專利名稱：一種基于soi晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于SOI晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡及其制作方 法，屬于微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域及微細(xì)加工領(lǐng)域，特別涉及到微扭轉(zhuǎn)鏡的制作工藝。
背景技術(shù)：
垂直梳齒驅(qū)動的微扭轉(zhuǎn)鏡由于其驅(qū)動電壓低、轉(zhuǎn)角范圍大、掃描頻率高等優(yōu)點(diǎn)被 廣泛應(yīng)用于空間光通信、投影顯示及光譜掃描等領(lǐng)域。該類型器件多采用空間錯位梳齒結(jié) 構(gòu)，可動梳齒可以布置在鏡面邊緣、鏡面兩側(cè)或扭轉(zhuǎn)梁上，固定梳齒分布在錨點(diǎn)上。通過給 可動梳齒與固定梳齒上施加電壓信號，產(chǎn)生靜電力矩，驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動。近年來，國際上很多公司和研究院校的科研人員紛紛報道了各種形式的垂直梳齒 驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡及制作的工藝方法。美國加州大學(xué)伯克利分校Robert A. Conant等人在2000年報道了基于雙硅片鍵 合結(jié)合干法刻蝕工藝制作垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡，該垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡采用單邊梳齒 驅(qū)動，鏡面、可動梳齒、扭轉(zhuǎn)梁均為單層結(jié)構(gòu)，工藝中用到三層掩膜，且需用到HF釋放結(jié)構(gòu) (A flat high-frequency scanning micromirror,Hilton head solid-state sensor and actuator workshop，pp :6_9，2000)。但是鍵合工藝成本較高，且用該工藝制作微扭轉(zhuǎn)鏡存 在上下梳齒的對準(zhǔn)誤差問題，往往會造成器件成品率低下；隨著SOI晶圓在半導(dǎo)體領(lǐng)域的 規(guī)?；瘧?yīng)用，出現(xiàn)了很多基于SOI晶圓的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡制作方法。2002年日本Osamu Tsubo等人采用單片SOI硅片結(jié)合三層掩膜高深寬比刻蝕的 工藝方法，制作了一種垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡(Arotational comb-driven micromirror with a large deflection angle and low drive voltage, Proceedings of IEEE MEMS, PP :532-535，2002)，該垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡采用雙邊梳齒驅(qū)動形式，鏡面、可動梳齒及 扭轉(zhuǎn)梁均位于器件層，可動梳齒分布在鏡面的兩側(cè)，扭轉(zhuǎn)梁采用V型雙梁結(jié)構(gòu)通過錨點(diǎn)將 鏡面支撐，固定梳齒位于基底層上；相對于單邊梳齒驅(qū)動的微扭轉(zhuǎn)鏡，該雙邊驅(qū)動結(jié)構(gòu)能 有效降低驅(qū)動電壓，但是其制作方法存在雙面的梳齒對準(zhǔn)問題，并且由于常規(guī)SOI硅片的 基底層較厚，背面深刻蝕梳齒難度很高，該方法只適用于基底層減薄的SOI硅片，同時該 方法中要對中間氧化層進(jìn)行濕法腐蝕，易造成相鄰梳齒間的粘附；德國Fraimhofer中心 Harald Schenk 等人在專利 US. 695055B1 (Micromechanical component comprising an oscillating body)中報道了一種共面梳齒驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)諧振器件，可用于微扭轉(zhuǎn)鏡。在文獻(xiàn) (A Novel Electrostatically Driven Torsional Actuator, Proceedings ofMOEMS, pp 3-10,1999)中，Harald Schenk給出了該扭轉(zhuǎn)器件的制作方法在單片SOI硅片上淀積薄膜 并刻蝕形成啟動電極，然后進(jìn)行背腔的濕法腐蝕和正面的干法刻蝕，最終HF釋放完成結(jié)構(gòu) 的制作。