TWI253436B - Micromechanical actuator with multiple-plane comb electrodes and methods of making - Google Patents

Description

1253436 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種具有複數面梳狀電極之微機電致動 器及其製造方法，其係一種微機電組件，尤指一種水平兼垂 直之梳狀致動器，或一複數面致動器。 【先前技術】 微機電鏡面（MEMS mirror)在光學應用之廣大領域中具 有極大潛力，包括光通訊(optical communication)，共焦 顯微鏡（confocal microscope)、雷射雷達（laser radar )、條碼掃猫（bar code scanning)、雷射列印（iaser printing)及投影顯示（projection display)等；而在一 些光學掃瞒應用如雷射列印（laser printing)及掃瞒投影 顯示（scanning projection display)中，鏡面須達成在 特殊頻率具大光學掃瞄角度，而大光學角度亦是光學解析度 及縮小產品材積之關鍵；而對掃瞄鏡面而言，設計一能產生 大作動力之致動器即深具挑戰性或困難性。目前已有很多不 同型態微機電致動器設計被提出以引導或掃瞄光束作士種運 用；而為達成微型組件在晶片面外的偏斜或移動，已知有設 計一具電極之可動件及一具相反電極之固定件而使可動件寸 藉電力而被驅動，其中··如US6, 5 9 5, 〇55者，揭示一微機電 組件具有擺動體及外框或固定層而位於同一晶片面，電容形 成在擺動體側面及外框層之間，且當電容改變時擺動體藉二 樞軸而在晶片面外擺動，而其結構係藉一絕緣層及一^ 撐並懸置而容許該擺動體能有面外（〇ut-〇f_plane)動 而在”量子電學選題” （Selected T〇pics in Quantum ，

1253436 五、發明說明（2)

Electronics ) 2000年弟6卷第5期之期刊中n Large Deflection Micromechanical Scanning Mirrors for

Laser Scan and Pattern Generation*：大偏斜微機電掃瞄鏡 面為線性掃猫及產生型態）”中述有掃瞄鏡面能在低驅動電壓 及低頻率而大角度掃瞄；然而，活動式梳狀電極位於鏡面周 邊將增加鏡面或致動器之動態變形；而在高速掃瞄運用裝置 上如列印或掃瞄顯示，掃瞄鏡面過多之動態變形將增加反射 光之偏差量及明顯變差之光學解析度；而且可能須要與結構 絕緣之額外電極’藉以干擾結構之對稱性，而能快速啟動鏡 面擺動。更且，該結構只容許其致動器進行類比操作（掃瞄 )而無法進行數位操作（靜止角度定位）。 再如美國專利申請案US2003/0019832「STAGGERED TORSIONAL ELECTROSTATIC COMBDRIVE AND METHOD OF FORMING SAME」，揭示一梳狀驅動之致動器及其製程，而該 致動器具有一固定梳狀牙組（stationary comb teeth assembly) ’ 及一活動梳狀牙組（moving comb teeth a s s e m b 1 y )，而一鏡面及一對扭轉式樞紐則設有活動梳狀牙 組；而在停止狀態時，活動梳狀牙組係全部位於固定梳狀牙 組上方一預先設定之垂直距離處。而致動器能以相對高頻掃 瞄且鏡面動態變形低於Ray 1 e i gh限制。然而，不論是否引用 相對高驅動電壓，其影響光學解析度之光學掃瞄角度卻明顯 小於U S 6，5 9 5，0 5 5者；而其另一設計係藉一額外之固定梳狀 牙組堆疊在原固定梳狀牙組上方，用以作為感應活動與固定 梳狀牙組間之電容及調變可動件之掃猫頻率目的（雖然調頻

ΗII

第8頁 1253436 五、發明說明（3) 方法未述）。而在製程步驟中，其中須要一步驟為開設校正 窗，其係藉蝕刻穿過頂部晶片並抵至絕緣氧化層，再移除氧 化層，以利用位於底部晶片上長片為後續步驟之校正；而若 頂部晶片為減少動態變形目的而設計較厚，則上述步驟會耗 時且因而昂貴。 又如美國專利中請案US2003/0073261 「SELF-ALIGNED VERTICAL COMBDRIVE ACTUATOR AND METHOD OF FABRICATION」，揭示一垂直梳狀驅動致動器，其為增加之 扭轉傾斜而在梳狀牙之間設具有一小間隙，一雙邊式垂直梳 狀驅動致動裔供雙模式活動（dual-mode actuation)，一垂 直活塞及掃瞄，以及上述組件之製程。姑不論所揭示製程步 驟容許嵌入之梳狀牙組自動校正，垂直梳狀驅動致動器須要 高度熟練之技術去姓刻底部梳狀牙及底部載板（s u b s t r a t e ) 上兩倍深矽溝槽之蝕刻。而對雙模式梳狀驅動活動而言，製 程步驟開始於一矽絕緣體（5111(：〇11-〇11一111別131：〇1»)晶片上 裝置層中深石夕溝槽的#刻’再溶接於另一矽晶片，藉Z成為 一複雜之五層結構’《—層絕緣乳化物層及三層石夕層。而且為 形成底部梳狀牙’高度熟練之自動校正蝕刻技術^兩倍深石夕， 溝槽之蝕刻仍是需要的。

