光扫描镜、半导体结构及其制造方法

专利名称：光扫描镜、半导体结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种使通过铰链枢设并且具有镜面的移动单元摆动的光扫 描镜，光束从外面入射到所述镜面中，从而扫描通过镜面所反射的反射光束， 并且涉及一种用于所述光扫描镜等的半导体结构及其制造方法。
背景技术：
通常，在光学设备诸如条形码读出器或者投影仪中使用光扫描镜系统， 以便通过摆动设置有镜面的镜单元来扫描入射到镜面上的光束。众所周知， 例如， 一种具有半导体结构并且使用微细加工形成的小型的光扫描镜系统是 光扫描镜。当这种半导体结构用作光扫描镜时，它具有形成有镜面的移动单 元，以及用于支撑所述移动单元的固定框架。所述移动单元和所述固定框架 通过铰链互相耦合。例如，在所述移动单元和所述固定框架之间形成一对互相交错的梳状电极。形成所述梳状电极，从而使得每个电极在2pm到5pm 的区间交错，并且当在电极之间施加电压时产生静电力。移动单元相对于固 定框架旋转，同时通过由树状电极所产生的驱动力来扭动铰链，从而使得所 述移动单元环绕作为旋转轴的铰链摆动。顺便说一下，如文件所示(IEEE量子电子学杂志，第6巻，第5期，2000 年九月/十月第715页)(正EE Journal of selected topics in Quantum E lectronics， Vol. 6， No. 5， September/October 2000 P715)，有一种具有半导体结构的光扫描镜移动单元具有安装有镜面的镜单元；可移动框架通过铰链 支撑所述镜单元；以及在所述可移动框架和所述移动单元之间进一步形成的 一对梳状电极。图25和图26显示这种双轴(biaxial)光扫描镜的一个实例。 光扫描镜81由SOI (绝缘体上硅)衬底800组成，所述SOI衬底800通过 由绝缘膜820接合第一硅层800a和设置于其下的第二硅层800b而形成。在 第一硅层800a上形成镜单元82和可移动框架83 ，并且由所述第一硅层800a、 绝缘膜820、以及第二硅层800b组成固定框架84。可移动框架83通过第一铰链85枢设在固定框架84上。镜单元82通过第二铰链86 (其在与第一铰 链85相垂直的方向上形成)枢设在可移动框架83上。在可移动框架83和 固定框架84、以及镜单元82和可移动框架83之间分别设置有梳状电极87、 88。在所述镜单元82的上面上形成镜面82a。在所述固定框架84的上面上 形成端子区域(terminal region) 810a、 810b、 810c (给所述端子区域810a、 810b、 810c施加电压以驱动梳状电极87、 88)。由绝缘膜820覆盖除了端 子区域810a、 810b、 810c之外的第一硅层800a的上面。当将电压施加到端 子区域810a、 810b、 810c时，梳状电极87、 88产生驱动力，并且所述驱动 力作用于(acton起作用)镜单元82和可移动框架83，从而使得镜单元82 和可移动框架83分别摆动，同时使第二铰链86和第一铰链85扭动。
在双轴光扫描镜81的半导体结构中，有必要在可移动框架83中设置彼 此电绝缘的两个区域，以便能够在梳状电极88 (设置于镜单元82和可移动 框架83之间)位于镜单元82 —侧中的电极和位于可移动框架83 —侧中的 电极之间施加电压。在图25中，用不同的设计分别图案化电绝缘的第一硅 层800a的区域。在传统的光扫描镜81的半导体结构中，如图所示，通过在 移动镜83上设置绝缘体89，将可移动框架83绝缘成两个区域中，其中一个 区域具有与可移动框架83 —侧中的电极的电势相同的电势，而另一个区域 通过由第二铰链86传导镜单元82从而具有与镜单元82 —侧中的电极的电 势相同的电势。通过在形成于第一硅层800a上的每个沟槽的侧壁上(side walls)形成绝缘膜820c并且通过将多晶硅89a填充到沟槽中来设置这种绝 缘体89，从而通过在电绝缘状态下耦合两个区域来维持可移动框架83的整 体机械强度。因此，它能够以组合方式摆动可移动框架83，并且能够维持可 移动框架83的两个区域的电绝缘。
将参考图27A至27C来描述绝缘体89的制造过程的实例。首先，如图 27A所示，在SOI衬底800的第一硅层800a上的绝缘膜820的上面上图案 化抗蚀剂832 ，并且蚀刻所述第一硅层800a，从而在第一硅层800a上形成 沟槽801a。随后，如图27B所示，在去除抗蚀剂832之后，采用电炉氧化沟 槽801a的侧壁，从而形成绝缘膜820c，并且沉积多晶硅，以用所述多晶硅 89a来填充所述沟槽801a。随后，如图27C所示，通过抛光去除在第一硅层 800a的表面上沉积的多晶硅，从而在第一硅层800a中形成绝缘体89。然后，通过去除刚好在可移动框架83和镜单元82之下的第一硅层800b和绝缘膜 820，从而可移动地形成可移动框架83和镜单元82。
然而，当设置绝缘体89 (其通过将多晶硅89a填充到沟槽801a中而形 成)以便形成可移动框架83时，半导体结构的制造过程变得复杂了。另外， 因为设置有绝缘体89，所以难以同时维持喜欢的电绝缘并维持机械强度，因 此就有一个问题产品的产量比可能会下降。换句话说，在光扫描镜81的 半导体结构的制造过程中，如上所述，必须执行复杂工艺诸如沟槽形成工艺、
侧壁氧化工艺、多晶硅填充工艺、多晶硅抛光工艺。此外，在多晶硅填充工 艺中，难以将多晶硅89a厚厚地填充到沟槽801a中，从而在填充的多晶硅 89a中可能出现空气隙，如此，可能使可移动框架83的机械强度变弱。而且， 由于可移动框架83的两个区域通过绝缘膜820c彼此电绝缘，所以如果没有 在制造过程中优选地形成绝缘膜820c，则介于两个区域之间的电绝缘可能会 下降，如此，在光扫描镜81中可能会出现故障。
