图案。

(i)依据该第三图案，依序蚀刻该导电层以及该元件层，以于该导电层上形成至少一梳形电极，并于该元件层上形成至少一梳形电极、框架以及可移动体；蚀刻之后移除该第三罩幕层。

(j)沉积第四罩幕层于该基材上，并定义第四图案。

(k)依据该第四图案，蚀刻该基材至曝露出该绝缘层，之后移除该第四罩幕层。

(l)蚀刻该绝缘层上覆硅(SOI)晶圆的绝缘层，以形成该二维梳形致动器。

本发明另亦揭露一种二维梳形致动器的制造方法，包括以下步骤：

(a)沉积一第一罩幕层于一绝缘层上覆硅(SOI)晶圆上，并定义一第一图案，其中该绝缘层上覆硅(SOI)晶圆依序具有一基材、一绝缘层以及一元件层。

(b)依据该第一图案蚀刻该元件层至该绝缘层，以形成一沟渠，并且移除该第一罩幕层。

(c)形成一氧化硅薄膜层于该沟渠的侧壁以及该元件层上。

(d)沉积一第二罩幕层于该氧化硅薄膜层上，并定义一第二图案。

(e)依据该第二图案，蚀刻该氧化硅薄膜层至曝露出该元件层，并且在蚀刻之后移除该第二罩幕层。

(f)沉积一导电层于该元件层上，并且填满该沟渠。

(g)沉积一第三罩幕层于该导电层上，并定义一第三图案。

(h)依据该第三图案，蚀刻该导电层至该元件层，并且在蚀刻之后移除该第三罩幕层。

(i)沉积一第四罩幕层于该导电层以及该元件层上，并定义一第四图案。

(j)依据该第四图案，蚀刻该导电层以及该元件层至该绝缘层，并且在蚀刻之后移除该第四罩幕层。

(k)沉积一第五罩幕层于该基材上，并定义一第五图案。

(l)依据该第五图案，蚀刻该基材至曝露出该绝缘层。

(m)蚀刻该绝缘层而形成该二维梳形致动器。

相较于现有技术，本发明二维致动器及其制造方法利用导电层设置于该第一梳形电极、该内部梳形电极及该外部梳形电极以及该第二梳形电极，可增加该致动器的旋转角度以及可使用的频率范围，解决该致动器启动困难的问题，并利用同一罩幕层图案蚀刻形成导电层以及元件层的梳形电极，解决现有技术中致动器的上、下层梳形电极因利用不同罩幕层图案分别蚀刻而造成对准的问题，且进一步解决现有技术中使用等向性蚀刻导致使元件层不当的横向过切的问题。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

【附图说明】

图1A-1C绘示现有技术的二维梳形致动器的示意图。

图2A绘示依据本发明实施例中二维梳形致动器的俯视图。

图2B-2E绘示依据本发明的第一实施例中沿着图2A的A-A’剖面线的二维梳形致动器的剖视图。

图2F绘示依据本发明图2B中可移动体绕着该第二旋转轴作双向往复震荡的旋转角度与交流变动电位差之间的相位及振幅关系图。

图3A-3D绘示依据本发明的第一实施例中沿着图2A的B-B’剖面线的二维梳形致动器的剖视图。

图3E绘示依据本发明图3A中框架绕着该第一旋转轴作双向往复震荡的旋转角度与交流变动电位差之间的相位及振幅关系图。

图4A-4C绘示依据本发明的第二实施例中沿着图2A的A-A’剖面线的二维梳形致动器的剖视图。

图5A-5D绘示依据本发明的第三实施例中沿着图2A的B-B’剖面线的二维梳形致动器的剖视图。

图5E绘示依据本发明图5A中框架绕着该第一旋转轴作双向往复震荡的旋转角度与交流变动电位差之间的相位及振幅关系图。

图5F绘示依据本发明实施例中二维梳形致动器的逐行水平扫描的示意图。

图6A-6D绘示依据本发明的第四实施例中沿着图2A的B-B’剖面线的二维梳形致动器的剖视图。

图6E绘示依据本发明图6A中框架绕着该第一旋转轴作双向往复震荡的旋转角度与交流变动电位差之间的相位及振幅关系图。

图7绘示依据本发明实施例中沿着图2A的C-C’剖面线的具有强化结构的二维梳形致动器的剖视图。

图8A-8M绘示依据本发明的第一实施例中二维梳形致动器的制造方法的流程剖视图。

图9A-9O绘示依据本发明的第二实施例中二维梳形致动器的制造方法的流程剖视图。

【具体实施方式】

本发明的较佳实施例通过所附图式与下面的说明作详细描述，在不同的图式中，相同的元件符号表示相同或相似的元件。

参考图2A，其绘示依据本发明实施例中二维梳形致动器200的俯视图。该二维梳形致动器200适用于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)，主要包括支承基座(supporting base)202、框架(frame)204以及可移动体(movable body)206。该支承基座202设置两组第一梳形电极(208a、208b)。

该框架204是利用第一扭转杆(torsion bar)215a依附于该支承基座202，用以绕着第一旋转轴210a作转动，其中该框架204具有两组内部梳形电极(212a、212b)以及两组外部梳形电极(214a、214b)，该两组外部梳形电极(214a、214b)分别叉合(例如交错排列)于该两组第一梳形电极(208a、208b)，且该两组外部梳形电极(214a、214b)中的其中之一的厚度与相对应叉合的该两组第一梳形电极(208a、208b)的厚度不相等。当施加至少一电位差于该两组外部梳形电极(214a、214b)与该两组第一梳形电极(208a、208b)时，将产生一静电驱动力，可使该框架204绕着该第一旋转轴210a相对于该支承基座202作旋转运动。