【發明内容】 本發明之目的在提供一微機電致動器及其製造方法，該 微機電致動器（MEMS actuator)係由水伞r· 、，丄/ ^ ^ ^ & 十（in —plane )梳狀 電極及一具特定深度腔體之支撐用載板所構成者。

1253436 五、發明說明（4) 本發明之目的在提供一微機電致動器及其製造方法，而 該微機電致動器（MEMS actuator)係由水平（^―pUne)及 垂直梳狀電極所構成，且該垂直梳狀電極係藉以增加致動器 上可動件之驅動力（actuation force)者。 本發明之再一目的在提供一微機電致動器及其製造方法 ，而該致動器（MEMS actuator)係由水平（in — pl/ane)及雙 邊垂直（dual-side vertical )梳狀電極所構成，而該雙邊-垂直梳狀電極係藉以增加致動器上可動件之驅動力 * (actuation force )者。 '

本發明之另一目的在提供一種支撐及從垂直梳狀電極中 引出底部電極（the bottom electrodes of the vertical comb electrodes)的方法 。 本發明之另一目的在提供一種具有内建 bu i 11-i η --π、·，， 丄丄 夕 '虽之扭轉式樞紐（t〇rSi〇nai hinge)，而該内建 $ bu 1 11/ 1 η )電極係用以增加樞紐之有效扭轉剛性，使致童

f中之可動件的共振頻率（res〇nance frequency)能被調身 者0 J 剛性t之2二S的在提供一種減小扭轉式樞紐有效扭轉 f"的方法使致動器中之可動件的共振頻率（resonance frequency )能被調整者。 eSOnance 為讓本發明> p、上 易懂，下文特舉較佳i和其他目#，㈣，和優點能更明顯 下· 平又佳實施例，並配合所附圖，作詳細說明如

第10頁 1253436 五、發明說明（5) 【實施方式】 參閱第1A、1B、1C圖所示，其中，該頂層10如第1A圖所 示，係由一固定件11及一可動件12組成，而固定件11及可動 件1 2皆係以導電材做成，通常是單晶石夕（s i n g 1 e c r y s t a 1 silicon);而可動件12包括梳狀電極13係藉複數扭轉樞紐 (multiple torsional hinge) 14 支撐，並與固定件11 電性 隔離。而固定件1 1設有梳狀電極1 5，該梳狀電極1 5係與可動-. 件1 2之梳狀電極1 3在同一水平面上交叉排列，使頂層形成一 水平梳狀電極驅動致動器（in-plane comb-drive actuator “ )。該中間層2 0如第1 B圖所示，係以非導電材做成，通常是 二氧化石夕（silicon dioxide);底層30如第1C圖所示，包含 一腔體3 1及位在扭轉樞紐1 4 一邊之固定梳狀電極3 2，係以導 電材做成，通常為單晶矽；而底層3 0上之固定梳狀電極3 2係、 與頂層1 0可動件1 2之梳狀電極1 3交叉排列，使可動件1 2與底 層30形成一垂直梳狀電極驅動致動器（vertical comb - drive actuator)。而中間層20及底層30可支撐頂層1〇，且中間層 20可隔離頂層10及底層30 ;而藉上述結構，則製作成型之微 機電致動器1(MEMS actuator ， micro electronic mechanic system actuator)係具有水平及垂直梳狀電極驅動致動器·-(in-plane and vertical comb-drive actuator )之功能 • 又MEMS致動器1中，該頂層10之可動件12通常是接地GND (electrical ground)，而頂層i〇之固定件11連接一電壓源 AC1 ，底層30則連接另一電壓源AC2 ;第3圖即鏡面傾斜（或扭’

第11頁 1253436 五、發明說明（6) 轉）角與使用電壓源AC1、AC2之間的相位及振幅關係圖；而 電壓源A C 1、A C 2之波形可為方形、三角形、正弦曲線 (sinusoidal)、半正弦曲（half- sinusoidal)線、或其 他形狀以符合特殊角速度（angular velocity)之需要。 再參閱第ID、1E、1F圖所示，其係第1A、1B、1C圖所示 MEMS致動器之製程步驟流程圖，其中，第一步驟如第丨D圖所 示，開始先在一晶片4 0 (即底層4 0 )之背面4 1 #刻或製作出 一對準圖案（pattern for alignment)44，而該晶片40 (, 即底層40)可為單晶矽（singie crystal silicon);然後 再利用；木反應離子餘刻（deep reactive ion etching， 籲 DRIE)方式蝕刻該晶片40 (即底層40)之前面42，並使前面 所為之蚀刻型狀43與背面41之對準圖案（pattern for alignment )44权準’第二步驟如第ιέ圖所示，溶接（fusion p bond)上述前、背42、41兩面已蝕刻過之晶片40 (即底層40 . )到另一晶片5 0 (即頂層5 0 )上，該另一晶片5 0 (即頂層5 0 '

