TWI313250B - - Google Patents

Description

1313250 . 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1C技術缺點。 φ 【先前技術】 近年來全球所發展之微型風扇（Micro Fan)是運用微機 電系統（Micro electromechanical Systems ; MEMS)的技術製 作元件，如附件一所示，其尺寸大約只有2 mmx2 mm ;再配 合參看附件二所示，微型風扇的結構包含二個部份，其—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 φ 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 )。 微抓舉式致動斋在應用上相當廣泛，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.

Jimqi 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 1313250 器排列方式可以組成直線式 水平致動力，不同的微抓舉式致動 致動器或步進式旋轉馬達。 T_bu Akiyama从㈣錢軸轉紐動器的位 移速度與輸人賴頻率_、輸人峰值與每—步行進距離 關係以及致鮮板長度鱗—步行_離_，並將微抓舉式 致動益連接於—撓轉件，侧撓性桿件崎曲（Buckling)

以量測微抓舉式致動器的輸出力，並得出輪入電壓峰值 力的關係。 ^

Uangl轉人以微抓舉式致動器作為％精密定位平台的 驅動器’並將此平台應祕光_合的定位，經由實驗結果得 到不同的致動平板幾何形狀對微抓舉式致動器良率的影響。 麻等人❹_反賴抓舉錢_崎殊結合技術 (Boading)蚊於麵紐上碱_，喊微抓舉式致動 器輸送帶。

Yamat〇 Fukuta 以重塑形技術（Reshaping techn〇l〇gy)將 微抓舉式_ m維結制自我喊（Self_assembling) 裝置。

Lin專人以導軌將電壓導入微抓舉式致動器，並使其推動 xyz二維平台、反射鏡面以及微Fresnei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 6 -1313250 亚藉由特殊結合技術（BGading)連接欲朗的物件，再以微 鍊子導人電壓’另—方面將微抓舉式致動器陣列以Flip chip bonding技術固定於陶莞板上，並以實驗來驗證理論推導所得 到之最佳致動平板長度。