该可移动体206利用第二扭转杆(torsion bar)215b依附于该框架204，用以绕着垂直于该第一旋转轴210a的第二旋转轴210b作转动，该可移动体206具有两组第二梳形电极(216a、216b)，且该两组第二梳形电极(216a、216b)分别叉合(例如交错排列)于该两组内部梳形电极(212a、212b)，其中该两组第二梳形电极(216a、216b)中的其中之一的厚度与相对应叉合的该两组内部梳形电极(212a、212b)的厚度不相等。当施加电位差于该两组内部梳形电极(212a、212b)与该两组第二梳形电极(216a、216b)之间时，将产生该静电驱动力，可使该可移动体206绕着该第二旋转轴210b相对于该框架204作旋转运动。

此外，本发明利用沟渠220区隔该二维梳形致动器200为四个电性绝缘(electrically insulated)区域，包括该支承基座202的两个区域、该框架204与该可移动体206等四个区域，使得该两组第二梳形电极(216a、216b)分别电性绝缘于该两组内部梳形电极(212a、212b)，且该两组外部梳形电极(214a、214b)分别电性绝缘于该两组第一梳形电极(208a、208b)。并且利用该沟渠220电性隔离一部分的支承基座202的区域，以形成电极接触垫(222a、222b)，其中该电极接触垫222a依序经由上方的该第一扭转杆215a以及左侧的该第二扭转杆215b电性连接于该可移动体206，该电极接触垫222b经由下方的该第一扭转杆215a电性连接于该框架204，该电极接触垫(222a、222b)用以接收外部施加的电力，以于该支承基座202、框架204以及可移动体206之间形成电位差。

在本发明的二维梳形致动器200中，扭力T正比于相对应叉合的梳形电极之间重迭面积变化量

除以旋转角度的变化量度

亦即扭力T正比于相对应叉合的梳形电极之间重迭面积A与旋转角度θ的偏微分，如下列公式(1)所示：

$T\∝\frac{\∂A}{\∂\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(1\right)$

其中，扭力T：当施加电位差于梳形电极之间时所产生的扭力，例如当施加电位差于该两组外部梳形电极(214a、214b)与该两组第一梳形电极(208a、208b)之间时，使该框架204相对于该支承基座202产生旋转运动的扭力，或是当施加电位差于该两组内部梳形电极(212a、212b)与该两组第二梳形电极(216a、216b)之间时，使该可移动体206相对于该框架204产生旋转运动的扭力；

重迭面积A：相对应叉合的梳形电极之间的重迭面积；以及

旋转角度θ：该框架204以及该可移动体206的旋转角度。

本发明的二维梳形致动器200设置一导电层218于该两组第一梳形电极(208a、208b)、该两组内部梳形电极(212a、212b)及该两组外部梳形电极(214a、214b)以及该两组第二梳形电极(216a、216b)的至少其中一组梳形电极上，其中该导电层218分别标示于图2B-2E、图3A-3D、图4A-4C、图5A-5D以及图6A-6D。在一实施例中，该导电层218的材质选自于多晶硅(poly silicon)、金属(metal)以及任意的导电材质。上述的该导电层218形成于该支承基座202、该框架204以及该可移动体206的结构将配合后附图式作详细说明。

参考图2A以及图2B-2E，图2B-2E绘示依据本发明的第一实施例中沿着图2A的A-A’剖面线的二维梳形致动器200的剖视图。如图2A、图2B所示，该两组第二梳形电极(216a、216b)、该两组内部电极(212a、212b)分别设置于该第二旋转轴210b的相异两侧，当位于该第二旋转轴210b第一侧的第二梳形电极216a以及位于该第二旋转轴210b第二侧的内部梳形电极212b分别设置该导电层218时，该第二梳形电极216a的厚度大于相对应叉合的内部梳形电极212a，且该内部梳形电极212b的厚度大于相对应叉合的第二梳形电极216b，又，该第二梳形电极216a的厚度可等于该内部梳形电极212b的厚度。

例如由图2B的水平位置顺时针转动至图2C的状态所示，当该两组内部梳形电极(212a、212b)与该两组第二梳形电极(216a、216b)之间具有一固定电位差，利用设置该导电层218的该第二梳形电极216a与相对应叉合的该内部梳形电极212a的厚度差值所产生的重迭面积变化量相对于旋转角度变化量、以及利用设置该导电层218的该内部梳形电极212b与相对应叉合的该第二梳形电极216b的厚度差值所产生的重迭面积变化量相对于旋转角度变化量，通过静电作用力产生使该可移动体206相对于该框架204作转动的扭力，该可移动体206将绕着该第二旋转轴210b作单向转动(顺时针或是逆时针)。

如图2D、图2E所示，当该两组内部梳形电极(212a、212b)与该两组第二梳形电极(216a、216b)之间具有一交流变动电位差，该可移动体206绕着该第二旋转轴210b作双向往复震荡运动。图2F绘示依据本发明图2B至2E中该可移动体206绕着该第二旋转轴210b作双向往复震荡的旋转角度与交流变动电位差之间的相位及振幅关系图。其中横轴为时间，纵轴为旋转角度以及交流变动电位差AC1，当该两组内部梳形电极(212a、212b)与该两组第二梳形电极(216a、216b)之间施加一交流变动电位差AC1时，该可移动体206依序由图2B(相对应于T1)转动至图2D(相对应于T2)，接着反转至图2B(相对应于T3)，然后转动至图2E(相对应于T4)，最后回到图2B(相对应于T5)的水平位置，以完成一个周期的双向往复震荡运动。该交流变动电位差AC1的波形(waveform)可为多种形状，例如方形波、三角形波、正弦曲线(sinusoidal)波以及半正弦曲线(half-sinusoidal)波等。在一实施例中，当该交流变动电位差AC1的最大振幅固定时，方形波是以较佳效率驱动该可移动体206摆动至最大旋转角度，并且通过控制交流变动电位差AC1使该可移动体206的旋转角度进行如图2F的正弦运动摆动。

