CN107976871B - 一种动态形变可控微镜镜面梳齿结构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态形变可控微镜镜面梳齿结构及其加工方法，包括如下步骤：步骤一，准备晶圆；步骤二，形成微镜镜面、静梳齿和动梳齿的平面排布区；步骤三，覆盖所述步骤二中形成的缝隙；步骤四，露出包含动梳齿、微镜镜面和联通所述动梳齿的焊盘区域的第一区域；步骤五，刻蚀掉所述第一区域下的第一单晶硅器件层和第一绝缘层；步骤六，在晶圆表面选择性沉积金属层；步骤七，反转晶圆，在衬底层底面形成掩膜，深度刻蚀以蚀穿所述衬底层。本发明使用双硅器件层的SOI晶圆加工垂直梳齿，无需采用晶圆键合工艺，降低加工难度，提高了成品率。动静梳齿对的定义只需一次光刻，避免了分步光刻时的对位误差问题，使加工形貌尽可能地逼近设计样式。

Description

一种动态形变可控微镜镜面梳齿结构及其加工方法

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS:Micro-electromechanical Systems)技术领域，具体涉及一种垂直梳齿结构及其加工方法。

背景技术

微镜是基于半导体微加工技术的光束偏转装置。由于具有体积小、扫描频率高和能耗低的特点，微镜在激光雷达、激光扫描投影、内窥镜和光开关等领域，拥有广泛的应用前景。在不同的应用场景中，需要微镜作谐振式、准静态扫描，或者数字式跳跃。谐振式扫描是指微镜在本征共振频率附近按固有模态进行振动，而准静态扫描的频率通常远低于本征共振频率。例如在条形码扫描应用中，只需微镜扫描出激光线，谐振式扫描即可实现；在利用逐行扫描原理的激光投影设备中，微镜需要在至少一个方向上执行准静态扫描。而在光交叉连接器等设备中，需要微镜在特定的角度间切换并保持静止，属于数字式扫描。

微镜的驱动手段分为多种，其中静电驱动微镜工艺简单、结构紧凑，具有最广阔的应用前景。然而在常见的平面梳齿微镜中，静电力引起的力矩与转轴回复力的力矩方向相同，无法使镜面保持受力平衡状态。要实现准静态或数字式扫描，必须采用垂直梳齿结构。

现有的垂直梳齿加工方案主要是利用硅片键合工艺实现。首先在一个SOI晶圆上制作出一组梳齿结构，与另一SOI晶圆键合后，再加工出第二组梳齿，并且与第一组梳齿处于不同平面内。然而键合的工艺较为困难，必然带来成本的上升，并且两组梳齿之间会产生对位误差，大大降低了器件的成品率。发明专利CN 103086316A中提出了使用双层掩膜制作高低梳齿的方案，但双层掩膜的形成本身就需要两次光刻和干刻；在完成键合以后，还需要在背面选择性刻蚀其中一组梳齿以形成垂直错位结构。该工艺方法虽然能够制作所需的结构，但是工艺过程非常复杂，成品率的控制十分困难。有鉴于此，一些不使用键合工艺的加工方案也被提出。发明专利CN101907769A提出了一种只需两张掩膜版的、无需键合的加工方案。虽然该方案流程较为简单，但背腔刻蚀的速度很快，刻蚀深度控制非常困难。而且该方案将导致微镜镜面和动梳齿也为双层结构；若要保证足够大的梳齿面积，则微镜双层的总厚度势必较大，从而增大质量减小驱动效率；若要收紧微镜双层的总厚度，则错位梳齿对的相对面积将会减小，需要更大的电压进行驱动。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种具有垂直梳齿结构的微镜并阐述其加工方法，旨在以简单可行的工艺流程实现多工作模式的微镜器件，