Paul E. Kladitis將微抓舉式致動器以圓形排列，組成直徑 520-的旋轉馬達’並將珍葉片立起固定於該 於推動微流體。 ™ 到目前為止，所有文獻均無法精準量測出微抓舉式致動器 所能輸出的力量與位移、可運作的壽命與模態以及操作電壓的 容許範圍，由於需要整合多項高難度的關鍵技術，推論其原因 在於對微抓舉式致肺的雛尚絲完全掌握，分析其可能變 因為： (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； 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-個參數對整個製程的整合都是挑戰，開發完整的b製程 整合步驟錢行理論精驗最触，是目前微轉歧動= 難突破的瓶頸。 °° 如第-圖所示’為微抓舉式致動器的動作原理，當致動平 7 1313250 板⑽與軸襯（11)有電容式的結構形鱗，可在致動平板 (10)上得到靜電力’當-個具週期性的靜電力外加於致動平 板⑽上時，會造成致動平板⑴）在基板⑽上形成步 進運動如圖中（b) (C) (d)戶斤示，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； 當外加一個正偏壓時，致動平板（10)因紐電力而被基 板（12)吸引’但是致動平板⑽）前方具有軸襯（11)，使 其整個平板區域並不會完全吸附在絕緣層0麵論)（⑴上， 因此會有錢暫存於_平板（1G)h_造成該致動平板 (10)具有彈性張力； 當電壓下降時，此彈性張力立即被釋放，而使得致動平板 (10)恢_來的形狀’且在槪電壓時，由錄襯⑴）一 〜邑緣層（13)接觸，會產生摩擦力讓整撇動平板（⑹ 前進； 。再外加個負偏壓時，致動平板（⑹也會被基板（⑵ j寸而產生重複的動作，使致動平板（⑹在絕緣層⑴）上 連續動作。 、’（）的動作可以藉由外加脈衝來控制，且速度 和脈衝頻率成正比，圖 成的 因中所示的Δχ值，可定義成外加電壓所造 且4如值不僅與電壓振幅有關也與致動平板（1〇) 的長度和触⑺）高度有關。 1313250 【發明内容】 所以，驅動·是微抓舉式致動器致動的關鍵，在考量成 本、製程積體化以及製程複雜程度之下，有鑑於此，本發明差 提供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。 傳統的微抓舉式致動器是以一般阻值石夕基板（2〇ω.) 作為下電極，驅動電壓大約在7〇〜12〇ν的範圍，除了下電極 的石夕基板材财影響鶴之外，她的高度、寬度以及主 結構層多砂的厚度也會影響；因此，本剌是_超低阻值 矽基板（0.001〜0.0__cm)作為下電極材料，並改變微抓舉 式致動器賴程參數與婦元件的最錢寬，轴達到將驅動 電壓降低到5〜25V之間。 所以本發明乃針對微型馬達之㈣化設計研發，以超低阻 值石夕基板大巾自降低微抓舉式致動獅軸電壓，並提供完整且 穩定的製程步驟與方法’可兼顧微型風扇晶片與㈣電路積體 化成早一晶片的可能性。 【實施方式】 本發明係’-種崎低阻财基板製作健動電壓微 抓舉式致動器的方法，其係以超低阻值石夕基板材料配合完整且 穩定的製程步顯綠，可降低祕舉式致絲的鶴電壓， 1313250 亚控制軸襯寬度不超過15μπι’以τ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石夕基板（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（stidng 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： U)以低壓化學氣相沈積法（LPCVD)於一超低阻值石夕基 板（20)上沈積低應力氮化石夕薄膜（_4)作為絕緣 層（21)，並於第一道微影製程之後，以電感耦合式電 漿餘刻機（ICP)餘刻絕緣層（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（20 ) 上沈積磷矽玻璃薄膜（PSG_〇)作為第一層低應力犠牲 層（22)，並以第二道微影製程，在第一層低應力犠牲 層（22)上以電感耦合式電漿蝕刻機（icp)蝕刻同時 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)上沈積鱗石夕玻璃薄膜（psGy )作為第 二層低應力犠牲層（24 )，沉積第二層低應力犠牲層 ^13250 ,. (24)的主要目的是要修正軸襯寬度’因為曝光機台 的線見最小解析度為2陣，但是配合元件必須要有最 J線丸為1.5gm ’因此利用這一道步驟來縮小機台所 ， 又有辦法達到的最小線寬極限； ⑷第二道微影製程，以電感輕合式電裝餘刻機（幻^餘 - 刻疋義岭和下電極預定位置（25)的圖案； • ⑷"^健化學11相沈積法（LPCVD)於第二層低應力犠 牲層（24)上沉積低應力多晶矽薄膜（Poly-Si)做為 主、、°構層（3G) ’並將晶片置人水平爐管進行磷擴散及 咼溫退火製程； (f)第四逼微影製程，以電感轉合式電聚敍刻機（ICP)餘 刻定義出主結構層（30)的圖案； 乂屯子束瘵鍍機蒸鍍鉻/金，並於第五道微影製程，以 鲁. ’’、似】疋“出上電極（41)與下電極（42)圖案； . 將置於緩衝氫就酸（B〇E)中進行濕式钕刻，並 1 虫刻第一、二低應力犠牲層（22，24)以釋放主結構 層（30)。 寸牛—所示’係以掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron M1C_pe ’ SEM)所_的微抓舉式致動器元件結構製作完 成圖，、片中可以看出釋放之後的元件懸浮結構，因為使用低 應力夕曰曰夕薄膜作為主結構層，使元件的平整性相當良好，不 11 1313250 會產生因為_應力秘配造成元件失效的情形。 …如附件四所示，本發明之微抓舉式致動n元件經動態特性 測试之後’發現其貼底賴snap讀够）與撓曲麵幽啤 voltage)呈爾性_ ’並且翻外模擬之制結果相符，與 /國際知名研發___結果纽趨勢_，但是本發明之 卞牛式致動$元件的驅動輕日月顯較國際上現有的微抓舉 式致動器元件低很多。 再配口參看附件五所示，若針對本發明所設計的多種不同 致動平板形狀與驅動_的關係進雜討，測試結果發現： 田致動平板為三角形（TriangIe)時，其驅動電堡約比矩 形平板的驅動電㈣但是三角形平板具有比較不會因 為累積電荷而驗壽命之重紐點，_三肖形平板也具有較 短的驅動延遲時間；另—方面，矩形平板的尾端若能加入適, Z刻孔設計’不财減少累積電荷，_也可崎低驅動^ 另茶看附件六所示，若比較超低阻值晶片與一般 底電壓，可以很明顯發現： 餅低驅動電壓可以從元件的下電極（基板）材料做修 發明在瓜私整合時，利用兩批不同阻值的基板 極，經過相同的製程步驟後發現： 勹卜兒 低電阻的基板會得到比普通基板降低約5〜6V的驅動電 12 -1313250 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 特以下之電鲜位，這將十分有利於未來微抓舉式致動器運用 於谷類量產化產品

