CN101604069B - 一种基于键合工艺的三层连续面型mems变形镜的制作工艺 - Google Patents
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Abstract
一种基于键合工艺的三层连续面型MEMS变形镜的制作工艺，主要包括在SOI晶片上表面干法刻蚀出释放孔，将SOI晶片中间氧化层进行部分释放，对SOI晶片下表面进行湿法刻蚀，并在另一块基片(硅片或玻璃上)上沉积金属作为电极结构，最后将该基片与SOI晶片进行键合。其特征在于将体硅微加工工艺和表面微加工工艺相结合，将体硅工艺加工得到的上面两层结构和采用表面微加工得到的下电极结构层进行键合，得到的三层微机械结构。本发明是一种基于键合工艺的三层连续面型的MEMS变形镜，其制作工艺过程相对容易，解决了传统连续表面微机械变形镜通过三层表面微加工加工难度大的缺点，而且加工出的变形镜可得到大的离面位移，并通过加入氮化硅绝缘层消除静电拉入导致短路的缺陷，可广泛适用于光通讯及自适应光学领域。
Description
技术领域
本发明涉及微光机电***技术领域，特别涉及一种适用于自适应光学***的基于键合工艺的三层连续面型MEMS变形镜的制作工艺。
背景技术
在自适应光学领域，静电驱动的MEMS变形镜具有体积小，功耗低，响应速度快，可批量生产，与集成电路兼容性好等优点，因而在自适应光学***中备受青睐。现有的静电驱动MEMS变形镜一般都是采用表面微加工技术进行加工，加工难度较大；且要得到大的行程，例如大于4微米的行程，由于静电拉入效应的影响，驱动器的行程不能超过初始极板间距的三分之一，就需要牺牲层的厚度大于10微米，加工难度更大。通过采用基于键合工艺的三层连续面型MEMS变形镜的制作工艺，使得加工连续面型的变形镜的难度降低，容易加工出大行程的变形镜，而且本工艺在上下极板之间加入了一层氮化硅薄膜，避免了静电拉入对器件短路的损害，而且由于是连续型，填充因子接近100％。
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，设计了一种基于键合工艺的三层连续面型MEMS变形镜的制作工艺，加工过程相对简单，也易于加工大行程连续面型变形镜，填充因子可以达到接近100％。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于键合工艺的三层连续面型MEMS变形镜的制作工艺，将体硅加工工艺和表面微加工工艺相结合，即将体硅工艺加工出的上面两层与用表面工艺加工出的下电极结构层相键合，从而得到三层微机械结构。
具体由以下工艺流程构成：
(1)取一块玻璃或硅片作为基底；
(2)光刻并刻蚀，在基底上形成0.3～2.0微米深的槽；
(3)沉积0.3～2.0微米厚的多晶硅或非晶硅或金属薄膜，然后光刻并刻蚀，刻蚀深度等于这层薄膜的厚度，形成变形镜的下电极和引线；
(4)沉积厚度为0.1～1.0微米的氮化硅薄膜，然后光刻并刻蚀，刻蚀深度等于这层薄膜的厚度，使得氮化硅或二氧化硅层将下电极覆盖，从而避免静电拉入效应对器件造成短路的损害；
(5)取一块SOI晶片，晶片的硅结构层厚度是0.3～20.0微米，氧化层厚度是0.3～10微米，基底厚度为300～1000微米，或者在厚300～1000微米的普通硅片的上表面热氧化一层厚0.3～10微米的氧化层，然后在氧化层上表面键合一块硅片并将这块硅片用机械或化学的方法减薄到0.3～20微米厚并将其磨平；
(6)对步骤(5)得到的晶片上下表面都沉积两层二氧化硅和两层氮化硅，顺序是二氧化硅→氮化硅→二氧化硅→氮化硅，为后续的湿法刻蚀或干法刻蚀做准备；
(7)对步骤(6)得到的结构下表面进行两次光刻和刻蚀，形成台阶状的结构，为后续的湿法刻蚀做准备；
(8)以步骤(7)得到的台阶状的氮化硅和二氧化硅为掩膜进行湿法或干法刻蚀硅基底，刻蚀至距离基底的上表面12～52微米处停止；
(9)然后湿法或干法刻蚀掉一层氮化硅和二氧化硅，以剩余的氮化硅和二氧化硅作掩膜进行湿法或干法刻蚀硅基底，深度为10～50微米；
(10)将上下表面剩余的二氧化硅和氮化硅用湿法或干法刻蚀除掉；
(11)将步骤(3)中得到的结构的上表面和步骤(10)中得到的结构的下表面进行熔融键合或阳极键合或低温键合；
(12)对步骤(10)中得到的结构的上表面进行光刻并刻蚀，形成释放孔，然后将释放孔下面的氧化层释放，只保留将第一层和第二层连接的连接体。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明主要在SOI晶片上表面进行干法刻蚀出释放孔，将部分氧化层释放，下表面湿法刻蚀并在另一块晶片上加工出电极结构并将两片晶片进行键合，将体硅加工和表面微加工结合在一起，用体硅加工上面两层然后键合下面表面微加工出的下电极得到三层机械结构，解决了传统连续表面微机械变形镜通过三层表面微加工加工难度大的缺点，而且加工出的变形镜上下极板间距可以做到超过20微米，可得到大的离面位移，还通过加入氮化硅绝缘层消除静电拉入的影响，可广泛适用于自适应光学领域。
附图说明
图1为本发明方法的实现流程图；
图2为本发明中的玻璃或硅基底立体图；
图3为本发明中在基底刻蚀槽之后的立体图；
图4为本发明中在上面沉积金属或多晶硅或非晶硅并刻蚀后的结构图；
图5为本发明中在上面沉积氮化硅并刻蚀后的结构图；
图6为本发明中另一块SOI晶片或者用普通硅片上表面热氧化一层氧化层，然后在氧化层上表面键合一块硅片并将这块硅片用机械或化学的方法减薄并将其磨平；
图7为对图6得到的晶片上下表面都沉积2层二氧化硅和两层氮化硅的仰视图；
图8为本发明中加工湿法或干法刻蚀的掩膜的仰视结构示意图；
图9为本发明中进行一次湿法或干法刻蚀，刻蚀到距离基底的上表面12～52微米处停止仰视结构图；
图10为本发明中用湿法或干法刻蚀掉一层氮化硅和二氧化硅，再进行一次湿法或干法刻蚀并刻蚀掉剩余的氮化硅和二氧化硅仰视结构图；
图11a为本发明中键合前上面的两层结构立体图；
图11b为本发明中键合前下面一层结构的立体图；
图11c为本发明中键合后AA1的剖视图。
图中：1为第一个基底，2为电极引线，3为下电极，4为覆盖下电极的氮化硅，5为用作镜面的结构层，6为氧化层，7为第二基底，8为氮化硅，9为二氧化硅，10为刻蚀出图形用作湿法或干法刻蚀掩膜的氮化硅，11为湿法刻蚀出的上电极，12为键合时的连接体，13释放孔，14为薄板梁结构，15为连接镜面和驱动梁的连接体。
具体实施例
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1
以3×3单元三层连续面形微机械变形镜的制作过程为例，结合附图对本发明作具体描述，具体步骤如图1所示。
1.取一块500微米厚的5英寸Pyrex7740玻璃作为第一基底1，如图2所示。
2.用第一个掩膜版光刻并用缓冲氢氟酸湿法刻蚀出0.5微米深的槽，为沉积下电极做准备，如图3所示。
3.在玻璃基底上表面蒸镀0.5微米厚的金，然后光刻并干法刻蚀，刻蚀深度为0.5微米，形成变形镜的下电极3和引线2，如图4所示。
4.用PECVD沉积厚度为0.5微米的氮化硅薄膜4，然后光刻并干法刻蚀，刻蚀深度等于这层薄膜的厚度，使得氮化硅将下电极覆盖，从而避免静电拉入效应对器件造成短路的损害，如图5所示。
