CN101955151A - 基于硅塑性变形原理的二维梳齿静电驱动器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于硅塑性变形原理的二维梳齿静电驱动器及其制作方法。其特征在于所述的静电驱动器的中央可动平台通过四根直梁连接到内部支撑框架上，内部支撑框架通过四根折叠梁连接到四个固定锚点上。依靠水平驱动梳齿与垂直驱动梳齿分别产生水平静电力及垂直静电力，同时实现中央可动平台的水平及垂直方向运动。所述的静电驱动器是采用微电子机械系统技术制作，利用硅硅高温键合技术、湿法腐蚀及干法刻蚀的方法制作固定梳齿与可动梳齿，利用硅在高温下产生塑性变形的原理使垂直驱动固定梳齿与水平梳齿在垂直方向上产生位错，代替传统工艺采用昂贵的SOI硅片和多步干法刻蚀的方法，降低了工艺难度和成本，是制作水平及垂直方向运动的二维静电驱动器的经济可靠的方法。

Description

基于硅塑性变形原理的二维梳齿静电驱动器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于硅塑性变形原理的二维梳齿静电驱动器，属于微电子机械系统领域。

背景技术

微型驱动器是微电子机械系统的一个重要组成部分，它对于运动的微电子机械系统是必不可少的。在微电子机械系统中经常用到的驱动方式有五种：热驱动、形状记忆合金驱动、压电驱动、电磁驱动及静电驱动。微静电驱动器是微电子机械系统领域中重要的驱动器之一，静电驱动方式主要有两种：一种是平板驱动，另一种是梳齿驱动。静电驱动的原理依赖于电荷极性相反的机械元件的相互吸引，就是一种利用电荷间的库仑力作为驱动力，从事做功的部件，这是微电子机械系统器件最常用的驱动方式。静电驱动器结构简单、响应快、功耗相对较低，而且便于制作大规模集成的结构使其在微电子机械系统领域中得到广泛的应用和发展。微电子机械系统器件非常适合应用于光学领域，基于微电子机械系统的光学器件，大都需要驱动器结构，如数字微镜器件需要的扭转微镜结构，可调谐光器件需要垂直平动结构，因此制作驱动器结构成为微电子机械系统器件的工作重点。

静电梳齿驱动器有很多优点：大驱动距离，稳定，可靠，设计灵活。静电驱动器被广泛应用于微电子机械系统器件中，常用于实现平面的横向驱动，但实现纵向驱动比较困难。国外很多学者采用正反对准、多次选择性刻蚀获得纵向有一定错位的固定梳齿与可动梳齿，从而实现纵向驱动，但是它很难实现固定梳齿与可动梳齿之间的精确对准，另外还需要进行多次干法刻蚀、淀积等工艺，步骤繁多而复杂，所以这种工艺成本高而且不实用。

Chang-Li Hung在U.S.Pat.No.7205174B2中描述了一种扭转型静电驱动器，通过平面和垂直的梳齿控制微镜的转动，垂直的位错梳齿使微镜达到最大转动角度，制作过程中，先刻蚀底层梳齿再键合，之后刻蚀释放上层梳齿结构，整个制作过程至少通过三步刻蚀工艺，如果上层硅片很厚的话，释放上层梳齿将会耗费大量时间，并且也是不经济的。Abraham P.Lee，et.al.在U.S.Pat.No.5969848中描述了一种垂直静电驱动器，依靠平面的梳齿产生的垂直静电力实现微镜的垂直运动，运动距离小于1.5μm，这种结构很难实现较大的位移。本发明拟提出的一种基于硅塑性变形原理制作的静电驱动器可以同时实现水平与垂直方向运动，并且运动距离较大(一种可行的设计参数理论上施加30V的静电压可实现约10μm的垂直运动距离)，制作方法上采用硅硅高温键合技术，通过一次刻蚀实现了整个结构的释放(包括固定及可动梳齿、中央可动平台、直梁及折叠梁等)，大大缩短了工艺流程并且降低了制作成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于硅塑性变形原理的二维梳齿静电驱动器及其制作方法，该器件为微电子机械系统提供一种良好的驱动部件，较好的实现了在水平和垂直方向运动，与传统工艺相比，降低了工艺难度及制作成本。

