基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构及其制备工艺的制作方法

1.本发明属于光学元件中的扭转微振镜技术领域，具体涉及基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构及其制备工艺。


背景技术：

2.扭转微振镜作为一种以扭转运动作为工作模式的mems执行器，驱动其发生扭转的方式对其工作性能影响尤为关键。目前扭转微振镜的驱动方式主要包括静电驱动、电磁驱动以及压电驱动等方式，其中静电驱动因其体积小、工艺简单、易于集成等优点，被广泛用于光学成像、光通讯以及激光雷达等领域。
3.静电驱动在mems领域中主要采取梳齿阵列结构来实现静电驱动力驱动，如谐振压力传感器、陀螺等器件，但在上述器件中，静电梳齿提供的驱动力均为驱动平面运动，而扭转微振镜的运动方式需要扭转运动，平面梳齿阵列难以为扭转微振镜提供较大的驱动扭矩，因此交错垂直梳齿驱动阵列（stagger vertical comb-drive array）作为一种新的驱动结构，常被用于扭转运动驱动。
4.目前交错垂直梳齿驱动阵列的实现方法如下：（1）热塑性变形法（jongbaeg kim, christensen, d.,&lin, l. (2005). monolithic 2-d scanning mirror using self-aligned angular vertical comb drives. ieee photonics technology letters, 17(11), 2307
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2309.）：利用有凸台的晶圆对位键合，或利用固定挤压或热塑性变形的方式，来形成有角度差的梳齿阵列，最终产生扭矩。
5.（2）晶圆键合法（hah, d., patterson, p. r., nguyen, h. d., toshiyoshi, h.,&wu, m. c. (2004). theory and experiments of angular vertical comb-drive actuators for scanning micromirrors. ieee journal of selected topics in quantum electronics, 10(3), 505
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513.）：利用两张晶圆对位键合，形成上下交错的梳齿阵列，通过两张晶圆的高度差来产生扭矩。
6.（3）双层soi刻蚀法（jung, i. w., rattanavarin, s., sarapukdee, p., mandella, m. j., piyawattanametha, w.,&lopez, d. (2012). 2-d mems scanner for handheld multispectral confocal microscopes. 2012 international conference on optical mems and na-nophotonics.）：利用双层soi片第一层器件层与第二层器件层分步进行刻蚀，分别在两层器件层形成上下交错的梳齿阵列，最后释放掉两层之间的氧化层。
7.（4）单层soi刻蚀法（kwon, s., milanovic, v.,&lee, l. p. (2004). vertical combdrive based 2-d gimbaled micromirrors with large static rotation by backside island isolation. ieee journal of selected topics in quantum electronics, 10(3), 498
