专利名称：一种基于soi晶片的静电驱动mems变形镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机电系统(MEMS)技术领域，特别涉及一种适用于自适应光学系统的静 电驱动MEMS变形镜。
技术背景在自适应光学、投影成像等领域，静电驱动的MEMS变形镜具有体积小、功耗低、无滞 后性、性能稳定、响应速度快、单元密度高以及可单片集成等优点，而成为一种最具发展潜 力的微变形镜。然而，单纯基于表面硅工艺技术的MEMS变形镜存在着膜层应力难控制、工 序多、成本高、行程小和静电拉入(pull-in)等缺点，这种变形镜的最大行程因受静电拉入 现象的影响而不会超过上、下极板初始间隙的1/3，小的行程难以对低阶和高阶像差进行有 效校正。并且， 一旦出现静电拉入现象，会使得上下电极短路，导致器件失效。 发明内容本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于SOI晶片的静电驱动 型MEMS变形镜，它的行程取决于镜面和驱动结构之间牺牲层的厚度，SOI晶片硅衬底层的 高度远大于对变形镜行程的要求，从而有效地避免了驱动结构的静电拉入现象，使得变形镜 矫正像差的行程大大增加。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形 镜，其中SOI晶片从上到下包括硅器件层、二氧化硅层、硅衬底层，其特征在于镜面位 于SOI晶片的硅器件层之上，镜面和SOI晶片之间是通过连接杆来连接，上极板形成在SOI 晶片的硅器件层上，下极板所在的衬底位于SOI晶片的下方，SOI晶片的硅衬底层通过键合 物键合到衬底上构成变形镜驱动结构的支撑部分，硅器件层下面的二氧化硅层和硅衬底层被 掏空作为驱动结构的行程空间。所述镜面(1)的材料为多晶硅或金属。所述镜面(1)可以是连续或分离的。所述衬底(9)的材料为硅或玻璃。3所述下极板(8)的其材料是硅或金属。所述驱动结构还包括上极板(7)、下极板(8)以及二氧化硅层(3)。 所述上极板(7)是通过对SOI晶片的硅器件层(2)掺杂、刻蚀而形成，由悬臂梁结构 (10)来支撑；下极板(8)是通过沉积或镀膜、刻蚀而形成在衬底(9)上的。所述SOI晶片的二氧化硅层(3)和硅衬底层(4)被刻蚀成槽状，该槽状结构的几何中 心与镜面(I)、连接杆(6)、上极板(7)以及下极板(8)的几何中心同轴。 所述连接杆(6)是通过对镜面(1)的沉积而形成。本发明与现有技术相比所具有的优点本发明利用了SOI晶片硅器件层作为变形镜驱动 结构的上极板，其具有无应力的特点；其二氧化硅层和硅衬底层被刻蚀的部分作为驱动结构 的行程空间，利用SOI晶片硅衬底的厚度通常都较大的特点，可以避免静电拉入(pull-in) 现象；采用体硅、表面硅、键合工艺技术，利用了它们各自的优点，可以降低制造成本，得 到大行程、阵列化的微变形镜，提高了其在自适应光学系统应用中校正像差的能力。
图l是基于SOI晶片和键合工艺的变形镜侧视图； 图2是变形镜驱动器上极板的结构示意图； 图3是变形镜上极板的三维示意图； 图4是镜面连续的变形镜侧视图； 图5是镜面分离的变形镜侧视图； 图6是变形镜未键合时的三维示意图； 图7是SOI晶片被刻蚀形成的空腔示意图； 图8是变形镜加工作电压时的形变示意图；图中l为镜面、2为SOI晶片的硅器件层、3为SOI晶片的二氧化硅层、4为SOI晶片的 硅衬底、5为键合物、6为连接杆、7为上极板、8为下极板、9为衬底、IO为悬臂梁、ll为上 极板的正方形板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
详细介绍本发明。如附图l所示为一种基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形镜的侧面示意图；其中SOI晶片 从上到下包括硅器件层2、 二氧化硅层3、硅衬底层4;镜面l位于SOI晶片的硅器件层2之上， 处于整个MEMS变形镜的最上层；镜面l和SOI晶片之间的连接是通过连接杆6来实现，连接杆6是沉积镜面1时形成的；上极板7是通过对SOI晶片的硅器件层2掺杂、刻蚀而形成在SOI 晶片的硅器件层2上，上极板7的结构示意图和三维结构示意图分别如图2和图3所示，本实施 例中所选择的上极板7的正方形板ll的大小为600umX600Pm，支撑正方形板ll的悬臂梁10 的尺寸为640pmX15um;下极板8所在的衬底9位于SOI晶片的下方，下极板8通过沉积或 镀膜、刻蚀而形成在衬底9上的，下极板8的大小与上极板7的正方形板11的大小相等，为600 umX600um;衬底9处于整个MEMS变形镜结构的最下层；SOI晶片的衬底层4和衬底9通过 环氧树脂键合物5粘结得到变形镜驱动结构的支撑部分，该驱动结构还包括上极板7、下极板 8以及二氧化硅层3;上极板7下面的SOI晶片的二氧化硅层3和硅衬底层4被掏空作为驱动器 的行程空间；这里选择镜面1和下极板8的材料是多晶硅，衬底9的材料是单晶硅，镜面l和SOI 晶片的硅器件层2之间的间隔为4nm， SOI晶片的硅器件层2厚度为2um，硅衬底层4厚度为 50p m。