在现有技术中，因位于第二旋转轴相异两侧的两组内部梳形电极及两组第二梳形电极并无设置导电层，结构对称，可移动体需绕着第二旋转轴有一初始扭转角度，如此当两组内部梳形电极与两组第二梳形电极之间施加一电位差时，于第二旋转轴两侧因静电力产生不对称的扭力，方能带动可移动体转动。此初始扭转角度一般是利用制造裕度或特意设计构造而产生。而本发明的第一实施例中，因设置该导电层218，即使如图2B所示，该可移动体206绕着该第二旋转轴210b无初始扭转角度，当该两组内部梳形电极(212a、212b)与该两组第二梳形电极(216a、216b)之间施加一电位差时，于该第二旋转轴210b两侧亦会产生不对称的扭力，故可轻易启动该可移动体206转动。同时因该第二梳形电极216a及该内部梳形电极212b设置该导电层218，使得该两组内部梳形电极(212a、212b)与该两组第二梳形电极(216a、216b)之间重迭面积以及重迭面积变化量相对于旋转角度变化量增加，亦使该可移动体206更容易启动旋转。

参考图2A以及图3A-3D，图3A-3D绘示依据本发明的第一实施例中沿着图2A的B-B’剖面线的二维梳形致动器200的剖视图。如图2A、图3A所示，该支承基座202依序具有堆栈的基材202a、绝缘层202b以及元件层202c。该两组第一梳型电极(208a、208b)设置于该元件层202c，该两组第一梳型电极(208a、208b)、该两组外部电极(214a、214b)分别设置于该第一旋转210a的相异两侧。当位于该第一旋转轴210a第一侧的外部梳形电极214a以及位于该第一旋转轴210a第二侧的第一梳形电极208b分别设置该导电层218时，该外部梳形电极214a的厚度大于相对应叉合的第一梳形电极208a，且该第一梳形电极208b的厚度大于相对应叉合的外部梳形电极214b。在本实施例中，该外部梳形电极214a的厚度可等于该第一梳形电极208b的厚度。

例如由图3A的水平位置顺时针转动至图3B的状态，当该两组外部梳形电极(214a、214b)与该两组第一梳形电极(208a、208b)之间具有至少一固定电位差，利用具有该导电层218的该外部梳形电极214a与相对应叉合的该第一梳形电极208a的厚度差值所产生的重迭面积变化量相对于旋转角度变化量、以及利用具有该导电层218的该第一梳形电极208b与相对应叉合的该外部梳形电极214b的厚度差值所产生的重迭面积变化量相对于旋转角度变化量，利用静电作用力产生使该框架204相对于该支承基座202作转动的扭力，该框架204将绕着该第一旋转轴210a作单向转动(顺时针或是逆时针)。

如图3C、图3D所示，当该两组外部梳形电极(214a、214b)与该两组第一梳形电极(208a、208b)之间具有至少一交流变动电位差，该框架204绕着该第一旋转轴210a作双向往复震荡运动。图3E绘示依据本发明图3A中该框架204绕着该第一旋转轴210a作双向往复震荡的旋转角度与交流变动电位差之间的相位及振幅关系图。其中横轴为时间，纵轴为旋转角度以及交流变动电位差AC2，当该两组外部梳形电极(214a、214b)与该两组第一梳形电极(208a、208b)之间施加一交流变动电位差AC2时，该框架204依序由图3A(相对应于T1)转动至图3C(相对应于T2)，接着反转至图3A(相对应于T3)，然后转动至图3D(相对应于T4)，最后回到图3A(相对应于T5)的水平位置，以完成一个周期的双向往复震荡运动。该交流变动电位差AC2的波形(waveform)可为多种形状，例如方形波、三角形波、正弦曲线(sinusoidal)波以及半正弦曲线(half-sinusoidal)波等。在一实施例中，当该交流变动电位差AC2的振幅固定时，方形波是以较佳效率驱动该框架204摆动至最大旋转角度，并且利用控制交流变动电位差AC2使该框架204的旋转角度进行如图3E的正弦运动摆动。

在现有技术中，因位于第一旋转轴相异两侧的两组第一梳形电极及两组外部梳形电极并无设置导电层，结构对称，所以框架需有一初始扭转角度才能绕着第一旋转轴转动，当两组外部梳形电极与两组第一梳形电极之间施加一电位差时，于第一旋转轴两侧因静电力产生不对称的扭力，方能带动框架转动。此初始扭转角度一般是利用制造裕度或特意设计构造而产生。而本发明的上述实施例中，因该外部梳形电极214a及该第一梳形电极208b设置该导电层218，即使该框架204绕着该第一旋转轴210a无初始扭转角度，如图3A所示，当该两组外部梳形电极(214a、214b)与该两组第一梳形电极(208a、208b)之间施加一电位差时，于该第一旋转轴210a两侧亦会产生不对称的扭力，故可轻易启动该框架204转动。同时因设置该导电层218，使得该两组外部梳形电极(214a、214b)与该两组第一梳形电极(208a、208b)之间重迭面积以及重迭面积变化量相对于旋转角度变化量增加，亦使该框架204更容易启动旋转。