上面方法中，由于驅(qū)動器采用平面梳齒結(jié)構(gòu)，不存在上下梳齒的對準(zhǔn)問題，相對于 其他工藝具有很大的優(yōu)勢，但是由于啟動電極的制作要多次淀積薄膜，又給器件的加工增 加了成本和難度，而且該方法制作的扭轉(zhuǎn)鏡不能工作在靜態(tài)驅(qū)動方式。2005年，臺灣逢甲大學(xué) C Tsou 等人(Anovel self-aligned vertical electrostatic combdrives actuator for scanning micromirrors, J. Micromech. Microeng, vol. 15, pp :855_860, 2005)米用與 上面類似的方法，在SOI硅片表面淀積氮化硅作為絕緣層，淀積多晶硅薄膜作為上梳齒層， 然后進(jìn)行正面干法刻蝕形成扭轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，背面濕法腐蝕形成背腔，最終HF腐蝕中間二氧化 硅釋放。其中多晶硅形成的上梳齒作為扭轉(zhuǎn)鏡的啟動電極，SOI硅片的器件層作為下梳齒 層。由于這種方法中上下梳齒采用單掩膜刻蝕實(shí)現(xiàn)，所以不存在梳齒的對準(zhǔn)問題，但是薄膜 的淀積會很大程度上引入殘余應(yīng)力，同時考慮到背腔的濕法腐蝕工藝，多晶硅要進(jìn)行濃硼 摻雜，這也增加了工藝的風(fēng)險和成本。綜上所述，現(xiàn)有的垂直梳齒驅(qū)動的微扭轉(zhuǎn)鏡制作方法，存在工藝復(fù)雜程度高、工藝 可重復(fù)性較差、工藝成本較高、成品率低等問題，難以滿足日益增長的市場的需求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡制作工藝中存在的工藝步驟復(fù)雜、工藝誤 差大、成本高等問題，本發(fā)明提出一種新的基于SOI晶圓的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡及其制 作方法。參考圖2 圖7，一種基于SOI晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡，依次包 括具有相同結(jié)構(gòu)的器件層1、絕緣層2、基底層3 ；器件層1包括互相分離的可動部分和固定 部分，可動部分和固定部分被器件層絕緣槽230隔開，可動部分由器件層鏡面31、器件層扭 轉(zhuǎn)梁220、器件層錨點(diǎn)區(qū)14和器件層可動梳齒210組成，所述的器件層鏡面31通過兩端的 器件層扭轉(zhuǎn)梁220分別與兩側(cè)的器件層錨點(diǎn)區(qū)14連接，同時，器件層鏡面31和器件層扭轉(zhuǎn)梁220的同側(cè)排布有一組器件層可動梳齒210 ；固定部分為分離排 布在可動部分四周的部分，包括器件層無梳齒錨點(diǎn)29，以及相應(yīng)的一組固定在器件層固定 梳齒錨點(diǎn)30上的器件層固定梳齒200與器件層可動梳齒210相應(yīng)以構(gòu)成一組梳齒結(jié)構(gòu)；絕 緣層2上包括分別與器件層鏡面31、器件層扭轉(zhuǎn)梁220、器件層錨點(diǎn)區(qū)14、器件層可動梳齒 210、器件層無梳齒錨點(diǎn)29，器件層固定梳齒錨點(diǎn)30、器件層固定梳齒200位置形狀相應(yīng)的 上下鏡面絕緣區(qū)22、絕緣層扭轉(zhuǎn)梁32、上下錨點(diǎn)絕緣區(qū)19、絕緣層可動梳齒260、無梳齒錨 點(diǎn)絕緣層34，固定梳齒錨點(diǎn)絕緣層33、絕緣層固定梳齒270 ；基底層3上包括分別與器件層 鏡面31、器件層扭轉(zhuǎn)梁220、器件層可動梳齒210、器件層固定梳齒200位置形狀相應(yīng)的基底 層鏡面27、基底層扭轉(zhuǎn)梁35、基底層可動梳齒290、基底層固定梳齒280 ；基底層3背部具有 一方形基底層背腔7，該基底層背腔7使得基底層鏡面27、基底層扭轉(zhuǎn)梁35和基底層可動 梳齒290形成為一個懸置在基底層支撐塊24的組合結(jié)構(gòu)，同時，基底層固定梳齒280也因 為基底層背腔7形成懸置；基底層3上有一基底層焊盤28，器件層1和絕緣層2上分別有 一貫通相應(yīng)層的與基底層焊盤28位置形狀一致的器件層焊盤孔18和絕緣層焊盤孔23。