本发明的第一方面，提供一种动态形变可控微镜镜面梳齿结构的加工方法，其具体技术方案如下：

步骤一，准备晶圆，所述晶圆包括五层结构，依次为:第一单晶硅器件层，第一绝缘层、第二单晶硅器件层、第二绝缘层和衬底层；

步骤二，形成微镜镜面、静梳齿和动梳齿的平面排布区；

步骤三，覆盖所述步骤二中形成的缝隙；

步骤四，露出包含动梳齿、微镜镜面和联通所述动梳齿的焊盘区域的第一区域；

步骤五，刻蚀掉所述第一区域下的第一单晶硅器件层和第一绝缘层；

步骤六，在晶圆表面选择性沉积金属层；

步骤七，反转晶圆，在所述衬底层底面形成掩膜，深度刻蚀以蚀穿所述衬底层；去除第二绝缘层，以释放所述微镜的可动部分。

优选地，所述步骤二基于光刻和干法刻蚀工艺，包含如下子步骤：

步骤二(A)，在晶圆表面形成第一光刻胶掩膜层；

步骤二(B)，使用掩膜版定义静梳齿、动梳齿和镜面的平面排布；并基于标准光刻工艺露出刻蚀区域；

步骤二(C)，以光刻胶为掩膜对所述刻蚀区域实施干法刻蚀，所述干刻穿透所述晶圆的第一单晶硅器件层，第一绝缘层和第二单晶硅器件层。

步骤二(D)，去除所述第一光刻胶掩膜层。

优选地，所述步骤三包括如下子步骤：

步骤三(A)，采用单次或多次涂胶工艺覆盖所述步骤二中干法刻蚀形成的缝隙，并形成第二光刻胶掩膜层；

或者，

步骤三(A’)，通过介质沉积工艺覆盖所述步骤二中干法刻蚀形成的缝隙；

步骤三(B’)，在所述介质上涂覆光刻胶以形成第二光刻胶掩膜层。

优选地，在所述步骤四中，通过光刻工艺裸露出包含动梳齿、微镜镜面和联通动梳齿的焊盘区的第一区域，所述第一区域从对应结构向外延伸一段距离。

优选地，所述步骤五包括如下子步骤：

步骤五(A)，以第二光刻胶掩膜层为掩膜刻蚀掉所述的第一区域所对应的第一器件层和第一绝缘层；

步骤五(B)，去除所述第二光刻胶掩膜层。

优选地，所述步骤六中，沉积在不同的位置的所述金属层具有不同的作用，沉积焊盘区所对应的第一单晶硅器件层上的金属层作为上层静梳齿焊盘，沉积在微镜镜面所对应的第二单晶硅器件层上的金属层构成反射镜面，沉积在焊盘区所对应的第二单晶硅器件层上的金属层构成下层静梳齿或动梳齿的焊盘。

本发明的第二方面，提供对动态形变可控微镜镜面梳齿结构的加工方法的改进，所述方法包括如下步骤：

步骤一，准备晶圆，所述晶圆包括五层结构，依次为:第一单晶硅器件层，第一绝缘层、第二单晶硅器件层、第二绝缘层和衬底层；

步骤二，在晶圆表面形成第一光刻胶掩膜层；

步骤三，使用掩膜版定义静梳齿、动梳齿、微镜镜面以及焊盘区的平面排布；并基于标准光刻工艺露出刻蚀区域；

步骤四，在所述焊盘区域沉积金属层；

步骤五，以光刻胶为掩膜对所述刻蚀区域实施干法刻蚀，所述干刻穿透所述晶圆的第一单晶硅器件层，第一绝缘层和第二单晶硅器件层；

步骤六，覆盖所述干法刻蚀过程中形成的缝隙；

步骤七，露出包含动梳齿、微镜镜面和联通所述动梳齿的焊盘区域的第一区域；

步骤八，刻蚀掉所述第一区域下的第一单晶硅器件层和第一绝缘层；

步骤九，在不去胶的情况下，直接在晶圆表面蒸镀金属薄膜；并使用剥离(liftoff)工艺去除光刻胶和其上的金属；

步骤十，反转晶圆，在所述衬底层底面形成掩膜，深度刻蚀以蚀穿所述衬底层；去除第二绝缘层，以释放所述微镜的可动部分。

本发明的第三方面，提供一种动态形变可控微镜镜面梳齿结构，所述梳齿结构包括：动梳齿；静梳齿，所述静梳齿包括上层静梳齿和下层静梳齿；所述上层静梳齿和所述下层静梳齿之间由二氧化硅分隔，彼此绝缘；所述动梳齿与微镜镜面和扭转轴相连；所述动梳齿与下层静梳齿处于同一平面，且在平面上交叉间隔，构成平面梳齿对；所述动梳齿与上层静梳齿处于平行平面，且在空间中交叉间隔，构成垂直梳齿对。

本发明的第四方面，提供一种动态形变可控微镜的驱动方法。

上述加工方法中，通过一次光刻，形成动梳齿和静梳齿的掩膜，再通过干刻工艺依次刻蚀穿透第一层单晶硅器件层、第一层氧化硅绝缘层、第二层单晶硅器件层，并在第二层氧化硅绝缘层表面处停止。这一过程结束后，在晶圆表面形成光刻胶，光刻胶的种类和厚度要使其能够遮盖住干刻形成的缝隙；具体而言，可以一次涂胶形成，也可多次涂胶完成缝隙的覆盖；也可以先沉积一层介质封住干刻缝隙，再进行涂胶。然后光刻裸露出动梳齿和镜面部分，以光刻胶为掩膜刻蚀掉动梳齿和镜面结构上的第一层单晶硅器件层和第一层氧化硅绝缘层，并去除光刻胶。接着沉积金属薄膜形成反射镜面和焊盘。最后进行背腔刻蚀，释放微镜的可动结构。