此外，在为了光栅扫描目的而使用以上提到的双轴光扫描镜的情况下， 通过使镜单元82的共振频率高于可移动框架的共振频率，从而广泛地扫描 精确的(precise)图像，需要增加扫描线的个数。然而，由于在传统框架中 镜单元82和可移动框架83具有基本上相同的厚度，所以为了提高单元82 和可移动框架83的共振频率比，有必要升级该可移动框架，如此，光扫描 镜81的设备尺寸将会升级并且其制造成本会增加。
而且，可移动框架83的第一铰链85可能形成为较窄，同时可移动框架 83的质量增加了，以使其共振频率小于镜单元82的共振频率。由于可移动 框架83形成在第一硅层800a(其制备为使厚度为几百pm至几十pm的硅衬 底变薄)上，所以如果可移动框架83的位移(displacement)比其在正常摆 动中的位移大，那么由于在操纵光扫描镜81中添加的大振动，则比破裂强 度大的应力会作用于第一铰链85，如此，可能损坏第一铰链85，从而，光 扫描镜81可能会不起作用。

发明内容
考虑到上述问题，构思出本发明，并且打算提供一种光扫描镜，其能够 通过简化制造过程在移动单元中形成绝缘结构，增加产品的产量比，而无需升级设备而增加所述移动单元的共振频率，增强防破裂性(break-proof)， 并且易于使用，以及用于该光扫描镜的半导体结构等等。
根据本发明一个方面的一种光扫描镜包括半导体结构，由固定框架和 通过第一铰链枢设在所述固定框架上的移动单元来配置，以便相对于所述固 定框架可旋转；以及镜(mirror)面，形成于所述移动单元上，以反射从外 面入射的光束，其中，绝缘体设置于所述移动单元上，以便将所述移动单元 划分成彼此电绝缘的多个区域，支撑部件，刚好设置于被所述绝缘体划分的 所述移动单元的多个区域相耦合的所述绝缘体之下，以及移动单元，配置成 与所述支撑部件一起整体地可旋转。
此外，根据本发明一个方面的一种半导体结构，包括固定框架；以及 移动单元，通过第一铰链枢设在所述固定框架上，从而相对于所述固定框架 是可旋转的，其中，绝缘体设置于所述移动单元上，以便将所述移动单元划 分成彼此电绝缘的多个区域，支撑部件，刚好设置于被所述绝缘体划分的所 述移动单元的多个区域相耦合的所述绝缘体之下，以及移动单元，配置成与 所述支撑部件一起整体地可旋转。
根据这种配置，由于支撑部件刚好在绝缘体之下形成并且移动单元与支 撑部件配置为整体地可旋转的，所以可用简化的制造过程而非传统工艺来制 造半导体结构，并且可以保证移动单元的机械强度。此外，由于绝缘体配置 为将移动单元划分成多个区域，所以能够安全地维持区域之间的电绝缘，如 此，可以增加制造中半导体结构或者光扫描镜的产量(yieldration)。此外， 由于移动单元因为支撑部件接触安装面可能不会倾斜很大，所以可以防止铰 链的制动并且可以更容易地操纵半导体结构或者光扫描镜。由于支撑部件与 移动单元整体地旋转，所以可以降低移动单元的共振频率而无需升级设备， 如此，也可以减少半导体结构或者光扫描镜的制造成本。
另一方面，根据本发明一个方面的一种半导体结构的制造方法包括其 中所述半导体结构形成为SOI (绝缘体上硅)衬底，其配置为通过氧化物 膜而彼此接合的第一硅层和第二硅层；固定框架，形成于所述第一硅层、所 述氧化物膜、以及所述第二硅层上，移动单元，形成于所述第一硅层上，通 过支撑弹簧枢设在所述固定框架上并且相对于所述固定框架可旋转，以及绝 缘体，设置于所述移动单元上，以便将所述移动单元划分成彼此电绝缘的多个区域，包括第一步骤，用于蚀刻所述SOI衬底，以便形成所述支撑弹簧、 所述移动单元以及所述绝缘体；在第一步骤之后，第二步骤，用于蚀刻第二 硅层，以便雕刻刚好位于所述移动单元和所述支撑弹簧之下的、除了刚好位 于所述绝缘体之下以外的所述第二硅层的区域；以及在第二步骤之后，第三
步骤，用于去除所述氧化物膜的区域，其通过在第二步骤中雕刻所述第二硅 层而暴露出来，并且形成由所述氧化物膜和刚好位于所述绝缘体之下的所述 第二硅层配置的所述支撑部件，以便接合通过所述绝缘体被划分的所述移动 单元的多个区域。
根据这种制造过程，能够容易地制造半导体结构，通过简化用于蚀刻SOI 衬底的工艺，而无需执行沟槽侧壁氧化工艺、多晶硅填充工艺、多晶硅抛光 工艺。由于绝缘体形成为将移动单元划分成多个区域，所以能够安全地维持 区域之间的电绝缘，如此，可以增加在半导体结构制造中的产品的产量(yield ration) o


图1A是显示根据本发明第一实施例的光扫描镜的顶面侧(top face side )的透视图，图IB是显示所述光扫描镜的底面侧的透视图。 图2是显示上述光扫描镜的平面图。
图3是显示上述光扫描镜沿图2的A-A线在安装于电路板上的情况下的 剖面侧视图。
图4A是显示上述光扫描镜的顶面侧沿A-A线的剖面透视图，图4B是 显示所述光扫描镜的底面侧沿A-A线的剖面透视图。 图5是显示上述光扫描镜的平面图。
