CN101611337B - 光扫描镜、半导体结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

易于制造出在移动单元中具有绝缘结构的半导体结构。通过处理由第一硅层100a、氧化物膜120以及第二硅层100b所组成的SOI衬底，从而形成光扫描镜(半导体结构)1。移动单元50，其通过第一铰链5支撑于固定框架4上，形成在第一硅层100a上。通过形成沟槽(绝缘结构)101a将所述移动单元50划分成多个区域。由氧化物膜120和第二硅层100b形成的支撑部件9刚好形成在所述沟槽101a之下。由所述沟槽101a划分的可移动框架3的多个区域接合到所述支撑部件9，从而使得移动单元50与支撑部件9一起是可摆动的。从而，通过简单的蚀刻步骤形成支撑部件9，如此，确保移动单元50的机械强度。

Description

光扫描镜、半导体结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种使通过铰链枢设并且具有镜的移动单元摆动的光扫描镜，光束从外面入射到所述镜中，从而扫描通过镜所反射的反射光束，并且涉及一种用于所述光扫描镜等的半导体结构及其制造方法。

背景技术

通常，在光学设备诸如条形码读出器或者投影仪中使用光扫描镜系统，以便通过摆动设置有镜的镜单元来扫描入射到镜上的光束。众所周知，例如，一种具有半导体结构并且使用微细加工形成的小型的光扫描镜系统是光扫描镜。当这种半导体结构用作光扫描镜时，它具有形成有镜的移动单元，以及用于支撑所述移动单元的固定框架。所述移动单元和所述固定框架通过铰链互相耦合。例如，在所述移动单元和所述固定框架之间形成一对互相交错的梳状电极。形成所述梳状电极，从而使得每个电极在2μm到5μm的区间交错，并且当在电极之间施加电压时产生静电力。移动单元相对于固定框架旋转，同时通过由树状电极所产生的驱动力来扭动铰链，从而使得所述移动单元环绕作为旋转轴的铰链摆动。

顺便说一下，如文件所示(IEEE量子电子学杂志，第6卷，第5期，2000年九月/十月第715页)(IEEE Journal of selected topics in Quantum Electronics，Vol.6，No.5，September/October 2000P715)，有一种具有半导体结构的光扫描镜：移动单元具有安装有镜的镜单元；可移动框架通过铰链支撑所述镜单元；以及在所述可移动框架和所述移动单元之间进一步形成的一对梳状电极。图25和图26显示这种双轴(biaxial)光扫描镜的一个实例。光扫描镜81由SOI(绝缘体上硅)衬底800组成，所述SOI衬底800通过由绝缘膜820接合第一硅层800a和设置于其下的第二硅层800b而形成。在第一硅层800a上形成镜单元82和可移动框架83，并且由所述第一硅层800a、绝缘膜820、以及第二硅层800b组成固定框架84。可移动框架83通过第一铰链85枢设在固定框架84上。镜单元82通过第二铰链86(其在与第一铰链85相垂直的方向上形成)枢设在可移动框架83上。在可移动框架83和固定框架84、以及镜单元82和可移动框架83之间分别设置有梳状电极87、88。在所述镜单元82的上面上形成镜82a。在所述固定框架84的上面上形成端子区域(terminal region)810a、810b、810c(给所述端子区域810a、810b、810c施加电压以驱动梳状电极87、88)。由绝缘膜820覆盖除了端子区域810a、810b、810c之外的第一硅层800a的上面。当将电压施加到端子区域810a、810b、810c时，梳状电极87、88产生驱动力，并且所述驱动力作用于(act on起作用)镜单元82和可移动框架83，从而使得镜单元82和可移动框架83分别摆动，同时使第二铰链86和第一铰链85扭动。

在双轴光扫描镜81的半导体结构中，有必要在可移动框架83中设置彼此电绝缘的两个区域，以便能够在梳状电极88(设置于镜单元82和可移动框架83之间)位于镜单元82一侧中的电极和位于可移动框架83一侧中的电极之间施加电压。在图25中，用不同的设计分别图案化电绝缘的第一硅层800a的区域。在传统的光扫描镜81的半导体结构中，如图所示，通过在移动镜83上设置隔离槽89，将可移动框架83绝缘成两个区域中，其中一个区域具有与可移动框架83一侧中的电极的电势相同的电势，而另一个区域通过由第二铰链86传导镜单元82从而具有与镜单元82一侧中的电极的电势相同的电势。通过在形成于第一硅层800a上的每个沟槽的侧壁上(sidewalls)形成绝缘膜820c并且通过将多晶硅89a填充到沟槽中来设置这种隔离槽89，从而通过在电绝缘状态下耦合两个区域来维持可移动框架83的整体机械强度。因此，它能够以组合方式摆动可移动框架83，并且能够维持可移动框架83的两个区域的电绝缘。

将参考图27A至27C来描述隔离槽89的制造过程的实例。首先，如图27A所示，在SOI衬底800的第一硅层800a上的绝缘膜820的上面上图案化抗蚀剂832，并且蚀刻所述第一硅层800a，从而在第一硅层800a上形成沟槽801a。随后，如图27B所示，在去除抗蚀剂832之后，采用电炉氧化沟槽801a的侧壁，从而形成绝缘膜820c，并且沉积多晶硅，以用所述多晶硅89a来填充所述沟槽801a。随后，如图27C所示，通过抛光去除在第一硅层800a的表面上沉积的多晶硅，从而在第一硅层800a中形成隔离槽89。然后，通过去除刚好在可移动框架83和镜单元82之下的第一硅层800b和绝缘膜820，从而可移动地形成可移动框架83和镜单元82。

然而，当设置隔离槽89(其通过将多晶硅89a填充到沟槽801a中而形成)以便形成可移动框架83时，半导体结构的制造过程变得复杂了。另外，因为设置有隔离槽89，所以难以同时维持喜欢的电绝缘并维持机械强度，因此就有一个问题：产品的产量比可能会下降。换句话说，在光扫描镜81的半导体结构的制造过程中，如上所述，必须执行复杂工艺诸如沟槽形成工艺、侧壁氧化工艺、多晶硅填充工艺、多晶硅抛光工艺。此外，在多晶硅填充工艺中，难以将多晶硅89a厚厚地填充到沟槽801a中，从而在填充的多晶硅89a中可能出现空气隙，如此，可能使可移动框架83的机械强度变弱。而且，由于可移动框架83的两个区域通过绝缘膜820c彼此电绝缘，所以如果没有在制造过程中优选地形成绝缘膜820c，则介于两个区域之间的电绝缘可能会下降，如此，在光扫描镜81中可能会出现故障。

