芯片级真空密封的静电式振镜的制作方法

本发明属于光电领域，涉及一种振镜，尤其是一种芯片级真空密封的静电式振镜。

背景技术：

基于mems技术的振镜在投影、3d成像、汽车导航等领域广泛使用，是这些领域的核心器件之一。目前的mems振镜本身均为开放式结构，即振镜的反射面、可动结构等在流片完成之后均暴露在环境中，使用时通过后续的模组封装，将振镜封装在密封组件中，实现对振镜的保护。当前振镜的封装多为非真空封装，振镜在工作中由于反射镜面等可动部分在气体中的高频振动，产生不可忽视的噪声。这种噪声在部分应用场合影响较小，例如工业3d成像，但在消费电子领域，这样的噪声严重影响设备的使用体验，如不能有效消除噪声，这样的振镜无法在消费电子产品中真正规模化应用。如采用真空封装，则会造成密封难度增大，模组体积增大，成本升高问题；同时，目前对于振镜的真空封装主要采用胶粘剂等方式，难以长期保持真空，在较短期限内封装真空度下降，噪声水平显著上升，振镜模组在低噪声要求场景中无法继续使用。

技术实现要素：

为解决以上所述问题，本发明提出一种芯片级真空密封的静电式振镜，该振镜在流片中实现可动结构的真空密封，可动结构在真空环境中振动，由于可动结构振动与气体作用产生的噪声几乎将为零，结构本身振动产生的噪声极小，并且由于真空环境而无法传输，从而实现振镜的静音工作。

为实现以上目的，本发明采用如下方案：

真空密封振镜，由基板100、背腔板200、绝缘层300、结构层400、平坦层500以及前腔板600自下而上依次堆叠连接构成。

所述的基板100是平面板，该平面板上表面与背腔板200下表面连接。

所述的背腔板200是具有贯通腔201的平面板，背腔板200下表面与基板100上表面连接，背腔板200上表面与绝缘层300下表面连接。

所述的绝缘层300是具有中空结构的薄层平板，下表面与背腔板200上表面连接，绝缘层300上表面与结构层400下表面连接。绝缘层300的作用是分隔背腔板200与结构层400，使二者电气绝缘，同时为结构层400的不同元件提供绝缘承载。

结构层400包括反射镜体401、反射镜面402、转轴403、锚体404、可动梳齿405、固定梳齿406、固定框407、驱动焊盘408以及接地焊盘409。对于单轴振镜，包括一个反射镜体401，一个反射镜面402，一对(两个)转轴403，一对(两个)锚体404，至少一组可动梳齿405，至少一组固定梳齿406以及一个固定框407，至少一个驱动焊盘408以及至少一个接地焊盘409；对于双轴振镜，包括一个反射镜体401，一个反射镜面402，两对(四个)转轴403，两对(四个)锚体404，至少两组可动梳齿405，至少两组固定梳齿406、一个固定框407以及一个动框407a，至少两个驱动焊盘408以及至少一个接地焊盘409。

前腔板600是具有凹槽602的平板，下表面与结构层400上表面连接。上表面设置有顶焊盘601。顶焊盘601与位于结构层400的驱动焊盘408或者接地焊盘409电气连接，实现这一电气连接的方式包括低电阻率的前腔板600与tsv603(tsv是throughsiliconvia的缩写，即硅通孔互联技术，详见：吴琪乐基于硅通孔技术的3dic)。

基板100、背腔板200、绝缘层300、结构层400、平坦层500以及前腔板600依次连接形成密封腔700，结构层400中的反射镜体401、反射镜面402、转轴403、锚体404、可动梳齿405以及固定梳齿406均位于该密封腔700之内。在振镜加工过程中排出了该密封腔700中的气体。反射镜体401、反射镜面402、转轴403、可动梳齿405等运动部件在振镜工作中即在真空中振动，消除了振动部件与气体的作用而产生的噪声；同时，结构自身内部的振动很微弱，并且在真空中无法传导，即不会形成噪声。综上，实现振镜噪声消除。

振镜的作用是改变入射光束的方向。光束入射到振镜的反射镜面402并被反射，由于反射镜面402附着在反射镜体401表面，而反射镜体401绕转轴403往复振动，因此反射光束的方向随着反射镜体401的振动而周期性变化。反射镜面402位于前腔板600下方，因此入射光需要透过前腔板600才能到达反射镜面402；前腔板600对于入射光的透过率超过90％。不同的应用场景对于入射光的波长要求有区别，包括但不限于可见光、近红外、短波红外以及紫外光，针对特定入射光波长，选择特定材料的前腔板600，确保所用入射光在前腔板600的透过率不小于90％。

