懸臂梁式微機電系統的製作方法
2023-05-08 20:59:36
專利名稱：懸臂梁式微機電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖技術領域，提供一種微機電系統(Micro-Electromechanical System，MEMS)的製作方法，尤指一種應用於光纖通訊領域中的懸臂梁(cantilever beam)式微機電系統的製作方法。
背景技術：
在國際網際網路日益普及和高傳輸容量快速成長下，為了解決網絡呈現壅塞的狀況，已陸續提出纜線數據機(cable modem)、非同步數字用戶迴路(ADSL)和時間多工與波長多工相結合的高密度波長多工通訊系統(dense wavelength-division multiplexing，DWDM)等解決方法。其中由於DWDM系統具有可在單一條光纖中同時使用多個波長的光信號，使得光纖網絡容量大幅增加的優點，故已成為目前最重要的光纖通訊架構之一。
一個完整的DWDM光纖系統包括有光發射/接收器、波長多工器/解多工器、光纖放大器(EDFA)、波長擷取多工器、色散補償裝置、濾波器、光開關路由器及其他光通訊元件、處理電路與架構光學系統的機構等。在光纖通訊領域中，製作高密度波長多工器的技術可分為光學濾片式、光纖光柵式、光纖耦合器以及光波導型等。其中，光學濾片式主要是利用稜鏡(prism)或薄膜幹涉濾鏡(thin filmfilter，TFF)，光纖光柵是主要是利用各種光柵，例如布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)或陣列波導光柵(arrayedwaveguide grating，AWG)等，而光纖耦合器主要是利用各種幹涉儀(如Fabry-Perot Interferometer、Mach-Zehnder)等物理機制來達到光學上多通道的濾波、分光的目的。
從實際應用的觀點而言，成本低廉的光纖耦合器只能做到8個波長，適合區域網絡，光纖光柵及光波導型可達到64個波長以上，適合長途的通訊網絡，而光學濾片式則約在32個波長內。此外，由製程技術之前瞻性來評估，目前雖以薄膜幹涉濾鏡最具熱穩定性，但由於其光學需求極為嚴格，因此良率不高且成本昂貴，所以仍無法完全取代現行以濾片為主流的分波技術，但類似半導體製程的陣列波導光柵技術，其主要利用平面光波導法耦合出所需的波長，在因應於未來對高通道數需求日增的趨勢下，便極有可能取代濾片成為市場主流。
這種結合了光、機和電的特性並利用半導體製程所製造出來的微機電系統，將可使得數據傳遞過程中，一直保持在光的形式，亦即光-光傳輸，不需要轉換至電子資訊層的架構，而且由於微機電技術亦可製造出可調變控制的微結構，使得微機電系統在光纖通訊暨無線射頻通訊方面業已受到廣泛的重視。因此，隨著光纖通訊的急速成長，利用微機電製程技術已成功地切入光通訊元件的市場，同時在DWDM系統上逐漸取代光-電-光轉換程序中延遲整個寬頻通訊系統的光電開關元件。
發明內容
本發明的主要目的在於提供一種懸臂梁式微機電系統的製作方法。
本發明的次要目的在於提供一種製程步驟簡化且具低製造成本的懸臂梁式微機電系統的製作方法。
本發明的另一目的在於提供一種應用於光纖通訊領域中的微機電系統的製作方法，用來製造一當作光電開關元件以進行多通道的濾波或分光的微機電系統。
本發明的最佳實施例揭露了一種懸臂梁(cantilever beam)式微機電系統(Micro-Electromechanical System，MEMS)的製作方法，該懸臂梁式微機電系統製作於一半導體基底上，且該半導體基底表面包含有一重摻雜層以及一第一介電層(dielectric layer)。首先於該第一介電層中形成至少二通達該重摻雜層表面的第一導體(conductor)，接著於該等第一導體間的該第一介電層中形成一第二介電層，且該第二介電層不接觸該重摻雜層表面，然後於該半導體基底上形成一圖案化犧牲層，並覆蓋於該第二介電層、該第一介電層以及各該第一導體之上，隨後於該半導體基底上形成一第三介電層來覆蓋該圖案化犧牲層，再於該第三介電層中形成一第四介電層，且該第四介電層不接觸該圖案化犧牲層表面，之後於該第三介電層表面形成至少二第二導體，且各該第二導體系分別位於該第二介電層兩側的該等第一導體之上方，最後蝕刻該第四介電層，以於該第四介電層中形成複數個開口，並在該半導體基底上形成一頂蓋(cap)層以覆蓋各該第二導體、該第四介電層以及該第三介電層之後，再去除該圖案化犧牲層。
