CN108594428A - Mems微振镜及基于soi顶层硅预制该mems微振镜的制作方法 - Google Patents

Mems微振镜及基于soi顶层硅预制该mems微振镜的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种MEMS微振镜及基于SOI顶层硅预制该MEMS微振镜的制作方法，在键合形成SOI晶圆之前，预先在顶层硅背面通过微加工制作特定的微结构从而移除镜面的部分质量并维持镜面的结构强度和尺寸，同时在底层硅正面根据镜面扭转运动所需要的空间大小提前制作腔室，然后将顶层硅和底层硅的制作有微结构的一面相互对准键合形成SOI晶圆并通过研磨抛光工艺减薄至目标厚度，最后在顶层硅正面加工制作所需要的金属反射层和镜面可动结构，解决了以常规SOI晶圆加工MEMS微振镜存在的大尺寸镜面结构质量过大，影响振镜的扭转角度及性能的问题，从而扩展MEMS微振镜设计和加工的自由度，提高MEMS微振镜的性能，尤其对制作高可靠性、大镜面尺寸的MEMS微振镜具有重要意义。

Description

MEMS微振镜及基于SOI顶层硅预制该MEMS微振镜的制作方法
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，特别涉及一种MEMS微振镜及在SOI晶圆顶层硅上预制特定微结构的MEMS微振镜的制作方法。
背景技术
MEMS微振镜是一种具有可动悬浮结构的微机械结构，微振镜各部分微结构的机电性能决定了微振镜的性能。采用常规SOI(Silicon-On-Insulator)晶圆作为微振镜结构设计和工艺设计的原材料对简化加工工艺和提高加工良率起到了明显的效果，但是仍存在不足。以常规SOI晶圆为原材料的微振镜的体硅工艺加工过程中，由于顶层硅与底层硅键合在一起，顶层硅和底层硅都只能从单面(正面或背面)进行加工，平面横向尺寸容易设计加工，但是纵向厚度尺寸则难以匹配微振镜的微结构需要从而做到差异化设计加工，因此其微结构的可设计性和可加工性受到影响，进而限制了整个MEMS微振镜的性能设计与提升。
具体而言，某一规格SOI晶圆的顶层硅厚度已经决定了镜面、梁、梳齿等结构的厚度(而且是统一厚度)，设计这些关键结构的尺寸只能通过改变横向的平面尺寸来实现。当MEMS微振镜的镜面尺寸和工作频率由于应用需求被限定时，为了达到目标频率，根据公式：
其中，f为微振镜的工作频率，m为微振镜可动结构的质量，k为微振镜扭转梁的刚度，只能通过改变扭转梁的刚度k或者镜面可动结构的质量m来实现。然而以常规SOI晶圆加工MEMS微振镜时，为了维持镜面区域良好的平整度和镜面反射率并不适宜从正面通过局部干法刻蚀的方式来减薄而移除部分质量，也无法从顶层硅的背面加工，因此m难以改变。在这种情况下，MEMS微振镜的频率设计就只能通过改变梁的长宽度(三维尺寸决定梁的刚度)来实现。这对于小尺寸镜面的MEMS微振镜来说尚能接受，而对于大尺寸镜面，由于镜面质量明显增大，为了达到设定的工作频率只能通过大幅提高梁的刚度，而这将严重影响大镜面MEMS微振镜的扭转角度，同时大尺寸镜面本身的质量也严重影响MEMS微振镜的可靠性，限制了MEMS微振镜的性能提升。
发明内容
为了解决以常规SOI晶圆加工MEMS微振镜存在的大尺寸镜面结构质量过大，影响振镜的扭转角度及性能的问题，本发明提供一种MEMS微振镜及基于SOI顶层硅预制特定微结构的MEMS微振镜的加工方法。在键合形成SOI晶圆之前，预先在顶层硅背面通过微加工制作特定的微结构从而移除镜面的部分质量并维持镜面的结构强度和尺寸，同时在底层硅正面根据镜面扭转运动所需要的空间大小提前制作腔室，然后将顶层硅和底层硅的制作有微结构的一面相互对准键合形成SOI晶圆并通过研磨抛光工艺减薄至目标厚度，最后在顶层硅正面加工制作所需要的金属反射层和镜面可动结构，从而扩展MEMS微振镜设计和加工的自由度，提高MEMS微振镜的性能，尤其对制作高可靠性、大镜面尺寸的MEMS微振镜具有重要意义。
本发明的技术解决方案是提供一种MEMS微振镜，利用SOI晶圆制备，包括底层硅、埋氧层和顶层硅，底层硅通过埋氧层与顶层硅键合，顶层硅上设有微振镜镜面及隔离沟槽，其特殊之处在于：上述微振镜镜面的背部设有第一腔室单元，上述第一腔室单元包括n个第一腔室，n≥1，上述底层硅内部具有第二腔室，上述第二腔室对应于微振镜镜面位置，为微振镜镜面提供扭转空间。
优选地，当n﹥1时，各第一腔室关于可动镜面的扭转轴呈轴对称分布，且关于镜面中心呈中心对称设置。
优选地，隔离沟槽底部具有氧化层，隔离沟槽底部的氧化层(即SOI的埋氧层)在整个工艺过程中得以保留，增强隔离沟槽的绝缘性能。
优选地，氧化层厚度为100nm-2000nm。
本发明还提供一种上述的MEMS微振镜的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：根据目标MEMS微振镜的厚度、晶向和电阻率参数，选取第一双面抛光硅片，在第一双面抛光硅片的下表面并与MEMS微振镜的反射镜面对应的位置处进行光刻和各向异性干法刻蚀，形成第一腔室单元；
步骤二：根据目标MEMS微振镜的厚度、晶向和电阻率参数，选取第二双面抛光硅片，在第二双面抛光硅片的上表面并与MEMS微振镜的反射镜面对应的位置处进行光刻和各向异性干法刻蚀，形成第二腔室；
步骤三：在步骤二处理后的第二双面抛光硅片的上表面进行氧化处理，形成氧化层；
步骤四：将步骤一处理后的第一双面抛光硅片的下表面与步骤三处理后的第二双面抛光硅片的上表面对准并进行硅-硅键合；键合环境为为真空、常压或者其它压强，键合后，使得顶层硅和底层硅之间所形成的密闭腔室内也为对应的真空、常压或者其它压强；密闭腔室内的气氛与键合环境气氛一致，为氮气，氩气或其它特定气体，用于缓解工艺过程中密闭腔室内外压差导致的变形。
步骤五：将键合后的两层硅片分别进行研磨抛光减薄至特定的厚度和粗糙度，得到定制MEMS微振镜的SOI晶圆；
步骤六：在第一双面抛光硅片上表面与第一腔室单元对应的位置处沉积Al或Au/Cr金属反射薄膜，经光刻、刻蚀和去胶后形成MEMS微振镜所需要的电极和金属反射镜面；
步骤七：在所得的定制MEMS微振镜的SOI晶圆表面通过光刻、各向异性干法刻蚀，形成微振镜的可动结构和微结构之间的隔离沟槽；
步骤八：将晶圆切割得到所需要的微振镜芯片，完成MEMS微振镜芯粒的制作。
优选地，一个第一双面抛光硅片上可以制备M个第一腔室单元，一个第二双面抛光硅片上同时可以制备M个第二腔室，其中M﹥1，第一腔室单元与第二腔室一一对应，在键合过程中对准以保证两者之间准确的相对位置。
优选地，第一双面抛光硅片与第二双面抛光硅片厚度均为10μm-1000μm，仅对第二双面抛光片进行氧化处理，氧化厚度为100nm-2000nm。
本发明的有益效果是：
1、SOI硅片键合之前在顶层硅预制特定的微结构，为MEMS微振镜关键结构实现差异化厚度提供了可能，可以减小甚至调控镜面结构的质量，有利于获得轻薄型、大转角、高工作频率和抗冲击性良好的MEMS微振镜。这对于提升MEMS微振镜的性能，尤其是制作大镜面高可靠的MEMS微振镜具有重要意义，拓宽了MEMS微振镜的应用范围；