本发明提供一种基于硅塑性变形原理的二维梳齿静电驱动器，包括垂直及水平驱动固定梳齿、垂直及水平驱动可动梳齿、四根直梁及四根折叠梁、中央可动平台、内部支撑框架、外部支撑框架、四个固定锚点及衬底，其特征在于：

(1)中央可动平台通过四根直梁连接到内部支撑框架上，内部支撑框架通过四根折叠梁连接到四个固定锚点上；

(2)内部、外部支撑框架之间梳齿为垂直驱动梳齿，内部支撑框架里面梳齿为水平驱动梳齿；

(3)在内部支撑框架上制作绝缘槽实现水平驱动电极间的电绝缘；

(4)内部支撑框架上下运动，同时，中央可动平台可水平运动；

所述的中央可动平台不仅局限于长方形或正方形，可为任意形状。

所述的四根直梁、四根折叠梁的形状和尺寸分别一致。

所述的电极引线金属块制作在四个固定锚点及外部支撑框架上。

所述的电极与衬底之间通过绝缘层实现电绝缘、电极引线金属块之间通过隔离槽实现电绝缘。

本发明提出的一种基于硅塑性变形原理的二维梳齿静电驱动器，是利用微电子机械系统技术，利用硅硅高温键合工艺技术，采用湿法腐蚀和干法刻蚀的方法制作固定梳齿和可动梳齿，利用硅在高温下产生塑性变形的原理，使垂直驱动固定梳齿和水平梳齿在垂直方向上产生位错，代替传统工艺采用昂贵SOI硅片和多步干法刻蚀的方法，具体是通过以下步骤的制作方法制作出来的：

(1)结构硅片通过氧化、光刻、湿法腐蚀、生长多晶硅的方法制作水平驱动电极间的绝缘槽；

(2)结构硅片双面氧化形成二氧化硅薄膜后，利用光刻、湿法腐蚀的方法，在其下表面腐蚀出深坑结构，腐蚀的深度由弹性梁的厚度及梳齿的高度决定；所述的弹性梁包括折叠梁或直梁；