通过以上工艺形成的微镜，其静梳齿有上下两层，因此驱动电压的施加有三种情况，上层静梳齿与动梳齿之间，实现谐振式、准静态或数字式扫描；下层静梳齿与动梳齿之间，实现谐振式扫描；上下层静梳齿交替施加驱动电压，不间断地对动梳齿施加静电力。在上述驱动方式中，静梳齿的某一层或两层的某一部分或全体可以施加静偏压，实现谐振频率的调节和偏转角度的反馈。本发明提出的垂直梳齿微镜，工艺简单、成本可控、功能丰富，并且无需牺牲器件性能，适用于多样的应用场景。

连接机构12关于微镜旋转轴成对称分布。微镜整体的固有转动频率由总转动惯量和扭转轴13的劲度系数决定。要求在设计中调整连接机构12的形状和尺寸，确保整体的转动频率远小于由连接机构12和内镜11所构成振子的转动频率。

本发明能够达到的有益效果：

第一，本发明使用双硅器件层的SOI晶圆加工垂直梳齿，无需采用复杂的晶圆键合工艺，从而大大降低了加工难度，提高了成品率。

第二，本发明的动静梳齿对的定义只需一次光刻，避免了分步光刻时的对位误差问题，使加工形貌尽可能地逼近设计样式。

第三，本发明驱动时的驱动电压施加在上层静梳齿和动梳齿之间，可以实现谐振式、准静态或数字式扫描，此时下层静梳齿可以用于角度反馈或者频率调节。

第四，本发明驱动电压施加在下层静梳齿和动梳齿之间，可以实现谐振式扫描，此时上层静梳齿可以用于角度反馈或者频率调节。

第五，本发明驱动电压的一极周期性地施加在上层静梳齿和下层静梳齿上，另一极施加在动梳齿上，可以提高谐振式扫描的驱动效率，减小驱动电压。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1是本发明实施例提供的动态形变可控微镜在激光雷达光路中实施的方法原理示意图。

图2是本发明实施例提供的动态形变可控微镜镜面结构示意图。

图3是本发明实施例提供的动态形变可控微镜镜面结构示意图。

图4(a)是本发明实施例提供的动态形变可控微镜镜面结构示意图。

图4(b)是本发明实施例提供的动态形变可控微镜镜面结构示意图。

图5是本发明实施例提供的动态形变可控微镜结构示意图。

图6是本发明实施例提供的动态形变可控微镜结构示意图。

图7(a)-7(j)是本发明实施例提供的动态形变可控微镜梳齿加工的工艺流程图。

图8是本发明实施例提供的动态形变可控微镜的垂直梳齿结构图。

图9是本发明实施例提供的动态形变可控微镜的焊盘结构示意图。

图10(a)-(d)是本发明实施例提供的动态形变可控微镜的驱动过程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

如图1所示的激光雷达系统中，出射光与回波信号共用同一光路。激光器1发射激光光束2，经由微镜3反射到探测目标4上。在探测目标处形成反射光束，并经沿着原光路返回，经由微镜3和中继光路反射到光探测器9的受光面上。

激光器1可以是半导体边发射激光器、垂直表面腔发射半导体激光器、光纤激光器等。

微镜3可以是一种动态形变可控的微镜，根据具体设计不同，可以是一维或者二维扫描微镜，其驱动方式可以是静电驱动、电磁驱动、电热驱动或者压电驱动等。

激光光束2经探测对象4反射以后由微镜3接收，在一般情况下，探测距离5远大于系统尺寸，回波光束6可近似为平行光。系统受光面的大小由微镜3的镜面尺寸定义。光束6经过反射镜7和透镜8以后被探测器9接收，最终将光信号转换为电信号，输入到后端进行信号处理。探测器9可以是PN或者PIN光电探测器、雪崩光电二极管、光电倍增管等。

实施例二：

在实施例一描述的激光雷达系统中，微镜3是光路中重要的光学中继部件和扫描器件。一方面，微镜3的反射面尺寸定义了最大反射面积，另一方面，微镜3基于自身的扫描式结构实现对于光束的扫描。

本实施例二中，微镜3镜面的基本结构如图2所示，包含外镜10、内镜11，内镜11经由连接机构12与外镜10相连，外镜10通过扭转轴13与外部固定锚点相连。外镜10、内镜11以及连接机构12构成一个整体绕旋转轴转动，连接机构12关于微镜旋转轴呈对称分布。

所述外镜10、内镜11、连接机构12以及扭转轴13在SOI晶圆上形成。SOI晶圆由顶部单晶硅器件层，中间二氧化硅掩埋层和底部单晶硅衬底层构成。形成过程包括：通过选择性刻蚀顶部器件层定义微镜的整体结构，包括形成外镜、内镜、连接机构以及扭转轴。内镜和外镜的划分和连接机构的形成是通过选择性蚀刻指定区域实现的。

