TW200827287A - Method for fabricating micro scratch drive actuator having low driving voltage using silicon substrate with ultra-low resistance - Google Patents
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Description
200827287 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種以超低阻值矽基板製作低驅動電壓微 抓舉式致動器的方法,其係運用於類似半導體製程技術的面型 微加工技術(Surface Micromechaning Technology),具有批次 製作、低成本與積體化特性,以解決傳統IC技術缺點。 【先前技術】 近年來全球所發展之微型風扇(Micro Fan)是運用微機 電糸統(Micro electromechanical Systems ; MEMS)的技術製 作兀件,如附件一所示,其尺寸大約只有2 _χ2 _ ;再配 石參看附件二所示’微型風扇的結構包含二個部份,其一是以 自我組裝技術(Self-assembly)製作微風扇葉片,其二是以微 抓舉式致動器(Scratch Drive Actuator ; SDA)作為轉子所組 成的微型馬達(MicroMotor),且微型馬達的詳細製作步驟是 採用MEMSCAP公司所開發之多使用者製程 (Multi-User MEMS Processes ; MUMPs ) 〇 微抓舉式致動器在應用上相當廣泛,作動方式也很多,國 際期刊上已有多人發表過關於微抓舉式致動器的研究,例如: Junqi Zhu等人首先提出的微抓舉式致動器概念,係由多 晶矽組成其主要結構,致動原理是利用垂直方向的靜電力使致 動平板(Plate)以及軸襯(Bushing)摩擦底面絕緣層而產生 5 200827287 水平致動力,獨賴抓舉歧_ 致動器或步進式旋轉馬達。 式可以組成直線式 步行進距離 T_bu㈣咖#人岭錢麵轉极動 私t度與輸入電壓頻率關係、輪入電壓峰值與每 、 關係以及軸平板長度舆每—步妓轉 致,於-捷性桿件’利用擾性桿件的换曲(二;
物咖㈣,輕·__輪出 P. Langlet等人以微抓舉式致動器 1下為%精密定位平台的 驅動器,並將此平台應用於光纖麵合 7疋位,經由實驗結果得 到不同的致鮮板幾何雜對微抓舉式致動器良率的影響。 麻等人好個瓶的微鱗歧動器轉殊結合技術 (-ding) ϋ跋賴基材上戰_,喊微抓舉式致動 器輸送帶。
Yamato Fukuta 以重塑形技術(Reshaping tedm〇i〇gy)將 微抓舉式致動ϋ作為三維結構的自她裝(Sdf_assembi㈣) 裝置。
Lm等人以導執將電壓導入微抓舉式致動器,並使其推動 隹平σ、反射鏡面以及微Fresnel透鏡,組成自由空間 (Free-space)微光學實驗桌。
Ryan J· Linderman等人將188個微抓舉式致動器組成陣列 200827287 亚稭由特辆合勘(BGading)輕欲__,再以微 鍊子導人龍;另—方面將微抓舉式致細車mx Flip chip 定於陶究板上,並以實驗來驗證理論推導所得 到之最佳致動平板長度。 組成直徑 ,可應用 1 E· Kladitis將微抓舉式致動器以圓形排列, 520㈣的旋轉馬達’並將石夕葉片立起固定於該馬達上
