CN104016297B - 一种3-dof硅基纳米级定位平台及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3-DOF硅基纳米级定位平台及其制作方法，所述定位平台包括单晶硅衬底，该衬底的同一表面上设置有四个静电梳齿致动器和一个正方形定位台，其中，四个静电梳齿致动器以正方形定位台为中心呈对称分布，各静电梳齿致动器通过其输出端的柔性弯曲梁与正方形定位台相连接，静电梳齿致动器前后两侧分别对应连接有柔性折叠梁和位移检测梁，静电梳齿致动器、正方形定位台、柔性折叠梁和位移检测梁通过绝缘锚点与单晶硅衬底连接，悬浮在单晶硅衬底之上，正方形定位台采用侧向静电梳齿驱动和平板电容驱动两种复合驱动方式实现平台的X、Y、Z三轴运动控制。与现有技术相比，本发明具有结构尺寸小、成本低、工艺简单且工艺兼容性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种3-DOF硅基纳米级定位平台及其制作方法，属于硅微机械制作领域。
背景技术
随着科学技术的日新月异和科学研究的不断深入，人类已经把目光投向了微观领域。对微观未知领域的科学探索大大促进了微/纳操作作业工具的研究与发展。近年来，伴随着MEMS(微机电系统，Micro-Electro-MechanicalSystem)微加工技术的不断成熟发展，硅基微/纳定位平台以其结构尺寸小、成本低、定位精度高等特点被广泛应用于微力传感器、光学(如：光纤光学切换器、微光学镜头扫描器)、显微共焦成像、扫描探针显微镜、高密度数据存储、生物医学等微/纳操作领域。硅基微/纳定位平台的发展给微观世界探索提供了作业工具与研究手段，对于促进我国科学技术发展具有重要的科学意义。
国内外对硅基定位平台研究的学术文献非常多，到目前为止定位平台主要采用体硅或表面微机械加工技术制作。平台驱动主要采用静电梳齿致动器为主。因为静电梳齿致动器可用体硅或表面微机械工艺制作，工艺兼容性好，便于控制且易于实现系统集成。其中，由于表面微机械加工制作的定位平台受薄膜沉积工艺的限制，不易制作结构层较厚的驱动结构，因此制作后的定位平台强度难以进一步提高且驱动电压比较大，大大限制了平台的应用范围。基于上述因素，目前文献上报道的硅基定位平台多以体硅微机械加工技术制作为主，采用双面光刻对准工艺，通过硅片背面湿法(或干法)刻蚀减薄，再利用阳极键合工艺将局部区域减薄后的硅片与玻璃片键合在一起，最后通过硅片正面干法刻蚀释放可动结构方式来制作定位平台，如以下文献：LiningSun，JiachouWang，WeibinRong，etal.Asiliconintegratedmicronano-positioningXY-stagefornano-manipulation，JournalofMicromechanicsandMicroengineering，18(2008)125004(9pp)；CheHeungKimandYongkweonKim.MicroXY-stageusingsilicononaglasssubstrate，JournalofMicromechanicsandMicroengineering，12(2002)103-107；XinyuLiu，KeekyoungandYuSun.AMEMSstagefor3-axisnanopositioning，JournalofMicromechanicsandMicroengineering，17(2007)1796-1802。这种传统体硅工艺制作的硅基定位平台尺寸较大、成本高、工艺复杂且与IC兼容性差不利于大批量生产。为了解决这一问题，目前部分学者利用SOI硅片来替代传统键合结构来制作硅基定位平台，这种方式虽然解决了传统体硅微机械技术制作硅基定位平台的不足，但是SOI硅片价格昂贵，因此制作成本难以降低。
