專利名稱：彈跳式致動微型馬達的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以微機電系統(tǒng)(Micro electromechanical Systems; MEMS)技 術(shù)制作的微型旋轉(zhuǎn)馬達(Micro Rotary Motor),其利用彈跳式致動器(BDA)驅(qū)動 機制與特性來改善傳統(tǒng)靜電式驅(qū)動微型馬達的組件壽命短、驅(qū)動電壓高等缺點。
技術(shù)背景微小化技術(shù)是當今科學的主要潮流。最為公眾所知的，便是集成電路(IC) 技術(shù)以及微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，也是帶領(lǐng)我們在最近這幾年來， 一起探究 微小世界的初步技術(shù)。傳統(tǒng)的微抓舉式致動器(Scratch Drive Actuator; SDA)具有可精確定位以及 線性步進的機械性質(zhì)。如圖l所示，在Bright(布萊特)以及Linderman(黎德曼)所做的研究中指出，當 在給定驅(qū)動電壓的情況下，SDA平板6彎曲使得尾端會先進行吸附動作，并接觸 氮化硅絕緣層2，稱為折屈動作(snaping);當電壓加大到吸附電壓時(Priming Voltage), SDA主體因靜電力而產(chǎn)生較大變形，SDA平板6會大面積接觸氮化硅 絕緣層2，而當移除給定電壓后，儲存在支撐懸臂梁、SDA平板6與SDA軸襯14 中的張應(yīng)力能量將推動SDA平板6向前移動完成一次步進運動。對于SDA平板的最佳尺寸已在先前的文獻中(出自R. J. Linderman與V. M. Bright等人所做的模擬結(jié)果)提出，為長78pm、寬65pm?，F(xiàn)已研發(fā)出利用SDA致動器所構(gòu)造成的微型旋轉(zhuǎn)馬達(Micro Rotary Motor), 以及目前全世界最小的微型風扇(MicroFan),尺寸為2mmx2mm，它是利用自我 組裝技術(shù)在SDA微型馬達外環(huán)增加扇葉制成的。SDA致動器的制造過程采用多晶硅面加工技術(shù)的多使用者MEMS制程 (Polysilicon-based surface micromachining Multi-User MEMS Processes; MUMPs)。但目前以SDA為主體驅(qū)動的微型馬達或微型風扇，因存在組件壽命短、驅(qū)動 電壓高，且存在瞬間反轉(zhuǎn)現(xiàn)象等問題，限制了其在商業(yè)產(chǎn)品上的應(yīng)用。再如圖2所示，傳統(tǒng)的SDA平板6與SDA支撐懸臂梁7的連接處因為彎曲 剛性不足，所以很容易因為扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致斷裂。發(fā)明內(nèi)容針對上述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種彈跳式致動器(Bounce Drive Actuator; BDA)，以其為主體構(gòu)成微型馬達或微型風扇，并搭配創(chuàng)新的肋骨結(jié)構(gòu) 毗連內(nèi)環(huán)設(shè)計以及導(dǎo)角設(shè)計，將大為增長組件壽命、提高轉(zhuǎn)速、降低驅(qū)動電壓， 以及持續(xù)性的轉(zhuǎn)動方向。為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案 一種彈跳式致動微型馬達的制 作方法，其特征在于包含以下步驟(a)首先在硅基板上沉積一層絕緣層；(b)利用光學微影與干式蝕刻技術(shù)定義所述硅基板的裸露區(qū)域，作為下電極硅基板的接觸窗口； (c)在所述絕緣層上沉積第一層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜；(d)在所述第一層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜上以光學微影技術(shù)定義彈跳式致動微型馬達的外環(huán)軌道區(qū)域與至少一個錨座接觸窗口； (e)在所述第一層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜上 沉積第一層低應(yīng)力磷硅薄膜，形成彈跳式致動微型馬達的第一層犧牲層結(jié)構(gòu)；(f) 