CN101088911A - 微机电系统装置及其梳状电极的形成方法 - Google Patents

微机电系统装置及其梳状电极的形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微机电系统(MEMS)装置及形成该MEMS装置的梳状电极的方法。该方法包括：在第一硅衬底的一侧以规则的间隔形成多个平行的沟槽，从而在第一硅衬底的一侧上交替界定高度不同的第一区域和第二区域；氧化第一硅衬底以在高度不同的第一区域和第二区域中形成氧化层；在氧化层上形成多晶硅层以至少填满沟槽从而使具有不同高度的氧化层平化；将第二衬底结合到多晶硅层的顶表面上；使用第一掩模选择性地蚀刻第二硅衬底和多晶硅层，从而形成与第一区域垂直对齐的上梳状电极；使用第二掩模选择性地蚀刻第一硅衬底以形成与第二区域垂直对齐的下梳状电极；以及去除在上梳状电极和下梳状电极之间夹置的氧化层。

Description

微机电系统装置及其梳状电极的形成方法
技术领域
本发明涉及一种微机电系统(MEMS)装置及形成该MEMS装置的梳状电极的方法，更特别地，本发明涉及一种具有表现出线性输入-输出特性的改进的梳状电极结构的MEMS装置以及形成该MEMS装置的梳状电极的方法。
背景技术
在涉及显示装置、激光打印机、精确测量仪器、精加工装置等的各种技术领域中，人们正进行很多的研究以开发使用微加工技术制造的小尺寸的MEMS装置。例如，在显示装置中，MEMS装置用作光扫描器以反射或偏转扫描光束到屏幕上。
用作显示装置的光扫描器的MEMS装置具有配置有互锁的梳状电极的驱动结构。图1A到图1E是用于说明形成梳状电极的传统方法的视图。参考图1A，制备了绝缘体上硅(SOI)衬底。该SOI衬底包括结合到氧化层20两侧的第一硅衬底30和第二硅衬底10。参考图1B和图1C，使用具有预定图案的蚀刻掩模31选择性地蚀刻第一硅衬底30以形成多个驱动梳状电极35。参考图1C和1D，通过使用驱动梳状电极35以将蚀刻掩模11对齐，从而将蚀刻掩模11形成在第二硅衬底10上，从而形成多个固定梳状电极15。参考图1E，去除形成在驱动梳状电极35和固定梳状电极15之间的氧化层20，由此完成驱动梳状电极35和固定梳状电极15的形成。在通过传统方法形成的梳状电极结构中，驱动梳状电极35和固定梳状电极15在垂直方向上彼此分开等于或大于氧化层20的厚度的间隙(g)。如果第一硅衬底30和第二硅衬底10在蚀刻环境中时间太长，则可能在梳状电极15和35的边缘上形成凹口。这些凹口增加了梳状电极15和35之间的间隙。
图2示出了通过图1A到图1E图示的方法形成的梳状电极结构。当在相邻的梳状电极15和35之间施加驱动电压时，下面的固定梳状电极15静电吸引驱动梳状电极35，因此平台(未示出)旋转。这里，由于梳状电极15和35之间的垂直间隙(g)，施加到梳状电极15和35的驱动电压并非与平台的旋转角度线性相关。
图3是示出了用作光扫描器的传统MEMS装置中光扫描角度(输出)和驱动电压(输入)之间的关系的图。参考图3，在第一间隔S1(低电压间隔)中，在光扫描角度和驱动电压之间基本保持了线性关系(该曲线具有大致固定的斜率)。但是，在大约50V的驱动电压，曲线的斜率突变。然后，在高于50V的第二间隔S2中，该关系以不同倾斜的曲线线性保持。这里，曲线的斜率突变的点对应于第一间隔S1和第二间隔S2之间的边界点。在该边界点，驱动梳状电极15被固定梳状电极15吸引，因此开始与固定梳状电极15啮合。第一间隔S1对应于在驱动梳状电极35和固定梳状电极15之间施加低的驱动电压但是梳状电极35和15尚未相互啮合的间隔。第二间隔S2对应于梳状电极35和15由于施加到其上的高驱动电压而彼此啮合的间隔。在光扫描角度和驱动电压之间的理想线性关系如图3中的虚线所示。在传统的非线性梳状电极结构中，需要较高的驱动电压来获得与理想线性相同的光扫描角度。
图4是在使用传统MEMS装置作为光扫描器的屏幕上显示的图像。由于光扫描角度和驱动电压之间的非线性关系，在图像上出现了褶皱和失真。