)上並塗覆一層二氧化矽層6 〇 (即中間層6 〇 )，並經焊火處 理以增加炫接強度，而熔接完成後之晶片7 〇成為一包括頂層 50、中間層60、底層40之三層結構體，而其頂層5〇可予以研 磨並拋光成所欲厚度及所須之表面品質；第三步驟如第1 F圖 所示，該頂層5 0再利用DR I E方式向下蝕刻到中間層6 〇，並使 頂層5 0所為之蝕刻型狀5 1與背面4 1之對準圖案4 4校準，則只 要再移除與固定件45連結之二氧化矽（中間層6〇)，三層处 構體中之可動件5 2即製作成型。、 曰

第12頁 1253436 五、發明說明（7) · 致動器之另一製程步驟流程圖，其中，如第1 G圖所示，開始 先利用D R I E方式從一附隔緣矽晶片（S Ο I ， silicon-on-insulator wafer ) 80 之背面81 钱安J 至二氧匕石夕 中間層82 ;再如第1 Η圖所示，再從SOI晶片80之前面83蝕刻 至二氧化矽中間層8 2，則只要再移除與固定件8 4連結之二氧 化矽（中間層），三層結構體中之可動件8 5即製作成型。 再參閱第2A〜2D圖及第3圖所示，其係第1圖所示MEMS致動器' 1之動作狀態示意圖，其中，如第2 A圖所示，可動件1 2係接 地GND，而頂層10之固定梳狀電極15及底層30之固定梳狀電· 極32係分別連接交流電源（AC voltage source)之第一及_ 第二（AC1 )電壓源AC1、AC1，使頂層10固定件11及可動件’ 12形成一水平梳狀電極驅動致動器（〖η一piane c〇mb-drive actuator )，而底層30固定件32與頂層1 〇可動件1 2則形成一-垂直梳狀電極驅動致動器（vertical comb-drive actuator )，而可動件1 2可藉水平梳狀驅動致動器之靜電力 (electrostatic force)不平衡或垂直梳狀驅動致動器產生 之靜電吸引力（electrostatic attraction)，相對於扭轉- 樞紐1 4開始擺動；再如第2 A、2 B圖所示，在水平梳狀驅動電 極間之不平衡力可藉由製造裕度或特意設計構造而產生，而，. 垂直梳狀驅動電極間之靜電吸引力（如第2A圖中箭頭所示） 可使可動件1 2以扭轉樞紐1 4為轉轴而轉動至最大傾斜角；再 如第2 B、2 C圖所不，在可動件轉動達到最大傾斜角之後，來 自水平梳狀驅動電極間之靜電吸引力可作用到可動件（如第 2B圖中箭頭所示），使可動件12回復至水平位置；再如第2C ”

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、2D圖所示，當可動件12繼續轉動而達到另—最大傾 來自水平梳狀驅動電極間之靜電吸引力又作用到’ 使可動件12再回復成水平位置，而完成一擺動循環（cycie )° 再參閱第3圖所示，可動件丨2通常係設計以或接近主要 共振頻率來擺動，而可動件丨2之梳狀電極13係接地GND，而 第一電壓源AC1係應用於頂層10固定件n之水平梳狀電極^ ，第一電壓源AC2係應用於底層3〇固定梳狀電極μ ;又第一 電壓源AC1之頻率通常是兩倍於可動件12之擺動頻率，而 二電壓源AC2之頻率通常是相等於可動件12之擺動頻率；而 第 一電壓源AC1、AC2之波形（waveform)可為多種妒 狀，以使可動件達成所欲之角速度（angular VeUci 7 · 而通常當波形為方形時，在電壓源AC1、AC2已仏之振俨下’ ，可以最佳效率驅動可動件12至最大轉角。而如°第4圖^示 ’其係本發明MEMS致動器1之可動件丨2轉動至最大轉角之立 體示意圖。

由上所述，可知本發明MEMS致動器！係結合水平及垂直 梳狀驅動電極之致動器，藉以驅動可動件12以高頻率且大轉 角擺動；更且，位在底層30之腔體31如第1D、π、1F圖所示 ，該腔體3 1深度可適當設計而成為可動件丨2之擋止點，以防 止可動件12之過度擺動傾斜’以避免MEMS致動^之機械損壞 〇 參閱第5 A、5 B、5 C圖所示’其係本發明另一實施例Μ Ε μ s 致動器2之三層結構的上視圖，其中，該頂層9〇如第5Α圖所

