專利名稱：低驅動電壓微抓舉式致動器結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種低驅動電壓微抓舉式致動器結構，其運用于類似半導體制程技術的面型微加工技術(Surface Micromechaning Technology),具有批次制作、低成本與集成化特性，以解決傳統IC技術缺點。
背景技術：
近年來全球所發展的微型風扇(Micro Fan)是運用微機電系統(Micro electromechanical Systems; MEMS)的技術制作元件，其尺寸大約只有2 mmx2 mm。 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)制作微風 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(Micro Motor),且微型馬達的詳細制作步驟是采用MEMSCAP公 司所開發的多使用者MEMS制程(Multi-User MEMS Processes; MUMPs)。微抓舉式致動器在應用上相當廣泛，動作方式也很多，國際期刊上已有多人 發表過關于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，由多晶硅組成其主要結構， 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 底面絕緣層產生水平致動力，不同的微抓舉式致動器排列方式可以組成直線式致 動器或步進式旋轉馬達。Terunobu Akiyama等人由實驗觀察微抓舉式致動器的位移速度與輸入電壓頻 率關系、輸入電壓峰值與每一步行進距離關系以及致動平板長度與每一步行進距 離關系，并將微抓舉式致動器連接于一撓性桿件，利用撓性桿件的撓曲(Buckling) 以量測微抓舉式致動器的輸出力，并得出輸入電壓峰值與輸出力的關系。P. Langlet等人以微抓舉式致動器作為X/Y精密定位平臺的驅動器，并將此平 臺應用于光纖耦合的定位，經過實驗結果得到不同的致動平板幾何形狀對微抓舉 式致動器合格率的影響。Mita等人將多個倒反的微抓舉式致動器用特殊結合技術(Boading)固定于玻 璃基材上形成數組，組成微抓舉式致動器輸送帶。Yamato Fukuta以重塑形技術(Reshaping technology)將微抓舉式致動器作為 三維結構的自我組裝(Self-assembling)裝置。Lin等人以導軌將電壓導入微抓舉式致動器，并使其推動XYZ三維平臺、反 射鏡面以及微Fresnel (菲涅爾)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數組并通過特殊結合技 術(Boading)連接要致動的對象，再以微鏈子導入電壓。另一方面將微抓舉式致 動器數組以Flip chip bonding (覆晶)技術固定在陶瓷板上，并以實驗來驗證理論 推導所得到的最佳致動平板長度。Paul E. Kladitis將微抓舉式致動器以圓形排列，組成直徑520pm的旋轉馬達， 并將硅葉片立起固定于該馬達上，可應用于推動微流體。到目前為止，所有文獻均無法精準測量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范圍，由于需要整合多項高難度 的關鍵技術，推論其原因在于對微抓舉式致動器的特性尚未能完全掌握，其可能 原因為(一) 適當的電極層和絕緣層不容易制作。(二) 尺寸設計尚未達到最佳化，包括深寬比、beam (懸臂梁)的形狀以及 孔洞大小……等等。(三) 驅動電壓下降。上述每一原因都足以影響整個微抓舉式致動器的性能，改變任何一個參數對 整個制程的整合都是挑戰，開發完整的制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瓶頸。