由於本發明的微機電系統結合了光纖光柵式的高密度波長多工器，用以進行多通道的濾波與分光的功用，且其製作方法是利用一般半導體製程設備與技術來製作，故不僅製程簡單且可大量製作降低產品成本。此外，由於微機電系統的體積尺寸小，因此僅需要極少能量即可運作，不但耗能較少且反應時間較短。
圖1至圖13為本發明最佳實施例製作懸臂梁式微機電系統的方法示意圖。
圖式的符號說明10懸臂梁式微機電系統 12半導體基底14重摻雜層 16氧化層18開口 20電極22溝渠 24光波導線26圖案化犧牲層 28氧化層30氧化層 32黏著層34阻擋層 36溝渠38氧化層 40電極42開口 44頂蓋層46蝕刻窗具體實施方式
在本發明最佳實施例中的懸臂梁式微機電系統製作於一N型半導體基底上，但本發明不僅限於此，本發明亦可應用於一P型半導體基底、磊晶矽基底或矽復絕緣基底上。請參考圖1至圖13，圖1至圖13為製作本發明的懸臂梁式微機電系統10的方法示意圖，其中圖2為圖1沿線I-I′的剖面結構示意圖，圖4與圖5為圖3沿線II-II′的剖面結構示意圖，且圖8為圖7沿線III-III′的剖面結構示意圖。
如圖1與圖2所示，首先進行一離子布植製程，將磷(phosposer)離子植入一N型半導體基底12中，以於半導體基底12表面形成一N型重摻雜層14，並進行一快速加熱回火(rapid thermal anneal，RTA)製程，以修補半導體基底12的表面結構。接著於重摻雜層14上沉積一厚度較厚的氧化層16，再於氧化層16上塗布一光阻層(未顯示於圖1與圖2中)，並利用一微影暨蝕刻製程(photolithographyetching process，PEP)，來去除未被光阻層所覆蓋的氧化層16，以於氧化層16中形成至少二通達重摻雜層14表面的開口18。然後去除光阻層，再於半導體基底12上沉積一N型重摻雜多晶矽層(未顯示於圖1與圖2中)，並使得該多晶矽層填入開口18中，隨後進行一化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)製程或一回蝕刻(etching back)製程，去除氧化層16上的該多晶矽層，以於氧化層16中形至少二電極20。接著於半導體基底12上形成另一光阻層(未顯示於圖1與圖2中)，並再利用一微影暨蝕刻製程，去除未被光阻層所覆蓋部分的氧化層16，以於電極20間的氧化層16中形成一未通達重摻雜層14表面的溝渠(trench)22。去除光阻層之後，再於半導體基底12上沉積一氧化層(未顯示於圖1與圖2中)並填滿溝渠22，隨後進行一化學機械研磨製程，去除電極20與氧化層16上的該氧化層，以於氧化層16中形成一光波導線(waveguide)24。其中，氧化層16與光波導線24具有不同的折射率，且形成電極20的材料可包含有金(gold，Au)、鎢(tungsten，W)、銅(copper，Cu)、鋁(aluminum，Al)、鋁銅合金(Al-Cu alloy)或其他導電材質。
接著如圖3所示，進行一化學氣相沉積(CVD)製程，以於半導體基底12上沉積一厚度約為3微米(micrometer，μm)的犧牲層(未顯示於圖3中)，再於犧牲層上塗布一光阻層(未顯示於圖3中)，並進行一微影暨蝕刻製程，來去除未被光阻層所覆蓋的犧牲層，以形成一圖案化犧牲層26，且圖案化光阻層26覆蓋於部分的光波導線24、電極20與氧化層16之上。在去除光阻層之後，然後於半導體基底12上沉積一厚度大於圖案化犧牲層26的氧化層28，並對氧化層28進行一化學機械研磨製程，使得氧化層28的上表面與圖案化犧牲層26的上表面約略切齊，再於圖案化犧牲層26與氧化層28上形成一厚度約為3微米的氧化層30。其中，形成犧牲層的材料包含有鎢(tungsten，W)金屬、氮化矽、二氧化矽、有機聚合物或多孔矽(poroussilicon)，而氧化層28是用來當作本發明的懸臂梁式微機電系統10的固定柱(anchor)結構，主要是將後續形成的微結構固定在半導體基底12上，防止微結構在後續圖案化犧牲層26去除的過程中受到影響。