目前，在硅基定位平台集成位移自检测传感器方面的文献报道很少，目前只有哈尔滨工业大学王家畴博士论文有相关平台结构论述。但是其定位平台还是采用传统的硅-玻璃键合结构，在(100)硅片上制作定位平台，然后通过与Pyrex7740玻璃键合构成完整的平台结构，其中在各静电梳齿致动器末端均集成了压敏电阻。这种结构方式虽然增加了位移检测传感器，提高了定位精度，但是加工后器件尺寸还是很大，成本很高且工艺很复杂，工艺兼容性差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的芯片尺寸大、制作成本高、制作工艺复杂且工艺兼容性差的不足而提供一种3-DOF硅基纳米级定位平台及其制作方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种3-DOF硅基纳米级定位平台，包括单晶硅衬底，该衬底的同一表面上设置有四个静电梳齿致动器和一个正方形定位台，其中，所述四个静电梳齿致动器以正方形定位台为中心呈对称分布，各静电梳齿致动器通过其输出端的柔性弯曲梁与正方形定位台相连接，所述静电梳齿致动器前后两侧分别对应连接有柔性折叠梁和位移检测梁，所述静电梳齿致动器、正方形定位台、柔性折叠梁和位移检测梁通过绝缘锚点与单晶硅衬底连接，悬浮在单晶硅衬底之上；
在驱动方式上，所述正方形定位台采用侧向静电梳齿驱动和平板电容驱动两种复合驱动方式实现平台的X、Y、Z三轴运动控制，通过给静电梳齿致动器施加驱动电压实现正方形定位台沿X和Y方向平动；所述单晶硅衬底上设有Z轴驱动电极，通过给单晶硅衬底与正方形定位台之间施加驱动电压实现正方形定位台沿Z方向运动；
在位移检测上，各所述位移检测梁两端根部同一侧壁位置分别设有一个压敏电阻，用于对正方形定位台X轴和Y轴输出位移进行实时检测。
所述单晶硅衬底采用(111)单晶硅芯片。
所述柔性弯曲梁的结构厚度均小于位移检测梁、静电梳齿致动器、柔性折叠梁和正方形定位台的结构厚度。
所述柔性折叠梁和位移检测梁分别通过位于柔性折叠梁和位移检测梁两端的绝缘锚点将静电梳齿致动器的动齿、位移检测梁、柔性折叠梁、柔性弯曲梁、正方形定位台悬浮在单晶硅衬底上；所述静电梳齿驱动器的定齿通过位于动齿根部的绝缘锚点将定齿固定悬浮在单晶硅衬底上，实现不同静电梳齿驱动器之间、静电梳齿驱动器定齿与动齿之间、正方形定位台与单晶硅衬底之间、静电梳齿驱动器与单晶硅衬底之间的电学绝缘。
一种3-DOF硅基纳米级定位平台的制作方法，包括以下步骤：
1)选择(111)单面抛光硅片作为单晶硅衬底；
2)采用硅反应离子刻蚀法制作绝缘锚点，制作绝缘锚点时，绝缘锚点的深度比定位平台中各部件的最大结构厚度大c微米，c＝8～12；
3)采用低压化学气相沉积法依次沉淀低应力氮化硅、TEOS和多晶硅材料，然后进行热氧化使整个绝缘锚点充满低应力氮化硅、TEOS和多晶硅转化后的氧化硅；
4)利用反应离子刻蚀设备全部刻蚀掉硅片表面的氮化硅、TEOS和氧化硅钝化层；
5)制作压敏电阻；
6)依次在硅片表面沉积低应力氮化硅和TEOS钝化保护层，然后涂胶光刻出柔性弯曲梁结构图形，并利用反应离子刻蚀设备剥离柔性弯曲梁结构图形上方覆盖着的钝化层，然后去除光刻胶；