在所述第一層低應(yīng)力磷硅薄膜上以光學微影技術(shù)定義至少一個微型突點接觸窗口 和軸襯接觸窗口； (g)在所述第一層低應(yīng)力磷硅薄膜上沉積第二層低應(yīng)力摻雜多 晶硅薄膜；(h)在所述第二層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜上以光學微影技術(shù)定義至少 一個BDA微型馬達肋骨結(jié)構(gòu)；(i)在所述第二層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜上沉積第 二層低應(yīng)力磷硅薄膜，形成彈跳式致動微型馬達的第二層犧牲層結(jié)構(gòu)；(j)在所述 第二層低應(yīng)力磷硅薄膜上以光學微影技術(shù)定義至少一個微型突點接觸窗口和軸襯 接觸窗口； (k)以光學微影在所述第一層與第二層低應(yīng)力磷硅薄膜犧牲層上定義 至少一個上蓋結(jié)構(gòu)；(l)沉積第三層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜，并覆蓋在所述肋骨結(jié) 構(gòu)與第二層磷硅薄膜上，形成彈跳式致動微型馬達主結(jié)構(gòu)層；(m)以光學微影在 所述第三層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜上定義至少一個上蓋結(jié)構(gòu)與彈跳式致動轉(zhuǎn)子結(jié) 構(gòu)；(n)在所述第三層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜與第二層磷硅薄膜上蒸鍍沉積鉻/金 金屬薄膜；(0)以光學微影在鉻/金金屬薄膜上定義歪少一個下電極與上電極接點； (p)使用濃度稀釋為49%的氫氟酸蝕刻所述第一層與第二層犧牲層以釋放彈跳式 致動微型馬達的主結(jié)構(gòu)層。上述本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述絕緣層是利用低壓化學氣相沉積系統(tǒng)沉積形 成的低應(yīng)力氮化硅薄膜。上述本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述硅基板為下電極接點，當驅(qū)動彈跳式致動微 型馬達時所述低阻值硅基板為下電極與作為機械支撐的重要支柱。上述本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜是利用低壓化學氣相 沉積系統(tǒng)沉積形成的低應(yīng)力多晶硅材料。上述本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述犧牲層是利用電漿輔助化學氣相沉積系統(tǒng)沉積形成的低應(yīng)力磷硅薄膜材料。采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明制成的BDA致動器與傳統(tǒng)SDA致動器比較，具 有較寬且較短的BDA軸襯，使得BDA軸襯與絕緣層的正向摩擦力增加，再搭配 本發(fā)明BDA平板長度小于75pm設(shè)計，使得在給定相同的驅(qū)動電壓時，BDA平板 比傳統(tǒng)SDA平板具有更好的彎曲剛性，因此在施加驅(qū)動電壓后，BDA平板后端 接觸絕緣層的摩擦力小于BDA軸襯對絕緣層的摩擦力，使BDA平板先向上彎曲 并僅以后端小面積接觸絕緣層，進而造成BDA軸襯被擠壓和內(nèi)縮；當施加的電壓 移除后，BDA平板后端接觸絕緣層的摩擦力便大于BDA軸襯對絕緣層的摩擦力， 儲存的張力將使致動器組件以彈跳式的動作模式向后彈出。由于利用本發(fā)明所制 成的BDA平板的接觸面積較小，所以可減少絕緣層磨耗，使微型馬達或微型風扇 具有較長的組件壽命(〉100hrs)、較高的轉(zhuǎn)速(〉30rpm)、較低的驅(qū)動電壓，并 可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動方向的連續(xù)性，克服了現(xiàn)有SDA致動器的諸多不足，具有廣闊的市場 前景。