芯片级真空密封的静电式振镜制作方法如下：

1、准备绝缘层上硅(soi)晶圆。soi晶圆是由底硅、氧化埋层以及顶硅构成的三层结构晶圆，其中顶硅厚度为5um-150um，氧化埋层厚度为0.2um-5um，底硅厚度为50um-1mm。

2、soi顶硅金属制备。在soi顶硅表面制备图形化的金属层，分别构成反射镜面以及焊盘。制备图形化金属的方法包括沉积金属-光刻-金属刻蚀，以及光刻-沉积金属-剥离两种；其中沉积金属的方法包括溅射、蒸发、电镀。

3、正面介质层制备：在soi正面沉积介质层，沉积厚度为200nm-5um；然后对所沉积介质层进行平坦化处理，平坦化的一种优选方式是化学机械抛光。

4、介质层开窗。在第3步完成的介质层表面进行光刻、刻蚀，去除部分介质层，包括金属表面的介质层以及后续顶硅待刻蚀区域的介质层。经过第3、第4步处理完成的介质层即为平坦层500。

5、soi背腔制作。在soi底硅制作空腔，即为背腔；该空腔由底硅表面延伸至绝缘层。制作空腔的方法包括干法刻蚀与湿法腐蚀；掩蔽层包括光刻胶、介质层或者光刻胶与介质层的叠加。一种优选的方式是采用光刻胶做掩蔽层，采用等离子体干法刻蚀的方法制作空腔。

6、基板键合。在soi底硅表面键合基板。

7、soi顶硅层刻蚀。对键合基板后的soi正面的顶硅进行刻蚀，形成结构层的反射镜体、转轴、锚体、可动梳齿以及固定梳齿。soi顶层硅刻蚀过程中实施强化散热，提高刻蚀质量。

8、释放。soi顶硅正面刻蚀后，去除soi背腔上方的氧化埋层区域。一种优选的去除部分绝缘层的方法是氟化氢气体干法释放。

9、前腔板制作。另外选取一块晶圆，在其下表面刻蚀，形成一个空腔。在其上表面制作顶焊盘。该顶焊盘与位于结构层的驱动焊盘或者接地焊盘电气连通，实现这一连通的方式包括低电阻率前腔板或者tsv。此处优选的方案是顶焊盘与接地焊盘通过第电阻率前腔板电气连通：即前腔板为低电阻率材料，其下表面直接与接地焊盘接触，顶焊盘直接与前腔板上表面接触，进而顶焊盘与接地焊盘电气连通。

10、soi与前腔板真空键合。在真空环境中，将前腔板置于soi顶硅一面，使前腔板的空腔正对soi顶硅层可动结构部分，前腔板空腔四周的平面与soi顶硅的固定框上方的介质层接触，实施键合。

前腔板面积小于soi面积，键合后soi顶硅层可动结构全部被前腔板空腔覆盖，但顶硅层表面的焊盘位于前腔板覆盖区域之外。整个键合过程在真空环境中实施，键合后由基板、绝缘层、结构层以及前腔板密封形成的内部空腔为真空状态。

如果底硅层的背腔中没有填充导热质，保持真空或者在键合过程中在背腔充气体，那么在刻蚀顶硅层时，背腔区域上方的顶硅在刻蚀过程中产生的热量难以有效导出，顶硅温度升高，使得刻蚀质量下降，包括刻蚀后表面粗糙度差，以及刻蚀侧壁垂直度不足。本发明中，振镜制作方法第7步顶硅刻蚀采用强化散热实现被刻蚀表面的温度控制，确保刻蚀质量。所述强化散热的具体方法如下：

本发明强化散热包括三种方法，分别是导热质填充法，辅助气体法，以及激光诱导相变冷却法。

导热质填充法：

在振镜制作方法第5步完成之后，在soi背腔内填充导热质，然后进行第6步基板键合，使得基板与背腔构成的密闭空腔内部填充有导热质。该导热质具有与底硅材料一致的导热系数，在第7步的刻蚀中，底硅背腔区域以及底硅未刻蚀区域的导热效率一致，可以实现顶硅刻蚀过程中良好的散热，提高顶硅刻蚀的质量，包括侧壁垂直度、表面粗糙度。在第7步顶硅刻蚀以及第8步释放完成之后，原来由背腔与基板构成的密闭空腔即与外界连通，此时对晶圆进行加热，导热质挥发并通过背腔上方的空隙排出。