参考图2A以及图4A-4C，图4A-4C绘示依据本发明的第二实施例中沿着图2A的A-A’剖面线的二维梳形致动器200的剖视图。如图2A、图4A所示，该两组第二梳形电极(216a、216b)、该两组内部电极(212a、212b)分别设置于该第二旋转轴210b的相异两侧，当位于该第二旋转轴210b第一侧的内部梳形电极212b设置该导电层218时，该内部梳形电极212b的厚度大于相对应叉合的第二梳形电极216b，又位于该第二旋转轴210b第二侧的第二梳形电极216a的厚度等于相对应叉合的内部梳形电极212a。

例如由图4A的水平位置状态顺时针转动至图4B的状态，当该两组内部梳形电极(212a、212b)与该两组第二梳形电极(216a、216b)之间具有一固定电位差，利用具有该导电层218的该内部梳形电极212b与相对应叉合的第二梳形电极216b的厚度差值所产生的重迭面积变化量相对于旋转角度变化量，利用静电作用力产生使该可移动体206相对于该框架204作转动的扭力，该可移动体206将绕着该第二旋转轴210b作单向转动(顺时针或是逆时针)。

如图4C所示，当该两组内部梳形电极(212a、212b)与该两组第二梳形电极(216a、216b)之间具有一交流变动电位差，该可移动体206绕着该第二旋转轴210b作双向往复震荡运动。当施加该交流变动电位差时，该可移动体206绕着该第二旋转轴210b作双向往复震荡的旋转角度与交流变动电位差之间的相位及振幅关系与图2F类似，在此不予赘述。

参考图2A以及图5A-5D，图5A-5D绘示依据本发明的第三实施例中沿着图2A的B-B’剖面线的二维梳形致动器200的剖视图。如图2A、图5A所示，该支承基座202依序具有堆栈的基材202a、绝缘层202b以及元件层202c。该两组第一梳形电极(208a、208b)设置于该基材202a，且该两组第一梳形电极(208a、208b)分别设置于该第一旋转轴210a的相异两侧。当该两组外部梳形电极(214a、214b)设置该导电层218时，该两组外部梳形电极(214a、214b)位于该两组第一梳形电极(208a、208b)的上方，且该两组外部梳形电极(214a、214b)的高度高于该元件层202c。

当该两组外部梳形电极(214a、214b)与相对应叉合的该两组第一梳形电极(208a、208b)之间具有至少一固定电位差时，该相对应叉合的梳形电极之间因为静电力产生的扭力使该框架204绕着该第一旋转轴210a作单向转动。在该导电层218的上表面边缘219转动至与该基材202a及该绝缘层202b的交界面相同水平高度之前，该相对应叉合的梳形电极之间重迭面积变化量相对于旋转角度变化量维持于一极大值，故可使该框架204持续转动，直至该导电层218的上表面的边缘高度219转动至与该基材202a及该绝缘层202b交界面的相同水平高度，亦即该框架204由图5B的θ转动至图5C的θ_max。一旦该导电层218的上表面边缘219转动至低于该基材202a及该绝缘层202b的交界面，梳形电极之间重迭面积变化量相对于旋转角度变化量立刻下降至极小值，无法再提供该框架204继续转动所需的扭力。其中该导电层218的上表面边缘219转动至与该基材202a及该绝缘层202b的交界面相同水平高度时，该框架204转动的角度定义为最大旋转角度θ_max，如图5C所示。

在本实施例中，利用导电层218增加该框架204的该两组外部梳形电极(214a、214b)的厚度，以使该两组外部梳形电极(214a、214b)与该两组第一梳形电极(208a、208b)之间的重迭面积变大，以产生较大的扭力。同时通过增加该两组外部梳形电极(214a、214b)的厚度，使该相对应叉合的梳形电极之间重迭面积变化量相对于旋转角度变化量维持于极大值的旋转角度的范围增加，如图5C中的θ_max相较于图5B中的θ，故可使该框架204的旋转角度θ增加至最大旋转角度θ_max。

如图5C所示，当设置该导电层218的该两组外部梳形电极(214a、214b)与相对应叉合的该两组第一梳形电极(208a、208b)之间具有至少一交流变动电位差，该框架204绕着该第一旋转轴210a作双向往复震荡运动。图5E绘示依据本发明图5A中该框架204绕着该第一旋转轴210a作双向往复震荡的旋转角度与交流变动电位差之间的相位及振幅关系图。其中横轴为时间，纵轴为旋转角度以及交流变动电位差AC3、AC4，当位于该第一旋转轴210a第一侧的第一梳形电极(208b)与外部梳形电极(214b)之间施加交流变动电位差AC3，且位于该第一旋转轴210a第二侧的第一梳形电极(208a)与外部梳形电极(214a)之间施加交流变动电位差AC4时，该框架204依序由图5A(相对应于T1)转动至图5C(相对应于T2)，接着反转至图5A(相对应于T3)，然后转动至图5D(相对应于T4)，最后回到图5A(相对应于T5)的水平位置，以完成一个周期的双向往复震荡运动。

上述利用控制交流变动电位差AC3、AC4，以使该框架204进行如图5E的锯齿形波的摆动，其中在T1与T2的区间以及T4与T5的区间利用交流变动电位差AC3、AC4的调控使该框架204作快速旋转。若是同时施加一交流变动电位差AC1于该两组第二梳形电极(216a、216b)与该两组内部梳形电极(212a、212b)之间，例如图2B-2D或是图4A-4C所示，将使该可移动体206于空间中的摆动轨迹如图5F显示的逐行水平扫描，该摆动轨迹是沿着水平方向扫描(HS)以及垂直方向扫描(VS)。

