CN1374249A - 一种弯曲悬臂梁执行器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种弯曲悬臂梁执行器及其制作方法,属于微型电子机械系统(MEMS)技术领域。本发明包括单晶硅衬底,制作在硅衬底上的下电极、下电极压焊块、上电极、上电极压焊块、上、下电极之间的二氧化硅和氮化硅绝缘层,其技术特点是所述的上电极采用弯曲悬臂梁。该弯曲悬臂梁是由制作在硅衬底上的磷硅玻璃(PSG)牺牲层上的多晶硅层、氮化硅层构成的多晶硅－氮化硅复合微梁;本发明还提供了其制作方法,通过控制工艺条件,即在淀积多晶硅时,使多晶硅留有较小的残余应力,在淀积氮化硅时,使氮化硅留有较大的残余拉应力,从而使复合微梁翘起。与现有技术相比,本发明不仅驱动电压低,能实现较大位移,还具有能耗低,切换时间短等诸多特点,易于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域，特别涉及一种具有较低驱动电压、输出位移大的弯曲悬臂梁执行器的结构及其制作方法。
背景技术
静电驱动型执行器具有良好的尺度效应、能量密度高而且易于制作，因此被广泛的应用在微机电系统(MEMS)中。目前，大部分执行器采用梳状结构或扭转结构，这两种结构都有局限性。文献(W.H.Juan，S.W.Pang.“High-aspect-ratio Si vertical micromirrorarrays for optical switching.”Journal of Microelectromechanical System，1998，7(2)：207~213)涉及一种梳齿状结构执行器，其输出位移只有几十微米，输出位移方向必须与梳状结构所在的平面平行，而且结构复杂，成本高；文献(Shi-Sheng Lee，Long-SunHuang.“Free-space fiber-optic switches based on MEMS Vertical Torsion Mirrors”Journal of Lightwave technology.Vol.17，NO.1，1999，pp.7-13)公开了一种扭转结构执行器，驱动电压高，实现十几微米的位移至少要上百伏电压，而且运动位置精度难以控制。MEMS技术的发展要求执行器能实现几百微米甚至更大的位移，还能保证低驱动电压。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，为微机电系统(MEMS)提供一种带有弯曲悬臂梁结构的静电驱动型执行器，其输出位移可达几百微米，同时驱动电压只需几十伏。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种弯曲悬臂梁执行器，包括单晶硅衬底，制作在硅衬底上的下电极、下电极压焊块、上电极、上电极压焊块、上、下电极之间的二氧化硅和氮化硅绝缘层，其特征在于：所述的上电极采用弯曲悬臂梁。
本发明的特征还在于：所述的弯曲悬臂梁是由制作在硅衬底上可腐蚀掉的磷硅玻璃(PSG)牺牲层上的多晶硅层、氮化硅层(Si3N4)构成的多晶硅-氮化硅复合微梁。在所述多晶硅-氮化硅复合微梁上的氮化硅层与该复合微梁的根部留有一定距离，其长度在50μm～200μm之间。
本发明还提供了一种弯曲悬臂梁执行器的制作方法，该方法包括如下步骤：
(1)在硅晶片上重掺杂硼作下电极；
(2)在硅衬底上淀积、光刻二氧化硅和氮化硅作为绝缘介质膜；
(3)用低压化学气相法淀积上一层磷硅玻璃，光刻、在厚度方向部分腐蚀磷硅玻璃，形成用于防粘附的凹柱图形，再光刻图形化磷硅玻璃作为牺牲层；
(4)用低压化学气相法淀积一层多晶硅，使多晶硅的残余内应力在-100MPa～50MPa之间，光刻出悬臂梁的多晶硅结构；
(5)用低压化学气相法淀积一层氮化硅，使氮化硅留有0.5GPa～1.5GPa的残余拉应力，以便在释放时，该拉应力能把多晶硅-氮化硅复合微梁从硅衬底上拉起，光刻出悬臂梁的氮化硅结构；
(6)溅射或蒸发金属层，图形化金属层，作为电极引线和压焊块；
(7)用氢氟酸缓冲液牺牲层腐蚀，释放悬臂梁结构。
