CN105353506B - 垂直梳齿驱动moems微镜及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直梳齿驱动MOEMS微镜及其制作方法，涉及微机电技术领域。所述方法基于体硅MEMS加工工艺，只采用一片SOI圆片，首先利用深硅刻蚀技术在SOI结构层形成固定梳齿预结构；通过与另一双抛硅圆片进行硅硅键合后减薄去除衬底层，将SOI结构层转移至硅圆片；经溅射在微镜区域及引线键合区域形成金属层；采用独创的自对准技术，实现固定梳齿与可动梳齿精确对准，通过连续2次深硅刻蚀形成驱动梳齿及微镜面结构，完成器件制作。本发明突破了通常采用多层SOI及高精度光刻对位设备进行垂直梳齿结构制作的局限，具有制作工艺简单、对位精度高和成本低的特点。

Description

垂直梳齿驱动MOEMS微镜及其制作方法
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，尤其涉及一种垂直梳齿驱动MOEMS微镜及其制作方法。
背景技术
随着光通信网络传输和交换容量的逐渐增大，需求光分插复用、光交叉连接等光通信用关键设备的升级与发展，而这与光衰减器（VOA）、光开关（OSW）等微光学电子机械系统（MOEMS）基础元器件的发展密不可分。MOEMS因其体积小易集成、响应时间短且利于批量化制备等特点，近年备广泛得以关注，其驱动方式已发展有电容驱动（平板驱动、梳齿驱动）、热驱动及磁驱动等多种形式。其中，垂直梳齿驱动MOEMS芯片可以有效克服平板驱动偏转角度小、固有频率低等不足，已成为MOEMS芯片设计和工艺开发的热点之一。
传统垂直梳齿驱动芯片制备工艺，一般选用两片SOI圆片，首先在一片SOI圆片结构层通过深硅刻蚀形成固定梳齿结构，随后与另一片SOI圆片完成键合，去除该SOI圆片衬底硅后，利用双面光刻工艺，再进行可动梳齿结构的光刻与深硅刻蚀。由于梳齿驱动静电力与梳齿间隙直接相关，因此，需要有高精度的双面光刻对位工艺设备，以确保定齿与动齿间隙一致。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种垂直梳齿驱动MOEMS微镜及其制作方法，所述方法无需使用昂贵的高精准光刻对位设备，同时该制作方法只采用一片SOI圆片，具有工艺简单、控制精准和成本低的特点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种垂直梳齿驱动MOEMS微镜，其特征在于：包括硅圆片，所述硅圆片的上下表面设有氧化层，位于上侧的氧化层的上表面设有SOI圆片的结构层，所述SOI圆片的结构层与右SOI圆片内设有左右两组梳齿结构，每组梳齿结构包括位于上侧的可动梳齿结构和位于下侧的固定梳齿结构，固定梳齿结构固定在上侧的氧化层的上表面，可动梳齿结构包括若干个间隔设置的可动梳齿，固定梳齿结构包括若干个间隔设置的固定梳齿，所述固定梳齿与可动梳齿间的空隙相对，可动梳齿的下表面与固定梳齿的上表面保持在同一平面，且可动梳齿与固定梳齿不接触；两组梳齿结构之间为微镜扭转空间，在微镜扭转空间内设有可动微镜结构，所述可动微镜结构的上表面设有反射镜面层，所述SOI圆片的结构层的上表面设有梳齿驱动电极。
进一步的技术方案在于：所述硅圆片为双面抛光硅圆片，厚度为400±100μm，SOI圆片的结构层厚度最少为100μm。
进一步的技术方案在于：所述反射镜面层和梳齿驱动电极为铬或金，铬的厚度为10nm-30nm，金的厚度不低于100nm。
本发明还公开了一种垂直梳齿驱动MOEMS微镜制作方法，其特征在于包括如下步骤：
1）在SOI圆片的结构层的上表面涂敷光刻胶，曝光、显影后在SOI圆片的结构层形成固定梳齿预图形，经刻蚀后形成固定梳齿预结构以及微镜扭转空间；
2）将硅圆片进行氧化，在其上下表面形成氧化层；
3）将氧化后的硅圆片与与SOI圆片的结构层的上表面进行硅硅键合；
4）去除SOI圆片的衬底层及中间氧化层；
5）将上述器件翻转，在翻转后的器件的上表面制备金属层，涂敷光刻胶、曝光、显影后，再经腐蚀工艺形成梳齿驱动电极和金属反射镜面；
6）在上述器件的上表面通过等离子体增强化学气相沉积氧化硅薄膜，作为掩蔽层；
7）在步骤6）所述的掩蔽层表面涂敷光刻胶、光刻、显影，经薄膜腐蚀后形成可动梳齿预掩蔽图形；
8）在步骤7）所形成的预掩蔽图形表面，继续涂敷光刻胶、光刻、显影后形成可动梳齿、扭转梁及微镜镜面光刻胶图形，薄膜腐蚀去除光刻胶未保护的掩蔽层；
9）在步骤8）所形成的图形表面上进行刻蚀工艺，没有光刻胶保护的区域，垂直向下刻蚀形成可动梳齿结构、扭转梁和可动微镜结构；去胶后继续刻蚀，在没有掩蔽层保护的区域，继续垂直刻蚀，将固定梳齿结构暴露出来，腐蚀去除掩蔽层后形成所述MOEMS微镜。
进一步的技术方案在于：所述硅圆片为双面抛光硅圆片，厚度为400±100μm，SOI圆片的结构层的厚度至少为100μm。
进一步的技术方案在于：所述反射镜面层和梳齿驱动电极为铬或金，铬的厚度为10nm-30nm，金的厚度不低于100nm。
进一步的技术方案在于：所述步骤9）中的首次刻蚀深度不超过30μm，刻蚀形成的可动梳齿结构的下表面与固定梳齿结构的上表面保持在同一平面。
进一步的技术方案在于：所述步骤1）中，经深反应等离子刻蚀DRIE后形成固定梳齿预结构以及微镜扭转空间。
进一步的技术方案在于：所述步骤4）中，采用反应离子刻蚀RIE和湿法腐蚀工艺去除SOI圆片的衬底层及中间氧化层。
进一步的技术方案在于：所述步骤9）中，经深反应等离子刻蚀DRIE，垂直向下刻蚀形成可动梳齿结构、扭转梁和可动微镜结构。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法通过预留掩蔽层，结合光刻、腐蚀及两次深硅刻蚀工艺，可精准控制固定梳齿结构与可动梳齿结构间的间隙。只采用单片SOI圆片，镜面结构与梳齿结构为一层，可动梳齿结构和镜面释放同时进行，工艺简单，可降低过多工艺对镜面质量可能产生的影响。双面抛光硅圆片表面氧化层作为隔离阻挡层，可有效避免镜面与下衬底接触而导致的短路现象，提高器件的稳定性。
附图说明
图1-10是本发明的过程结构示意图；
图11是本发明所述的微镜结构示意图；
图12是本发明所述的微镜的部分结构示意图；
其中：1、硅圆片 2、SOI圆片 21、结构层 22、中间氧化层 23、衬底层 3、梳齿驱动电极 4、可动梳齿结构 5、固定梳齿结构 6、可动微镜结构 7、反射镜面层 8、氧化层 9、预掩蔽图形 10、光刻胶图形。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图11所示，本发明公开了一种垂直梳齿驱动MOEMS微镜，包括硅圆片1，所述硅圆片1的上下表面设有氧化层8，位于上侧的氧化层8的上表面设有SOI圆片2的结构层21，优选的，所述硅圆片1为双面抛光硅圆片，厚度为400±100μm，SOI圆片2的结构层21的厚度最少为100μm。