CN110568611A - 一种双向驱动微镜芯片及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双向驱动微镜芯片及制造方法，克服现有技术中采用两层梳齿结构，只能单向驱动，使得微镜受力不对称、无法完全绕中心轴转动的问题，应用全新设计结构，拥有上中下三层梳齿结构，为微镜提供双向驱动力，使得被驱动对象的受力完全对称，获得更加优良的微镜扫描效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种双向驱动微镜芯片及制造方法，属于微机电***技术领域。
背景技术
相对于传统的机械，MEMS器件的尺寸更小，一般在微米到毫米量级。它基于半导体集成电路(IC)制作工艺，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。
常用的微机电***驱动结构包括静电驱动，被广泛应用，其中静电驱动主要采用梳齿结构。梳齿结构一般分为两类，一类是面内梳齿结构，用作面内结构驱动，一类是上下梳齿结构，用作面外驱动。面外驱动的动齿和固齿一高一低，不在一个平面。上下梳齿结构可以用来制作扫描微镜，三轴加速度计、三轴陀螺仪。但是要制作高低梳齿，现有的高低梳齿设计中，传统的MEMES制造工艺利用键合工艺分别刻蚀高低梳齿，或者利用多次光刻、分别刻蚀高低梳齿，需要高精度对准，或者需要对DRIE刻蚀精确控制，对工艺要求高、且成品率低，存在多次刻蚀，加工复杂等缺陷。
专利CN201521059002采用SOI圆片实现下梳齿，然后键合一片硅片实现上梳齿的方式，该工艺复杂，且成品率不能得到保证。专利CN201410599134采用了一种自对准方案，采用抬升结构实现高低梳齿。这里的抬升结构利用了工艺应力，而使梳齿抬升，形成高低梳齿。现有专利，只能形成高低两层梳齿结构，不能形成双向驱动结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双向驱动微镜芯片，拥有上中下三层梳齿结构，进而获得双向驱动力，使得被驱动对象的受力完全对称，获得更加优良的微镜扫描效果。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种双向驱动微镜芯片，包括衬底、镜面支撑、转轴、两组下驱动装置和至少两组上驱动装置，其中，衬底为SOI硅片材料制成的环形结构，且衬底的各部位共面；镜面支撑上彼此相对的两侧边位置分别通过转轴、活动对接衬底环形结构的内侧边，镜面支撑以转轴所在直线为轴自由转动；
两组下驱动装置分别与镜面支撑上位于转轴所在直线两侧、且彼此相对的两侧边一一对应，两组下驱动装置彼此结构相同，各组下驱动装置分别均包括至少一个下驱动本体，各个下驱动本体均为SOI硅片材料制成，各个下驱动本体彼此结构相同，各个下驱动本体分别均包括至少一根梳齿；各组下驱动装置中，各下驱动本体中各根梳齿的其中一端分别对接镜面支撑上对应侧边的外侧，各下驱动本体中各梳齿彼此相平行、以及相邻梳齿之间等间距，且各下驱动本体中各根梳齿彼此共面，以及该共面与镜面支撑所在面相共面；两组下驱动装置中的各下驱动本体相对转轴所在直线呈轴对称；
上驱动装置的组数与下驱动本体的数目相等，各组上驱动装置的结构彼此相同，各组上驱动装置分别均包括驱动梁、压电驱动装置、主轴、以及对接主轴其中一侧的各根梳齿，各组上驱动装置中，驱动梁与主轴上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，各梳齿彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距，主轴与其所连各梳齿相共面，压电驱动装置设置于驱动梁的上表面；