辅助气体法：

顶硅刻蚀过程中，在刻蚀气体中加入辅助气体，该辅助气体进入刻蚀设备腔体，在顶硅刻蚀过程中，辅助气体与刻蚀生成物发生反应，该反应是吸热反应。由于辅助气体与刻蚀气体充分混合，同时到达刻蚀表面，在刻蚀过程中，辅助气体在刻蚀表面附近持续与刻蚀生成物反应，实现在刻蚀表面附近持续吸热，即刻蚀表面的温度被控制在合适范围内，确保刻蚀质量。

激光诱导相变冷却法：

在振镜制作方法第5步完成之后，在soi背腔内填充诱导物，然后进行第6步基板键合，使得基板与背腔构成的密闭空腔内部填充有诱导物，该诱导物此时为非晶玻璃态。在第7步的刻蚀过程中，采用短波红外激光照射诱导物(短波红外可以穿透背腔四周的单晶硅到达背腔内的诱导物)，该诱导物被激光照射后逐渐发生相变，由非晶玻璃态转变为单晶态，诱导物相变过程吸收热量，使得顶硅刻蚀过程中温度控制在合适范围内，确保刻蚀质量。在第7步顶硅刻蚀以及第8步释放完成之后，原来由背腔与基板构成的密闭空腔即与外界连通，此时对晶圆进行加热，诱导物挥发并通过背腔上方的空隙排出。

有益效果：

1、振镜可动部分位于真空环境，相对于非真空密封的振镜，本发明的振镜可动部分振动时不会与空气作用，从而消除了可动部件与空气作用的噪声。

2、可动结构材料内部振动的能量极小，且由于密封在真空中，所产生的少量振动不会传导至外部，进一步消除了噪声。

3、振镜镜体、驱动梳齿等可动结构振动时无空气阻尼，大幅降低空气阻尼造成的能量损失，振镜功耗显著降低

4、振镜镜体、驱动梳齿等可动结构振动时无空气阻尼，相同驱动电压下可获得更大转角；相同转角时所需驱动电压低，进一步扩大了振镜的应用领域，降低了驱动要求。

附图说明

图1一种真空密封的单轴振镜剖视图；

图2一种真空密封的单轴振镜的结构层；

图3采用低电阻率前腔板连接的真空密封振镜示意图；

图4采用tsv连接的真空密封振镜示意图；

图5一种采用导热质填充法实施强化散热的真空密封振镜制作流程示意图；

图6一种采用辅助气体法实施强化散热的真空密封振镜制作流程示意图；

图7一种采用激光诱导相变冷却法实施强化散热的真空密封振镜制作流程示意图。

具体实施方式

如图1、2，一种真空密封的单轴振镜局部剖面图，由基板、背腔板、绝缘层、结构层、前腔板自下而上依次堆叠连接构成。其中结构层包括反射镜体、反射镜面、转轴、锚体、可动梳齿、固定梳齿、焊盘以及固定框。反射镜面是覆盖在反射镜体上表面的薄层金，厚度为100nm。基板、背腔板、绝缘层、结构层的固定框以及前腔板依次连接构成一个密闭空腔，反射镜面、反射镜体、转轴、锚体、可动梳齿以及固定梳齿均位于该密闭空腔内部。

如图3，接地焊盘409通过低电阻率的前腔板600与顶焊盘601连通。前腔板600为电阻率为0.01ω·㎝的单晶硅构成，其下表面与接地焊盘409直接接触；顶焊盘601位于前腔板600上表面，通过前腔板600与接地焊盘409实现电气导通。

如图4，接地焊盘409通过tsv与顶焊盘601连通。前腔板600为电阻率1000ω·㎝的单晶硅，其下表面与接地焊盘409直接接触，顶焊盘601位于前腔板上表面且与接地焊盘409在竖直方向正对。顶焊盘601下方设置tsv连接引线603，顶焊盘与接地焊盘409通过tsv连接线603实现电气连接。

如图5，采用导热质填充法进行强化散热的真空密封振镜制造方法，包括以下步骤：

1)准备绝缘层上硅(soi)晶圆。soi晶圆是由底硅1、氧化埋层2以及顶硅3构成的三层结构晶圆，其中顶硅1为厚度30um的单晶硅，氧化埋层2为厚度1um的二氧化硅，底硅3为厚度350um的单晶硅，如图5(1)。

2)soi顶硅金属制备。在soi顶硅3的表面制备图形化的金属层4，分别构成反射镜面402以及驱动焊盘408、接地焊盘409。制备图形化的金属层4的方法优选为沉积金属-光刻-金属刻蚀；其中沉积金属的方法优选为磁控溅射。所制作的图形化的金属层4厚度为100nm。如图5(2)。