所述SOI圆片的结构层内设有左右两组梳齿结构，每组梳齿结构包括位于上侧的可动梳齿结构4和位于下侧的固定梳齿结构5，固定梳齿结构5固定在上侧的氧化层8的上表面，可动梳齿结构4包括若干个间隔设置的可动梳齿，固定梳齿结构5包括若干个间隔设置的固定梳齿，所述固定梳齿与可动梳齿间的空隙相对，可动梳齿的下表面与固定梳齿的上表面保持在同一平面，且可动梳齿与固定梳齿不接触，如图12所示；两组梳齿结构之间为微镜扭转空间，在微镜扭转空间内设有可动微镜结构6，所述可动微镜结构6的上表面设有反射镜面层7，所述SOI圆片的结构层的上表面设有梳齿驱动电极3。优选的，所述反射镜面层6和梳齿驱动电极3为铬或金，铬的厚度为10nm-30nm，金的厚度不低于100nm。
垂直梳齿驱动MOEMS微镜，通过施加较小驱动电压即可实现微镜既定角度的偏转，其基本原理如图12所示（其中d表示可动梳齿与固定梳齿之间的横向距离），固定梳齿结构5与其中的一个梳齿驱动电极3相连，可动梳齿结构4与另一个梳齿驱动电极3相连， 当固定梳齿结构与可动梳齿结构间施加电压后，由于电极间的静电力使可动微镜结构绕梁轴线旋转，从而带动微镜镜面偏转，直到静电力扭矩与可动微镜结构上的扭转梁回复力产生的扭矩相等时，微镜实现稳定，因此通过施加不同电压，可实现不同位置即不同角度的偏转与稳定。式（1）为梳齿驱动静电力公式。
（1）
其中，ε为真空介电常数，N为可动梳齿数量，l为梳齿长度，v为固定梳齿与可动梳齿间施加的电压，d为固定梳齿与可动梳齿间隙。
由式（1）可以看出，静电力与梳齿数量和长度、施加电压及定动梳齿间隙有关，就既定设计芯片，静电力直接受限于固定梳齿和可动梳齿间隙的工艺过程控制，以确保静电力稳定作用于梳齿及镜面。
本发明还公开了一种垂直梳齿驱动MOEMS微镜制作方法，包括如下步骤：
1）在SOI圆片2的结构层21的上表面涂敷光刻胶，曝光、显影后在SOI圆片2的结构层21形成固定梳齿预图形，经深反应等离子刻蚀DRIE后形成固定梳齿预结构以及微镜扭转空间，如图1所示。
2）将硅圆片1进行氧化，在其上下表面形成氧化层8，硅圆片1采用双面抛光硅圆片，厚度一般为400μm；SOI圆片的驱动结构层厚度最少为100μm。
3）将氧化后的硅圆片1与SOI圆片2上表面的驱动结构层21进行硅硅键合，如图2所示；
4）采用反应离子刻蚀RIE和体硅湿法腐蚀工艺去除SOI圆片2的衬底层23及中间氧化层22；
5）将上述器件翻转，如图3所示，在翻转后的器件的上表面制备金属层，金属层一般为铬或金，铬的厚度一般为10nm-30nm，金的厚度一般不低于100nm；在金属层涂敷光刻胶、曝光、显影后，再经腐蚀工艺形成梳齿驱动电极3和金属反射镜面7，如图4所示；
6）在上述器件的上表面通过等离子体增强化学气相PECVD沉积氧化硅薄膜，作为掩蔽层；
7）在步骤6）所述的掩蔽层表面涂敷光刻胶、光刻、显影，经薄膜腐蚀后形成可动梳齿预掩蔽图形9，如图5所示；
8）在步骤7）所形成的预掩蔽图形表面，继续涂敷光刻胶，光刻、显影后形成可动梳齿、扭转梁及微镜镜面图形，如图6所示，薄膜腐蚀去除光刻胶未保护的掩蔽层，如图7所示；
