悬臂梁式微机电系统的制作方法 【技术领域】
本发明涉及光纤技术领域，提供一种微机电系统(Micro-Electromechanical System，MEMS)的制作方法，尤指一种应用于光纤通讯领域中的悬臂梁(cantilever beam)式微机电系统的制作方法。
背景技术
在国际互联网日益普及和高传输容量快速成长下，为了解决网络呈现壅塞的状况，已陆续提出缆线数据机(cable modem)、非同步数字用户回路(ADSL)和时间多工与波长多工相结合的高密度波长多工通讯系统(dense wavelength-division multiplexing，DWDM)等解决方法。其中由于DWDM系统具有可在单一条光纤中同时使用多个波长的光信号，使得光纤网络容量大幅增加的优点，故已成为目前最重要的光纤通讯架构之一。
一个完整的DWDM光纤系统包括有光发射/接收器、波长多工器/解多工器、光纤放大器(EDFA)、波长撷取多工器、色散补偿装置、滤波器、光开关路由器及其他光通讯元件、处理电路与架构光学系统的机构等。在光纤通讯领域中，制作高密度波长多工器的技术可分为光学滤片式、光纤光栅式、光纤耦合器以及光波导型等。其中，光学滤片式主要是利用棱镜(prism)或薄膜干涉滤镜(thin filmfilter，TFF)，光纤光栅是主要是利用各种光栅，例如布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)或阵列波导光栅(arrayedwaveguide grating，AWG)等，而光纤耦合器主要是利用各种干涉仪(如Fabry-Perot Interferometer、Mach-Zehnder)等物理机制来达到光学上多通道的滤波、分光的目的。
从实际应用的观点而言，成本低廉的光纤耦合器只能做到8个波长，适合区域网络，光纤光栅及光波导型可达到64个波长以上，适合长途地通讯网络，而光学滤片式则约在32个波长内。此外，由制程技术之前瞻性来评估，目前虽以薄膜干涉滤镜最具热稳定性，但由于其光学需求极为严格，因此良率不高且成本昂贵，所以仍无法完全取代现行以滤片为主流的分波技术，但类似半导体制程的阵列波导光栅技术，其主要利用平面光波导法耦合出所需的波长，在因应于未来对高通道数需求日增的趋势下，便极有可能取代滤片成为市场主流。
这种结合了光、机和电的特性并利用半导体制程所制造出来的微机电系统，将可使得数据传递过程中，一直保持在光的形式，亦即光-光传输，不需要转换至电子资讯层的架构，而且由于微机电技术亦可制造出可调变控制的微结构，使得微机电系统在光纤通讯暨无线射频通讯方面业已受到广泛的重视。因此，随着光纤通讯的急速成长，利用微机电制程技术已成功地切入光通讯元件的市场，同时在DWDM系统上逐渐取代光-电-光转换程序中延迟整个宽频通讯系统的光电开关元件。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种悬臂梁式微机电系统的制作方法。
本发明的次要目的在于提供一种制程步骤简化且具低制造成本的悬臂梁式微机电系统的制作方法。
本发明的另一目的在于提供一种应用于光纤通讯领域中的微机电系统的制作方法，用来制造一当作光电开关元件以进行多通道的滤波或分光的微机电系统。
本发明的最佳实施例揭露了一种悬臂梁(cantilever beam)式微机电系统(Micro-Electromechanical System，MEMS)的制作方法，该悬臂梁式微机电系统制作于一半导体基底上，且该半导体基底表面包含有一重掺杂层以及一第一介电层(dielectric layer)。首先于该第一介电层中形成至少二通达该重掺杂层表面的第一导体(conductor)，接着于该等第一导体间的该第一介电层中形成一第二介电层，且该第二介电层不接触该重掺杂层表面，然后于该半导体基底上形成一图案化牺牲层，并覆盖于该第二介电层、该第一介电层以及各该第一导体之上，随后于该半导体基底上形成一第三介电层来覆盖该图案化牺牲层，再于该第三介电层中形成一第四介电层，且该第四介电层不接触该图案化牺牲层表面，之后于该第三介电层表面形成至少二第二导体，且各该第二导体系分别位于该第二介电层两侧的该等第一导体之上方，最后蚀刻该第四介电层，以于该第四介电层中形成复数个开口，并在该半导体基底上形成一顶盖(cap)层以覆盖各该第二导体、该第四介电层以及该第三介电层之后，再去除该图案化牺牲层。
由于本发明的微机电系统结合了光纤光栅式的高密度波长多工器，用以进行多通道的滤波与分光的功用，且其制作方法是利用一般半导体制程设备与技术来制作，故不仅制程简单且可大量制作降低产品成本。此外，由于微机电系统的体积尺寸小，因此仅需要极少能量即可运作，不但耗能较少且反应时间较短。