图2所示的结构中，在SOI上以扭转轴13所在的直线为对称轴，蚀刻两个相互对称的半圆形槽，所述半圆形槽具有第一宽度(H1)和第一半径(R1)，单个半圆形槽两个端点的连线与对称轴平行，并且两个半圆槽之间的具有第一距离(L1)，所述第一宽度(H1)、第一半径(R1)和第一距离(R1)定义了微镜镜面结构的基本形状和尺寸。其中，第一半径(R1)定义了内镜11的尺寸；第一宽度(H1)和第一距离(L1)定义了连接机构12的长度和宽度。外镜10的尺寸由选择性蚀刻过程定义的外镜尺寸来决定。在蚀刻结束后，在内镜和外镜上同时镀高反射率镜面层。高反射率镜面层可以通过例如蒸发镀或者离子反应溅射镀的方式实现，镀层金属可以是金、银、铝，通过控制镀层工艺，保证镜面层的平整度，以保证微镜在扫描过程中呈镜面反射。在一个实例中，镜面平整度在20nm以内。镜面平整度可基于AFM测量等手段来进行验证。

实施例三：

在图2中展示了微镜3的一种结构，在该结构中，内镜11围绕旋转轴旋转。在旋转摆动过程中，微镜整体的固有转动频率由微镜的总转动惯量和扭转轴13的劲度系数决定。因此，通过调整连接机构12的形状和尺寸，以保证微镜整体的转动频率远小于由连接机构12和内镜11所构成振子的固有频率。连接机构12的尺寸可以通过调整第一宽度(H1)和第一距离(L1)，连接机构12的形状可以通过改变蚀刻的图案形成。

在图3展示的微镜结构中，在SOI上以内镜中心为对称点，在同一圆周蚀刻四个弧形槽，四个弧形槽分为两组，每组中的两个弧形型槽关于的内镜中心的对称点相互对称，相邻弧形槽之间的部分形成连接机构14。所述弧形槽具有第二宽度(H2)和第二半径(R2)，并且相邻两个弧形槽之间的具有第二距离(L2)，所述第二宽度(H2)、第二半径(R2)和第二距离(R2)定义了微镜镜面结构的基本形状和尺寸。其中，第二半径(R2)定义了内镜的尺寸；第二宽度(H2)和第二距离(L2)定义了连接机构14的长度和宽度。外镜的尺寸由选择性蚀刻过程定义的外镜尺寸来决定。

在图3的实施例中，按照顺时针的顺序，四个弧形槽依次命名为第一弧形槽、第二弧形槽、第三弧形槽、第四弧形槽。根据转动惯量的要求，四个弧形槽之间两两之间的距离可以是相等的第二距离(L2)，也可以设置为不相等(L21，L22，L23，L24)。

在上述实施例中，四个弧形槽是处于一个圆周上的，出于抑制动态形变的目的，所述四个弧形槽的形状拼合成为一个圆周，其实际位置通过爆炸图的形式展开而相互间隔。

在图4(a)展示的微镜结构中，在SOI上以内镜中心为对称点，刻蚀相互对称的第一槽和第二槽、以及相互对称的第三槽和第四槽结构。

如图4(b)所示，所述第一槽结构具有如下形状：设置一个圆环，圆环的圆心可以与内镜中心重合，也可以根据结构动态形变值与内镜中心偏离一个单位距离，圆环的外径为RA，内径为RB，使用半径为RC的圆弧对所述圆环进行切割,切割圆弧与圆环围成两个部分，劣弧段所在的部分即为第一槽；第二槽与所述第一槽关于所述内镜中心镜像对称。

当然，根据具体的动态形变抑制情况，用于切割所述同心圆的还可以是抛物线结构，抛物线与同心圆围成的劣弧所在部分构成第一槽，第二槽与所述第一槽关于所述内镜中心镜像对称。

所述第三槽具有如下结构：设置一个抛物线y＝ax²+b，在抛物线对称轴上抛物线焦点侧的对称轴上设置圆心,设置半径为RD的圆，所述圆与抛物线顶点所在部分围成的图形构成第三槽。所述第三槽与第四槽关于所述内镜中心镜像对称。

实施例四：

在本实施例中，为了将内镜11的动态形变降至最低，采用如下步骤进行处理：

在确定外镜10、内镜11以及扭转轴13的形状尺寸之后，对结构进行有限元计算分析。基于有限元分析，得出外镜10中心孔边缘的动态形变分布，再将连接机构12靠近外镜10的一端设置在形变最小处。

然后再进行整体的动态形变计算，进一步检查连接机构靠近外镜一端附近的动态形变分布，移动连接机构到新的最小值附近。

如此重复数次，直至达到要求的形变数值。

对于不同的内镜结构，基于有限元实验得到的结果并不相同。图2所示的单一矩形连接轴12，该连接轴设置的位置位于外镜10边缘，与扭转轴处于同一直线的位置，由此达到轴向转动的动态形变最低。

图3展示了分别连接在内镜和外镜边缘4个不同位置的4根横梁构成连接机构14，此结构方案适用于外镜动态形变最小值不在边缘中心的情况。

图4(a)展示了连接机构15由两个C型连接机构组成，分别连接在外镜边缘的两个中心位置和内镜边缘的4个不同位置。此设计方案适用于外镜动态形变最小值位于边缘中心的情况。

在图3、图4(a)展示的结构中，内镜和外镜之间具有四个接触点多，四个接触点的合理选择也有利于进一步压制内镜动态形变。

实施例五：

以上的实施例中的微镜镜面可以由不同原理进行驱动，包括且不限于静电驱动、电磁驱动、电热驱动和压电驱动。

图5展示了一种一维静电驱动微镜的驱动结构，微镜镜面经由扭转轴被固定于锚点16上，并与外部电源相连。

动梳齿18位于外镜两侧与静梳齿17交叉分布，静梳齿17经由焊接区19与外部电源的另一极相连。当外部电源施加周期性电压激励时，微镜镜面即可进行一维旋转。

在一个示例中，动静梳齿为平面梳齿。

在一个示例中，动静梳齿为垂直梳齿。

基于梳齿结构，该微镜既可以工作于谐振模式也可以工作于准静态模式。

在本实施例中，动梳齿18直接设置于外镜镜面两侧会增大外镜的动态形变。利用前述实施例中，内镜和外镜分离，以及将连接机构12设置于动态形变最小的设计可以有效地削弱该动态形变向内镜的传递。

实施例六：

如图6所示，通过将镜面与可旋转的平衡架结构23相连，并提供二对梳齿阵列20和22，即可搭建一个二维静电驱动微镜。其中第二对梳齿阵列22与第一对梳齿阵列20的排列方向相垂直。由于隔离凹槽24和25的存在，该二维微镜由21、26和27三个微电极控制，从而实现在两个互相垂直的方向上独立地偏转。梳齿阵列20/22可以是平面梳齿也可以是垂直梳齿，分别对应李萨如扫描模式和逐行扫描模式。

实施例七：

本实施例将具体描述实施例一至六中的微镜结构的特征尺寸。如前所述，在本发明实施例中，内镜和外镜采用了相互分离的结构，微镜的特征尺寸由外镜的尺寸来定义，因此微镜镜面的总尺寸是常见产品数倍，这样可以提供足够大的回波信号接收面积。

在一系列具体的微镜结构中，外镜特征尺寸选自2毫米-20毫米之间的尺寸，内镜的特征尺寸选自0.5毫米-4毫米。外镜尺寸较大仅用于接收回波信号，内镜尺寸较小，用于偏转出射激光光束和接收一部分回波信号。

通过前述实施例中描述的方式，内镜和外镜之间有特定形状和尺寸的连接机构，通过将连接机构靠近外镜的一端设置在外镜动态形变较小的位置，削弱外镜动态形变向内镜的传递。从而保证内镜动态形变较小，压制出射激光的光斑畸变。外镜动态形变相对较大，但由于微镜到光电探测器的距离很近，回波信号的光斑畸变绝对值很小，回波能量的损失可以忽略不计。

就微镜的尺寸而言，较大的镜面尺寸会增大微镜的转动惯量，进而减小固有转动频率和最大转动角度，此时可以通过使用较薄的器件层来减小转动惯量。在一个具体的示例中，微镜的特征厚度被减薄到10-80微米。

实施例八：

在前述实施例中提及了扫描镜的梳齿结构，本实施例则着重介绍前述具有垂直梳齿结构的微镜并阐述其加工方法。

微镜结构设置在SOI晶圆上，所述SOI晶元从上到下依次为第一层单晶硅器件层、第一层氧化硅绝缘层、第二层单晶硅器件层、第二层氧化硅绝缘层和单晶硅衬底层。按照如下步骤制造所述微镜边缘的梳齿结构：

步骤1，通过一次光刻，形成动梳齿和静梳齿的掩膜。

步骤2，再通过干刻工艺依次刻蚀穿透第一层单晶硅器件层、第一层氧化硅绝缘层、第二层单晶硅器件层，并在第二层氧化硅绝缘层表面处停止。

步骤3，在步骤2的刻蚀过程结束后，在晶圆表面形成光刻胶，光刻胶的种类和厚度要能够遮盖住干刻形成的缝隙。具体地，所述涂胶过程，可以一次涂胶形成，也可多次涂胶完成缝隙的覆盖。