3)正面介质层制备：在soi正面沉积介质层，沉积厚度为500nm；然后对所沉积介质层进行平坦化处理。平坦化的优选方式是化学机械抛光。如图5(3)

4)介质层开窗。在第3)步完成的介质层表面进行光刻、刻蚀，去除部分介质层，包括后续顶硅3的待刻蚀区域上方的介质层,经过第3)、第4)步处理完成的介质层即为平坦层500，如图5(4)。

5)soi背腔制作。在soi底硅1中制作空腔，即为背腔201；该空腔由底硅表面延伸至绝缘层。制作空腔的方法优选为干法刻蚀，采用光刻胶作为掩蔽层。如图5(5)

6)导热质填充。在soi背腔201中填充用于后续刻蚀过程中强化散热的导热质6，如图5(6)。

7)基板键合。在soi底硅1的下表面键合基板100，如图5(7)。

8)soi顶硅刻蚀。对键合完基板100后的soi正面的顶硅3进行刻蚀，形成结构层400的反射镜体、转轴、锚体、可动梳齿以及固定梳齿等结构，如图5(8)；示意图5(8)未详细示出反射镜体、转轴、锚体、可动梳齿以及固定梳齿等结构。soi顶硅刻蚀过程中，背腔201中充满导热质，该导热质的热导率与硅接近，顶硅刻蚀产生的热量可以通过导热质良好传导至基板100，顶硅温度得以控制在稳定水平，从而保证顶硅刻蚀质量。

9)释放。soi的顶硅3正面刻蚀后，去除soi背腔201上方的氧化埋层区域。此处优选的去除部分氧化埋层的方法是氟化氢气体干法释放。如图5(9)。

10)导热质去除。第9)步完成的晶圆置于密封箱，充入氮气，使得密封箱内压强达到200kpa，然后以1℃/分钟的速度降温至-20℃，然后以10kpa/分钟的速度使密封箱内压强降至10kpa，保持30分钟，使得导热质5完全挥发，如图5(10)。

11)前腔板制作。另外选取一块晶圆，材料为掺杂紫外透过玻璃，对300nm-390nm波长激光的透过率大于90％，电阻率为0.01ω·㎝。在其下表面刻蚀，形成一个空腔，在其上表面制作顶焊盘，得到前腔板600。采用该前腔板600的振镜用于波长为350nm-375nm的激光投射，如图5(11)。

12)soi与前腔板真空键合。在真空环境中，将前腔板600置于soi的顶硅3一面，使前腔板600的空腔正对soi的顶硅3中可动结构部分，前腔板600空腔四周的平面与soi的顶硅3的固定框上方的介质层接触，实施键合，如图5(12)。

如图6，采用辅助气体法实现强化散热的振镜制作流程，包括如下步骤：

1)准备绝缘层上硅(soi)晶圆。soi晶圆是由底硅1、氧化埋层2以及顶硅3构成的三层结构晶圆，其中顶硅3为厚度30um的单晶硅，氧化埋层2为厚度1um的二氧化硅，底硅1为厚度350um的单晶硅，如图6(1)。

2)soi顶硅金属制备。在soi顶硅表面制备图形化的金属层，分别构成反射镜面以及焊盘。制备图形化金属的方法优选为沉积金属-光刻-金属刻蚀；其中沉积金属的方法优选为磁控溅射。所制作的金属层厚度为100nm。如图6(2)。

3)正面介质层制备：在soi正面沉积介质层，沉积厚度为500nm；然后对所沉积介质层进行平坦化处理。平坦化的优选方式是化学机械抛光。如图6(3)。

4)介质层开窗。在第3)步完成的介质层表面进行光刻、刻蚀，去除部分介质层，包括后续顶硅待刻蚀区域上方的介质层，如图6(4)。

5)soi背腔制作。在soi底硅制作空腔，即为背腔；该空腔由底硅表面延伸至绝缘层。制作空腔的方法优选为干法刻蚀，采用光刻胶作为掩蔽层。如图6(7)。

6)基板键合。在soi底硅的下表面键合基板，如图6(8)。

7)soi顶硅层刻蚀。对键合基板后的soi正面的顶硅进行刻蚀，形成结构层的反射镜体、转轴、锚体、可动梳齿以及固定梳齿。soi顶层硅刻蚀过程中在刻蚀气体中加入辅助气体，该辅助气体进入刻蚀设备腔体，在顶硅刻蚀过程中，辅助气体与刻蚀生成物发生反应，该反应是吸热反应。由于辅助气体与刻蚀气体充分混合，同时到达刻蚀表面，在刻蚀过程中，辅助气体在刻蚀表面附近持续与刻蚀生成物反应，实现在刻蚀表面附近持续吸热，即刻蚀表面的温度被控制在合适范围内，确保刻蚀质量。刻蚀后表面粗糙度小于10nm，侧壁垂直度90°±0.2°。如图6(7)。