如圖1所示，為微抓舉式致動器的動作原理，當致動平板10與軸襯11有電 容式的結構形成時，可在致動平板10上得到靜電力，當一個具周期性的靜電力外 加于致動平板10上時，會造成致動平板10在基板12上形成步進運動，如圖中的 (b)、 (c)、 (d)即描述了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因為靜電力而被基板12吸引，但是致動 平板IO前方具有軸襯11，使其整個平板區域并不會完全吸附在絕緣層(insulator) 13上，因此會有電荷暫存于致動平板10上，進而造成致動平板10具有彈性張力。當電壓下降時，此彈性張力立即被釋放，使得致動平板IO恢復原來的形狀， 且在釋放電壓時，由于軸襯11 一直與絕緣層13接觸，會產生摩擦力讓整個致動 平板10前進。再外加一個負偏壓時，致動平板10也會被基板12吸附產生重復的動作，使 致動平板10在絕緣層13上連續動作。致動平板10的動作可以由外加脈沖來控制，且速度和脈沖頻率成正比，圖中
所示的Ax值，可定義成外加電壓所造成的位移，且該&值不僅與電壓振幅有關也與致動平板10的長度和軸襯11的高度有關。發明內容驅動電壓是微抓舉式致動器致動的關鍵，考慮成本、制程集成化以及制程復 雜程度等因素，本實用新型的主要目的在于提供一種低驅動電壓微抓舉式致動器 結構，可克服機臺極限，并利用低成本的制程步驟達到高出力與低驅動電壓目的。為達到上述目的，本實用新型所提供的一種低驅動電壓微抓舉式致動器結構， 其特征在于包含 一超低阻值硅基板； 一絕緣層，沉積于超低阻值硅基板之上； 至少一主結構層，沉積于絕緣層之上；主結構層下方制作有一個以上的微型突點， 以防止黏滯效應。上述本實用新型的技術方案中，所述超低阻值硅基板的阻值為0.001 0扁Q-cm。上述本實用新型的技術方案中，所述絕緣層為低應力氮化硅薄膜。 上述本實用新型的技術方案中，所述主結構層為低應力多晶硅薄膜。 由于傳統的微抓舉式致動器是以一般阻值硅基板(20Q-cm)作為下電極，驅 動電壓大約在70 120V的范圍，除了下電極的硅基板材料會影響驅動電壓的外， 軸襯的高度、寬度以及主結構層多晶硅的厚度也會影響。因此，本實用新型利用 超低阻值硅基板(0.001 0.004Q-cm)作為下電極材料，并改變微抓舉式致動器的 制程參數與調整元件的最小線寬，進而將微抓舉式致動器元件驅動電壓大幅降低 到5 25V之間。所以本實用新型是針對微型馬達的集成化設計研發，以超低阻值 硅基板大幅降低微抓舉式致動器的驅動電壓，并提供完整且穩定的制程步驟與方 法，可兼顧微型風扇芯片與控制電路集成化成單一芯片的可能性。
圖1是微抓舉式致動器外加驅動電壓的步進運動示意圖； 圖2是本實用新型制成微抓舉式制動器的三維結構圖； 圖3是本實用新型的制程步驟示意圖；圖4是本實用新型微抓舉式致動器的貼底電壓與撓曲電壓的測量曲線； 圖5是本實用新型微抓舉式致動器的貼底電壓與致動平板形狀關系圖； 圖6是超低阻值芯片與一般芯片的貼底電壓比較圖。
具體實施方式
本實用新型涉及一種以超低阻值硅基板制作低驅動電壓微抓舉式致動器的方 法及結構，其以超低阻值硅基板材料配合完整且穩定的制程步驟與方法，可降低 微抓舉式致動器的驅動電壓，并控制軸襯寬度不超過1.5pm，以下即配合附圖詳細 說明本實用新型的創新制程-如圖2所示，本實用新型至少包含有超低阻值硅基板20、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，本實用新型特別在主結構層30下方 制作微型突點(Dimple) 31以防止黏滯，詳細的制作流程如圖3所示(a) 以低壓化學氣相沉積法(LPCVD)在一超低阻值硅基板20上沉積低應 力氮化硅薄膜(Si3N4)作為絕緣層21，并在第一道微影制程之后，以電感耦合式 電漿蝕刻機(ICP)蝕刻絕緣層21，以裸露出超低阻值硅基板20的下電極預定位 置25。(b) 以電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)在絕緣層20上沉積磷硅玻璃薄 膜(PSG-O)作為第一層低應力犧牲層22，并以第二道微影制程，在第一層低應 力犧牲層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沉積法(PECVD)在第一層低應力犧牲層22上沉 積磷硅玻璃薄膜(PSG-1)作為第二層低應力犧牲層24，沉積第二層低應力犧牲 層24的主要目的是要修正軸襯寬度，因為曝光機臺的線寬最小分辨率為2pm，但 是配合元件必須要有最小線寬為1.5pm，因此利用這一道步驟來縮小機臺所沒有辦 法達到的最小線寬極限。