一种大角度扭转微镜面驱动器制作方法

专利名称：一种大角度扭转微镜面驱动器制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微机电系统的驱动器制作方法，尤其涉及到一种微机械 大角度扭转微镜面驱动器制作方法。属于光电子通信器件领域。
背景技术：
微机电系统(MEMS)是基于微细加工技术发展起来的集机械、电子等 多学科交叉的一门新兴科学技术，随着微机电系统技术的不断快速发展，基 于微机电系统技术制作的光学器件也得到广泛的应用，在光通信、光显示等 领域广泛使用微反射镜面以控制光信号的传输与显示，例如MEMS光开关、 光衰减器、光扫描器、DMD显示器等，其中微镜面驱动器是其核心部件。
现有微镜面驱动器按运动方式主要分为平动微镜面驱动器和转动微镜面 驱动器。在平动微镜面驱动器中，微镜面运动方式采用平移方式，运动过程 中微镜的法线方向不变，由于平动微镜面通常垂直于芯片平面，因而通常采 用硅深刻蚀制作工艺，导致镜面粗糙度大，同时器件的响应时间也较长。平 动微镜面驱动器的结构和微镜尺寸决定了输入输出光纤与平动微镜驱动器需 要在同平面进行光学器件封装，最终导致封装结构大而且对准耦合困难，器 件光学性能差(图1 3)。转动微镜面驱动器通常采用静电扭转微镜面运动， 微镜的法线在空间发生转动，容易与微光学系统耦合实现输入输出光纤的通 道切换。扭转微镜驱动器的制作主要利用表面微机械加工工艺和体微机械加 工工艺，其中表面微机械加工工艺要求高，工艺复杂，成本高昂，如应用于 光显示的数字微镜器件(DMD)。体微机械加工工艺制作的扭转微镜由于限 制于驱动电压不能太高导致扭转角度较低，通常只有零点几度，无法在一些 需要大角度扭转角度(几度至十几度)的情况应用如MEMS光开关，通过提 高驱动电压的方法来获得大扭转角度而最终导致驱动电压过高，大大增加驱 动电路的难度和成本。针对现有的基于MEMS制作的微镜面驱动器存在的问题，同时考虑光通信中需要应用大扭转角度的微镜面驱动器，因此本发明提 出了一种响应时间短、驱动电压低、制作工艺简单可行的大角度扭转微镜面 驱动的制作方法。

发明内容
本发明的目的在于提出一种在较低电压驱动的条件下，可以产生大角度 变化的扭转微镜面驱动器制作方法。
本发明所述的一种大角度扭转镜面驱动器的制作方法主要包括首先在
斜晶向硅片1上利用氢氧化钾(KOH)腐蚀溶液制作出具有一定倾斜角度的 倾斜硅表面2和倾斜硅表面3 ，然后在倾斜硅表面2上制作驱动器的下电极4。 接着在另一块硅片表面5制作出扭转镜面驱动器的上电极与下电极的隔离空 间6，保证扭转镜面驱动器的扭转空间。然后让两块硅片进行圆片级的键合 工艺，得到完整的键合片。将键合片对表面7进行整体减薄，得到最终的器 件层8。最后在器件层8上制作出扭转镜面驱动器的两端固定的支撑梁9、驱 动器的上电极11和扭转微镜面12，同时在微镜面上制作金膜或铝膜13，以 提高光信号的反射率。对整个硅片进行划片后得到单个大角度扭转镜面驱动 器，在驱动器的下电极4和上电极11施加一定的电压，微镜面将扭转相应的角度。
本发明的具体实现步骤如下
1. 在斜晶向硅片上生长一层二氧化硅薄膜。
2. 利用光刻、显影和二氧化硅腐蚀工艺暴露出需要制作倾斜电极的区域。
3. 使用二氧化硅作为掩膜层，把硅片放入氢氧化钾溶液中进行硅各向异 性腐蚀，获得具有一定倾斜角度的倾斜硅表面。