(3)结构硅片上表面二氧化硅薄膜上经光刻、干法刻蚀工艺制作出固定梳齿与可动梳齿、直梁及折叠梁、中央可动平台等掩膜结构；

(4)将结构硅片下表面与衬底硅片上表面硅硅预键合，预键合完成后进行退火工艺；

(5)结构硅片上表面通过干法刻蚀同时释放固定梳齿与可动梳齿、直梁及折叠梁、中央可动平台等结构；

(6)施压硅片氧化后利用光刻、湿法腐蚀的方法，在其下表面腐蚀出凸台结构，凸台的高度由垂直位错梳齿的位错距离决定；

(7)将施压硅片下表面(凸台结构)与结构硅片上表面(内部支撑框架及其内部)对准压紧后，平放入高温炉中，进行退火工艺；

(8)引线块掩膜硅片氧化后利用光刻、湿法腐蚀的方法，腐蚀出电极引出槽；

(9)取下施压硅片，将引线块掩膜硅片与结构硅片对准(电极引出槽与结构硅片电极引线金属块位置上下相对应)压紧并固定，然后溅射或蒸发金属层，形成电极引线金属块。

(10)取下引线块掩膜硅片。

所述的包括折叠梁或直梁在内的弹性梁的厚度与梳齿的高度相等，并且决定腐蚀的深度。

所述的静电驱动器采用硅硅键合技术，结构硅片下表面与衬底硅片上表面直接键合，同时实现电绝缘。

所述的固定梳齿与可动梳齿、直梁及折叠梁、中央可动平台等结构是通过一步干法刻蚀的方法同时释放的。

所述的垂直位错梳齿的位错距离通过施压硅片上的凸台结构精确控制。

总而言之，本发明提出的基于硅塑性变形原理制作的静电驱动器可以同时实现水平与垂直方向运动，静电驱动器采用湿法腐蚀形成背面深坑-硅硅键合的方法制作空腔结构，干法刻蚀出处于同一平面的固定梳齿与可动梳齿，并实现电极间的绝缘，将带有凸台的施压硅片与结构硅片对准压紧后平放入高温炉中，硅折叠梁经过高温后产生永久塑性变形，使垂直驱动固定梳齿与可动梳齿在垂直方向上产生了位错，折叠梁在垂直方向上的刚度远远小于水平方向的刚度，因此，当给垂直驱动梳齿施加电压时，内部支撑框架带动中央可动平台在垂直方向上运动，同时，当给水平驱动梳齿施加电压时，中央可动平台在水平方向上运动，所以同时实现了中央可动平台在垂直方向与水平方向上的运动。施压硅片与结构硅片经过高温后并没有键合在一起，取下后可重复利用，同理，引线块掩膜硅片也可重复利用，由于电极引线金属块必须在结构释放后制作，因此采用带电极引出槽的引线块掩膜硅片做掩膜制作电极引线金属块。该静电驱动器的制作方法不需要使用SOI硅片，并且固定梳齿与可动梳齿、直梁及折叠梁、中央可动平台等结构是通过一步干法刻蚀的方法同时释放的，实现了自对准，制作工艺简单，因此大大降低了制作成本。

附图说明

图1是本发明提出的一种基于硅塑性变形原理的二维梳齿静电驱动器的结构俯视图。

图2是图1所示的二维梳齿静电驱动器剖面图。

图3是实施例的静电驱动器工艺流程。其中，图3(a)为水平驱动电极之间绝缘槽的制作；图3(b)为深坑结构的制作；图3(c)固定梳齿与可动梳齿、直梁及折叠梁、中央可动平台等二氧化硅掩膜结构的制作；图3(d)为结构硅片下表面与衬底硅片上表面之间的键合；图3(e)为固定梳齿与可动梳齿、直梁及折叠梁、中央可动平台等结构的释放；图3(f)为带凸台的施压硅片的制作；图3(g)为垂直驱动位错梳齿的制作；图3(h)为带电极引出槽的引线块掩膜硅片的制作；图3(i)、图3(j)为电极引线金属块的制作。

图中各数字代表的含义为：1垂直驱动固定梳齿、2垂直驱动可动梳齿、3水平驱动固定梳齿、4水平驱动可动梳齿、5直梁、6折叠梁、7中央可动平台、8内部支撑框架、9外部支撑框架、10固定锚点、11绝缘槽、12隔离槽、13结构硅片、14衬底硅片、15绝缘层、16电极引线金属块、17二氧化硅掩膜、18施压硅片、19引线块掩膜硅片、20电极引出槽