图6是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。 图7是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。 图8是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。 图9是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。 图10是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。 图11是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。 图12是上述光扫描镜在制造过程的第三步骤中的剖面侧视图。图13是显示根据本发明第二实施例的光扫描镜的剖面侧视图。 图14是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。 图15是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。
图16是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。 图17是显示根据本发明第三实施例的光扫描镜的剖面侧视图。 图18是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。 图19是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。 图20是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。 图21是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。 图22是上述光扫描镜在制造过程的第一步骤中的剖面侧视图。 图23是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。 图24是上述光扫描镜在制造过程的第二步骤中的剖面侧视图。 图25是显示传统光扫描镜的平面图。 图26是显示传统光扫描镜的剖面侧视图。
图27A、图27B、图27C是显示传统光扫描镜的绝缘体按时间序列的形 成步骤的剖面侧视图。
具体实施例方式
下面将参考附图描述本发明第一实施例。图1A、图1B、图2、图3、图 4A、图4B以及图5显示根据该实施例的光扫描镜的一个实例。光扫描镜(半 导体结构)l配置为使用半导体结构。例如，光扫描镜1是一种装备于光学 设备(诸如条形码读出器、将图示图像反射到外部屏幕上的投影仪装置等、 或者光学开关)中的小型设备。光扫描镜1具有扫描从外部光源(未示出) 入射的光束的功能。
首先，描述该光扫描镜1的一种配置。光扫描镜1由三层的SOI (绝缘 体上硅)衬底100构成，其是通过经由硅的氧化物膜120接合具有电导率的 第一硅层100a和第二硅层100b而形成的。由于氧化物膜120具有电绝缘特 性，所以第一硅层100a和第二硅层100b彼此电绝缘。例如，第一硅层100a 的厚度大约是30pm，而第二硅层100b的厚度大约是400^im。此外，氧化物 膜120b形成在SOI衬底100的顶面的一部分上。在俯视图中，例如，该光扫描镜1是一种长方体设备，所述长方体设备具有基本上方形形状的每一侧，
所述侧具有几微米的尺寸。在具有预定厚度的玻璃的间隔件iio例如接合到
第二硅层100b的底面的一部分的情况下，光扫描镜1安装于光学设备等的
电路板"B"上。氧化物膜120b和电路板"B"如图3所示，但是从图1A、图1B、 图2、图4A、图4B以及图5中省略了对它们的图示。另外，光扫描镜l可 不需要具有氧化物膜120b。
光扫描镜l具有镜单元2，其在俯视图中基本上是矩形形状，并且在 其顶面上形成有镜面20;可移动框架3，其形成为矩形环状，以封装镜单元 2的外周；以及固定框架4，其形成为封装可移动框架3的外周、并作为光 扫描镜l的外周，并且间隔件100被接合到其下面。可移动框架3和固定框 架4通过梁柱(beam)形状的两个第一铰链5相耦合，所述两个第一铰链5 从固定框架4彼此相对的两个侧面形成，并且与每个面相垂直，以便构成布 置在一条线上的单轴。另一方面，镜单元2和可移动框架3通过梁柱形状的 两个第二铰链6相耦合，所述第二铰链6形成为在与第一铰链5的纵向相垂 直的方向上构成布置在一条线上的单轴。形成第一铰链5和第二铰链6，从 而使得在俯视图中，由它们所组成的坐标轴经过镜单元2的重心位置。例如， 第一铰链5和第二铰链6的宽度分别大约是5pm和30pm。镜单元2通过作 为旋转轴的第二铰链6相对于可移动框架3可旋转地支撑于可移动框架2上。 另一方面，可移动框架3通过作为旋转轴的第一铰链5相对于固定框架4可 旋转地支撑于固定框架4上。换句话说，在光扫描镜l中，镜单元2和可移 动框架3构成移动单元50，其环绕由第一铰链5组成的轴相对于固定框架4 是可旋转的。此外，镜单元2配置为环绕分别由第一铰链5和第二铰链6组 成的两个轴是二维可旋转的。在可移动框架3的底面上设置支撑部件9，其 与可移动框架3相接合，并且与可移动框架3—起整体地可旋转。此外，在 固定框架4上形成三个端子膜(terminal film) 10a、 10b、 10c。在下文中， 第二铰链6的纵向称为X-方向，第一铰链5的纵向称为Y-方向，与X-方向 和Y-方向都垂直的方向称为Z-方向。
光扫描镜1用静电力使镜单元2旋转。为了使镜单元2旋转，在没有形 成第一铰链5的可移动框架3和固定框架4之间的部分形成第一梳状电极7， 在没有形成第二铰链6的镜单元2和可移动框架3之间的部分形成第二梳状电极8。配置第一梳状电极7，从而将电极3b和电极4a安排为彼此交错 (interdigitate)，所述电极3b在基本上与X-方向相垂直的可移动框架3的 两侧面上分别形成为梳状，所述电极4a在固定框架4面对电极3b的位置处 分别形成为梳状。配置第二梳状电极8，从而将电极2a和电极3a安排为彼 此交错，所述电极2a在基本上与Y-方向相垂直的镜单元2的两侧面上分别 形成为梳状，所述电极3a在可移动框架3面对电极2a的位置处分别形成为 梳状。在第一梳状电极7和第二梳状电极8中，例如，在从2pm至5nm的
