CN107907991B - 一种多层平面电磁线圈驱动的mems变形镜及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜及制作方法，包括:硅衬底；在硅衬底上形成的多层线圈，每个线圈具有垫点和中心点；覆盖所述多层线圈的介电层；及在所述硅衬底上封装所述多层线圈的变形镜面，其中所述变形镜面包括：反射镜层，在反射镜层下表面上形成的介电层；在介电层的下表面的周边区域中形成Si层；以及在介电层的下表面的中心区域中形成的永磁性材料层；其中所述多层线圈的各层之间通过垫点和中心点进行接触，使得从硅衬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，更具体涉及一种多层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜及其制作方法。
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。制备线圈时，采用LIGA或准LIGA工艺，以此达到80微米以上的单层线圈厚度，来降低电流密度。这需要同步辐射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。因此，对新的MEMS变形镜以及其制备工艺存在需求。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种多层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜及其制作方法，可降低工艺难度，减少制作成本。
根据本发明的一个方面，提供了一种多层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜，包括:
硅衬底11；在硅衬底11上形成的多层线圈14，每个线圈具有垫点和中心点；覆盖所述多层线圈14的介电层15；以及在所述硅衬底11上封装所述多层线圈14的变形镜面；
其中，所述变形镜面包括：反射镜层21，在反射镜层下表面上形成的介电层25；在介电层25的下表面的周边区域中形成Si层；以及在介电层25的下表面的中心区域中形成的永磁性材料层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，使得从硅衬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，则从硅衬底起算的第一层线圈(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(也即，第一层线圈的垫点生长成一个与外部互联的接线柱)，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。
根据本发明的另一个方面，提供了一种多层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜的制作方法。该方法包括如下步骤：
步骤A：制作多层线圈驱动器，其包括，
步骤A1，准备抛光的Si衬底11；
步骤A2，在Si衬底11上溅射电镀种子层12；
步骤A3，利用光刻方法，在Si衬底表面制备线圈的光阻13；
步骤A4，电镀形成第一层线圈14，去除光阻13和种子层12，然后涂布介电层15，其中所述第一层线圈包括用于接触的垫点和中心点；
步骤A5，进行光刻方法，腐蚀介电层15，以曝露出所述第一层线圈的垫点和中心点；
步骤A6，利用上述电镀和光刻方法，依次形成所述多层线圈中的其余线圈，其余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，使得从硅衬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，则从硅衬底起算的第一层线圈(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(也即，第一层线圈的垫点生长成一个与外部互联的接线柱)，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。
步骤B：制备带有永磁体的变形镜镜面，其包括：
步骤B1，准备双面抛光的Si衬底；
步骤B2，在Si衬底的一面上涂布介电层25；
步骤B3，在介电层25上蒸镀形成反射镜层21，其中反射镜层例如可以是由Al制成；
步骤B4，蚀刻Si衬底17的另一面，以暴露出介电层25的中心部分；
步骤B5，在暴露出的介电层25的中心部分上形成永磁性材料层22；
步骤C：利用封装材料将多层线圈驱动器与变形镜面进行对准封装；
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。
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1～100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。
(三)有益效果
本发明一种多层平面电磁线圈驱动的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，中心电极很容易引出和外部驱动电路互联，避免了传统上Si通孔及通孔上下互联的难题，工艺简化。传统工艺为了降低热阻，需要增厚线圈的厚度，而采用多层线圈的方法，在满足总厚度的情况下，单层线圈的厚度成倍降低，不必再使用昂贵的LIGA技术，普通厚胶光刻工艺即可，工艺难度及要求大大简化，降低成本。
附图说明
图1为传统电磁驱动MEMS变形镜的示意图；
图2为双层线圈MEMS变形镜驱动制作流程图；
图3为MEMS变形镜面制作流程图；
图4为MEMS变形镜镜面与双层线圈驱动的装配后的产品示意图；
图5为四层线圈MEMS变形镜驱动制作流程图；
图6为MEMS变形镜镜面与四层线圈驱动的装配后的产品示意图；
图7为单层线圈的平面结构示意图。
【符号说明】
Si衬底11，电镀种子层12，光阻13，线圈14，介电层15，线圈接线柱16，焊点17，垫点18，中心点19，反射镜层21，永磁材料层22，封装材料31。
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。
实施例一
在本发明的示例性实施例一中，提供了一种双层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜的制作方法。
请参照图2、图3、图4和图7，本实施例一种双层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜的制作方法包括：
A制作多层平面线圈驱动器：
步骤A1，准备单面抛光的Si片11；
步骤A2，溅射Cu电镀种子层12；
步骤A3，利用光刻技术，在Si表面制备线圈光阻13；
步骤A4，电镀Cu线圈14，去光阻，去种子层，涂布聚酰亚胺15；
步骤A5，光刻，腐蚀聚酰亚胺，开窗出线圈14的垫点18和中心点19；
步骤A6，溅射Cu种子层12；
步骤A7，进行电镀以在中心点上形成上下层线圈接线柱16，并且在线圈14的垫点上形成焊点(用于形成与外部互联的焊点17)，然后去种子层12；
步骤A8，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14，以及在上述焊点上继续生长以形成用于外部互联的焊点17；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17。
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A9，涂布聚酰亚胺15保护层。如图2所示，其中左侧焊点17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17(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B：制备带有永磁体的变形镜镜面：
步骤B1准备双面抛光的Si片11；
步骤B2在Si片上涂布聚酰亚胺层15；
步骤B3其上蒸镀Al反射镜21；
步骤B4开窗，释放聚酰亚胺层；
步骤B5在聚酰亚胺下表面粘贴或涂布永磁性材料22。
步骤C利用封装材料31对多层线圈驱动器与变形镜面进行对准封装。
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。利用双层线圈的方法，内层线圈巧妙的引出与外部电路互联，在相同的电流密度下，单层厚度减半，单层厚度可以从80微米以上，降低到40微米以上，用较简单的普通曝光工艺即可实现，大大降低的工艺难度。
实施例二
在本发明的示例性实施例二中，提供了一种四层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜的制作方法。
请参照图3，图5，图6和图7本实施例一种四层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜的制作方法包括：
A制作多层线圈驱动器：
步骤A1-A9涉及第一层线圈和第二层线圈的制备，与实施例一中相同，在此省略；下面详细说明后续第三层和第四层的形成过程。
步骤A10，光刻，腐蚀聚酰亚胺，暴露出第二线圈的垫点和左侧焊点17；
步骤A11，溅射Cu种子层12；
步骤A12，进行电镀以在第二线圈的垫点上形成上下层线圈接线柱16，并且继续生长左侧焊点17(用于形成与外部互联的焊点17)，然后去种子层12；
步骤A13，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三层线圈14，以及在上述左侧焊点上继续生长形成用于外部互联的焊点17；其中，第三层线圈的垫点与第二层线圈的垫点接触连通；
步骤A14，涂布聚酰亚胺，蚀刻开窗出第三线圈14的中心点以及左侧焊点17，然后重复重复A6-A9步骤，以制备第四层线圈和生长左侧焊点17，再次涂布聚酰亚胺进行整体保护；其中，左侧焊点17只连接第一层线圈(底层线圈)，与其他各层没有连接，电流从左侧电极引线柱进入底层平面外圈，由外到内，至中心点，经过中间接线柱16，流向第二层线圈的中心点，然后由内到外，流到第二层线圈的右侧垫点，通过接线柱流向第三层线圈的垫点，然后由外到内，至中心点，经过中间接线柱，流向第四层线圈的中心点，再由内到外，流向第四层线圈的右侧的垫点(右侧的外部互联焊点17)。其中，第一层和第三层线圈绕向结构相同，第二层和第四层线圈结构相同，以使电磁力方向一致。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B：制备带有永磁体的变形镜镜面：
步骤B1准备双面抛光的Si片17；
步骤B2在Si片上涂布聚酰亚胺层25；
步骤B3其上蒸镀Al反射镜21；
步骤B4开窗，暴露出聚酰亚胺层的中心部分；
步骤B5在暴露的聚酰亚胺下表面粘贴或涂布永磁性材料22。
步骤C利用封装材料31对多层线圈驱动器与变形镜面进行对准封装。
