CN103197414B - 一种基于电镀工艺的静电驱动式微型扭转器件及其制备方法 - Google Patents
一种基于电镀工艺的静电驱动式微型扭转器件及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于电镀工艺的静电驱动式微型扭转器件，其典型应用是微型扭转器件，其包括硅衬底1、由下至上依次生长于所述硅衬底1上的氧化硅层2、氮化硅层3、金属铝层4、金属Cr层5、金属Cu层6和金属Ni层7。本发明结构工作原理和制备工艺简单，成本低廉，同时功能完备，可提供足够大的偏转角度，适用于大规模工业化生产，具有重要的实用价值和产业化前景。
Description
技术领域
本发明涉及微型光学器件领域，特别是涉及一种基于电镀工艺的静电驱动式微型扭转器件及其制备方法。
背景技术
静电驱动式微型扭转器件具有驱动方式简单，频率响应好，工艺兼容性好等优点，广泛应用于光学微机电系统领域（MOEMS）。目前主流的静电驱动式微镜器件有两种，德州仪器（TI，Texas Instrument）公司的DMD（Digital Micro-mirror Device）和基于SOI硅片的梳齿式驱动微镜。这些器件各有利弊：前者为平板驱动式器件，电极之间的间距小，转角范围小，转角与驱动电压之间的线性度差，但在小角度转动下可做线性近似处理，其制造工艺为表面牺牲层工艺，对横向和纵向结构的尺度精度高，对工艺均匀性和设备的要求也比较高。后者为梳齿式驱动器件，改善了转角与驱动电压之间的线性度，其制造工艺为体硅工艺，需要使用SOI硅片进行制备，另外还需要有深刻蚀专用设备，工艺成本较高。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明的目的是简化静电驱动式微镜器件的制备工艺流程，降低工艺成本和对工艺设备的要求，同时使其能够完成足够大偏角的转动，符合光路系统的整体设计要求。
为实现上述发明目的，本申请提供了如下技术方案：
一种基于电镀工艺的静电驱动式微型扭转器件，所述微型扭转器件包括硅衬底1、由下至上依次生长于所述硅衬底1上的氧化硅层2、氮化硅层3、金属铝层4、金属Cr层5、金属Cu层6和金属Ni层7。
其中，所述氧化硅层2和氮化硅层3的复合层构成方形KOH腐蚀掩模。
其中，所述金属铝层4为释放微镜可动结构的牺牲层。
其中，所述金属Cr层5和金属Cu层6作为电镀工艺的种子层。
其中，所述金属Ni层7为微镜器件的主体结构。
其中，所述硅衬底1由KOH溶液进行湿法腐蚀，以释放微镜结构。
一种基于电镀工艺的静电驱动式微型扭转器件的制作方法，包括如下步骤：
第一步，衬底准备，硅衬底1；
第二步，在所述硅片衬底的上表面依次生长氧化硅层2和氮化硅层3，形成复合层；
第三步，对所述复合层进行图形化刻蚀，形成后续KOH深腐蚀工艺的掩模；
第四步，在所述硅片衬底及复合层表面淀积金属铝4，并对其进行图形化刻蚀，作为后续微镜结构释放的牺牲层；
第五步，在第四步所述硅片1和复合层以及图形化的金属铝4表面溅射金属Cr5，再溅射金属Cu6，形成后续电镀工艺的种子层；
第六步，在第五步所述金属种子层上用光刻定义电镀图形区域，电镀Ni7形成微镜器件的主体结构；
第七步，以第六步中的电镀Ni7图形为掩模，去除第五步中溅射的种子层Cu6和Cr5；
第八步，用湿法腐蚀的方法去除第四步中淀积的金属铝4；
第九步，采用KOH各向异性腐蚀的方法对第八步中露出的硅衬底1进行深腐蚀，释放微镜结构，完成静电驱动式微镜的制备
优选地，所述依次生长于硅衬底上的氧化硅层的厚度为100-400nm，最佳厚度为300nm，氮化硅层的厚度为100-200nm，最佳厚度为150nm。
优选地，所述金属铝层的厚度为200-600nm，最佳厚度为400nm。
优选地，所述金属Ni层的厚度为1-4μm，最佳厚度为2μm。
优选地，第一步中的衬底硅为（100）晶向的硅。
优选地，第三步骤中对复合层的图形化刻蚀，应使图形的外边缘与衬底硅的（110）晶向平行。
优选地，第九步中的腐蚀硅衬底的深度为250-350μm，最佳为300μm。
有益效果
在本发明中，我们提出一种基于电镀和湿法腐蚀工艺的静电驱动式微镜器件。采用电镀工艺制备微镜器件的主体结构，制备工艺简单，成本低廉；在条件受到限制，没有深刻蚀专用设备的情况下，采用KOH的湿法腐蚀工艺代替深刻蚀工艺，可谓物美价廉；该器件使用普通的硅片衬底就可制备，不用SOI基片，大大降低工艺成本；此外，该器件制备的工艺大部分为低温工艺，与CMOS工艺的兼容性好。总之，该制备方法对工艺设备的要求宽松，制备成本低廉，工艺兼容性好，适用于大规模工业生产，具有广泛的应用前景。
本发明通过采用电镀工艺和湿法腐蚀工艺作为制备静电驱动式微镜结构的关键工艺，制备出的金属微镜能够将入射到镜面表面的光线反射到特定的位置。在金属微镜和衬底硅之间加上一定的电压时，金属微镜在静电力的作用下发射扭转，镜面的转动引起光线入射角和反射角的变化，进而使光线的反射点位置（反射光斑）发生偏移。用适当的电信号控制微镜器件的转动，可以使入射的光线达到定向投影的效果。相比于目前主流的基于体硅工艺的梳齿驱动式微镜，本发明结构和工艺相对简单，制备成本低廉，对设备的要求更低，同时功能完备，可提供足够大偏角的转动，具有重要的实用价值和产业化前景。
