垂直梳齿驱动moems微镜的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本实用新型涉及微机电技术领域，尤其涉及一种垂直梳齿驱动M0EMS微镜。
【背景技术】
[0002] 随着光通信网络传输和交换容量的逐渐增大，需求光分插复用、光交叉连接等光 通信用关键设备的升级与发展，而这与光衰减器(V0A)、光开关(0SW)等微光学电子机械系 统(M0EMS)基础元器件的发展密不可分。M0EMS因其体积小易集成、响应时间短且利于批量 化制备等特点，近年备广泛得以关注，其驱动方式已发展有电容驱动（平板驱动、梳齿驱 动）、热驱动及磁驱动等多种形式。其中，垂直梳齿驱动M0EMS芯片可以有效克服平板驱动偏 转角度小、固有频率低等不足，已成为M0EMS芯片设计和工艺开发的热点之一。
[0003] 传统垂直梳齿驱动芯片制备工艺，一般选用两片SOI圆片，首先在一片SOI圆片结 构层通过深硅刻蚀形成固定梳齿结构，随后与另一片SOI圆片完成键合，去除该SOI圆片衬 底硅后，利用双面光刻工艺，再进行可动梳齿结构的光刻与深硅刻蚀。由于梳齿驱动静电力 与梳齿间隙直接相关，因此，需要有高精度的双面光刻对位工艺设备，以确保定齿与动齿间 隙一致。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种垂直梳齿驱动M0EMS微镜，所述微镜 只采用一片S0I圆片，具有工艺简单、控制精准和成本低的特点。
[0005] 为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是:一种垂直梳齿驱动M0EMS 微镜，其特征在于:包括硅圆片，所述硅圆片的上下表面设有氧化层，位于上侧的氧化层的 上表面设有S0I圆片的结构层，所述S0I圆片的结构层与右S0I圆片内设有左右两组梳齿结 构，每组梳齿结构包括位于上侧的可动梳齿结构和位于下侧的固定梳齿结构，固定梳齿结 构固定在上侧的氧化层的上表面，可动梳齿结构包括若干个间隔设置的可动梳齿，固定梳 齿结构包括若干个间隔设置的固定梳齿，所述固定梳齿与可动梳齿间的空隙相对，可动梳 齿的下表面与固定梳齿的上表面保持在同一平面，且可动梳齿与固定梳齿不接触;两组梳 齿结构之间为微镜扭转空间，在微镜扭转空间内设有可动微镜结构，所述可动微镜结构的 上表面设有反射镜面层，所述S0I圆片的结构层的上表面设有梳齿驱动电极。
[0006] 进一步的技术方案在于:所述硅圆片为双面抛光硅圆片，厚度为400 ±100μπι，S0I 圆片的结构层厚度最少为lOOwn。
[0007] 进一步的技术方案在于:所述反射镜面层和梳齿驱动电极为铬或金，铬的厚度为 10nm_30nm，金的厚度不低于100nm。
[0008] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于:所述微镜只采用单片SOI圆片，镜面结 构与梳齿结构为一层，可动梳齿结构和镜面释放同时进行，工艺简单，可降低过多工艺对镜 面质量可能产生的影响。双面抛光硅圆片表面氧化层作为隔离阻挡层，可有效避免镜面与 下衬底接触而导致的短路现象，提高器件的稳定性。
【附图说明】
[0009]图1-10是本实用新型的过程结构示意图；
[0010]图11是本实用新型所述的微镜结构示意图；
[0011]图12是本实用新型所述的微镜的部分结构示意图；
[0012]其中：1、硅圆片2、S0I圆片21、结构层22、中间氧化层23、衬底层3、梳齿驱动 电极4、可动梳齿结构5、固定梳齿结构6、可动微镜结构7、反射镜面层8、氧化层9、预 掩蔽图形10、光刻胶图形。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
[0014] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新 型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实 用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
[0015] 如图11所示，本实用新型公开了一种垂直梳齿驱动M0EMS微镜，包括硅圆片1，所述 硅圆片1的上下表面设有氧化层8,位于上侧的氧化层8的上表面设有SOI圆片2的结构层21， 优选的，所述硅圆片1为双面抛光硅圆片，厚度为400±100wn，S0I圆片2的结构层21的厚度 最少为100μπι。所述SOI圆片的结构层内设有左右两组梳齿结构，每组梳齿结构包括位于上 侧的可动梳齿结构4和位于下侧的固定梳齿结构5，固定梳齿结构5固定在上侧的氧化层8的 上表面，可动梳齿结构4包括若干个间隔设置的可动梳齿，固定梳齿结构5包括若干个间隔 设置的固定梳齿，所述固定梳齿与可动梳齿间的空隙相对，可动梳齿的下表面与固定梳齿 的上表面保持在同一平面，且可动梳齿与固定梳齿不接触，如图12所示;两组梳齿结构之间 为微镜扭转空间，在微镜扭转空间内设有可动微镜结构6,所述可动微镜结构6的上表面设 有反射镜面层7,所述SOI圆片的结构层的上表面设有梳齿驱动电极3。优选的，所述反射镜 面层6和梳齿驱动电极3为铬或金，铬的厚度为10nm-30nm，金的厚度不低于100nm 〇
[0016]垂直梳齿驱动M0EMS微镜，通过施加较小驱动电压即可实现微镜既定角度的偏转， 其基本原理如图12所示(其中d表示可动梳齿与固定梳齿之间的横向距离），固定梳齿结构5 与其中的一个梳齿驱动电极3相连，可动梳齿结构4与另一个梳齿驱动电极3相连，当固定 梳齿结构与可动梳齿结构间施加电压后，由于电极间的静电力使可动微镜结构绕梁轴线旋 转，从而带动微镜镜面偏转，直到静电力扭矩与可动微镜结构上的扭转梁回复力产生的扭 矩相等时，微镜实现稳定，因此通过施加不同电压，可实现不同位置即不同角度的偏转与稳 定。式(1)为梳齿驱动静电力公式。
[0018]其中，ε为真空介电常数，N为可动梳齿数量，1为梳齿长度，v为固定梳齿与可动梳 齿间施加的电压，d为固定梳齿与可动梳齿间隙。
[0019] 由式（1)可以看出，静电力与梳齿数量和长度、施加电压及定动梳齿间隙有关，就 既定设计芯片，静电力直接受限于固定梳齿和可动梳齿间隙的工艺过程控制，以确保静电 力稳定作用于梳齿及镜面。
[0020] 上述M0EMS微镜的制作方法包括如下步骤：
[0021] 1)在SOI圆片2的结构层21的上表面涂敷光刻胶，曝光、显影后在SOI圆片2的结构 层21形成固定梳齿预图形，经深反应等离子刻蚀DRIE后形成固定梳齿预结构以及微镜扭转 空间，如图1所示。
[0022] 2)将硅圆片1进行氧化，在其上下表面形成氧化层8,硅圆片1采用双面抛光硅圆 片，厚度一般为400mi;S0I圆片的驱动结构层厚度最少为100μπι。
[0023] 3)将氧化后的硅圆片1与SOI圆片2上表面的驱动结构层21进行硅硅键合，如图2所 示；
[0024] 4)采用反应离子刻蚀RIE和体硅湿法腐蚀工艺去除S0I圆片2的衬底层23及中间氧 化层22;
[0025] 5)将上述器件翻转，如图3所示，在翻转后的器件的上表面制备金属层，金属层一 般为络或金，络的厚度一般为l〇nm-30nm，金的厚度一般不低于lOOnrn;在金属层涂敷光刻 胶、曝光、显影后，再经腐蚀工艺形成梳齿驱动电极3和金属反射镜面7,如图4所示；
[0026] 6)在上述器件的上表面通过等离子体增强化学气相PECVD沉积氧化硅薄膜，作为 掩蔽层；
[0027] 7)在步骤6)所述的掩蔽层表面涂敷光刻胶、光刻、显影，经薄膜腐蚀后形成可动梳 齿预掩蔽图形9，如图5所示；
[0028] 8)在步骤7)所形成的预掩蔽图形表面，继续涂敷光刻胶，光刻、显影后形成可动梳 齿、扭转梁及微镜镜面图形，如图6所示，薄膜腐蚀去除光刻胶未保护的掩蔽层，如图7所示； [0029] 9)在步骤8)所形成的图形表面上进行深反应等离子刻蚀DRIE工艺，没有光刻胶保 护的区域，垂直向下刻蚀形成可动梳齿结构4、扭转梁和可动微镜结构6,刻蚀深度不超过30 μπι，刻蚀形成的可动梳齿结构4的下表面与固定梳齿结构5的上表面保持在同一平面，如图8 所示;去胶后(如图9所示)继续刻蚀，在没有掩蔽层保护的区域，继续垂直刻蚀，将固定梳齿 结构5暴露出来，如图10所示，腐蚀去除掩蔽层后形成所述M0EMS微镜，如图11所示。
[0030]所述方法通过预留掩蔽层，结合光刻、腐蚀及两次深硅刻蚀工艺，可精准控制固定 梳齿结构与可动梳齿结构间的间隙。只采用单片S0I圆片，镜面结构与梳齿结构为一层，可 动梳齿结构和镜面释放同时进行，工艺简单，可降低过多工艺对镜面质量可能产生的影响。 双面抛光硅圆片表面氧化层作为隔离阻挡层，可有效避免镜面与下衬底接触而导致的短路 现象，提尚器件的稳定性。
【主权项】
1. 一种垂直梳齿驱动MOEMS微镜，其特征在于：包括硅圆片（1)，所述硅圆片（1)的上下 表面设有氧化层(8)，位于上侧的氧化层(8)的上表面设有SOI圆片(2)的结构层(21)，所述 SOI圆片的结构层内设有左右两组梳齿结构，每组梳齿结构包括位于上侧的可动梳齿结构 (4)和位于下侧的固定梳齿结构(5)，固定梳齿结构（5)固定在上侧的氧化层(8)的上表面， 可动梳齿结构(4)包括若干个间隔设置的可动梳齿，固定梳齿结构(5)包括若干个间隔设置 的固定梳齿，所述固定梳齿与可动梳齿间的空隙相对，可动梳齿的下表面与固定梳齿的上 表面保持在同一平面，且可动梳齿与固定梳齿不接触;两组梳齿结构之间为微镜扭转空间， 在微镜扭转空间内设有可动微镜结构(6 )，所述可动微镜结构(6 )的上表面设有反射镜面层 (7)，所述左SOI圆片的驱动结构层与右SOI圆片的驱动结构层的上表面设有梳齿驱动电极 (3)〇2. 如权利要求1所述的垂直梳齿驱动MOEMS微镜，其特征在于:所述硅圆片（1)为双面抛 光硅圆片，厚度为400±100ym，S0I圆片的结构层(21)厚度最少为100μπι。3. 如权利要求1所述的垂直梳齿驱动MOEMS微镜，其特征在于:所述反射镜面层(6)和梳 齿驱动电极(3)为铬或金，铬的厚度为10 nm -30nm，金的厚度不低于100nm〇
【专利摘要】本实用新型公开了一种垂直梳齿驱动MOEMS微镜，涉及微机电技术领域。包括硅圆片，所述硅圆片的上下表面设有氧化层，位于上侧的氧化层的上表面设有SOI圆片的结构层，所述SOI圆片的结构层与右SOI圆片内设有左右两组梳齿结构，每组梳齿结构包括位于上侧的可动梳齿结构和位于下侧的固定梳齿结构，固定梳齿结构固定在上侧的氧化层的上表面，可动梳齿结构包括若干个间隔设置的可动梳齿，固定梳齿结构包括若干个间隔设置的固定梳齿。所述微镜只采用一片SOI圆片，具有工艺简单、控制精准和成本低的特点。
【IPC分类】G02B26/08
【公开号】CN205246969
【申请号】CN201521059002
【发明人】张晓磊, 杜妙璇, 徐永青
【申请人】中国电子科技集团公司第十三研究所
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2015年12月18日