2、整个微振镜加工流程中无需针对SOI晶圆的氧化层进行释放，简化了加工工艺；同时因为腐蚀氧化层的释放工艺已经不再需要，刻蚀后隔离沟槽所裸露的氧化层避免了被腐蚀而得以保留，有效增强隔离沟槽的电隔离效果；
3、常规SOI加工微振镜时，底层硅和顶层硅均需要穿透整个硅层刻蚀到中间氧化层，因此该常规工艺在刻蚀过程中容易引起薄氧化层破膜进而引起刻蚀设备的背氦漏气，导致刻蚀工艺被迫中断。为了避免此类工艺中断，常需额外工艺处理；本发明底层硅不需要全部刻穿，避免了氧化层破膜对工艺产生的影响，保障加工工艺更加顺利稳定，同时也缩短了工艺加工机时，降低了加工成本。
附图说明
图1为MEMS微振镜加工工艺流程图；
图2为MEMS微振镜的结构示意图；
图3a为MEMS微振镜的镜面正面结构示意图；
图3b为MEMS微振镜的镜面反面结构示意图；
图3c为MEMS微振镜的镜面反面结构轴侧图。
图中附图标记为：1-可动镜面，2-顶层硅，3-键合面，4-底层硅，5-隔离沟槽，6-梁，7-梳齿，8-第一腔室，9-第二腔室。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
从图2可以看出，本发明MEMS微振镜包括相互键合的底层硅4及顶层硅2，可动镜面1、梁6、梳齿7、隔离沟槽5等结构位于顶层硅上，可动镜面1通过梁6连接固定，且通过隔离沟槽5的隔离，独立悬置于顶层硅2内，可动镜面1的背面开有多个第一腔室8以减小镜面结构的质量，底层硅上开有提供可动镜面扭转所需空间的第二腔室9。多个第一腔室8关于可动镜面的扭转轴呈轴对称分布，且关于镜面中心呈中心对称设置。
结合图1，通过下述过程制备上述MEMS微振镜：
1、将厚度为10μm-1000μm的第一双面抛光硅片进行光刻、各向异性干法刻蚀和去胶，在该第一双面抛光硅片上形成特定形状的至少一个小腔室，一个或多个小腔室组成一个小腔室单元，每个小腔室单元对应于MEMS微振镜的反射镜面的位置。小腔室的刻蚀深度不超过第一双面抛光硅片的原始厚度，具体深度应根据双抛硅片的原始厚度、减薄厚度及其镜面的质量综合确定。小腔室的截面(与振镜镜面平行的面)可以为扇形、圆形及其他任意形状(如图3b及3c)。在一个第一双面抛光硅片上可以制备多个重复的小腔室单元，每个小腔室单元对应于不同的MEMS微振镜的反射镜面的位置。通过在镜面背面制作多个小腔室构成一个腔室单元，不仅可以在维持原镜面尺寸的前提下减小镜面本身的质量，而且可以使镜面拥有较好的结构强度。
2、将厚度为10μm-1000μm第二双面抛光硅片也进行光刻、各向异性干法刻蚀和去胶，在该第二双面抛光硅片上形成特定形状的大腔室，特定形状的大腔室也对应于MEMS微振镜的反射镜面的位置，用于提供微振镜镜面扭转运动所需要的自由空间。大腔室的刻蚀深度不超过第二双面抛光硅片的原始厚度，具体深度应根据双抛硅片的原始厚度和减薄厚度综合确定。在一个第二双面抛光硅片上可以制备多个重复的大腔室，每个大腔室对应于不同的MEMS微振镜的反射镜面的位置。
3、将制作了大腔室的第二双面抛光硅片上表面进行氧化处理，氧化层厚度为100nm-2000nm。
4、将制作有小腔室的第一双面抛光硅片与制作了大腔室的第二双面抛光硅片进行硅-硅键合，且使大小腔室按照设计要求对准，腔室内状态可以根据需要设置为真空、常压或者其它压强，腔体内的气氛可以是氮气，氩气或其它特定气体。
5、根据第一双抛硅片和第二双抛硅片的刻蚀深度和MEMS微振镜的设计厚度，将键合后的两层硅片分别进行研磨减薄抛光至特定的厚度和粗糙度，得到特定结构的定制微振镜的SOI晶圆。大腔室一侧为SOI晶圆的基底层硅，小腔室一侧为加工微振镜结构的顶层硅。