4. 利用溅射工艺在硅片的倾斜硅表面上溅射一层金属下电极。
5. 利用光刻、显影和铝腐蚀工艺在金属薄膜上腐蚀出所需的下电极图形。
6. 在另一块硅片上生长一层二氧化硅薄膜。
7. 利用光刻、显影和二氧化硅腐蚀工艺暴露出需要制作的上电极和下电 极隔离空间的区域。
8. 使用二氧化硅作为掩膜层，把硅片放入氢氧化钾溶液中进行硅各向异 性腐蚀，获得几个微米到几个个微米的上电极和下电极隔离空间。9. 利用二氧化硅腐蚀工艺去除硅片上剩余的二氧化硅薄膜。
10. 利用键合工艺将两块制作好图形的硅片键合成一整块键合片。
11. 把键合片放入氢氧化钾腐蚀溶液中对键合片的一侧进行整体减薄，使 得斜晶向的硅片上保留几十微米左右器件层。
12. 在器件层上溅射一层金薄膜，采用光刻、金腐蚀工艺制作出镜面的金 反射层。
13. 在减薄后的器件层上通过光刻、显影制作出所需扭转镜面驱动器、上 电极和两端的固定细梁图形。再利用等离子体硅深刻蚀工艺刻蚀穿通 硅片器件层，得到分离开的扭转微镜面、上电极和两端固定的细梁结 构。
14. 对整个硅片进行划片得到单个静电驱动器。
所述的采用斜晶向的硅片，其经过K0H溶液腐蚀后可以得到具有一定倾 斜角度的两个晶向面，其中一个倾斜面可以减少器件的驱动电压， 一个倾斜 面可以防止驱动电压过载，所需的倾斜角度可以由硅片切割的方法不同而得 到；
所述的在倾斜硅表面上制作驱动器的下电极，可以是制作金属电极，如 铝或金电极，也可以在硅片上掺杂制作扩散电极；
所述的另一块硅片包括普通硅片或SOI (绝缘层上的硅)硅片； 所述的硅片利用一层二氧化硅薄膜作为腐蚀的掩膜层，利用MEMS技术中 的光刻工艺在二氧化硅薄膜上制作出所需图形，然后使得硅片背面在氢氧化 钾溶液中腐蚀出一定深度，保证静电驱动的上电极和下电极有一定间隔空间； 也可以用氮化硅薄膜作为腐蚀掩膜，腐蚀溶液也可以使用TMAH等可以腐蚀硅 的各向异性腐蚀液；腐蚀出的上电极和下电极间隔空间可以为几个微米到几 十个微米；
所述的两块硅片进行圆片级的键合工艺，使两块硅片成为一体的键合片； 然后对键合片上的一侧进行整体减薄，斜晶向硅片一侧采用二氧化硅或者氮 化硅薄膜进行保护，而不被腐蚀；减薄方法可优先选用氢氧化钾腐蚀的方法， 也可以采用等离子体硅刻蚀的方法或者化学机械抛光的方法进行硅片减薄； 键合片经过硅材料减薄后，根据硅表面情况可以使用化学机械抛光对减薄后的硅表面进行表面抛光处理；在减薄后的硅片器件层上，利用光刻工艺制作 出扭转镜面驱动器需要的扭转梁位置、驱动器的上电极位置和扭转微镜面位 置，然后利用等离子体硅深刻蚀(DRIE)工艺把硅片器件层刻蚀穿通，得到 所需的扭转微镜面，驱动器的上电极和固定上电极和扭转微镜面的两根细梁。 在利用DRIE工艺刻蚀得到所需扭转微镜面驱动器之前，可以利用光刻，溅射 工艺在硅片器件层上的扭转镜面驱动器部分溅射上一层增加光反射效率的金 薄膜，也可以是其它金属反射薄膜如铝薄膜。然后再利用DRIE工艺刻蚀出所 需的扭转微镜面，驱动器上电极和两根扭转梁；
对硅片进行划片后，得到单个的静电驱动器；需要在驱动器的上电极和 下电极施加电压，扭转微镜面驱动器的微镜面扭转到与所加电压对应的一定 角度，施加的电压在几伏特到几百伏特连续可调。所扭转的角度可在l度至 十几度范围内可调。
本发明提供的一种大角度扭转微镜面驱动器制作方法，利用MEMS中的光 刻、腐蚀、键合、溅射和等离子硅深刻蚀技术制作一种工艺简单可行，利用 静电精密驱动，驱动电压低、扭转角度大的微镜面驱动器。所制作的驱动器 由于采用了倾斜电极，可以在减少驱动电压的情况下，实现大角度微镜面的 扭转，且扭转的角度连续可调。


图1为现有控制挡光片运动的挡光型光开关芯片示意图，图中31为可动 微镜面，32为光信号输入与输出的光纤。
图2为现有梳齿驱动控制挡光片运动的挡光型光开关芯片示意图，图中 33为驱动微镜面的梳齿驱动器，34为为可动微镜面，35为放置光纤的刻蚀 槽。
图3为现有倾斜结构制作的挡光型光开关示意图，图中36为支撑镜面的 微悬臂梁，37为放置光纤的刻蚀槽，38为竖直微反射镜面。
图4为本发明提供的大角度微镜面驱动器侧视图，图中1为斜晶向硅片， 2为倾斜硅表面，3为倾斜硅表面，4为下电极，6为上电极与下电极的隔离 空间，8为器件层，9为支撑扭转梁，11为上电极，12为微反射镜面，13为金反射薄膜，14为绝缘的二氧化硅层。
图5为图4所示的驱动器的制作过程示意图。
其中，A为选定斜晶向硅片，B为在斜晶向硅片表面生长的Si02薄膜，C 为KOH溶液腐蚀出来的倾斜硅表面，D为在倾斜硅表面上制作驱动器的下电 极，E为选定的另一块硅片，F为在另一块硅片两个表面生长Si02薄膜，G为 在另一硅片下表面腐蚀出上电极和下电极隔离空间区域，H为步骤D和步骤G 的两硅片键合，I为步骤H键合后另一块硅片减薄后剩余器件层，J为在器件 层上制作驱动器上电极和金膜，K为在器件层上制作驱动器的扭转镜面以及 二氧化硅绝缘层。
具体实施例方式
结合时间5，通过下面具体实施例的描述，以进一步阐述本发明的实质 性特点和显著的进步，但本发明绝非仅限于实施例的描述。
所述的一种大角度扭转微镜面驱动器的制作方法，具体步骤是
a) 对于在晶向偏离<111>晶向一定角度的斜晶向硅片1上利用氢氧化钾 (KOH)腐蚀溶液制作出与原硅片表面具有一定倾斜角度的硅表面2和硅表
面3，其具体特征为①首先在斜晶向的硅片(5A)上氧化一层厚度为几千 埃的二氧化硅(Si02)层作为保护层(5B)，然后利用光刻工艺暴露出Si02 需要腐蚀的区域，接着用Si02的腐蚀液去除暴露的Si02，最后将硅片放入KOH 溶液中进行各向异性腐蚀，得到倾斜硅表面2和倾斜硅表面3 (5C)，其中倾 斜硅表面2可用于减少驱动电压，倾斜硅表面3可用于防止驱动电压过载。
b) 在倾斜硅表面2上制作驱动器的下电极4 (5D)，具体特征为利用
溅射设备将铝或金金属溅射到具有倾斜表面的整个斜晶向硅片上，然后用光 刻工艺定义出需要有电极的区域，并用光刻胶作为保护层，将硅片放入该种 金属腐蚀液，腐蚀多余区域的金属，最后去除表面光刻胶即得到所需的下电 极区域。
c) 对于在另一块硅片表面5制作出扭转镜面驱动器的上电极与下电极的 隔离空间6 (5G)，具体特征为另一块硅片上先氧化一层厚度为几千埃的二 氧化硅薄膜作为硅腐蚀的掩膜层，利用MEMS技术中的光刻工艺在二氧化硅薄
8膜上制作出所需图形，然后进行Si02层的腐蚀，暴露出需要腐蚀的硅表面， 将硅片放入氢氧化钾溶液中腐蚀一定深度，保证静电驱动的上电极和下电极 有一定间隔空间，
d) 将上述步骤(a)、 (b)和步骤(c)所述的两块硅片进行圆片级的键合 工艺，得到完整的键合片。其进一步的特征为利用键合机让两块硅片上的 图像上下对准后进行圆片级的键合(5H);
e) 步骤d键合片的表面7(5H)进行整体减薄，得到最终的器件层8(51)， 具体特征为将斜晶向硅片的一侧用Si02层或者氮化硅薄膜进行保护，使键 合片的表面7的一侧暴露出来，然后将键合硅片放入KOH溶液中进行减薄处 理。减薄到器件所需要的厚度后将硅片取出。硅减薄方法可优先选用氢氧化 钾腐蚀的方法，也可以采用等离子体硅刻蚀的方法，或者化学机械抛光的方 法进行硅片减薄；硅片经过氢氧化钾腐蚀减薄或者等离子体硅刻蚀，或者化 学机械抛光的方法减薄后，可以使用化学机械抛光对所剩的硅片器件层进行 表面抛光，以制作出较好的硅器件层表面。
f) 对于在器件层8上制作出扭转镜面驱动器的两端固定的支撑梁9 (图 中未标出)、驱动器的上电极11和扭转微镜面12，同时在微镜面上制作金膜 13 (5J)和(5K)，以提高光信号的反射率。具体特征为在减薄后的硅片器 件层8上，利用光刻工艺制作出扭转镜面驱动器需要的扭转梁位置、驱动器 的上电极位置和扭转微镜面位置，然后利用等离子体硅深刻蚀(DRIE)工艺 把硅片器件层刻蚀穿通，得到所需的扭转微镜面，驱动器的上电极和固定上 电极以及扭转微镜面的两根扭转梁。在利用DRIE工艺刻蚀得到所需扭转镜面 驱动器，驱动器上电极和扭转梁之前，可以利用光刻，溅射工艺在硅片器件 层上的扭转镜面驱动器部分溅射上一层增加光反射效率的金薄膜或铝薄膜， 最后再利用DRIE工艺刻蚀出所需的扭转微镜面，驱动器上电极和两根扭转 梁；
g) 对于硅片进行划片后得到单个的静电驱动的用于光开关的扭转微镜面 驱动器,具体特征是需要对硅片进行划片后，才可得到单个的静电驱动器。
对于在驱动器的下电极4和上电极11施加一定的电压，微镜面将扭转相 应的角度，具体特征为需要在驱动器的上电极和下电极施加电压，扭转微
9镜面驱动器的微镜面才会扭转一定的角度，施加的电压是可调的，可以在几 伏特到几百伏特。
需要强调的是以上一般描述和本发明的实施例详细描述都仅是，试图提 供概述或框架用于理解本发明如权利要求所述的特性和特征。所包括的附图 均用于提供对本发明进一步的理解，并组成说明书的一部分。

了本 发明的各种特征和实施例，它和描述一起用于解释本发明的制作新方法和实 施例。
权利要求
1、一种大角度扭转镜面驱动器的制作方法，其特征在于①首先在斜晶向硅片(1)上利用氢氧化钾腐蚀溶液制作出具有一定倾斜角度的倾斜硅表面(2)和倾斜硅表面(3)；②然后在倾斜硅表面(2)上制作驱动器的下电极；③接着在另一块硅片的表面制作出扭转镜面驱动器的上电极与下电极的隔离空间；④两块硅片进行圆片级的键合工艺，得到完整的键合片，再对键合片的表面进行整体减薄，得到最终的器件层；⑤最后在减薄后的器件层上制作出扭转镜面驱动器的两端固定的支撑梁、驱动器的上电极和扭转微镜面；⑥对整个硅片进行划片后得到单个大角度扭转镜面驱动器。
2、 按权利要求1所述的一种大角度扭转微镜面驱动器的制作方法，其特 征在于所述的一定倾斜角度的两个晶向面中的一个倾斜硅表面减少器件的驱 动电压，另一个倾斜硅表面防止驱动电压过载；所述的倾斜角度由硅片切割 的方法不同而得到。
3、 按权利要求1所述的一种大角度扭转微镜面驱动器的制作方法，其特 征在于在倾斜硅表面上制作的驱动器下电极为铝或金金属电极，或为在硅片 上掺杂制作的扩散电极。
4、 按权利要求1所述的一种大角度扭转微镜面驱动器的制作方法，其特 征在于所述的另一块硅片为普通硅片和绝缘层上的硅片。
5、 按权利要求1或4所述的一种大角度扭转微镜面驱动器的制作方法， 其特征在于所述的另一块硅片利用二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜作为腐蚀的掩 膜层，利用MEMS技术中的光刻工艺在二氧化硅薄膜上制作出所需图形，然后 使得硅片背面在氢氧化钾溶液中或TMAH各向异性的腐蚀液中腐蚀出一定深 度，保证静电驱动的上电极和下电极有一定间隔空间；且所述的上电极和下 电极间隔空间可以为几个微米到几十个微米。
6、 按权利要求1所述的一种大角度扭转微镜面驱动器的制作方法，其特 征在于所述的两块硅片的键合是采用两块圆片级的键合工艺，使两块硅片成 为一体的键合片。
7、 按权利要求1所述的一种大角度扭转微镜面驱动器的制作方法，其特征在于对于键合片上的一侧进行整体减薄，斜晶向硅片一侧采用二氧化硅或 者氮化硅薄膜进行保护，而不被腐蚀；减薄方法选用氢氧化钾腐蚀的方法、 等离子体硅刻蚀的方法或者化学机械抛光的方法进行硅片减薄；使用化学机 械抛光方法对减薄后的键合片的表面进行表面抛光处理。
8、 按权利要求1所述的一种大角度扭转微镜面驱动器的制作方法，其特 征在于在减薄后的硅片器件层上，利用光刻工艺制作出扭转镜面驱动器需要 的扭转梁位置、驱动器的上电极位置和扭转微镜面位置之后，利用等离子体 硅深刻蚀工艺将硅片器件层刻蚀穿通，得到所需的扭转微镜面，驱动器的上 电极和固定上电极和扭转微镜面的两根细梁。
9、 按权利要求1所述的一种大角度扭转微镜面驱动器的制作方法，其特 征在于:在利用等离子体硅深刻蚀工艺刻蚀得到所需扭转微镜面驱动器之前， 利用光刻，溅射工艺在硅片器件层上的扭转镜面驱动器部分溅射上一层增加 光反射效率的金薄膜或铝薄膜;然后再利用DRIE工艺刻蚀出所需的扭转微镜 面，驱动器上电极和两根扭转梁。
10、 按权利要求1所述的一种大角度扭转微镜面驱动器的制作方法，其 特征在于制作的驱动器的微镜面扭转到与所加电压对应的角度，施加的电压 为几十伏到几百伏连续可调，扭转角度为l度到十几度范围内可调。
全文摘要
本发明涉及一种大角度扭转镜面驱动器的制作方法，其特征在于①首先在斜晶向硅片(1)上利用氢氧化钾腐蚀溶液制作出具有一定倾斜角度的倾斜硅表面(2)和倾斜硅表面(3)；②然后在倾斜硅表面(2)上制作驱动器的下电极；③接着在另一块硅片的表面制作出扭转镜面驱动器的上电极与下电极的隔离空间；④两块硅片进行圆片级的键合工艺，得到完整的键合片，再对键合片的表面进行整体减薄，得到最终的器件层；⑤最后在减薄后的器件层上制作出扭转镜面驱动器的两端固定的支撑梁、驱动器的上电极和扭转微镜面；⑥对整个硅片进行划片后得到单个大角度扭转镜面驱动器。所制作的驱动器由于采用了倾斜电极，可以在减少驱动电压的情况下，实现大角度微镜面扭转。
文档编号B81C99/00GK101549848SQ20091005100
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月12日 优先权日2009年5月12日
发明者吴亚明, 静 徐, 李四华 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所