各组上驱动装置分别与各下驱动本体一一对应，各组上驱动装置中的驱动梁分别对接衬底环形结构的内侧边，且各组上驱动装置中各根梳齿的位置与对应下驱动本体中各根梳齿的位置彼此相对应，以及在垂直于衬底所在面的方向上，各组上驱动装置中各根梳齿的投影、分别与对应位置下驱动本体中各根梳齿的投影彼此平行、且彼此相互交错；
镜面支撑的上表面设置镜面反射层，衬底上表面设置分别与各组上驱动装置、各个下驱动本体一一对应的电极，通过向各个电极供电，分别向各根梳齿进行供电、以及分别向对应各组上驱动装置中压电驱动装置施加电压，且对应转轴所在直线的两侧，同侧针对压电驱动装置施加电压的极性相同，以及不同侧针对压电驱动装置施加电压的极性彼此相反；各组上驱动装置中的驱动梁分别在对应压电驱动装置所接受施加电压下产生纵向位移；基于向各根梳齿的供电，各组上驱动装置中各根梳齿与对应位置下驱动本体中各根梳齿之间产生静电力，共同驱动镜面支撑以转轴所在直线为轴转动。
作为本发明的一种优选技术方案：基于各组上驱动装置中驱动梁分别在对应压电驱动装置所接受施加电压下产生的纵向位移；所述对应转轴所在直线的两侧，单侧的下驱动装置与上驱动装置位于同一高度，两侧装置、以及所述镜面支撑三者分别位于不同高度，且镜面支撑位于三者的中间高度，位于最低高度位置的各上驱动装置中的压电驱动装置接收负电压，位于最高高度位置的各上驱动装置中的压电驱动装置接收正电压。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各压电驱动装置的结构彼此相同，各压电驱动装置分别均包括由下至上堆叠的电极层、压电驱动材料层、电极层。
作为本发明的一种优选技术方案：所述压电驱动材料层为PZT、ZnO、AlN中的任意一种，或其中至少两种的任意组合；所述各压电驱动装置中的电极层为指定金属材料。
作为本发明的一种优选技术方案：所述上驱动装置中驱动梁为直线型结构，驱动梁的中点位置通过连接件与对应主轴上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，驱动梁的两端分别对接所述衬底环形结构的内侧边。
作为本发明的一种优选技术方案：所述上驱动装置中驱动梁为U型结构，驱动梁的其中一端连接件与对应主轴上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，驱动梁的另一端对接所述衬底环形结构的内侧边。
作为本发明的一种优选技术方案：所述所有上驱动装置平均分布于、所述镜面支撑彼此相对的两侧，且分布于镜面支撑两侧的各上驱动装置、相对所述转轴所在直线为轴呈对称分布。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各下驱动本体中各根梳齿均与其所连镜面支撑外侧边相垂直；所述各组上驱动装置中的各根梳齿、均与其所对接主轴的侧边相垂直。
与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种针对双向驱动微镜芯片的制造方法，采用新设计工艺，获得上中下三层梳齿结构，使得被驱动对象在双向驱动力下，获得完全对称的受力，由此获得更加优良的微镜扫描效果。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种针对双向驱动微镜芯片的制造方法，针对SOI硅片执行如下步骤，实现所述微镜芯片的制造；
步骤A.针对SOI硅片中顶硅层的上表面进行热氧化处理，获得预设厚度的氧化层，然后进入步骤B；
步骤B.针对SOI硅片中顶硅层的氧化层上表面，右下至上依次生长指定金属层、PZT层、指定金属层，并图形化刻蚀获得各个压电驱动装置，即PZT层构成各压电驱动装置的压电驱动材料层，PT层构成各压电驱动装置中位于压电驱动材料层上下位置的电极层，然后进入步骤C；
步骤C.针对SOI硅片中顶硅层上表面、非压电驱动装置设置区，淀积预设厚度的Au层，并图形化获得镜面反射层、以及各个电极，然后进入步骤D；