发明内容
本发明提供了一种具有改进的梳状电极布置的微机电系统(MEMS)装置从而使驱动电压(输入)和平台的旋转角度(输出)之间的关系线性化，以及本发明提供了一种形成该MEMS装置的梳状电极的方法。
根据本发明的一个方面提供了一种制备微机电系统装置的梳状电极的方法，包括：在第一硅衬底的一侧以规则的间隔形成多个平行的沟槽，从而在第一硅衬底的一侧上交替界定高度不同的第一区域和第二区域；氧化第一硅衬底以在高度不同的第一区域和第二区域中形成氧化层；在氧化层上形成多晶硅层以至少填满沟槽从而使具有不同高度的氧化层平化；将第二衬底结合到多晶硅层的顶表面上；使用第一掩模选择性地蚀刻第二硅衬底和多晶硅层，从而形成与第一区域垂直对齐的上梳状电极；使用第二掩模选择性地蚀刻第一硅衬底以形成与第二区域垂直对齐的下梳状电极；以及去除在上梳状电极和下梳状电极之间夹置的氧化层。
根据本发明的一个方面提供了一种微机电系统装置，包括：以振动模式工作的平台；设置在平台周围以支撑平台并允许平台旋转的框架；从平台向框架彼此平行地延伸的多个驱动梳状电极；以及从框架延伸并与驱动梳状电极啮合的多个固定梳状电极；其中，驱动梳状电极和固定梳状电极以不同的高度设置并且在垂直方向上彼此重叠预定长度。
附图说明
参考附图，通过详细地说明本发明的示范性实施例，本发明的上述及其它特征和优点将变得更加清楚，在附图中：
图1A到图1E是用于说明形成梳状电极的传统方法的视图。
图2示出了通过图1A到图1E图示的方法形成的梳状电极结构。
图3是示出了用作光扫描器的传统MEMS装置中光扫描角度(输出)和驱动电压(输入)之间的关系的图。
图4是在使用传统MEMS装置作为光扫描器的屏幕上显示的图像。
图5是根据本发明实施例的MEMS装置的透视图。
图6是根据本发明实施例的图5所示的MEMS的梳状电极结构的透视图。
图7A到图7I是图示形成根据本发明实施例的梳状电极的方法的垂直横截面示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更加全面地说明微机电系统(MEMS)装置及其形成该MEMS装置的梳状电极的方法，在附图中示出本发明的示范性实施例。图5是图示根据本发明实施例的MEMS装置的透视图。参考图5，该MEMS装置包括：平台115，以旋转模式工作；扭力杆113，平台115绕其旋转；框架130，借助扭力杆113可旋转地支撑平台115。在平台115和框架130相对的表面之间形成了多个驱动梳状电极111和多个固定梳状电极131。具体而言，驱动梳状电极111从平台115的两侧向框架130彼此平行地延伸。固定梳状电极131均匀地从框架130的内表面彼此平行地延伸并且与驱动梳状电极111相啮合。驱动梳状电极111和固定梳状电极131彼此相邻地设置，从而彼此相互静电吸引。即，当在梳状电极111和131之间施加驱动电压时，固定梳状电极131静电吸引驱动梳状电极111，因此其上形成了驱动梳状电极111的平台115绕扭力杆113在对应的方向上旋转。
图6是图5所示的梳状电极结构的放大透视图。参考图5，驱动梳状电极111在第一低位置和第二高位置之间振动。在第一低位置，驱动梳状电极111和在下的固定梳状电极131最大程度地啮合，在第二高位置，驱动梳状电极111和固定梳状电极131最小程度地啮合。即，即使当驱动梳状电极111设置在距离固定梳状电极113最远的第二位置时，驱动梳状电极111也在垂直方向与固定梳状电极131重叠预定长度(L)。因此，在驱动梳状电极111和固定梳状电极131之间没有垂直间隙。当将驱动梳状电极111接地且对固定梳状电极131施加驱动电压(V)时，通过静电力将驱动梳状电极111朝固定梳状电极131向下拉，因此平台115旋转。这里，由于在通常状态(没有施加电压时)驱动梳状电极111和固定梳状电极131在垂直方向上彼此啮合长度(L)，所以施加到固定梳状电极131的驱动电压(V)(输入)与平台115的旋转角度(输出)线性相关。因此，当将MEMS装置用作光扫描器时，MEMS装置的光扫描角度可以被线性地控制，因此该MEMS装置可以提供没有失真的高质量图像。