上述步骤(3)还可按如下方法进行：用低压化学气相法(LPCVD)淀积一层磷硅玻璃，光刻、腐蚀，形成用于防止复合微梁与硅衬底粘附的凹柱图形后，根据其上层的多晶硅的结构，可不再光刻图形化磷硅玻璃。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
①结构简单，采用标准硅表面加工工艺，利用多晶硅-氮化硅复合微梁残余应力差形成弯曲悬臂梁。
②能输出70μm～400μm的位移，并且可以通过改变悬臂梁的长度、多晶硅、氮化硅的厚度改变弯曲悬臂梁端部与硅衬底的位移，适应性强，能满足多种不同需求。
③在实现大位移的前提下，具有较低的驱动电压，降低了能耗。
④快速性好，由于微梁结构简单，谐振频率高，从初始状态切换到弯曲悬臂梁完全吸附在硅衬底的状态，时间为亚毫秒量级。
⑤用途广泛，可用做光开关执行器，各种微夹持结构的执行部件。
附图说明：
图1a和图1b是本发明实施例1的立体结构示意图。
图2a和图2b是本发明实施例1所述执行器的工艺简图。
图3a和图3b是本发明实施例2的立体结构示意图。
图4a和图4b是本发明应用在一种光开关器件上的结构示意图。
具体实施方式：
本发明的弯曲悬臂梁是由制作在硅衬底上可腐蚀掉的磷硅玻璃(PSG)牺牲层上的多晶硅层、氮化硅层(Si3N4)构成多晶硅-氮化硅复合微梁，在淀积多晶硅时，控制工艺条件，使多晶硅留有较小的残余应力，一般应使多晶硅的残余内应力在-100Mpa～50Mpa之间；在淀积氮化硅时，控制工艺条件，使氮化硅留有较大的残余拉应力，一般在0.5Gpa～1.5Gpa之间，利用氮化硅的残余拉应力使悬臂梁翘起，该结构组成上电极。由于悬臂梁呈弯曲形状，悬臂梁根部与硅衬底的间隙只是牺牲层的厚度，其自由端翘起远离衬底。也可在多晶硅-氮化硅复合微梁上的氮化硅层与该复合微梁的根部留有一定距离，其长度在50μm～200μm之间，牺牲层腐蚀后，这小段不翘起而与硅衬底发生粘附，从而使间隙更小，进一步降低驱动电压。在上下电极间加电压，悬臂梁根部先被吸下，带动前端下来，最后整个弯曲悬臂梁被吸下。去除电压后，弹性力使弯曲悬臂梁恢复翘离硅衬底的初始状态，实现位移输出功能。
本发明的结构及制作方法结合附图及实施例作进一步的具体描述。
图1a、图1b为本发明实施例的立体结构示意图，其中，1为单晶硅衬底；2为重掺杂硼的单晶硅层作为下电极；3为二氧化硅、氮化硅组成的绝缘介质膜；4为下电极压焊块；5为上电极压焊块；6为多晶硅-氮化硅复合微梁的氮化硅层；7为多晶硅-氮化硅复合微梁的多晶硅层。图1a是未加电压的状态，由于复合微梁中的多晶硅、氮化硅存在较大的应力差，使复合微梁在牺牲层腐蚀后自动翘离硅衬底形成弯曲悬臂梁，弯曲悬臂梁根部与硅衬底的间隙等于牺牲层的厚度，而其自由端与硅衬底有几百微米的距离。在上下电极间加电压，弯曲悬臂梁根部先被吸下，带动前端下来，最后整个弯曲悬臂梁被吸附在硅衬底上，参见图1b。去除电压后，弯曲悬臂梁的固有残余应力差使其恢复翘离硅衬底的初始状态。
图2a、2b上述实施例执行器的工艺简图。图中8为溅射的金属铬-金层，作为电极引线和上下电极压焊块。图2a是上下电极未加电压时，弯曲悬臂梁处于翘起的状态；图2b是加上电压后，弯曲悬臂梁完全吸附在硅衬底1上的状态。
实施例1：
本发明提出一种弯曲悬臂梁执行器的结构及制作方法，其实施例1的特征在于：
1)在硅晶片上重掺杂硼作下电极；
2)淀积二氧化硅和氮化硅作为绝缘介质膜；
3)用低压化学气相法(LPCVD)淀积一层磷硅玻璃，光刻、腐蚀，形成用于防止复合微梁与硅衬底粘附的凹柱图形，再图形化磷硅玻璃作为牺牲层；
4)用低压化学气相法(LPCVD)淀积一层多晶硅，控制淀积条件、退火温度工艺参数，使多晶硅留有-100Mpa的残余应力；光刻、刻蚀，刻出悬臂梁结构；
5)用低压化学气相法(LPCVD)淀积一层氮化硅，控制淀积条件，使氮化硅留有0.5GPa的残余拉应力。光刻、刻蚀，刻出悬臂梁上的氮化硅结构；
6)溅射或蒸发金属层，图形化金属层，作为电极引线和上下电极压焊块；
7)用氢氟酸缓冲液(BHF)腐蚀磷硅玻璃牺牲层，释放悬臂梁结构。