1253436 五、發明說明（9) 示’係由一固定件91及一可動件92組成，而固定件91及可動 件92皆係以導電材做成，通常是單晶矽（Singie cr<yStal silicon);而可動件92包括梳狀電極93係藉複數扭轉枢紐 94 (multiple torsional hinge )支撐，並與固定件91 電性 隔離；而固定件9 1設有梳狀電極9 5，該梳狀電極9 5係與可動 件9 2之梳狀電極9 3在同一水平面上交叉，使頂層9 0形成一水 平梳狀電極驅動致動器（in-plane comb-drive actuator) 。該中間層1 0 0如第5B圖所示，係以非導電材做成，通常是 二氧化石夕（silicon dioxide);底層110如第5C圖所示，包 含一腔體1 1 1及固定梳狀電極1 1 2，係以導電材做成，通常為 單晶矽；而底層1 1 0上之固定梳狀電極1 1 2係電性隔離成二對 半部分1 1 2 ’、1 1 2 ” ，並分別位在扭轉樞紐9 4之不同側，而且 底層1 1 0上之固定梳狀電極1 1 2係與頂層9 0可動件9 2之梳狀電 極93交叉，使可動件92與底層110形成一具有雙向驅動功能 (dual-side driving capability)之垂直梳狀電極驅動致 動器（vertical comb - drive actuator)。而中間層100 及底 層110可支撐頂層90，但中間層100可隔離頂層90及底層110 而藉上述結構，則製作成型之微機電致動器（MEMS actuator )2係具有水平及垂直梳狀電極驅動致動器（in-plane and vertical comb-drive actuator )之功能 0 參閱第6A〜6D圖所示，其係第5A〜5C圖所示MEMS致動器 2之製程步驟流程圖，其中，第一步驟如第1 D圖所示，開始 先在一半導體晶片120 (即底層120)之背面121蝕刻或其他 方法製作出對準圖案（pattern for alignment) 124，而該

1253436 五、發明說明（10) 晶片120可為單晶石夕（singie crystal silicon);然後再 利用 DRIE 方式（deep reactive ion etching，深反應離子 蝕刻）蝕刻該晶片1 2 〇之前面1 2 2，並使前面1 2 2之蝕刻型狀 123與背面121之對準圖案124校準；而腔體125尺寸及深度， 及固定垂直梳狀電極126均已製作完成。第二步驟如第6B圖 所示，熔接上述前、背兩面已蝕刻過之晶片1 2 〇到另一晶片 130 (即頂層130)上，該另一晶片130上並塗覆一層二氧化 矽層1 4 0 (即中間層1 4 0 )，並再經綷火處理以增加熔接強 度；而熔接完成後之晶片150成為一三層結構體，而其頂層 130可予以研磨並拋光成所欲厚度及所須之表面品質；第三 步驟如第6C圖所示，於熔接後之晶片1 5 0的背面（即底層1 2 0 之背面1 2 1 )再利用DR I E方式分開成二對半部分1 5 0，、1 5 0 π 而由於底層1 2 0係與頂層1 3 0熔接，故三層結構體可保持 結構安定與完整（intact)。第四步驟如第6D圖所示，該頂 層1 3 0再利用DR I E方式向下蝕刻到中間層1 4 〇，並使頂層1 3 0 之蝕刻型狀1 3 1與背面1 2 1之對準圖案1 2 4校準，則只要再移 除與固定垂直梳狀電極1 2 6連結之二氧化矽（即中間層1 4 0 ) ，三層結構體（即MEMS致動器2)中之可動件132即製作成型 〇 又第5A〜5C圖所示MEMS致動器2亦可利用第1G、1H圖所 示之製程步驟流程圖來製造，首先如第1 G圖所示，開始先利 用DRIE方式從一附隔緣碎晶片（SOI ，silicon - on - insulator wafer) 160之底層的背面161 ，蝕刻至二氧化石夕中間層162， 並將底層分隔成二電性隔絕之部分；而由於底層係與頂層炼

Η

第16頁 1253436 五、發明說明（11) 接，故三層結構體可保持結構安定與完整。然後如第1 Η圖 所示，再從SOI晶片之前面163蝕刻至二氧化矽中間層162， 則只要再移除連結至固定件1 6 4之二氧化矽，三層結構體中 之可動件即製作成型。 再參閱第5D圖所示，其係第5C圖所示底層110之另一實 施例，其中，該底層丨7 〇被電性隔離成二對半部分丨7 〇，、 1 7 0 π ’並藉薄膜沈積材丨7 1而補強，而補強用材須是非導電 材如二氧化矽。而由第5A、5B及5D圖所示頂層90、中間層 100、底層170三層所構成之MEMS致動器，可經由第7A〜7卩僵 所示之製程步驟流程圖而製造成型；而製程步驟7A〜7C相房 於製程步驟6A〜6C，而如第7C圖所示在晶片180之背面181海 餘刻而隔離成二部分182、182，之後，再如第7D圖所示，電 性絕緣材如二氧化矽可利用薄膜製程（thin f丨lm processes)被沈積在背面181及隔離用開口 筹 7E圖所示，另-層材料184(layer〇f mat二乂，：複運 11Λ多晶石Vpolysilicon)，被再沈積在背面181及開^ 之薄膜材可藉研磨或拋光（ H hi ，在月面 上

圖所示，該頂層185再利用RPH)而移除；再如第7F ϋ ^ 185 ^ ^ I·] ^ ^187 i Τ " '，J $，i + fa1^ 186 5 則只要再移除與固定件連結^二氣之對準圖案1 88校準， 構體中之可動件189即製作成型。石中間層）’三層結 再參閱第8圖及第9圖所示，i在哲 之動作狀態示意圖，其中，：：：二5一圖所示隱3致動器 如第8A圖所不，頂層9〇之可動件