5.在厚400微米的4英寸N型(100)3级双面抛光麦克斯硅片作为第二基底7的上表面热氧化一层厚3微米的氧化层6，然后在氧化层上表面键合一块同样的硅片并将这块硅片用机械或化学的方法减薄到3微米厚并将其用CMP抛光作为镜面的结构层，如图6所示。
6.将上一步得到的晶片上下表面都用PECVD沉积2层厚度都是300nm的二氧化硅9和两层氮化硅8，顺序是二氧化硅→氮化硅→二氧化硅→氮化硅，为后续的湿法刻蚀或基底做准备，如图7所示。
7.对上一步得到的结构下表面进行两次光刻和两次干法刻蚀，形成台阶状的结构10，为后续的湿法刻蚀基底做准备，如图8所示。
8.以上一步得到的台阶状的氮化硅和二氧化硅为掩膜用50％的氢氧化钾溶液湿法刻蚀硅基底，刻蚀至距离基底的上表面20微米处停止，形成上电极11，如图9所示
9.然后干法刻蚀掉一层氮化硅和二氧化硅，以剩余的氮化硅和二氧化硅作掩膜用50％的氢氧化钾溶液湿法刻蚀硅基底，刻蚀深度为10微米，形成键合时的连接体12和驱动器薄膜14，如图10所示
10.将步骤3中得到的结构的上表面和步骤9中得到结构的下表面进行阳极键合，条件是500V电压、一个标准大气压和300摄氏度，然后在上表面光刻并用SF6干法刻蚀释放孔13再用缓冲氢氟酸湿法刻蚀将释放孔下面的氧化层释放，只保留将第一层和第二层连接的连接体15，得到的结构如图11所示。
实施例2
以7×7单元三层连续面形微机械变形镜的制作过程为例，结合附图对本发明作具体描述，具体步骤如图1所示。
1.取一块1000微米厚的5英寸康宁7070玻璃作为第一基底1，如图2所示。
2.用第一个掩膜版光刻并用缓冲氢氟酸湿法刻蚀出2微米深的槽，为铺设下电极做准备，如图3所示。
3.在基底上表面蒸镀2.0微米厚的金，然后光刻并干法刻蚀，刻蚀深度为2微米，形成变形镜的下电极3和引线2，如图4所示。
4.用LPCVD沉积厚度为1微米的氮化硅薄膜4，然后光刻并干法刻蚀，刻蚀深度等于这层薄膜的厚度，使得氮化硅将下电极覆盖，从而避免静电拉入效应对器件造成短路的损害，如图5所示。
5.取一块4英寸SOI晶片，晶片的硅结构层5厚度是20微米，氧化层6厚度是10微米，第二基底7厚度为1000微米，如图6所示。
6.将上一步得到的晶片上下表面都沉积2层厚度都用LPCVD沉积600nm的二氧化硅9和两层氮化硅8，顺序是二氧化硅→氮化硅→二氧化硅→氮化硅，为后续的湿法刻蚀基底做准备，如图7所示。
7.对上一步得到的结构下表面进行两次光刻和两次干法刻蚀，形成台阶状的结构10，为后续的湿法刻蚀基底做准备，如图8所示。
8.以上一步得到的台阶状的氮化硅和二氧化硅为掩膜用50％氢氧化钾溶液湿法刻蚀硅基底，刻蚀至距离基底的上表面52微米处停止，形成上电极11，如图9所示
9.然后干法刻蚀掉一层氮化硅和二氧化硅，以剩余的氮化硅和二氧化硅作掩膜用50％氢氧化钾溶液湿法刻蚀硅基底，深度为50微米，形成键合时的连接体12和驱动器薄膜14，如图10所示
10.将步骤3中得到的结构的上表面和步骤9中得到结构的下表面进行阳极键合，条件是1000V、500摄氏度和一个标准下气压，然后光刻并用SF6干法刻蚀释放孔13再用缓冲氢氟酸湿法刻蚀将释放孔下面的氧化层释放，只保留将第一层和第二层连接的连接体15，得到的结构如图11所示。
实施例3
以10×10单元三层连续面形微机械变形镜的制作过程为例，结合附图对本发明作具体描述，具体步骤如图1所示。
1.取一块300微米厚的4英寸N型(100)双面抛光麦克斯硅片作为第一基底1，电阻率为105～2×105Ω·cm，如图2所示。
2.用第一个掩膜版光刻并用50％氢氧化钾溶液湿法刻蚀出0.1微米深的槽，为铺设下电极做准备，如图3所示。
3.用LPCVD沉积0.1微米厚的多晶硅，然后光刻并干法刻蚀，刻蚀深度为0.1微米，形成变形镜的下电极3和引线2，如图4所示。
