专利名称：制作低驱动电压微抓举式致动器的方法及其结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制作低驱动电压微抓举式致动器的方法及其结构，其运用于类似半导体制程技术的面型微加工技术(Surface Micromechaning Technology),具有批次制作、低成本与集成化特性，以解决传统IC技术缺点。背录技术近年来全球所发展的微型风扇(Micro Fan)是运用微机电系统(Micro electromechanical Systems;MEMS)的技术制作元件，其尺寸大约只有2 mmx2 mm。 微型风扇的结构包含二个部份，其一是以自我组装技术(Self-assembly)制作微风 扇叶片，其二是以微抓举式致动器(Scratch Drive Actuator; SDA)作为转子所组 成的微型马达(Micro Motor),且微型马达的详细制作步骤是采用MEMSCAP公 司所开发的多使用者MEMS制程(Multi-User MEMS Processes; MUMPs)。微抓举式致动器在应用上相当广泛，动作方式也很多，国际期刊上已有多人 发表过关于微抓举式致动器的研究，例如JunqiZhu等人首先提出的微抓举式致动器概念，由多晶硅组成其主要结构， 致动原理是利用垂直方向的静电力使致动平板(Plate)以及轴衬(Bushing)摩擦 底面绝缘层产生水平致动力，不同的微抓举式致动器排列方式可以组成直线式致 动器或步进式旋转马达。Terunobu Akiyama等人由实验观察微抓举式致动器的位移速度与输入电压频 率关系、输入电压峰值与每一步行进距离关系以及致动平板长度与每一步行进距 离关系，并将微抓举式致动器连接于一挠性杆件，利用挠性杆件的挠曲(Buckling) 以量测微抓举式致动器的输出力，并得出输入电压峰值与输出力的关系。P. Langlet等人以微抓举式致动器作为X/Y精密定位平台的驱动器，并将此平 台应用于光纤耦合的定位，经过实验结果得到不同的致动平板几何形状对微抓举 式致动器合格率的影响。Mita等人将多个倒反的微抓举式致动器用特殊结合技术(Boading)固定于玻璃基材上形成数组，组成微抓举式致动器输送带。YamatoFukuta以重塑形技术(Reshaping technology)将微抓举式致动器作为 三维结构的自我组装(Self-assembling)装置。Lin等人以导轨将电压导入微抓举式致动器，并使其推动XYZ三维平台、反 射镜面以及微Fresnel (菲涅尔)透镜，组成自由空间(Free-space)微光学实验桌。Ryan J. Linderman等人将188个微抓举式致动器组成数组并通过特殊结合技 术(Boading)连接要致动的对象，再以微链子导入电压。另一方面将微抓举式致 动器数组以Flip chip bonding (覆晶)技术固定在陶瓷板上，并以实验来验证理论 推导所得到的最佳致动平板长度。PaulE. Kladitis将微抓举式致动器以圆形排列，组成直径520^im的旋转马达， 并将硅叶片立起固定于该马达上，可应用于推动微流体。到目前为止，所有文献均无法精准测量出微抓举式致动器所能输出的力量与 位移、可运作的寿命与模态以及操作电压的容许范围，由于需要整合多项高难度 的关键技术，推论其原因在于对微抓举式致动器的特性尚未能完全掌握，其可能 原因为(一) 适当的电极层和绝缘层不容易制作。(二) 尺寸设计尚未达到最佳化，包括深宽比、beam (悬臂梁)的形状以及 孔洞大小……等等。(三) 驱动电压下降。 上述每一原因都足以影响整个微抓举式致动器的性能，改变任何一个参数对整个制程的整合都是挑战，开发完整的制程整合步骤来进行理论与实验最佳化， 是目前微抓举式致动器最难突破的瓶颈。如图1所示，为微抓举式致动器的动作原理，当致动平板10与轴衬11有电 容式的结构形成时，可在致动平板10上得到静电力，当一个具周期性的静电力外 加于致动平板10上时，会造成致动平板10在基板12上形成步进运动，如图中的 (b)、 (c)、 (d)即描述了当外加方波在致动平板10与基板12之间的步进动作。