图7A到图7I是图示形成根据本发明实施例的梳状电极的方法的垂直横截面示意图。参考图7A，多个沟槽(T)以均匀的间隔形成在第一硅衬底210中。例如，通过光刻工艺，在第一硅衬底210上形成图案掩模(未示出)，然后通过反应离子蚀刻(RIE)选择性地去除第一硅衬底210以形成沟槽(T)。上梳状电极111将形成在其中形成沟槽(T)的第一硅衬底210的第一区域W1中，而下梳状电极131将形成在第一区域W1之间的第二区域W2中。沟槽(T)具有深度(d)，该深度(d)与上梳状电极111和下梳状电极131之间的重叠长度(L)相关。考虑制造误差来确定沟槽(T)的深度(d)，使得上梳状电极111和下梳状电极131之间的重叠关系得以确保，从而上梳状电极111和下梳状电极131之间的没有垂直间隙。实践中，与第一硅衬底210的厚度相比，沟槽(T)的深度(d)较小。
参考图7B，通过氧化工艺在包括沟槽(T)的第一硅衬底210上形成氧化层211。通过在高温氧化环境中进行氧化工艺，氧化层211可以在包括沟槽(T)的第一硅衬底210的整个表面上形成为非常小的厚度。通过沟槽(T)对形成在第一硅衬底210的顶表面上的氧化层211进行构图，使得在第一区域W1和第二区域W2中氧化层211具有不同的厚度。
参考图7C，在第一硅衬底210上沉积多晶硅层220以填充沟槽(T)。可以通过多种方法形成多晶硅层220，比如在高于550摄氏度的沉积温度下的低压化学气相沉积(LPCVD)方法，或者使用预定混合气体在低于400摄氏度的温度的等离子增强化学气相沉积(PECVD)。多晶硅层220可以形成为足够的厚度从而完全地填充沟槽(T)。而且，可以在多晶硅层220上根据沟槽(T)的深度(d)另外形成硅外延层(未示出)。
接下来，通过化学机械抛光(CMP)将多晶硅层220平化。具体而言，通过CMP设备的抛光垫将多晶硅层220的突出部分去除从而使得多晶硅层220平坦。由于该平面化(平化)，第二硅衬底230(参考图7D)可以牢固地结合到第一硅衬底210(如下所述)。
参考图7D，将第二硅衬底230结合到第一硅衬底210的顶表面上。可以通过硅直接结合(SDB)工艺将第一硅衬底210和第二硅衬底230彼此结合。在SDB工艺中，将第一硅衬底210和第二硅衬底230进行表面处理使得第一硅衬底210和第二硅衬底230的表面为亲水性的，然后将第一硅衬底210和第二硅衬底230的亲水性的经处理的表面彼此结合以将它们通过氢键(主结合)结合。之后，将第一硅衬底210和第二硅衬底230在800摄氏度以上的温度热处理从而更加牢固地将第一硅衬底210和第二硅衬底230彼此结合(次结合)。
接下来，将第二硅衬底230的顶表面通过CMP抛光至一预定厚度。具体而言，将第二硅衬底230的整个顶表面通过CMP的抛光垫抛光，从而使得第二硅衬底230变薄。可以根据将形成在第二硅衬底230中的上梳状电极111的厚度确定第二硅衬底230的厚度。
接下来，将第二硅衬底230选择性蚀刻从而形成上电极111。例如，参考图7E和图7F，通过使用预定图案在第二硅衬底230上形成光致抗蚀剂(PR)掩模231，然后使用PR掩模231作为蚀刻阻挡层蚀刻第二硅衬底230和多晶硅层220直到露出氧化层211。根据上梳状电极111对PR掩模231进行构图。由于上梳状电极111应该在第一区域W1中形成在氧化层211上，所以PR掩模231可以基于氧化层211的图案进行构图。这里，可以使第一区域W1宽于上梳状电极111，从而防止上梳状电极111由于对准误差而偏离第一区域W1。所以，当在第一硅衬底210中形成沟槽(T)时，第一区域W1可以形成得宽于上梳状电极111的宽度W3。