第17頁 1253436 五、發明說明（12) 92係接地GND，但頂層90之固定梳狀電極95則連接交流電源 (AC voltage source)之第一電壓源AC1 ;而底層110兩組 隔離固定梳狀電極1 1 2係分別連接交流電源（AC voltage source )之第二電壓源AC2及第三電壓源AC3，而可動件92即 可藉水平梳狀電極93、95間之靜電力（electrostatic force )不平衡’或垂直梳狀電極112之靜電吸引力 (electrostatic attraction)，而相對於扭轉樞紐94開始 擺動；而在水平梳狀驅動致動器中之不平衡力可藉由製造裕 度或特意設計構造而產生。再如第8A〜8B圖所示，來自垂直 梳狀驅動電極間一邊的靜電吸引力（如第8a圖中箭頭所示） 可使可動件92以扭轉樞紐9 4為轉轴而轉動至最大傾斜角；再 如第8B〜8C圖所示，在可動件92轉動達到最大傾斜角之後， ^自水平梳狀驅動電極間之靜電吸引力（如第8 β圖中箭頭所 示）可作用到可動件9 2，使可動件9 2回復至水平位置；再如 第8C〜8D圖所示，來自垂直梳狀電極另一邊之靜電吸引力可 轉動可動件92達到另一最大傾斜角；再如第8D〜8A圖所示， f :動件9 2巧動達到另一最大傾斜角之後，來自水平梳狀驅 極間之靜電吸引力（如第8D圖中箭頭所示）將再作用到 了動,’、使可動件回復至水平位置，而完成一擺動循環 (cycle) ° 么s拉ί f ^ ί 9圖所示，其係第5圖所示MEMS致動器2之鏡面 傾斜角相位鱼你田％ ii f H β^電壓源相位間的關係圖，其中，可動件92 頂屏勤μ 1接近主要共振頻率來擺動，而可動件9 2包括 ^ 電極93係接地GND，而第一電壓源AC1係應用

第18頁 1253436 五、發明說明（13) 於頂層90固定結構中之水平梳狀電極95，第二電壓源Ac2係 應用於底層1 1 0中一組固定梳狀電極丨丨2 (丨丨2，），而第三電 壓源AC3係應用於底層中另一組固定梳狀電極丨丨2 (丨i 2"); 又第一電壓源AC1之頻率通常是兩倍於可動件92之擺動頻率， 而第二電壓源AC2及第二電壓源AC3之頻率通常是相等於可動 件9 2之擺動頻率’但不同相位；而第一、二、三電壓源a c 1， AC2、AC3之波形（waveform)可為多種形狀以使可動件達成、 所欲之角速度（angular veiocity);而通常當波形為方形

時，且電壓源A C 1、A C 2、A C 3在已給之振幅下，則可以最佳 效率驅動可動件至最大轉角。 再參閱第10A圖所示，其係繪示在—MEMS致動器2結構上 形成與其致動器2底層1 1 〇電性連接之方法，其中該㈣…致動 器2 可利用SOI 晶片（silicon-on—insulat〇r wafer ，附隔緣 石夕晶片）成型；其係利用DRIE方式（deep reactive i〇n etching ’深反應離子钱刻）如第1F、1H、⑽或^圖所示， 頂層90蝕刻額外開口190，使露出到中間層1〇〇之通路 (access)，然後在結構成型製程中同時移除在開口19〇區 中之中間層1〇〇電性絕緣材，即可進行接線（如第i〇a圖中 ire-bonding)

w 線：：）；而底層110的電性連接可藉傳統積 電路封裝方法，如沈積一金屬接觸板後再進行接線 再參閱第10B、l〇c圖所示， 結構上形成與其致動器2底層1 1 〇 ，致動器2係藉一導電材層200而 、其係繪示在一MEMS致動器2 電性連接之另一方法，其中 連接至一載板（substrate)

1253436 五、發明說明（14) 201 ，而該導電材層200係分隔成二對半部2〇〇，、2〇〇π以避免 電性橋接（electrical bridging)，而導電材層2〇〇可為導 電膠（paste)、導電薄膜（film)、焊膠（s〇lderpaste) 等；而載板（substrate ) 201係為底層梳狀電極之引出 (fan-out )作業而被定型；而絕緣材料（或介質材）2〇2被 佈設在載板2 01上，藉以隔離載板2〇1上之金屬導體墊2 〇；3。 而引出（fan-out )作業可從載板2〇1上之頂面導體墊2〇3進— 行如第10B圖所示，或從載板201之底面導體墊2〇4藉穿孔2〇5 而連接至頂面導體墊2 0 3。 參閱第1 1圖所示，係用以說明本發明可藉增加扭轉樞紐 之有效扭轉剛性來調整可動件之結構共振頻率；該扭轉樞紐 2 1 1係設計具有一組梳狀電極2 1 2，且與頂層2丨〇固定結構上 一組額外梳狀電極213交叉排列，而該組額外梳狀電極213係 連接至一直流電電壓源（DC)，並與頂層21〇其他梳狀電極 2 1 4所接電壓源A C 1絕緣隔離；當可動件2 1 5 (係接地g N D )進 行擺動時，直流電電壓源（])C )與接地（g n D )間之電壓差 將在額外梳狀電極2 1 2、2 1 3間產生靜電吸引力，而可對扭轉 抱紐211具額外梳狀電極212之部分段的扭^動】：二轉 \或壓制，suppressing )效果；則藉調整直流電電壓源 Dc )與接地（GND )間之電壓差，可相對增加扭轉樞紐211 之有效扭轉剛性，從而可調整可動件之共振頻率。 再參閱第1 2圖所示，係本發明可動件之結構共振頻率的 另，整方式，其係對一扭轉樞紐2 2 0上之突出部2 2 1進行部 刀打薄或部分修剪作業，藉以調整可動件之共振頻率；而扭