器件層鏡面31、絕緣層鏡面22、基底層鏡面27組成較厚的整體鏡面，可以有效減 小微扭轉(zhuǎn)鏡動態(tài)驅(qū)動的變形；器件層扭轉(zhuǎn)梁220、絕緣層扭轉(zhuǎn)梁32、基底層扭轉(zhuǎn)梁35組成較 厚的整體扭轉(zhuǎn)梁，能大大提高微扭轉(zhuǎn)鏡的諧振頻率；器件層可動梳齒210、器件層固定梳齒 200、與基底層可動梳齒290、基底層固定梳齒280構(gòu)成了多對驅(qū)動電極，增加了器件驅(qū)動的 靈活性；上述垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡的工作過程如下；器件層1與基底層3可加信號，中間的絕緣層2不可加信號。參閱圖7，圖8，器件層鏡面31接地，基底層固定梳齒280施加直流 信號DC1，由于器件層鏡面31與器件層可動梳齒210是連通的，因此器件層可動梳齒210與 基底層固定梳齒280構(gòu)成錯位垂直梳齒，在靜電力的作用下，器件層鏡面31向下轉(zhuǎn)動，帶動 絕緣層鏡面22、基底層鏡面27及各層可動梳齒轉(zhuǎn)動，此時微扭轉(zhuǎn)鏡工作在靜態(tài)驅(qū)動方式， 在一定角度范圍內(nèi)，微扭轉(zhuǎn)鏡鏡面能夠保持在任意轉(zhuǎn)角位置，如圖8(b)所示。當(dāng)器件層鏡 面31具有初始轉(zhuǎn)角之后，在器件層固定梳齒200上施加一交流信號ACl，同時去掉基底層固 定梳齒280上的DCl信號，那么器件層鏡面31將會帶動絕緣層鏡面22、基底層鏡面27及各 層可動梳齒做正弦掃描振動，此時此時微扭轉(zhuǎn)鏡工作在動態(tài)驅(qū)動方式，如圖8(c)所示?；?底層鏡面27施加接地信號，器件層固定梳齒200施加直流電壓信號DC2，由于基底層鏡面 27與基底層可動梳齒290是連通的，因此基底層可動梳齒290與器件層固定梳齒200構(gòu)成 錯位垂直梳齒，在靜電力的作用下，基底層鏡面27向上轉(zhuǎn)動，帶動器件層層鏡面31、絕緣層 鏡面22及各層可動梳齒轉(zhuǎn)動，此時微扭轉(zhuǎn)鏡工作在靜態(tài)驅(qū)動方式，在一定角度范圍內(nèi)，微 扭轉(zhuǎn)鏡鏡面能夠保持在任意轉(zhuǎn)角位置，如圖8(e)所示。一種基于SOI晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡的制作方法，參閱圖1，圖 1 (a) (k)分別對應(yīng)如下各步驟步驟一對SOI晶圓100進(jìn)行清洗和前期處理；步驟二 在SOI晶圓基底層面淀積一定厚度的深刻蝕掩蔽層4及第一光刻膠層5， 深刻蝕掩蔽層可以是二氧化硅、金屬等材料；步驟三使用微扭轉(zhuǎn)鏡背腔掩膜版對第一光刻膠層5進(jìn)行光刻處理；步驟四刻蝕深刻蝕掩蔽層4，形成背腔深刻蝕窗口 6 ；步驟五以深刻蝕掩蔽層4為掩膜，ICP深刻蝕基底層3到一定深度，形成背腔7， 背腔7上部預(yù)留一定厚度；步驟六在SOI晶圓100的器件層1表面涂第二光刻膠層8 ；步驟七使用微扭轉(zhuǎn)鏡器件層掩膜板對第二光刻膠層8進(jìn)行光刻，形成光刻膠錨 點(diǎn)區(qū)9，光刻膠梳齒間隙區(qū)10，光刻膠梳齒圖案11，光刻膠鏡面區(qū)12，光刻膠刻蝕焊盤區(qū)13 等圖案；步驟八以圖案化之后的第二光刻膠層8為掩膜，ICP刻蝕器件層1形成器件層錨 點(diǎn)區(qū)14，器件層梳齒間隙15，器件層梳齒16，器件層鏡面17，器件層焊盤孔18，由于ICP刻 蝕系統(tǒng)中，硅刻蝕氣體對硅與二氧化硅的刻蝕選擇比很高，當(dāng)刻蝕到絕緣層2時會停止；步驟九采用RIE刻蝕方法刻蝕中間的絕緣層2，則掩膜圖案進(jìn)一步復(fù)制到絕緣層 2，形成上下錨點(diǎn)絕緣區(qū)19，絕緣層梳齒間隙20，上下梳齒絕緣區(qū)21，上下鏡面絕緣區(qū)22，絕 緣層焊盤孔23 ；步驟十采用ICP刻蝕方法刻蝕基底層3直至步驟五中預(yù)留厚度，形成基底層支撐 塊24，基底層梳齒間隙25，基底層梳齒26，基底層鏡面27，基底層焊盤28各部分；步驟十一去除表面的第二光刻膠層8，形成微扭轉(zhuǎn)鏡截面結(jié)構(gòu)110，此時微扭轉(zhuǎn) 鏡制作完成。本發(fā)明的有益效果是采用基于SOI晶圓的雙面掩膜干法的刻蝕工藝來實(shí)現(xiàn)垂直 梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡的制作，(1)采用單片SOI硅片加工，無需多層薄膜的淀積，無需與其他 硅片或者玻璃鍵合，不會引入高的應(yīng)力；(2)整個工藝過程只需要兩張掩膜版，可大大降低工藝成本；(3)上下垂直梳齒利用一張掩膜刻蝕完成，不存在梳齒的對準(zhǔn)偏差問題；(4)在 工藝過程中不需要HF腐蝕，可以有效避免液體環(huán)境導(dǎo)致的梳齒間粘附問題；(5)該方法制 作的微扭轉(zhuǎn)鏡可通過外部施加的信號控制其工作在靜態(tài)方式和動態(tài)掃描方式。