如圖4所示，接著於氧化層30上塗布一光阻層(未顯示於圖4中)，並進行一微影暨蝕刻製程，去除未被光阻層所覆蓋部分的氧化層30，以於氧化層30中形成一未通達圖案化犧牲層26表面的溝渠36，隨後再利用一沉積製程以及一化學機械研磨製程，以於氧化層30中形成一填入溝渠36的氧化層38，且氧化層38的上表面與氧化層30的上表面約略切齊。然後再於氧化層30上形成一厚度約為0.8微米的金屬層與一光阻層(未顯示於圖4中)，並進行一微影暨蝕刻製程，先去除未被光阻層所覆蓋的金屬層，以形成至少二電極40，且電極40分別位於光波導線24兩側的電極20的相對上方，接著再去除光阻層。其中，氧化層30與氧化層38具有不同的折射率，且形成電極40的材料可包含有金(gold，Au)、鎢(tungsten，W)、銅(copper，Cu)、鋁(aluminum，Al)、鋁銅合金(Al-Cu alloy)、多晶矽或其他導電材質。
然後如圖5所示，於半導體基底12上形成另一光阻層(未顯示於圖5中)，並進行一微影暨蝕刻製程，去除未被光阻層所覆蓋的氧化層38，以於氧化層38中形成複數個具有等間距、等寬度以及等深度的開口42，用來於氧化層38中構成光柵(optical grating)，接著再於半導體基底12上形成一頂蓋(cap)層44，且頂蓋層44覆蓋於開口42、電極40、氧化層38與氧化層30之上。其中，開口42的深度約為1.5微米，且頂蓋層44為一氧化層。
如圖6與圖7所示，於半導體基底12上形成一圖案化光阻層(未顯示於圖6與圖7中)，並進行一幹蝕刻製程，去除未被圖案化光阻層所覆蓋的頂蓋層44與氧化層30，以於氧化層30中形成至少一蝕刻窗(etch hole)46，蝕刻窗46的數量依微機電系統的尺寸大小與後續蝕刻速率有關，接著進行一結構釋放(structure releasing)製程，例如一等向性(isotropic)溼蝕刻製程，將懸臂梁式微機電系統10浸泡在蝕刻液中，使蝕刻液得以經由蝕刻窗46均勻並快速地側向蝕刻其下方的圖案化犧牲層26，大幅減少所需的結構釋放時間，進而降低結構層在去除圖案化犧牲層26的過程中可能受到蝕刻或腐蝕，以於形成一孔穴(cavity)48，如圖8所示，完成本發明的懸臂梁式微機電系統10的製作。此外，在進行完溼蝕刻之後，可另進行一清洗(rising)與乾燥製程，又為了避免當表面張力、靜電力或離子鍵等作用力大於微結構的回覆力，如彈力時，而使微結構與半導體基底12之間產生沾黏(stiction)的現象，導致微機電系統10無法操作，本發明的方法可於氧化層30的下方增加凸塊結構(bump)(未顯示於圖6至圖8中)，以降低微結構與半導體基底12的接觸面積，改善沾黏狀況。
值得注意的是，如圖9所示的本發明第二實施例，本發明的懸臂梁式微機電系統10亦可於形成圖案化犧牲層26前，先於氧化層16上另形成一黏著(glue)層32，且黏著層32覆蓋於氧化層16、電極20與光波導線24之上，用來增加圖案化犧牲層26與氧化層16的黏合度，或是於形成圖案化犧牲層26之後，再於氧化層16上形成一阻擋(block)層34，用來覆蓋住圖案化犧牲層26，以避免後續製程對圖案化犧牲層26造成影響。其中，黏著層32與阻擋層34可視製程的實際需要，僅形成其中一層或兩層都製備，而且所形成的黏著層32與阻擋層34亦可選擇性地於去除圖案化犧牲層26時一併去除，如圖10與圖11所示。
此外，如圖12所示，本發明的懸臂梁式微機電系統10的電極40亦可於形成氧化層38之前，先形成於氧化層30中。其形成的方法是先於氧化層30中形成至少二開口(未顯示於圖12中)，接著於半導體基底12上沉積一導電層(未顯示於圖12中)，並使得該導電層填入該二開口中，最後再利用一化學機械研磨製程，以使該導電層的上表面與氧化層30的上表面約略切齊，構成二電極40。