圖1是傳統(tǒng)SDA致動器的動作圖；圖2是傳統(tǒng)SDA微型馬達的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3是本發(fā)明BDA微型馬達的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖4是本發(fā)明的導(dǎo)角設(shè)計示意圖；圖5是傳統(tǒng)SDA與本發(fā)明BDA軸襯高、寬比例示意圖； 圖6是BDA致動器的動作圖； 圖7A是本發(fā)明BDA微型馬達的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7B是本發(fā)明BDA微型馬達的結(jié)構(gòu)剖視圖； 圖8A、圖8B是本發(fā)明BDA微型馬達制造過程步驟示意圖； 圖9是馬達轉(zhuǎn)速相對于平板長度的關(guān)系表； 圖IO是轉(zhuǎn)速相對于驅(qū)動頻率的關(guān)系表； 圖11是本發(fā)明BDA運用于微型風扇的實施示意圖。
具體實施方式
現(xiàn)舉以下實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、功效及特點進行詳細說明。 如圖2、圖3所示，可比較傳統(tǒng)微抓舉式致動器(SDA)微型馬達與彈跳式致動器(BDA)微型馬達在主體結(jié)構(gòu)上存在的差異本發(fā)明為了使BDA支撐懸臂梁9不會因為扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致斷裂，特別利用第三層多晶硅5來同時建構(gòu)BDA平板8、 BDA支撐懸臂梁9、內(nèi)環(huán)10以及上蓋12，并以一肋骨結(jié)構(gòu)11來毗連內(nèi)環(huán)10，如此一來，可增加BDA微型馬達的彎曲剛性及提 高組件壽命。如圖4所示，為本發(fā)明創(chuàng)新設(shè)計的導(dǎo)角13，導(dǎo)角13是為了增加BDA支撐懸 臂梁9的結(jié)構(gòu)強度，使BDA平板8在致動的情形下，不會因為扭曲斷裂而造成組 件故障失效。導(dǎo)角13可通過掃描式電子顯微鏡清楚地觀察到。本發(fā)明所采用的肋骨結(jié)構(gòu)11毗連內(nèi)環(huán)10的設(shè)計以及導(dǎo)角13的設(shè)計，使BDA 微型馬達具有更長的組件壽命(>100小時)與更高的轉(zhuǎn)速(〉30rpm)。如圖5所示，是傳統(tǒng)SDA與本發(fā)明BDA軸襯高、寬比例示意圖與結(jié)構(gòu)剖面 圖，由圖中可以明顯的看出BDA平板8比SDA平板6短，且BDA軸襯15也比 SDA軸襯14短且寬。如圖6所示，為本發(fā)明的運動方式，由于本發(fā)明BDA平板8的長度比傳統(tǒng) SDA平板6短，故具有較好的彎曲剛性，而且在施加驅(qū)動電壓之后，BDA平板8 后端接觸氮化硅絕緣層2的摩擦力小于BDA軸襯15對氮化硅絕緣層2的摩擦力， 使BDA平板8先向上彎曲且僅以后端的極小面積接觸氮化硅絕緣層2，進而造成 BDA軸襯15被擠壓和內(nèi)縮。當施加的電壓移除之后，BDA平板8后端接觸氮化 硅絕緣層2的摩擦力便大于BDA軸襯15對氮化硅絕緣層2的摩擦力，所儲存的 張力即可驅(qū)使致動器組件以彈跳式的動作模式向后彈出。如圖7A、圖7B所示，為本發(fā)明BDA微型馬達的布局設(shè)計與結(jié)構(gòu)剖面圖，本 發(fā)明以肋骨結(jié)構(gòu)11來毗連內(nèi)環(huán)10，并配合導(dǎo)角13改善組件特性，避免BDA支撐 懸臂梁9在扭曲時斷裂造成組件故障失效的情形。如圖8A、圖8B所示，為本發(fā)明BDA微型馬達的制作步驟(一) 使用LPCVD (低壓化學氣相沉積)系統(tǒng)在硅基板20上沉積低應(yīng)力 (250MPa)氮化硅薄膜(Si3N4)作為絕緣層21，并利用第一道光學微影與干式蝕刻技術(shù)定義硅基板20的裸露區(qū)域，作為下電極硅基板的接觸窗口 22。(二) 使用LPCVD系統(tǒng)沉積第一層低應(yīng)力(200MPa)摻雜多晶硅薄膜23， 厚度為1.5pm，并將芯片置入水平爐管進行磷擴散及高溫退火制程，最后利用第二 道光學微影與反應(yīng)式耦合電漿(ICP)干式蝕刻技術(shù)定義BDA微型馬達的外環(huán)軌 道24與上電極區(qū)域。(三) 使用PECVD (電漿輔助化學氣相沉積)系統(tǒng)沉積2pm厚的第一層低 應(yīng)力磷硅薄膜26作為第一層低應(yīng)力(300MPa)犧牲層，并利用第三道光學微影 與干式蝕刻技術(shù)定義微型突點接觸窗口 27和軸襯接觸窗口 28。(四) 使用LPCVD系統(tǒng)沉積2pm厚的第二層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜29，并將芯片置入水平爐管進行磷擴散及高溫退火制程，最后利用第四道光學微影與干式蝕刻技術(shù)定義肋骨結(jié)構(gòu)(Rib) 30。(五) 使用PECVD系統(tǒng)沉積1.5pm厚的第二層低應(yīng)力磷硅薄膜31作為第二 層低應(yīng)力犧牲層，并利用第五道光學微影與干式蝕刻技術(shù)定義微型突點接觸窗口 32及軸襯接觸窗口 34。(六) 接著進行第六道光學微影制程，并利用干式蝕刻技術(shù)蝕刻錨座接觸窗 口 35以定義出上蓋(cover)圖形。(七) 使用LPCVD系統(tǒng)沉積2pm厚的第三層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜36作為 主結(jié)構(gòu)層，并將芯片置入水平爐管進行磷擴散及高溫退火制程，再利用第七道光 學微影與干式蝕刻技術(shù)定義BDA微型馬達的主結(jié)構(gòu)區(qū)域，且該主結(jié)構(gòu)區(qū)域包含至 少一個微型突點37、懸臂梁38、內(nèi)環(huán)39、上蓋40、軸襯41與BDA馬達轉(zhuǎn)子42。(八) 利用E-beam (電子束蒸鍍機)系統(tǒng)蒸鍍沉積200nm/250nm Cr/Au金屬 薄膜，并利用第八道光學微影與濕式蝕刻技術(shù)定義出上電極44與下電極45圖案。(九) 使用濃度稀釋為49%的HF(氫氟酸)蝕刻第一層與第二層低應(yīng)力磷硅薄 膜26、 31以釋放BDA微型馬達的主結(jié)構(gòu)層。經(jīng)實驗驗證，使用濃度稀釋為49% 的氫氟酸的蝕刻速率快，可快速釋放結(jié)構(gòu)層，且達到的效果最好。根據(jù)動態(tài)測量得知，當平板長度大于75pm時(例如78 88pm)， BDA微型 馬達呈現(xiàn)出SDA微型馬達的特性且正向運轉(zhuǎn)(并且有瞬間的反轉(zhuǎn))，在給定的 900Hz、正弦波90Vo-p驅(qū)動電壓下啟動，其轉(zhuǎn)速大約只有l(wèi)rpm。而當平板長度縮 短到小于75pm時(例如68nm、 58|im或33pn)，組件便呈現(xiàn)出BDA微型馬達的 特性且"反向"運轉(zhuǎn)，在相同的驅(qū)動電壓與頻率下，轉(zhuǎn)速可達到30rpm以上。再 如圖9所示，為轉(zhuǎn)速相對于平板長度的關(guān)系表，由該表中可明顯看出，較短的平 板在相同的驅(qū)動電壓下，其轉(zhuǎn)速較快。如圖10所示，為頻率相對于轉(zhuǎn)速的關(guān)系表，由該表中可看出BDA微型馬達 的給定頻率與轉(zhuǎn)速具有線性關(guān)系。如圖11所示，為BDA微型馬達50應(yīng)用于制作微型風扇。該微型風扇結(jié)合了 BDA微型馬達50與八個利用自我組裝技術(shù)所開發(fā)的微型扇葉51，連接BDA微型 馬達50與微型扇葉51的聚亞酰胺接點52舉起扇葉的驅(qū)動力則是利用聚亞酰胺材 料本身經(jīng)過高溫烘烤所產(chǎn)生的表面張力。另外，本發(fā)明也適用于微出力組件的結(jié)構(gòu)組裝與微光通訊開關(guān)。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施型態(tài)，凡依據(jù)本發(fā)明說明書、權(quán)利要求書 或附圖所作的等效結(jié)構(gòu)變化，均應(yīng)包含在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種彈跳式致動微型馬達的制作方法，其特征在于包括以下步驟(a)首先在硅基板上沉積一層絕緣層；(b)利用光學微影與干式蝕刻技術(shù)定義所述硅基板的裸露區(qū)域，作為下電極硅基板的接觸窗口；(c)在所述絕緣層上沉積第一層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜；(d)在所述第一層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜上以光學微影技術(shù)定義彈跳式致動微型馬達的外環(huán)軌道區(qū)域與至少一個錨座接觸窗口；(e)在所述第一層