具体实施方式

以下实施例阐述本发明涉及的静电驱动器及其制作方法的实质性特点和显著进步，但本发明决非仅限于介绍的实施例。

实施例

本发明的实施例涉及静电驱动器结构，结合附图1和2说明。

静电驱动器结构俯视图如图1所示，主要包括垂直驱动固定梳齿1、垂直驱动可动梳齿2、水平驱动固定梳齿3、水平驱动可动梳齿4、四根直梁5及四根折叠梁6、中央可动平台7、内部支撑框架8、外部支撑框架9。中央可动平台7通过四根直梁5连接到内部支撑框架8上，内部支撑框架8通过四根折叠梁6连接到四个固定锚点10上。又如图2所示，电极引线金属块16制作在四个固定锚点10及外部支撑框架9上。水平驱动电极之间通过绝缘槽11实现电绝缘、电极引线金属块之间通过隔离槽12实现电绝缘。水平驱动固定梳齿3和水平驱动可动梳齿4位于内部支撑框架8的内部，垂直驱动固定梳齿1和垂直驱动可动梳齿2在内部支撑框架8与外部支撑框架9之间。静电驱动器结构剖面图如图2所示，包括结构硅片13和衬底硅片14。结构硅片13和衬底硅片14通过氧化层15实现电绝缘，电极引线金属块16制作在四个固定锚点10及外部支撑框架9上。图1中右面的固定锚点10与上面的固定锚点10、左面的固定锚点10与下面的固定锚点10分别为两组水平驱动电极，分别施加电压V1与GND1、V2与GND2；施加电压时两组水平驱动固定电极与可动电极的电压差相同的保证内部支撑框架带动中央可动平台在水平方向上运动；下面的外部支撑框架9与左面的固定锚点10、上面的外部支撑框架9与右面的固定锚点10、左面的外部支撑框架9与上面的固定锚点10、右面的外部支撑框架9与下面的固定锚点10分别为四组垂直驱动电极，分别施加电压V3与V2、V4与V1、V5与GND1、V6与GND2，施加电压时四组垂直驱动固定电极与可动电极的电压差相同以保证内部支撑框架带动中央可动平台在垂直方向上运动。GND1和GND2分别表示接地。

本发明的实施例涉及的静电驱动器制作方法，参考图3所示的工艺流程图进行说明，主要包括以下工艺步骤：

(1)结构硅片为双抛(100)片(厚度为420±5μm)，氧化(二氧化硅厚度为2000～5000

)后、光刻、KOH腐蚀(深度为弹性梁的厚度或梳齿的高度)、生长多晶硅填满整个腐蚀槽，之后去除二氧化硅薄膜层，如图(a)所示；

(2)如图(b)所示，结构硅片双面氧化形成二氧化硅薄膜后，其下表面利用光刻、KOH腐蚀的方法，腐蚀出深为340～380μm的深坑，之后去除下表面的二氧化硅薄膜。

(3)如图(c)所示，在结构硅片上表面二氧化硅薄膜层上经光刻、干法刻蚀出固定梳齿与可动梳齿、直梁及折叠梁、中央可动平台等掩膜结构。

(4)如图(d)所示，将步骤(2)制作的结构硅片下表面与衬底硅片上表面进行硅硅预键合，硅硅预键合温度为400～500℃，压力为2～3Kg，预键合后进行退火工艺，退火温度为900～1100℃，时间为1小时，退火过程中通入氧气或氮气。

(5)如图(e)所示，将结构硅片通过干法刻蚀释放固定梳齿与可动梳齿、直梁及折叠梁、中央可动平台等结构，干法去除结构硅片上表面的二氧化硅掩膜。

(6)如图(f)所示，取另一双抛(100)硅片(厚度为420±5μm)，通过氧化、光刻、KOH腐蚀工艺制作出带有凸台结构的施压硅片。

(7)如图(g)所示，将施压硅片(凸台高度为40～80μm)与结构硅片对准压紧后，平放入高温炉中，温度为900℃～1100℃，时间为1小时。

(8)如图(h)所示，再取另一双抛(100)硅片(厚度为420±5μm)，通过氧化、光刻、KOH腐蚀工艺制作出带有电极引出槽的引线块掩膜硅片。

(9)如图(i)所示，取下施压硅片，将引线块掩膜硅片与结构硅片通过对准压紧并固定，然后制作(溅射、蒸发等，但不限于此)金属层，形成电极引线金属块。

(10)如图(j)所示，取下引线块掩膜硅片。

Claims (9)

1.一种基于硅塑性变形原理的二维梳齿静电驱动器，其特征在于包括垂直及水平驱动固定梳齿、垂直及水平驱动可动梳齿、四根直梁及四根折叠梁、中央可动平台、内部支撑框架、外部支撑框架、四个固定锚点及衬底，