【附图说明】
图1至图13为本发明最佳实施例制作悬臂梁式微机电系统的方法示意图。
图式的符号说明：
10悬臂梁式微机电系统 12半导体基底
14重掺杂层 16氧化层
18开口 20电极
22沟渠 24光波导线
26图案化牺牲层 28氧化层
30氧化层 32黏着层
34阻挡层 36沟渠
38氧化层 40电极
42开口 44顶盖层
46蚀刻窗
【具体实施方式】
在本发明最佳实施例中的悬臂梁式微机电系统制作于一N型半导体基底上，但本发明不仅限于此，本发明亦可应用于一P型半导体基底、磊晶硅基底或硅复绝缘基底上。请参考图1至图13，图1至图13为制作本发明的悬臂梁式微机电系统10的方法示意图，其中图2为图1沿线I-I′的剖面结构示意图，图4与图5为图3沿线II-II′的剖面结构示意图，且图8为图7沿线III-III′的剖面结构示意图。
如图1与图2所示，首先进行一离子布植制程，将磷(phosposer)离子植入一N型半导体基底12中，以于半导体基底12表面形成一N型重掺杂层14，并进行一快速加热回火(rapid thermal anneal，RTA)制程，以修补半导体基底12的表面结构。接着于重掺杂层14上沉积一厚度较厚的氧化层16，再于氧化层16上涂布一光阻层(未显示于图1与图2中)，并利用一微影暨蚀刻制程(photolithographyetching process，PEP)，来去除未被光阻层所覆盖的氧化层16，以于氧化层16中形成至少二通达重掺杂层14表面的开口18。然后去除光阻层，再于半导体基底12上沉积一N型重掺杂多晶硅层(未显示于图1与图2中)，并使得该多晶硅层填入开口18中，随后进行一化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)制程或一回蚀刻(etching back)制程，去除氧化层16上的该多晶硅层，以于氧化层16中形至少二电极20。接着于半导体基底12上形成另一光阻层(未显示于图1与图2中)，并再利用一微影暨蚀刻制程，去除未被光阻层所覆盖部分的氧化层16，以于电极20间的氧化层16中形成一未通达重掺杂层14表面的沟渠(trench)22。去除光阻层之后，再于半导体基底12上沉积一氧化层(未显示于图1与图2中)并填满沟渠22，随后进行一化学机械研磨制程，去除电极20与氧化层16上的该氧化层，以于氧化层16中形成一光波导线(waveguide)24。其中，氧化层16与光波导线24具有不同的折射率，且形成电极20的材料可包含有金(gold，Au)、钨(tungsten，W)、铜(copper，Cu)、铝(aluminum，Al)、铝铜合金(Al-Cu alloy)或其他导电材质。
接着如图3所示，进行一化学气相沉积(CVD)制程，以于半导体基底12上沉积一厚度约为3微米(micrometer，μm)的牺牲层(未显示于图3中)，再于牺牲层上涂布一光阻层(未显示于图3中)，并进行一微影暨蚀刻制程，来去除未被光阻层所覆盖的牺牲层，以形成一图案化牺牲层26，且图案化光阻层26覆盖于部分的光波导线24、电极20与氧化层16之上。在去除光阻层之后，然后于半导体基底12上沉积一厚度大于图案化牺牲层26的氧化层28，并对氧化层28进行一化学机械研磨制程，使得氧化层28的上表面与图案化牺牲层26的上表面约略切齐，再于图案化牺牲层26与氧化层28上形成一厚度约为3微米的氧化层30。其中，形成牺牲层的材料包含有钨(tungsten，W)金属、氮化硅、二氧化硅、有机聚合物或多孔硅(poroussilicon)，而氧化层28是用来当作本发明的悬臂梁式微机电系统10的固定柱(anchor)结构，主要是将后续形成的微结构固定在半导体基底12上，防止微结构在后续图案化牺牲层26去除的过程中受到影响。
如图4所示，接着于氧化层30上涂布一光阻层(未显示于图4中)，并进行一微影暨蚀刻制程，去除未被光阻层所覆盖部分的氧化层30，以于氧化层30中形成一未通达图案化牺牲层26表面的沟渠36，随后再利用一沉积制程以及一化学机械研磨制程，以于氧化层30中形成一填入沟渠36的氧化层38，且氧化层38的上表面与氧化层30的上表面约略切齐。然后再于氧化层30上形成一厚度约为0.8微米的金属层与一光阻层(未显示于图4中)，并进行一微影暨蚀刻制程，先去除未被光阻层所覆盖的金属层，以形成至少二电极40，且电极40分别位于光波导线24两侧的电极20的相对上方，接着再去除光阻层。其中，氧化层30与氧化层38具有不同的折射率，且形成电极40的材料可包含有金(gold，Au)、钨(tungsten，W)、铜(copper，Cu)、铝(aluminum，Al)、铝铜合金(Al-Cu alloy)、多晶硅或其他导电材质。