当外加一个正偏压时，致动平板10因为静电力而被基板12吸引，但是致动 平板IO前方具有轴衬11，使其整个平板区域并不会完全吸附在绝缘层(insulator) 13上，因此会有电荷暂存于致动平板10上，进而造成致动平板10具有弹性张力。当电压下降时，此弹性张力立即被释放，使得致动平板io恢复原来的形状， 且在释放电压时，由于轴衬11 一直与绝缘层13接触，会产生摩擦力让整个致动 平板10前进。再外加一个负偏压时，致动平板10也会被基板12吸附产生重复的动作，使 致动平板10在绝缘层13上连续动作。致动平板10的动作可以由外加脉冲来控制，且速度和脉冲频率成正比，图中所示的&值，可定义成外加电压所造成的位移，且该^值不仅与电压振幅有关也与致动平板10的长度和轴衬11的高度有关。发明内容驱动电压是微抓举式致动器致动的关键，考虑成本、制程集成化以及制程复 杂程度等因素，本发明的主要目的在于提供一种制作低驱动电压微抓举式致动器 的方法及其结构，可克服机台极限，并利用低成本的制程步骤达到高出力与低驱 动电压目的。为达到上述目的，本发明所提供的一种制作低驱动电压微抓举式致动器的方 法，其特征在于包含以下步骤步骤一在一超低阻值硅基板上沉积一绝缘层， 并在第一道微影制程后蚀刻所述绝缘层，裸露出超低阻值硅基板的下电极预定位 置；步骤二在所述绝缘层上沉积第一层低应力牺牲层，并在第二道微影制程蚀 刻定义出锚、微型突点预定位置以及轴衬图案；步骤三在所述第一层低应力牺 牲层上沉积第二层低应力牺牲层，以修正轴衬最小线宽达1.5,以下；步骤四 在第三道微影制程蚀刻定义出锚和下电极预定位置的图案；步骤五在所述第二 层低应力牺牲层上沉积主结构层，并置入水平炉管进行磷扩散及高温退火制程； 步骤六在第四道微影制程蚀刻定义出主结构层的图案；步骤七在第五道微影 制程蚀刻定义出上电极与下电极图案；步骤八以湿式蚀刻第一、二低应力牺牲 层以释放主结构层。上述本发明的技术方案中，所述超低阻值硅基板的阻值为0.001 0.004Q-cm。上述本发明的技术方案中，所述绝缘层为低应力氮化硅薄膜。 上述本发明的技术方案中，所述第一、二层低应力牺牲层为磷硅玻璃薄膜。 上述本发明的技术方案中，所述主结构层为低应力多晶硅薄膜。 上述本发明的技术方案中，所述上、下电极是以电子束蒸镀机蒸镀铬/金。 该方法可运用于微型风扇马达的结构组装、微散热模块的结构组装、微出力 元件的结构组装、微流道系统及微光通讯开关。本发明提供了一种低驱动电压微抓举式致动器的结构，其特征在于包含一 超低阻值硅基板； 一绝缘层，沉积于超低阻值硅基板之上；至少一主结构层，沉 积于绝缘层之上；主结构层下方制作有一个以上的微型突点，以防止黏滞效应。 上述本发明的技术方案中，所述超低阻值硅基板的阻值为0.001 0.004Q-cm。 上述本发明的技术方案中，所述绝缘层为低应力氮化硅薄膜。 上述本发明的技术方案中，所述主结构层为低应力多晶硅薄膜。 该结构可运用于微型风扇马达的结构组装、微散热模块的结构组装、微出力元件的结构组装、微流道系统及微光通讯开关。由于传统的微抓举式致动器是以一般阻值硅基板(20Q-cm)作为下电极，驱 动电压大约在70 120V的范围，除了下电极的硅基板材料会影响驱动电压的外， 轴衬的高度、宽度以及主结构层多晶硅的厚度也会影响。因此，本发明利用超低 阻值硅基板(0.001 0.004Q-cm)作为下电极材料，并改变微抓举式致动器的制程 参数与调整元件的最小线宽，进而将微抓举式致动器元件驱动电压大幅降低到5 25V之间。所以本发明是针对微型马达的集成化设计研发，以超低阻值硅基板大 幅降低微抓举式致动器的驱动电压，并提供完整且稳定的制程步骤与方法，可兼 顾微型风扇芯片与控制电路集成化成单一芯片的可能性。
图1是微抓举式致动器外加驱动电压的步进运动示意图； 图2是本发明制成微抓举式制动器的三维结构图； 图3是本发明的制程步骤示意图；图4是本发明微抓举式致动器的贴底电压与挠曲电压的测量曲线； 图5是本发明微抓举式致动器的贴底电压与致动平板形状关系图； 图6是超低阻值芯片与一般芯片的贴底电压比较图。
具体实施方式