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜上沉積第一層低應(yīng)力磷硅薄膜，形成彈跳式致動微型馬達的第一層犧牲層結(jié)構(gòu)；(f)在所述第一層低應(yīng)力磷硅薄膜上以光學微影技術(shù)定義至少一個微型突點接觸窗口和軸襯接觸窗口；(g)在所述第一層低應(yīng)力磷硅薄膜上沉積第二層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜；(h)在所述第二層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜上以光學微影技術(shù)定義至少一個BDA微型馬達肋骨結(jié)構(gòu)；(i)在所述第二層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜上沉積第二層低應(yīng)力磷硅薄膜，形成彈跳式致動微型馬達的第二層犧牲層結(jié)構(gòu)；(j)在所述第二層低應(yīng)力磷硅薄膜上以光學微影技術(shù)定義至少一個微型突點接觸窗口和軸襯接觸窗口；(k)以光學微影在所述第一層與第二層低應(yīng)力磷硅薄膜犧牲層上定義至少一個上蓋結(jié)構(gòu)；(l)沉積第三層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜，并覆蓋在所述肋骨結(jié)構(gòu)與第二層磷硅薄膜上，形成彈跳式致動微型馬達主結(jié)構(gòu)層；(m)以光學微影在所述第三層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜上定義至少一個上蓋結(jié)構(gòu)與彈跳式致動轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；(n)在所述第三層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜與第二層磷硅薄膜上蒸鍍沉積鉻/金金屬薄膜；(o)以光學微影在鉻/金金屬薄膜上定義至少一個下電極與上電極接點；(p)使用濃度稀釋為49％的氫氟酸蝕刻所述第一層與第二層犧牲層以釋放彈跳式致動微型馬達的主結(jié)構(gòu)層。
2、 如權(quán)利要求1所述的彈跳式致動微型馬達的制作過程，其特征在于所述 絕緣層是利用低壓化學氣相沉積系統(tǒng)沉積形成的低應(yīng)力氮化硅薄膜。
3、 如權(quán)利要求1所述的彈跳式致動微型馬達的制作方法，其特征在于所述 硅基板為下電極接點，當驅(qū)動彈跳式致動微型馬達時所述低阻值硅基板為下電極 與作為機械支撐的重要支柱。
4、 如權(quán)利要求1所述的彈跳式致動微型馬達的制作方法，其特征在于所述 低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜是利用低壓化學氣相沉積系統(tǒng)沉積形成的低應(yīng)力多晶硅材 料。
5、 如權(quán)利要求1所述的彈跳式致動微型馬達的制作方法，其特征在于所述 犧牲層是利用電槳輔助化學氣相沉積系統(tǒng)沉積形成的低應(yīng)力磷硅薄膜材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種彈跳式致動微型馬達的制作方法，包括以下步驟在硅基板上沉積一層絕緣層；然后依次沉積三層低應(yīng)力摻雜多晶硅薄膜、二層低應(yīng)力磷硅薄膜，二層低應(yīng)力磷硅薄膜形成犧牲層結(jié)構(gòu)；在各層薄膜結(jié)構(gòu)上分別形成BDA微型馬達的肋骨結(jié)構(gòu)、上蓋結(jié)構(gòu)、彈跳式致動微型馬達的主結(jié)構(gòu)層、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、下電極與上電極接點，最后蝕刻二犧牲層以釋放彈跳式致動微型馬達的主結(jié)構(gòu)層。由本發(fā)明制成的BDA微型馬達具有更長的組件壽命(＞100小時)與更高的轉(zhuǎn)速(＞30rpm)。
文檔編號H01L41/22GK101325242SQ200710108460
公開日2008年12月17日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者洪銀樹, 陳冠銘, 黃義佑 申請人:建凖電機工業(yè)股份有限公司