本發明的懸臂梁式微機電系統10主要應用於光纖通訊領域中，用來當作一光開關元件，以進行濾波或分光的動作，因此在光波導線24的最前端有製作光波的輸入或輸出端的夾具(未顯示於圖中)。當多波長信號被導入一光波導線24的光纖輸入端時，並外加以一電壓，例如12伏特，則會產生靜電力以拉近上下電極20、40間的距離，亦即同時改變孔穴48的高度，如圖13所示，而達到懸臂梁式微機電系統10的可調變的功能，此時，多波長的光波會局限在與周圍氧化層16具有不同折射率的光波導線24中往前傳遞，當光波到達分光用的光柵區時，光波會在光柵區的開口42中進行反射以耦合出所需波長的光波，之後多波長的光波會再經由光波導線24返回輸出端，而經過光柵區分光的所需波長的光波可另外輸出，以達到將原先混合輸入的多波長予以分開輸出的功能。
簡而言之，本發明應用於光學上的懸臂梁式微機電系統具有下列優點(1)由於光本身不具質量，因此只需很小的能量即可驅動微機電系統，(2)對光而言，微小位移(接近波長的距離)即可對光波的物理現象及其特性(波長、光強、相位等)有顯著的作用，(3)尺寸微小的微機電系統具有迅速反應與快速運動的特性，(4)若不需與環境作直接的接觸，則具有容易封裝的特性，(5)大量運用既有的半導體製程設備及技術，便可大量製造出品質穩定的微機電系統，不僅使其具有整體成本降低的潛力，也具有高度商業化的可行性。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明權利要求所作的均等變化與修飾，皆應屬本發明專利的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種懸臂梁式微機電系統的製作方法，其特徵是該製作方法包含有下列步驟提供一半導體基底，且該半導體基底表面包含有一重摻雜層以及一第一介電層；於該第一介電層中形成至少二通達該重摻雜層表面的第一導體；於該等第一導體間的該第一介電層中形成一第二介電層，且該第二介電層不接觸該重摻雜層表面；於該半導體基底上形成一圖案化犧牲層，並覆蓋於該第二介電層、該第一介電層以及各該第一導體之上；於該半導體基底上形成一第三介電層，並覆蓋該圖案化犧牲層；於該第三介電層中形成一第四介電層，且該第四介電層不接觸該圖案化犧牲層表面；於該第三介電層表面形成至少二第二導體，且各該第二導體系分別位於該第二介電層兩側的該等第一導體之上方；蝕刻該第四介電層，以於該第四介電層中形成複數個開口；於該半導體基底上形成一頂蓋層，並覆蓋各該第二導體、該第四介電層以及該第三介電層；以及去除該圖案化犧牲層。
2.如權利要求1所述的製作方法，其特徵是於形成該圖案化犧牲層之前，另包含有一黏著層形成步驟，以形成該黏著層於該第一介電層、該第二介電層以及該等第一導體之上。
3.如權利要求2所述的製作方法，其特徵是於去除該圖案化犧牲層時，亦同時去除該黏著層。
4.如權利要求1所述的製作方法，其特徵是於形成該圖案化犧牲層之後，另包含有一阻擋層形成步驟，以形成該阻擋層於該圖案化犧牲層、該第一介電層、該第二介電層以及該等第一導體之上。
5.如權利要求4所述的製作方法，其特徵是於去除該圖案化犧牲層時，亦同時去除該阻擋層。
6.如權利要求1所述的製作方法，其特徵是該第三介電層包含有一第一氧化層與一第二氧化層，該第一氧化層的上表面約略與該圖案化犧牲層的上表面相切齊。
7.如權利要求1所述的製作方法，其特徵是去除該圖案化犧牲層的方法為一等向性溼蝕刻製程。
8.如權利要求7所述的製作方法，其特徵是於去除該圖案化犧牲層之前，另包含有一蝕刻步驟，用來於該第三介電層中蝕刻出複數個蝕刻窗，以均勻並快速地進行該溼蝕刻而去除該圖案化犧牲層。
9.如權利要求1所述的製作方法，其特徵是該第一介電層與該第二介電層具有不同的折射率，且該第三介電層與該第四介電層亦具有不同的折射率。
10.如權利要求1所述的製作方法，其特徵是該第一導體與該第二導體包含有金、鎢、銅、鋁、鋁銅合金、多晶矽或其他導電材質。