9）在步骤8）所形成的图形表面上进行深反应等离子刻蚀DRIE工艺，没有光刻胶保护的区域，垂直向下刻蚀形成可动梳齿结构4、扭转梁和可动微镜结构6，刻蚀深度不超过30μm，刻蚀形成的可动梳齿结构4的下表面与固定梳齿结构5的上表面保持在同一平面，如图8所示；去胶后（如图9所示）继续刻蚀，在没有掩蔽层保护的区域，继续垂直刻蚀，将固定梳齿结构5暴露出来，如图10所示，腐蚀去除掩蔽层后形成所述MOEMS微镜，如图11所示。
所述方法通过预留掩蔽层，结合光刻、腐蚀及两次深硅刻蚀工艺，可精准控制固定梳齿结构与可动梳齿结构间的间隙。只采用单片SOI圆片，镜面结构与梳齿结构为一层，可动梳齿结构和镜面释放同时进行，工艺简单，可降低过多工艺对镜面质量可能产生的影响。双面抛光硅圆片表面氧化层作为隔离阻挡层，可有效避免镜面与下衬底接触而导致的短路现象，提高器件的稳定性。

Claims (6)

1.一种垂直梳齿驱动MOEMS微镜制作方法，其特征在于包括如下步骤：
1)在SOI圆片(2)的结构层(21)的上表面涂敷光刻胶，曝光、显影后在SOI圆片(2)的结构层(21)形成固定梳齿预图形，经刻蚀后形成固定梳齿预结构以及微镜扭转空间；
2)将硅圆片(1)进行氧化，在其上下表面形成氧化层(8)；
3)将氧化后的硅圆片(1)与SOI圆片(2)的结构层(21)的上表面进行硅硅键合；
4)去除SOI圆片(2)的衬底层(23)及中间氧化层(22)；
5)将步骤4)所形成的器件翻转，在翻转后的器件的上表面制备金属层，涂敷光刻胶、曝光、显影后，再经腐蚀工艺形成梳齿驱动电极(3)和金属反射镜面(7)；
6)在上述器件的上表面通过等离子体增强化学气相沉积氧化硅薄膜，作为掩蔽层；
7)在步骤6)所述的掩蔽层表面涂敷光刻胶、光刻、显影，经薄膜腐蚀后形成可动梳齿预掩蔽图形(9)；
8)在步骤7)所形成的预掩蔽图形表面，继续涂敷光刻胶、光刻、显影后形成可动梳齿、扭转梁及微镜镜面光刻胶图形(10)，薄膜腐蚀去除光刻胶未保护的掩蔽层；
9)在步骤8)所形成的图形表面上进行刻蚀工艺，没有光刻胶保护的区域，垂直向下刻蚀形成可动梳齿结构(4)、扭转梁和可动微镜结构(6)；去胶后继续刻蚀，在没有掩蔽层保护的区域，继续垂直刻蚀，将固定梳齿结构(5)暴露出来，腐蚀去除掩蔽层后形成所述MOEMS微镜；
所述硅圆片(1)为双面抛光硅圆片，厚度为400±100μm，SOI圆片(2)的结构层(21)的厚度至少为100μm。
2.如权利要求1所述的垂直梳齿驱动MOEMS微镜制作方法，其特征在于：所述反射镜面层(7)和梳齿驱动电极(3)为铬或金，铬的厚度为10nm-30nm，金的厚度不低于100nm。
3.如权利要求1所述的垂直梳齿驱动MOEMS微镜制作方法，其特征在于：所述步骤9)中的首次刻蚀深度不超过30μm，刻蚀形成的可动梳齿结构(4)的下表面与固定梳齿结构(5)的上表面保持在同一平面。
4.如权利要求1所述的垂直梳齿驱动MOEMS微镜制作方法，其特征在于：所述步骤1)中，经深反应等离子刻蚀DRIE后形成固定梳齿预结构以及微镜扭转空间。
5.如权利要求1所述的垂直梳齿驱动MOEMS微镜制作方法，其特征在于：步骤4)中，采用反应离子刻蚀RIE和湿法腐蚀工艺去除SOI圆片(2)的衬底层(23)及中间氧化层(22)。
6.如权利要求1所述的垂直梳齿驱动MOEMS微镜制作方法，其特征在于：所述步骤9)中，经深反应等离子刻蚀DRIE，垂直向下刻蚀形成可动梳齿结构(4)、扭转梁和可动微镜结构(6)。
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