圖1是基于SOI晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡制作方法的工藝流程1(a)是SOI晶圓100示意圖，包括器件層1，絕緣層2和基底層3圖1 (b)是在SOI晶圓100基底層淀積深刻蝕掩蔽層4和第一光刻膠層5后的結(jié) 構(gòu)示意1 (c)是第一光刻膠層5光刻后的結(jié)構(gòu)示意1 (d)是刻蝕深刻蝕掩蔽層4后的結(jié)構(gòu)示意1 (e)是深刻蝕基底層3形成背腔7后的結(jié)構(gòu)示意1 (f)是在SOI晶圓100的器件層1表面淀積第二光刻膠層8后的結(jié)構(gòu)示意1(g)是第二光刻膠層8光刻后的結(jié)構(gòu)示意圖，光刻后的圖案包括光刻膠錨點(diǎn)區(qū) 9，光刻膠梳齒間隙區(qū)10，光刻膠梳齒圖案11，光刻膠鏡面區(qū)12，光刻膠刻蝕焊盤區(qū)13圖1 (h)是刻蝕器件層1至絕緣層2后的結(jié)構(gòu)示意圖，形成器件層錨點(diǎn)區(qū)14，器件 層梳齒間隙15，器件層梳齒16，器件層鏡面17，器件層焊盤孔18圖l(i)是刻蝕絕緣層2至基底層3后的結(jié)構(gòu)示意圖，形成上下錨點(diǎn)絕緣區(qū)19，絕 緣層梳齒間隙20，上下梳齒絕緣區(qū)21，上下鏡面絕緣區(qū)22，絕緣層焊盤孔23圖1 (j)是刻蝕基底層3至背腔7的預(yù)留厚度時的結(jié)構(gòu)示意圖，形成基底層支撐塊 24，2基底層梳齒間隙25，基底層梳齒26，基底層鏡面27，基底層焊盤28圖1 (k)是去除第二光刻膠層8后，最終形成的微扭轉(zhuǎn)鏡截面結(jié)構(gòu)110示意2是基于本發(fā)明方法的微扭轉(zhuǎn)鏡器件示意3是微扭轉(zhuǎn)鏡的器件層1結(jié)構(gòu)示意4是微扭轉(zhuǎn)鏡的絕緣層2結(jié)構(gòu)示意5是微扭轉(zhuǎn)鏡的基底層3結(jié)構(gòu)示意圖的正面視6是微扭轉(zhuǎn)鏡的基底層3結(jié)構(gòu)示意圖的底部視7是圖2中結(jié)構(gòu)A-A剖面示意8是在不同驅(qū)動信號下鏡面致動示意圖其中1_器件層；2-絕緣層；3-基底層；4-深刻蝕掩蔽層；5-第-光刻膠層；6_背 腔深刻蝕窗口 ；7-基底層背腔；8-第二光刻膠層；9-光刻膠錨點(diǎn)區(qū)；10-光刻膠梳齒間隙 區(qū)；11-光刻膠梳齒圖案；12-光刻膠鏡面區(qū)；13-光刻膠刻蝕焊盤區(qū)；14-器件層錨點(diǎn)區(qū)； 15-器件層梳齒間隙；16-器件層梳齒；17-器件層鏡面；18-器件層焊盤孔；19-上下錨點(diǎn) 絕緣區(qū)；20-絕緣層梳齒間隙；21-上下梳齒絕緣區(qū)；22-上下鏡面絕緣區(qū)；23-絕緣層焊盤 孔；24-基底層支撐塊；25-基底層梳齒間隙；26-基底層梳齒；27-基底層鏡面；28-基底層 焊盤；29-器件層無梳齒錨點(diǎn)；30-器件層固定梳齒錨點(diǎn)；31-器件層鏡面；32-絕緣層扭轉(zhuǎn) 梁；33-固定梳齒錨點(diǎn)絕緣層；34-無梳齒錨點(diǎn)絕緣層；35-基底層扭轉(zhuǎn)梁；100-S0I晶圓； 110-微扭轉(zhuǎn)鏡截面結(jié)構(gòu)；200-器件層固定梳齒；210-器件層可動梳齒；220-器件層扭轉(zhuǎn) 梁；230-器件層絕緣槽；260-絕緣層可動梳齒；270-絕緣層固定梳齒；280-基底層固定梳齒；290-基底層可動梳齒
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一本實(shí)施例的基于SOI晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡，依次包括具有 相同結(jié)構(gòu)的器件層1、絕緣層2、基底層3 ；器件層1包括互相分離的可動部分和固定部分， 可動部分和固定部分被器件層絕緣槽230隔開，可動部分由器件層鏡面31、器件層扭轉(zhuǎn)梁 220、器件層錨點(diǎn)區(qū)14和器件層可動梳齒210組成，所述的器件層鏡面31通過兩端的器件 層扭轉(zhuǎn)梁220分別與兩側(cè)的器件層錨點(diǎn)區(qū)14連接，同時，器件層鏡面31和器件層扭轉(zhuǎn)梁 220的同側(cè)排布有一組器件層可動梳齒210 ；固定部分即為分離排布在可動部分四周的部 分，包括器件層無梳齒錨點(diǎn)29，以及相應(yīng)的一組固定在器件層固定梳齒錨點(diǎn)30上的器件層 固定梳齒200與器件層可動梳齒210相應(yīng)以構(gòu)成一組梳齒結(jié)構(gòu)；絕緣層2上包括分別與器 件層鏡面31、器件層扭轉(zhuǎn)梁220、器件層錨點(diǎn)區(qū)14、器件層可動梳齒210、器件層無梳齒錨點(diǎn) 29，器件層固定梳齒錨點(diǎn)30、器件層固定梳齒200位置形狀相應(yīng)的上下鏡面絕緣區(qū)22、絕 緣層扭轉(zhuǎn)梁32、上下錨點(diǎn)絕緣區(qū)19、絕緣層可動梳齒260、無梳齒錨點(diǎn)絕緣層34，固定梳齒 錨點(diǎn)絕緣層33、絕緣層固定梳齒270 ；基底層3上包括分別與器件層鏡面31、器件層扭轉(zhuǎn)梁 220、器件層可動梳齒210、器件層固定梳齒200位置形狀相應(yīng)的基底層鏡面27、基底層扭轉(zhuǎn) 梁35、基底層可動梳齒290、基底層固定梳齒280 ；基底層3背部具有一方形基底層背腔7， 該基底層背腔7使得基底層鏡面27、基底層扭轉(zhuǎn)梁35和基底層可動梳齒290形成為一個懸 置在基底層支撐塊24的組合結(jié)構(gòu)，同時，基底層固定梳齒280也因?yàn)榛讓颖城?形成懸 置；基底層3上有一基底層焊盤28，器件層1和絕緣層2上分別有一貫通相應(yīng)層的與基底 層焊盤28位置形狀一致的器件層焊盤孔18和絕緣層焊盤孔23。器件層鏡面31、絕緣層鏡面22、基底層鏡面27組成較厚的整體鏡面，可以有效減 小微扭轉(zhuǎn)鏡動態(tài)驅(qū)動的變形；器件層扭轉(zhuǎn)梁220、絕緣層扭轉(zhuǎn)梁32、基底層扭轉(zhuǎn)梁35組成較 厚的整體扭轉(zhuǎn)梁，能大大提高微扭轉(zhuǎn)鏡的諧振頻率；器件層可動梳齒210、器件層固定梳齒 200、與基底層可動梳齒290、基底層固定梳齒280構(gòu)成了多對驅(qū)動電極，增加了器件驅(qū)動的 靈活性；上述垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡的工作過程如下；器件層1與基底層3可加信號，中間 的絕緣層2不可加信號。參閱圖7，圖8，器件層鏡面31接地，基底層固定梳齒280施加直流 信號DC1，直流信號DCl選取30V直流電壓，由于器件層鏡面31與器件層可動梳齒210是連 通的，因此器件層可動梳齒210與基底層固定梳齒280構(gòu)成錯位垂直梳齒，在靜電力的作用 下，器件層鏡面31向下轉(zhuǎn)動，帶動絕緣層鏡面22、基底層鏡面27及各層可動梳齒轉(zhuǎn)動，此時 微扭轉(zhuǎn)鏡工作在靜態(tài)驅(qū)動方式，在一定角度范圍內(nèi)，微扭轉(zhuǎn)鏡鏡面能夠保持在任意轉(zhuǎn)角位 置，如圖8(b)所示。當(dāng)器件層鏡面31具有初始轉(zhuǎn)角之后，在器件層固定梳齒200上施加一 交流信號AC1，AC1選取15sin(3000 π t)交流電壓，同時去掉基底層固定梳齒280上的DCl 信號，那么器件層鏡面31將會帶動絕緣層鏡面22、基底層鏡面27及各層可動梳齒做正弦掃 描振動，此時此時微扭轉(zhuǎn)鏡工作在動態(tài)驅(qū)動方式，如圖8(c)所示?；讓隅R面27施加接地 信號，器件層固定梳齒200施加直流電壓信號DC2，DC2選取40V直流電壓，由于基底層鏡面 27與基底層可動梳齒290是連通的，因此基底層可動梳齒290與器件層固定梳齒200構(gòu)成錯位垂直梳齒，在靜電力的作用下，基底層鏡面27向上轉(zhuǎn)動，帶動器件層層鏡面31、絕緣層 鏡面22及各層可動梳齒轉(zhuǎn)動，此時微扭轉(zhuǎn)鏡工作在靜態(tài)驅(qū)動方式，在一定角度范圍內(nèi)，微 扭轉(zhuǎn)鏡鏡面能夠保持在任意轉(zhuǎn)角位置，如圖8(e)所示。一種基于SOI晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡制作方法，參閱圖1，圖 1 (a) (k)分別對應(yīng)如下各步驟步驟一對SOI晶圓100進(jìn)行清洗和前期處理；步驟二 在SOI晶圓基底層面淀積200nm的深刻蝕掩蔽層4及第一光刻膠層5，深 刻蝕掩蔽層是鋁材料；步驟三使用微扭轉(zhuǎn)鏡背腔掩膜版對第一光刻膠層5進(jìn)行光刻處理；步驟四刻蝕深刻蝕掩蔽層4，形成背腔深刻蝕窗口 6 ；步驟五以深刻蝕掩蔽層4為掩膜，ICP深刻蝕基底層3到一定深度，形成背腔7， 背腔7上部預(yù)留15 μ m厚度；步驟六在SOI晶圓100的器件層1表面涂第二光刻膠層8 ；步驟七使用微扭轉(zhuǎn)鏡器件層掩膜板對第二光刻膠層8進(jìn)行光刻，形成光刻膠錨 點(diǎn)區(qū)9，光刻膠梳齒間隙區(qū)10，光刻膠梳齒圖案11，光刻膠鏡面區(qū)12，光刻膠刻蝕焊盤區(qū)13 等圖案；步驟八以圖案化之后的第二光刻膠層8為掩膜，ICP刻蝕器件層1形成器件層錨 點(diǎn)區(qū)14，器件層梳齒間隙15，器件層梳齒16，器件層鏡面17，器件層焊盤孔18，由于ICP刻 蝕系統(tǒng)中，硅刻蝕氣體對硅與二氧化磚的刻蝕選擇比很高，當(dāng)刻蝕到絕緣層2時會停止；步驟九采用RIE刻蝕方法刻蝕中間的絕緣層2，則掩膜圖案進(jìn)一步復(fù)制到絕緣層 2，形成上下錨點(diǎn)絕緣區(qū)19，絕緣層梳齒間隙20，上下梳齒絕緣區(qū)21，上下鏡面絕緣區(qū)22，絕 緣層焊盤孔23 ；步驟十采用ICP刻蝕方法刻蝕基底層3直至步驟五中15 μ m預(yù)留厚度，形成基底 層支撐塊24，基底層梳齒間隙25，基底層梳齒26，基底層鏡面27，基底層焊盤28各部分；步驟十一去除表面的第二光刻膠層8，形成微扭轉(zhuǎn)鏡截面結(jié)構(gòu)110，此時微扭轉(zhuǎn) 鏡制作完成。實(shí)施例二本實(shí)施例的基于SOI晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡，依次包括具有 相同結(jié)構(gòu)的器件層1、絕緣層2、基底層3 ；器件層1包括互相分離的可動部分和固定部分， 可動部分和固定部分被器件層絕緣槽230隔開，可動部分由器件層鏡面31、器件層扭轉(zhuǎn)梁 220、器件層錨點(diǎn)區(qū)14和器件層可動梳齒210組成，所述的器件層鏡面31通過兩端的器件 層扭轉(zhuǎn)梁220分別與兩側(cè)的器件層錨點(diǎn)區(qū)14連接，同時，器件層鏡面31和器件層扭轉(zhuǎn)梁 220的同側(cè)排布有一組器件層可動梳齒210 ；固定部分即為分離排布在可動部分四周的部 分，包括器件層無梳齒錨點(diǎn)29，以及相應(yīng)的一組固定在器件層固定梳齒錨點(diǎn)30上的器件層 固定梳齒200與器件層可動梳齒210相應(yīng)以構(gòu)成一組梳齒結(jié)構(gòu)；絕緣層2上包括分別與器 件層鏡面31、器件層扭轉(zhuǎn)梁220、器件層錨點(diǎn)區(qū)14、器件層可動梳齒210、器件層無梳齒錨點(diǎn) 29，器件層固定梳齒錨點(diǎn)30、器件層固定梳齒200位置形狀相應(yīng)的上下鏡面絕緣區(qū)22、絕 緣層扭轉(zhuǎn)梁32、上下錨點(diǎn)絕緣區(qū)19、絕緣層可動梳齒260、無梳齒錨點(diǎn)絕緣層34，固定梳齒 錨點(diǎn)絕緣層33、絕緣層固定梳齒270 ；基底層3上包括分別與器件層鏡面31、器件層扭轉(zhuǎn)梁220、器件層可動梳齒210、器件層固定梳齒200位置形狀相應(yīng)的基底層鏡面27、基底層扭轉(zhuǎn) 梁35、基底層可動梳齒290、基底層固定梳齒280 ；基底層3背部具有一方形基底層背腔7， 該基底層背腔7使得基底層鏡面27、基底層扭轉(zhuǎn)梁35和基底層可動梳齒290形成為一個懸 置在基底層支撐塊24的組合結(jié)構(gòu)，同時，基底層固定梳齒280也因?yàn)榛讓颖城?形成懸 置；基底層3上有一基底層焊盤28，器件層1和絕緣層2上分別有一貫通相應(yīng)層的與基底 層焊盤28位置形狀一致的器件層焊盤孔18和絕緣層焊盤孔23。器件層鏡面31、絕緣層鏡面22、基底層鏡面27組成較厚的整體鏡面，可以有效減 小微扭轉(zhuǎn)鏡動態(tài)驅(qū)動的變形；器件層扭轉(zhuǎn)梁220、絕緣層扭轉(zhuǎn)梁32、基底層扭轉(zhuǎn)梁35組成較 厚的整體扭轉(zhuǎn)梁，能大大提高微扭轉(zhuǎn)鏡的諧振頻率；器件層可動梳齒210、器件層固定梳齒 200、與基底層可動梳齒290、基底層固定梳齒280構(gòu)成了多對驅(qū)動電極，增加了器件驅(qū)動的 靈活性；上述垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡的工作過程如下器件層1與基底層3可加信號，中間 的絕緣層2不可加信號。參閱圖7，圖8，器件層鏡面31接地，基底層固定梳齒280施加直流 信號DC1，直流信號DCl選取60V直流電壓，由于器件層鏡面31與器件層可動梳齒210是連 通的，因此器件層可動梳齒210與基底層固定梳齒280構(gòu)成錯位垂直梳齒，在靜電力的作用 下，器件層鏡面31向下轉(zhuǎn)動，帶動絕緣層鏡面22、基底層鏡面27及各層可動梳齒轉(zhuǎn)動，此時 微扭轉(zhuǎn)鏡工作在靜態(tài)驅(qū)動方式，在一定角度范圍內(nèi)，微扭轉(zhuǎn)鏡鏡面能夠保持在任意轉(zhuǎn)角位 置，如圖8(b)所示。當(dāng)器件層鏡面31具有初始轉(zhuǎn)角之后，在器件層固定梳齒200上施加一 交流信號ACl，ACl選取30sin(3000 π t)交流電壓，同時去掉基底層固定梳齒280上的DCl 信號，那么器件層鏡面31將會帶動絕緣層鏡面22、基底層鏡面27及各層可動梳齒做正弦掃 描振動，此時此時微扭轉(zhuǎn)鏡工作在動態(tài)驅(qū)動方式，如圖8(c)所示?