1253436 五、發明說明（15) 轉樞紐2 2 0上突出部2 2 1之選擇性移除作業可利用如雷射修剪 、電子束印刷術（E - b e a m 1 i t h 〇 g r a p h y )等技術來達成，而 不會破壞結構之完整性，則扭轉樞紐之有效扭轉剛性減小， 使可動件之共振頻率得以調整。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限 定本發明。任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範 圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當 視後附之申請專利範圍所界定者為準。

第21頁 1253436 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第1 A、IB、1C圖：係本發明ME MS致動器一實施例之頂層、中 間層及底層之上視圖。 第1 D、1 E、1 F圖··係第1 A、1 B、1 C圖之製程步驟流程圖。 第1 G、1 Η圖：係第1 A、1 B及1 C圖之另一製程步驟流程圖。 第2 A〜2 D圖：係第1圖所示實施例之另一側視圖，並表示當 頂層可動件在擺動時水平及垂直梳狀電極之活 動力關係，而底層之垂直梳狀電極僅在扭轉樞 紐之一邊。 第3圖··係第2圖所示ME MS致動器之鏡面傾斜角相位與使用電 壓源相位間的關係圖。 第4圖：係本發明可動件由一對扭轉樞紐支撐且由水平及垂 直梳狀電極驅動的立體示意圖。 第5 A、5 B、5 C圖··係本發明另一實施例之頂層、中間層及底 層之上視圖，其中在底層上之垂直梳狀電極係 對半而電性隔離在扭轉樞紐之不同邊，而可使 用三電壓源以達成對可動件之較大驅動力。 第5 D圖：係第5 C圖所示底層之另一實施例，其中兩組電性隔· 離之垂直梳狀電極係藉薄膜沈積步驟而補強及_ 連接。 第6A〜6D圖： 係第5 A 圖。 係第5A 流程圖 5 B、5 C圖所示實施例之製程步驟流程 第7A〜7F圖 5 B、5 D圖所示實施例之另一製程步驟

第22頁 1253436 圖式簡單說明 第8 A〜8 D圖：係第5圖所示實施例之一側視圖，並表示當頂 層可動件在擺動時水平及垂直梳狀電極之活動 力關係，而底層之垂直梳狀電極係電性隔離在 扭轉樞紐之每一邊。 第9圖：係第8圖所示MEMS致動器之鏡面傾斜角相位與使用電 壓源相位間的關係圖。 第10A、10B、10C圖：係第1圖及第5圖所示活動體中在底層 之兩組電性隔離垂直梳狀電極的連接方法。 第1 1圖：係本發明另一實施例之上視圖，其中在致動器之扭 轉樞紐及頂層之固定件上各增加額外水平梳狀 電極，而應用於額外水平梳狀電極上之電壓差 可增加扭轉樞紐之有效剛性。 第1 2圖：係扭轉樞紐具突出部之上視示意圖，其中該突出部 可藉雷射或其他方式移除以減小扭轉樞紐之扭 轉剛性。 [ 圖式 中 之 參 照 件 號】 1 、2 MEMS ( 微 機電 10 頂 層 11 13 梳 狀 電 極 14 20 中 間 層 30 32 梳 狀 電 極 40 42 前 面 43 45 固 定 件 50 可動件 梳狀電極 腔體 背面 對準圖案 蝕刻型狀 固定件 12 扭轉樞紐 15 底層 31 晶片（底層）41 蝕刻型狀 44 晶片（頂層）51

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第24頁 圖式簡單說明 52 可 動 件 60 二氧化矽層 (中間層 ) 70 晶 片 80 晶片 81 背 面 82 中 間 層 83 前面 84 固 定 件 85 可 動 件 90 頂層 91 固 定 件 92 可 動 件 93 梳狀電極 94 扭 轉 才區 紐 95 梳 狀 電 極 100 中間層 110 底 層 111 腔 體 112 梳狀電極 112’、 11 2M 部> 120 晶 片 ( 底層） 121 背面 122 前 面 123 刻 型 狀 124 對準圖案 125 腔 體 126 梳 狀 電 極 130 晶片（頂層） 1 140 二 氧 化 矽層（ 中間艮 150 晶 片 150, 150，， 部分 160 晶 片 161 背面 1 6 2 中間層 163 前 面 164 固定件 170 底層 170, 1 70’丨 部分 171 沈積材 180 晶 片 181 背 面 182 、1 8 2 ’ 部分 183 開 口 槽 184 材 料 185 頂層 186 中 間 層 187 刻 型 狀 188 對準圖案 189 可 動 件 190 開 V 200 導電材層 201 載 板 2 0 0, 2 0 0 ” 半部 202 絕緣材料（ 介質材） 203 導 體 墊 204 導體墊 205 穿 孔 210 頂 層 211 扭轉樞紐 212 梳 狀 電極 213 梳 狀 電 極 214 梳狀電極 215 可 動 件 220 扭 轉 搞 紐 221 突出部