本发明涉及一种制作低驱动电压微抓举式致动器的方法及其结构，以超低阻 值硅基板材料配合完整且稳定的制程步骤与方法，可降低微抓举式致动器的驱动 电压，并控制轴衬宽度不超过1.5pm，以下即配合附图详细说明本发明的创新制程如图2所示，本发明至少包含有超低阻值硅基板20、绝缘层21、主结构层30 以及上、下电极41、 42。为了防止黏滞效应(sticing effect)产生，本发明特别在主结构层30下方制作 微型突点(Dimple) 31以防止黏滞，详细的制作流程如图3所示(a) 以低压化学气相沉积法(LPCVD)在一超低阻值硅基板20上沉积低应 力氮化硅薄膜(Si3N4)作为绝缘层21，并在第一道微影制程之后，以电感耦合式 电浆蚀刻机(ICP)蚀刻绝缘层21，以裸露出超低阻值硅基板20的下电极预定位 置25。(b) 以电浆辅助化学气相沉积法(PECVD)在绝缘层20上沉积磷硅玻璃薄 膜(PSG-O)作为第一层低应力牺牲层22，并以第二道微影制程，在第一层低应 力牺牲层22上以电感耦合式电浆蚀刻机(ICP)蚀刻同时定义出锚(anchor)、微 型突点(dimple)预定位置23以及轴衬(bushing)三个图案。(c) 以电浆辅助化学气相沉积法(PECVD)在第一层低应力牺牲层22上沉 积磷硅玻璃薄膜(PSG-1)作为第二层低应力牺牲层24，沉积第二层低应力牺牲 层24的主要目的是要修正轴衬宽度，因为曝光机台的线宽最小分辨率为2fim，但 是配合元件必须要有最小线宽为1.5nm，因此利用这一道步骤来縮小机台所没有办 法达到的最小线宽极限。(d) 第三道微影制程，以电感耦合式电浆蚀刻机(ICP)蚀刻定义出锚和下 电极预定位置25的图案。(e) 以低压化学气相沉积法(LPCVD)在第二层低应力牺牲层24上沉积低 应力多晶硅薄膜(Poly-Si)做为主结构层30，并将芯片置入水平炉管进行磷扩散 及高温退火制程。(f) 第四道微影制程，以电感耦合式电浆蚀刻机(ICP)蚀刻定义出主结构 层30的图案。(g) 以电子束蒸镀机蒸镀铬/金，并在第五道微影制程，以湿蚀刻定义出上电 极41与下电极42的图案。(h) 将元件置于缓冲氢氟酸(BOE)中进行湿式蚀刻，并蚀刻第一、二低应 力牺牲层22、 24，以释放主结构层30。如以扫描式电子显微镜(Scanning Electron Microscope; SEM)拍摄微抓举式 致动器元件结构，便可以看出释放之后的元件悬浮结构，因为使用低应力多晶硅 薄膜作为主结构层，使元件的平整性相当良好，不会产生因为薄膜应力不匹配造 成元件失效的情形。如图4所示，本发明的微抓举式致动器元件经动态特性测试之后，发现其贴 底电压(snapvoltage)与挠曲电压(primingvoltage)呈现线性关系，并且与国外 模拟的预测结果相符，与国际知名研发团队所模拟的结果大致趋势相同，但是本 发明的微抓举式致动器元件的驱动电压明显比国际上现有的微抓举式致动器元件 低很多。再如图5所示，若针对本发明所设计的多种不同致动平板形状与驱动电压的 关系进行探讨，测试结果发现当致动平板为三角形(Triangle)时，其驱动电压约比矩形平板的驱动电压高 1 2V，但是三角形平板具有比较不会因为累积电荷而縮短寿命的重要优点，同时三角形平板也具有较短的驱动延迟时间。另一方面，矩形平板的尾端若能加入适 当的蚀刻孔设计，不仅可减少累积电荷，同时也可以降低驱动电压。另如图6所示，若比较超低阻值芯片与一般芯片的贴底电压，可以很明显发现要降低驱动电压可以从元件的下电极(基板)材料做修正，本发明在制程整 合时，利用两批不同阻值的基板作为下电极，经过相同的制程步骤后发现低电阻的基板会得到比普通基板降低约5 6V的驱动电压，此结果与发明人 的预测完全符合。将来若再配合上电极金属材料的调整，预计可以降低约10V驱 动电压而使其达IO伏特以下的电压准位，这将十分有利于未来微抓举式致动器运 用于各类量产化产品，例如微型风扇马达的结构组装、微散热模块的结构组装、 微出力组件的结构组装、微流道系统以及微光通讯开关。综上所述，本发明确实已具备以上各项优点，相比于习用结构也具有显著的 功效增进。以上所述，仅为本发明的较佳实施型态，凡应用本发明说明书、权利要求书 或附图所作的等效结构变化，均应包含在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1. 