步骤D.针对SOI硅片，由底硅层向上，基于图像化刻蚀至顶硅层下表面，形成空腔，然后进入步骤E；
步骤E.针对SOI硅片中顶硅层进行刻蚀，获得下驱动装置和上驱动装置之间的梳齿结构。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤D中，针对SOI硅片，由底硅层向上，基于图像化，应用干法刻蚀、湿法刻蚀、或者干法湿法混合刻蚀中的任意一种方法进行刻蚀处理，至顶硅层下表面，形成空腔。
本发明所述一种双向驱动微镜芯片及制造方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计双向驱动微镜芯片，克服现有技术中采用两层梳齿结构，只能单向驱动，使得微镜受力不对称、无法完全绕中心轴转动的问题，应用全新设计结构，拥有上中下三层梳齿结构，为微镜提供双向驱动力，使得被驱动对象的受力完全对称，获得更加优良的微镜扫描效果。
附图说明
图1是本发明设计双向驱动微镜芯片的结构一示意图；
图2是本发明设计双向驱动微镜芯片的结构二示意图；
图3是本发明设计中上中下三层梳齿结构示意图；
图4是本发明设计中双向驱动力示意图；
图5是本发明设计针对双向驱动微镜芯片的制造方法中热氧化处理示意图；
图6是本发明设计针对双向驱动微镜芯片的制造方法中生长压电复合层示意图；
图7是本发明设计针对双向驱动微镜芯片的制造方法中刻蚀压电复合层示意图；
图8是本发明设计针对双向驱动微镜芯片的制造方法中淀积Au层示意图；
图9是本发明设计针对双向驱动微镜芯片的制造方法中背部刻蚀示意图；
图10是本发明设计针对双向驱动微镜芯片的制造方法中梳齿结构刻蚀示意图。
其中，1.衬底，2.镜面支撑，3.转轴，4.下驱动本体，5.驱动梁，6.压电驱动装置，7.主轴，8.镜面反射层，9.电极，10.连接件，11.氧化层，12.空腔，13-1.顶硅层，13-3.底硅层。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种双向驱动微镜芯片，实际应用当中，具体包括衬底1、镜面支撑2、转轴3、两组下驱动装置和至少两组上驱动装置，其中，衬底1为SOI硅片材料制成的环形结构，且衬底1的各部位共面；镜面支撑2上彼此相对的两侧边位置分别通过转轴3、活动对接衬底1环形结构的内侧边，镜面支撑2以转轴3所在直线为轴自由转动。
两组下驱动装置分别与镜面支撑2上位于转轴3所在直线两侧、且彼此相对的两侧边一一对应，两组下驱动装置彼此结构相同，各组下驱动装置分别均包括至少一个下驱动本体4，各个下驱动本体4均为SOI硅片材料制成，各个下驱动本体4彼此结构相同，各个下驱动本体4分别均包括至少一根梳齿；各组下驱动装置中，各下驱动本体4中各根梳齿的其中一端分别对接镜面支撑2上对应侧边的外侧，各下驱动本体4中各梳齿彼此相平行、以及相邻梳齿之间等间距，且各下驱动本体4中各根梳齿彼此共面，以及该共面与镜面支撑2所在面相共面；两组下驱动装置中的各下驱动本体4相对转轴3所在直线呈轴对称。
实际应用当中，各下驱动本体4中各根梳齿均与其所连镜面支撑2外侧边相垂直；所述各组上驱动装置中的各根梳齿、均与其所对接主轴7的侧边相垂直。
上驱动装置的组数与下驱动本体4的数目相等，各组上驱动装置的结构彼此相同，各组上驱动装置分别均包括驱动梁5、压电驱动装置6、主轴7、以及对接主轴7其中一侧的各根梳齿，各组上驱动装置中，驱动梁5与主轴7上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，各梳齿彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距，主轴7与其所连各梳齿相共面，压电驱动装置6设置于驱动梁5的上表面，各压电驱动装置6的结构彼此相同，各压电驱动装置6分别均包括由下至上堆叠的电极层、压电驱动材料层、电极层，压电驱动材料层为PZT、ZnO、AlN中的任意一种，或其中至少两种的任意组合；所述各压电驱动装置6中的电极层为指定金属材料，具体可以选择Pt、Al或者Mo材料。