此外，在为了光栅扫描目的而使用以上提到的双轴光扫描镜的情况下，通过使镜单元82的共振频率高于可移动框架的共振频率，从而广泛地扫描精确的(precise)图像，需要增加扫描线的个数。然而，由于在传统框架中镜单元82和可移动框架83具有基本上相同的厚度，所以为了提高单元82和可移动框架83的共振频率比，有必要升级该可移动框架，如此，光扫描镜81的设备尺寸将会升级并且其制造成本会增加。

而且，可移动框架83的第一铰链85可能形成为较窄，同时可移动框架83的质量增加了，以使其共振频率小于镜单元82的共振频率。由于可移动框架83形成在第一硅层800a(其制备为使厚度为几百μm至几十μm的硅衬底变薄)上，所以如果可移动框架83的位移(displacement)比其在正常摆动中的位移大，那么由于在操纵光扫描镜81中添加的大振动，则比破裂强度大的应力会作用于第一铰链85，如此，可能损坏第一铰链85，从而，光扫描镜81可能会不起作用。

发明内容

考虑到上述问题，构思出本发明，并且打算提供一种光扫描镜，其能够通过简化制造过程在移动单元中形成绝缘结构，增加产品的产量比，而无需升级设备而增加所述移动单元的共振频率，增强防破裂性(break-proof)，并且易于使用，以及用于该光扫描镜的半导体结构等等。

根据本发明一个方面的一种光扫描镜包括：半导体结构，由固定框架和通过第一铰链枢设在所述固定框架上的移动单元来配置，以便相对于所述固定框架可旋转；以及镜(mirror)，形成于所述移动单元上，以反射从外面入射的光束，其中，隔离槽设置于所述移动单元上，以便将所述移动单元划分成彼此电绝缘的多个区域，支撑部件，刚好设置于被所述隔离槽划分的所述移动单元的多个区域相耦合的所述隔离槽之下，以及移动单元，配置成与所述支撑部件一起整体地可旋转。

此外，根据本发明一个方面的一种半导体结构，包括：固定框架；以及移动单元，通过第一铰链枢设在所述固定框架上，从而相对于所述固定框架是可旋转的，其中，隔离槽设置于所述移动单元上，以便将所述移动单元划分成彼此电绝缘的多个区域，支撑部件，刚好设置于被所述隔离槽划分的所述移动单元的多个区域相耦合的所述隔离槽之下，以及移动单元，配置成与所述支撑部件一起整体地可旋转。

根据这种配置，由于支撑部件刚好在隔离槽之下形成并且移动单元与支撑部件配置为整体地可旋转的，所以可用简化的制造过程而非传统工艺来制造半导体结构，并且可以保证移动单元的机械强度。此外，由于隔离槽配置为将移动单元划分成多个区域，所以能够安全地维持区域之间的电绝缘，如此，可以增加制造中半导体结构或者光扫描镜的产量(yield ration)。此外，由于移动单元因为支撑部件接触安装面可能不会倾斜很大，所以可以防止铰链的制动并且可以更容易地操纵半导体结构或者光扫描镜。由于支撑部件与移动单元整体地旋转，所以可以降低移动单元的共振频率而无需升级设备，如此，也可以减少半导体结构或者光扫描镜的制造成本。

另一方面，根据本发明一个方面的一种半导体结构的制造方法包括：其中所述半导体结构形成为：SOI(绝缘体上硅)衬底，其配置为通过氧化物膜而彼此接合的第一硅层和第二硅层；固定框架，形成于所述第一硅层、所述氧化物膜、以及所述第二硅层上，移动单元，形成于所述第一硅层上，通过支撑弹簧枢设在所述固定框架上并且相对于所述固定框架可旋转，以及隔离槽，设置于所述移动单元上，以便将所述移动单元划分成彼此电绝缘的多个区域，包括：第一步骤，用于蚀刻所述SOI衬底，以便形成所述支撑弹簧、所述移动单元以及所述隔离槽；在第一步骤之后，第二步骤，用于蚀刻第二硅层，以便雕刻刚好位于所述移动单元和所述支撑弹簧之下的、除了刚好位于所述隔离槽之下以外的所述第二硅层的区域；以及在第二步骤之后，第三步骤，用于去除所述氧化物膜的区域，其通过在第二步骤中雕刻所述第二硅层而暴露出来，并且形成由所述氧化物膜和刚好位于所述隔离槽之下的所述第二硅层配置的所述支撑部件，以便接合通过所述隔离槽被划分的所述移动单元的多个区域。

根据这种制造过程，能够容易地制造半导体结构，通过简化用于蚀刻SOI衬底的工艺，而无需执行沟槽侧壁氧化工艺、多晶硅填充工艺、多晶硅抛光工艺。由于隔离槽形成为将移动单元划分成多个区域，所以能够安全地维持区域之间的电绝缘，如此，可以增加在半导体结构制造中的产品的产量(yieldration)。

附图说明

图1A是显示根据本发明第一实施例的光扫描镜的顶面侧(top faceside)的透视图，图1B是显示所述光扫描镜的底面侧的透视图。

图2是显示上述光扫描镜的平面图。

图3是显示上述光扫描镜沿图2的A-A线在安装于电路板上的情况下的剖面侧视图。

图4A是显示上述光扫描镜的顶面侧沿A-A线的剖面透视图，图4B是显示所述光扫描镜的底面侧沿A-A线的剖面透视图。

图5是显示上述光扫描镜的平面图。

图6是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。

图7是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。

图8是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。

图9是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。

图10是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。

图11是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。

图12是上述光扫描镜在制造过程的第三步骤中的剖面侧视图。

图13是显示根据本发明第二实施例的光扫描镜的剖面侧视图。

图14是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。

图15是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。

图16是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。

图17是显示根据本发明第三实施例的光扫描镜的剖面侧视图。

图18是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。

图19是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。

图20是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。

图21是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。

图22是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。

图23是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。

图24是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。

图25是显示传统光扫描镜的平面图。

图26是显示传统光扫描镜的剖面侧视图。

图27A、图27B、图27C是显示传统光扫描镜的隔离槽按时间序列的形成步骤的剖面侧视图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明第一实施例。图1A、图1B、图2、图3、图4A、图4B以及图5显示根据该实施例的光扫描镜的一个实例。光扫描镜(半导体结构)1配置为使用半导体结构。例如，光扫描镜1是一种装备于光学设备(诸如条形码读出器、将图示图像反射到外部屏幕上的投影仪装置等、或者光学开关)中的小型设备。光扫描镜1具有扫描从外部光源(未示出)入射的光束的功能。

首先，描述该光扫描镜1的一种配置。光扫描镜1由三层的SOI(绝缘体上硅)衬底100构成，其是通过经由硅的氧化物膜120接合具有电导率的第一硅层100a和第二硅层100b而形成的。由于氧化物膜120具有电绝缘特性，所以第一硅层100a和第二硅层100b彼此电绝缘。例如，第一硅层100a的厚度大约是30μm，而第二硅层100b的厚度大约是400μm。此外，氧化物膜120b形成在SOI衬底100的顶面的一部分上。在俯视图中，例如，该光扫描镜1是一种长方体设备，所述长方体设备具有基本上方形形状的每一侧，所述侧具有几微米的尺寸。在具有预定厚度的玻璃的间隔件110例如接合到第二硅层100b的底面的一部分的情况下，光扫描镜1安装于光学设备等的电路板“B”上。氧化物膜120b和电路板“B”如图3所示，但是从图1A、图1B、图2、图4A、图4B以及图5中省略了对它们的图示。另外，光扫描镜1可不需要具有氧化物膜120b。

光扫描镜1具有：镜单元2，其在俯视图中基本上是矩形形状，并且在其顶面上形成有镜20；可移动框架3，其形成为矩形环状，以封装镜单元2的外周；以及固定框架4，其形成为封装可移动框架3的外周、并作为光扫描镜1的外周，并且间隔件100被接合到其下面。可移动框架3和固定框架4通过梁柱(beam)形状的两个第一铰链5相耦合，所述两个第一铰链5从固定框架4彼此相对的两个侧面形成，并且与每个面相垂直，以便构成布置在一条线上的单轴。另一方面，镜单元2和可移动框架3通过梁柱形状的两个第二铰链6相耦合，所述第二铰链6形成为在与第一铰链5的纵向相垂直的方向上构成布置在一条线上的单轴。形成第一铰链5和第二铰链6，从而使得在俯视图中，由它们所组成的坐标轴经过镜单元2的重心位置。例如，第一铰链5和第二铰链6的宽度分别大约是5μm和30μm。镜单元2通过作为旋转轴的第二铰链6相对于可移动框架3可旋转地支撑于可移动框架2上。另一方面，可移动框架3通过作为旋转轴的第一铰链5相对于固定框架4可旋转地支撑于固定框架4上。换句话说，在光扫描镜1中，镜单元2和可移动框架3构成移动单元50，其环绕由第一铰链5组成的轴相对于固定框架4是可旋转的。此外，镜单元2配置为环绕分别由第一铰链5和第二铰链6组成的两个轴是二维可旋转的。在可移动框架3的底面上设置支撑部件9，其与可移动框架3相接合，并且与可移动框架3一起整体地可旋转。此外，在固定框架4上形成三个端子膜(terminal film)10a、10b、10c。在下文中，第二铰链6的纵向称为X-方向，第一铰链5的纵向称为Y-方向，与X-方向和Y-方向都垂直的方向称为Z-方向。

光扫描镜1用静电力使镜单元2旋转。为了使镜单元2旋转，在没有形成第一铰链5的可移动框架3和固定框架4之间的部分形成第一梳状电极7，在没有形成第二铰链6的镜单元2和可移动框架3之间的部分形成第二梳状电极8。配置第一梳状电极7，从而将电极3b和电极4a安排为彼此交错(interdigitate)，所述电极3b在基本上与X-方向相垂直的可移动框架3的两侧面上分别形成为梳状，所述电极4a在固定框架4面对电极3b的位置处分别形成为梳状。配置第二梳状电极8，从而将电极2a和电极3a安排为彼此交错，所述电极2a在基本上与Y-方向相垂直的镜单元2的两侧面上分别形成为梳状，所述电极3a在可移动框架3面对电极2a的位置处分别形成为梳状。在第一梳状电极7和第二梳状电极8中，例如，在从2μm至5μm的范围中选择介于电极3b和4a之间的间隙和介于电极2a和3a之间的间隙。当将电压施加到电极3b和4a之间或者电极2a和3a之间时，第一梳状电极7和第二梳状电极8产生作用于彼此吸引的方向上的静电力。

通过用微细加工工艺处理SOI衬底100，从而形成镜单元2、可移动框架3、固定框架4等，如稍后所述。下面将描述相对于光扫描镜1的每一个点的SOI衬底100的层的结构。

在第一硅层100a上形成镜单元2和可移动框架3。镜单元20例如是铝薄膜。因此，镜单元20可以反射从外面入射到镜单元2的顶面上的光束。镜单元2形成为关于经过第二铰链6的垂直平面(与Z-X平面平行的平面)基本上对称。因此，镜单元2可以环绕第二铰链6平稳地摆动。

在可移动框架3上形成沟槽101a(隔离层)，其从第一硅层100a上端到下端穿透所述第一硅层100a，以便构成槽形间隙。由于形成了沟槽101a，所以可移动框架3被划分成五个区域，其中一个区域是连接到第一铰链5其中之一并且是与电极3a和电极3b一体化的区域，另一个区域是由枢轴部分3c和枢轴部分3e组成的区域，枢轴部分3c用于支撑两个第二铰链6，枢轴部分3e通过导电部分3d连接到枢轴部分3c并且通过另一个第一铰链5枢转，其余的区域是三个平衡部分3f，在俯视图中，通过形成沟槽101a，所述三个平衡部分3f形成为关于包含有导电部分3d的镜单元2的中心基本上点对称。由于沟槽101a形成为划分第一硅层100a，所以这五个区域彼此之间电绝缘。另外，可不需要形成平衡部分3f。

支撑部件9由可移动框架3之下(沿Z-方向)的氧化物膜120和第二硅层100b组成。被沟槽101a所划分的可移动框架3的五个区域分别被接合到支撑部件9。换句话说，支撑部件9形成为与刚好(just)位于形成有沟槽101a的可移动框架3的部分之下的第一硅层100a相接合。由于五个区域都被接合到支撑部件9，所以可移动框架3和支撑部件9整体地形成为相对于作为旋转轴的第一铰链5是可旋转的。在该实施例中，在平面图中，支撑部件9形成为关于第一铰链5基本上对称的环形，以覆盖除了电极3a和3b之外的可移动框架3的大部分底面。此外，由第二硅层100b所组成的支撑部件9的部分的厚度被选择为与由第二硅层100b所组成的固定框架4的部分的厚度基本相同。换句话说，支撑部件9形成为关于经过第一铰链5的垂直平面(与Y-Z平面平行的平面)基本上对称。此外，可移动框架3的沟槽101a关于经过第一铰链5的垂直平面形成在基本对称的位置处，并且形成有基本对称的形状，以便形成平衡部分3f。从而，在平面图中，包含有支撑部件9的移动单元50的重心与由第一铰链5所构成的旋转轴基本上相符。因此，包含有支撑部件9的移动单元50是环绕第一铰链5平稳地可摆动的，从而可以恰当地执行光扫描镜1的扫描。

固定框架4由第一硅层100a、氧化物膜120以及第二硅层100b来构成。间隔件110形成在固定框架4的底面上，从而使得在光扫描镜1安装于电路板“B”上的状态下，在支撑部件9之下形成间隔件110的厚度的空隙。因此，在光扫描镜1的运动中，可移动框架3和支撑部件9可以环绕第一铰链5整体地旋转。

三个端子膜10a、10b、10c形成为在固定框架4顶面上呈直线排列。沟槽101b形成在固定框架4上，以便将第一硅层101a划分成与沟槽101a相似的多个区域。沟槽101b将固定框架4的第一硅层100a划分成三个区域，其彼此电绝缘，并且与端子膜10a、10b、10c的电势基本相同。在这些区域中，将与端子膜10a的电势相同的区域具有枢轴部分4b，以支撑第一铰链5其中之一(其远离端子膜10a并且连接到可移动框架3的枢轴部分3e)。具有窄宽度并且被连接到枢轴部分4d的导电部分4e还被连接到在上面形成有端子膜10a的部分。此外，将与端子膜10b的电势基本上相同的另一个区域具有枢轴部分4f，以支撑另一个第一铰链5。将与端子膜10c的电势基本上相同的剩余区域，是固定框架4的除了与端子膜10a、10b的电势相同区域之外的区域，并且在该区域上形成电极4a。氧化物膜120和第二硅层100b接合于第一硅层100a之下，沟槽101b仅形成于第一硅层100a上，从而使得固定框架4以一体化的(unified)方式完整地形成。

在图5中，由不同的设计来图案化彼此之间电绝缘的第一硅层100a的区域。如上所述，由于沟槽101a和沟槽101b形成在第一硅层100a上，所以，电势可以与外部不同的三个区域形成在第一硅层100a上，一个区域是在其上形成有端子膜10a并且与电极2a的电势基本上相同的区域，另一个区域是在其上形成有端子膜10b并且与可移动框架3上的电极3a和3b的电势相同的区域，剩余区域是其上形成端子膜10c并且与固定框架4上的电极4a电势相同的区域。通过改变端子膜10a、10b、10c的电势来驱动光扫描镜1。

下面描述光扫描镜1的运动。第一梳状电极7和第二梳状电极8分别作为垂直静电梳(vertical electrostatic comb)，从而使得镜单元2因为第一梳状电极7和第二梳状电极8通过预定的驱动频率产生驱动力而被驱动。通过周期性地变化电极2a和电极4a的电势，从而驱动第一梳状电极7和第二梳状电极8，以便在电极3a和3b被连接到参考电势的状态下产生驱动力。在这种光扫描镜1中，例如，第一梳状电极7和第二梳状电极8分别配置成通过被施加矩形波而周期性地产生驱动力。

通常，在精确感测中，如上述配置的镜单元2和可移动框架3在静止状态中不采取水平姿态，并且由于在制造过程中的内部应力，它们略微倾斜。因此，例如，当即使从静止状态驱动第一梳状电极7时，基本垂直于镜单元2的驱动力起作用，从而使得镜单元2环绕作为旋转轴的的第二铰链6旋转，同时扭动第二铰链6。之后，当镜单元2采取电极2a和3a完全交错的姿态时，释放第二梳状电极8的驱动力，镜单元2在通过其惯性力扭动第二铰链6的同时继续旋转。随后，当旋转方向上的镜单元2的惯性力变得与第二铰链6的恢复力(resilience)相等时，镜单元2在旋转方向上的旋转停止。此时，再次驱动第二梳状电极8，通过第二铰链6的恢复力和第二梳状电极8的驱动力驱动镜单元2，以便开始在相反方向上旋转。镜单元2由于第二梳状电极8的驱动力和第二铰链6的恢复力而重复这种旋转，因此，它环绕第二铰链6摆动。与镜单元2的旋转相似，可移动框架3由于第一梳状电极7的驱动力和第一铰链5的恢复力而重复旋转，如此，它与支撑部件9一起整体地环绕第一铰链5摆动。当可移动框架3摆动时，包含有支撑部件9的移动单元50以一体化的方式摆动，从而使得镜单元2的姿态变化。因此，镜单元2重复二维摆动运动。

通过施加电压来驱动第二梳状电极8，所述电压具有由镜单元2和第二铰链6所构成的震动系统的共振频率的基本上两倍(twofold)的频率。此外，通过施加电压来驱动第一梳状电极7，所述电压具有由镜单元2、可移动框架3以及第一铰链5所构成的震动系统的共振频率的基本上两倍的频率。因此，镜单元2利用共振驱动，从而使得其摆动角变大。另外，第一梳状电极7和第二梳状电极8的电压的施加和驱动频率不限于上述情况，例如，它可以配置成将驱动电压施加为正弦波，或者，电极3a和3b的电势可以随着电极2a和电极4a的电势变化。

于是，在光扫描镜1中，当包含有支撑部件9的移动单元50或者镜单元2近似为具有一致厚度的长方体时，包含有支撑部件9的移动单元50的摆动运动的共振频率或者镜单元2的摆动运动的共振频率由如下公式来显示，其中，第一铰链5或者第二铰链6的弹簧常数采用符号“K”来表示，包含有支撑部件9的移动单元50或者镜单元2的质量采用符号“m”来表示，包含有支撑部件9的移动单元50或者镜单元2的与其旋转轴相垂直的一侧的长度采用符号“L”来表示，包含有支撑部件9的移动单元50或者镜单元2的惯性力矩(inertia moment)采用符号“i”来表示。

共振频率：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{i}}$

惯性力矩：

$i=\frac{1}{12}m{L}^2$

从上述公式中可以看出，由于移动单元50的可移动框架3与支撑部件9一起以组合方式旋转，所以与没有设置支撑部件9的情况相比，环绕第一铰链5旋转的部分的质量增加了，并且与环绕第二铰链6的镜单元2的惯性力矩相比，环绕第一铰链5的移动单元50的惯性力矩大大增加。换句话说，在该实施例中，能够使环绕第一铰链5的包含有支撑部件9的移动单元50的摆动运动的共振频率减小到比环绕第二铰链6的镜单元2的摆动运动的共振频率小得多。此外，换句话说，与传统的半导体结构相比，能够在通过设置支撑部件9保持移动单元50的共振频率的同时，通过缩小光扫描镜的设备的尺寸，从而以低成本制造光扫描镜1，或者，能够通过使第一铰链5变粗，从而增加光扫描镜的耐冲击力(impact resistance)。

另外，从上述公式中可以明显地看出，在平面图中，相对于第一铰链5在一侧中的支撑部件9的重心位置离第一铰链5越远，环绕第一铰链5的包含有支撑部件9的移动单元50的惯性力矩就变得越大。在该实施例中，考虑到第一铰链5的弹簧常数、环绕第二铰链5的镜单元2的共振频率等，以这样一种方式选择支撑部件9的位置，从而使得环绕第一铰链5的包含有支撑部件9的移动单元50的惯性力矩变成预定值。因此，能够很容易地使环绕第一铰链的包含有支撑部件9的移动单元50的摆动运动的共振频率与光扫描镜1所需要的规格相匹配。

随后，将参考图6至图12来描述光扫描镜1的制造过程。每个附图显示与图3相对应的横截面图。通过大约三个步骤来制造该光扫描镜1：第一步骤(图6至图9)，在第一硅层100a上形成镜单元2、可移动框架3、第一铰链5、第二铰链6等等；第二步骤(图10和图11)，雕刻(engrave)刚好位于镜单元2、可移动框架3等之下的第二硅层100b的部分；以及第三步骤(图12)，去除由于第二步骤中雕刻第二硅层所暴露出的氧化物膜120的部分。另外，在SOI衬底100上同时形成多个光扫描镜1，该SOI衬底100是例如尺寸大约为4英寸到6英寸的晶片，随后，通过切割(dicing)将其划分成单独的光扫描镜。

在第一步骤中，首先，在氧和氢环境大气的扩散炉中，在SOI衬底100的顶面和底面上形成氧化物膜120b(图6)。随后，通过光刻法，在形成于第一硅层100a上的氧化物膜120b的表面上，将抗蚀剂132图案化为移动单元50、第一铰链3、导电部分3d和4e等等的形状。之后，通过RIE(反应离子蚀刻)去除没有被抗蚀剂132b所掩盖的氧化物膜120b的部分，以便暴露不形成移动单元50等的第一硅层100a的部分(图7)。随后，在氧等离子体中去除抗蚀剂132b，并且通过例如溅射铝在第一硅层100a的顶面上形成铝膜。铝膜的厚度形成为例如5000埃。随后，在通过光刻法图案化抗蚀剂132c之后，执行RIE，以便去除铝膜除了与镜20和端子膜10a、10b以及10c相对应的部分之外的部分(图8)。

随后，执行D-RIE(深反应离子蚀刻)，以便蚀刻第一硅层100a顶面暴露的部分。由于介于第一硅层100a和第二硅层100b之间的氧化物膜120的蚀刻率比活性层(active layer)的第一硅层100a的蚀刻率小1％，所以氧化物膜120a和120b很少被蚀刻。从而，在第一硅层100a上形成将要成为移动单元50、第一铰链5、第二铰链6、梳状电极7和8的形状(shape)。同时，在将要成为移动单元50的部分上形成沟槽101a，在将要成为固定框架4的部分上形成沟槽101b。在氧等离子体中去除抗蚀剂132c(图9)。

随后，执行第二步骤。在第二步骤中，首先，通过光刻法在形成于第二硅层100b的表面上的氧化物膜120b上图案化抗蚀剂132d(图10)。在仰视图中，抗蚀剂132d形成为支撑部件9和固定框架4的形状。之后，通过RIE蚀刻在其上没有形成抗蚀剂132d的氧化物膜120b的部分，随后，通过D-RIE雕刻第二硅层100b暴露的部分(图11)。从而，刚好位于移动单元50和第一铰链5之下的部分(除了刚好位于沟槽101a之下将要成为支撑单元9的部分之外)被雕刻。此时，第二硅层100b被蚀刻到氧化物膜120，但是由于它们的蚀刻率的差别，氧化物膜120很少被蚀刻。随后，在氧等离子体中去除抗蚀剂132d。可替代地，在蚀刻第二硅层100b的同时可去除抗蚀剂132d，从而使得在这种情况下可以简化制造过程。

在第二步骤之后，在第三步骤中通过RIE去除暴露于底侧的氧化物膜120(图12)。从而，通过第一铰链5和第二铰链6，移动单元50和镜单元2分别变成可摆动的状态。从而，在被沟槽101a绝缘的可移动框架3的多个部分接合在一起的状态下，刚好在沟槽101a之下形成由氧化物膜120和第二硅层100b构成的支撑部件9。另外，同时去除在第二硅层100b的表面上的氧化物膜120b。随后，由例如硅或者玻璃制成的间隔件110，刚好被接合到固定框架4之下，随后，通过切割从晶片切割出多个光扫描镜1，从而制造出光扫描镜1。

如上所述，在该实施例中，通过比传统过程简单得多的蚀刻制造过程，就可以很容易地制造出光扫描镜1(其中绝缘结构设置于移动单元50上)，而无需执行复杂步骤诸如氧化沟槽101a的侧壁和将多晶硅填充到沟槽101a中等传统的步骤。此外，由于被沟槽101a绝缘的可移动框架3被配置成接合到支撑单元9，所以可以确保移动单元3的机械强度，从而光扫描镜1可以安全地(surely)移动。而且，由于沟槽101a被配置成经由间隙将可移动框架3划分成多个区域，所以可以安全地维持可移动框架3的区域之间的电绝缘，如此，增加了制造中的光扫描镜1的产量比(yield ratio)。而且，在光扫描镜1安装于电路板“B”上的状态下，通过使支撑部件9与光扫描镜1的安装面相接触，可移动框架3不会倾斜太多，从而可以防止第一铰链5的破裂，因而可以更容易地操纵光扫描镜1。

图13显示根据本发明第二实施例的光扫描镜。图13中所示的截面与第一实施例中的图3相对应。在下述实施例中，与以上提到的实施例中的配置相等同的配置添加相同的符号，从而仅描述与以上提到的实施例不同的部分。在光扫描镜21中，刚好在沟槽101a之下的支撑部件29的形状与第一实施例中的光扫描镜1的支撑部件9的形状不同。光扫描镜21可以设置于电路板“B”上，而无需设置如同第一实施例中的光扫描镜1的间隔件110。

在光扫描镜21中，形成支撑部件29，从而使得从可移动框架3的底面到支撑部件29的下端的厚度尺寸(例如大约200μm)小于从可移动框架3的底面到固定框架4的下端的厚度尺寸(例如大约400μm)。此外，考虑到第一铰链5的弹簧常数等，以这样一种方式选择支撑部件29的厚度，从而使得环绕第一铰链5的包含有支撑部件29的移动单元50的惯性力矩变成预定值。

将参考图14至图16来描述光扫描镜21的制造过程。在光扫描镜21的制造过程中，并且尤其是在第二步骤中(图14至图16)，所执行的蚀刻是不同的，以便使将要成为支撑部件29的第二硅层100b的部分的厚度小于将要成为固定框架4的第二硅层100b的部分的厚度。第一步骤和第三步骤执行为与第一实施例中的第一步骤和第三步骤相似。

在第二实施例中，在第二步骤中通过RIE去除与待蚀刻的第二硅层100b的部分相对应的第二硅层100b表面上的氧化物膜120b的部分(图14)，并且在氧等离子体中去除此时形成的抗蚀剂132d。之后通过形成抗蚀剂232d来覆盖与固定框架4相对应的部分(图15)。随后，通过执行D-RIE蚀刻第二硅层100b，从而雕刻刚好位于移动单元50和第一铰链5之下的部分(图16)。此时，由于氧化物膜120b形成在将要成为支撑部件29的第二硅层100b的部分的表面上，所以在所述氧化物膜120d被蚀刻之后，将蚀刻所述部分。由于氧化物膜120b的蚀刻率与第二硅层100b的蚀刻率不同，所以氧化物膜120d被蚀刻的速度与第二硅层100b被蚀刻的速度也不同。因此，当没有形成氧化物膜120b的第二硅层100b的部分完全被雕刻时，至少其上形成有氧化物膜120d的部分变成了如下状态：它们没有被完全蚀刻。因此，以这样一种方式执行蚀刻，从而使得将要成为支撑部件29的第二硅层100b的部分的厚度小于将要成为固定框架4的第二硅层100b的部分的厚度。

这样，根据第二实施例，由于支撑部件29的下端位于固定框架4的下端之上，所以不需要设置刚好位于固定框架4之下的间隔件110等，如此，可以制造出具有用于安装的下部轮廓(low profile)的光扫描镜21。另外，通过改变支撑部件29的厚度，能够很容易地选择环绕第一铰链5的移动单元50的惯性力矩。从而，可以很容易地制造出光扫描镜21，从而使得环绕第一铰链5包含有支撑部件29的移动单元50的摆动运动的共振频率被调整到光扫描镜21所要求的规格。

另外，在第二实施例中，考虑到在第一步骤中的支撑部件29的期望的厚度，可以在SOI衬底100的表面上将氧化物膜120b形成为一厚度。此外，在第二步骤中，在通过RIE去除所述氧化物膜120b之后，将要成为支撑部件29的部分的表面上的氧化物膜120b被处理为更薄。此时，当其上没有形成氧化物膜120b的第二硅层100b的部分被完全蚀刻时，优选地，可以选择氧化物膜120b的厚度，从而使得将要成为支撑部件29的第二硅层100b的部分的厚度变成期望的厚度。这样，由于在通过如上所述的D-RIE雕刻第二硅层100b之前，氧化物膜12b的厚度已经被最优化，所以能够缩短蚀刻第二硅层100b所需的时间，如此，可以精确地处理第二硅层100b。

图17显示根据本发明第三实施例的使用半导体结构的光扫描镜。图17中所示的截面与第一实施例中的图3相对应。在光扫描镜31中，刚好位于沟槽101a之下的支撑部件39配置为形成于第二硅层100b上的高浓度硼扩散区域300b。另外，支撑部件39仅形成于刚好在沟槽101a之下。以这样一种方式配置光扫描镜31，从而使得它可以设置于电路板“B”上，而无需设置间隔件110，与第二实施例中的光扫描镜21相类似。

参考图18至图24来描述光扫描镜31的制造过程。在光扫描镜31的制造过程中，它与以上提到的第一实施例的尤其不同就是在第一步骤中执行硼扩散到第二硅层100b中(图18至图22)，并且在第二步骤中使用对于高浓度硼扩散区域300b具有选择性的蚀刻剂执行蚀刻(图23和图24)。第三步骤执行为与第一实施例中的第三步骤相似。