6、在小腔室一侧的顶层硅表面沉积Al或Au/Cr金属反射薄膜，经光刻、刻蚀和去胶后形成微振镜所需要的电极和金属反射镜面。
7、对小腔室一侧的顶层硅表面进行光刻、各向异性干法刻蚀和干法去胶，刻蚀深度至氧化层，形成微振镜的可动结构和固定结构之间的隔离沟槽，完成微振镜制作。由于在第一步工艺中已经将MEMS微振镜镜面结构的背面做了刻蚀去除了部分厚度的硅，因此该步骤所形成的微结构的三维尺寸是两次加工的综合结果，可以根据设计的需要加以灵活调整，尤其是可动镜面的质量可以通过控制第一步工艺刻蚀的深度和图形尺寸而灵活调整。
8、上述工艺步骤完成后可以得到微振镜的晶圆，最终将晶圆切割得到所需要的微振镜芯片。

Claims (7)

1.一种MEMS微振镜，利用SOI晶圆制备，包括底层硅、埋氧层和顶层硅，底层硅通过埋氧层与顶层硅键合，顶层硅上设有微振镜镜面及隔离沟槽，其特征在于：所述微振镜镜面的背部设有第一腔室单元，所述第一腔室单元包括n个第一腔室，n≥1，所述底层硅内部具有第二腔室，所述第二腔室对应于微振镜镜面位置，为微振镜镜面提供扭转空间。
2.根据权利要求1所述的MEMS微振镜，其特征在于：当n﹥1时，各第一腔室关于可动镜面的扭转轴呈轴对称分布，且关于镜面中心呈中心对称设置。
3.根据权利要求2所述的MEMS微振镜，其特征在于：隔离沟槽底部具有氧化层。
4.根据权利要求3所述的MEMS微振镜，其特征在于：顶层硅与底层硅之间的埋氧层，厚度为100nm-2000nm。
5.一种基于SOI顶层硅预制权利要求1至4任一所述的MEMS微振镜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据目标MEMS微振镜的厚度、晶向和电阻率参数，选取第一双面抛光硅片，在第一双面抛光硅片的下表面并与MEMS微振镜的反射镜面对应的位置处进行光刻和各向异性干法刻蚀，形成第一腔室单元；
步骤二：根据目标MEMS微振镜的厚度、晶向和电阻率参数，选取第二双面抛光硅片，在第二双面抛光硅片的上表面并与MEMS微振镜的反射镜面对应的位置处进行光刻和各向异性干法刻蚀，形成第二腔室；
步骤三：在步骤二处理后的第二双面抛光硅片的上表面进行氧化处理，形成氧化层；
步骤四：将步骤一处理后的第一双面抛光硅片的下表面与步骤三处理后的第二双面抛光硅片的上表面对准并进行硅-硅键合；
步骤五：将键合后的两层硅片分别进行研磨抛光减薄至特定的厚度和粗糙度，得到定制MEMS微振镜的SOI晶圆；
步骤六：在第一双面抛光硅片上表面与第一腔室单元对应的位置处沉积Al或Au/Cr金属反射薄膜，经光刻、刻蚀和去胶后形成MEMS微振镜所需要的电极和金属反射镜面；
步骤七：在所得的定制MEMS微振镜的SOI晶圆表面通过光刻、各向异性干法刻蚀，形成微振镜的可动结构和微结构之间的隔离沟槽；
步骤八：将晶圆切割得到所需要的微振镜芯片，完成MEMS微振镜芯粒的制作。
6.根据权利要求5所述的MEMS微振镜的制作方法，其特征在于：一个第一双面抛光硅片上包括M个第一腔室单元，一个第二双面抛光硅片上包括M个第二腔室，其中M﹥1，第一腔室单元与第二腔室一一对应。
7.根据权利要求6所述的MEMS微振镜的制作方法，其特征在于：第一双面抛光硅片与第二双面抛光硅片厚度均为10μm-1000μm；埋氧层的厚度为100nm-2000nm。
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