实际应用当中，所有上驱动装置平均分布于、所述镜面支撑2彼此相对的两侧，且分布于镜面支撑2两侧的各上驱动装置、相对所述转轴3所在直线为轴呈对称分布。
各组上驱动装置分别与各下驱动本体4一一对应，各组上驱动装置中的驱动梁5分别对接衬底1环形结构的内侧边，且各组上驱动装置中各根梳齿的位置与对应下驱动本体4中各根梳齿的位置彼此相对应，以及在垂直于衬底1所在面的方向上，各组上驱动装置中各根梳齿的投影、分别与对应位置下驱动本体4中各根梳齿的投影彼此平行、且彼此相互交错。
镜面支撑2的上表面设置镜面反射层8，衬底1上表面设置分别与各组上驱动装置、各个下驱动本体4一一对应的电极9，通过向各个电极9供电，分别向各根梳齿进行供电、以及分别向对应各组上驱动装置中压电驱动装置6施加电压，且对应转轴3所在直线的两侧，同侧针对压电驱动装置6施加电压的极性相同，以及不同侧针对压电驱动装置6施加电压的极性彼此相反；各组上驱动装置中的驱动梁5分别在对应压电驱动装置6所接受施加电压下产生纵向位移，实际应用当中，如图3所示，所述对应转轴3所在直线的两侧，单侧的下驱动装置与上驱动装置位于同一高度，两侧装置、以及所述镜面支撑2三者分别位于不同高度，且镜面支撑2位于三者的中间高度，位于最低高度位置的各上驱动装置中的压电驱动装置6接收负电压，位于最高高度位置的各上驱动装置中的压电驱动装置6接收正电压。同时，基于向各根梳齿的供电，各组上驱动装置中各根梳齿与对应位置下驱动本体4中各根梳齿之间产生静电力，共同驱动镜面支撑2以转轴3所在直线为轴转动。实际应用当中，如图4所示，微镜在上中下三层梳齿结构下，受到两侧的双向驱动力，使得被驱动对象的受力完全对称，获得更加优良的微镜扫描效果。
上述技术方案所设计双向驱动微镜芯片，在实际应用当中，上驱动装置中的驱动梁5可以设计为两种结构，一种为直线型结构，如图1所示，驱动梁5的中点位置通过连接件10与对应主轴7上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，驱动梁5的两端分别对接所述衬底1环形结构的内侧边。另一种为U型结构，如图2所示，驱动梁5的其中一端连接件9与对应主轴7上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，驱动梁5的另一端对接所述衬底1环形结构的内侧边。
以图1所示结构进行描述，第一组梳齿：对压电材料施加电压，使第一组梳齿向上抬升；第二组梳齿：对压电材料施加电压，使第二组梳齿向下抬升；第三组梳齿：对压电材料施加电压，使第三组梳齿向下抬升；第四组梳齿：对压电材料施加电压，使第四组梳齿向上抬升。
抬升完成后，对第一组和第三组梳齿施加电压，可以使镜面支撑2两端受到大小相等，方向相反的两个力，使镜面支撑2顺时针旋转。对第二组和第四组梳齿施加电压，可以使镜面支撑2逆时针旋转。
对压电驱动器施加电压后获得抬升梳齿，进一步，在抬升部位通过胶水固定起来，这样就可以保持住抬升位置，而无需电压便能够维持住高的或者低的梳齿。
针对上述所设计双向驱动微镜芯片，本发明进一步设计了针对此芯片的制造方法，针对SOI硅片执行如下步骤，实现所述微镜芯片的制造。
步骤A.针对SOI硅片中顶硅层13-1的上表面进行热氧化处理，获得预设厚度的氧化层11，如图5所示，然后进入步骤B。
步骤B.针对SOI硅片中顶硅层13-1的氧化层11上表面，右下至上依次生长指定金属层、PZT层、指定金属层，实际应用当中，这里指定金属层诸如为Pt层、Al层或者Mo层，如图6所示，并如图7所示，图形化刻蚀获得各个压电驱动装置6，即PZT层构成各压电驱动装置6的压电驱动材料层，PT层构成各压电驱动装置6中位于压电驱动材料层上下位置的电极层，然后进入步骤C。