附图说明
图1是依据本发明实施方式的于电镀工艺的静电驱动式微镜的结构示意图，其中图1（a）是俯视图，图1（b）是沿（a）中AB线段所截得的剖面图;
图2是依据本发明实施方式的于电镀工艺的静电驱动式微镜的制作方法流程示意图；
图3是依据本发明实施方式的于电镀工艺的静电驱动式微镜的工作原理示意图。
其中，1：硅衬底；2：氧化硅层；3：氮化硅层；4：金属铝层；5：金属Cr层；6：金属Cu层；7：金属Ni层；8、金属Ni微镜器件镜面部分；9、金属Ni微镜器件扭转梁部分；10、金属Ni微镜器件锚点（Anchor）部分；11、一种基于电镀工艺的静电驱动式微镜器件；12、入射激光源；13、激光接收器；14、入射激光；15：反射激光；16：微镜偏转后的反射激光；17：微镜器件中的镜面位置；18：偏转后的微镜器件镜面位置；19、提供偏转电压的电源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
本发明实施例基于电镀工艺的静电驱动式微镜结构如图1所示，主要由硅衬底1，以及依次形成于其上的图形化的氧化硅层2、氮化硅层3、金属Cr层5、金属Cu层6和金属Ni层7组成。所述金属Ni层7构成微镜器件主体结构，硅衬底1以图形化的氧化硅层2、氮化硅层3复合层为掩模，进行KOH的湿法腐蚀，腐蚀深度优选为300μm。
本发明实施例基于电镀工艺的静电驱动式微镜结构的制作流程截面图如图2（a）-（f）所示，所取截面为图1中沿AB线段所截取的剖面。第一步，在准备好的硅衬底1上依次生长氧化硅层2、氮化硅层3，并对氧化硅层2、氮化硅层3的复合层进行图形化刻蚀，形成进行KOH湿法腐蚀的掩模层（见图2（a））。第二步，在表面淀积一层金属铝层4，并对其进行图形化腐蚀，作为微镜器件结构的牺牲层（见图2（b））。第三步，在表面淀积一层金属Cr层5、金属Cu层6，作为后续电镀工艺的种子层（见图2（c））。第四步，在种子层上进行图形化电镀金属Ni层7，形成微镜器件的主体结构（见图2（d））。第五步，对第三步中淀积的金属Cr层5、金属Cu层6，和第二步中淀积的金属铝层4进行湿法腐蚀，去除多余的种子层并裸露出微镜器件下方的衬底硅，以便进行结构释放（见图2（e））。最后一步，对衬底硅进行KOH的湿法腐蚀，释放微镜器件结构，从而形成本发明基于电镀工艺的静电驱动式微镜结构（见图2（f））。
本发明实施例基于电镀工艺的静电驱动式微镜结构的工作原理如图3所示。实际使用时，入射光线14（例如由激光器12产生的一束激光）以一定的入射角照射在微镜器件表面，镜面以相同的反射角将光线反射出去，反射光线15投射在处于某特定位置上的光接收器13。微镜器件的主体结构金属Ni层7和硅衬底1为微镜器件的2个驱动电极，它们之间不加电压时微镜处于静止状态，在2个电极上加上一定的驱动电压，微镜结构会在静电力的作用下向衬底方向偏置一定的角度，进而改变了入射光线的入射角与反射光线的反射角，光线的总体偏转角度应等于入射角的变化加上反射角的变化。光线的投射方向偏转，其投射的位置可以在数个光接收器之间转换，这样，通过控制微镜器件的驱动信号，可以使得光信号通过不同的光接收器，构成几个不同的光学通路。
本发明的基于电镀工艺的静电驱动式微镜结构，驱动方式简单，与光学系统配合方便，仅仅使用一个简单的电信号就可以实现光学通路的转换。本发明采用普通的硅片衬底即可完成器件的制备，采用电镀工艺完成器件的主体结构生长，不需要复杂而昂贵专用深刻蚀设备，而是采用湿法腐蚀工艺完成微镜结构的释放。另外，本发明的制备工艺大多数为低温工艺，与CMOS工艺的兼容性好，具有后续的工艺扩展与开发潜力。总之，本发明的制备工艺简单实用，成本低廉，对工艺设备的要求宽松，适合大规模的工业生产，具有广泛的应用前景。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。
Claims (1)
1.一种基于电镀工艺的静电驱动式微型扭转器件的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，衬底准备，硅衬底（1）；
第二步，在所述硅片衬底的上表面依次生长氧化硅层（2）和氮化硅层（3），形成复合材料层；
第三步，对所述复合材料层进行图形化刻蚀，形成后续KOH深腐蚀工艺的掩模；
第四步，在所述硅片衬底及复合层表面淀积金属铝（4），并对其进行图形化腐蚀，作为后续扭转结构释放的牺牲层；
第五步，在第四步所述硅片（1）和复合层以及图形化的金属铝（4）表面溅射金属Cr（5），再溅射金属Cu（6），形成后续电镀工艺的种子层；
第六步，在第五步所述金属种子层上用光刻定义电镀图形区域，电镀Ni（7）形成微型扭转器件的主体结构；
第七步，以第六步中的电镀Ni（7）图形为掩模，去除第五步中溅射的种子层Cu（6）和Cr（5）；
第八步，用湿法腐蚀的方法去除第四步中淀积的金属铝（4）；
第九步，采用KOH各向异性腐蚀的方法对第八步中露出的硅衬底（1）进行深腐蚀，释放微镜结构，完成静电驱动式微镜微型扭转器件的制备。
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