綜上所述，本發明確實已具備以上各項優點，相較於習用 具有顯著的功效增f，此特徵於_產品當中實 屬百創’符合㈣專利要件，爰依法俱文提出申請。 惟’以上所述者僅為本發明 發明說明書、巾物域 ，舉凡應用本 包含在本翻之專概_。4之《結懸化，理應 13 1313250 【圚式簡單說明】 Π :=舉她外加驅動步進運動示意圖 係本卿賴抓軸_之三維結構圖。 圖.财發明之_步驟示意圖。 【主要元件符號說明】 (1〇)致動平板 (U)轴襯 (12) 基板 (13) 絶緣層 (20) 超低阻值梦基板 (21) 絶緣層 (22) 第一層低應力犠牲層 (23)微型突圖預定位置 (24 )第二層低應力犧牲層 (25)下電極預定位置 (30) 主結構層 (31) 微型突點 (41) 上電極 (42) 下電極 【附件】 附件-：以微機電系統技術所製作之微型風扇照片。 附件二：微抓舉式步進旋轉馬達。 … 附件三：微抓舉式致動器耕實作之掃描式電子顯微照片。 附件四：微轉式絲H之絲電壓魏曲賴之量測結 附件五.微抓舉式致動器之貼底電壓盘 ' ± ，、動千板形狀關係圖 附件/、：超低阻值晶片與-般晶片之貼底_比較圖。 14

Claims (1)

131325〇 十、申請專利範圍： 1. -種以超低阻财基板製作低轉電壓微抓舉式致動器的 方法’其包含： 於-超低阻值石夕基板上沈積—絕緣層，並於第一道微影 製粒後侧絕緣層’減丨超恤值魏板之下電極預定位 - 置； 、 • 於絕緣層上沈鮮—層減力犧牲層，並於»二道微影 製程侧定義出錯、微型突點預定位置以及轴概圖案； 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以下； 於第二逞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； 於第四道微影製程钱刻定義出主結構層的圖案； 於第五道微影製程蝕刻定義出上電極與下電極圖案； 以濕式蝕刻第一、二低應力犧牲層以釋放主結構層。 2. 如申請專·圍第〗項所述以超低阻值雜板製作低驅動 電壓微抓舉式致動器的方法，其中超低阻值矽基板的阻值為 0.001 〜0.004^2-011)。 3. 如申請專利範圍第2項所述以超低阻值矽基板製作低驅動 15 電壓微抓舉式致動器的方法，其中絕緣層為低應力氮化矽薄 犋（Si3N4)〇 如申睛專利範圍第1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、二層低應力犠牲層 為石粦石夕玻璃薄膜（PSG )。 5 如申睛專利範圍第1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，其中主結構層為低應力多晶矽 薄膜（Poly-Si)。 •如申晴專利範圍第1項所述以超低阻财基板製作低驅動 包壓微}爪舉式致動器的方法，其中上、下電極係以電子束蒸 錢機蒸鑛絡/金。 7·如申料概目第丨顧軌超低阻值雜板製作低驅動 電壓微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。 8’如申請專概_ 1項所軌超低阻值雜板製作低驅動 電壓微抓料贿H的方法’其巾該方法可賴於微散熱模 組之結構組裝。 9.如申請專利範㈣i酬軌超低阻值縣板製作低驅動 電壓微抓舉式致魅财法，射财法可賴於微出力元 件之結構組裝。 10·如申請翻範圍第丨項所述以超低阻值雜板製作低驅動 ^13250 電壓微抓舉式致姆的方法，其巾财財顧於微流道系 統。 U·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 % 4:微抓舉式致動㈣方法，其巾該方法可運躲微光通訊 ' 開關。 種以超低阻财基板製作低驅動賴微抓舉式致動器的 _ 結構’其包含： 一超低阻值矽基板； 一絕緣層，沈積於超低阻值矽基板之上； 至少一主結構層，沈積於絕緣層之上； 主結構層T謂作註少—偏上之·突點，猶止黏滯 致應。 如申清專利範圍第12項所述以超低阻值石夕基板製作低驅動 φ 電⑤微抓舉式致動器的結構’其中超低阻值妙基板的阻值為 0.001 〜0·004Ω-αη)。 14· ^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 笔C微抓舉式致動g的結構，其巾絕緣層為低應力氮化石夕薄 祺（Si3N4)。 如申明專利範圍第12項所述以超低阻值石夕基板製作低驅動 屯壓微抓料致_的結構，其巾主結構層為低應力多晶石夕 薄膜（Poly-Si)。 17 1313250 . 16. 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型風扇 馬達之結構組裝。 17. 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散熱模 - 組之結構組裝。 φ 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 電壓微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. 如申明專利範圍第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H的結構，其中該結構可運歸微流道系 統。 20. 如申睛專利顧第12項所述以超低阻值石夕基板製作低驅動 φ 電[微抓舉式致動杰的結構，其中該結構可運用於微光通訊 - 開關。 18