参考图2A以及图6A-6D，图6A-6D绘示依据本发明的第四实施例中沿着图2A的B-B’剖面线的二维梳形致动器200的剖视图。如图2A、图6A所示，该支承基座202包括基材202a、绝缘层202b以及元件层202c。该两组第一梳形电极(208a、208b)设置于该元件层202c，且该支承基座202还包括两组第三梳形电极(208a’、208b’)，该两组第一梳形电极(208a、208b)分别叉合于该两组外部梳形电极(214a、214b)，该两组第三梳形电极(208a’、208b’)分别叉合于该两组外部梳形电极(214a、214b)。该两组第一梳形电极(208a、208b)堆栈于该两组第三梳形电极(208a’、208b’)上，但是该两组第三梳形电极(208a’、208b’)与该两组第一梳形电极(208a、208b)是互相绝缘的状态。该两组第一梳形电极(208a、208b)、该两组外部电极(214a、214b)分别位于该第一旋转轴210a的相异两侧，且该两组第三梳形电极(208a’、208b’)亦分别位于该第一旋转轴210a的相异两侧。在本实施例中，该两组外部梳形电极(214a、214b)设置该导电层218，高度高于该两组第一梳形电极(208a、208b)。

当设置该导电层218的该两组外部梳形电极(214a、214b)与相对应叉合的该两组第三梳形电极(208a’、208b’)之间具有至少一第一固定电位差，该相对应叉合的梳形电极之间因静电力产生的扭力使使该框架204绕着该第一旋转轴210a作单向转动，当该导电层218的上表面边缘219转动至与该基材202a及该绝缘层202b的交界面相同水平高度之前，该相对应叉合的梳形电极之间重迭面积变化量相对于旋转角度变化量维持于一极大值，故可使该框架204持续转动，直至该导电层218的上表面的边缘高度219转动至与该基材202a及该绝缘层202b交界面的相同水平高度时，亦即该框架204由图6B的θ转动至图6C的θ_max。一旦该导电层218的上表面边缘219转动至低于该基材202a及该绝缘层202b的交界面，该相对应叉合的梳形电极之间重迭面积变化量相对于旋转角度变化量立刻下降至极小值，无法再提供该框架204继续转动所需的扭力。其中该导电层218的上表面边缘219转动至与该基材202a及该绝缘层202b的交界面相同水平高度时，该框架204转动的角度定义为最大旋转角度θ_max，如图6C所示。同样地，当设置该导电层218的该两组外部梳形电极(214a、214b)与相对应叉合的该两组第一梳形电极(208a、208b)之间具有至少一第二固定电位差，以使该框架204绕着该第一旋转轴210a由该最大旋转角度θ_max反转。

上述实施例中，利用导电层218增加该两组外部梳形电极(214a、214b)的厚度，以使该两组外部梳形电极(214a、214b)与该两组第三梳形电极(208a’、208b’)之间的重迭面积变大，以产生较大的扭力。同时通过增加该两组外部梳形电极(214a、214b)的厚度，使梳形电极之间重迭面积变化量相对于旋转角度变化量维持于极大值的旋转角度的范围增加，如图6C中的θ_max相较于图6B中的θ，故可使该框架204的旋转角度θ增加至最大旋转角度θ_max。

另，如图6C、图6D所示当设置该导电层218的该两组外部梳形电极(214a、214b)与相对应叉合的该两组第一梳型电极(208a、208b)及该两组第三梳形电极(208a’、208b’)之间具有至少一交流变动电位差，该框架204绕着该第一旋转轴210a作双向往复震荡运动。图6E绘示依据本发明图6A中该框架204绕着该第一旋转轴210a作双向往复震荡的旋转角度与交流变动电位差之间的相位及振幅关系图。其中横轴为时间，纵轴为旋转角度以及交流变动电位差AC5、AC6、AC7、AC8，当位于该第一旋转轴210a第一侧的第一梳形电极(208b)与外部梳形电极(214b)之间施加一交流变动电位差AC5，位于该第一旋转轴210a第二侧的第一梳形电极(208a)与外部梳形电极(214a)之间施加一交流变动电位差AC6，位于该第一旋转轴210a第一侧的第三梳形电极(208b’)与外部梳形电极(214b)之间施加一交流变动电位差AC7，位于该第一旋转轴210a第二侧的第三梳形电极(208a’)与外部梳形电极(214a)之间施加一交流变动电位差AC8时，该框架204依序由图6A(相对应于T1)转动至图6C(相对应于T2)，接着反转至图6A(相对应于T3)，然后转动至图6D(相对应于T4)，最后回到图6A(相对应于T5)的水平位置，以完成一个周期的双向往复震荡运动。

上述是利用控制交流变动电位差AC5、AC6、AC7及AC8，以使框架204进行如图6E的锯齿形波的摆动，其中在T1与T2的区间以及T4与T5的区间利用交流变动电位差AC5、AC6、AC7、AC8的调控使该框架204作更快速的旋转。若是同时施加一交流变动电位差AC1于该两组第二梳形电极(216a、216b)与该两组内部梳形电极(212a、212b)之间，例如图2B-2D或是图4A-4C所示，将使该可移动体206于空间中的的摆动轨迹如图5F显示的逐行水平扫描。

