CN100422070C - 一种由硅和二氧化硅共同支撑的可移动微结构及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由硅和二氧化硅共同支撑的可移动微结构及其制备方法。针对微观下静电驱动力小的问题，采用硅梁和二氧化硅膜作为共同支撑部件，共同支撑中间可动部件。既增加了支撑强度又提高了静电力驱动下的位移；针对用梁支撑的可动结构在后续工艺中粘上杂质和被腐蚀液破坏的问题，采用二氧化硅膜作保护，使结构在后续工艺中不被污染破坏，增加了提高器件制作工艺的可选择性。其制备方法是通过硅片上制作出图形，键合到衬底上，然后从背面减薄硅片上。

Description

一种由硅和二氧化硅共同支撑的可移动微结构及制作方法
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS：Micro-Electro-Mechanical-Systems)领域一种可动结构的设计及制作方法，特别是一种由硅和二氧化硅作为共同支撑体的可移动微结构的设计及制作方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)是近年来迅速发展的技术，结合成熟的半导体集成电路微细加工技术为基础，结合超精密机械加工技术，将多个领域的技术集成到一块芯片上，将信息获取处理和执行一体化的集成在一起，共同组成一个完整的多功能系统，具有高性能，低成本，小型化的特征。
可移动的微小结构通常是信息采集的重要部件，它可以将压力、加速度等信号转化为位移信息，它也可以用来作为器件的执行部分，通过控制位移来变更器件的工作状态。
对于制作可动部分厚度为10到50微米的微小结构，一个方法是将普通硅片用干法刻蚀或湿法腐蚀，制作出一层厚度为十几个到几十微米的硅膜作为支撑部分，如J.H.Jerman在《A Miniature Fabry-Perot InterferometerFabricated Using Silicon Micromachining Techniques》中可动结构的支撑部分为一层厚度为12微米的硅膜，首先这样的结构刚度过大，不易于驱动，其次以目前的工艺很难获得如此薄且厚度均匀一致的硅膜；另一个方法是制作一组支撑梁来支撑可动部件，这样的结构首先如果可动部件上有易损坏结构或者材料，如镀有金属，则会使它们在后续工艺如刻蚀，划片中被杂质污染或者由于强度过低而使结构损坏；另外这样的厚度的一组梁普通硅片也难于制作，在J.W.Graff的《Flat free-standing silicon diaphragmsusing silicon-on-insulator wafers》文章中就是用SOI硅片制作这样的结构，这无疑大大增加了制作成本。
本发明试图提出一种可动微结构，使之既能在结构上有所创新，不仅能够克服上述可动微小结构的缺陷；而且在制作方法上兼容现有工艺，不增加工艺难度，制作出质量好，可靠性高的可动微小结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种由硅和二氧化硅共同支撑的可移动微结构及制作方法。
所涉的可移动微结构是由硅和二氧化硅共同支撑的可移动微结构，它是由一组硅梁和二氧化硅膜及中间的可动部件共同组成。硅梁和二氧化硅膜既起到支撑中间可动部件的作用，也是工作时发生弹性变形的部分。中间可动部件可为质量块。整个结构是通过在硅片上制作出图形，键合到衬底上，然后从背面减薄硅片而形成，衬底材料为硅片或者玻璃片，可以在衬底上进行挖槽或者制作电极等工艺。它的基本制作步骤为：
(1)在硅片上形成一层掩膜；
(2)在硅片上制作腔体，去掉掩膜；
(3)在腔体底部制作形成硅梁；
(4)在腔体底部制作一层氧化层；
(5)将硅片与衬底键合起来；
(6)将硅片从背面减薄，直到露出氧化层。
其中步骤1的掩膜是二氧化硅膜或者氮化硅膜或者光刻胶，步骤2为干法刻蚀或者湿法刻蚀，或者其组合方法，步骤6为干法刻蚀，或者湿法腐蚀，或者其组合方法，并辅以机械抛光、化学抛光或电化学腐蚀或其组合方法。
由于采用上述方案，本发明具有以下优点：
(1)可移动器件由普通硅片制作，成本低；
(2)用硅梁和二氧化硅膜共同支撑中间结构，既提高了支撑强度，又保证了可动结构在较小的力的作用下能产生较大的位移。微观条件下静电力是重要的驱动力。静电力的一个主要问题就是力很小，不足以驱动大的结构，而本发明使器件在较小的作用力的情况下也能产生较大的位移；
(3)键合之前可以通过各种工艺过程来实现设定的图案、电极等；
(4)二氧化硅膜的存在保护了腔体中的结构。通常在制作完可动结构后还要进行后续工艺处理。这时如果没有二氧化硅膜的保护，外力或者腐蚀成份会对已经形成的可动结构造成伤害，而为了避免这种伤害的形成，必然会使后续可选择的工艺减少。增加了二氧化硅膜之后，杂质无法进入腔体，就使腔体内部的图形和结构得到了保护。
附图说明
图1为由硅和二氧化硅共同支撑的可动微结构基本形状。其中11，13为左、右硅梁，14，15为左、右二氧化硅膜，12为中央可动部件，16为衬底。
图2为在衬底上制作凹槽和电极后的结构，其中21，22为左、右电极，23为凹槽。
图3为中央可动部件为质量块的结构。其中31为质量块。
图4为实施例1的制作流程图。图中(1)硅片氧化；(2)光刻谐振腔体；(3)光刻出硅梁和极板形状；(4)去除键合面和极板上的二氧化硅；(5)溅射并光刻；(6)硅片和玻璃片键合；(7)刻蚀，完成制作。
图5为实施例1的结构立体图。其中11为硅梁，14为SiO2膜，16为衬底，17为反射镜。
图6为在J.H.Jerman的文章里展示的以硅膜作为支撑的结构，其中61为硅膜，62为被硅膜支撑的极板，63为法布里一泊罗腔，64为驱动电极，65为敏感电极，66为沉积衬垫。
图7为在J.W.Graff的文章里展示的在SOI硅片上制作的微小结构，其中，71为硅基片，72为隐埋氧化层(3μm)，73为SOI层(1.5μm)，74为非标准Si面。
具体实施方式
实施例1：
这是一个利用法布里-泊罗多光速干涉效应制作的腔长可调的谐振腔，它能够通过调节腔长的大小使特定波长的光束透过，而将其它光束反射回去，从而达到滤波的效果。
根据本发明制作上极板可动谐振腔的过程请参阅图4，具体为：
1.对硅片进行氧化，氧化厚度3500埃，如图4-1所示；
2.光刻谐振腔体，用KOH液腐蚀，深度约为10微米，然后去氧化层，如图4-2所示；
3.在腔体底部进行光刻，刻蚀出梁和极板的形状，高度为20微米，如图4-3所示；
4.硅片进行氧化，氧化层厚度为3500埃，再光刻，用BOE腐蚀液去掉键合面和极板上的二氧化硅，如图4-4所示；
5.先在硅片和玻璃上溅射300埃铬作为粘附层，然后溅射100纳米的金，再光刻，分别用金铬腐蚀液腐蚀，保留中间部分的金以作为反射镜面，如图4-5所示；
6.将硅片和玻璃片键合起来，如图4-6所示；
7.将键合片用ICP刻蚀，将其减薄至刚好露出氧化层，如图4-7所示。
制作出的谐振腔立体图如图5所示。
实施例2：
步骤2的谐振腔体用干法刻蚀，其余步骤如实施例1。
实施例3：
实施例1中步骤7将键合片放入KOH液中，减薄至150微米时进行化学机械抛光，然后用ICP减薄到露出氧化层，其余步骤如实施例1。这种组合减薄方法得到的硅片平整度可以高于单一减薄方法得到的平整度。