7)涂胶光刻出除柔性弯曲梁结构图形外其他部件结构图形，包括位移检测梁、柔性折叠梁、静电梳齿致动器和正方形定位台，然后利用反应离子刻蚀设备剥离覆盖这些图形区域上方的钝化保护层；
8)以光刻胶和钝化层为掩膜，先用硅反应离子刻蚀法刻蚀出位移检测梁、折叠梁、静电梳齿致动器以及正方形定位台的结构深度，然后去除光刻胶后利用硅反应离子刻蚀法再刻蚀出a微米，所述a为柔性弯曲梁的结构厚度；
9)依次沉积低应力氮化硅和TEOS作为步骤8)中各部件刻蚀后的结构侧壁钝化保护层；
10)利用反应离子刻蚀设备刻蚀掉位于各结构槽底部的低应力氮化硅和TEOS复合钝化保护层，结构侧壁的钝化保护层不被刻蚀，然后利用硅反应离子刻蚀法继续刻蚀b微米作为结构腐蚀释放时的牺牲间隙，b＝1～3。
11)KOH或TMAH腐蚀溶液通过牺牲间隙在单晶硅衬底内部横向刻蚀释放所有结构部件；
12)喷胶光刻引线孔；
13)制作铝引线互连，然后合金、划片、测试。
与现有技术相比，本发明采用普通(111)单晶硅片替代传统的硅-玻璃键合结构或SOI硅片进行3-DOF单硅片定位平台制作，采用单硅片单面体硅微机械加工方法，通过在单晶硅片的同一面加工，制作出具有X轴、Y轴和Z轴3-DOF的单硅片纳米级定位平台，且在平台上集成了位移检测传感器，可实现对X轴和Y轴的位移闭环控制，，避免了传统的双面对准光刻、双面刻蚀、键合工艺等复杂工艺，也避免了采用昂贵的SOI硅片，具有结构尺寸小、成本低、工艺简单且工艺兼容性强等特点，适合大批量生产，可广泛应用于生物、医学、光学等微/纳操作领域，对于促进我国科学技术的发展具有重要的科学意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的局部放大示意图；
图3为本发明的部分截面示意图；
图4为本发明的部分截面放大示意图；
图5为本发明的绝缘锚点剖面结构示意图；
图6为本发明定位平台制作工艺流程图。
图中，1、正方形定位台，2、单晶硅衬底，3、静电梳齿致动器，4、Z轴驱动电极，5、压敏电阻，6、静电梳齿驱动器电极，7、氮化硅绝缘保护层，8、位移检测梁，9、柔性折叠梁，10、Z轴运动间隙，11、绝缘锚点，12、X或Y轴定齿电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-图5所示，一种3-DOF硅基纳米级定位平台，包括单晶硅衬底2，该衬底的同一表面上设置有四个静电梳齿致动器3和一个正方形定位台1，其中，所述四个静电梳齿致动器3以正方形定位台1为中心呈上、下、左、右排布，且以<211>或<110>晶向为对称轴呈对称分布，各静电梳齿致动器3通过其输出端的柔性弯曲梁与正方形定位台1相连接，所述静电梳齿致动器3前后两侧分别对应连接有柔性折叠梁9和位移检测梁8，所述静电梳齿致动器3、正方形定位台1、柔性折叠梁9和位移检测梁8通过绝缘锚点11与单晶硅衬底2连接，悬浮在单晶硅衬底2之上。单晶硅衬底2采用(111)单晶硅芯片，摒弃传统的键合结构。静电梳齿致动器3设有静电梳齿驱动器电极6，静电梳齿致动器3覆盖有氮化硅绝缘保护层7。
柔性折叠梁9和位移检测梁8分别通过位于柔性折叠梁9和位移检测梁8两端的绝缘锚点11将静电梳齿致动器3的动齿、位移检测梁8、柔性折叠梁9、柔性弯曲梁、正方形定位台1悬浮在单晶硅衬底2上；所述静电梳齿驱动器3的定齿通过位于动齿根部的绝缘锚点11将定齿固定悬浮在单晶硅衬底2上，实现不同静电梳齿驱动器之间、静电梳齿驱动器定齿与动齿之间、正方形定位台与单晶硅衬底之间、静电梳齿驱动器与单晶硅衬底之间的完全电学绝缘。柔性弯曲梁的结构厚度均小于位移检测梁8、静电梳齿致动器3、柔性折叠梁9和正方形定位台1的结构厚度，以降低Z轴驱动电压和Z轴运动过程中对X轴和Y轴位移的串扰。