Claims (1)

1253436 六、申請專利範圍 1 、一種具有 一第一半 該可動件 在轉軸相 件電性隔 與可動件 2 4 一電 二半 二半 如申 機電 而成 傾斜 如申 機電 電極 與可 如申 之微 一半 體層 如申 機電 極之 性隔 導體 導體 請專 致動 為可 而造 請專 致動 ，該 動件 請專 機電 導體 之固 請專 致動 額外 複數面 導體層 係藉複 對邊設 離，並 之梳狀 離層， 層間以 層，其 利範圍器，其 動件之 成機械 利範圍器，其 固定梳 之梳狀 利範圍 致動器 層之固 定梳狀 利範圍器，其 固定件 梳狀電 ，其係 數扭轉 有二組 設有梳 電極交 其係支 電性隔 上設有 第1項 中該第 轉動擋 損壞。 第1項 中該第 狀電極 電極交 第1或 ，其中 定件係 電極係 第1項 中該第 ，且額 極之 由一 樞紐 梳狀 狀電 叉排 撐第 離第 一腔 所述 二半 止點 所述 二半 係位 叉排 3項 該可 導接 導接 微機電致動器 可動件及一固 支撐而可繞一 電極；而該固 極，而固定件 ，包括： 定件組成，而 轉軸轉動，且 定件係與可動 之梳狀電極係 列； 一半導 、二 體。 之具有 導體層 ，藉以 之具有 導體層 於可動 列。 所述之 動件係 至第一 體層， 半導體 複數面 之腔體 防止可 並介於第 層；以及 第 梳狀電極之微 具適當深度， 動件過度擺動 至第二 所述之具有 一半導體層 外固定件上 複數面梳狀電極之微 上設有一組固定梳狀 件之轉軸的一邊，並 具有複數面梳狀電極. 導接地（GND)，而第 電壓源，而第二半導_ 電壓源。 複數面梳狀電極之微 上額外設一具梳狀電 之梳狀電極係與可動

第25頁 1253436 六、申請專利範圍 件及固定件電性絕緣隔離，又於扭轉樞紐上增設一組梳 狀電極，使其與額外固定件之梳狀電極交叉排列。 6 、如申請專利範圍第5項所述之具有複數面梳狀電極之微 機電致動器，其中該額外固定件係導接至一直流電壓源 ，藉以調整可動件之結構共振頻率。 7、 如申請專利範圍第1項所述之具有複數面梳狀電極之微 機電致動器，其中該扭轉樞紐上可設突出部，且該突出 部可被打薄或部分修剪，藉以調整可動件之共振頻率。 8、 一種具有複數面梳狀電極之微機電致動器，包括： 一第一半導體層，其係由一可動件及一固定件組成，而 該可動件係藉複數扭轉樞紐支撐而可繞一轉軸轉動，且 在轉軸相對邊設有二組梳狀電極；而該固定件係與可動 件電性隔離，並設有梳狀電極，而固定件之梳狀電極係 與可動件之梳狀電極交叉排列； 一電性隔離層，其係支撐第一半導體層，並介於第一、 二半導體層間以電性隔離第一、二半導體層；以及一第 二半導體層，其上設有一腔體及二組電性絕緣之梳狀電 極，該二組梳狀電極係分別位於轉軸一邊，且與與可動-件之梳狀電極交叉排列。 9 、如申請專利範圍第8項所述之具有複數面梳狀電極之微 機電致動器，其中該第二半導體層之腔體具適當深度， 而成為可動件之轉動擋止點，藉以防止可動件過度擺動 傾斜而造成機械損壞。 1 0、如申請專利範圍第8項所述之具有複數面梳狀電極之微

第26頁 1253436 六、申請專利範圍 . 機電致動器，其中該可動件係導接地，而第一半導體層 之固定件係導接至第一電壓源，而第二半導體層上二組― 電性絕緣之梳狀電極係分別導接至第二電壓源及第三電 壓源壓源。 1 1、如申請專利範圍第8項所述之具有複數面梳狀電極之微 機電致動器，其中該第一半導體層上額外設一具梳狀電 極之額外固定件，且額外固定件上之梳狀電極係與可動 件及固定件電性絕緣隔離，又於扭轉樞紐上增設一組梳 狀電極，使其與額外固定件之梳狀電極交叉排列。 - 1 2、如申請專利範圍第1 1項所述之具有複數面梳狀電極之微 機電致動器，其中該額外固定件係導接至一直流電壓源* ，藉以調整可動件之結構共振頻率。 1 3、如申請專利範圍第8項所述之具有複數面梳狀電極之微. 機電致動器，其中該扭轉樞紐上可設突出部，且該突出 部可被打薄或部分修剪，藉以調整可動件之共振頻率。· 1 4、一種具有複數面梳狀電極之微機電致動器之製造方法， -包括下列步驟： 利用蝕刻或其他方法，在第一半導體晶片之背面製作一 ‘ 對準圖案，以供後續步驟校準使用； 蝕刻第一半導體晶片之前面至特定深度，以形成一腔體 及固定梳狀電極，且在前面所為之蝕刻型狀係藉背面之_ 對準圖案校準； 對一第二半導體晶片之至少一表面上進行氧化，以形成 一電性絕緣之氧化層；

第27頁 1253436 六、申請專利範圍 熔接上述第一、二半導體晶片，並使第二半導體晶片之 氧化層面對第一半導體晶片上蝕刻成之腔體及固定梳狀 電極； 蝕刻第二半導體晶片以形成可動件及固定件，且藉第一 半導體晶片背面對準圖案之校準，使可動件之梳狀電極 與固定件之梳狀電極交叉排列，而該固定件之梳狀電極 係疊置在第一半導體晶片之固定梳狀電極上方，但藉氧 化層而電性絕緣隔離。

1 5、一種具有複數面梳狀電極之微機電致動器之製造方法， 包括下列步驟： # 刻一附隔緣石夕晶片（SOI，silicon - on- insulator wafer)之背面，以形成一腔體、固定梳狀電極及一 對準圖案，該對準圖案係供後續步驟校準使用； 蝕刻上述附隔緣矽晶片之前面，以形成可動件及固定件 ，且藉背面上對準圖案之校準，使可動件之梳狀電極與 固定件之梳狀電極交叉排列，而該固定件之梳狀電極係 疊置在固定梳狀電極上方，但藉SO I之氧化層而電性絕 緣隔離。

1 6、一種具有複數面梳狀電極之微機電致動器之製造方法， 包括下列步驟： 利用蝕刻或其他方法，在第一半導體晶片之背面製作一 對準圖案，以供後續步驟校準使用； 蝕刻第一半導體晶片之前面，以形成一腔體及固定梳狀 電極，且在前面所為之蝕刻型狀係藉背面之對準圖案校

第28頁 1253436 六、申請專利範圍 準； 在一第二半導體晶片之至少一表面上進行氧化，以形成 一電性絕緣之氧化層； 熔接上述第一、二半導體晶片，並使第二半導體晶片之 氧化層面對第一半導體晶片上蝕刻成之腔體及固定梳狀 電極； 在第一半導體晶片之背面蝕刻一開口槽，使第一半導體 晶片分成電性絕緣之二部分；

蝕刻第二半導體晶片以形成可動件及固定件，且藉第一 半導體晶片背面上對準圖案之校準，使可動件之梳狀電 極與固定件之梳狀電極交叉排列，而該固定件之梳狀電 極係疊置在第一半導體晶片之固定梳狀電極上方，但藉 氧化層而電性絕緣隔離。 1 7、一種具有複數面梳狀電極之微機電致動器之製造方法， 包括下列步驟： 利用蝕刻或其他方法，在第一半導體晶片之背面製作一 對準圖案，以供後續步驟校準使用；

蝕刻第一半導體晶片之前面，以形成一腔體及固定梳狀 電極，且在前面所為之飯刻型狀係藉背面之對準圖案校 準； 在一第二半導體晶片之至少一表面上進行氧化，以形成 一電性絕緣之氧化層； 炼接上述第一、二半導體晶片’並使第二半導體晶片之 氧化層面對第一半導體晶片上蝕刻成之腔體及固定梳狀

第29頁 1253436 六、申請專利範圍 電極； 在第一半導體晶片之背面蝕刻一開口槽，使第一半導體 晶片隔成電性絕緣之二部分； 沈積一保護層如氮化石夕（silicon nitride)，在第一 半導體晶片之背面上； 沈積或產生一隔緣層如二氧化矽，在分隔第一半導體晶 片成二部分之開口槽上； 沈積一層薄膜材料如複晶石夕（ρ ο 1 y s i 1 i c ο η )，在第一 半導體晶片之背面及開口槽上，以使第一半導體晶片被 分隔之二部分連接，但藉前步驟之隔緣層層而仍電性絕 緣； 移除在第一半導體晶片背面上之複晶矽、隔緣層及保護 層； 蝕刻第二半導體晶片以形成可動件及固定件，且藉第一 半導體晶片背面上對準圖案之校準，使可動件之梳狀電 極與固定件之梳狀電極交叉排列，而該固定件之流狀電 極係疊置在第一半導體晶片之固定梳狀電極上方，但藉 氧化層而電性絕緣隔離。 18、一種具有複數面梳狀電極之微機電致動器，包括： 一載板（substrate)，其一面上具有二電性隔絕之導 電體，且該二導電體係部分顯露於外，供可分別向外導 接電壓源； 一具有複數面梳狀電極之微機電致動器，其底層係由電 性絕緣之二部分構成；以及

第30頁 1253436 六、申請專利範圍 一黏者層，其係以導電材料構成5並分成電性絕緣之二 部分； 藉此，使載板與致動器藉該黏著層而連結成一體，並使 載板上二電性隔絕之導電體分別電性導接至致動器底層 之二電性絕緣部分之各部分上。 1 9、如申請專利範圍第1 8項所述之具有複數面梳狀電極之微 機電致動器，其中該載板進一步可設置導通用穿孔（v i a hole )，使載板一面上二電性隔絕之導電體可藉穿孔而 電性導接至載板另一面，供分別向外導接電壓源。

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