(d) 第三道微影制程，以電感耦合式電漿蝕刻機(ICP)蝕刻定義出錨和下 電極預定位置25的圖案。(e) 以低壓化學氣相沉積法(LPCVD)在第二層低應力犧牲層24上沉積低 應力多晶硅薄膜(Poly-Si)作為主結構層30，并將芯片置入水平爐管進行磷擴散 及高溫退火制程。(f) 第四道微影制程，以電感耦合式電漿蝕刻機(ICP)蝕刻定義出主結構 層30的圖案。(g) 以電子束蒸鍍機蒸鍍鉻/金，并在第五道微影制程，以濕蝕刻定義出上電 極41與下電極42的圖案。(h) 將元件置于緩沖氫氟酸(BOE)中進行濕式蝕刻，并蝕刻第一、二低應 力犧牲層22、 24，以釋放主結構層30。如以掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope; SEM)拍攝微抓舉式 致動器元件結構，便可以看出釋放之后的元件懸浮結構，因為使用低應力多晶硅
薄膜作為主結構層，使元件的平整性相當良好，不會產生因為薄膜應力不匹配造 成元件失效的情形。如圖4所示，本實用新型的微抓舉式致動器元件經動態特性測試之后，發現 其貼底電壓(snapvoltage)與撓曲電壓(primingvoltage)呈現線性關系，并且與 國外模擬的預測結果相符，與國際知名研發團隊所模擬的結果大致趨勢相同，但 是本實用新型的微抓舉式致動器元件的驅動電壓明顯比國際上現有的微抓舉式致 動器元件低很多。再如圖5所示，若針對本實用新型所設計的多種不同致動平板形狀與驅動電 壓的關系進行探討，測試結果發現當致動平板為三角形(Triangle)時，其驅動電壓約比矩形平板的驅動電壓高 1 2V，但是三角形平板具有比較不會因為累積電荷而縮短壽命的重要優點，同時 三角形平板也具有較短的驅動延遲時間。另一方面，矩形平板的尾端若能加入適 當的蝕刻孔設計，不僅可減少累積電荷，同時也可以降低驅動電壓。另如圖6所示，若比較超低阻值芯片與一般芯片的貼底電壓，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，本實用新型在制 程整合時，利用兩批不同阻值的基板作為下電極，經過相同的制程步驟后發現-低電阻的基板會得到比普通基板降低約5 6V的驅動電壓，此結果與實用新 型人的預測完全符合。將來若再配合上電極金屬材料的調整;，預計可以降低約10V 驅動電壓而使其達IO伏特以下的電壓準位，這將十分有利于未來微抓舉式致動器 運用于各類量產化產品。綜上所述，本實用新型確實已具備以上各項優點，相比于習用結構也具有顯 著的功效增進。以上所述，僅為本實用新型的較佳實施型態，凡應用本實用新型說明書、權 利要求書或附圖所作的等效結構變化，均應包含在本實用新型的專利保護范圍內。
權利要求1、一種低驅動電壓微抓舉式致動器結構，其特征在于包含一超低阻值硅基板；一絕緣層，沉積于超低阻值硅基板之上；至少一主結構層，沉積于絕緣層之上；主結構層下方制作有一個以上的微型突點，以防止黏滯效應。
2、 如權利要求l所述低驅動電壓微抓舉式致動器結構,，其特征在于:低阻值硅基板的阻值為0.001 0.004Q-cm。
3、 如權利要求1所述低驅動電壓微抓舉式致動器結構，其特征在于: 緣層為低應力氮化硅薄膜。
4、 如權利要求l所述低驅動電壓微抓舉式致動器結構，其特征在于: 結構層為低應力多晶硅薄膜。所述超 所述絕 所述主
專利摘要本實用新型涉及一種低驅動電壓微抓舉式致動器結構，其包含一超低阻值硅基板；一絕緣層，沉積于超低阻值硅基板之上；至少一主結構層，沉積于絕緣層之上；主結構層下方制作有一個以上的微型突點，以防止黏滯效應。本實用新型可大幅降低微抓舉式致動器元件驅動電壓。
文檔編號H02N1/06GK201018426SQ20072000305
公開日2008年2月6日 申請日期2007年2月25日 優先權日2007年2月25日
發明者李彥其, 林君穎, 洪銀樹, 黃義佑 申請人:建凖電機工業股份有限公司