当将电压施加到电极3b和4a之间或者电极2a和3a之间时，第一梳状电极 7和第二梳状电极8产生作用于彼此吸引的方向上的静电力。
通过用微细加工工艺处理SOI衬底100，从而形成镜单元2、可移动框 架3、固定框架4等，如稍后所述。下面将描述相对于光扫描镜1的每一个 点的SOI衬底100的层的结构。
在第一硅层100a上形成镜单元2和可移动框架3。镜单元20例如是铝 薄膜。因此，镜单元20可以反射从外面入射到镜单元2的顶面上的光束。 镜单元2形成为关于经过第二铰链6的垂直平面(与Z — X平面平行的平面) 基本上对称。因此，镜单元2可以环绕第二铰链6平稳地摆动。
在可移动框架3上形成沟槽101a (隔离层)，其从第一硅层100a上端 到下端穿透所述第一硅层100a，以便构成槽形间隙。由于形成了沟槽101a， 所以可移动框架3被划分成五个区域，其中一个区域是连接到第一铰链5其 中之一并且是与电极3a和电极3b—体化的区域，另一个区域是由枢轴部分 3c和枢轴部分3e组成的区域，枢轴部分3c用于支撑两个第二铰链6，枢轴 部分3e通过导电部分3d连接到枢轴部分3c并且通过另一个第一铰链5枢 转，其余的区域是三个平衡部分3f，在俯视图中，通过形成沟槽101a，所述 三个平衡部分3f形成为关于包含有导电部分3d的镜单元2的中心基本上点 对称。由于沟槽101a形成为划分第一硅层100a，所以这五个区域彼此之间 电绝缘。另外，可不需要形成平衡部分3f。
支撑部件9由可移动框架3之下(沿Z-方向)的氧化物膜120和第二硅 层100b组成。被沟槽101a所划分的可移动框架3的五个区域分别被接合到 支撑部件9。换句话说，支撑部件9形成为与刚好(just)位于形成有沟槽101a的可移动框架3的部分之下的第一硅层100a相接合。由于五个区域都 被接合到支撑部件9，所以可移动框架3和支撑部件9整体地形成为相对于 作为旋转轴的第一铰链5是可旋转的。在该实施例中，在平面图中，支撑部 件9形成为关于第一铰链5基本上对称的环形，以覆盖除了电极3a和3b之 外的可移动框架3的大部分底面。此外，由第二硅层100b所组成的支撑部 件9的部分的厚度被选择为与由第二硅层100b所组成的固定框架4的部分 的厚度基本相同。换句话说，支撑部件9形成为关于经过第一铰链5的垂直 平面(与Y-Z平面平行的平面)基本上对称。此外，可移动框架3的沟槽101a 关于经过第一铰链5的垂直平面形成在基本对称的位置处，并且形成有基本 对称的形状，以便形成平衡部分3f。从而，在平面图中，包含有支撑部件9 的移动单元50的重心与由第一铰链5所构成的旋转轴基本上相符。因此， 包含有支撑部件9的移动单元50是环绕第一铰链5平稳地可摆动的，从而 可以恰当地执行光扫描镜1的扫描。
固定框架4由第一硅层100a、氧化物膜120以及第二硅层100b来构成。 间隔件110形成在固定框架4的底面上，从而使得在光扫描镜1安装于电路 板"B"上的状态下，在支撑部件9之下形成间隔件110的厚度的空隙。因此， 在光扫描镜1的运动中，可移动框架3和支撑部件9可以环绕第一铰链5整 体地旋转。
三个端子膜10a、 10b、 10c形成为在固定框架4顶面上呈直线排列。沟 槽101b形成在固定框架4上，以便将第一硅层101a划分成与沟槽101a相 似的多个区域。沟槽101b将固定框架4的第一硅层100a划分成三个区域， 其彼此电绝缘，并且与端子膜10a、 10b、 10c的电势基本相同。在这些区域 中，将与端子膜10a的电势相同的区域具有枢轴部分4b，以支撑第一铰链5 其中之一 (其远离端子膜10a并且连接到可移动框架3的枢轴部分3e)。具 有窄宽度并且被连接到枢轴部分4d的导电部分4e还被连接到在上面形成有 端子膜10a的部分。此外，将与端子膜10b的电势基本上相同的另一个区域 具有枢轴部分4f，以支撑另一个第一铰链5。将与端子膜10c的电势基本上 相同的剩余区域，是固定框架4的除了与端子膜10a、 10b的电势相同区域 之外的区域，并且在该区域上形成电极4a。氧化物膜120和第二硅层100b 接合于第一硅层100a之下，沟槽101b仅形成于第一硅层100a上，从而使得固定框架4以一体化的(unified)方式完整地形成。
在图5中，由不同的设计来图案化彼此之间电绝缘的第一硅层100a的 区域。如上所述，由于沟槽101a和沟槽101b形成在第一硅层100a上，所 以，电势可以与外部不同的三个区域形成在第一硅层100a上， 一个区域是 在其上形成有端子膜10a并且与电极2a的电势基本上相同的区域，另一个区 域是在其上形成有端子膜10b并且与可移动框架3上的电极3a和3b的电势 相同的区域，剩余区域是其上形成端子膜10c并且与固定框架4上的电极4a 电势相同的区域。通过改变端子膜10a、 10b、 10c的电势来驱动光扫描镜l。
下面描述光扫描镜1的运动。第一梳状电极7和第二梳状电极8分别作 为垂直静电梳(vertical electrostatic comb)，从而使得镜单元2因为第一梳 状电极7和第二梳状电极8通过预定的驱动频率产生驱动力而被驱动。通过 周期性地变化电极2a和电极4a的电势，从而驱动第一梳状电极7和第二梳 状电极8，以便在电极3a和3b被连接到参考电势的状态下产生驱动力。在 这种光扫描镜l中，例如，第一梳状电极7和第二梳状电极8分别配置成通 过被施加矩形波而周期性地产生驱动力。