接下来，将第一硅衬底210选择性地蚀刻以形成下梳状电极131。例如，参考图7G和图7H，使用具有预定图案的PR掩模212作为蚀刻阻挡层蚀刻第一硅衬底210直到露出氧化层211。根据下梳状电极131对PR掩模212进行构图。由于下梳状电极131应该形成在上梳状电极111之间，所以PR掩模212可以基于之前的步骤中已经形成的上梳状电极111对齐。由于下梳状电极131应该形成在氧化层211上的第二区域W2中，所以第二区域W2应该比下梳状电极131宽从而提供预定工艺裕量。因此，当在第一硅衬底210中形成沟槽(T)时，第二区域W2可以形成得宽于下梳状电极131的宽度W4。
然后，通过蚀刻去除形成在上梳状电极111和下梳状电极131之间的氧化层211。例如，可以对整个结构应用仅与氧化层211反应的蚀刻剂从而仅完全地去除氧化层211。在去除了氧化层211之后，完全获得如图7I所示的梳状电极结构。在完成的梳状电极结构中，上梳状电极111和下梳状电极131布置来在垂直方向上彼此重叠预定长度(L)。上梳状电极111可以用作附着在平台上并随平台旋转的驱动梳状电极，下梳状电极131可以用作固定梳状电极。
在根据本发明的MEMS装置以及制备该MEMS装置的梳状电极方法中，将驱动梳状电极和固定梳状电极布置在不同的高度并彼此重叠预定长度，使得该MEMS装置可以在驱动电压(输入)和平台的旋转角度(输出)之间表现出理想的线性关系。例如，当将MEMS装置用作显示装置的光扫描器时，由于该线性的输入-输出关系，所以可以精确地控制扫描线，由此防止图像失真和褶皱。因此可以提供高质量的图像显示。
尽管已经参考本发明的示范性实施例具体地示出了本发明，但是本领域的普通技术人员应该知道可以进行各种形式和细节的变化，而不脱离权利要求所界定的本发明的范围和精神。

Claims (12)

1、一种形成微机电系统装置的梳状电极的方法，包括：
在第一硅衬底的一侧以规则的间隔形成多个平行的沟槽，从而在所述第一硅衬底的一侧上交替界定高度不同的第一区域和第二区域；
氧化所述第一硅衬底以在所述高度不同的第一区域和第二区域中形成氧化层；
在所述氧化层上形成多晶硅层以至少填满所述沟槽从而使具有不同高度的氧化层平化；
将第二衬底直接结合到所述多晶硅层的顶表面上；
使用第一掩模选择性地蚀刻所述第二硅衬底和所述多晶硅层，从而形成与所述第一区域垂直对齐的上梳状电极；
使用第二掩模选择性地蚀刻所述第一硅衬底以形成与所述第二区域垂直对齐的下梳状电极；以及
去除在所述上梳状电极和所述下梳状电极之间夹置的氧化层。
2、根据权利要求1的方法，还包括在形成所述多晶硅层之后通过化学机械抛光使所述多晶硅层平化。
3、根据权利要求1的方法，还包括在形成所述多晶硅层之后根据所述沟槽的深度在所述多晶硅层上另外生长外延层。
4、根据权利要求1的方法，还包括在结合所述第二硅衬底之后，通过化学机械抛光将所述第二硅衬底的顶表面抛光，从而将所述第二硅衬底减薄到希望的厚度。
5、根据权利要求1的方法，其中通过硅直接结合工艺结合所述第二硅衬底。
6、根据权利要求1的方法，其中形成在所述第一区域中的上梳状电极与形成在所述第二区域中的下梳状电极重叠，并且所述上梳状电极和下梳状电极之间的重叠长度对应于所述第一区域和第二区域之间的高度差。
7、根据权利要求1的方法，其中所述第一掩模与形成在所述第一区域中的氧化层垂直地对齐。
8、根据权利要求1的方法，其中通过使用已经形成的上梳状电极使所述第二掩模与所述第二区域垂直地对齐。
9、根据权利要求1的方法，其中所述第一区域要宽于所述上梳状电极。
10、根据权利要求1的方法，其中所述第二区域要宽于所述下梳状电极。
11、一种微机电系统装置，包括：
以振动模式工作的平台；
设置在所述平台周围以支撑所述平台并允许所述平台旋转的框架；
从所述平台向所述框架彼此平行地延伸的多个驱动梳状电极；以及
从所述框架延伸并与所述驱动梳状电极啮合的多个固定梳状电极；
其中，所述驱动梳状电极和固定梳状电极设置在不同的高度并且在垂直方向上彼此重叠预定长度。
12、根据权利要求11的微机电系统装置，其中所述驱动梳状电极和固定梳状电极在垂直方向上彼此重叠，从而防止在所述驱动梳状电极和固定梳状电极之间的垂直间隙。
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