CN107861236B - 一种低热阻高响应频率大变形量电磁驱动mems变形镜及制作方法 - Google Patents
一种低热阻高响应频率大变形量电磁驱动mems变形镜及制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种低热阻高响应频率大变形量电磁驱动MEMS变形镜，包括:硅结构层；在硅结构层上形成的多层线圈，每个线圈具有垫点和中心点；覆盖所述多层线圈的介电层；在硅结构层的下表面的周边区域中形成的Si衬底层；以及在所硅结构层上封装所述多层线圈的变形镜面，其中所述变形镜面包括：镜面薄膜，以及在镜面薄膜下表面的中心区域形成的连接凸点；其中，所述多层线圈的各层之间通过垫点或中心点进行接触，使得从硅结构层底起由下而上依次排序，所述多层线圈的奇数层与偶数层之间通过中心点接触，偶数层与奇数层之间通过垫点接触；在第一层线圈的垫点上以及最后一层线圈的垫点或者中心点上形成有与外部互联的两个焊点。
Description
技术领域
本发明属于微光机电系统及自适应光学领域，更具体涉及一种低热阻、高响应频率、大变形量电磁驱动MEMS变形镜及制作方法。
背景技术
在自适应光学领域，微机电系统(MEMS)变形镜由于具有重量低、成本低、紧凑、工艺稳定、易集成为变形镜阵列等优点，成为近来变形镜制作的一个重要领域。电磁驱动的MEMS变形镜具有控制电压低，约1伏，变形镜变形量大，达到50微米，线性控制等优点，因而在自适应光学系统中有广泛应用。主要面向空间光通信、显微镜、天文望远镜次级镜、光束整形和人眼视网膜成像等应用领域及其他需要低电压、微小型、大形变量的场合。
图1为现有技术的变形镜的结构示意图。现有的电磁驱动MEMS变形镜，由于电磁线圈采用单层线圈，线圈内部垫点(pad)将很难与电极正负极很难相连，只能将线圈制作在下基板，通过通孔工艺引出，需要通孔刻蚀，溅射等技术，工艺较复杂。在变形镜驱动薄膜上粘贴或蒸镀上磁性物质，这限制了磁体的尺寸和材料。由于磁体尺寸很小很薄，要达到较大驱动力，需要较大的线圈电流，1A左右，引起较高热量。驱动薄膜采用的是聚酰亚胺柔性材料(为了利于装配磁体，且实现较大变形量，只能采用聚酰亚胺薄膜)，从而导致了响应频率低于0.5KHZ。制备平面线圈时，采用LIGA或准LIGA工艺，以此达到80微米以上的单层平面线圈厚度，来降低电流密度。需要同步辐射X射线或其他较高能量的曝光设备，工艺要求较高，增加制作成本。所以现有的电磁驱动MEMS变形镜的散热、谐振频率低、成本高等原因制约了其在自适应光学领域的进一步发展和运用。
发明内容
鉴于上述技术问题，鉴于上述技术问题，本发明提供了一种低热阻、高响应频率、大变形量电磁驱动MEMS变形镜及其制作方法，能减少线圈工作电流、提高镜面谐振频率、降低制作成本。
根据本发明的一个方面，提供了一种低热阻、高响应频率、大变形量电磁驱动MEMS变形镜，包括:硅结构层11；在硅结构层11上形成的多层线圈16，每个线圈具有垫点和中心点；覆盖所述多层线圈16的介电层17；在硅结构层11的下表面的周边区域中形成的Si衬底层；以及在所硅结构层11上封装所述多层线圈16的变形镜面，
其中所述变形镜面包括：镜面薄膜32，以及在镜面薄膜32下表面的中心区域形成的连接凸点22；
其中，所述多层线圈的各层之间通过垫点或中心点进行接触，使得从硅结构层11底起由下而上依次排序，所述多层线圈的奇数层与偶数层之间通过中心点接触，偶数层与奇数层之间通过垫点接触；在第一层线圈的垫点上以及最后一层线圈的垫点或者中心点上形成有与外部互联的两个焊点。