通常，在精确感测中，如上述配置的镜单元2和可移动框架3在静止状 态中不采取水平姿态，并且由于在制造过程中的内部应力，它们略微倾斜。 因此，例如，当即使从静止状态驱动第一梳状电极7时，基本垂直于镜单元 2的驱动力起作用，从而使得镜单元2环绕作为旋转轴的的第二铰链6旋转， 同时扭动第二铰链6。之后，当镜单元2采取电极2a和3a完全交错的姿态 时，释放第二梳状电极8的驱动力，镜单元2在通过其惯性力扭动第二铰链 6的同时继续旋转。随后，当旋转方向上的镜单元2的惯性力变得与第二铰 链6的恢复力(resilience)相等时，镜单元2在旋转方向上的旋转停止。此 时，再次驱动第二梳状电极8，通过第二铰链6的恢复力和第二梳状电极8 的驱动力驱动镜单元2，以便开始在相反方向上旋转。镜单元2由于第二梳 状电极8的驱动力和第二铰链6的恢复力而重复这种旋转，因此，它环绕第 二铰链6摆动。与镜单元2的旋转相似，可移动框架3由于第一梳状电极7 的驱动力和第一铰链5的恢复力而重复旋转，如此，它与支撑部件9一起整 体地环绕第一铰链5摆动。当可移动框架3摆动时，包含有支撑部件9的移 动单元50以一体化的方式摆动，从而使得镜单元2的姿态变化。因此，镜单元2重复二维摆动运动。
通过施加电压来驱动第二梳状电极8，所述电压具有由镜单元2和第二 铰链6所构成的震动系统的共振频率的基本上两倍(twofold)的频率。此外， 通过施加电压来驱动第一梳状电极7，所述电压具有由镜单元2、可移动框 架3以及第一铰链5所构成的震动系统的共振频率的基本上两倍的频率。因 此，镜单元2利用共振驱动，从而使得其摆动角变大。另外，第一梳状电极 7和第二梳状电极8的电压的施加和驱动频率不限于上述情况，例如，它可 以配置成将驱动电压施加为正弦波，或者，电极3a和3b的电势可以随着电 极2a和电极4a的电势变化。
于是，在光扫描镜1中，当包含有支撑部件9的移动单元50或者镜单 元2近似为具有一致厚度的长方体时，包含有支撑部件9的移动单元50的 摆动运动的共振频率或者镜单元2的摆动运动的共振频率由如下公式来显 示，其中，第一铰链5或者第二铰链6的弹簧常数采用符号"K"来表示，包 含有支撑部件9的移动单元50或者镜单元2的质量采用符号"m"来表示，包 含有支撑部件9的移动单元50或者镜单元2的与其旋转轴相垂直的一侧的 长度采用符号"L"来表示，包含有支撑部件9的移动单元50或者镜单元2的 惯性力矩(inertia moment)采用符号"i"来表示。
共振频率
从上述公式中可以看出，由于移动单元50的可移动框架3与支撑部件9 一起以组合方式旋转，所以与没有设置支撑部件9的情况相比，环绕第一铰 链5旋转的部分的质量增加了，并且与环绕第二铰链6的镜单元2的惯性力 矩相比，环绕第一铰链5的移动单元50的惯性力矩大大增加。换句话说， 在该实施例中，能够使环绕第一铰链5的包含有支撑部件9的移动单元50 的摆动运动的共振频率减小到比环绕第二铰链6的镜单元2的摆动运动的共 振频率小得多。此外，换句话说，与传统的半导体结构相比，能够在通过设
惯性力矩置支撑部件9保持移动单元50的共振频率的同时，通过縮小光扫描镜的设 备的尺寸，从而以低成本制造光扫描镜1，或者，能够通过使第一铰链5变
粗，从而增加光扫描镜的耐冲击力(impactresistance)。
另外，从上述公式中可以明显地看出，在平面图中，相对于第一铰链5 在一侧中的支撑部件9的重心位置离第一铰链5越远，环绕第一铰链5的包 含有支撑部件9的移动单元50的惯性力矩就变得越大。在该实施例中，考 虑到第一铰链5的弹簧常数、环绕第二绞链5的镜单元2的共振频率等，以 这样一种方式选择支撑部件9的位置，从而使得环绕第一铰链5的包含有支 撑部件9的移动单元50的惯性力矩变成预定值。因此，能够很容易地使环 绕第一铰链的包含有支撑部件9的移动单元50的摆动运动的共振频率与光 扫描镜1所需要的规格相匹配。
随后，将参考图6至图12来描述光扫描镜1的制造过程。每个附图显 示与图3相对应的横截面图。通过大约三个步骤来制造该光扫描镜1:第一 步骤(图6至图9)，在第一硅层100a上形成镜单元2、可移动框架3、第 一铰链5、第二铰链6等等；第二步骤(图10和图11)，雕刻(engrave) 刚好位于镜单元2、可移动框架3等之下的第二硅层100b的部分；以及第三 步骤(图12)，去除由于第二步骤中雕刻第二硅层所暴露出的氧化物膜120 的部分。另外，在SOI衬底IOO上同时形成多个光扫描镜1，该SOI衬底100 是例如尺寸大约为4英寸到6英寸的晶片，随后，通过切割(dicing)将其 划分成单独的光扫描镜。
在第一步骤中，首先，在氧和氢环境大气的扩散炉中，在SOI衬底IOO 的顶面和底面上形成氧化物膜120b (图6)。随后，通过光刻法，在形成于 第一硅层100a上的氧化物膜120b的表面上，将抗蚀剂132图案化为移动单 元50、第一铰链3、导电部分3d和4e等等的形状。之后，通过RIE (反应 离子蚀刻)去除没有被抗蚀剂132b所掩盖的氧化物膜120b的部分，以便暴 露不形成移动单元50等的第一硅层100a的部分(图7)。随后，在氧等离 子体中去除抗蚀剂132b，并且通过例如溅射铝在第一硅层100a的顶面上形 成铝膜。铝膜的厚度形成为例如5000埃。随后，在通过光刻法图案化抗蚀 剂132c之后，执行RIE，以便去除铝膜除了与镜面20和端子膜10a、 10b 以及10c相对应的部分之外的部分(图8)。随后，执行D-RIE (深反应离子蚀刻)，以便蚀刻第一硅层100a顶面暴 露的部分。由于介于第一硅层100a和第二硅层100b之间的氧化物膜120的 蚀刻率比活性层(active layer)的第一硅层100a的蚀刻率小1%，所以氧化 物膜120a和120b很少被蚀刻。从而，在第一硅层100a上形成将要成为移 动单元50、第一铰链5、第二铰链6、梳状电极7和8的形状(shape)。同 时，在将要成为移动单元50的部分上形成沟槽101a，在将要成为固定框架 4的部分上形成沟槽101b。在氧等离子体中去除抗蚀剂132c (图9)。