一种制作低驱动电压微抓举式致动器的方法，其特征在于包含以下步骤步骤一在一超低阻值硅基板上沉积一绝缘层，并在第一道微影制程后蚀刻所述绝缘层，裸露出超低阻值硅基板的下电极预定位置；步骤二在所述绝缘层上沉积第一层低应力牺牲层，并在第二道微影制程蚀刻定义出锚、微型突点预定位置以及轴衬图案；步骤三在所述第一层低应力牺牲层上沉积第二层低应力牺牲层，以修正轴衬最小线宽达1.5μm以下；步骤四在第三道微影制程蚀刻定义出锚和下电极预定位置的图案；步骤五在所述第二层低应力牺牲层上沉积主结构层，并置入水平炉管进行磷扩散及高温退火制程；步骤六在第四道微影制程蚀刻定义出主结构层的图案；步骤七在第五道微影制程蚀刻定义出上电极与下电极图案；步骤八以湿式蚀刻第一、二低应力牺牲层以释放主结构层。
2、 如权利要求l所述制作低驱动电压微抓举式致动器的方法，其特征在于 所述超低阻值硅基板的阻值为0.001 0.004Q-cm。
3、 如权利要求1所述制作低驱动电压微抓举式致动器的方法，其特征在于所述绝缘层为低应力氮化硅薄膜。
4、 如权利要求l所述制作低驱动电压微抓举式致动器的方法，其特征在于 所述第一、二层低应力牺牲层为磷硅玻璃薄膜。
5、 如权利要求1所述制作低驱动电压微抓举式致动器的方法，其特征在于所述主结构层为低应力多晶硅薄膜。
6、 如权利要求l所述制作低驱动电压微抓举式致动器的方法，其特征在于 所述上、下电极是以电子束蒸镀机蒸镀铬/金。
7、 如权利要求l所述制作低驱动电压微抓举式致动器的方法，其特征在于 该方法可运用于微型风扇马达的结构组装。
8、 如权利要求l所述制作低驱动电压微抓举式致动器的方法，其特征在于该方法可运用于微散热模块的结构组装。
9、 如权利要求l所述制作低驱动电压微抓举式致动器的方法，其特征在于 该方法可运用于微出力元件的结构组装。
10、 如权利要求l所述制作低驱动电压微抓举式致动器的方法，其特征在于:该方法可运用于微流道系统。
11、 如权利要求l所述制作低驱动电压微抓举式致动器的方法，其特征在于 该方法可运用于微光通讯开关。
12、 一种低驱动电压微抓举式致动器的结构，其特征在于包含 一超低阻值硅基板；一绝缘层，沉积于超低阻值硅基板之上； 至少一主结构层，沉积于绝缘层之上；主结构层下方制作有一个以上的微型突点，以防止黏滞效应。
13、 如权利要求12所述低驱动电压微抓举式致动器的结构，其特征在于所 述超低阻值硅基板的阻值为0.001 0.004Q-cm。
14、 如权利要求12所述低驱动电压微抓举式致动器的结构，其特征在于所 述绝缘层为低应力氮化硅薄膜。
15、 如权利要求12所述低驱动电压微抓举式致动器的结构，其特征在于所述主结构层为低应力多晶硅薄膜。
16、 如权利要求12所述低驱动电压微抓举式致动器的结构，其特征在于该结构可运用于微型风扇马达的结构组装。
17、 如权利要求12所述低驱动电压微抓举式致动器的结构，其特征在于该 结构可运用于微散热模块的结构组装。
18、 如权利要求12所述低驱动电压微抓举式致动器的结构，其特征在于该 结构可运用于微出力元件的结构组装。
19、 如权利要求12所述低驱动电压微抓举式致动器的结构，其特征在于该 结构可运用于微流道系统。
20、 如权利要求12所述低驱动电压微抓举式致动器的结构，其特征在于所述结构可运用于微光通讯开关。
全文摘要
本发明涉及一种制作低驱动电压微抓举式致动器的方法及其结构，包含以下步骤在一超低阻值硅基板上沉积一绝缘层，并在第一道微影制程后蚀刻绝缘层，裸露出超低阻值硅基板的下电极预定位置；在绝缘层上沉积第一层低应力牺牲层，并在第二道微影制程蚀刻定义出锚、微型突点预定位置以及轴衬图案；在第一层低应力牺牲层上沉积第二层低应力牺牲层，以修正轴衬最小线宽达1.5μm以下；在第三道微影制程蚀刻定义出锚和下电极预定位置的图案；在第二层低应力牺牲层上沉积主结构层，并置入水平炉管进行磷扩散及高温退火制程；在第四道微影制程蚀刻定义出主结构层的图案；在第五道微影制程蚀刻定义出上电极与下电极图案；以湿式蚀刻第一、二低应力牺牲层以释放主结构层。
文档编号H02N1/08GK101252329SQ20071000317
公开日2008年8月27日 申请日期2007年2月25日 优先权日2007年2月25日
发明者李彦其, 林君颖, 洪银树, 黄义佑 申请人:建凖电机工业股份有限公司