根据上述，本发明的二维梳形致动器200利用该导电层218增加梳形电极的厚度，使该支承基座202、该框架204以及该可移动体206之间的梳形电极的重迭面积变大，藉以增加扭力，以提高该二维梳形致动器200的旋转角度。此外，本发明的二维梳形致动器200通过施加不同型式的电位差(例如固定电位差及交流变动电位差)，使得二维梳形致动器200的频率使用范围较大，并且由该使用频率范围可找出相对应的旋转角度，以准确控制该二维梳形致动器200的运动。

参考图7，其绘示依据本发明实施例中沿着图2A的C-C’剖面线的具有强化结构的二维梳形致动器200的剖视图。上述的第一实施例至第四实施例中，该可移动体206的上表面还包括一强化结构224，用以加强该可移动体206旋转时的强度。该强化结构224与该导电层218高度相同，是于同一制程步骤中蚀刻而成。该可移动体206的下表面还包括一反射层226，以增加该可移动体206的对于特定波长光线的反射率，其中该反射层226的材质例如是金属或是介电材料涂层。应注意的是，当使用该具有强化结构224的二维梳形致动器200时，该反射层226的表面是面对于入射光线的方向。

参考图2A、图2B、图3A以及图8A-8M，图8A-8M绘示依据本发明的第一实施例中二维梳形致动器200的制造方法的流程剖视图。该制造流程包括下列步骤：

在图8A中，沉积第一罩幕层于一绝缘层上覆硅(SOI)晶圆上，并定义第一图案800a，其中该绝缘层上覆硅(SOI)晶圆依序具有堆栈的基材202a、绝缘层202b以及元件层202c。

在图8B中，依据该第一图案800a，蚀刻该元件层202c至曝露出该绝缘层202b，以形成一沟渠220，之后移除该第一罩幕层。

在图8C中，沉积一氧化硅层804于该元件层202c上并填满该沟渠220。

在图8D中，移除位于该元件层202c上的该氧化硅层804。

在图8E中，沉积一导电层218，以覆盖该元件层202c。该导电层218的材质例如是多晶硅或是金属，在一实施例中，利用沉积法形成该多晶硅以及利用电镀法或是溅镀形成该金属，其中该导电层218的厚度介于5μm至100μm之间，或是任意的厚度大小。

在图8F中，沉积第二罩幕层于该导电层218上，并定义第二图案800b。

在图8G中，依据该第二图案800b，蚀刻该导电层218以曝露该元件层202c以及该沟渠220，之后移除该第二罩幕层。

在图8H中，沉积第三罩幕层于该导电层218以及该元件层202c上，并定义第三图案800c。

在图8I中，并参考图2B以及图3A，依据该第三图案800c，依序蚀刻该导电层218以及该元件层202c，以于该导电层218上形成至少一梳形电极，并于该元件层202c上形成至少一梳形电极、该框架204以及该可移动体206；蚀刻之后移除该第三罩幕层。在一实施例中，使用非等向蚀刻法蚀刻该导电层218以及该元件层202c。具体来说，本发明的二维致动器200的制造方法是利用同一第三罩幕层的第三图案800c由上向下蚀刻该导电层218以及该元件层202c，依序形成该导电层218的梳形电极，该元件层202c的梳形电极及该支承基座202、该框架204以及该可移动体206，直至曝露绝缘层202b，以作为蚀刻停止层。由于上述的各个梳形电极利用同一罩幕层图案蚀刻产生，故能解决现有技术中致动器的上、下层梳形电极之间必须对准的问题。并且进一步解决现有技术中使用等向性蚀刻导致使图1B所示该元件层110不当的横向过切(lateral undercut)的问题。

在图8J中，沉积第四罩幕层于该基材202a上，并定义第四图案800d。

在图8K中，依据该第四图案800d，蚀刻该基材202a至曝露出该绝缘层202b，之后移除该第四罩幕层。

在图8L中，移除该绝缘层上覆硅(SOI)晶圆的绝缘层202b，使该框架204以及该可移动体206可分别绕着第一旋转轴210a以及第二旋转轴210b作转动，以形成该二维梳形致动器200。

在图8M中，沉积金属层于该元件层202c上，以形成反射层226及若干电极接触垫(222a、222b)。

参考图2A以及图9A-9O，图9A-9O绘示依据本发明的第二实施例中二维梳形致动器200的制造方法的流程剖视图。该制造流程包括下列步骤：

在图9A中，沉积第一罩幕层于绝缘层上覆硅(SOI)晶圆上，并定义第一图案800a，其中该绝缘层上覆硅(SOI)晶圆依序具有堆栈的基材202a、绝缘层202b以及元件层202c。

在图9B中，依据该第一图案800a，蚀刻该元件层202c至曝露出该绝缘层202b，以形成沟渠220，之后移除该第一罩幕层。

在图9C中，形成一氧化硅层804于该沟渠220的侧壁以及该元件层202c上。

在图9D中，沉积第二罩幕层于该氧化硅层804上，并定义第二图案800b。

在图9E中，依据该第二图案800b，蚀刻该氧化硅层804至曝露出该元件层202c，并且在蚀刻之后移除该第二罩幕层。

在图9F中，沉积一导电层218于该元件层202c上，并且填满该沟渠220。该导电层218的材质例如是多晶硅或是金属，在一实施例中，利用沉积法形成该多晶硅以及利用电镀法或是溅镀形成该金属。