4.用LPCVD沉积厚度为0.1微米的氮化硅薄膜4，然后光刻并刻蚀，刻蚀深度等于这层薄膜的厚度，使得氮化硅将下电极覆盖，从而避免静电拉入效应对器件造成短路的损害，如图5所示。
5.取一块4英寸SOI晶片，晶片的硅结构层5厚度是0.3微米，氧化层6厚度是0.3微米，第二基底7厚度为300微米，如图6所示。
6.将上一步得到的晶片上下表面都用PECVD沉积2层厚度都是800nm的二氧化硅9和两层氮化硅8，顺序是二氧化硅→氮化硅→二氧化硅→氮化硅，为后续的湿法刻蚀或干法刻蚀做准备，如图7所示。
7.对上一步得到的结构下表面进行两次光刻和两次干法刻蚀，形成台阶状的结构10，为后续的湿法刻蚀基底做准备，如图8所示。
8.以上一步得到的台阶状的氮化硅和二氧化硅为掩膜用50％氢氧化钾溶液湿法刻蚀硅基底，刻蚀至距离基底的上表面32微米处停止，形成上电极11，如图9所示
9.然后干法刻蚀掉一层氮化硅和二氧化硅，以剩余的氮化硅和二氧化硅作掩膜用50％氢氧化钾溶液湿法刻蚀硅基底，深度为12微米，形成键合时的连接体12和驱动器薄膜14，如图10所示
10.将步骤3中得到的结构的上表面和步骤9中得到结构的下表面进行阳极键合，条件是600V、1000摄氏度和一个标准下气压，然后光刻并用SF6干法刻蚀释放孔再用缓冲氢氟酸湿法刻蚀将释放孔下面的氧化层释放，只保留将第一层和第二层连接的连接体，得到的结构如图11所示。
Claims (1)
1.一种基于键合工艺的三层连续面型MEMS变形镜的制作工艺，其特征在于步骤如下：
(1)取一块玻璃或硅片作为基底；
(2)光刻并刻蚀，在基底上形成0.3～2.0微米深的槽；
(3)沉积0.3～2.0微米厚的多晶硅或非晶硅或金属薄膜，然后光刻并刻蚀，刻蚀深度等于这层薄膜的厚度，形成变形镜的下电极和引线；
(4)沉积厚度为0.1～1.0微米的氮化硅薄膜，然后光刻并刻蚀，刻蚀深度等于这层薄膜的厚度，使得氮化硅薄膜将下电极覆盖，从而避免静电拉入效应对器件造成短路的损害；
(5)取一块SOI晶片，晶片的硅结构层厚度是0.3～20.0微米，氧化层厚度是0.3～10微米，硅基底厚度为300～1000微米，或者在厚300-1000微米的普通硅片硅基底的上表面热氧化一层厚0.3～10微米的氧化层，然后在氧化层上表面键合一块硅片并将这块硅片用机械或化学的方法减薄到0.3～20微米厚并将其磨平；
(6)对步骤(5)得到的晶片上下表面都沉积两层二氧化硅和两层氮化硅，顺序是二氧化硅→氮化硅→二氧化硅→氮化硅，为后续的湿法刻蚀或干法刻蚀做准备；
(7)对步骤(6)得到的结构下表面进行两次光刻和刻蚀，形成台阶状的结构，为后续的湿法刻蚀做准备；
(8)以步骤(7)得到的台阶状的氮化硅和二氧化硅为掩膜进行湿法或干法刻蚀硅基底，刻蚀至距离硅基底的上表面12～52微米处停止；
(9)然后将步骤(8)所得的结构湿法或干法刻蚀掉一层氮化硅和二氧化硅，以剩余的氮化硅和二氧化硅作掩膜进行湿法或干法刻蚀硅基底，深度为10～50微米；
(10)将步骤(9)中所得到的结构上下表面剩余的二氧化硅和氮化硅用湿法或干法刻蚀除掉；
(11)将步骤(3)中得到的结构的上表面和步骤(10)中得到的结构的下表面进行熔融键合或阳极键合或低温键合；
(12)对步骤(10)中得到的结构的上表面进行光刻并刻蚀，形成释放孔，然后将释放孔下面的氧化层释放，只保留从上向下看将第一层和第二层连接的连接体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111130 Termination date: 20150710 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |