TW200925104A - MEMS scanning micromirror manufacturing method - Google Patents

Description

200925104 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本揭示案之技術領域為微機電系統（MEMS)，特定言之 為MEMS掃描微鏡之製造方法。 本申請案主張2007年10月5曰申請之美國臨時申請案第 - 60/977,717號之優先權。20〇7年10月5曰申請之美國臨時案 第60/977,721號（申請人檔案號第PH009138號）及2007年1〇 月5日申請之美國臨時案第60/977,713號（申請人檔案號第

A W PH009046號）為相關申請案。 【先前技術】 已開發MEMS掃描微鏡以供顯示視覺資訊之用。MEMS 掃描微鏡在一個或兩個維度上振盪且自鏡面反射雷射或其 他光束。改變鏡面上光束入射之角度及時間在屏幕或其他 表面（諸如二維顯示基質）上產生視覺圖像。使用不同數目 之MEMS掃描微鏡及雷射以產生具有不同細節及顏色之圖 Q 像。MEMS掃描微鏡之例示性用途為汽車應用之抬頭顯示 器、可穿戴顯示器、投影顯示器、行動電話及手提式顯示 器及條形碼掃描器。 現代之MEMS掃描微鏡包括與框架藉由兩個共線抗扭樑 連接之鏡面板，該等樑產生一掃描軸，該鏡面板圍繞該掃 描軸旋轉。抗扭樑支撐鏡面板且在旋轉期間提供所需抗扭 剛度。抗扭樑為鏡面板與框架之間的僅有連接點且決定 MEMS掃描微鏡之共振頻率。脏⑽掃描微鏡亦包括驅動 器以圍繞掃描軸在不與鏡面板實體接觸的情況下以電磁學 134266.doc 200925104 或電學方式向鏡面板施加扭矩。驅動器通常以共振頻率驅 動鏡面板。MEMS掃描微鏡由單晶矽或多晶矽材料使用光 微影製成。 製造中由於MEMS掃描微鏡僅由絕緣體上石夕（soi)晶圓之 頂部矽層形成而發生問題。用於成像應用之MEMS微鏡通 常具有較大之厚度（對於1-1.5 mm微鏡直徑為80-120 μηι)以 ' 減小微鏡動態變形。MEMS掃描微鏡之組件係藉由自s〇i ❹ 晶圓之頂面進行蝕刻製程（諸如深反應離子蝕刻（DRIE))來 形成。由於MEMS掃描微鏡由SOI晶圓之單面形成，故蝕 刻必須穿過SOI晶圓頂部矽層的整個厚度進行以同時形成 相對不精確之裝置輪廓及具有嚴格尺寸之組件。此使得對 於整個#刻過程需要較高精度且導致蝕刻過程時間較長， 增加了製造成本。自一面經整個裝置厚度蝕刻亦在垂直壁 中產生不良表面品質且在操作期間垂直壁暴露於高應力水 準時增加裂痕擴展之風險’如在抗扭樑懸掛微鏡中。經 O s〇i晶圓頂層之整個厚度製造微鏡裝置亦需要不同組遮罩 以達成不同MEMS掃描微鏡之不同共振頻率，因為動態特 徵主要由其組件之寬度控制。 僅自SOI晶圓之頂部石夕層形成MEMS掃描微鏡之另一個 問題為需要為使用對準梳之致動器提供起動電極。致動器 提供扭矩以驅動MEMS掃描微鏡之振盪。圖1A_1C分別為 MEMS掃描微鏡之對準梳致動器、角形梳致動器及交錯梳 致動器的側視圖。梳致動器使用大量交錯之框架梳及鏡 梳。MEMS掃描微鏡之起動扭矩係藉由在框架梳26與鏡梳 134266.doc 200925104 28之間施加電位差達成’框架梳26與鏡梳28在角形梳致動 器22及交錯梳致動器24中不對準。對準梳致動器2〇在框架 梳26與鏡梳28之間不具有垂直不對準，因此必須向框架梳 26施加起動電極29以在框架梳26與鏡梳28之間建立電位差 及驅動力。由於梳驅動之拉動功能’對於對準梳驅動電 極’可僅在一半振盈循環期間施加驅動扭矩。具有對準梳 ' 驅動器之MEMS掃描微鏡通常藉由各向異性背部濕式蝕刻 e 繼而自S〇1晶圓之頂面DRIE來製備。一般而言，製造對準 電極比製造角形或父錯梳驅動電極容易，但起動電極之需 要為製造增加了時間及成本。 需要具有克服以上缺點之MEMS掃描微鏡製造方法。 【發明内容】 本發明之一態樣提供一種製造具有一懸臂樑之一 Mems 掃描微鏡之方法，其包括提供一絕緣體上矽（s〇I)晶圓， 該絕緣體上矽晶圓具有一第一矽層、一第二矽層及—在該 Ο 第一矽層與該第二矽層之間的絕緣層，該第一矽層之厚度 為該懸臂樑之最終厚度；及自該第一矽層形成該懸臂樑同 時維持該懸臂樑之最終厚度。 • 本發明之另一態樣提供一種製造MEMS掃描微鏡之方 法，其包括提供一絕緣體上矽（S0I)晶圓，該晶圓具有一 第一矽層、一第二矽層及一在該第一矽層與該第二矽層之 間的絕緣層；及在該S0I晶圓中蝕刻一對準梳致動器，該 對準梳致動器具有交錯之鏡梳及框架梳。該等鏡梳之第一 電部分及框架梳之第一電部分係處於該第一矽層中，且該 134266.doc 200925104 #鏡梳之第二電部分及框架梳之第二電部分係處於第二石夕 層中。 本發明之另—態樣提供一種製造MEMS掃描微鏡之方 法，其包括提供一絕緣體上矽（SOI)晶圓，該晶圓具有一 第夕層、一第二矽層及一在該第一矽層與該第二矽層之 間的絕緣層；在該s〇I晶圓中蝕刻一鏡體該鏡體具有一 旋轉轴’丨中具有平行於該旋轉轴之一第一延伸桿及一第 二延伸桿；在該SOI晶圓中蝕刻一框架，該框架具有一具 有-凹槽if緣之鏡凹肖，該框架在該凹槽冑緣上沿該旋轉 轴具有f 一對立框架桿及一第二對立框架桿；在該 圓中餘亥j帛一懸臂樑’該第一懸臂樑係垂直於該旋轉 軸固定於該第一對立框架桿上且與該第一延伸桿之一第一 末端輕聯；在該SOI晶圓中钱刻—第二懸臂標，該第二懸 臂樑係垂直於該旋轉軸固定於該第一對立框架桿上且與該 第一延伸#之一第一末端耦聯；在該s〇i晶圓中蝕刻一第 三懸臂樑，該第三懸臂樑係垂直於該旋轉抽固定於該第二 對立框架桿上且與該第-延伸桿之一第二末端麵聯’ ·在該 S〇1晶圓中蝕刻一第四懸臂樑，”四懸臂樑係垂直於該 旋轉轴固定於該第二對立框架桿上且與該第二延伸桿之一 第二末端麵f在該S0Ia%81十敍刻一第一垂直支轉樑， 該第一垂直支撑樑係在該第一框架對立桿與該鏡體之間沿 該旋轉轴連接，·且在該則晶圓中餘刻_第二垂直支律 該第二垂直支挣樑係在該第二對立框架桿與該鏡體之 間沿該旋轉軸連接。 134266.doc -9- 200925104 【實施方式】 本發明之以上及其他特徵及優點將由結合隨附圖式瞭解 之本發明較佳實施例的以下詳細描述變得更明顯。該等詳 細描述及圖式僅對本發明進行說明而非限制本發明之範 疇，本發明之範疇係由隨附申請專利範圍及其等效物進行 . 界定。 . 圖2A-2B分別為本發明之河£厘8掃描微鏡之俯視圖及側

❹ 視圖，其中相同元件具有相同參考數字。圖2B為沿圖2 A 之A-A截面之截面，其中鏡體關於旋轉軸傾斜。河£1^8掃 描微鏡使用一對與鏡體在其外部拐角耦聯之懸臂樑總成以 關於旋轉軸設定抗扭剛度《一對垂直支撐樑在旋轉軸處垂 直地支撐該鏡體，但對抗扭剛度具有可忽略之作用，以使 鏡體之固有頻率大體上由懸臂樑總成決定。該固有頻率大 體上獨立於s玄垂直支樓樑。如本文中所定義之固有頻率為 鏡體圍繞其旋轉軸之無阻尼頻率。對於平面外搖擺及垂直 〇 模式共振頻率而言，垂直支撐樑界定該相應模式之剛度。 抗扭剛度可自平面外搖擺及垂直模式剛度去耦聯以使平面 外搖擺及垂直模式頻率可設為所需值（諸如較高值）而不影 • 響抗扭模式剛度及共振頻率。如本文中所定義，γ軸與旋 轉轴並排’當鏡靜止時X軸在鏡平面上垂直於γ轴，且當 鏡靜止時Z軸垂直於鏡平面且在鏡平面之外。 MEMS掃也被鏡30包括一鏡體50、一框架60、懸臂樑總 成70及垂直支撐樑40〇該鏡體50具有一在一鏡支撐件54上 之鏡52及延伸桿56。在一實施例中，該鏡52係在該鏡支撐 134266.doc •10- 200925104 件54上形成。在另一實施例中，鏡52與鏡支撐件54連接。 鏡體50可為正方形、矩形、圓形、搞圓形或特定應用所需 之任何其他平面形狀。鏡之面部界定鏡支撐件54之鏡平 面。熟習此項技術者應瞭解鏡52及鏡支撐件54之形狀為獨 立的且可為特定應用所需之任何形狀，例如圓形、橢圓、 正方形、矩形或視需要其他形狀❶延伸桿56平行於鏡體 • 之旋轉軸58，其為MEMS掃描微鏡30之旋轉轴。鏡體50係 安置於框架60之一鏡凹槽62内。 ❹ 框架60形成具有一凹槽邊緣64之鏡凹槽62。對立之框架 桿66係沿旋轉軸58定位於凹槽邊緣64上且為懸臂樑總成7〇 及垂直支撐樑40提供連接點。 懸臂樑總成70包括垂直於旋轉轴58固定於對立框架桿66 上之懸臂樑72。懸臂樑總成70圍繞旋轉軸58向微鏡體50提 供抗扭剛度。懸臂樑72亦與鏡體50之延伸桿56之末端以可 撓性連桿74可撓性或適應性地耦聯《該等可撓性連桿74圍 〇 繞其平行於旋轉轴58之軸（圍繞Y轴）具有低抗扭剛度且垂 直於旋轉軸58(X軸）具有降低之剛度，此使得鏡體5〇可圍 繞垂直支撐樑40相對於旋轉軸58旋轉。鏡體50與遠離旋轉 . 軸58之四個點之連接減少鏡體50之動態變形。鏡圍繞γ轴 .之旋轉的抗扭剛度係由懸臂樑72之長度、寬度及最重要之 厚度及懸臂樑總成70中懸臂樑72對之可撓性連桿74之間的 距離界定。在垂直支撐樑40及可撓性連桿74之X轴方向上 之組合剛度防止鏡體50在操作期間垂直於旋轉轴58(沿X轴 方向）移動。關於可撓性連桿74之更多細節在下文關於圖 134266.doc 11 200925104 12提供。 垂直支撐樑40在對立框架桿66與鏡體50之間沿旋轉軸58 連接以在框架60中支撐微鏡體50。在一實施例中，垂直支 撐樑40具有垂直於旋轉軸58之窄矩形截面，其中矩形之長 軸垂直於鏡52及鏡體50之面部，且矩形之短軸平行於鏡52 ' 之面部。MEMS掃描微鏡30之抗扭剛度由懸臂樑總成70提 - 供，因此垂直支撐樑40僅為支撐鏡體50所需且對抗扭剛度 ©具有可忽略之影響。垂直支撐樑40之抗扭剛度為儘可能低 以使微鏡體圍繞垂直支撐樑40關於旋轉轴58之搖擺運動之 抗扭剛度受制於懸臂樑72之剛度。垂直支撐樑40經定尺寸 以使針對鏡體50之垂直位移及針對其垂直於旋轉軸58(圍 繞X軸）之搖擺運動之剛度儘可能高。 MEM S掃描微鏡30亦可包括致動器80以提供驅動鏡體50 圍繞旋轉轴58之扭矩。在一實施例中，致動器80包括與延 伸桿56連接之鏡梳82 ’該等鏡梳82與連接於框架60之框架 ❹ 梳84交錯。在交錯之鏡梳82與框架梳84之間施加電位差在 鏡梳82與框架梳84之間產生驅動力，該驅動力在鏡體5〇上 產生圍繞旋轉軸58之扭矩*可施加振盪電位以按MEMS掃 - 描微鏡30之固有頻率驅動MEMS掃描微鏡30。其他例示性 .致動方法包括電磁致動及壓電致動器。在電磁致動中，使 微鏡”浸入"磁場中，且穿過導電路徑之交變電流圍繞旋轉 軸58產生所需振盪扭矩。壓電致動器可整合於懸臂樑中或 懸臂樑可由壓電材料製成以回應電信號產生交變樑彎曲力 且產生所需振盪扭矩。 134266.doc 200925104 ❹ MEMS掃描微鏡30可由單晶矽或多晶矽材料使用光微影 及DRIE技術製造。囷3A為本發明之描微鏡之梳齒 之詳細透視圖，其中相同元件具有與圓2相同參考數字。 鏡梳82之梳齒1〇〇與框架梳84之梳齒n〇交錯。在一實施例 中，MEMS掃描微鏡可由具有一上部矽層及一下部矽層以 及介於該上部矽層與該下部矽層之間的一絕緣層之絕緣體 上石夕（soi)晶圓製造。在―實施例中，鏡梳82及框架梳料 可經製造以使絕緣層平行於鏡將梳隔開，在該等梳齒之每 -者中產生電學上分離之上部電部分及下部電部分。鏡梳 82之梳齒1〇〇包括由絕緣層1〇6分隔之第一電部分扨2及第 二電部分:104。框架梳84之梳齒11〇包括由絕緣層116分隔 之第-電部分112及第二電部分114。在鏡㈣中之上部電 部分與框架梳84中之下部電部分之間施加電位差（或反之 亦然）可用於在鏡梳82與框架梳84對準且鏡體5〇靜止時在 鏡梳82與框架梳84之間產生初始驅動力。將梳齒分隔成兩 (頂部及底部)部分使得可藉由在對立層之間轉換而歷時每 振盈循環超過一半振盡週期之持續時間施加驅動電位（及 最終扭矩，視梳齒幾何尺寸而定）。在一實施例中，懸臂 樑總成可在絕緣體上石夕晶圓之上部石夕層中製造且可使鏡梳 82之頂部第一電部分1〇2產生電位。在另一實施例中，垂 直支揮樑可在絕緣體上石夕晶圓之下部石夕層中製造且可使鏡 梳82之底部第二電部分104產生電位。 圖B 3E說明鏡梳82之作用。參看，鏡正在振盈， 其中鏡梳齒遠離框架齒且向其運動。1〇2及ι〇4與地面電位 134266.doc •13- 200925104 連接。自梳齒之最大振幅至對準位置向112及114施加驅動 電位。 參看圓3C，鏡沿順時針方向振盪，此時梳齒處於對準位 置。傳統單塊梳齒之驅動循環在此處停止。若在對準之梳 齒位置時頂部及底部電部件中不存在梳齒分開，則必須將 _ 驅動電位關掉。對於本發明之分開之梳齒而言：在102(接 • 地）與114之間施加電位直至102與114變得對準，因此在其 ❹ 他條件相等之情況下分開之梳齒每一振盪循環注入更多能 量。 參看圓3D，鏡正在振盪。當分開之梳齒之對立層1〇2與 114處於對準位置時（無扭矩產生），必須關掉其間之驅動電 位。 參看圖3D，鏡在極限（囷3B)位置處振盪。對於沿相反方 向紅轉’驅動電位以囷4B_4D所給之次序之"鏡像次序"轉 換： ❹ 1. 102、1 04接地且112、114施加驅動電位； 2. 在104(接地）與112之間施加驅動電位 3. 關掉驅動電位。 . 圖4A_4B為本發明之MEMS掃描微鏡之其他實施例之俯 I見圖’其中相同元件互相且與圓2具有相同參考數字。在 該等實施例中，可撓性麵聯於懸臂襟總成之懸臂標與鏡體 之間的板片彈簧可用於針對平面内干㈣緊MEMS掃描微 鏡之鏡體且增加平面内滑動及鏡懸掛件之旋轉剛度。板片 彈簧將微鏡體與懸臂樑總成有彈性地耦聯。 134266.doc -14· 200925104 板片彈簧可視特定應用需要沿懸臂樑定位。參看闽4A， 板片彈簧9G可撓性麵聯於懸f樑總成觀懸臂樑？！與鏡體 5〇之間：在該實例中’板片彈簧9〇靠近垂直支撐樑4〇及對 立♦匚架# 66 |看jg 4B，板#彈簧％可撓性辆聯於懸臂標 總成70之懸臂樑72與鏡體5〇之間。在該實例中，板片彈箸 • 90靠近可撓性連桿74。 囷5A 5C為本發明之MEMS掃描微鏡之板片彈簧沿圖4A ❹ 之截面Β韻詳細截面圖，其中相同元件互相且與圖4具有 相同參考數字。板片彈簧9〇具有不同形狀以提供不同剛 度。參看圓5Α、5Β及5C，板片彈簧90分別為[形、ν形及 平板形。板片彈箐90可相對於鏡（沿ζ方向）以與垂直支撐 樑40大致相同之尚度安置。在一實施例中，L形板片彈簧 中L之下部支腳與旋轉軸58處於相同高度。在一實施例 中，v形板片彈簧中v之下部尖端與旋轉軸58處於相同高 度。在一實施例中，平板形板片彈簧與旋轉軸58處於相同 ❹ 高度。 圖6A-6B為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之截面 圖，其中相同元件互相且與囷2A-2B具有相同參考數字。 . 囷6A-6B分別為圖2A沿截面A-A及B-B之視圖。MEMS掃描 .微鏡之組件之垂直位置經排列以使一些組件處於第一石夕層 中，一些處於第二矽層中，且一些處於第一矽層與第二矽 層中，其中絕緣層水平隔開彼等元件。 參看圖6A_6B，藉由虛線來說明形成MEMS掃描微鏡之 絕緣體上矽（SOI)晶圓200。SOI晶圓200包括一第一石夕層 134266.doc •15· 200925104 202、一第二矽層206及該第一矽層202與該第二矽層2〇6之 間的一絕緣層204。第一矽層202與第二矽層206彼此藉由 絕緣層204(諸如隱埋氧化物（B0X)層）電絕緣，因此第一石夕 層202中所形成之組件與第二矽層206中所形成之組件電絕 緣。致動器80為對準之梳致動器。 • 在該實例中，懸臂樑72在第一矽層202中形成；垂直支 撐樑40及對立框架桿66在第二矽層206中形成；且形成延 ❹ 伸桿56、框架60及致動器80，其中部分在第一矽層2〇2及 第二矽層206中。鏡梳82與框架梳84各具有第一及第二電 部分，因此在鏡梳82中之上部電部分與框架梳84中之下部 電部分之間施加電位差（或反之亦然）可用於當鏡梳82與框 架梳84對準且鏡體50靜止時在鏡梳82與框架梳84之間產生 初始驅動力。將底部空腔208蝕刻至第二矽層206以減少用 於較高頻率應用之鏡體50之質量及質量慣性矩。 在第一矽層202與第二矽層206之間組件之隔離可用於使 ❹ 不同層之不同組件產生電位。舉例而言，第一石夕層202中 所形成之懸臂樑72可經電連接以使鏡梳82之上部電部分產 生電位。在另一實例中，第二矽層206中所形成之垂直支 - 撐樑40可經電連接以使鏡梳82之下部電部分產生電位。 _ 熟習此項技術者應瞭解第一矽層202及/或第二矽層206 中組件之位置可視特定應用之需要選擇。舉例而言，垂直 支撐樑40可位於第一矽層202或第二矽層206中。

囷7A-7B為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之蝕刻水 平面之載面圖，其中相同元件互相且與圓2A-2B及6A-6B 134266.doc 16 200925104 具有相同參考數字。MEMS掃描微鏡之組件係藉由蝕刻方 法（諸如深反應離子蝕刻（DRIE))來形成。藉由虛線來說明 形成MEMS掃描微鏡之絕緣體上矽（SOI)晶圓200。該等水 平面可以兩個頂部DRIE蝕刻遮罩及三個底部DRIE蝕刻遮 罩實現。 SOI晶圓200之第一矽層202在懸臂樑72處之厚度在蝕刻 期間不變化，因此SOI晶圓200之第一矽層202之厚度決定 懸臂樑72之最終厚度。SOI晶圓200之第一矽層202可成型 為懸臂樑72之最終厚度，隨後自SOI晶圓200形成MEMS掃 描微鏡。SOI晶圓200之第一矽層202可藉由機械加工、蝕 刻、生長及拋光或其類似方法來形成以達成精確且均一之 最終厚度。第一矽層202之形成解決SOI晶圓200之第一矽 層202之不確定性以提供具有所需均一厚度之懸臂樑72， 提供操作中所需之效能特徵。介於〇·3-〇·5 μηι範圍内之厚 度、精度及均一性合乎需要且其可藉由在SOI晶圓接合之 後磨削及拋光達成。 SOI晶圓200底面之蝕刻水平面如下： B0-SOI晶圓200之底部，底部蝕刻之起始水平面； B1-MEMS掃描微鏡結構之底部，包括框架60及對立框 架桿66 ; B2-界定鏡梳82及框架梳84之梳驅動齒之高度的水平面 及垂直支撐樑40之底部水平面；及 B3-鏡面、懸臂樑72之底面及底部框架梳114之絕緣溝槽 下方之底部空腔208之水平面，其中絕緣層204為該水平面 134266.doc 200925104 之餘刻播板（Stop)。 SOI晶圓200頂面之蝕刻水平面如下： T1-作為該水平面之蝕刻擋板的絕緣層2〇4，用於界定 MEMS掃為微鏡結構（包括懸臂72、可撓性連桿及絕緣溝 槽210)之頂面輪廓； T2-自SOI晶圓200之頂面達到之絕緣層2〇4之底部水平 面，其經氧化蝕刻以移除絕緣層2〇4以在鏡梳82及框架梳 84及垂直支撐樑4〇之box層下方形成梳驅動齒部件1〇4及 114 ； T3-鏡梳82及框架梳84之梳驅動齒底部及垂直支撐樑4〇 之絕緣層204下方之水平面；及 TO-SOI晶圓200上表面之水平面，其維持在s〇i晶圓2〇〇 之初始水平面且將反射A1層沈積於其上以形成MEMS掃描 微鏡之反射表面。 圖8-11說明形成MEMS掃描微鏡之步驟，其中相同元件 互相且與囷7具有相同參考數字。囷8-11之左邊部分說明 形成對準之梳致動器，中心部分說明形成鏡支撐件，且右 邊部分說明形成垂直支撐樑。該等圖並非按比例說明或其 中組件並非相對於彼此位於實際位置進行說明，而僅說明 MEMS掃描微鏡之組件之相對垂直水平面之形成。 圖8為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之遮罩圖案之 截面圖。將該等遮罩應用於SOI晶圓200之頂面及底面。遮 罩包括梳驅動齒處之鋁遮罩220、低溫氧化物（LT0)二氧化 石夕遮罩222、鋁層遮罩224及抗蝕劑遮罩226。熟習此項技 134266.doc -18- 200925104 術者應瞭解遮罩之特定材料可經選擇以供所應用之特定蝕 刻方法之用。在一實施例中，蝕刻方法為深反應離子蝕刻 (DRIE)。 圓9A-9C為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之底面蝕 刻順序之截面圖。 . 參看囷9A，在經沈積抗蝕劑遮罩226位於底部的情況下 執行第一蝕刻步驟，其界定如圖7所示之水平面B3之輪 ❹ 廓。該蝕刻步驟之深度經時間控制以移除等於如圖7所示 水平面B3與B2之深度之間的差值之材料。 參看闽9B，在第一蝕刻步驟之後去除抗蝕劑遮罩226以 暴露該圖案以在具有鋁層遮罩224的情況下進行第二蝕刻 步驟。第二姓刻步驟之深度等於如囷7所示扪與32水平面 之兩度之間的差值。 參看圓9B’在進行第三蝕刻步驟之前移除鋁層遮罩 224 ’且LTO二氧化矽遮罩222界定如圖7所示之水平面B1 ❹ 之輪廓。 底部#刻之後’第一飯刻深度達到絕緣層204，該絕緣 層204充當如囷7所示之水平面B3之蝕刻擋板。第二蝕刻深 度達到如圖7所示之水平面B2處的梳驅動齒底部水平面及 垂直支撐樑底部水平面。第三蝕刻深度停止於如圖7所示 之水平面B1處之MEMS掃描微鏡底面。絕緣層204決定水 平面B3之高度’但水平面⑴及们受侵蝕時間控制。 圓10A-10D為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之頂面 触刻順序之截面圖。在底部蝕刻期間將S〇i晶圓2〇〇之頂面 134266.doc 19 200925104 以抗蝕劑遮罩226完全保護，將該抗蝕劑遮罩226移除以開 始頂部蝕刻。 參看圖10A ’將新抗蝕劑遮罩226在鏡52上方之晶圓頂部 圖案化。在具有鋁層遮罩22〇、224的情況下繼續第一蝕刻 步驟直至钮刻深度達到如圖7所示之水平面τ丨處之絕緣層 204。參看圖10B ’第一蝕刻步驟在絕緣層2〇4上形成梳齒 230 〇

參看圓10C ’第二餘刻步驟為氧化物反應離子蝕刻 (RIE)，其用於移除梳齒23〇及其他區域處暴露之絕緣層 204以達到如圓7所示之水平面T2。氧化物RIE亦移除s〇I 晶圓200頂部之LTO二氧化矽遮罩222以達到如圖7所示之 水平面T0。 參看囷10D ’第三蝕刻步驟為在具有鋁層遮罩22〇、224 的情況下進行之梳齒203及所有其他暴露區域的drie，其 視啟始第三蝕刻步驟時之水平面而定達到如圖7所示之水 ❹ 平面T1或T3。 圖11A-11B為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之修整 (finish)順序之截面圖。參看圖11A，已移除鋁層遮罩 • 220、224，但在抗蝕劑遮罩226下者除外，其中保留鏡52 之反射鋁層。參看圖11B，已移除所有遮罩且已釋放 MEMS掃描微鏡之結構。熟習此項技術者應瞭解，當鋁遮 罩不合乎需要時’雙重厚度抗蝕劑遮罩、雙重厚度氧化物 遮罩或其他非金屬遮罩材料可替代鋁層遮罩220、224與氧 化物遮罩及抗蝕劑遮罩組合使用。 134266.doc •20- 200925104 圖12A-12E為本發明之MEMS掃描微鏡之鏡體的可撓性 連桿之詳細俯視圖。在圓12A中，可撓性連桿74為與懸臂 樑在兩端連接及與延伸桿在中間連接之高縱橫比撓曲部 件。1 mm微鏡裝置之典型尺寸為：寬度2 5_4 μηι，長度 60-80 μπι，高度與懸臂樑之厚度相同。連接點處之寬度為 . 約10 在圓12Β中，可撓性連桿74包括允許小的X轴平 • 移之其他撓曲元件。在圓12C-12D中，可撓性連桿74允許 ❹ 沿X軸方向之較大變形同時保持垂直方向上之高抗彎剛度 及針對微鏡之平面内旋轉之高剛度。可撓性連桿長度增加 以減小由沿X轴方向平移引起之應力。在圈12C中，在與 懸臂樑相同之層中製造可撓性連桿，因此該撓曲部件之剛 度受懸臂之厚度限制。在圖；12D中，可撓性連桿74沿垂直 方向及針對Υ·Ζ平面内之彎曲具有增加之剛度，此係藉由 在塊狀單晶矽材料中在絕緣層下方製造具有增加高度之可 撓性連桿74達成。在該情況下，需要作為電連接之其他結 〇 構向可移動梳齒之頂部提供電位。在囷12Ε中，可撓性連 桿74為連接延伸桿及懸臂樑之L形可撓性連桿（以45度旋 轉）。 圓13為說明本發明之MEMS掃描微鏡之鏡體尺寸之詳細 透視圖。在一例示性實施例中，懸臂樑之尺寸為： 懸臂樑長度lb=420 μηι 懸臂樑寬度wb=100 μιη 懸臂樑厚度tb=17.5 μηι 對立懸掛點之間的距離a=950 μηι。 134266.doc 200925104 在一例示性實施例中，垂直支撐樑之尺寸為： 垂直支撐樑寬度wvs=6.2 μηι 垂直支揮標尚度hvs=36 μηι 垂直支撐樑長度1vs=62 μηι 〇 在另一例示性實施例中，提供連桿沿X軸方向之為 • 1.25Χ103 N/m之組合剛度的垂直支撐樑的尺寸為： 垂直支撐樑寬度Wvs=6.2 μηι _ 垂直支樓樑南度hvs=3 6 μηι ❹ 垂直支轉樑長度lvs=62 μηι。 垂直樑沿X軸方向之組合剛度為l_0xl04 N/m。樑剛度控 制水平滑動固有頻率。連桿及懸臂樑沿γ軸方向之剛度界 定平面内旋轉模式共振頻率。 微鏡掃描儀之振盪頻率取決於懸掛件之抗扭剛度及其圍 繞傾斜軸之質量慣性矩。由懸臂樑抗彎剛度提供之抗扭剛 度控制微鏡之基諧模式共振頻率。對於小振盪角而言，該 Q 剛度可見於下式：

對於1 mm微鏡而言，由懸臂樑提供之抗扭剛度為 2.3xl0·4 Nm/rad。 具有以上所給尺寸之垂直支撐樑之抗扭剛度為46χΐ〇_6 Nm/rad，其50倍小於由懸臂樑抗扭剛度所傳遞之抗扭剛 度。垂直支撐樑影響小於1%之該丨mm微鏡設計之18 7 基諧模式共振頻率。質量慣性矩為約kg" ^ 134266.doc •22· 200925104 ’’且〇抗扭剛度為約】x丨0·6 Nm/rad之可撓性連桿對微鏡 基諧模式頻率之增加的作用甚至更小。 在相同°又。十中，懸臂樑向平面外振盪模式提供約1 .1 x 1 03 N/m之抗f剛度’而垂直支樓樑之剛度為6」川5亀。 懸臂樑控制微鏡之抗扭剛度4直支義控制平面外振 盪模式之剛度，其對圖像品質具有較大影響。以較大可撓 陧界疋基β自模式及高次共振頻率之可能性使得易於設計較 佳°〇質之掃描系統。FEM模擬展示組合懸掛件具有防止寄 生模式振盪（如垂直及平面外搖擺）之優點，此係藉由將其 共振頻率與抗扭樑懸掛微鏡相比增加至較高值來達成。 下表展示兩個抗扭樑懸掛微鏡及具有組合懸掛件之微鏡 (具有相同微鏡尺寸；類似傾斜剛度、質量慣性矩、懸掛 凡件中之應力及表面變形）的經優化幾何結構之模擬社 果： 、… 頻率kHz 基諧模式 垂直模式 平面外 具有矩形形狀之抗扭 _ 樑懸掛微鏡 _ 18.6 93 230 具有圓形形狀之抗扭樑 _懸掛微鏡 18.7 84 245 具有組合懸掛件之 微鏡 18.7 144 255 圓14為本發明之一實施例中之皮可光束器（piC〇beamer) 微鏡之俯視圖。裝置致動之電連接位於晶圓處理層及微鏡 30之底部、可移動梳齒之上半部分m、定子梳齒之上半 部分118及定子梳齒之下半部分119。保留微鏡如之一區域 作為自由不動產（free real estate)"121。在操作顯示器期 間’可在晶圓處理層及微鏡3〇之底部施加電位V〇，在可移 動梳齒之上半部分117施加vi，在定子梳齒之上半部分118 134266.doc -23- 200925104 施加V2且在定子梳齒之下半部分119施加V3。所用驅動電 4 了（例如）·在振盈期間發射接地之V〇，以正方形脈衝驅 動V2。在穩態振盪期間，V〇=Vl =接地且V2=V3。圍繞微 鏡之裝置層使得控制電子設備可整合。 圓15為本發明之一實施例中之晶圓層及驅動電位施加點 之詳細截面圖。皮可光束器微鏡具有一矽頂部/裝置層231 及一矽底部/處理層232。該矽頂部/裝置層231具有鋁接合 0 墊及電線接合件233及穿過隱埋氧化物（BOX)層236延伸至 矽底部/處理層232之通道234、235。該皮可光束器微鏡具 有"T移動梳齒237及固定梳齒238及垂直支撐標239。V0、 V1、V2及V3如所示施加。所用驅動電位可（例如）：在振 盪期間發射接地之V0，以正方形脈衝驅動V2。在穩態振 盪期間，V0=V1=接地且V2=V3。 圓16為本發明之一實施例之皮可光束器微鏡之鏡體的可 撓性連桿之透視圖。在第二矽層206中製造可撓性連桿 φ 74。向連桿74及電部分102提供其他電連接240。 雖然目刖遇為本文中所揭示之本發明之實施例為較佳， 但可在不悖離本發明之範疇的情況下進行各種變化及修 . 改。本發明之範疇在隨附申請專利範圍中指明，且屬於等 效物之含義及範圍内之所有變化係包涵於其中。 