Claims (5)

1. 一种由硅和二氧化硅共同支撑的可移动微结构的制作方法，其特征在于通过硅片上制作出图形，键合到衬底上，然后从背面减薄硅片上，具体制作步骤是：
(1)在硅片上形成一层掩膜；
(2)在硅片上制作腔体，再去掉掩膜；
(3)在腔体底部制作形成硅梁；
(4)在腔体底部制作一层氧化层；
(5)将硅片与衬底键合起来；
(6)将硅片从背面减薄，直到露出氧化层。
2. 根据权利要求1所述的由硅和二氧化硅共同支撑的可移动微结构的制作方法，其特征在于步骤(1)的掩膜为二氧化硅膜、氮化硅膜或者光刻胶中一种。
3. 根据权利要求1所述的由硅和二氧化硅共同支撑的可移动微结构的制作方法，其特征在于步骤(2)的去掉掩膜的方法为干法刻蚀、湿法腐蚀或者其组合。
4. 根据权利要求1所述的由硅和二氧化硅共同支撑的可移动微结构的制作方法，其特征在于步骤(6)的减薄方法为干法刻蚀、湿法腐蚀或者其组合，并辅以机械抛光、化学抛光、电化学腐蚀或其组合。
5. 按权利要求1所述的由硅和二氧化硅共同支撑的可移动微结构的制作方法，其特征在于在衬底上进行挖槽或制作电极。
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