在第一步骤中，与第一实施例相似，通过光刻法，在SOI衬底100的第一硅层100a(氧化物膜120b形成在其表面上)的表面上形成用于形成沟槽101a的抗蚀剂332a。之后，通过执行RIE和D-RIE顺序地蚀刻氧化物膜120b和第一硅层100a，从而形成沟槽101a。随后，进一步骤执行RIE，从而去除刚好位于沟槽101a之下的氧化物膜120(图18)。之后，在扩散炉中，通过去除氧化物膜120，对被暴露的第二硅层100b的部分执行使用硼固相(solid-phase)源的硼扩散(图19)。从而，在第二硅层100b中形成高浓度硼扩散区域300b。通过执行硼扩散，可以在被暴露的第二硅层100b的部分上形成氧化物膜120。

随后，在位于第一硅层100a的表面上的氧化物膜120b的顶面上图案化抗蚀剂332c，并且通过RIE来蚀刻氧化物膜120b被暴露的部分。从而，暴露了执行蚀刻以形成移动单元50、第一铰链5和第二铰链6的部分以及在第一硅层100a上形成镜20和端子膜10a、10b、10c的部分(图20)。之后，与第一实施例相似，执行在氧等离子体中抗蚀剂332c的去除、铝的溅射、抗蚀剂132c的形成、以及铝的蚀刻，从而形成镜20和端子膜10a、10b、10c(图21)。随后，通过D-RIE处理第一硅层100a，以形成将要成为移动单元50、第一铰链5、第二铰链6、梳状电极7和8、以及沟槽101b的形状(图22)。去除抗蚀剂132c。

在第二步骤中，首先，在位于第二硅层100b的表面上的氧化物膜120b上形成抗蚀剂332d。在仰视图中，抗蚀剂332d形成为与固定框架4的形状相同的形状。随后，通过RIE去除暴露的氧化物膜120b，并且通过D-RIE来蚀刻刚好位于移动单元50和第一铰链5之下的第二硅层100b。此时，在紧邻着蚀刻区域达到高浓度硼扩散区域300b之前，完成蚀刻，以便剩余例如大约200μm的第二硅层100b(图23)。随后，在SOI衬底100的第一硅层100a的表面上形成保护膜332e，采用对于高浓度硼扩散区域300b具有选择性的蚀刻剂来蚀刻第二硅层100b的剩余部分(图24)。至于对于高浓度硼扩散区域300b具有选择性的蚀刻剂，可以使用碱(alkali)诸如KOH或者乙二胺邻苯二酚(ethylenediamine pyrocatechol)。从而，当完成第二硅层100b的蚀刻时，剩余高浓度硼扩散区域300b和氧化物膜20。随后，通过去除保护膜332e并且执行第三步骤，可以制造出具有由高浓度硼扩散区域300b构成的支撑部件39的光扫描镜31。

这样，根据第三实施例，在第一步骤中，通过在硼扩散过程中控制硼的扩散深度，可以以期望的尺寸形成高浓度硼扩散区域300b。因此，可以更精确地控制支撑部件39的尺寸，从而可以更精确地选择包含有支撑部件39的移动单元50的共振频率。

本发明不限于以上提到的实施例中的配置，并且在不改变本发明主旨的范围内，能够以多种方式改进。例如，镜单元和移动单元不限于矩形，它们可以成为圆形或者椭圆形。此外，半导体设备不限于具有形成于移动单元上的镜的设备，它可以是具有施由加电压来驱动并且安装于移动单元上的元件的设备。而且，可以通过不同的制造过程制造出光扫描镜，所述不同的制造过程从以上提到的步骤中按照不同的次序执行每一部分的蚀刻。

此外，光扫描镜可以具有彼此相对的梳状电极，其在初始状态中没有以预定角差异或预定位置差异形成在相同的平面上。此外，例如，光扫描镜可以没有梳状电极，并且可以用与上述使用静电力(通过在电路板和移动板之间施加电压而产生)不同的方式来驱动。而且，光扫描镜不限于镜单元环绕两个轴摆动的双轴型光扫描镜，它可以配置为移动单元不离开镜单元和可移动框架中，并且环绕由第一铰链配置的一个轴摆动。

本申请是基于在日本提交的日本专利申请2007-15970和日本专利申请2007-15980，其内容通过援引合并于此。

尽管已经通过参考附图的实例充分地描述了本发明，但是，应当理解，对本领域普通技术人员而言，各种变化和修改是显而易见的。因此，除非另有说明这种变化和修改脱离了本发明的范围，否则它们应当被解释为包含于本发明中。

Claims (13)

1.一种光扫描镜，包括：

镜单元，在其顶面上形成有镜；

可移动框架，其形成为环状，以封装所述镜单元的外周；

固定框架，其封装所述可移动框架的外周；

梁柱形状的两个第一铰链，其被形成为构成布置在一条线上的单轴，并且可旋转地环绕所述轴耦合所述可移动框架和所述固定框架；

梁柱形状的两个第二铰链，其被形成为在与所述第一铰链的纵向相垂直的方向上构成布置在一条线上的单轴，并且可旋转地环绕所述轴耦合所述镜单元和所述可移动框架；

第一梳状电极，形成在所述可移动框架与所述固定框架之间没有形成所述第一铰链的位置；

第二梳状电极，形成在所述镜单元与所述可移动框架之间没有形成所述第二铰链的位置；以及

支撑部件，设置在所述可移动框架的底面上，所述支撑部件与所述可移动框架相接合，并且与所述可移动框架一起整体地可旋转；其中

所述可移动框架通过沟槽被划分为一个区域和另一个区域，上述两个区域彼此之间电绝缘，其中所述一个区域是连接到所述第一铰链其中之一并且是与所述第一梳状电极的电极和所述第二梳状电极的电极一体化的区域，所述另一个区域是由用于支撑两个所述第二铰链的枢轴部分、和通过导电部分连接到上述枢轴部分并且通过另一个第一铰链枢转的枢轴部分组成的区域；以及

所述可移动框架的由所述沟槽划分的区域通过所述支撑部件相耦合。

2.根据权利要求1所述的光扫描镜，其特征在于：

所述支撑部件形成为环形。

3.根据权利要求1或2所述的光扫描镜，其特征在于：

间隔件刚好设置于所述固定框架之下，所述间隔件具有预定厚度，使得在所述光扫描镜安装于电路板上的状态下，在所述支撑部件之下形成所述间隔件的厚度的空隙，从而在所述光扫描镜的运动中，所述可移动框架和所述支撑部件能够环绕所述第一铰链整体地旋转。

4.根据权利要求1或2所述的光扫描镜，其特征在于：

所述支撑部件配置为：从所述可移动框架的底面到所述支撑部件的下端的尺寸被选择为小于从所述可移动框架的底面到所述固定框架的下端的尺寸。

5.根据权利要求1或2所述的光扫描镜，其特征在于：

所述支撑部件配置为：从所述可移动框架的底面到所述支撑部件的下端的尺寸被选择为使得所述可移动框架和所述支撑部件环绕所述第一铰链的惯性力矩变成期望值。

6.根据权利要求3所述的光扫描镜，其特征在于：

所述支撑部件配置为：从所述可移动框架的底面到所述支撑部件的下端的尺寸被选择为小于从所述可移动框架的底面到所述固定框架的下端的尺寸。

7.根据权利要求3所述的光扫描镜，其特征在于：

所述支撑部件配置为：从所述可移动框架的底面到所述支撑部件的下端的尺寸被选择为使得所述可移动框架和所述支撑部件环绕所述第一铰链的惯性力矩变成期望值。

8.根据权利要求1或2所述的光扫描镜，其特征在于：

所述镜单元和所述可移动框架为选自矩形、圆形和椭圆形中的一种形状。

9.根据权利要求3所述的光扫描镜，其特征在于：

所述镜单元和所述可移动框架为选自矩形、圆形和椭圆形中的一种形状。

10.一种光扫描镜的制造方法，其中所述光扫描镜包括：

镜单元，在其顶面上形成有镜；

可移动框架，其形成为环状，以封装所述镜单元的外周；

固定框架，其封装所述可移动框架的外周；

梁柱形状的两个第一铰链，其被形成为构成布置在一条线上的单轴，并且可旋转地环绕所述轴耦合所述可移动框架和所述固定框架；

梁柱形状的两个第二铰链，其被形成为在与所述第一铰链的纵向相垂直的方向上构成布置在一条线上的单轴，并且可旋转地环绕所述轴耦合所述镜单元和所述可移动框架；

第一梳状电极，形成在所述可移动框架与所述固定框架之间没有形成所述第一铰链的位置；

第二梳状电极，形成在所述镜单元与所述可移动框架之间没有形成所述第二铰链的位置；以及

支撑部件，设置在所述可移动框架的底面上，所述支撑部件与所述可移动框架相接合，并且与所述可移动框架一起整体地可旋转；其中

所述可移动框架通过沟槽被划分为一个区域和另一个区域，上述两个区域彼此之间电绝缘，其中所述一个区域是连接到所述第一铰链其中之一并且是与所述第一梳状电极的电极和所述第二梳状电极的电极一体化的区域，所述另一个区域是由用于支撑两个所述第二铰链的枢轴部分、和通过导电部分连接到上述枢轴部分并且通过另一个第一铰链枢转的枢轴部分组成的区域；以及

所述可移动框架的由所述沟槽划分的区域通过所述支撑部件相耦合；其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

在SOI(绝缘体上硅)衬底的顶面和底面上形成氧化物膜，所述SOI衬底是由通过氧化膜彼此接合的第一硅层和第二硅层构成的；

通过光刻法，在形成于所述第一硅层上的所述氧化物膜的表面上，将抗蚀剂图案化为所述可移动框架、所述镜单元、所述第一铰链和所述第二铰链的形状；

通过RIE(反应离子蚀刻)，去除所述氧化物膜的未被所述抗蚀剂掩盖的部分；

在氧等离子体中去除所述抗蚀剂；

通过溅射铝在所述第一硅层的顶面上形成铝膜；

通过光刻法图案化抗蚀剂，再执行RIE，以便去除铝膜的除了与镜面和端子膜相对应的部分之外的部分；

执行D-RIE(深反应离子蚀刻)，以便蚀刻所述第一硅层的顶面暴露的部分，从而在所述第一硅层上形成所述可移动框架、所述镜单元、所述第一铰链、所述第二铰链、所述第一梳状电极、所述第二梳状电极以及所述沟槽的形状；

在氧等离子体中去除所述抗蚀剂；

通过光刻法，在形成于所述第二硅层的表面上的所述氧化物膜上图案化抗蚀剂，在仰视图中，将所述抗蚀剂图案化为所述支撑部件和所述固定框架的形状；

通过RIE蚀刻所述氧化物膜的上面没有形成所述抗蚀剂的部分；

通过D-RIE雕刻所述第二硅层暴露的部分，从而，除了刚好位于所述沟槽之下将要成为所述支撑部件的部分之外，刚好位于所述可移动框架、所述镜单元、所述第一铰链和所述第二铰链之下的部分被雕刻；

将所述第二硅层蚀刻到所述氧化膜；

在氧等离子体中去除所述抗蚀剂；以及

通过RIE去除暴露于底侧的所述氧化膜，从而，通过所述第一铰链和所述第二铰链，所述可移动框架和所述镜单元分别变成可摆动的状态。

11.根据权利要求10所述的光扫描镜的制造方法，其特征在于：

进一步将所述支撑部件形成为环形。

12.根据权利要求10或11所述的光扫描镜的制造方法，其特征在于：

执行蚀刻，使得刚好位于所述沟槽之下的所述第二硅层的部分的厚度小于所述固定框架的所述第二硅层的厚度。

13.根据权利要求12所述的光扫描镜的制造方法，其特征在于：

去除通过形成隔离沟槽而暴露的所述氧化膜的部分，并且将硼扩散到由此而暴露的所述第二硅层的部分中，从而形成高浓度硼扩散区域；以及

使用对于所述高浓度硼扩散区域具有选择性的蚀刻剂对所述第二硅层执行蚀刻，从而使得所述支撑部件配置为所述高浓度硼扩散区域。

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