CN113341560A - 一种曲面异形mems二维扫描微镜机器制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种曲面异形MEMS二维扫描微镜，包括外框、内框、线圈、曲面镜面、快轴以及慢轴，曲面镜面位于整体结构的中心，通过快轴与内框相连接，内框通过慢轴与外框连接，其中：曲面镜面采用球冠面，为一个球面被平面所截后剩下的曲面；线圈采用内置方式，由外置永磁体提供与微镜成45°的磁场，通过Z方向的洛伦兹力控制快轴及慢轴的扭臂梁的扭转，实现慢轴、快轴即Y轴、X轴的扫描；曲面异形二维扫描微镜在电磁力的控制下，在X、Y轴实现周期性、高频率摆动。本发明采用曲面异形结构，用曲面镜代替平面镜，极大地增加了MEMS二维扫描微镜的扫描视场，增大了激光雷达的扫描角度。

Description

一种曲面异形MEMS二维扫描微镜机器制备方法
技术领域
本发明涉及微机电***技术，具体涉及一种曲面异型MEMS二维扫描微镜及其制备方法。
背景技术
MEMS微镜是指采用光学MEMS技术制造的，把微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起的光学MEMS器件。相较于传统的扫描镜，MEMS二维扫描微镜作为新一代三维成像激光雷达的核心部件，具有尺寸小、成本低、扫描频率高、响应速度快和功耗低等优点，广泛应用于光通信、扫描成像、激光雷达等领域。
传统的MEMS二维扫描微镜的反射镜面采用平面镜，受限于MEMS扫描微镜转动梁的刚度极限和可靠性等制约，MEMS扫描微镜的扫描角度与转台式激光雷达相比较小，这大大的制约了新一代三维成像激光雷达的应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种曲面异形MEMS二维扫描微镜及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种曲面异形MEMS二维扫描微镜，包括外框、内框、线圈、曲面镜面、快轴以及慢轴，曲面镜面位于整体结构的中心，通过快轴与内框相连接，内框通过慢轴与外框连接，其中：
曲面镜面采用球冠面，为一个球面被平面所截后剩下的曲面，也可看作圆弧绕过它的一个端点的圆的直径旋转一周得到的面；线圈采用内置方式，由外置永磁体提供与微镜成45°的磁场，通过Z方向的洛伦兹力控制快轴及慢轴的扭臂梁的扭转，实现X轴(慢轴)的扫描与Y轴(快轴)的扫描；曲面异形二维扫描微镜在电磁力的控制下，在X、Y轴实现周期性、高频率摆动。
进一步的，在快、慢轴上集成微型角度传感器，用于实时反馈快轴及慢轴的扭转信息，为后端进行进一步反馈控制提供信号，以进一步增强微镜转动线性度。
更进一步的，微型角度传感器采用磁控溅射技术沉积一层压电薄膜，将压电薄膜置于惠斯通电桥内构成，当梁扭转时产生压力，压电薄膜阻值发生变化，信号通过电桥放大读出。
一种曲面异形二维MEMS微镜的制作方法，采用6英寸MEMS工艺技术，相比较4英寸工艺技术而言，前者具有更高的效率，有利于提升微镜批量化制备水平，制备流程如下：
步骤1，预处理6英寸SOI晶圆，首先对晶圆进行标准RCA清洗，去离子水冲洗，并氮气吹干；
步骤2，对晶圆的顶层硅进行MA6/BA6接触式光刻，选用光刻胶AZ5214，光刻胶厚度为1.5μm；显影后采用磁控溅射技术，对顶层硅的刻蚀区域进行线宽为2μm，厚度400nm的金属薄膜沉积；采用lift-off工艺去除光刻胶，形成内置线圈；
步骤3，对晶圆的顶层硅进行MA6/BA6接触式光刻，选用光刻胶AZ4620，光刻胶厚度为8μm；显影后通过ICP深硅刻蚀机、BOSCH工艺对顶层硅进行高垂直度深硅刻蚀，刻蚀至氧化层终止；
步骤4，对顶层硅的中心区域进行MA6/BA6接触式光刻，选用光刻胶AZ5214，光刻胶厚度为1.5μm；显影后采用磁控溅射技术，对顶层硅的中心区域进行反射金属薄膜的沉积，沉积的薄膜厚度为250nm；完成工艺后采用PECVD沉积一层厚度为500nm的二氧化硅层作为保护层；
步骤5，对晶圆的背部衬底进行光刻，采用MA6/BA6接触式光刻，以二氧化硅作为掩膜，进行深硅刻蚀，刻蚀至埋氧层时，终止刻蚀；
步骤6，将晶圆放置于BOE溶液中，以去除二氧化硅层，释放结构；
步骤7，利用复数束激光对晶圆进行微细结构加工，形成特定曲率的曲面镜面，然后通过30微米Au线将信号引出至基板上，完成曲面异形MEMS二维扫描微镜的封装，以备测试。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)采用曲面异形结构的反射镜面，改变了扫描的空间特性，极大地增大了微镜的扫描角度；2)采用3D MEMS加工工艺，在传统平面MEMS加工艺基础上，引入激光精密刻蚀技术，实现曲率的精度刻蚀，大大提高了加工精度。
附图说明
图1为本发明曲面异形MEMS二维扫描微镜的结构图。
图2为本发曲面异形MEMS二维扫描微镜的工艺制备流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，一种曲面异形MEMS二维扫描微镜，包括外框、内框、线圈、曲面镜面、快轴以及慢轴，曲面镜面位于整体结构的中心，通过快轴与内框相连接，内框通过慢轴与外框连接，其中：曲面镜面采用球冠面，为一个球面被平面所截后剩下的曲面，也可看作圆弧绕过它的一个端点的圆的直径旋转一周得到的面；线圈采用内置方式，由外置永磁体提供与微镜成45°的磁场，通过Z方向的洛伦兹力控制快轴及慢轴的扭臂梁的扭转，实现X轴(慢轴)的扫描与Y轴(快轴)的扫描；曲面异形二维扫描微镜在电磁力的控制下，在X、Y轴实现周期性、高频率摆动。
所述快、慢轴上集成微型角度传感器，用于实时反馈快轴及慢轴的扭转信息，为后端进行进一步反馈控制提供信号，以进一步增强微镜转动线性度。作为一种优选实施方式，所述微型角度传感器采用磁控溅射技术沉积一层压电薄膜，将压电薄膜置于惠斯通电桥内构成，当梁扭转时产生压力，压电薄膜阻值发生变化，信号通过电桥放大读出。
基于上述结构，本发明还提出一种曲面异形二维MEMS微镜的制作方法，采用6英寸MEMS工艺技术制备，相比较4英寸工艺技术而言，前者具有更高的效率，有利于提升微镜批量化制备水平。如图2所示，制备流程如下：
步骤1，对6英寸SOI晶圆进行预处理；
首先对6英寸SOI晶圆进行标准RCA清洗，去除硅片表面的有机沾污，溶解氧化膜，去除颗粒、金属等沾污，同时使硅片表面钝化，再用去离子水冲洗晶圆，并用氮气吹干；
步骤2，沉积微镜的内置线圈；
对晶圆的顶层硅进行MA6/BA6接触式光刻，选用光刻胶AZ5214，光刻胶厚度为1.5μm；显影后采用磁控溅射技术，对顶层硅的刻蚀区域进行线宽为2μm，厚度为400nm的金属薄膜沉积；最后采用lift-off工艺去除光刻胶，形成内置线圈；
步骤3，对顶层硅进行高垂直度深硅刻蚀；
对顶层硅进行MA6/BA6接触式光刻，使用光刻胶AZ4620，光刻胶厚度为8μm；显影后通过ICP深硅刻蚀机、BOSCH工艺，首先采用氟基活性基团对顶层硅进行垂直方向的刻蚀，然后进行侧壁钝化，刻蚀和保护两步工艺交替进行，刻蚀至氧化层终止，实现对顶层硅的高垂直度深硅刻蚀；
步骤4，沉积反射金属膜，并在表面沉积一层二氧化硅作为保护层；
对顶层硅的中心区域MA6/BA6接触式光刻，选用光刻胶AZ5214，光刻胶厚度为1.5μm；显影后采用磁控溅射技术，对顶层硅的中心区域进行反射金属薄膜的沉积，金属薄膜厚度为250nm；完成工艺后采用PECVD方法沉积一层500nm厚的二氧化硅层作为保护层；
步骤5，对背部衬底进行光刻；
对晶圆的背部衬底进行MA6/BA6接触式光刻，以二氧化硅作为掩膜，进行深硅刻蚀，刻蚀至埋氧层终止；
步骤6，释放结构；
将SOI晶圆放置于BOE溶液中，以去除二氧化硅层，释放结构；
步骤7，加工特定曲率的反射镜面；
利用复数束激光对晶圆进行微细结构加工，形成特定曲率的曲面镜面，然后通过30微米Au线将信号引出至基板上，完成曲面异形MEMS二维扫描微镜的封装，以备测试。
综上所述，本发明采用曲面异形结构，用曲面镜代替平面镜，极大地增加了MEMS二维扫描微镜的扫描视场，增大了激光雷达的扫描角度。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种曲面异形MEMS二维扫描微镜，其特征在于，包括外框、内框、线圈、曲面镜面、快轴以及慢轴，曲面镜面位于整体结构的中心，通过快轴与内框相连接，内框通过慢轴与外框连接，其中：
曲面镜面采用球冠面，为一个球面被平面所截后剩下的曲面；线圈采用内置方式，由外置永磁体提供与微镜成45°的磁场，通过Z方向的洛伦兹力控制快轴及慢轴的扭臂梁的扭转，实现慢轴、快轴即Y轴、X轴的扫描；曲面异形二维扫描微镜在电磁力的控制下，在X、Y轴实现周期性、高频率摆动。
2.根据权利要求1所述的曲面异形MEMS二维扫描微镜，其特征在于，在快、慢轴上集成微型角度传感器，用于实时反馈快轴及慢轴的扭转信息，为后端进行进一步反馈控制提供信号，以进一步增强微镜转动线性度。
3.根据权利要求2所述的曲面异形MEMS二维扫描微镜，其特征在于，微型角度传感器采用磁控溅射技术沉积一层压电薄膜，将压电薄膜置于惠斯通电桥内构成，当梁扭转时产生压力，压电薄膜阻值发生变化，信号通过电桥放大读出。
4.一种曲面异形二维MEMS微镜的制作方法，采用6英寸MEMS工艺技术，制备权利要求1-3任一项所述的曲面异形二维MEMS微镜，制备流程如下：
步骤1，预处理6英寸SOI晶圆，首先对晶圆进行标准RCA清洗，去离子水冲洗，并氮气吹干；
步骤2，对晶圆的顶层硅进行MA6/BA6接触式光刻，选用光刻胶AZ5214，光刻胶厚度为1.5μm；显影后采用磁控溅射技术，对顶层硅的刻蚀区域进行线宽为2μm，厚度400nm的金属薄膜沉积；采用lift-off工艺去除光刻胶，形成内置线圈；
步骤3，对晶圆的顶层硅进行MA6/BA6接触式光刻，选用光刻胶AZ4620，光刻胶厚度为8μm；显影后通过ICP深硅刻蚀机、BOSCH工艺对顶层硅进行高垂直度深硅刻蚀，刻蚀至氧化层终止；
步骤4，对顶层硅的中心区域进行MA6/BA6接触式光刻，选用光刻胶AZ5214，光刻胶厚度为1.5μm；显影后采用磁控溅射技术，对顶层硅的中心区域进行反射金属薄膜的沉积，沉积的薄膜厚度为250nm；完成工艺后采用PECVD沉积一层厚度为500nm的二氧化硅层作为保护层；
步骤5，对晶圆的背部衬底进行光刻，采用MA6/BA6接触式光刻，以二氧化硅作为掩膜，进行深硅刻蚀，刻蚀至埋氧层时，终止刻蚀；
步骤6，将晶圆放置于BOE溶液中，以去除二氧化硅层，释放结构；
步骤7，利用复数束激光对晶圆进行微细结构加工，形成特定曲率的曲面镜面，然后通过30微米Au线将信号引出至基板上，完成曲面异形MEMS二维扫描微镜的封装，以备测试。
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