然后如图5所示，于半导体基底12上形成另一光阻层(未显示于图5中)，并进行一微影暨蚀刻制程，去除未被光阻层所覆盖的氧化层38，以于氧化层38中形成复数个具有等间距、等宽度以及等深度的开口42，用来于氧化层38中构成光栅(optical grating)，接着再于半导体基底12上形成一顶盖(cap)层44，且顶盖层44覆盖于开口42、电极40、氧化层38与氧化层30之上。其中，开口42的深度约为1.5微米，且顶盖层44为一氧化层。
如图6与图7所示，于半导体基底12上形成一图案化光阻层(未显示于图6与图7中)，并进行一干蚀刻制程，去除未被图案化光阻层所覆盖的顶盖层44与氧化层30，以于氧化层30中形成至少一蚀刻窗(etch hole)46，蚀刻窗46的数量依微机电系统的尺寸大小与后续蚀刻速率有关，接着进行一结构释放(structure releasing)制程，例如一等向性(isotropic)湿蚀刻制程，将悬臂梁式微机电系统10浸泡在蚀刻液中，使蚀刻液得以经由蚀刻窗46均匀并快速地侧向蚀刻其下方的图案化牺牲层26，大幅减少所需的结构释放时间，进而降低结构层在去除图案化牺牲层26的过程中可能受到蚀刻或腐蚀，以于形成一孔穴(cavity)48，如图8所示，完成本发明的悬臂梁式微机电系统10的制作。此外，在进行完湿蚀刻之后，可另进行一清洗(rising)与干燥制程，又为了避免当表面张力、静电力或离子键等作用力大于微结构的回复力，如弹力时，而使微结构与半导体基底12之间产生沾黏(stiction)的现象，导致微机电系统10无法操作，本发明的方法可于氧化层30的下方增加凸块结构(bump)(未显示于图6至图8中)，以降低微结构与半导体基底12的接触面积，改善沾黏状况。
值得注意的是，如图9所示的本发明第二实施例，本发明的悬臂梁式微机电系统10亦可于形成图案化牺牲层26前，先于氧化层16上另形成一黏着(glue)层32，且黏着层32覆盖于氧化层16、电极20与光波导线24之上，用来增加图案化牺牲层26与氧化层16的黏合度，或是于形成图案化牺牲层26之后，再于氧化层16上形成一阻挡(block)层34，用来覆盖住图案化牺牲层26，以避免后续制程对图案化牺牲层26造成影响。其中，黏着层32与阻挡层34可视制程的实际需要，仅形成其中一层或两层都制备，而且所形成的黏着层32与阻挡层34亦可选择性地于去除图案化牺牲层26时一并去除，如图10与图11所示。
此外，如图12所示，本发明的悬臂梁式微机电系统10的电极40亦可于形成氧化层38之前，先形成于氧化层30中。其形成的方法是先于氧化层30中形成至少二开口(未显示于图12中)，接着于半导体基底12上沉积一导电层(未显示于图12中)，并使得该导电层填入该二开口中，最后再利用一化学机械研磨制程，以使该导电层的上表面与氧化层30的上表面约略切齐，构成二电极40。
本发明的悬臂梁式微机电系统10主要应用于光纤通讯领域中，用来当作一光开关元件，以进行滤波或分光的动作，因此在光波导线24的最前端有制作光波的输入或输出端的夹具(未显示于图中)。当多波长信号被导入一光波导线24的光纤输入端时，并外加以一电压，例如12伏特，则会产生静电力以拉近上下电极20、40间的距离，亦即同时改变孔穴48的高度，如图13所示，而达到悬臂梁式微机电系统10的可调变的功能，此时，多波长的光波会局限在与周围氧化层16具有不同折射率的光波导线24中往前传递，当光波到达分光用的光栅区时，光波会在光栅区的开口42中进行反射以耦合出所需波长的光波，之后多波长的光波会再经由光波导线24返回输出端，而经过光栅区分光的所需波长的光波可另外输出，以达到将原先混合输入的多波长予以分开输出的功能。
简而言之，本发明应用于光学上的悬臂梁式微机电系统具有下列优点：(1)由于光本身不具质量，因此只需很小的能量即可驱动微机电系统，(2)对光而言，微小位移(接近波长的距离)即可对光波的物理现象及其特性(波长、光强、相位等)有显著的作用，(3)尺寸微小的微机电系统具有迅速反应与快速运动的特性，(4)若不需与环境作直接的接触，则具有容易封装的特性，(5)大量运用既有的半导体制程设备及技术，便可大量制造出品质稳定的微机电系统，不仅使其具有整体成本降低的潜力，也具有高度商业化的可行性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。