【圖式簡單說明】 圖1A-1C分別為MEMS掃描微鏡之對準梳致動器、角形 梳致動器及交錯梳致動器的側視圖； 圖2A-2B分別為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之俯 134266.doc •24· 200925104 視圖及截面視圖； 圖3 A-E為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之梳齒之詳 圖； 圖4A-4B為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之其他實 施例之俯視圖； • 圖5A-5C為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之板片彈 簧之詳細截面圖； 圖6A-6B為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之截面 © 圖· 園， 圖7A-7B為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之蝕刻水 平面之截面圖； 圖8為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之遮罩圖案之 截面圖； 圖9A-9C為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之底面蝕 刻順序之截面圖； ❹ 圖10A-10D為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之頂面 蝕刻順序之截面圖；且 圖ΠA-11B為根據本發明製造之MEMS掃描微鏡之修整 . 順序之截面圖； 圖12A-12E為根據本發明之MEMS掃描微鏡之鏡體的可 撓性連桿之詳細俯視圖；且 圖13為說明根據本發明之MEMS掃描微鏡之鏡體尺寸之 詳細透視圖； 圖14為本發明之一實施例中之皮可光束器微鏡之俯視 134266.doc •25- 200925104 圖’其展示裝置致動之電連接； 圖1 5為本發明之一實施例中之晶圓層及驅動電位施加點 之詳細戴面圖； 圖16為本發明之一實施例之皮可光束器微鏡之鏡體的可 撓性連桿之透視圖。 【主要元件符號說明】

20 對準梳致動器 22 角形梳致動器 24 交錯梳致動器 26 框架梳 28 鏡梳 29 起動電極 30 MEMS掃描微鏡/微鏡 40 垂直支撐樑 50 鏡體 52 鏡 54 鏡支撐件 56 延伸桿 58 旋轉軸 60 框架 62 鏡凹槽 64 凹槽邊緣 66 框架桿 70 懸臂樑總成 134266.doc -26_ 200925104

72 懸臂樑/懸臂 74 連桿 80 致動器 82 鏡梳 84 框架梳 90 板片彈簧 100 鏡梳8 2之梳齒 102 第一電部分 104 第二電部分 106 絕緣層 110 框架梳84之梳齒 112 第一電部分 114 第二電部分 116 絕緣層 117 可移動梳齒之上半部分 118 定子梳齒之上半部分 119 定子梳齒之下半部分 121 自由不動產 200 絕緣體上矽晶圓/SOI晶 202 第一 夕層 204 絕緣層 206 第二矽層 208 底部空腔 210 絕緣溝槽 134266.doc -27- 220200925104 222

❹ 224 226 230 231 232 233 234 、 235 236 237 238 239 a BO B1 I呂遮罩/紹層遮罩 低溫氧化物二氧化梦遮罩/LT〇二 氧化矽遮罩 鋁層遮罩 抗#劑遮罩 梳齒 矽頂部/裝置層 矽底部/處理層 鋁接合墊及電線接合件 通道 隱埋氧化物（BOX)層 可移動梳齒 固定梳齒 B2 B3 垂直支撐樑 對立懸掛點之間的距離 SOI晶圓200之底部，底部蝕刻之 起始水平面 MEMS掃描微鏡結構之底部，包 括框架60及對立框架桿66 界定鏡梳82及框架梳84之梳驅動齒 之尚度的水平面及垂直支撐樑4〇之 底部水平面 鏡面、懸臂樑72之底面及底部框架 梳114之絕緣溝槽下方之底部空腔 134266.doc -28 - 200925104 hvs lb 1 vs

- TO ❹ T1 T2 ❹ T3 tb VO、VI、V2、V3 208之水平面，其中絕緣層2〇4為該 水平面之蝕刻擋板 垂直支撐樑高度 懸臂樑長度 垂直支撐樑長度 SOI晶圓200上表面之水平面，其 保持SOI晶圓200之初始水平面且 將反射A1層沈積於其上以形成 MEMS掃描微鏡之反射表面 作為該水平面之蝕刻擋板的絕緣 層204，用於界定MEMS掃描微鏡 結構（包括懸臂72、可撓性連桿74 及絕緣溝槽210)之頂面輪靡 自SOI晶圓200之頂面達到之絕緣 層204之底部水平面，其經氧化触 刻以移除絕緣層204以在鏡梳82及 框架梳84及垂直支撐樑4〇之box 層下方形成梳驅動齒部件1 04及 114 鏡梳82及框架梳84之梳驅動齒底部 及垂直支撑樑4 0之絕緣層下方之水 平面 懸臂樑厚度 電位 134266.doc -29- 200925104

Wb 懸臂樑寬度 Wvs 垂直支撐樑寬度 ❹ 〇 134266.doc -30-

Claims (1)