步骤C.如图8所示，针对SOI硅片中顶硅层13-1上表面、非压电驱动装置6设置区，淀积预设厚度的Au层，并图形化获得镜面反射层8、以及各个电极9，然后进入步骤D。
步骤D.如图9所示，针对SOI硅片，由底硅层13-3向上，基于图像化，应用干法刻蚀、湿法刻蚀、或者干法湿法混合刻蚀中的任意一种方法进行刻蚀处理，至顶硅层13-1下表面，形成空腔12，然后进入步骤E。
步骤E.如图10所示，针对SOI硅片中顶硅层13-1进行刻蚀，获得下驱动装置和上驱动装置之间的梳齿结构。
上述技术方案所设计双向驱动微镜芯片，克服现有技术中采用两层梳齿结构，只能单向驱动，使得微镜受力不对称、无法完全绕中心轴转动的问题，应用全新设计结构，拥有上中下三层梳齿结构，为微镜提供双向驱动力，使得被驱动对象的受力完全对称，获得更加优良的微镜扫描效果。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种双向驱动微镜芯片，其特征在于：包括衬底（1）、镜面支撑（2）、转轴（3）、两组下驱动装置和至少两组上驱动装置，其中，衬底（1）为SOI硅片材料制成的环形结构，且衬底（1）的各部位共面；镜面支撑（2）上彼此相对的两侧边位置分别通过转轴（3）、活动对接衬底（1）环形结构的内侧边，镜面支撑（2）以转轴（3）所在直线为轴自由转动；
两组下驱动装置分别与镜面支撑（2）上位于转轴（3）所在直线两侧、且彼此相对的两侧边一一对应，两组下驱动装置彼此结构相同，各组下驱动装置分别均包括至少一个下驱动本体（4），各个下驱动本体（4）均为SOI硅片材料制成，各个下驱动本体（4）彼此结构相同，各个下驱动本体（4）分别均包括至少一根梳齿；各组下驱动装置中，各下驱动本体（4）中各根梳齿的其中一端分别对接镜面支撑（2）上对应侧边的外侧，各下驱动本体（4）中各梳齿彼此相平行、以及相邻梳齿之间等间距，且各下驱动本体（4）中各根梳齿彼此共面，以及该共面与镜面支撑（2）所在面相共面；两组下驱动装置中的各下驱动本体（4）相对转轴（3）所在直线呈轴对称；
上驱动装置的组数与下驱动本体（4）的数目相等，各组上驱动装置的结构彼此相同，各组上驱动装置分别均包括驱动梁（5）、压电驱动装置（6）、主轴（7）、以及对接主轴（7）其中一侧的各根梳齿，各组上驱动装置中，驱动梁（5）与主轴（7）上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，各梳齿彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距，主轴（7）与其所连各梳齿相共面，压电驱动装置（6）设置于驱动梁（5）的上表面；
各组上驱动装置分别与各下驱动本体（4）一一对应，各组上驱动装置中的驱动梁（5）分别对接衬底（1）环形结构的内侧边，且各组上驱动装置中各根梳齿的位置与对应下驱动本体（4）中各根梳齿的位置彼此相对应，以及在垂直于衬底（1）所在面的方向上，各组上驱动装置中各根梳齿的投影、分别与对应位置下驱动本体（4）中各根梳齿的投影彼此平行、且彼此相互交错；
镜面支撑（2）的上表面设置镜面反射层（8），衬底（1）上表面设置分别与各组上驱动装置、各个下驱动本体（4）一一对应的电极（9），通过向各个电极（9）供电，分别向各根梳齿进行供电、以及分别向对应各组上驱动装置中压电驱动装置（6）施加电压，且对应转轴（3）所在直线的两侧，同侧针对压电驱动装置（6）施加电压的极性相同，以及不同侧针对压电驱动装置（6）施加电压的极性彼此相反；各组上驱动装置中的驱动梁（5）分别在对应压电驱动装置（6）所接受施加电压下产生纵向位移；基于向各根梳齿的供电，各组上驱动装置中各根梳齿与对应位置下驱动本体（4）中各根梳齿之间产生静电力，共同驱动镜面支撑（2）以转轴（3）所在直线为轴转动。