；讓隅R面27施加接地 信號，器件層固定梳齒200施加直流電壓信號DC2，DC2選取50V直流電壓，由于基底層鏡面 27與基底層可動梳齒290是連通的，因此基底層可動梳齒290與器件層固定梳齒200構(gòu)成 錯位垂直梳齒，在靜電力的作用下，基底層鏡面27向上轉(zhuǎn)動，帶動器件層層鏡面31、絕緣層 鏡面22及各層可動梳齒轉(zhuǎn)動，此時微扭轉(zhuǎn)鏡工作在靜態(tài)驅(qū)動方式，在一定角度范圍內(nèi)，微 扭轉(zhuǎn)鏡鏡面能夠保持在任意轉(zhuǎn)角位置，如圖8(e)所示。一種基于SOI晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡制作方法，參閱圖1，圖 1 (a) (k)分別對應(yīng)如下各步驟步驟一對SOI晶圓100進(jìn)行清洗和前期處理；步驟二 在SOI晶圓基底層面淀積2 μ m的深刻蝕掩蔽層4及第一光刻膠層5，深 刻蝕掩蔽層是二氧化硅材料；步驟三使用微扭轉(zhuǎn)鏡背腔掩膜版對第一光刻膠層5進(jìn)行光刻處理；步驟四刻蝕深刻蝕掩蔽層4，形成背腔深刻蝕窗口 6 ；步驟五以深刻蝕掩蔽層4為掩膜，ICP深刻蝕基底層3到一定深度，形成背腔7， 背腔7上部預(yù)留20 μ m厚度；步驟六在SOI晶圓100的器件層1表面涂第二光刻膠層8 ；步驟七使用微扭轉(zhuǎn)鏡器件層掩膜板對第二光刻膠層8進(jìn)行光刻，形成光刻膠錨 點(diǎn)區(qū)9，光刻膠梳齒間隙區(qū)10，光刻膠梳齒圖案11，光刻膠鏡面區(qū)12，光刻膠刻蝕焊盤區(qū)13 等圖案；
10
步驟八以圖案化之后的第二光刻膠層8為掩膜，ICP刻蝕器件層1形成器件層錨 點(diǎn)區(qū)14，器件層梳齒間隙15，器件層梳齒16，器件層鏡面17，器件層焊盤孔18，由于ICP刻 蝕系統(tǒng)中，硅刻蝕氣體對硅與二氧化硅的刻蝕選擇比很高，當(dāng)刻蝕到絕緣層2時會停止；步驟九采用RIE刻蝕方法刻蝕中間的絕緣層2，則掩膜圖案進(jìn)一步復(fù)制到絕緣層 2，形成上下錨點(diǎn)絕緣區(qū)19，絕緣層梳齒間隙20，上下梳齒絕緣區(qū)21，上下鏡面絕緣區(qū)22，絕 緣層焊盤孔23，如圖l(i)所示；步驟十采用ICP刻蝕方法刻蝕基底層3直至步驟五中20 μ m預(yù)留厚度，形成基底 層支撐塊24，基底層梳齒間隙25，基底層梳齒26，基底層鏡面27，基底層焊盤28各部分；步驟十一去除表面的第二光刻膠層8，形成微扭轉(zhuǎn)鏡截面結(jié)構(gòu)110，此時微扭轉(zhuǎn) 鏡制作完成。
權(quán)利要求
一種基于SOI晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡，其特征在于，依次包括具有相同結(jié)構(gòu)的器件層(1)、絕緣層(2)、基底層(3)；所述器件層(1)包括互相分離的可動部分和固定部分，可動部分和固定部分被器件層絕緣槽(230)隔開，可動部分由器件層鏡面(31)、器件層扭轉(zhuǎn)梁(220)、器件層錨點(diǎn)區(qū)(14)和器件層可動梳齒(210)組成，所述的器件層鏡面(31)通過兩端的器件層扭轉(zhuǎn)梁(220)分別與兩側(cè)的器件層錨點(diǎn)區(qū)(14)連接，同時，器件層鏡面(31)和器件層扭轉(zhuǎn)梁(220)的同側(cè)排布有一組器件層可動梳齒(210)；固定部分為分離排布在可動部分四周的部分，包括器件層無梳齒錨點(diǎn)(29)，以及相應(yīng)的一組固定在器件層固定梳齒錨點(diǎn)(30)上的器件層固定梳齒(200)與器件層可動梳齒(210)相應(yīng)以構(gòu)成一組梳齒結(jié)構(gòu)；絕緣層(2)上包括分別與器件層鏡面(31)、器件層扭轉(zhuǎn)梁(220)、器件層錨點(diǎn)區(qū)(14)、器件層可動梳齒(210)、器件層無梳齒錨點(diǎn)(29)、器件層固定梳齒錨點(diǎn)(30)、器件層固定梳齒(200)位置形狀相應(yīng)的上下鏡面絕緣區(qū)(22)、絕緣層扭轉(zhuǎn)梁(32)、上下錨點(diǎn)絕緣區(qū)(19)、絕緣層可動梳齒(260)、無梳齒錨點(diǎn)絕緣層(34)，固定梳齒錨點(diǎn)絕緣層(33)、絕緣層固定梳齒(270)；基底層(3)上包括分別與器件層鏡面(31)、器件層扭轉(zhuǎn)梁(220)、器件層可動梳齒(210)、器件層固定梳齒(200)位置形狀相應(yīng)的基底層鏡面(27)、基底層扭轉(zhuǎn)梁(35)、基底層可動梳齒(290)、基底層固定梳齒(280)；所述器件層鏡面(31)、