步骤4，也可以先沉积一层介质封住干刻缝隙，再进行涂胶。

步骤5，然后光刻裸露出动梳齿和镜面部分，以光刻胶为掩膜刻蚀掉动梳齿和镜面结构上的第一层单晶硅器件层和第一层氧化硅绝缘层，并去除光刻胶。

步骤6，接着沉积金属薄膜形成反射镜面和焊盘。

步骤7，最后进行背腔刻蚀，释放微镜的可动结构。

通过以上步骤形成的微镜，其静梳齿有上下两层，因此驱动电压的施加至少有如下三种情况：

第一种情况，在上层静梳齿与动梳齿之间施加电压，实现谐振式、准静态或数字式扫描；

第二种情况，下层静梳齿与动梳齿之间，实现谐振式扫描；

第三种情况，上下层静梳齿交替施加驱动电压，不间断地对动梳齿施加静电力。

在上述驱动方式中，静梳齿的某一层或两层的某一部分或全体可以施加静偏压，实现谐振频率的调节和偏转角度的反馈。本发明提出的垂直梳齿微镜，工艺简单、成本可控、功能丰富，并且无需牺牲器件性能，适用于多样的应用场景。

实施例九：

在本实施例中，将对实施例八中的工艺流程进行进一步描述。如图7(a)-7(j)所示，步骤包括：

步骤(a)，准备晶圆。

本实施例所使用的单片SOI晶圆片共有5层。顶层701是单晶硅器件层，拥有高掺杂浓度和良好的导电性，优选厚度在30-100微米之间。第一绝缘层702为氧化硅材料，厚度为0.1-20微米。中间层703为第二层单晶硅器件层，与顶层701类似，拥有良好的导电性，优选厚度在30-100微米之间，其厚度可以与701相同，也可以不同。第二绝缘层704与第一绝缘层702类似，为氧化硅材料，优选厚度为0.1-20微米。衬底层705为低掺杂的单晶硅层，优选厚度为300-700微米。

步骤(b)，在晶圆表面涂覆一层光刻胶706。

步骤(c)，经标准光刻工艺裸露出刻蚀区域707。

在步骤(b)和(c)中，此步骤中使用的掩膜版同时定义了静梳齿、动梳齿和镜面的平面排布。然后以光刻胶为掩膜对裸露区域实施干刻，穿透所述晶圆的顶层701、第一绝缘层702和中间层703。

对单晶硅的刻蚀可以使用ICP刻蚀工艺，对氧化硅的刻蚀可以使用RIE刻蚀工艺，由于单晶硅刻蚀工艺对硅与氧化硅有较大的选择比，刻蚀过程由绝缘层704截止。

步骤(b)和步骤(c)完成后，静梳齿已经形成。

步骤(d)，去除光刻胶706，并重新涂覆一层光刻胶708。光刻胶708的种类和厚度要使其能够遮盖住干刻形成的缝隙。

在步骤(d)中，光刻胶708可以一次涂胶形成，也可多次涂胶完成缝隙的覆盖；也可以先沉积一层介质封住干刻缝隙，再进行涂胶。

具体地，在一个示例中，光刻胶708通过一次涂胶形成。

具体地，在一个示例中，光刻胶708通过多次涂胶完成对所述干刻步骤形成的缝隙。

具体地，在一个示例中，通过沉积工艺在所述干刻缝隙中形成一层介质，然后在所述介质层上涂覆光刻胶708。

在所述步骤二中，对于光刻精度的要求不高，可以使用粘稠度较大的光刻胶。

步骤(f)，通过光刻工艺裸露出动梳齿、镜面和联通动梳齿的焊盘区域709。

在步骤(f)中，为保证刻蚀的成功率，裸露区域709需要从对应结构向外延伸一段距离。

步骤(g)，以光刻胶为掩膜刻蚀掉裸露区域下的器件层701和绝缘层702。

为保证绝缘层4不在此步骤中被破坏，其厚度可以比绝缘层702更大。完成此步后，动梳齿710和镜面711都已形成。

具体地，在一个示例中，裸露区域709从对应结构向外延伸的距离可以是0.5-4微米。

步骤(h)，去除光刻胶，重新进行光刻并在特定区域沉积一层金属薄膜。

其中，沉积在器件层1上的金属层712可以充当上层静梳齿的焊盘，沉积在器件层703上的金属层713构成反射镜面，沉积在器件层3上金属层714是下层静梳齿或动梳齿的焊盘。

步骤(i)，反转SOI晶圆，利用光刻工艺在衬底层705的底面形成掩膜715，

步骤(j)，深刻蚀穿透衬底层705，去除绝缘层704，释放微镜可动部分。

实施例十：

在实施例九中，除了上述工艺流程以外，金属的蒸镀也可以分为两步进行。在进行干法刻蚀之前，先执行焊盘4的蒸镀。

此后的流程与图7(b)至图7(g)相同。

在完成图7(g)所示的干刻后，直接继续蒸镀一层金属，并使用liftoff工艺去除光刻胶8和其上的金属，形成微镜镜面4和焊盘4。

此后的工艺与图7(i)至图7(j)一致。由于光刻胶708同时充当了干刻和金属蒸镀的掩膜，避免了在高低不平的梳齿形貌上重新涂覆光刻胶，有效地降低了工艺难度。

实施例十一：

经过以上实施例的工艺，形成如图8所示的垂直梳齿结构图。

动梳齿16与镜面的外镜部分相连，外镜部分与扭转轴相连，外镜与扭转轴之间的连接方式包括但是不限于之前实施例介绍的方式。

动梳齿16与下层静梳齿18构成平面梳齿对。

下层静梳齿与上层静梳齿之间由氧化硅绝缘层分隔，彼此电隔离。动梳齿16与静梳齿17构成垂直梳齿对。下层静梳齿与上层静梳齿之间由氧化硅绝缘层分隔，彼此电隔离，动梳齿16与静梳齿17构成垂直梳齿对。

实施例十二：

前述实施例中加工工艺适用于各种微镜平面设计，如图9所示，其展示了一维微镜的俯视结构。镜面通过扭转轴连接在两侧的锚点上，动梳齿分布在镜面两侧，并与静梳齿间错分布。焊盘20分布在两侧的锚点上，可对动梳齿施加电压。焊盘19和21分布在第二次干刻形成的裸露器件层3上，可对下层静梳齿施加电压。焊盘22和23分布在器件层1表面，可对上层静梳齿施加电压。

通过第一次干刻工艺，可以将下层静梳齿分隔为相互电隔离的若干部分，分别施加不同的电压。通过第二次干刻工艺，可以将上层静梳齿分隔为互相电隔离的若干部分，分别施加不同的电压。

需要注意的是，如果采用前述实施例的两次蒸镀金属的工艺方案，金属将分布于微镜可动部分和锚点的整个上表面，但不影响微镜的功能。

实施例十三

如截面图10(a)-(d)所示，上层静梳齿17、下层静梳齿18和动梳齿16构成了至少两组电容电极，其中动梳齿可以保持接地。当动梳齿16处于零度静止状态时，在静梳齿17上施加一个静偏压即可使镜面开始转动。

第一种驱动方式是在上层静梳齿和动梳齿16之间施加周期驱动电压，该电压可以是正弦波、方波、锯齿波等。

此时，梳齿17和17’可以交替施加电压，当动梳齿处于10(b)所示的状态时，在17上施加驱动电压，而17’上施加零偏压；当动梳齿开始反向转动，处于10(c)所示的状态时，17上施加零偏压，17’上施加驱动电压；每次微镜改变转动方向时，17和17’实施电压的交替。根据驱动电压的频率、波形和幅值，微镜在第一种驱动方式下，可以作谐振式扫描、准静态扫描和数字式扫描。此时梳齿18和18’的全体或者一部分可以施加一个非零的静偏压，并通过提取该电极输出的电流，反推该电极与动梳齿之间的电容，并得到实时的偏转角度值；当处于谐振式扫描的情形下，不同的静态电压还可以调节微镜的共振频率，提高器件的环境适应性。该静偏压越大，共振频率越大。

第二种驱动方式是在下层静梳齿和动梳齿16之间施加周期驱动电压，该电压可以是正弦波、方波、锯齿波等。此时梳齿18和18’保持等电势，并仅当微镜由最大偏转位置向平衡位置回复时，才施加该驱动电压，例如10(c)所处的情形。此时，微镜作谐振式扫描。当在梳齿17上施加非零的静偏压时，可以通过17和16之间的电容变化，实时推断出微镜的偏转位置和转动方向；当在17和17’上同时施加某一非零的静偏压时，可以降低共振频率。

第三种驱动方式是在下层静梳齿和动梳齿16之间施加周期驱动电压的同时，在上层静梳齿17和17’上交替施加驱动电压。此时梳齿18和18’保持等电势，并仅当微镜由最大偏转位置向平衡位置回复时，才施加该驱动电压，该电压可以是正弦波、方波、锯齿波等。当动梳齿处于10(b)所示的状态时，在17上施加驱动电压，而17’上施加零偏压；当动梳齿开始反向转动，处于10(c)所示的状态时，17上施加零偏压，17’上施加驱动电压；每次微镜改变转动方向时，17和17’实施电压的交替。此时微镜作谐振式扫描。由于微镜无论是远离零度角位置还是靠近零度角位置都有驱动电压发生作用，这一驱动方式可以提高驱动效率，降低驱动电压。与此同时，上层和下层静梳齿可以分为互相电隔离的若干部分。下层静梳齿的一部分可以施加非零的静偏压，以增大共振频率；上层静梳齿的一部分可以施加非零的静偏压，以减小共振频率；角度反馈信号可以从施加非零的静偏压的电极处获取。