在图9G中，研磨该导电层218至一预定厚度，较佳实施例中，该导电层218的预定厚度介于5μm至100μm之间，或是任意的厚度大小。

在图9H中，沉积第三罩幕层于该导电层218上，并定义第三图案800c。

在图9I中，依据该第三图案800c，蚀刻该导电层218至曝露出该元件层202c，并且在蚀刻之后移除该第三罩幕层。

在图9J中，沉积第四罩幕层于该导电层218以及该元件层202c上，并定义第四图案800d。

在图9K中，依据该第四图案800d，依序蚀刻该导电层218以及该元件层202c，以于该导电层218上形成梳形电极，并于该元件层202c上形成梳形电极、该框架204以及该可移动体206；并且在蚀刻之后移除该第四罩幕层，在一实施例中，是使用非等向蚀刻法蚀刻该导电层218以及该元件层202c。具体来说，本发明的二维致动器200的制造方法是利用同一第四罩幕层的第四图案800d由上向下蚀刻该导电层218以及该元件层202c，依序形成该导电层218的梳形电极，该元件层202c的梳形电极及该支承基座202、该框架204以及该可移动体206，直至曝露该绝缘层202b，以作为蚀刻停止层。由于上述的各个梳形电极利用同一罩幕层图案蚀刻产生，故能解决现有技术中致动器的上、下层梳形电极之间必须对准的问题。并且进一步解决现有技术中使用等向性蚀刻导致如图1B所示该元件层110产生不当的横向过切(lateral undercut)的问题。

在图9L中，沉积第五罩幕层于该基材202a上，并定义第五图案800e。

在图9M中，依据该第五图案800e，蚀刻该基材202a至曝露出该绝缘层202b，之后移除该第五罩幕层。

在图9N中，移除该绝缘层上覆硅(SOI)晶圆的该绝缘层202b，使该框架204以及该可移动体206可分别绕着第一旋转轴210a以及第二旋转轴210b作转动，以形成该二维梳形致动器200。

在图9O中，沉积一金属层于该元件层202c上，以形成反射层226及若干电极接触垫(222a、222b)。

综上所述，本发明提供一种二维梳形致动器及其制造方法，利用导电层设置于该第一梳形电极、该内部梳形电极及该外部梳形电极以及该第二梳形电极，以提高该二维梳形致动器的旋转角度；本发明的二维梳形致动器通过施加不同型式的电位差，使得二维梳形致动器频率使用范围较大；另外，本发明的二维梳形致动器还利用导电层增加扭力，以解决致动器启动困难的问题；并且解决该致动器的上、下层梳形电极之间对准的问题。

Claims (30)

1.一种二维梳形致动器，其特征在于：该二维梳形致动器包括：一支承基座、一框架以及一可移动体，其中该支承基座设置两组第一梳形电极，该框架依附于支承基座，用以绕着一第一旋转轴作转动，该框架具有两组内部梳形电极以及两组外部梳形电极，其中该两组外部梳形电极分别叉合于该两组第一梳形电极，该可移动体依附于框架，用以绕着垂直于该第一旋转轴的一第二旋转轴作转动，该可移动体具有两组第二梳形电极，分别叉合于该两组内部梳形电极，其中该支承基座还包括依序堆栈的一基材、一绝缘层以及一元件层，其中该两组内部梳形电极、该两组外部梳形电极以及该两组第二梳形电极设置于 该元件层，以及一导电层设置于该两组第一梳形电极、该两组内部梳形电极、该两组外部梳形电极以及该两组第二梳形电极的至少其中一组梳形电极上，且该导电层高于该元件层，使该两组第二梳形电极中的其中之一的厚度与相对应叉合的该两组内部梳形电极的厚度不相等，该两组外部梳形电极中的其中之一的厚度与相对应叉合该两组第一梳形电极的厚度不相等。 

2.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组第二梳形电极分别设置于该第二旋转轴的相异两侧。 

3.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组第二梳形电极与该两组内部梳形电极之间具有一固定电位差，以使该可移动体绕着该第二旋转轴作单向转动。 

4.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组第二梳形电极与该两组内部梳形电极之间具有一交流变动电位差，以使该可移动体绕着该第二旋转轴作双向往复震荡运动。 

5.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组第一梳形电极设置于该元件层，并位于该第一旋转轴的相异两侧。 

6.如权利要求5所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组外部梳形电极与相对应叉合的该两组第一梳形电极之间具有至少一固定电位差，以使该框架相对于该第一旋转轴作单向转动。 

7.如权利要求5所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组外部梳形电极与相对应叉合的该两组第一梳形电极之间具有至少一交流变动电位差，以使该框架相对于该第一旋转轴作双向往复震荡运动。 

8.如权利要求5所述的二维梳形致动器，其特征在于：该支承基座更包含两组第三梳形电极设置于该基材，该两组第三梳形电极分别叉合于该两组外部梳形电极。 

9.如权利要求8所述的二维梳形致动器，其特征在于：设置该导电层的该两组外部梳形电极与相对应叉合的该两组第三梳形电极之间具有至少一第一固定电位差，以使该框架绕着该第一旋转轴作单向转动，当该导电层的上表面的边缘高度转动至与该基材及该绝缘层交界面相同水平高度时，该框架处于一最大旋转角度，该两组外部梳形电极与相对应叉合的该两组第一梳形电极之间具有至少一第二固定电位差，以使该框架绕着该第一旋转轴由该最大旋转角度反转。 

10.如权利要求8所述的二维梳形致动器，其特征在于：设置该导电层的该两组外部梳形电极与相对应叉合的该两组第一梳形电极及该两组第三梳形电极之间具有至少一交流变动电位差，以使该框架绕着该第一旋转轴作双向往复震荡运动。 

11.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组第一梳形电极设置于该基材，并位于该第一旋转轴的相异两侧。 

12.如权利要求11所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组外部梳形电极位于该两组第一梳形电极的上方，且设置该导电层的该两组外部梳形电极的高度高于该元件层。 