絕緣層鏡面(22)和基底層鏡面(27)組成整體鏡面；所述器件層扭轉(zhuǎn)梁(220)、絕緣層扭轉(zhuǎn)梁(32)和基底層扭轉(zhuǎn)梁(35)組成整體扭轉(zhuǎn)梁；基底層(3)背部具有一方形基底層背腔(7)，該基底層背腔(7)使得基底層鏡面(27)、基底層扭轉(zhuǎn)梁(35)和基底層可動梳齒(290)形成為一個懸置在基底層支撐塊(24)的組合結(jié)構(gòu)，同時，基底層固定梳齒(280)也因?yàn)榛讓颖城?7)形成懸置；基底層(3)上有一基底層焊盤(28)，器件層(1)和絕緣層(2)上分別有一貫通相應(yīng)層的與基底層焊盤(28)位置形狀一致的器件層焊盤孔(18)和絕緣層焊盤孔(23)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的基于SOI晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡的制作 方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一對SOI晶圓(100)進(jìn)行清洗和前期處理；步驟二 在SOI晶圓基底層面淀積一定厚度的深刻蝕掩蔽層(4)及第一光刻膠層(5)； 步驟三使用微扭轉(zhuǎn)鏡背腔掩膜版對第一光刻膠層(5)進(jìn)行光刻； 步驟四刻蝕深刻蝕掩蔽層(4)，形成背腔深刻蝕窗口(6)；步驟五以深刻蝕掩蔽層(4)為掩膜，ICP深刻蝕基底層(3)到一定深度，形成背腔 (7)，背腔(7)上部預(yù)留一定厚度；步驟六在SOI晶圓(100)的器件層(1)表面涂第二光刻膠層(8)； 步驟七使用微扭轉(zhuǎn)鏡器件層掩膜板對第二光刻膠層(8)進(jìn)行光刻，形成光刻膠錨點(diǎn) 區(qū)(9)、光刻膠梳齒間隙區(qū)(10)、光刻膠梳齒圖案(11)、光刻膠鏡面區(qū)(12)、光刻膠刻蝕焊 盤區(qū)(13)；步驟八以圖案化之后的第二光刻膠層(8)為掩膜，ICP刻蝕器件層1形成器件層錨點(diǎn) 區(qū)(14)，器件層梳齒間隙(15)，器件層梳齒(16)，器件層鏡面(17)，器件層焊盤孔(18)；步驟九采用RIE刻蝕方法刻蝕中間的絕緣層(2)，將掩膜圖案進(jìn)一步復(fù)制到絕緣層 (2)，形成上下錨點(diǎn)絕緣區(qū)(19)，絕緣層梳齒間隙(20)，上下梳齒絕緣區(qū)(21)，上下鏡面絕 緣區(qū)(22)，絕緣層焊盤孔(23)；步驟十采用ICP刻蝕方法刻蝕基底層(3)直至步驟五中預(yù)留厚度，形成基底層支撐塊 (24)，基底層梳齒間隙(25)，基底層梳齒(26)，基底層鏡面(27)，基底層焊盤(28)各部分； 步驟十一去除表面的第二光刻膠層(8)，形成微扭轉(zhuǎn)鏡截面結(jié)構(gòu)(110)，此時微扭轉(zhuǎn) 鏡制作完成。
3. —種如權(quán)利要求2所述的基于SOI晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡的制作 方法，其特征在于，所述步驟二中深刻蝕掩蔽層(4)的材料是二氧化硅或金屬。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于SOI晶圓雙掩膜刻蝕的垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡及其制作方法，屬于微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域及微細(xì)加工領(lǐng)域。該微扭轉(zhuǎn)鏡為單邊梳齒驅(qū)動，具有三層相同結(jié)構(gòu)的可動部分和固定部分。通過給不同的梳齒對施加電壓信號，微扭轉(zhuǎn)鏡可工作在靜態(tài)方式或動態(tài)方式。該垂直梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡的制作方法，特征在于采用單片SOI硅片加工，不需要多層薄膜的淀積或鍵合工藝；整個工藝過程只需要兩張掩膜板；上下垂直梳齒利用一張掩膜刻蝕完成，不存在梳齒的對準(zhǔn)偏差問題；工藝過程中不需要HF腐蝕，可以有效避免液體環(huán)境導(dǎo)致的梳齒間粘附。該制作方法具有精度高、成本低、應(yīng)力小、成品率高、工藝簡單、可重復(fù)性好、易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B81C1/00GK101907769SQ20101021711
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者喬大勇, 孫瑞康, 李曉瑩, 燕彬, 靳倩 申請人:西北工業(yè)大學(xué)