(1)中央可动平台通过四根直梁连接到内部支撑框架上，内部支撑框架通过四根折叠梁连接到外部支撑框架上的四个固定锚点上；

(2)内部支撑框架和外部支撑框架之间梳齿为垂直驱动梳齿，内部支撑框架内的梳齿为水平驱动梳齿；

(3)在内部支撑框架上制作绝缘槽实现水平驱动电极间的电绝缘；

(4)内部支撑框架上下运动，同时，中央可动平台依靠水平驱动梳齿与垂直驱动梳齿产生水平静电力和垂直静电力，实现水平及垂直方向运动。

2.根据权利要求1所述的二维梳齿静电驱动器，其特征在于中央可动平台为长方形、正方形或其他任意形状。

3.根据权利要求1所述的二维梳齿静电驱动器，其特征在于四根直梁和四根折叠梁的形状和尺寸分别一致，且折叠梁或直梁的厚度与梳齿的高度相等。

4.根据权利要求1所述的二维梳齿静电驱动器，其特征在于电极引线金属块制作在外部支撑框架上。

5.根据权利要求4所述的二维梳齿静电驱动器，其特征在于电极与衬底之间通过绝缘层实现电绝缘、电极引线金属块之间通过隔离槽实现电绝缘。

6.按权利要求1所述的二维梳齿驱动器，其特征在于施加30V的静电压可实现10μm的垂直运动距离。

7.制作如权利要求1-5中任一项所述的二维梳齿静电驱动器的方法，其特征在于所述的静电驱动器是采用微电子机械系统技术制作，利用硅硅高温键合工艺技术、湿法腐蚀及干法刻蚀的方法制作固定梳齿与可动梳齿，固定梳齿与可动梳齿、直梁及折叠梁、中央可动平台结构是通过一步干法刻蚀的方法同时释放的；利用硅在高温下产生塑性变形的原理使垂直驱动固定梳齿与水平梳齿在垂直方向上产生位错，代替传统工艺采用昂贵的SOI硅片和多步干法刻蚀的方法，固定梳齿与可动梳齿、直梁与折叠梁、中央可动平台结构通过一步干法刻蚀的方法同时释放。

8.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于制作步骤为：

(1)首先将结构硅片通过氧化、光刻、湿法腐蚀、生长多晶硅的方法制作水平驱动电极间的绝缘槽；

(2)结构硅片双面氧化形成二氧化硅薄膜后，利用光刻、湿法腐蚀的方法，在其下表面腐蚀出深坑结构，腐蚀的深度由折叠梁或直梁的厚度及梳齿的高度决定；

(3)结构硅片上表面二氧化硅薄膜上经光刻、干法刻蚀工艺制作出固定梳齿与可动梳齿、直梁及折叠梁、中央可动平台掩膜结构；

(4)将结构硅片下表面与衬底硅片上表面硅硅预键合，预键合完成后进行退火工艺；

(5)结构硅片上表面通过干法刻蚀同时释放固定梳齿与可动梳齿、直梁及折叠梁、中央可动平台等结构；

(6)施压硅片氧化后利用光刻、湿法腐蚀的方法，在其下表面腐蚀出凸台结构，凸台的高度由垂直位错梳齿的位错距离决定；

(7)将步骤6具有凸台结构的施压硅片下表面与步骤5所述的结构硅片上表面对准压紧后，平放入高温炉中，进行退火工艺；

(8)引线块掩膜硅片氧化后利用光刻、湿法腐蚀的方法，腐蚀出电极引出槽；

(9)取下步骤7经高温退火处理的施压硅片，然后将步骤8所述的引线块掩膜硅片与结构硅片对准，压紧并固定，然后溅射或蒸发金属层，形成电极引线金属块；

(10)取下引线块掩膜硅片。

9.按权利要求7或8所述的制作方法，其特征在于垂直位错梳齿的位错距离通过施压硅片上的凸台结构控制的。

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