8)释放。soi顶硅正面刻蚀后，去除soi背腔上方的绝缘层区域。此处优选的去除部分绝缘层的方法是氟化氢气体干法释放。如图6(8)。

9)前腔板制作。另外选取一块晶圆，材料为掺杂磷酸玻璃，电阻率为0.01ω·㎝，可见光透过率大于90％。在其下表面刻蚀，形成一个空腔，在其上表面制作顶焊盘。采用该前腔板的振镜用于390nm-780nm波长激光的投射。如图6(9)。

10)soi与前腔板真空键合。在真空环境中，将前腔板置于soi顶硅一面，使前腔板的空腔正对soi顶硅层可动结构部分，前腔板空腔四周的平面与soi顶硅的固定框上方的介质层接触，实施键合，如图6(10)。

如图7，采用激光诱导相变冷却的强化散热方法制作振镜的流程，包括如下步骤：

1)准备绝缘层上硅(soi)晶圆。soi晶圆是由底硅1、氧化埋层2以及顶硅3构成的三层结构晶圆，其中顶硅3为厚度30um的单晶硅，氧化埋层2为厚度1um的二氧化硅，底硅1为厚度350um的单晶硅，如图7(1)。

2)soi顶硅金属制备。在soi顶硅表面制备图形化的金属层，分别构成反射镜面以及焊盘。制备图形化金属的方法优选为沉积金属-光刻-金属刻蚀；其中沉积金属的方法优选为磁控溅射。做制作的金属层厚度为100nm。如图7(2)

3)正面介质层制备：在soi正面沉积介质层，沉积厚度为500nm；然后对所沉积介质层进行平坦化处理。平坦化的优选方式是化学机械抛光。如图7(3)。

4)介质层开窗。在第3步完成的介质层表面进行光刻、刻蚀，去除部分介质层，包括后续顶硅待刻蚀区域上方的介质层，如图7(4)。

5)soi背腔制作。在soi底硅制作空腔，即为背腔；该空腔由底硅表面延伸至绝缘层。制作空腔的方法优选为干法刻蚀，采用光刻胶作为掩蔽层。如图7(5)。

6)诱导物填充。在soi背腔中填充诱导物，用于后续刻蚀过程中强化散热，如图7(6)。

7)基板键合。在soi底硅表面键合基板，如图7(7)。

8)soi顶硅层刻蚀。对键合基板后的soi正面的顶硅进行刻蚀，形成结构层的反射镜体、转轴、锚体、可动梳齿以及固定梳齿。soi顶层硅刻蚀过程中实施强化散热，提高刻蚀质量。在振镜制作方法第5步完成之后，在soi背腔内填充诱导物，然后进行第6步基板键合，使得基板与背腔构成的密闭空腔内部填充有诱导物，该诱导物此时为非晶玻璃态。在第7)步的刻蚀过程中，采用短波红外激光照射诱导物(短波红外可以穿透背腔四周的单晶硅到达背腔内的诱导物)，该诱导物被激光照射后逐渐发生相变，由非晶玻璃态转变为单晶态，诱导物相变过程吸收热量，使得顶硅刻蚀过程中温度控制在合适范围内，确保刻蚀质量。刻蚀后表面粗糙度小于10nm，侧壁垂直度90°±0.2°。如图7(8)。

9)释放。soi顶硅正面刻蚀后，去除soi背腔上方的绝缘层区域。此处优选的去除部分绝缘层的方法是氟化氢气体干法释放。如图7(9)。

10)诱导物去除。第9步完成的晶圆置于氮气气氛烘箱中，以5℃/分钟的速度升温至60℃，保温60分钟，使诱导物完全蒸发，如图7(10)。

11)前腔板制作。另外选取一块晶圆，该晶圆电阻率为0.01ω·㎝，在其下表面刻蚀，形成一个空腔。并在其上表面制作顶焊盘。在晶圆上表面顶焊盘以外区域沉积红外增透膜，使得波长为1.1μm-2μm的红外波长透过率大于90％。采用该前腔板的振镜用于波长1.2μm-1.9μm的红外激光投射。如图7(11)。

12)soi与前腔板真空键合。在真空环境中，将前腔板置于soi顶硅一面，使前腔板的空腔正对soi顶硅层可动结构部分，前腔板空腔四周的平面与soi顶硅的固定框上方的介质层接触，实施键合，如图7(12)。