2.根据权利要求1所述一种双向驱动微镜芯片，其特征在于：基于各组上驱动装置中驱动梁（5）分别在对应压电驱动装置（6）所接受施加电压下产生的纵向位移；所述对应转轴（3）所在直线的两侧，单侧的下驱动装置与上驱动装置位于同一高度，两侧装置、以及所述镜面支撑（2）三者分别位于不同高度，且镜面支撑（2）位于三者的中间高度，位于最低高度位置的各上驱动装置中的压电驱动装置（6）接收负电压，位于最高高度位置的各上驱动装置中的压电驱动装置（6）接收正电压。
3.根据权利要求1或2所述一种双向驱动微镜芯片，其特征在于：所述各压电驱动装置（6）的结构彼此相同，各压电驱动装置（6）分别均包括由下至上堆叠的电极层、压电驱动材料层、电极层。
4.根据权利要求3所述一种双向驱动微镜芯片，其特征在于：所述压电驱动材料层为PZT、ZnO、AlN中的任意一种，或其中至少两种的任意组合；所述各压电驱动装置（6）中的电极层为指定金属材料。
5.根据权利要求1或2所述一种双向驱动微镜芯片，其特征在于：所述上驱动装置中驱动梁（5）为直线型结构，驱动梁（5）的中点位置通过连接件（10）与对应主轴（7）上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，驱动梁（5）的两端分别对接所述衬底（1）环形结构的内侧边。
6.根据权利要求1或2所述一种双向驱动微镜芯片，其特征在于：所述上驱动装置中驱动梁（5）为U型结构，驱动梁（5）的其中一端连接件（9）与对应主轴（7）上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，驱动梁（5）的另一端对接所述衬底（1）环形结构的内侧边。
7.根据权利要求1或2所述一种双向驱动微镜芯片，其特征在于：所述所有上驱动装置平均分布于、所述镜面支撑（2）彼此相对的两侧，且分布于镜面支撑（2）两侧的各上驱动装置、相对所述转轴（3）所在直线为轴呈对称分布。
8.根据权利要求1或2所述一种双向驱动微镜芯片，其特征在于：所述各下驱动本体（4）中各根梳齿均与其所连镜面支撑（2）外侧边相垂直；所述各组上驱动装置中的各根梳齿、均与其所对接主轴（7）的侧边相垂直。
9.一种针对权利要求1至8中任意一项所述一种双向驱动微镜芯片的制造方法，其特征在于，针对SOI硅片执行如下步骤，实现所述微镜芯片的制造；
步骤A. 针对SOI硅片中顶硅层（13-1）的上表面进行热氧化处理，获得预设厚度的氧化层（11），然后进入步骤B；
步骤B. 针对SOI硅片中顶硅层（13-1）的氧化层（11）上表面，右下至上依次生长指定金属层、PZT层、指定金属层，并图形化刻蚀获得各个压电驱动装置（6），即PZT层构成各压电驱动装置（6）的压电驱动材料层，PT层构成各压电驱动装置（6）中位于压电驱动材料层上下位置的电极层，然后进入步骤C；
步骤C. 针对SOI硅片中顶硅层（13-1）上表面、非压电驱动装置（6）设置区，淀积预设厚度的Au层，并图形化获得镜面反射层（8）、以及各个电极（9），然后进入步骤D；
步骤D. 针对SOI硅片，由底硅层（13-3）向上，基于图像化刻蚀至顶硅层（13-1）下表面，形成空腔（12），然后进入步骤E；
步骤E. 针对SOI硅片中顶硅层（13-1）进行刻蚀，获得下驱动装置和上驱动装置之间的梳齿结构。
10.根据权利要求9所述一种针对双向驱动微镜芯片的制造方法，其特征在于：所述步骤D中，针对SOI硅片，由底硅层（13-3）向上，基于图像化，应用干法刻蚀、湿法刻蚀、或者干法湿法混合刻蚀中的任意一种方法进行刻蚀处理，至顶硅层（13-1）下表面，形成空腔（12）。
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