本发明的基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形镜的镜面l可以是连续的，也可以是分离 的；本实施例中选取的静电驱动MEMS变形镜是它们的一个单元部分，如图4所示为镜面连 续的变形镜侧视图；如图5所示为镜面分离的变形镜侧视图。图7为SOI晶片的二氧化硅层和硅衬底层被刻蚀形成的空腔示意图；其中空腔的几何中 心要与镜面l、连接杆6、上极板7以及下极板8的几何中心同轴，此空腔给了变形镜提供了行 程空间，其高度远大于镜面1和硅器件层2之间的间隔，是变形镜避免发生静电拉入(pull-in) 现象的关键原因。如附图8所示为变形镜上下极板加电压时的变形示意图。不加电压时，镜面l处于静止平 衡状态；当给变形镜的上下极板施加正、负电压时，上极板7和下极板8之间会产生电场，形 成一个方向向下的静电吸引力，上极板7以及上极板7所在的SOI晶片的硅器件层2在该静电 力作用下发生弯曲变形，并且带动由连接杆6所连接的镜面1向下运动，由于镜面l的位移可 以达到3um以上，远小于上下极板初始间隙的1/3 (17um)，不仅避免了静电拉入(pull-in) 现象的发生，而且相比于传统的基于表面硅加工工艺的MEMS变形镜，行程得到很大提高。
权利要求
1. 一种基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形镜，其中SOI晶片从上到下包括硅器件层(2)、 二氧化硅层(3)、硅衬底层(4)，其特征在于镜面(1)位于SOI晶片的硅器件层(2)之上，镜面(1)和SOI晶片之间是通过连接杆(6)来连接，上极板(7)形成在SOI晶片的硅器件层(2)上，下极板(8)所在的衬底(9)位于SOI晶片的下方，SOI晶片的硅衬底层(4)通过键合物(5)键合到衬底(9)上构成变形镜驱动结构的支撑部分，硅器件层(2)下面的二氧化硅层(3)和硅衬底层(4)被掏空作为驱动结构的行程空间。
2、 根据权利要求l所述的一种基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形镜，其特征在于所 述的镜面(1)的材料为多晶硅或金属。
3、 根据权利要求l所述的一种基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形镜，其特征在于所 述的镜面(1)可以是连续或分离的。
4、 根据权利要求l所述的一种基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形镜，其特征在于所 述的衬底(9)的材料为硅或玻璃。
5、 根据权利要求l所述的一种基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形镜，其特征在于所 述的下极板(8)的其材料是硅或金属。
6、 根据权利要求l所述的一种基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形镜，其特征在于所 述的驱动结构还包括上极板(7)、下极板(8)以及二氧化硅层(3)。
7、 根据权利要求l所述的一种基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形镜，其特征在于所 述的上极板(7)是通过对SOI晶片的硅器件层(2)掺杂、刻蚀而形成，由悬臂梁结构(10) 来支撑；下极板(8)是通过沉积或镀膜、刻蚀而形成在衬底(9)上的。
8、 根据权利要求l所述的一种基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形镜，其特征在于所 述的SOI晶片的二氧化硅层(3)和硅衬底层(4)被刻蚀成槽状空腔结构，该槽状空腔结构 的几何中心与镜面(1)、连接杆(6)、上极板(7)以及下极板(8)的几何中心同轴。
9、 根据权利要求l所述的一种基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形镜，其特征在于所 述的连接杆(6)是通过对镜面(1)的沉积而形成。
全文摘要
一种基于SOI晶片的静电驱动MEMS变形镜，其中SOI晶片从上到下包括硅器件层、二氧化硅层、硅衬底层，其特征在于镜面位于SOI晶片的硅器件层之上；镜面和SOI晶片之间是通过连接杆来连接；上极板形成在SOI晶片的硅器件层上；下极板所在的硅或玻璃衬底位于SOI晶片下方；SOI晶片的硅衬底层通过键合物键合到下极板所在衬底上构成变形镜的驱动结构的支撑部分；硅器件层下面的二氧化硅层和硅衬底层被掏空作为驱动器的行程空间；本发明的静电驱动MEMS变形镜不会受到静电拉入(pull-in)现象的影响，能够获得大的行程，能够应用于各种自适应光学系统，提高光学系统的成像质量，具有十分重要的应用价值。
文档编号G02B26/08GK101256283SQ200810103498
公开日2008年9月3日 申请日期2008年4月7日 优先权日2008年4月7日
发明者军 姚, 王大甲, 邱传凯 申请人:中国科学院光电技术研究所