13.如权利要求11所述的二维梳形致动器，其特征在于：当设置该导电层的该两组外部梳形电极与相对应叉合的该两组第一梳形电极之间具有至少一固定电位差，以使该框架绕着该第一旋转轴作单向转动，当该导电层的上表面的边缘高度转动至与该基材及该绝缘层交界面相同水平高度时，该框架处于一最大旋转角度。 

14.如权利要求11所述的二维梳形致动器，其特征在于：当设置该导电层的该两组外部梳形电极与相对应叉合的该两组第一梳形电极之间具有至少一交流变动电位差，该框架绕着该第一旋转轴作双向往复震荡运动。 

15.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组第一梳形电极分别设置于该第一旋转轴的相异两侧。 

16.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组第二梳形电极分别设置于该第二旋转轴的相异两侧。 

17.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组第二梳形电极与该两组内部梳形电极之间具有一固定电位差，以使该可移动体绕着该第二旋转轴作单向转动。 

18.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组第二梳形电极与该两组内部梳形电极之间具有一交流变动电位差，以使该可移动体绕着该第二旋转轴作双向往复震荡运动。 

19.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组外部梳形电极与相对应叉合的该两组第一梳形电极之间具有至少一固定电位差，以使该框架绕着该第一旋转轴作单向转动。 

20.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：该两组外部梳形电极与相对应叉合的该两组第一梳形电极之间具有至少一交流变动电位差，以使该框架绕着该第一旋转轴作双向往复震荡运动。 

21.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：更包含一强化 结构，位于该可移动体的上表面。 

22.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：更包含一反射层，位于该可移动体的下表面。 

23.如权利要求1所述的二维梳形致动器，其特征在于：更包含若干电极接触垫，位于该支承基座上。 

24.一种二维梳形致动器的制造方法，其特征在于：该制造方法至少包括下列步骤： 

(a)沉积一第一罩幕层于一绝缘层上覆硅晶圆上，以定义一第一图案，其中该绝缘层上覆硅晶圆依序具有一基材、一绝缘层以及一元件层； 

(b)依据该第一图案蚀刻该元件层至该绝缘层，以形成一沟渠，并且在蚀刻之后移除该第一罩幕层； 

(c)沉积一氧化硅层于该元件层上并填满该沟渠； 

(d)移除位于该元件层上的该氧化硅层； 

(e)沉积一导电层，以覆盖该元件层； 

(f)沉积一第二罩幕层于该导电层上，以定义一第二图案； 

(g)依据该第二图案，蚀刻该导电层至曝露该元件层，并且移除该第二罩幕层； 

(h)沉积一第三罩幕层于该导电层以及该元件层上，以定义一第三图案； 

(i)依据该第三图案，蚀刻该导电层以及该元件层以形成至少一梳形电极，一框架以及一可移动体，并且在蚀刻后移除该第三罩幕层； 

(j)沉积一第四罩幕层于该基材上，以定义一第四图案； 

(k)依据该第四图案，蚀刻该基材至曝露出该绝缘层，并且移除该第四罩幕层；以及 

(l)蚀刻该绝缘层而形成该二维梳形致动器。 

25.如权利要求24所述的制造方法，其特征在于：在步骤(i)中，是使用 非等向性蚀刻法蚀刻该导电层以及该元件层。 

26.如权利要求24所述的制造方法，其特征在于：在步骤(l)之后，还包括步骤：(l1)沉积一金属层于该元件层上，以形成一反射层以及若干电极接触垫。 

27.一种二维梳形致动器的制造方法，其特征在于：该制造方法至少包括下列步骤： 

(a)沉积一第一罩幕层于一绝缘层上覆硅晶圆上，以定义一第一图案，其中该绝缘层上覆硅晶圆依序具有一基材、一绝缘层以及一元件层； 

(b)依据该第一图案蚀刻该元件层至该绝缘层，以形成一沟渠，并且移除该第一罩幕层； 

(c)形成一氧化硅薄膜层于该沟渠的侧壁以及该元件层上； 

(d)沉积一第二罩幕层于该氧化硅薄膜层上，以定义一第二图案； 

(e)依据该第二图案，蚀刻该氧化硅薄膜层至曝露出该元件层，并且在蚀刻之后移除该第二罩幕层； 

(f)沉积一导电层于该元件层上，并且填满该沟渠； 

(g)沉积一第三罩幕层于该导电层上，以定义一第三图案； 

(h)依据该第三图案，蚀刻该导电层至该元件层，并且在蚀刻之后移除该第三罩幕层； 

(i)沉积一第四罩幕层于该导电层以及该元件层上，以定义一第四图案； 

(j)依据该第四图案，蚀刻该导电层以及该元件层至该绝缘层，并且在蚀刻之后移除该第四罩幕层； 

(k)沉积一第五罩幕层于该基材上，以定义一第五图案； 

(l)依据该第五图案，蚀刻该基材至曝露出该绝缘层；以及 

(m)蚀刻该绝缘层而形成该二维梳形致动器。 

28.如权利要求27所述的制造方法，其特征在于：在步骤(j)中，是使用 非等向性蚀刻法蚀刻该导电层以及该元件层。 

29.如权利要求27所述的制造方法，其特征在于：在步骤(f)之后，还包括步骤(f1)：研磨该导电层至5μm至100μm之间。 

30.如权利要求27所述的制造方法，其特征在于：在步骤(m)之后，还包括步骤 (m1)：沉积一金属层于该元件层上，以形成一反射层以及若干电极接触垫。 

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