例如，如果形成4层线圈，则从硅结构层11起算的第一层线圈(奇数层)与第二层线圈(偶数层)之间通过中心点接触；第二层线圈(偶数层)与第三层线圈(奇数层)之间通过垫点接触；第三层线圈(奇数层)与第四层线圈(偶数层)之间通过中心点接触；在第一层线圈的垫点上形成与外部互联的一个焊点，在第四层线圈的垫点上形成与外部互联的另一个焊点。注意，如果形成2层线圈，则在第二层线圈的垫点上形成与外部互联的另一个焊点；如果形成奇数层例如3层线圈，则在第三层线圈的中心点上形成与外部互联的另一个焊点。
根据本发明的一个实施方案，其中所述多层线圈由选自Cu，Au，Ag，Al，多晶硅中的材料制成。
根据本发明的一个实施方案，其中所述介电层由聚酰亚胺等有机材料或SOG等无机材料制成。
根据本发明的一个实施方案，其中所述多层线圈的层数为偶数层，例如可以为2层，4层和6层等等。
根据本发明的一个实施方案，其中所述多层线圈的单层厚度为1～200微米。
根据本发明的一个实施方案，其中所述连接凸点的直径为100～800微米，凸点高度为10～100微米。
根据本发明的一个实施方案，MEMS变形镜还包括设置在Si衬底层13之下的与多层线圈16对应的永磁体。
根据本发明的另一个方面，提供了一种低热阻高响应频率大变形量电磁驱动MEMS变形镜的制作方法，该方法包括如下步骤：
步骤(1)：多层线圈MEMS驱动制作，其包括，
步骤A，提供SOI晶片，其包括Si结构层11、氧化层12以及Si衬底层13；
步骤B，在Si结构层11上溅射电镀种子层14；
步骤C，利用光刻方法，在种子层14上制备线圈的光阻15；
步骤D，电镀形成第一层线圈16，去除光阻15和种子层14，然后涂布介电层17，其中所述第一层线圈包括用于接触的垫点和中心点；
步骤E，进行光刻方法，腐蚀介电层17，以曝露出所述第一层线圈16的垫点和中心点；
步骤F，利用上述电镀和光刻方法，依次形成所述多层线圈中的其他线圈，所述其他线圈均包括用于接触的垫点和中心点；
其中，所述多层线圈的各层之间通过垫点或中心点进行接触，使得从硅结构层11起由下而上依次排序，所述多层线圈的奇数层与偶数层之间通过中心点接触，偶数层与奇数层之间通过垫点接触；在第一层线圈的垫点上以及最后一层线圈的垫点或者中心点上形成与外部互联的两个焊点；
例如，如果形成4层线圈，则从硅结构层11起算的第一层线圈(奇数层)与第二层线圈(偶数层)之间通过中心点接触；第二层线圈(偶数层)与第三层线圈(奇数层)之间通过垫点接触；第三层线圈(奇数层)与第四层线圈(偶数层)之间通过中心点接触；在第一层线圈的垫点上形成与外部互联的一个焊点，在第四层线圈的垫点上形成与外部互联的另一个焊点。注意，如果形成2层线圈，则在第二层线圈的垫点上形成与外部互联的另一个焊点；如果形成奇数层例如3层线圈，则在第三层线圈的中心点上形成与外部互联的另一个焊点；
也即，本发明中利用第一层线圈的垫点来单独地形成一个与外部连接的接线柱(焊点)，利用第一层线圈的中心点以及其他层线圈的中心点或垫点进行连接，然后利用最后一层的中心点或垫点作为与外部连接的另一个接线柱(焊点)。
步骤G，利用光刻技术，将Si衬底层13的中心部分刻蚀掉，直到氧化硅层12；
步骤(2)变形镜面制作，其包括：
步骤A1，提供SOI晶片，其包括Si结构层11、氧化层12以及Si衬底层13，并且将Si结构层11和Si衬底层13双面氧化；和
步骤B1，蚀刻Si结构层11，以在其中心区域中形成连接凸点22；
步骤(3)变形镜面与驱动装配，其包括：
步骤A2，利用封装材料31将多层线圈MEMS驱动与变形镜面进行对准封装；
步骤B2，蚀刻掉变形镜面中的Si衬底层13，以形成硅镜面薄膜。
根据本发明的一个实施方案，还包括步骤C2，将永磁体固定于衬底13所形成的凹陷处。
根据本发明的实施方案，种子层的材料以及电镀的材料可以是选自Cu，Au，Ni，Ti，Al等金属。
根据本发明的一个实施方案，其中线圈中的线圈形状可以是圆形或其他多边形。
根据本发明的一个实施方案，其中，多层线圈的层数为偶数层，例如可以为2、4、6等层。
根据本发明的一个实施方案，其中，多层线圈中的单层厚度可以为1～200微米。
根据本发明的一个实施方案，其中，介电层可以是聚酰亚胺等有机物，也可以是SOG等氧化物，也可以直接CVD或蒸发上的氧化硅、氮化硅等绝缘介质。
根据本发明的一个实施方案，其中，线圈驱动器与永磁体成中心对称分布。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述连接凸点的直径为100～800微米，凸点高度为10～100微米。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述方法还包括步骤C2，将永磁体固定于Si衬底13所形成的凹陷处，使之与双层或多层平面线圈相对应。
(三)有益效果
本发明一种低热阻、高响应频率、大变形量电磁驱动MEMS变形镜的制作方法，简单可靠、易于实现，由于采用多层线圈的方法，避免了平面线圈中间点电位的引出问题，可将电磁线圈制备在驱动薄膜上，由于此时衬底处的电磁体材料、尺寸、重量无特殊限制，只要永磁体磁力足够大，就可以满足非常小的电流驱动，降低功耗。由于采用Si基薄膜驱动，响应频率将可达到2KHz以上。由于较小电流即可驱动，线圈的总厚度要求进一步降低，用较简单的普通曝光工艺即可实现。另外，还具有能减少MEMS变形镜线圈工作电流、提高镜面谐振频率、降低制作成本的优点。
附图说明
图1为传统电磁驱动MEMS变形镜的结构示意图；
图2为根据本发明实施方案的MEMS变形镜驱动制作流程示意图；
图3为根据本发明实施方案的MEMS变形镜面制作流程示意图；
图4为根据本发明实施方案的MEMS变形镜面与驱动的装配流程示意图图。
图5为根本发明实施例的单层线圈的平面示意图。
【符号说明】
垫点10、Si结构层11，氧化层12，Si衬底层13，电镀种子层14，光阻15，Cu线圈16，绝缘层17，线圈接线柱18，外部互联焊点19，中心点20，表面氧化层21，连接凸点22，30焊点，封装材料31，硅镜面薄膜32，永磁体33，聚酰亚胺34，铝层35。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
实施例
请参照图2，图3，图4，和图5，本实施例提供一种低热阻、高响应频率、大变形量电磁驱动MEMS变形镜的制作方法：包括：
步骤(1)：多层线圈MEMS驱动制作，其包括，
步骤A，提供SOI晶片，其包括Si结构层11、氧化层12以及Si衬底层13；SOI晶片可直接购得，也可Si片单面氧化后，再与另一Si片键合，再抛光制得。Si结构层厚度为1～200微米，氧化层厚度为0.2～20微米，基底厚度为50～1000微米
步骤B，在Si结构层11上溅射电镀种子层14；
步骤C，利用光刻方法，在种子层14上制备线圈的光阻15；
步骤D，电镀形成第一层线圈16，去除光阻15和种子层14，然后涂布介电层17，其中所述第一层线圈包括用于接触的垫点10和中心点20；
步骤E，进行光刻方法，腐蚀介电层17，以曝露出所述第一层线圈16的垫点10和中心点20；
步骤F，溅射Cu种子层14；
步骤G，进行电镀以在中心点20上形成上下层线圈接线柱18，并且在线圈16的垫点10上形成焊点(也即，生长与外部互联的焊点30，附图2左侧)，然后去种子层14；
步骤H，利用与上述光刻和电镀方法同样的方法，例如溅射Cu种子层、形成光阻，然后进行电镀以形成第二层线圈16，以及在上述焊点上继续生长以形成用于外部互联的焊点30；其中，第二层线圈的中心点与第一层线圈的中心点接触连通，第二层线圈的垫点则构成与外部互联的另一个焊点30(附图2中右侧的焊点30)；
由于上下两层线圈一个电流由外向内，另一个由内向外，所以第二层线圈结构与第一层完全相反，以使两个线圈电流产生相同方向的电磁力；
步骤I，涂布聚酰亚胺15介电层。如图2所示，其中左侧焊点30只连接至底层线圈，与其他各层没有连接，电流例如从左侧电极引线柱进入底层线圈的外圈，由外到内，至中心点，经过中间接线柱16，流向第二层线圈中心点，然后由内到外，流到右侧外部互联焊点30(第二层线圈的垫点)。也即，本发明中利用第一层线圈的垫点来单独地形成一个与外部连接的接线柱(焊点)，利用第一层线圈的中心点以及其他层线圈的中心点或垫点进行连接，然后利用最后一层的中心点或垫点作为与外部连接的另一个接线柱(焊点)。
步骤J，利用光刻技术，将Si衬底层13的中心部分刻蚀掉，直到氧化硅层12。
步骤(2)变形镜面制作，参考图3，其包括：
步骤A1，提供SOI晶片，其包括Si结构层11、氧化层12以及Si衬底层13，并且将Si结构层11和Si衬底层13双面氧化形成氧化层21；和
步骤B1，蚀刻Si结构层11，以在其中心区域中形成连接凸点22；
步骤(3)变形镜面与驱动装配，参考图4，其包括：
步骤A2，利用封装材料31例如环氧树脂将多层线圈MEMS驱动与变形镜面进行对准封装；
步骤B2，蚀刻掉变形镜面中的衬底Si衬底层13，以形成硅镜面薄膜；
步骤C2，将永磁体固定于Si衬底13所形成的凹陷处，使之与双层或多层平面线圈相对应。永磁体可为整片磁铁，也可为与电磁平面线圈相对应的单个小磁柱。
本实施例中，具体的驱动、镜面、组装方法还是依照传统的微细加工工艺进行。利用双层或多层平面线圈的方法，可将电磁线圈制备在驱动薄膜上，由于此时衬底处的电磁体材料、尺寸、重量无特殊限制，只要永磁体磁力足够大，就可以满足非常小的电流驱动，降低功耗。由于采用Si基薄膜驱动，响应频率将可达到2KHz以上。由于较小电流即可驱动，线圈的总厚度要求进一步降低，用较简单的普通曝光工艺即可实现。
应该理解的是，可以利用上述光刻和电镀相同的方法来形成更多层的线圈，例如利用第一层线圈的垫点来形成一个单独的接线柱(附图2中左侧的焊点30)，各层线圈之间通过中心点或者垫点来接触，例如第一层线圈与第二层线圈的中心点接触，第二层线圈的垫点与第三层线圈的垫点接触，第三层线圈的中心点与第四层线圈的中心点接触，第四层线圈的垫点构成整个线圈的另一个焊点(右侧的焊点30)与外部互联。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种低热阻、高响应频率、大变形量电磁驱动MEMS变形镜的制作方法能减少MEMS变形镜线圈工作电流、提高镜面谐振频率、降低制作成本有了清楚的认识。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：
综上所述，本发明提供了一种低热阻、高响应频率、大变形量电磁驱动MEMS变形镜的制作方法，该方法简单可靠、易于实现。利用该方法可实现MEMS变形镜的低电流驱动，降低热能产生，提高镜面的谐振频率，降低工艺难度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种低热阻高响应频率大变形量电磁驱动MEMS变形镜，包括:
硅结构层(11)；
在硅结构层(11)上形成的多层线圈(16)，每个线圈具有垫点和中心点；
覆盖所述多层线圈(16)的介电层(17)；
在硅结构层(11)的下表面的周边区域中形成的硅衬底层(13)；以及
在所硅结构层(11)上封装所述多层线圈(16)的变形镜面，
其中所述变形镜面包括：
镜面薄膜(32)，以及
在镜面薄膜(32)下表面的中心区域形成的连接凸点(22)；
其中，所述多层线圈的各层之间通过垫点或中心点进行接触，使得从硅结构层(11)底起由下而上依次排序，所述多层线圈的奇数层与偶数层之间通过中心点接触，偶数层与奇数层之间通过垫点接触；在第一层线圈的垫点上以及最后一层线圈的垫点或者中心点上形成有与外部互联的两个焊点。
2.根据权利要求1所述的电磁驱动MEMS变形镜，还包括设置在硅衬底层(13)之下的与多层线圈(16)对应的永磁体。
3.根据权利要求1所述的电磁驱动MEMS变形镜，其中，所述介电层由选自聚酰亚胺、SOG、氧化硅、氮化硅中之一的材料制成。
4.根据权利要求1所述的电磁驱动MEMS变形镜，其中，所述多层线圈的层数为偶数层。
5.根据权利要求1所述的电磁驱动MEMS变形镜，其中，所述多层线圈的单层厚度为1～200微米。
6.根据权利要求1所述的电磁驱动MEMS变形镜，其中，所述连接凸点的直径为100～800微米，凸点高度为10～100微米。
7.一种低热阻高响应频率大变形量电磁驱动MEMS变形镜的制作方法，包括：
步骤(1)：多层线圈MEMS驱动制作，其包括，
步骤A，提供SOI晶片，其包括硅结构层(11)、氧化层(12)以及硅衬底层(13)；
步骤B，在硅结构层(11)上溅射电镀种子层(14)；
步骤C，利用光刻方法，在种子层(14)上制备线圈的光阻(15)；
步骤D，电镀形成第一层线圈(16)，去除光阻(15)和种子层(14)，然后涂布介电层(17)，其中所述第一层线圈包括用于接触的垫点和中心点；
步骤E，进行光刻方法，腐蚀介电层(17)，以曝露出所述第一层线圈(16)的垫点和中心点；
步骤F，利用上述电镀和光刻方法，依次形成所述多层线圈中的其他线圈，所述其他线圈均包括用于接触的垫点和中心点；
其中，所述多层线圈的各层之间通过垫点或中心点进行接触，使得从硅结构层(11)起由下而上依次排序，所述多层线圈的奇数层与偶数层之间通过中心点接触，偶数层与奇数层之间通过垫点接触；在第一层线圈的垫点上以及最后一层线圈的垫点或者中心点上形成与外部互联的两个焊点；
步骤G，利用光刻技术，将硅衬底层(13)的中心部分刻蚀掉，直到氧化层(12)；
步骤(2)变形镜面制作，其包括：
步骤A1，提供SOI晶片，其包括硅结构层(11)、氧化层(12)以及硅衬底层(13)，并且将硅结构层(11)和硅衬底层(13)双面氧化；和
步骤B1，蚀刻硅结构层(11)，以在其中心区域中形成连接凸点(22)；
步骤(3)变形镜面与驱动装配，其包括：
步骤A2，利用封装材料(31)将多层线圈MEMS驱动与变形镜面进行对准封装；
步骤B2，蚀刻掉变形镜面中的衬底硅衬底层(13)，以形成硅镜面薄膜。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，线圈的形状是圆形或多边形。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，多层线圈的层数为偶数层。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，多层线圈中的单层线圈的厚度为1～200微米。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤(3)还包括步骤C2，将永磁体固定于硅衬底层(13)所形成的凹陷处，使之与多层线圈相对应。
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