随后，执行第二步骤。在第二步骤中，首先，通过光刻法在形成于第二 硅层100b的表面上的氧化物膜120b上图案化抗蚀剂132d (图10)。在仰 视图中，抗蚀剂132d形成为支撑部件9和固定框架4的形状。之后，通过 RIE蚀刻在其上没有形成抗蚀剂132d的氧化物膜120b的部分，随后，通过 D-RIE雕刻第二硅层100b暴露的部分(图11)。从而，刚好位于移动单元 50和第一铰链5之下的部分(除了刚好位于沟槽101a之下将要成为支撑单 元9的部分之外)被雕刻。此时，第二硅层100b被蚀刻到氧化物膜120，但 是由于它们的蚀刻率的差别，氧化物膜120很少被蚀刻。随后，在氧等离子 体中去除抗蚀剂132d。可替代地，在蚀刻第二硅层100b的同时可去除抗蚀 剂132d，从而使得在这种情况下可以简化制造过程。
在第二步骤之后，在第三步骤中通过RIE去除暴露于底侧的氧化物膜 120 (图12)。从而，通过第一铰链5和第二铰链6，移动单元50和镜单元 2分别变成可摆动的状态。从而，在被沟槽101a绝缘的可移动框架3的多个 部分接合在一起的状态下，刚好在沟槽101a之下形成由氧化物膜120和第 二硅层100b构成的支撑部件9。另外，同时去除在第二硅层100b的表面上 的氧化物膜120b。随后，由例如硅或者玻璃制成的间隔件110，刚好被接合 到固定框架4之下，随后，通过切割从晶片切割出多个光扫描镜1，从而制 造出光扫描镜l。
如上所述，在该实施例中，通过比传统过程简单得多的蚀刻制造过程， 就可以很容易地制造出光扫描镜l (其中绝缘结构设置于移动单元50上)， 而无需执行复杂步骤诸如氧化沟槽101a的侧壁和将多晶硅填充到沟槽101a 中等传统的步骤。此外，由于被沟槽101a绝缘的可移动框架3被配置成接 合到支撑单元9，所以可以确保移动单元3的机械强度，从而光扫描镜l可以安全地(surely)移动。而且，由于沟槽101a被配置成经由间隙将可移动 框架3划分成多个区域，所以可以安全地维持可移动框架3的区域之间的电 绝缘，如此，增加了制造中的光扫描镜l的产量比(yieldmtio)。而且，在 光扫描镜1安装于电路板"B"上的状态下，通过使支撑部件9与光扫描镜1 的安装面相接触，可移动框架3不会倾斜太多，从而可以防止第一铰链5的 破裂，因而可以更容易地操纵光扫描镜l。
图13显示根据本发明第二实施例的光扫描镜。图13中所示的截面与第 一实施例中的图3相对应。在下述实施例中，与以上提到的实施例中的配置 相等同的配置添加相同的符号，从而仅描述与以上提到的实施例不同的部 分。在光扫描镜21中，刚好在沟槽101a之下的支撑部件29的形状与第一 实施例中的光扫描镜1的支撑部件9的形状不同。光扫描镜21可以设置于 电路板"B"上，而无需设置如同第一实施例中的光扫描镜1的间隔件110。
在光扫描镜21中，形成支撑部件29，从而使得从可移动框架3的底面 到支撑部件29的下端的厚度尺寸(例如大约200pm)小于从可移动框架3 的底面到固定框架4的下端的厚度尺寸(例如大约400pm)。此外，考虑到 第一铰链5的弹簧常数等，以这样一种方式选择支撑部件29的厚度，从而 使得环绕第一铰链5的包含有支撑部件29的移动单元50的惯性力矩变成预 定值。
将参考图14至图16来描述光扫描镜21的制造过程。在光扫描镜21的
制造过程中，并且尤其是在第二步骤中(图14至图16)，所执行的蚀刻是
不同的，以便使将要成为支撑部件29的第二硅层100b的部分的厚度小于将
要成为固定框架4的第二硅层100b的部分的厚度。第一步骤和第三步骤执 行为与第一实施例中的第一步骤和第三步骤相似。
在第二实施例中，在第二步骤中通过RIE去除与待蚀刻的第二硅层100b 的部分相对应的第二硅层100b表面上的氧化物膜120b的部分(图14)，并 且在氧等离子体中去除此时形成的抗蚀剂132d。之后通过形成抗蚀剂232d 来覆盖与固定框架4相对应的部分(图15)。随后，通过执行D-RIE蚀刻第 二硅层100b，从而雕刻刚好位于移动单元50和第一铰链5之下的部分(图 16)。此时，由于氧化物膜120b形成在将要成为支撑部件29的第二硅层100b 的部分的表面上，所以在所述氧化物膜120d被蚀刻之后，将蚀刻所述部分。由于氧化物膜120b的蚀刻率与第二硅层100b的蚀刻率不同，所以氧化物膜 120d被蚀刻的速度与第二硅层100b被蚀刻的速度也不同。因此，当没有形 成氧化物膜120b的第二硅层100b的部分完全被雕刻时，至少其上形成有氧 化物膜120d的部分变成了如下状态它们没有被完全蚀刻。因此，以这样 一种方式执行蚀刻，从而使得将要成为支撑部件29的第二硅层100b的部分 的厚度小于将要成为固定框架4的第二硅层100b的部分的厚度。
这样，根据第二实施例，由于支撑部件29的下端位于固定框架4的下 端之上，所以不需要设置刚好位于固定框架4之下的间隔件110等，如此， 可以制造出具有用于安装的下部轮廓(low profile)的光扫描镜21。另外， 通过改变支撑部件29的厚度，能够很容易地选择环绕第一铰链5的移动单 元50的惯性力矩。从而，可以很容易地制造出光扫描镜21，从而使得环绕 第一铰链5包含有支撑部件29的移动单元50的摆动运动的共振频率被调整 到光扫描镜21所要求的规格。