1. 200925104 十、申請專利範圍： 1. 一種製造一具有一懸臂樑之MEMS掃描微鏡之方法，其 ❹ 包含： 提供一絕緣體上矽（SOI)晶圓200，該絕緣體上矽晶圓 200具有一第一矽層202、一第二矽層206及一在該第一 矽層202與該第二矽層206之間的絕緣層204，該第一矽 層202之厚度為該懸臂樑72之最終厚度； 自該第一矽層202形成該懸臂樑72，同時維持該懸臂 樑之該最終厚度。 2. 如請求項1之方法，其中該提供係包含將該第一矽層202 機械加工至該最終厚度。 3. 如請求項1之方法，其中該提供係包含將該第一矽層202 蝕刻至該最終厚度。 4. 如請求項1之方法，其中該提供係包含使該第一矽層202 生長至該最終厚度。 ❹5 如請求項1之方法，其中該生長係包含使該第一矽層202 生長至一初始厚度及將該第一矽層202自該初始厚度機 械加工至該最終厚度。 6. 一種製造一MEMS掃描微鏡之方法，其包含： 提供一絕緣體上矽（SOI)晶圓200，該絕緣體上矽晶圓 200具有一第一矽層202、一第二矽層206及一在該第一 矽層202與該第二矽層206之間的絕緣層204 ;及 在該SOI晶圓200中蝕刻一對準梳致動器，該對準梳致 動器具有交錯之鏡梳82及框架梳84 ; 134266.doc 200925104 其中該等鏡梳82之第一電部分i〇2及該等框架梳84之 第一電部分112係處於該第一矽層202中，且該等鏡梳82 之第二電部分1〇4及該等框架梳84之第二電部分114係處 於該第二矽層206中。 7.如請求項6之方法，其進一步包含在該第一矽層2〇2中蝕 ' 刻懸臂樑72，該等懸臂樑72係與該等鏡梳82之該等第一 - 電部分102電連接。 ❹ 8.如請求項6之方法，其進一步包含在該第二矽層2〇6中蝕 刻垂直支撐樑40，該等垂直支撐樑40係與該等鏡梳82之 該等第二電部分1〇4電連接。 9· 一種製造一 MEMS掃描微鏡之方法，其包含： 提供一絕緣體上矽（SOI)晶圓200，該絕緣體上矽晶圓 2〇〇具有一第一矽層202、一第二矽層206及一在該第一 矽層202與該第二矽層206之間的絕緣層204 ; 在該SOI晶圓200中钱刻一鏡體50，該鏡體50具有一旋 Q 轉軸以及平行於該旋轉軸58之一第一延伸桿56及一第 二延伸桿56 ; 在該SOI晶圓200中姓刻一框架60，該框架60具有一具 . 有一凹槽邊緣64之鏡凹槽62，該框架60在該凹槽邊緣64 上沿該旋轉軸58具有一第一對立框架桿66及一第二對立 框架桿66 ; 在該SOI晶圓200中蝕刻一第一懸臂樑72，該第—懸臂 樑72係垂直於該旋轉軸58固定於該第一對立框架桿“上 且與該第一延伸桿56之一第一末端耦聯； 134266.doc 200925104 在該SOI晶圓200中蝕刻一第二懸臂樑72，該第二懸臂 樑72係垂直於該旋轉軸58固定於該第—對立框架桿“上 且與該第二延伸桿56之一第一末端耦聯； 在該SOI晶圓200中蝕刻一第三懸臂樑72，該第三懸臂 樑72係垂直於該旋轉軸58固定於該第二對立框架桿％上 ' 且與該第一延伸桿56之一第二末端耦聯； ' 在該801晶圓200中蝕刻一第四懸臂樑72，該第四懸臂 ❹ 樑72係垂直於該旋轉軸58固定於該第二對立框架桿66上 且與第二延伸桿56之一第二末端耦聯； 在該SOI晶圓200中蝕刻一第一垂直支撐樑4〇，該第一 垂直支撑樑40係在該第一框架對立桿與該鏡體％之間 沿該旋轉軸58連接；及 在該SOI晶圓200中蝕刻一第二垂直支撐樑4〇，該第二 垂直支撐樑40係在該第二對立框架桿μ與該鏡體go之間 沿該旋轉轴58連接。 G i〇.如請求項9之方法，其中該提供係包含提供一絕緣體上 石夕（SOI)晶圓200 ’該絕緣體上矽晶圓200具有一第一石夕層 202，該第一石夕層202具有該第一懸臂樑72之最終厚度， 及在該SOI晶圓200中蝕刻一第一懸臂樑72，包含在該 SOI晶圓200之該第一矽層202中蝕刻一第一懸臂樑72及 維持該第一懸臂樑72之該最終厚度。 1 1.如請求項9之方法，其進一步包含在該s〇I晶圓2〇〇中蝕 刻一致動器80，該致動器80係與該鏡體5〇可操作性連接 以圍繞該旋轉軸58提供扭矩。 134266.doc 200925104 12. 如請求項11之方法，其中該致動器80包含： 一與該第一延伸桿56連接之第一鏡梳82 ; 一與該第二延伸桿56連接之第二鏡梳82 ;及 與該框架60連接之一第一框架梳84及一第二框架梳 84 ； 其中該第一鏡梳82之梳齒與該第一框架梳84之梳齒交 錯’且該第二鏡梳82之梳齒與該第二框架梳84之梳齒交 錯0 13. 如睛求項12之方法’其中該第一鏡梳82具有一在該第一 矽層202中之第一電部分102及一在該第二石夕層2〇6中之 第二電部分104 ’該第一電部分102與該第二電部分1〇4 由該絕緣層204分隔。 ❹ 134266.doc -4-