以上三种驱动方式可以由同一个微镜结构实现，而不需要改变微镜的结构。因此采用上述工艺加工的微镜器件可用作谐振式扫描、准静态扫描和数字式扫描，适用于各种应用场合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种动态形变可控微镜镜面梳齿结构的加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一，准备晶圆，所述晶圆包括五层结构，依次为：第一单晶硅器件层，第一绝缘层、第二单晶硅器件层、第二绝缘层和衬底层；

步骤二，形成微镜镜面、静梳齿和动梳齿的平面排布区，所述步骤二基于光刻和干法刻蚀工艺，包含如下子步骤：

步骤二(A)，在晶圆表面形成第一光刻胶掩膜层；

步骤二(B)，使用掩膜版定义静梳齿、动梳齿和镜面的平面排布；并基于标准光刻工艺露出刻蚀区域；

步骤二(C)，以光刻胶为掩膜对所述刻蚀区域实施干法刻蚀，所述干法刻蚀穿透所述晶圆的第一单晶硅器件层，第一绝缘层和第二单晶硅器件层；

步骤二(D)，去除所述第一光刻胶掩膜层；

步骤三，使用光刻胶覆盖所述步骤二中形成的缝隙；

步骤四，露出包含动梳齿、微镜镜面和联通所述动梳齿的焊盘区域的第一区域；

步骤五，刻蚀掉所述第一区域下的第一单晶硅器件层和第一绝缘层；

步骤六，在晶圆表面选择性沉积金属层；

步骤七，反转晶圆，在所述衬底层底面形成掩膜，深度刻蚀以蚀穿所述衬底层；去除第二绝缘层，以释放所述微镜的可动部分。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤三包括如下子步骤：

步骤三(A)，采用单次或多次涂胶工艺覆盖所述步骤二中干法刻蚀形成的缝隙，并形成第二光刻胶掩膜层；

或者，

步骤三(A’)，通过介质沉积工艺覆盖所述步骤二中干法刻蚀形成的缝隙；

步骤三(B’)，在所述介质上涂覆光刻胶以形成第二光刻胶掩膜层。

3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤四中，通过光刻工艺裸露出包含动梳齿、微镜镜面和联通动梳齿的焊盘区的第一区域，所述第一区域从对应结构向外延伸一段距离。

4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤五包括如下子步骤：

步骤五(A)，以第二光刻胶掩膜层为掩膜刻蚀掉所述的第一区域所对应的第一器件层和第一绝缘层；

步骤五(B)，去除所述第二光刻胶掩膜层。

5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤六中，沉积在不同的位置的所述金属层具有不同的作用，沉积焊盘区所对应的第一单晶硅器件层上的金属层作为上层静梳齿焊盘，沉积在微镜镜面所对应的第二单晶硅器件层上的金属层构成反射镜面，沉积在焊盘区所对应的第二单晶硅器件层上的金属层构成下层静梳齿或动梳齿的焊盘。

6.一种动态形变可控微镜镜面梳齿结构的加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一，准备晶圆，所述晶圆包括五层结构，依次为:第一单晶硅器件层，第一绝缘层、第二单晶硅器件层、第二绝缘层和衬底层；

步骤二，在晶圆表面形成第一光刻胶掩膜层；

步骤三，使用掩膜版定义静梳齿、动梳齿、微镜镜面以及焊盘区的平面排布；并基于标准光刻工艺露出刻蚀区域；

步骤四，在所述焊盘区域沉积金属层；

步骤五，以光刻胶为掩膜对所述刻蚀区域实施干法刻蚀，所述干法刻蚀穿透所述晶圆的第一单晶硅器件层，第一绝缘层和第二单晶硅器件层；

步骤六，覆盖所述干法刻蚀过程中形成的缝隙；

步骤七，露出包含动梳齿、微镜镜面和联通所述动梳齿的焊盘区域的第一区域；

步骤八，刻蚀掉所述第一区域下的第一单晶硅器件层和第一绝缘层；

步骤九，在不去胶的情况下，直接在晶圆表面蒸镀金属薄膜；并使用剥离(liftoff)工艺去除光刻胶和其上的金属；

步骤十，反转晶圆，在所述衬底层底面形成掩膜，深度刻蚀以蚀穿所述衬底层；去除第二绝缘层，以释放所述微镜的可动部分。

Images