另外，在第二实施例中，考虑到在第一步骤中的支撑部件29的期望的 厚度，可以在SOI衬底100的表面上将氧化物膜120b形成为一厚度。此外， 在第二步骤中，在通过RIE去除所述氧化物膜120b之后，将要成为支撑部 件29的部分的表面上的氧化物膜120b被处理为更薄。此时，当其上没有形 成氧化物膜120b的第二硅层100b的部分被完全蚀刻时，优选地，可以选择 氧化物膜120b的厚度，从而使得将要成为支撑部件29的第二硅层100b的 部分的厚度变成期望的厚度。这样，由于在通过如上所述的D-RIE雕刻第二 硅层100b之前，氧化物膜12b的厚度已经被最优化，所以能够縮短蚀刻第 二硅层100b所需的时间，如此，可以精确地处理第二硅层100b。
图17显示根据本发明第三实施例的使用半导体结构的光扫描镜。图17 中所示的截面与第一实施例中的图3相对应。在光扫描镜31中，刚好位于 沟槽101a之下的支撑部件39配置为形成于第二硅层100b上的高浓度硼扩 散区域300b。另外，支撑部件39仅形成于刚好在沟槽101a之下。以这样一 种方式配置光扫描镜31，从而使得它可以设置于电路板"B"上，而无需设置 间隔件110，与第二实施例中的光扫描镜21相类似。
参考图18至图24来描述光扫描镜31的制造过程。在光扫描镜31的制 造过程中，它与以上提到的第一实施例的尤其不同就是在第一步骤中执行硼扩散到第二硅层100b中(图18至图22)，并且在第二步骤中使用对于高浓 度硼扩散区域300b具有选择性的蚀刻剂执行蚀刻(图23和图24)。第三步 骤执行为与第一实施例中的第三步骤相似。
在第一步骤中，与第一实施例相似，通过光刻法，在SOI衬底100的第 一硅层100a (氧化物膜120b形成在其表面上)的表面上形成用于形成沟槽 101a的抗蚀剂332a。之后，通过执行RIE和D-RIE顺序地蚀刻氧化物膜120b 和第一硅层100a,从而形成沟槽101a。随后，进一步骤执行RIE，从而去除 刚好位于沟槽101a之下的氧化物膜120 (图18)。之后，在扩散炉中，通 过去除氧化物膜120，对被暴露的第二硅层100b的部分执行使用硼固相 (solid-phase)源的硼扩散(图19)。从而，在第二硅层100b中形成高浓度 硼扩散区域300b。通过执行硼扩散，可以在被暴露的第二硅层100b的部分 上形成氧化物膜120。
随后，在位于第一硅层100a的表面上的氧化物膜120b的顶面上图案化 抗蚀剂332c，并且通过RIE来蚀刻氧化物膜120b被暴露的部分。从而，暴 露了执行蚀刻以形成移动单元50、第一铰链5和第二铰链6的部分以及在第 一硅层100a上形成镜面20和端子膜10a、 10b、 10c的部分(图20)。之后， 与第一实施例相似，执行在氧等离子体中抗蚀剂332c的去除、铝的溅射、 抗蚀剂132c的形成、以及铝的蚀刻，从而形成镜面20和端子膜10a、 10b、 10c (图21)。随后，通过D-RIE处理第一硅层100a，以形成将要成为移动 单元50、第一铰链5、第二铰链6、梳状电极7和8、以及沟槽101b的形状 (图22)。去除抗蚀剂132c。
在第二步骤中，首先，在位于第二硅层100b的表面上的氧化物膜120b 上形成抗蚀剂332d。在仰视图中，抗蚀剂332d形成为与固定框架4的形状 相同的形状。随后，通过RIE去除暴露的氧化物膜120b，并且通过D-RIE 来蚀刻刚好位于移动单元50和第一铰链5之下的第二硅层100b。此时，在 紧邻着蚀刻区域达到高浓度硼扩散区域300b之前，完成蚀刻，以便剩余例 如大约200pm的第二硅层100b (图23)。随后，在SOI衬底100的第一硅 层100a的表面上形成保护膜332e，采用对于高浓度硼扩散区域300b具有选 择性的蚀刻剂来蚀刻第二硅层100b的剩余部分(图24)。至于对于高浓度 硼扩散区域300b具有选择性的蚀刻剂，可以使用碱(alkali)诸如KOH或者乙二胺邻苯二酚(ethylenediaminepyrocatechol)。从而，当完成第二硅层100b 的蚀刻时，剩余高浓度硼扩散区域300b和氧化物膜20。随后，通过去除保 护膜332e并且执行第三步骤，可以制造出具有由高浓度硼扩散区域300b构 成的支撑部件39的光扫描镜31 。
这样，根据第三实施例，在第一步骤中，通过在硼扩散过程中控制硼的 扩散深度，可以以期望的尺寸形成高浓度硼扩散区域300b。因此，可以更精 确地控制支撑部件39的尺寸，从而可以更精确地选择包含有支撑部件39的 移动单元50的共振频率。
本发明不限于以上提到的实施例中的配置，并且在不改变本发明主旨的 范围内，能够以多种方式改进。例如，镜单元和移动单元不限于矩形，它们 可以成为圆形或者椭圆形。此外，半导体设备不限于具有形成于移动单元上 的镜面的设备，它可以是具有施由加电压来驱动并且安装于移动单元上的元 件的设备。而且，可以通过不同的制造过程制造出光扫描镜，所述不同的制 造过程从以上提到的步骤中按照不同的次序执行每一部分的蚀刻。
此外，光扫描镜可以具有彼此相对的梳状电极，其在初始状态中没有以 预定角差异或预定位置差异形成在相同的平面上。此外，例如，光扫描镜可 以没有梳状电极，并且可以用与上述使用静电力(通过在电路板和移动板之 间施加电压而产生)不同的方式来驱动。而且，光扫描镜不限于镜单元环绕 两个轴摆动的双轴型光扫描镜，它可以配置为移动单元不离开镜单元和可移 动框架中，并且环绕由第一铰链配置的一个轴摆动。