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。利用四层线圈的方法，内层线圈巧妙的引出与外部电路互联，在相同的电流密度下，单层厚度是原来的1/4，单层厚度可以从80微米以上，降低到20微米以上，用普通曝光工艺即可实现，大大降低的工艺难度。
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多层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜的制作方法能避免传统上Si通孔及通孔上下互联的难题，工艺简化；不必再使用昂贵的LIGA技术，普通厚胶光刻工艺即可，工艺难度及要求大大简化，降低成本。
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：
(1)电镀层材料可以是Cu，也可以是Au，Ni，Ti，Al等金属；
(2)线圈材料可以是Cu，也可以是Au，Ag，Al，多晶硅等材料；
(3)聚酰亚胺材料可以是聚酰亚胺等有机材料，也可以是SOG等无机材料。
(4)多层线圈可以为2、4、6等偶数层。
(5)工艺步骤，都是最普通的微细加工工艺，可以调换顺序及增减。
本发明提供了一种多层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜的制作方法，该方法简单可靠、易于实现。利用该方法可避免传统上Si通孔及通孔上下互联的难题，工艺简化；不必再使用昂贵的LIGA技术，普通厚胶光刻工艺即可，工艺难度及要求大大简化，降低成本。
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 (10)
1.一种多层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜，包括:
硅衬底(11)；
在硅衬底(11)上形成的多层线圈(14)，每个线圈具有垫点和中心点；
覆盖所述多层线圈(14)的介电层(15)；以及
在所述硅衬底(11)上封装所述多层线圈(14)的变形镜面，其中所述变形镜面包括：
反射镜层(21)，
在反射镜层下表面上形成的介电层(25)；
在介电层(25)的下表面的周边区域中形成硅层；以及
在介电层(25)的下表面的中心区域中形成的永磁性材料层(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，使得从硅衬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所述的多层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜，其中，所述多层线圈由选自Cu，Au，Ag，Al，多晶硅中之一的材料制成。
3.根据权利要求1所述的多层平面电磁线圈驱动的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所述的多层平面电磁线圈驱动的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所述的多层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜，其中，所述多层线圈的单层厚度为1～100微米。
6.一种多层平面电磁线圈驱动的MEMS变形镜的制作方法，其特征在于，包括：
步骤A：制作多层线圈驱动器，其包括，
步骤A1，准备抛光的第一硅衬底(11)；
步骤A2，在第一硅衬底(11)上溅射电镀种子层(12)；
步骤A3，利用光刻方法，在硅衬底表面制备线圈的光阻(13)；
步骤A4，电镀形成第一层线圈(14)，去除光阻(13)和电镀种子层(12)，然后涂布介电层(15)，其中所述第一层线圈包括用于接触的垫点和中心点；
步骤A5，进行光刻方法，腐蚀介电层(15)，以曝露出所述第一层线圈的垫点和中心点；
步骤A6，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，使得从第一硅衬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与外部互联的两个焊点；步骤B：制备带有永磁体的变形镜镜面，其包括：
步骤B1，准备双面抛光的第二硅衬底(17)；
步骤B2，在第二硅衬底的一面上涂布介电层(25)；
步骤B3，在介电层(25)上蒸镀形成反射镜层(21)；
步骤B4，蚀刻第二硅衬底(17)的另一面，以暴露出介电层(25)的中心部分；
步骤B5，在暴露出的介电层(25)的中心部分上形成永磁性材料层(22)；
步骤C：利用封装材料将多层线圈驱动器与变形镜面进行对准封装。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，线圈的形状是圆形或多边形。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，多层线圈的层数为偶数层。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，多层线圈中的单层线圈的厚度为1～100微米。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，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。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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