在驱动方式上，所述正方形定位台1采用侧向静电梳齿驱动和平板电容驱动两种复合驱动方式实现平台的X、Y、Z三轴运动控制，通过给静电梳齿致动器3施加驱动电压实现正方形定位台沿X和Y方向平动；所述单晶硅衬底2上设有Z轴驱动电极4，衬底内部还设有Z轴运动间隙10，通过给单晶硅衬底2与正方形定位台1之间施加驱动电压实现正方形定位台沿Z方向运动。
在位移检测上，各所述位移检测梁两端根部同一侧壁位置分别设有一个压敏电阻5，用于对正方形定位台X轴和Y轴输出位移进行实时检测。正方形定位台同一方向(X方向或Y方向)上的四个压敏电阻中，在平台位移作用下位于正方形定位台同一侧的两个压敏电阻受拉，阻值增大，相反一侧的两个压敏电阻受压，阻值减小，四个压敏电阻正好组成惠斯顿全桥检测电路，实现了对正方形定位台X轴和Y轴输出位移的实时检测功能。
如图6所示，一种3-DOF硅基纳米级定位平台的制作方法，包括以下步骤：
1)选择(111)单面抛光硅片作为单晶硅衬底，本实施例采用厚度450μm、轴偏切0±0.1°的硅片；
2)采用硅反应离子刻蚀法(DRIE)制作绝缘锚点，制作绝缘锚点时，绝缘锚点的深度比定位平台中各部件的最大结构厚度大c微米，c＝8～12，本实施例设计绝缘锚点的深度为60微米，如图6(a)所示；
3)采用低压化学气相沉积法(LPCVD)依次沉淀低应力氮化硅、TEOS和多晶硅材料，然后进行热氧化使整个绝缘锚点充满低应力氮化硅、TEOS和多晶硅转化后的氧化硅；
4)利用反应离子刻蚀设备(RIE)全部刻蚀掉硅片表面的氮化硅、TEOS和氧化硅钝化层，如图6(b)所示；
5)硅片氧化后制作压敏电阻；
6)LPCVD依次在硅片表面沉积低应力氮化硅和TEOS钝化保护层，如图6(c)所示；
7)涂胶光刻出柔性弯曲梁结构图形，并利用RIE剥离柔性弯曲梁结构图形上方覆盖着的钝化层，然后去除光刻胶；
8)涂胶光刻出除柔性弯曲梁结构图形外其他部件结构图形，包括位移检测梁、柔性折叠梁、静电梳齿致动器和正方形定位台，然后利用RIE设备剥离覆盖这些图形区域上方的钝化保护层；
9)以光刻胶和钝化层为掩膜，先用DRIE刻蚀出位移检测梁、折叠梁、静电梳齿致动器以及正方形定位台的结构深度，本实施例设计各结构的深度为42微米，如图6(d)所示；
10)去除光刻胶后利用DRIE再刻蚀出a微米，所述a为柔性弯曲梁的结构厚度(8微米)，这时位移检测梁、折叠梁、静电梳齿致动器以及正方形定位台的结构总厚度为50微米，如图6(e)所示；
11)LPCVD依次沉积低应力氮化硅和TEOS作为步骤8)中各部件刻蚀后的结构侧壁钝化保护层，如图6(f)所示；
12)利用RIE刻蚀掉位于各结构槽底部的低应力氮化硅和TEOS复合钝化保护层，结构侧壁的钝化保护层不被刻蚀，然后利用硅反应离子刻蚀法继续刻蚀b微米作为结构腐蚀释放时的牺牲间隙，b＝1～3，本实施例选择b＝2，如图6(g)所示。
13)KOH或TMAH腐蚀溶液通过牺牲间隙在单晶硅衬底内部横向刻蚀释放所有结构部件，如图6(h)所示；
14)喷胶光刻引线孔；
15)制作铝引线互连，然后合金、划片、测试，如图6(i)所示。
Claims (5)
1.一种3-DOF硅基纳米级定位平台的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选择(111)单面抛光硅片作为单晶硅衬底；
2)采用硅反应离子刻蚀法制作绝缘锚点；
3)采用低压化学气相沉积法依次沉淀低应力氮化硅、TEOS和多晶硅材料，然后进行热氧化使整个绝缘锚点充满低应力氮化硅、TEOS和多晶硅转化后的氧化硅；
4)利用反应离子刻蚀设备全部刻蚀掉硅片表面的氮化硅、TEOS和氧化硅钝化层；
5)制作压敏电阻；
6)依次在硅片表面沉积低应力氮化硅和TEOS钝化保护层，然后涂胶光刻出柔性弯曲梁结构图形，并利用反应离子刻蚀设备剥离柔性弯曲梁结构图形上方覆盖着的钝化层，然后去除光刻胶；
7)涂胶光刻出除柔性弯曲梁结构图形外其他部件结构图形，包括位移检测梁、柔性折叠梁、静电梳齿致动器和正方形定位台，然后利用反应离子刻蚀设备剥离覆盖这些图形区域上方的钝化保护层；
8)以光刻胶和钝化层为掩膜，先用硅反应离子刻蚀法刻蚀出位移检测梁、折叠梁、静电梳齿致动器以及正方形定位台的结构深度，然后去除光刻胶后利用硅反应离子刻蚀法再刻蚀出a微米，所述a为柔性弯曲梁的结构厚度；
9)依次沉积低应力氮化硅和TEOS作为步骤8)中各部件刻蚀后的结构侧壁钝化保护层；
10)利用反应离子刻蚀设备刻蚀掉位于各结构槽底部的低应力氮化硅和TEOS复合钝化保护层，结构侧壁的钝化保护层不被刻蚀，然后利用硅反应离子刻蚀法继续刻蚀b微米作为结构腐蚀释放时的牺牲间隙，b＝1～3；
11)KOH或TMAH腐蚀溶液通过牺牲间隙在单晶硅衬底内部横向刻蚀释放所有结构部件；
12)喷胶光刻引线孔；
13)制作铝引线互连，然后合金、划片、测试。
2.根据权利要求1所述的一种3-DOF硅基纳米级定位平台的制作方法，其特征在于，制作绝缘锚点时，绝缘锚点的深度比定位平台中各部件的最大结构厚度大c微米，c＝8～12。
3.根据权利要求1所述的一种3-DOF硅基纳米级定位平台的制作方法，其特征在于，步骤7)中，静电梳齿致动器设有四个，四个静电梳齿致动器以正方形定位台为中心呈对称分布，各静电梳齿致动器通过其输出端的柔性弯曲梁与正方形定位台相连接，所述静电梳齿致动器前后两侧分别对应连接有柔性折叠梁和位移检测梁，所述静电梳齿致动器、正方形定位台、柔性折叠梁和位移检测梁通过绝缘锚点与单晶硅衬底连接，悬浮在单晶硅衬底之上；
在驱动方式上，所述正方形定位台采用侧向静电梳齿驱动和平板电容驱动两种复合驱动方式实现平台的X、Y、Z三轴运动控制，通过给静电梳齿致动器施加驱动电压实现正方形定位台沿X和Y方向平动；所述单晶硅衬底上设有Z轴驱动电极，通过给单晶硅衬底与正方形定位台之间施加驱动电压实现正方形定位台沿Z方向运动；
在位移检测上，各所述位移检测梁两端根部同一侧壁位置分别设有一个压敏电阻，用于对正方形定位台X轴和Y轴输出位移进行实时检测。
4.根据权利要求1所述的一种3-DOF硅基纳米级定位平台的制作方法，其特征在于，所述柔性弯曲梁的结构厚度均小于位移检测梁、静电梳齿致动器、柔性折叠梁和正方形定位台的结构厚度。
5.根据权利要求3所述的一种3-DOF硅基纳米级定位平台的制作方法，其特征在于，所述柔性折叠梁和位移检测梁分别通过位于柔性折叠梁和位移检测梁两端的绝缘锚点将静电梳齿致动器的动齿、位移检测梁、柔性折叠梁、柔性弯曲梁、正方形定位台悬浮在单晶硅衬底上；所述静电梳齿驱动器的定齿通过位于动齿根部的绝缘锚点将定齿固定悬浮在单晶硅衬底上。
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