本申请是基于在日本提交的日本专利申请2007-15970和日本专利申请 2007-15980，其内容通过援引合并于此。
尽管已经通过参考附图的实例充分地描述了本发明，但是，应当理解， 对本领域普通技术人员而言，各种变化和修改是显而易见的。因此，除非另 有说明这种变化和修改脱离了本发明的范围，否则它们应当被解释为包含于 本发明中。
权利要求
1.一种光扫描镜，包括半导体结构，由固定框架和移动单元构成，所述移动单元通过第一铰链枢设在所述固定框架上，并且相对于所述固定框架可旋转；以及镜面，形成于所述移动单元上，以反射从外面入射的光束，其中，绝缘体设置于所述移动单元上，以便将所述移动单元划分成彼此电绝缘的多个区域，其特征在于支撑部件，刚好设置于所述绝缘体之下，所述绝缘体与被所述绝缘体划分的所述移动单元的多个区域相耦合，并且所述移动单元被配置成与所述支撑部件一起整体地可旋转。
2. 根据权利要求1所述的光扫描镜，其特征在于所述移动单元具有可移动框架，其通过第一铰链枢设在所述固定框架 上，并且由被绝缘体电绝缘的多个区域组成；以及镜单元，在其上设置镜面， 并且其通过第二铰链枢设在所述可移动框架上，以便相对于所述可移动框架 旋转；所述支撑部件刚好设置于所述可移动框架之下，从而使得所述可移动框 架的多个区域接合在一起，并且配置为以一体化的方式与所述可移动框架一起可旋转；以及所述镜单元配置为与所述可移动框架和所述支撑部件一起相对于所述 固定框架环绕所述第一铰链可摆动，并且配置为相对于所述可移动框架环绕 所述第一铰链可摆动。
3. 根据权利要求2所述的光扫描镜，其特征在于间隔件刚好设置于所述固定框架之下，所述间隔件使所述可移动框架能 够环绕所述第一铰链摆动。
4. 根据权利要求2所述的光扫描镜，其特征在于所述支撑部件配置为从所述可移动框架的底面到所述支撑部件的下端 的尺寸被选择为小于从所述可移动框架的底面到所述固定框架的下端的尺 寸。
5. 根据权利要求1至4中一项所述的光扫描镜，其特征在于 所述支撑部件配置为从所述可移动框架的底面到所述支撑部件的下端的尺寸被选择为使得所述移动单元和所述支撑部件环绕所述第一铰链的惯性力矩变成期望值。
6. 根据权利要求1至4中一项所述的光扫描镜，其特征在于 所述支撑部件设置的位置使得所述移动单元和所述支撑部件环绕所述第一铰链的惯性力矩变成期望值。
7. 根据权利要求1至4中一项所述的光扫描镜，其特征在于 所述支撑部件关于经过所述第一铰链的垂直平面基本上对称。
8. —种半导体结构，包括固定框架；以及移动单元，通过第一铰链枢 设在所述固定框架上，从而相对于所述固定框架可旋转，其中，绝缘体设置 于所述移动单元上，以便将所述移动单元划分成彼此电绝缘的多个区域，其 特征在于支撑部件，刚好设置于所述绝缘体之下，所述绝缘体与被所述绝缘体划 分的所述移动单元的多个区域相耦合，并且所述移动单元被配置成与所述支 撑部件一起整体地可旋转。
9. 一种半导体结构的制造方法，其中所述半导体结构形成为SOI (绝缘体上硅)衬底，其配置为通过氧化物膜而彼此接合的第一硅 层和第二硅层；固定框架，形成于所述第一硅层、所述氧化物膜以及所述第二硅层上； 移动单元，形成于所述第一硅层上，通过支撑弹簧枢设在所述固定框架上， 并且相对于所述固定框架可旋转；以及绝缘体，设置于所述移动单元上，以 便将所述移动单元划分成彼此电绝缘的多个区域，其特征在于所述方法包括第一步骤，用于蚀刻所述SOI衬底，以便形成所述支撑弹簧、所述移动 单元以及所述绝缘体；第二步骤，用于在所述第一步骤之后，蚀刻所述第二硅层，以便雕刻除 了刚好位于所述绝缘体之下的区域以外的、刚好位于所述移动单元和所述支 撑弹簧之下的所述第二硅层的区域；以及第三步骤，用于在所述第二步骤之后，去除通过在所述第二步骤中雕刻 所述第二硅层而暴露出来的所述氧化物膜的区域，并且形成由刚好位于所述 绝缘体之下的所述氧化物膜和所述第二硅层构成的所述支撑部件，以便接合 通过所述绝缘体划分的所述移动单元的多个区域。
10. 根据权利要求9所述的半导体结构的制造方法，其特征在于 在所述第二步骤中，执行蚀刻，使得刚好位于所述绝缘体之下的所述第二硅层的部分的厚度小于所述固定框架的所述第二硅层的厚度。
11. 根据权利要求9所述的半导体结构的制造方法，其特征在于 在所述第一步骤中，去除通过形成所述绝缘体而暴露的所述氧化物膜的部分，并且将硼扩散到由此而暴露的所述第二硅层的部分中，从而形成高浓 度硼扩散区域；以及在所述第二步骤中，使用对于所述高浓度硼扩散区域具有选择性的蚀刻 剂对所述第二硅层执行蚀刻，从而使得所述支撑部件配置为所述高浓度硼扩 散区域。
全文摘要
易于制造出在移动单元中具有绝缘结构的半导体结构。通过处理由第一硅层100a、氧化物膜120以及第二硅层100b所组成的SOI衬底，从而形成光扫描镜(半导体结构)1。移动单元50，其通过第一铰链5支撑于固定框架4上，形成在第一硅层100a上。通过形成沟槽(绝缘结构)101a将所述移动单元50划分成多个区域。由氧化物膜120和第二硅层100b形成的支撑部件9刚好形成在所述沟槽101a之下。由所述沟槽101a划分的可移动框架3的多个区域接合到所述支撑部件9，从而使得移动单元50与支撑部件9一起是可摆动的。从而，通过简单的蚀刻步骤形成支撑部件9，如此，确保移动单元50的机械强度。
文档编号G02B26/10GK101611337SQ20088000322
公开日2009年12月23日 申请日期2008年1月23日 优先权日2007年1月26日
发明者河野清彦, 萩原洋右, 野毛宏 申请人:松下电工株式会社