於推動微流體。 1目月ij為止’所有文獻均無法精準量測出微抓舉式致動哭 戶f能触的力量與位移、可運作的壽命與模態以及操作電_ _範圍由於而要整合多項祕度的關鍵技術,推論其原因 2對微抓料致脑的躲尚雜完全#握,分析射能變 (一)適當的電極層和絕緣層不容易製作; (-)尺寸設計尚未達到最佳化,包括深寬比、b_的 形狀以及孔洞大小···等等; (三)驅動電壓下降; e上述每-項變因都足以影響整個微抓舉式致動器性能,改 變任何-個參數龍個製程喊合都是峨,開發完整的製程 整合步驟來進行理論與實驗最佳化,是目前微抓舉式致動器最 難突破的槪頸。 如第一圖所示,為微抓舉式致動器的動作原理,當致動平 200827287 板⑽與軸襯(11)有電容式的結構形成時,可在致動平板 (ίο)上剌靜$力’當—個具週期性的靜電力外加於致動平 板、(10)上時’會造成致解板(1G)在基板⑽上形成步 進運動如圖中⑻(c)⑷所示,即描述當外加方波在致 動平板(10)與基板(12)之間的步進動作; 當外加-個正偏壓時,致動平板(10)因為靜電力而被基 板⑼吸引,但是致動平板⑽前方具有轴概⑻,使 其整個平板區域並不會完全吸附在絕緣層(insuIator)⑴)上, ^时有電荷暫存於致動平板⑽上,進而造成該致動平板 (10)具有彈性張力; ^下_’此彈性張力立鴨放,而使得致動平板 原來的純’且在釋放時,由於軸襯(11卜 直與、、、巴緣層(13)接觸,合洋a 前進· · €生摩擦力讓整個致動平板(10) 再外加一個負偏壓時, 吸附而產生重複_作,使^板GW也會被基板⑽ 連續動作。 吏致動平板⑽在絕緣層⑼上 成的位移,且該&值不獅 可疋義成外加電壓所造 的旦奋 不僅與電壓振幅有關域致動 的長度和她⑻高度有關。 動千板⑽ 200827287 【發明内容】 所以,驅動電壓是微抓舉式致動器致動的關鍵,在考量成 ^、製程積體化以及製程複雜程度之下,有鑑於此,本發明爱 提供-_超恤鮮基域作低轉微抓舉式致動器 的方法以克服機台極限,並利用低成本的製程步驟達到高出 力與低驅動電壓目的。 傳統的微抓舉式致_纽—般阻財基板(龜⑽) 作為下電極,驅動賴大約在70〜120V的範圍,除了下電極 的石夕基板材料會影響鶴龍之外,她的高度、寬 結構層多晶石夕的厚度也會參塑. 心专,因此’本發明是利用超低阻值 土反.001〜0.004acm)作為下電極材料,並改 式致動糾縣參賴婦树賊小敎 將购 電壓降低到5〜25Vw。 糾將《動 所以本發日_對微鶴叙她 【實施方式】 本發明係_ -歡超低阻_ 抓舉式致糊枝,其細超低_ 2=電壓微 穩定的_频方一 完整且 牛八双動裔的驅動電壓, 9 200827287 並控制轴襯寬度不超過1·5μπι,以下即配合圖式詳細說明本發 明之創新製程: 如第二圖所示,其至少包含有超低阻值矽基板(2〇)、絕 緣層(21)、主結構層(30)以及上、下電極(41,42); 為了防止黏滯效應(sticing effect)產生,本發明特別在 主結構層(30)下方製作微型突點(Dimple) (31)以防止黏 滯,詳細的製作流程如第三圖所示: (a) 以低壓化學氣相沈積法(LPCVD)於一超低阻值矽基 板(20)上沈積低應力氮化石夕薄膜(处凡)作為絕緣 層(21),並於第一道微影製程之後,以電感耦合式電 漿蝕刻機(ICP)蝕刻絕緣層(21),以裸露出超低阻 值矽基板(20)之下電極預定位置(25); (b) 以電漿輔助化學氣相沈積法(pECVD)於絕緣層(2〇) 上沈積鱗石夕玻璃薄膜(PSG-0)作為第一層低應力犠牲 層(22) ’並以第二這微影製程,在第一層低應力犠牲 層(22)上以電感|馬合式電漿钱刻機(icp)餘刻同時 定義出錨(anchor)、微型突點(dimple)預定位置(23 ) 以及軸襯(bushing)三個圖案; (c) 以電漿輔助化學氣相沈積法(pEcVD)於第一層低應 力犠牲層(22)上沈積磷矽玻璃薄膜(^&丨)作為第 二層低應力犠牲層(24),沉積第二層低應力犠牲層 200827287 (24)的主要目的是要修正軸襯寬度,因為曝光機台 的、、泉見最小解析度為2啤,但是配合元件必須要有最 小線寬為1.5叫,因此利用這一道步驟來縮小機台所 沒有辦法達到的最小線寬極限; ⑷第—逼微衫製程,以電餘合式電魏刻機(ICP)钱 刻定義出錯和下電極狱位置(25)的圖案; ⑷""低壓化學氣相沈積法(LPCVD)於g二層低應力犠 牲層(24)上沉積低應力彡晶$細⑽yA)做為 一構層(30 )’並將晶片置入水平爐管進行碟擴散及 尚溫退火製程; ⑴細道微影製程,以電感麵合式電漿鍅刻機(ICP)餘 刻疋ά出主結構層(3〇)的圖案; (g) =书子束蒸錢機蒸鑛鉻/金,並於第五道微影製程,以 ‘、钱刻定我出上電極(41)與下電極⑷)圖案; (h) 將疋件置於緩衝氫氟酸(廳)中進行濕式侧’並 亥 Ο ^、一 一低應力犠牲層(22,24)以釋放主結構 層(30)〇 如附件二所^",細射械電子顯纖(seanningElectron
Micr_pe;SEM)所__轉姐魅元件結構製作完 、曰 可以看_放之後的元㈣浮結構,ID為使用低 應力結構層,使元件的平整性相當良好,不 11 200827287 會產生因為薄膜應力不匹配造成元件失效的情形。 防所7^,本㈣讀鱗歧_元件經動態特性 測权吏’發現其貼底電壓(snap她age)與挽曲電壓(Ρ V—呈現線性關係,並且與國外模擬之預測結果相符,盘 國際知名研發11隊雌擬的結果纽趨勢相同,但是样明之 微抓舉式致動器元件的驅動電_顯較國際上現有的微抓舉 式致動器元件低很多。 再配合芬看附件五所示,若針對本發明所設計的多種不同 致動平板職與驅___進行探討,麟結果發現·· 虽致動平板為三角形(Triangle)時,其驅動電屋約比矩 形平板的驅動電壓高卜2乂,但是三角形平板具有比較不會因 為累積電荷而縮短壽命之重要優點,同時三角形平板也具有較 短的驅動延遲時間;另-方面,矩形平板的尾端若能加入適當 的兹刻孔4,不僅可減少累積電荷,同時也可以降低驅動電 壓。 另參看附件六所示,若比較超低阻值晶片與一般晶片之貼 底電壓,可以很明顯發現: 要降低驅動電壓可以從元件的下電極(基板)材料做修 正本發明在製私整合時,利用兩批不同阻值的基板做為下電 極,經過相同的製程步驟後發現: 低電阻的基板會得到比普通基板降低約 5〜6V的驅動電 12 200827287 壓’此結果與發明人之預測完全符合;未來若再配合上電極金 屬材料之調整,預估可以降低約10V驅動電壓而使其達1〇伏 特以下之電壓準位’這將十分有利於未來微抓舉式致動器運用 於各類量產化產品。 綜上所述,本發明確實已具備以上各項優點,相較於習用 結構亦具有顯著的功效增進,Μ,此特徵糊類產品當 屬首創’符合發明專利要件,爰依法俱文提出巾請。、 發’舉凡應用本 包含在本發明之專利範:所為之等效結構變化’理應
13 200827287 【圖式簡單說明】 第一圖:係微抓舉式致動器外加驅動電壓之步進運動示意圖。 f二圖:係本發9月製成微抓舉式制動器之三維結構圖。 第三圖:係本發明之製程步驟示意圖。 【主要元件符號說明】
(10) 致動平板 (11) 軸襯 (12) 基板 (13) 絶緣層 (20) 超低阻值矽基板 (21) 絶緣層 (22) 第一層低應力犠牲層 【附件】 (23) 微型突圖預定位置 (24) 弟_層低應力犧牲層 (25) 下電極預定位置 (3〇)主結構層 (31)微型突點 (41) 上電極 (42) 下電極
附件- ·以顯電㈣技術所製作之_風扇照片。 附件二:微抓舉式步進旋轉馬達。 附件三:微抓舉式致_元件實作之掃描式電子顯微照片。 附件四:微抓舉式致騎之職與撓曲賴之量測結果。 附件五:微抓舉式致動器之貼底電壓與致動平板形狀關_ 附件六:超低阻值晶片與-般晶片之貼底電壓比較圖。、σ 14
Claims (1)
- 200827287 十、申請專利範圍: 1 · 一種以超低阻值矽基板製作低驅動電壓微抓舉式致動器的 方法,其包含: 於一超低阻值矽基板上沈積一絕緣層,並於第_道微影 製程後蝕刻絕緣層,裸露出超低阻值矽基板之下電極預定位 置; 於絕緣層上沈積第一層低應力犠牲層,並於第二道微影 製程蝕刻定義出錨、微型突點預定位置以及轴襯圖案; 於第一層低應力犠牲層上沈積第二層低應力犠牲層,以 修正軸襯最小線寬達1·5μιη以下; 於第二道微影製程蝕刻定義出錨和下電極預定位置的 圖案; 於第二層低應力犠牲層上沉積主結構層,並置入水平爐 管進行磷擴散及高溫退火製程; 於第四迢微影製程蝕刻定義出主結構層的圖案; 於第五運微影製程蝕刻定義出上電極與下電極圖案; 以>然式姓刻第-、二低應力犠牲層以釋放主結構層。 2.如申料職®们項所述以超低阻财基板製作低驅動 電壓微抓舉式致_的方法,其巾超低_魏板的阻值為 0.001 〜〇·〇〇4Ω-αη) 〇 3·如申請專利範圍第1項所述以超低阻值石夕基板製作低驅動 15 200827287 電壓微^爪舉式致動器的方法,其中絕緣層為彳氏應力氮化矽薄 m (Si3N4)〇 4.如申請專利範圍第i項所述以超低阻值矽基板製作低驅動 電壓微抓舉式致動器的方法,其中第一、二層低應力犧牲層 為磷矽玻璃薄膜(PSG)。 5·如申晴專利範圍第1項所述以超低阻值矽基板製作低驅動 兒壓微^爪舉式致動裔的方法,其中主結構層為低應力多晶矽 薄膜(Poly-Si)。 6·如申請專利ϋ圍第〗項所述以超低阻值矽基板製作低驅動 兒壓微抓舉式致動器的方法,其中上、下電極係以電子束蒸 錢機蒸錄絡/金。 如申印專利範圍第1項所述以超低阻值⑪基板製作低驅動 甩壓彳政抓舉式致動器的方法,其中該方法可運用於微型風扇 馬達之結構組裝。 •如申凊專利fe圍第1項所述以超低阻值矽基板製作低驅動 屯壓微拆^舉式致動器的方法,其中該方法可運用於微散熱模 組之結構組裝。 9·如申请專利範圍第丨項所述以超低阻值石夕基板製作低驅動 a壓微抓舉式致動H的方法’其巾該方法可賴於微出力元 件之結構組裝。 1〇·如申請專利範圍第i項所述以超低阻值石夕基板製作低驅動 16 200827287 電壓微抓舉式致動器的方法 統。 其t該方法可運用於微流道系 11·如申請專利範圍第】項所述以超低阻值石夕基板製作低驅動 電壓微抓舉叙_財法,其憎紋可於微光通訊 開關。2·種以超低阻值石夕基板製作低驅動電壓微抓舉式致動器的 結構,其包含: —超低阻值矽基板; 矣巴緣層,沈積於超低阻值石夕基板之上; 至少一主結構層,沈積於絕緣層之上; 主結構層下方製財至少上之微型魏,猶止黏滯 效應。 以如申請專利範圍第12項所述以超低阻值石夕基板製作低驅動電壓微抓舉式致動H的結構,射超低阻值⑪基板的阻值為 0·001 〜〇.〇〇4il-cm)。 从如申請專利賴第12項所述以超低阻值矽基板製作低驅動 電壓微抓舉式致動器的結構,其中絕緣層為低應力氮化矽薄 膜(Si3N4) 〇 15·如申請專利範圍第12項所述以超低阻值矽基板製作低驅動 電壓微抓舉式致動器的結構,其中主結構層為低應力多晶矽 溥膜(Poly-Si)。 17 200827287 6·如申清專利範圍帛12項所述以超低阻值石夕基板製作低驅動 兒壓微抓舉式致動器的結構,其中該結構可運用於微型風扇 馬達之結構組裝。 17·如申請專利範圍g 12項所述以超低阻值石夕基板製作低驅動 电壓微抓舉式致動器的結構,其中該結構可運用於微散熱模 組之結構組裝。 馨 18·如申請專利範圍第12項所述以超低阻值矽基板製作低驅動 见壓Μ抓舉式致動器的結構,其中該結構可運用於微出力元 件之結構組裝。 19·如申請專利範圍第12項所述以超低阻值矽基板製作低驅動 電壓微抓舉式致動器的結構,其中該結構可運用於微流道系 統。 20·如申請專利範圍第12項所述以超低阻值矽基板製作低驅動 鲁 電壓微抓舉式致動器的結構’其中該結構可運用於微光通訊 開關。 18
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