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504.）：利用soi片件层进行正反两面刻蚀，分别在器件层上下两面形成交错的梳齿阵列，通过工艺参数控制保证器件尺寸精度。
8.以上方法为目前常见的交错垂直梳齿驱动阵列的制备方法，但其缺陷十分明显，
如方法（1）和（2），因为梳齿间隙基本都在几微米之间，对设备精度要求高，所以对于晶圆对位要求极高，导致制造成本增加，且存在键合工艺，使得工艺过程较为复杂；如方法（3），虽然采用了双层soi刻蚀来保证交错梳齿阵列之间的间隙精度，但常见的方法多采用正反面刻蚀的方法，但底层硅的存在造成了正反面刻蚀难度大的问题，因此存在良率低和高成本的问题；如方法（4），相较于双层soi片，单层soi片成本更低，但是相较于方法（3），正反面刻蚀难度更大，同时因为使用了单层soi片，导致上下梳齿之间无氧化层，无法在干法刻蚀过程中保证自适应停止，需要依靠大量工艺经验来保证器件精度。


技术实现要素：

9.为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构及其制备工艺，通过对交错垂直梳齿驱动阵列的结构进行设计，准确控制扭转微振镜梳齿阵列与交错垂直梳齿驱动阵列之间的高度差，以便于为扭转微振镜提供可靠稳定的扭矩，最终达到正常工作的目的，具有高可靠性、高一致性、高重复性和低成本的优点。
10.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构，包括键合玻璃，所述键合玻璃上制备有扭转微振镜，扭转微振镜包括位于键合玻璃中心处的扭转微振镜镜面，所述扭转微振镜镜面的两侧分别与扭转微振镜转轴的一端相连接，两个扭转微振镜转轴关于扭转微振镜镜面对称；扭转微振镜转轴的另一端与芯片外框相连接，扭转微振镜转轴的两侧对称布置有扭转微振镜梳齿阵列，扭转微振镜梳齿阵列的外侧设置有交错垂直梳齿驱动阵列，所述交错垂直梳齿驱动阵列与键合玻璃静电键合。
11.所述交错垂直梳齿驱动阵列包括静电键合部分，静电键合部分的一侧刻蚀有驱动梳齿阵列，驱动梳齿阵列和扭转微振镜梳齿阵列交错排列。
12.所述交错垂直梳齿驱动阵列和芯片外框上分别布置有金属焊盘。
13.所述扭转微振镜梳齿阵列与交错垂直梳齿驱动阵列之间具有高度差。
14.基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构的制备工艺，包括以下步骤：步骤1，准备键合玻璃：根据扭转微振镜的结构尺寸，确定可动尺寸范围；步骤2，清洗soi晶圆：对soi晶圆清洗并干燥后待用，所述soi晶圆是三层结构的硅基晶圆，soi晶圆自上而下包括soi晶圆器件层、soi晶圆埋氧层以及soi晶圆底硅层；步骤3，刻蚀soi晶圆器件层：刻蚀soi晶圆器件层，形成交错垂直梳齿驱动阵列的静电键合部分；步骤4，静电键合：将步骤1准备好的键合玻璃与步骤3刻蚀后的soi晶圆器件层进行静电键合，使静电键合部分与键合玻璃紧密接触，形成玻璃上硅sog结构；步骤5，去除soi晶圆器件层背面的soi晶圆底硅层和soi晶圆埋氧层：利用干湿法刻蚀或减薄抛光工艺，去除soi晶圆器件层背面的soi晶圆底硅层和soi晶圆埋氧层；
步骤6，对soi晶圆器件层背面溅射：对步骤5获得的soi晶圆器件层的背面进行溅射，形成金属部分，所述金属部分包括扭转微振镜镜面和金属焊盘；步骤7，刻蚀soi晶圆器件层背面：对步骤6溅射后的soi晶圆器件层的背面进行干法刻蚀，形成扭转微振镜的结构，所述扭转微振镜的结构包括扭转微振镜镜面、扭转微振镜梳齿阵列、扭转微振镜转轴、交错垂直梳齿驱动阵列以及芯片外框，扭转微振镜梳齿阵列和交错垂直梳齿驱动阵列中的驱动梳齿阵列交错排列。
15.所述静电键合部分的高度范围为5-10微米。
16.相对于现有技术，本发明的有益效果在于：1、本发明可用于各种扭转微振镜器件中驱动梳齿阵列的制备，通过利用键合玻璃1，可在soi晶圆两面加工不同形状，避免单独利用soi晶圆在同一面加工不同高度形状带来的工艺困难，可满足不同的工作要求，例如3d成像领域、光衰减器以及光滤波器等器件中的扭转微振镜。
17.2、本发明由于去除了soi晶圆的底层硅，极大地减少了工艺难度，相较于双层soi晶圆刻蚀法和单层soi晶圆刻蚀法，具有高稳定性，低成本以及低加工难度等优点。
18.3、相较于热塑性变形法和晶圆键合法，本发明不需要晶圆之间的对准键合，因此对器件制备没有过高的设备精度要求，相较于这两种方法，具有低成本，高重复性的优点。
19.综上所述，与现有技术相比，本发明通过对交错垂直梳齿驱动阵列的结构进行设计，准确控制扭转微振镜梳齿阵列与交错垂直梳齿驱动阵列之间的高度差，以便于为扭转微振镜提供可靠稳定的扭矩，本发明具备高可靠性、高一致性、高重复性和低成本等优点，非常适用于形成交错垂直梳齿驱动阵列，可被广泛应用于光学成像、光通信等领域。
附图说明
20.图1是本发明的结构示意图。
21.图2（a）是扭转微振镜结构梳齿位置示意图。
22.图2（b）是图2（a）中a处放大示意图。
23.图3（a）是本发明交错垂直梳齿驱动阵列的正面结构示意图。
24.图3（b）是本发明交错垂直梳齿驱动阵列的背面结构示意图。
25.图3（c）是本发明刻蚀后的高度差示意图。
26.图4（a）是本发明的键合玻璃结构示意图；图4（b）是本发明的soi晶圆结构示意图；图4（c）是本发明静电键合部分结构示意图；图4（d）是本发明玻璃上硅sog结构示意图；图4（e）是本发明soi晶圆器件层结构示意图；图4（f）是本发明soi晶圆器件层金属溅射后结构示意图；图4（g）是本发明扭转微振镜结构示意图。
27.图中，1为键合玻璃，2为扭转微振镜，3为扭转微振镜梳齿阵列，4为交错垂直梳齿驱动阵列，5为扭转微振镜转轴，6为扭转微振镜镜面，7为金属焊盘，8为芯片外框，201为soi晶圆器件层，202为soi晶圆埋氧层，203为soi晶圆底硅层，401为驱动梳齿阵列，402为静电键合部分。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
29.参见图1、图2（a）和图2（b），基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构，包括键合玻璃，所述键合玻璃上制备有扭转微振镜，扭转微振镜包括位于键合玻璃中心处的扭转微振镜镜面，所述扭转微振镜镜面的两侧分别与扭转微振镜转轴的一端相连接，两个扭转微振镜转轴关于扭转微振镜镜面对称；扭转微振镜转轴的另一端与芯片外框相连接，扭转微振镜转轴的两侧对称布置有扭转微振镜梳齿阵列，扭转微振镜梳齿阵列的外侧设置有交错垂直梳齿驱动阵列，所述交错垂直梳齿驱动阵列与键合玻璃静电键合，交错垂直梳齿驱动阵列和芯片外框上分别布置有金属焊盘，用于与外界连接，扭转微振镜梳齿阵列与交错垂直梳齿驱动阵列之间形成高度差，整个器件功能层为soi器件层（低阻硅）制备而成，通过静电键合固定于键合玻璃片上；所述键合玻璃主要用于为整体器件提供支撑结构以及形成扭转微振镜梳齿阵列与交错垂直梳齿驱动阵列的高度差，同时为了保证具有足够的扭转间隙，键合玻璃在扭转微振镜可动区域范围内，可通过刻蚀或打孔的方式提供运动空间；所述扭转微振镜梳齿阵列分布于扭转微振镜转轴或扭转微振镜镜面两侧，用于驱动扭转微振镜运动；所述交错垂直梳齿驱动阵列与扭转微振镜梳齿阵列成对布置，在电压差的作用下，用于与扭转微振镜梳齿阵列之间产生静电力，最终驱动扭转微振镜发生扭转运动，其与扭转微振镜梳齿阵列的高度差可通过刻蚀深度，形成了微振镜两侧梳齿的高度差；所述扭转微振镜转轴用于为扭转微振镜提供扭转运动支撑；所述扭转微振镜镜面位于器件中心位置，扭转微振镜镜面上通过溅射附着金属层（包括但不限于金或铝等金属），达到反射光路的目的，其结构包括但不限于圆形或矩形等其他形状；所述金属焊盘位于器件外围，用于为扭转微振镜提供电压，以达到驱动扭转微振镜的目的。
30.参见图3（a）、图3（b）和图3（c），所述交错垂直梳齿驱动阵列包括静电键合部分，静电键合部分的一侧刻蚀有驱动梳齿阵列，驱动梳齿阵列和扭转微振镜梳齿阵列交错排列。
31.基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构的制备工艺，包括以下步骤：步骤1，准备键合玻璃：根据扭转微振镜的结构尺寸，确定其可动尺寸范围；参见图4（a），根据扭转微振镜的几何尺寸，确定其刻槽或打孔的尺寸范围；步骤2，清洗soi晶圆：参见图4（b），对soi晶圆清洗并干燥后待用；所述soi晶圆是三层结构的硅基晶圆，soi晶圆自上而下包括soi晶圆器件层、soi晶圆埋氧层以及soi晶圆底硅层；步骤3，刻蚀soi晶圆器件层：参见图4（c），刻蚀soi晶圆器件层，形成交错垂直梳齿驱动阵列的静电键合部分，深度为5微米，可视工艺能力而定；步骤4，静电键合：参见图4（d），将步骤1准备的键合玻璃与步骤3刻蚀后的soi晶圆器件层进行静电
键合，使静电键合部分与键合玻璃紧密接触，形成玻璃上硅sog (silicon on glass)结构，由于整张soi晶圆的刚度足够，因此，仅静电键合部分处与键合玻璃发生静电键合，其余刻蚀间隙之间不会发生静电吸附；步骤5，去除soi晶圆器件层背面的soi晶圆底硅层和soi晶圆埋氧层：参见图4（e），利用干湿法刻蚀或减薄抛光工艺，去除soi晶圆器件层背面的soi晶圆底硅层和soi晶圆埋氧层；步骤6，对soi晶圆器件层背面溅射：参见图4（f），对步骤5获得的soi晶圆器件层的背面进行溅射，形成金属部分，所述金属部分包括扭转微振镜镜面和金属焊盘；步骤7，刻蚀soi晶圆器件层背面：参见图4（g），对步骤6溅射后的soi晶圆器件层的背面进行干法刻蚀，形成扭转微振镜的结构，所述扭转微振镜的结构包括扭转微振镜镜面、扭转微振镜梳齿阵列、扭转微振镜转轴、交错垂直梳齿驱动阵列以及芯片外框，扭转微振镜梳齿阵列和交错垂直梳齿驱动阵列中的驱动梳齿阵列交错排列。
32.所述步骤4中静电键合的具体过程为：a、将soi晶圆器件层的抛光面与键合玻璃的抛光面清洗，必要时做亲水护理；b、对两抛光面施加压力，使其紧密接触；c、将温度逐渐升高到300℃-500℃；d、在soi晶圆器件层一侧加电源正极，键合玻璃接负极，电压范围在500-1000v；e、待温度降至室温时，撤去外加电压。
33.综上所述，本发明中制备扭转微振镜的方法可用于各种扭转微振镜器件中驱动梳齿阵列的制备，相较于热塑性变形法和利用两张晶圆对位键合的晶圆键合法，本发明以键合玻璃作为基底，利用单张soi晶圆与键合玻璃，降低了制造成本，减少了键合工艺的次数；相较于双层soi刻蚀法和单层soi刻蚀法，本发明仅对单张soi晶圆的一面进行刻蚀，在soi晶圆的同一面上形成扭转微振镜梳齿阵列和交错垂直梳齿驱动阵列，并且在同一面进行刻蚀可以更精确的控制扭转微振镜梳齿阵列和交错垂直梳齿驱动阵列之间的高度差，因此本发明具有低成本、低复杂度和高精度的有点，可广泛应用于3d成像、光衰减器以及光滤波器等领域。

技术特征：
1.基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构，包括键合玻璃（1），其特征在于：所述键合玻璃（1）上制备有扭转微振镜（2），扭转微振镜（2）包括位于键合玻璃（1）中心处的扭转微振镜镜面（6），所述扭转微振镜镜面（6）的两侧分别与扭转微振镜转轴（5）的一端相连接，两个扭转微振镜转轴（5）关于扭转微振镜镜面（6）对称；扭转微振镜转轴（5）的另一端与芯片外框（8）相连接，扭转微振镜转轴（5）的两侧对称布置有扭转微振镜梳齿阵列（3），扭转微振镜梳齿阵列（3）的外侧设置有交错垂直梳齿驱动阵列（4），所述交错垂直梳齿驱动阵列（4）与键合玻璃（1）静电键合。2.根据权利要求1所述的基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构，其特征在于：所述交错垂直梳齿驱动阵列（4）包括静电键合部分（402），静电键合部分（402）的一侧刻蚀有驱动梳齿阵列（401），驱动梳齿阵列（401）和扭转微振镜梳齿阵列（3）交错排列。3.根据权利要求1所述的基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构，其特征在于：所述交错垂直梳齿驱动阵列（4）和芯片外框（8）上分别布置有金属焊盘（7）。4.根据权利要求1或2所述的基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构，其特征在于：所述扭转微振镜梳齿阵列（3）与交错垂直梳齿驱动阵列（4）之间具有高度差。5.根据权利要求1所述的基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，准备键合玻璃（1）：根据扭转微振镜（2）的结构尺寸，确定可动尺寸范围；步骤2，清洗soi晶圆：对soi晶圆清洗并干燥后待用，所述soi晶圆是三层结构的硅基晶圆，soi晶圆自上而下包括soi晶圆器件层（201）、soi晶圆埋氧层（202）以及soi晶圆底硅层（203）；步骤3，刻蚀soi晶圆器件层（201）：刻蚀soi晶圆器件层（201），形成交错垂直梳齿驱动阵列（4）的静电键合部分（402）；步骤4，静电键合：将步骤1准备的键合玻璃（1）与步骤3刻蚀后的soi晶圆器件层（201）进行静电键合，使静电键合部分（402）与键合玻璃（1）紧密接触，形成玻璃上硅sog结构；步骤5，去除soi晶圆器件层（201）背面的soi晶圆底硅层（203）和soi晶圆埋氧层（202）：利用干湿法刻蚀或减薄抛光工艺，去除soi晶圆器件层（201）背面的soi晶圆底硅层（203）和soi晶圆埋氧层（202）；步骤6，对soi晶圆器件层（201）背面溅射：对步骤5获得的soi晶圆器件层（201）的背面进行溅射，形成金属部分，所述金属部分包括扭转微振镜镜面（6）和金属焊盘（7）；步骤7，刻蚀soi晶圆器件层（201）背面：对步骤6溅射后的soi晶圆器件层（201）的背面进行干法刻蚀，形成扭转微振镜（2）的结构，所述扭转微振镜（2）的结构包括扭转微振镜镜面（6）、扭转微振镜梳齿阵列（3）、扭转微振镜转轴（5）、交错垂直梳齿驱动阵列（4）以及芯片外框（8），扭转微振镜梳齿阵列（3）和交错垂直梳齿驱动阵列（4）中的驱动梳齿阵列（401）交错排列。6.根据权利要求5所述的基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构的制备工艺，其特征在于：所述静电键合部分（402）的高度范围为5-10微米。

技术总结
基于交错垂直梳齿驱动阵列的微振镜结构及其制备工艺，结构包括键合玻璃上制备的扭转微振镜镜面，镜面两侧分别与扭转微振镜转轴的一端连接；转轴另一端与芯片外框连接，转轴两侧对称布置扭转微振镜梳齿阵列，扭转微振镜梳齿阵列外侧设有交错垂直梳齿驱动阵列，交错垂直梳齿驱动阵列与键合玻璃静电键合；制备工艺包括刻蚀SOI晶圆器件层、静电键合、去除底硅层和埋氧层、溅射SOI晶圆器件层背面和刻蚀SOI晶圆器件层背面；本发明能够准确控制扭转微振镜梳齿阵列与交错垂直梳齿驱动阵列之间的高度差，以便于为扭转微振镜提供可靠稳定的扭矩，具有高可靠性、高一致性、高重复性和低成本的优点。优点。优点。


技术研发人员：许煜 白民宇 孟庆阳 胡泽喜 马力 吴建凰 张妮妮
受保护的技术使用者：西安知象光电科技有限公司
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/9/9