该实施例中，弯曲悬臂梁根部与硅衬底的间隙等于牺牲层的厚度，为2μm，其自由端与硅衬底的距离等于400μm。在上下电极间加50V的电压，弯曲悬臂梁根部先被吸下，带动前端下来，最后整个弯曲悬臂梁被吸附在硅衬底上，响应时间为0.20ms，参见图1b。去除电压后，弯曲悬臂梁的固有残余应力差使其恢复翘离硅衬底的初始状态，经过0.8ms后，弯曲悬臂梁达到稳定状态。
实施例2：
本发明提出一种弯曲悬臂梁执行器的结构及制作方法，其实施例2的特征在于：
1)在硅晶片上重掺杂硼作下电极；
2)淀积二氧化硅和氮化硅作为绝缘介质膜；
3)用低压化学气相法(LPCVD)淀积一层磷硅玻璃做牺牲层，光刻、腐蚀，形成用于防止复合微梁与硅衬底粘附的凹柱图形；
4)用低压化学气相法(LPCVD)淀积一层多晶硅，控制淀积条件、退火温度工艺参数，使多晶硅留有50Mpa的残余拉应力；光刻、刻蚀，刻出悬臂梁结构；
5)用低压化学气相法(LPCVD)淀积一层氮化硅，控制淀积条件，使氮化硅留有1.5Gpa的残余拉应力。光刻、刻蚀，刻出悬臂梁上的氮化硅结构；
6)溅射或蒸发金属层，图形化金属层，作为电极引线和上下电极压焊块；
7)用氢氟酸缓冲液(BHF)部分腐蚀磷硅玻璃牺牲层，释放悬臂梁结构。
图3a、图3b为本实施例2的立体结构示意图。图中14为牺牲层腐蚀后剩下的磷硅玻璃，用来连接上电极和硅衬底。图3a是未加电压的状态，多晶硅-氮化硅复合微梁上的氮化硅层与该复合微梁的根部留有一定距离，该段长度为150μm，这小段粘附在硅衬底上，从而使复合微梁与硅衬底的间隙等于绝缘层的厚度，弯曲悬臂梁自由端与硅衬底的距离等于70μm。图3b是加上10V电压后，弯曲悬臂梁完全吸附在硅衬底上的状态。
实施例3：
图4a、图4b表示利用本发明驱动一种光开关，实现光路切换的示意图，其中，12为光纤槽；8、13为入射光纤；10、11为出射光纤；9为微镜。其中，微镜9垂直制作在弯曲悬臂梁表面上，光纤8和光纤11在一条直线上，光纤10和光纤13在同一直线上，四条光纤都与微镜9表面成45°。
图4a是在上下电极之间未加电压时，弯曲悬臂梁和微镜9翘离硅衬底，其自由端与硅衬底的距离为220μm，微镜9不在光路中，光线从光纤8传到光纤11，从光纤13传到10。图4b是在上下电极之间加25V电压后，弯曲悬臂梁吸附在硅衬底上的情况，微镜9处在光路中，光线经微镜反射，从光纤8传到光纤10，从光纤13传到11。
Claims (5)
1、一种弯曲悬臂梁执行器，包括单晶硅衬底，制作在硅衬底上的下电极、下电极压焊块、上电极、上电极压焊块、上、下电极之间的二氧化硅和氮化硅绝缘层，其特征在于：所述的上电极采用弯曲悬臂梁。
2、按照权利要求1所述的弯曲悬臂梁执行器，其特征在于：所说的弯曲悬臂梁由制作在硅衬底上的磷硅玻璃(PSG)牺牲层上的多晶硅层、氮化硅层构成多晶硅-氮化硅复合微梁。
3、按照权利要求1或2所述的弯曲悬臂梁执行器，其特征在于：在多晶硅-氮化硅复合微梁上的氮化硅层与该复合梁的根部留有一定距离，其长度在50μm～200μm之间。
4、施如权利要求1所述的弯曲悬臂梁执行器的制作方法，其特征在于：
(1)在硅晶片上重掺杂硼作下电极；
(2)在硅衬底上淀积、光刻二氧化硅和氮化硅作为绝缘介质膜；
(3)用低压化学气相法淀积上一层磷硅玻璃，光刻、在厚度方向上部分腐蚀磷硅玻璃，形成用于防粘附的凹柱图形，再光刻图形化磷硅玻璃作为牺牲层；
(4)用低压化学气相法淀积一层多晶硅，使多晶硅的残余内应力在-100Mpa～50Mpa之间，光刻出悬臂梁的多晶硅结构；
(5)用低压化学气相法淀积一层氮化硅，使氮化硅留有0.5Gpa～1.5Gpa的残余拉应力，以便在释放时，该拉应力能把多晶硅-氮化硅复合微梁从硅衬底上拉起，光刻出悬臂梁的氮化硅结构；
(6)溅射或蒸发金属层，图形化金属层，作为电极引线和压焊块；
(7)用氢氟酸缓冲液牺牲层腐蚀，释放悬臂梁结构。
5、按照权利要求4所述的弯曲悬臂梁执行器的制作方法，其特征在于：步骤(3)还可按如下方法进行：用低压化学气相法(LPCVD)淀积一层磷硅玻璃，光刻、腐蚀，形成用于防止复合微梁与硅衬底粘附的凹柱图形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |