Mems扭转式静电驱动器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种MEMS扭转式静电驱动器的制造方法。
【背景技术】
[0002]MEMS微驱动器(actuator)，也称为执行器或致动器，是在控制信号的作用下将能量转换为可控运动和功率输出的器件。微驱动器是一种重要的MEMS器件，在光学、通信、生物医学、微流体等领域有着广泛的应用。微驱动器的核心包括把电能转换为机械能的换能器，以及执行能量输出的微结构。根据能量的来源，执行器可以分为电、磁、热、光、机械、声，以及化学和生物执行器，常用的驱动方式包括静电、电磁、电热、压电、记忆合金、电致伸缩、磁致伸缩等。静电驱动器利用带电导体之间的静电引力实现驱动。静电驱动在小尺寸(1-10微米)时效率很高，并且容易实现、控制精确、不需要特殊材料，是应用最广泛的驱动方式。静电驱动器包括平板电容结构、梳状叉指结构、旋转静电马达，以及线形长距离执行器等，分别利用到垂直和平行方向的静电力。平板电容驱动器是常用的静电驱动器，电容的下极板固定，上极板在弹性结构的支撑下可以移动，当上下极板间施加驱动电压时，极板间的静电引力驱动上极板整体垂直运动，实现输出。平板电容驱动器制造简单，控制和使用容易，但是驱动距离较小，输出力也较小。输出的驱动力与电容为非线性关系，并且在电压控制时容易产生下拉现象，限制了有效驱动距离。另外，在动态时平板电容压膜阻尼较大，限制了动态范围。而扭转式静电驱动器利用扭曲的悬臂梁和静电力使电容的上极板扭转实现输出，扭转式静电驱动器具有较好的性能，这是因为扭转运动比垂直运动可以输出更大的驱动力。
【发明内容】
[0003]基于此，有必要提供一种MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，该MEMS扭转式静电驱动器的制造方法可以制作出拥有较大输出力的MEMS扭转式静电驱动器。
[0004]—种MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，包括步骤:
[0005]提供基片，所述基片包括依次层叠的第一硅层、埋氧化层和第二硅层；
[0006]将第一硅层图形化并暴露所述埋氧化层以形成与周边区域相互间隔的矩形的上极板，所述上极板与所述周边区域仅通过悬臂梁连接，同时还在所述周边区域上形成暴露埋氧化层的凹部；
[0007]将第二硅层图形化并暴露所述埋氧化层以形成背腔，所述背腔位于第二硅层上与所述上极板对应的区域，并覆盖所述与上极板对应区域40%?60%的面积，所述背腔靠近所述悬臂梁的一端；
[0008]去除所述凹部暴露出来的埋氧化层以暴露第二硅层，去除部分埋氧化层以悬空所述上极板和悬臂梁；
[0009]在所述周边区域上和所述凹部暴露出来的第二硅层上分别形成上接触电极和下接触电极。
[0010]在其中一个实施例中，所述第一娃层、第二娃层的电阻率为0.001 Ω.cm?
0.01 Ω.cm。
[0011]在其中一个实施例中，所述第一硅层、第二硅层的材质为单晶硅。
[0012]在其中一个实施例中，所述第一硅层厚5微米?50微米。
[0013]在其中一个实施例中，所述埋氧化层厚0.5微米?2微米。
[0014]在其中一个实施例中，所述第二硅层厚400微米?600微米。
[0015]在其中一个实施例中，所述悬臂梁数量为两条，所述背腔靠近任一悬臂梁的内侧端。
[0016]在其中一个实施例中，利用氢氟酸去除所述凹部暴露出来的埋氧化层以暴露第二硅层，利用氢氟酸去除部分埋氧化层以悬空所述上极板和悬臂梁。
[0017]在其中一个实施例中，所述背腔位于第二硅层上与所述上极板对应的区域，并覆盖所述与上极板对应区域50%的面积。
[0018]在其中一个实施例中，在所述周边区域上和所述凹部暴露出来的第二硅层上通过淀积金属层并图形化分别形成上接触电极和下接触电极。
[0019]上述MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，以基于绝缘体的硅晶片(SOI，Siliconon Insulator)为基片，通过对第一硅层、埋氧化层和第二硅层的图形化，在第一硅层形成上极板，在第二硅层形成下极板(背腔并没有覆盖的位于第二硅层与所述上极板对应的区域)，埋氧化层用作上下极板之间的绝缘层和牺牲层材料，上极板和下极板大概重合40%?60%的面积。当在上接触电极和下接触电极施加电压时，由于静电力的作用，上极板会发生运动。因为上极板和下极板不完全对应重合(相差40 %?60 % )，所以上极板受到的力不均匀。上极板与下极板对应的部分受到的静电力大于与背腔对应部分受到的静电力，导致悬臂梁发生扭曲和上极板发生扭转运动，这就是MEMS扭转式静电驱动器，也叫MEMS扭转电容驱动器。MEMS扭转式静电驱动器利用扭曲的悬臂梁和静电力使上极板扭转实现输出较大的驱动力和更大的动态范围。而且，SOI具有较大的厚度、较好的一致性和较低的残余应力，因而制作过程相对较易控制，制作出来的MEMS扭转式静电驱动器也因为较低的残余应力而拥有更好的性能。
【附图说明】
[0020]图1是一实施例MEMS扭转式静电驱动器的制造方法的流程图；
[0021]图2是基片的结构不意图；
[0022]图3是将第一硅层图形化后的结构示意图；
[0023]图4是将第一硅层图形化后的俯视示意图；
[0024]图5是去除部分埋氧化层以悬空上极板和悬臂梁后的结构示意图；
[0025]图6是制作上接触电极和下接触电极后的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0027]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0028]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】进行详细描述。
[0029]MEMS扭转式静电驱动器，也叫MEMS扭转电容驱动器，包括不动的下极板和可动的上极板，利用上极板受到的不均匀静电力而发生扭转实现驱动力的输出。MEMS扭转式静电驱动器具有较好的性能，这是因为扭转运动比垂直运动可以输出更大的驱动力和动态范围。
[0030]图1是一实施例MEMS扭转式静电驱动器的制造方法的流程图。
[0031 ] 一种MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，包括步骤:
[0032]步骤SlOO:提供基片10，基片10包括依次层叠的第一硅层100、埋氧化层200和第二硅层300。
[0033]请一并参阅图2。基片10可以是基于绝缘体的硅晶片(SOI，Silicon onInsulator)，SOI具有较大的厚度、较好的一致性和较低的残余应力。
[0034]第一硅层100、第二硅层300的电阻率应该是比较低的，可以直接用作导电材料，比如电阻率为0.001 Ω.cm?0.01 Ω.cm。第一娃层100、第二娃层300的材质可以为单晶硅，单晶硅在残余应力和表面光洁度等方面都容易符合MEMS扭转式静电驱动器的制作需求。
[0035]第一娃层100厚5微米?50微米，埋氧化层200厚0.5微米?2微米，第二娃层300厚400微米?600微米。埋氧化层200在本实施例中为二氧化硅层，在其他实施例中还可以是其他的绝缘层。埋氧化层200的厚度等于扭转电容的间隙，作为第一硅层100和第二硅层300之间的绝缘层和牺牲层。
[0036]步骤S200:将第一硅层100图形化并暴露埋氧化层200以形成与周边区域140相互间隔的矩形的上极板120，上极板120与周边区域140仅通过悬臂梁130连接，同时还在周边区域140上形成暴露埋氧化层200的凹部110。利用硅刻蚀工艺从基片10正面对第一硅层100进行刻蚀图形化，直至刻蚀到埋氧化层200。
[0037]请一并参阅图3和图4，第一硅层100被两个相互拼靠的“U”型槽分划为四边形的上极板120和周边区域140，并在“U”型槽相互拼靠之处形成两条细小的悬臂梁130。悬臂梁130连接上极板120和周边区域140，四边形的凹部110位于周边区域140。悬臂梁130应该足够细小，使在静电力的作用下能够容易发生形变扭曲，并使得上极板120发生扭转。
[0038]步骤S300:将第二硅层300图形化并暴露埋氧化层200以形成背腔310。从基片10背面对第二硅层300进行刻蚀图形化，直至刻蚀到埋氧化层200。背腔310与上极板120的形状相对应，也为四边形。背腔310位于第二硅层300上与上极板120对应的区域，背腔310覆盖该与上极板120对应的区域40%?60%的面积320，背腔310靠近任一悬臂梁的内侧端，见图4。这样的设计，是为了悬臂梁130在静电力的作用下能够容易发生形变扭曲，并使得上极板120发生扭转。在本实施例中，背腔310覆盖该与上极板120对应的区域靠近任一悬臂梁的内侧端50%的面积，即刻蚀图形应覆盖对应上极板对应的区域的半边区域。
[0039]步骤S400:去除凹部110暴露出来的埋氧化层以暴露第二硅层300，去除部分埋氧化层以悬空上极板120和悬臂梁130。去除部分埋氧化层后，留下部分埋氧化层210以支撑周边区域140。在本实施例中，利用氢氟酸去除凹部110暴露出来的埋氧化层200以暴露第二硅层300，利用氢氟酸去除部分埋氧化层200以悬空上极板120和悬臂梁130，比较难去除的位置可以通过钻孔再利用氢氟酸去除。由于上极板和和第二硅层300之间悬空，上极板120在第二硅层300上投影对应的部分就成为了下极板，留下的部分埋氧化层210在此处相当于支撑结构的作用。图5是去除部分埋氧化层以悬空上极板和悬臂梁后的结构示意图。
[0040]步骤S500:在周边区域140和凹部110暴露出来的第二硅层上分别形成上接触电极400和下接触电极500。请参阅图6，在周边区域140和凹部110暴露出来的第二硅层上通过淀积金属层并图形化分别形成上接触电极400和下接触电极500。容易得知，上接触电极400和下接触电极500都为金属电极，上接触电极400与上极板120形成电连接，下接触电极500与下极板320形成电连接。当在上接触电极400和下接触电极500施加电压时，由于静电力的作用，上极板120会发生运动。因为上极板120和下极板320不完全对应重合(相差40%?60% )，所以上极板120受到的力不均匀。上极板120与下极板320对应的部分受到的静电力大于与背腔310对应部分受到的静电力，导致悬臂梁130发生扭曲和上极板120发生扭转运动。
[0041]上述MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，以基于绝缘体的硅晶片(SOI，Siliconon Insulator)为基片，通过对第一硅层、埋氧化层和第二硅层的图形化，在第一硅层形成上极板，在第二硅层形成下极板(背腔并没有覆盖的位于第二硅层与所述上极板对应的区域)，埋氧化层用作上下极板之间的绝缘层和牺牲层材料，上极板和下极板大概重合40%?60%的面积。当在上接触电极和下接触电极施加电压时，由于静电力的作用，上极板会发生运动。因为上极板和下极板不完全对应重合(相差40 %?60 % )，所以上极板受到的力不均匀。上极板与下极板对应的部分受到的静电力大于与背腔对应部分受到的静电力，导致悬臂梁发生扭曲和上极板发生扭转运动，这就是MEMS扭转式静电驱动器，也叫MEMS扭转电容驱动器。MEMS扭转式静电驱动器利用扭曲的悬臂梁和静电力使上极板扭转实现输出较大的驱动力和更大的动态范围。而且，SOI具有较大的厚度、较好的一致性和较低的残余应力，因而制作过程相对较易控制，制作出来的MEMS扭转式静电驱动器也因为较低的残余应力而拥有更好的性能。
[0042]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，其特征在于，包括步骤: 提供基片，所述基片包括依次层叠的第一硅层、埋氧化层和第二硅层； 将第一硅层图形化并暴露所述埋氧化层以形成与周边区域相互间隔的矩形的上极板，所述上极板与所述周边区域仅通过悬臂梁连接，同时还在所述周边区域上形成暴露埋氧化层的凹部； 将第二硅层图形化并暴露所述埋氧化层以形成背腔，所述背腔位于第二硅层上与所述上极板对应的区域，并覆盖所述与上极板对应区域40%?60%的面积，所述背腔靠近所述悬臂梁的一端； 去除所述凹部暴露出来的埋氧化层以暴露第二硅层，去除部分埋氧化层以悬空所述上极板和悬臂梁； 在所述周边区域上和所述凹部暴露出来的第二硅层上分别形成上接触电极和下接触电极。2.根据权利要求1所述的MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，其特征在于，所述第一娃层、第二娃层的电阻率为0.001 Ω.cm?0.01 Ω.cm。3.根据权利要求1所述的MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，其特征在于，所述第一硅层、第二硅层的材质为单晶硅。4.根据权利要求1所述的MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，其特征在于，所述第一娃层厚5微米?50微米。5.根据权利要求1所述的MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，其特征在于，所述埋氧化层厚0.5微米?2微米。6.根据权利要求1所述的MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，其特征在于，所述第二娃层厚400微米?600微米。7.根据权利要求1所述的MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，其特征在于，所述悬臂梁数量为两条，所述背腔靠近任一悬臂梁的内侧端。8.根据权利要求1所述的MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，其特征在于，利用氢氟酸去除所述凹部暴露出来的埋氧化层以暴露第二硅层，利用氢氟酸去除部分埋氧化层以悬空所述上极板和悬臂梁。9.根据权利要求1所述的MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，其特征在于，所述背腔位于第二硅层上与所述上极板对应的区域，并覆盖所述与上极板对应区域50%的面积。10.根据权利要求1所述的MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，其特征在于，在所述周边区域上和所述凹部暴露出来的第二硅层上通过淀积金属层并图形化分别形成上接触电极和下接触电极。
【专利摘要】一种MEMS扭转式静电驱动器的制造方法，以基于绝缘体的硅晶片为基片，通过对第一硅层、埋氧化层和第二硅层的图形化，在第一硅层形成上极板，在第二硅层形成下极板，埋氧化层用作上下极板之间的绝缘层和牺牲层材料，上极板和下极板大概重合40％～60％的面积。当在上接触电极和下接触电极施加电压时，上极板与下极板对应的部分受到的静电力大于与背腔对应部分受到的静电力，导致悬臂梁发生扭曲和上极板发生扭转运动，这就是MEMS扭转式静电驱动器，其相对于平板电容驱动器有更大的驱动力和动态范围。
【IPC分类】B81C1/00
【公开号】CN105712288
【申请号】CN201410724507
【发明人】荆二荣
【申请人】无锡华润上华半导体有限公司