11.如權利要求1所述的製作方法，其特徵是形成該圖案化犧牲層的材料包含有鎢金屬、氮化矽、二氧化矽、有機聚合物或多孔矽。
12.如權利要求1所述的製作方法，其特徵是該頂蓋層為一氧化層。
13.如權利要求1所述的製作方法，其特徵是形成於該第四介電層中的該等開口為複數個具有等間距、等寬度以及等深度的開口。
14.一種懸臂梁式微機電系統的製作方法，該製作方法包含有下列步驟提供一半導體基底，該半導體基底表面包含有一重摻雜層以及一第一介電層；於該第一介電層中形成至少二通達該重摻雜層表面的第一電極；於該等第一電極間的該第一介電層中形成一光波導線，且該光波導線不接觸該重摻雜層表面；於該半導體基底上形成一圖案化犧牲層，並覆蓋於該光波導線、該第一介電層以及各該第一電極之上；於該半導體基底上形成一臂狀物層，並覆蓋該圖案化犧牲層；於該臂狀物層中形成至少二未通達該圖案化犧牲層表面的第二電極，且各該第二電極系分別位於該光波導線兩側的該等第一電極之上方；於該臂狀物層中形成一第二介電層，且該第二介電層不接觸該圖案化犧牲層表面；蝕刻該第二介電層，以於該第二介電層中形成一光柵；於該半導體基底上形成一頂蓋層，並覆蓋各該第二電極、該第二介電層以及該光柵；以及蝕刻該圖案化犧牲層，以於該臂狀物層下方形成一孔穴。
15.如權利要求14所述的製作方法，其特徵是於形成該圖案化犧牲層之前另包含有一黏著層形成步驟，以形成該黏著層於該第一介電層、該光波導線以及該等第一電極之上。
16.如權利要求15所述的製作方法，其特徵是於去除該圖案化犧牲層時，亦同時去除該黏著層。
17.如權利要求14所述的製作方法，其特徵是於形成該圖案化犧牲層之後另包含有一阻擋層形成步驟，以形成該阻擋層於該圖案化犧牲層、該第一介電層、該光波導線以及該等第一電極之上。
18.如權利要求17所述的製作方法，其特徵是於去除該圖案化犧牲層時，亦同時去除該阻擋層。
19.如權利要求14所述的製作方法，其特徵是該臂狀物系包含有一固定柱層與一氧化層，又其特徵是該固定柱層的上表面約略與該圖案化犧牲層的上表面相切齊，該氧化層系覆蓋於該圖案化犧牲層與該固定柱層之上。
20.如權利要求14所述的製作方法，其特徵是該光波導線、該臂狀物層以及該頂蓋層均為由氧化物所構成。
21.如權利要求14所述的製作方法，其特徵是該第一介電層與該光波導線具有不同的折射率，且該臂狀物層與該第二介電層亦具有不同的折射率。
22.如權利要求14所述的製作方法，其特徵是該第一電極與該第二電極包含有金、鎢、銅、鋁、鋁銅合金、多晶矽或其他導電材質。
23.如權利要求14所述的製作方法，其特徵是形成該圖案化犧牲層的材料包含有鎢金屬、氮化矽、二氧化矽、有機聚合物或多孔矽。
24.如權利要求14所述的製作方法，其特徵是該光柵包含有複數個等間距、等寬度以及等深度的開口，且該等開口不與該圖案化犧牲層相接觸。
25.如權利要求14所述的製作方法，其特徵是蝕刻該圖案化犧牲層的方法為一等向性溼蝕刻製程。
26.如權利要求25所述的製作方法，其特徵是進行該等向性溼蝕刻製程之前，另包含有一幹蝕刻步驟，用來於該臂狀物層中蝕刻出複數個蝕刻窗，以均勻快速地蝕刻該圖案化犧牲層。
全文摘要
一種懸臂梁式微機電系統的製作方法，首先於一基底上的一第一介電層中形成二第一電極與一位於該等第一電極間的光波導線，接著形成一圖案化犧牲層與一臂狀介電層，並於該臂狀介電層中形成二第二電極、一第二介電層以及一位於該第二介電層中的光柵，最後覆蓋以一頂蓋層，並去除該圖案化犧牲層；由於本發明結合光纖光柵式的高密度波長多工器，以進行多通道的濾波與分光的功用，且其製作方法是利用一般半導體製程設備與技術，故不僅製程簡單且可大量製作降低產品成本；另，由於微機電系統的體積尺寸小，因此僅需要極少能量即可運作，不但耗能較少且反應時間較短。
文檔編號B81C1/00GK1552615SQ0313631
公開日2004年12月8日 申請日期2003年5月26日 優先權日2003年5月26日
發明者陳立哲, 洪允錠 申請人:聯華電子股份有限公司